Невидимые миры почвы

Борис Алексеевич БызовБорис Алексеевич Бызов, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник кафедры биологии почв факультета почвоведения Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, почвовед, микробиолог. Область научных интересов — зоомикробные взаимодействия.
Яков Михайлович РабиновичЯков Михайлович Рабинович, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Института биохимии им. А.Н. Баха РАН, биохимик. Занимается биоэнергетикой клеток эукариот.

Статья из журнала «Природа» (№ 7, 2011 г., с. 40-46)

Мы ходим по почве, не думая, что наступаем на живые организмы: на беспозвоночных, на грибы и бактерии. Эти миры скрыты от нашего глаза и напоминают о себе лишь кучками экскрементов на поверхности. Их разнообразие огромно, и в наземных экосистемах оно сосредоточено именно в почвах — как по количеству видов, так и по их обилию и плотности. Например, в лесной почве может быть до 1000 различных беспозвоночных, а их концентрация достигает сотен видов на 1 м2, сотен килограмм на 1 га. Еще больше в почвах микроорганизмов — до 1000 видов бактерий и сотен метров гиф грибов на 1 г, общая масса — несколько тонн на 1 га. Все процессы в почвах осуществляют микроорганизмы: через них проходит до 90% потоков углерода и энергии, животные же лишь регулировщики.

Животные и микроорганизмы тесно связаны друг с другом и иногда вступают в симбиоз. Микроорганизмы — главная пища многих животных, но и животные порой становятся жертвой микроорганизмов (например, хищных грибов). В почвах встречаются все типы связей как отрицательные, так и положительные: от паразитизма до мутуализма. Биологи и экологи давно поняли, что изучение межорганизменных связей чрезвычайно важно и с теоретической, и с практической точки зрения. По сути дела экология, под которой журналисты и многие обыватели понимают среду обитания человека, — это наука о взаимодействии организмов между собой и с окружающей абиотической средой. Наша цель — показать, насколько сложен и важен предмет «экология почв».

Участие организмов в экосистемах может быть прямым и косвенным. Прямое использование метаболизма в ходе химических реакций служит для получения энергии, углерода, азота, минеральных элементов. Косвенное предполагает обратную связь, когда организмы влияют на функционирование экосистем благодаря собственному присутствию и активности. Такие процессы названы регулирующими, поскольку вызывают намного большие потоки энергии и массопереноса, чем собственные метаболические потребности. Прямой вклад прямо пропорционален плотности и физиологическому состоянию организмов, а косвенный может вызываться малым воздействием, например изменением структуры почвы, влиянием на активность других организмов. Функция беспозвоночных в том и состоит, чтобы регулировать жизнь микроорганизмов. Как регулировщик, поднимая палочку, останавливает большой поток машин и, следовательно, поток энергии, а тратит на это очень мало сил, так почвенные животные регулируют жизнь микроорганизмов, а значит, и все процессы в почвах. При этом чем больше организм, тем сильнее его влияние [1].

Один из основателей экологии почв Д.Г.Звягинцев сформулировал принципы работы комплекса почвенных микроорганизмов, выделив среди них главный — дублирование функций [2]. Это можно отнести и к почвенным животным: у каждого своя роль, но они дублируются. Например, деструкцию растительных остатков осуществляют и животные, и микроорганизмы, разложение целлюлозы — грибы, фиксацию атмосферного азота — очень многие бактерии. Благодаря дублированию все процессы в почве идут постоянно, даже если какая-то группа организмов — наиболее ранимое звено в экосистеме — выбывает. Так, если в кишечнике многоножки количество симбионта, дрожжей Pichia guilliermondii, превысит естественный уровень, многоножка погибнет. Когда хищный гриб появится в среде, где много нематод, он убьет их всех, хотя и не нуждается в таком количестве пищи. Клещи, заселившие культуру грибов в чашке Петри, не остановятся, пока не уничтожат все грибы (как волки, которые режут больше овец, чем способны съесть). Итак, регуляторная роль организмов в сообществе по направлению потоков вещества и энергии намного превышает их трофическую функцию (один ест другого, его ест третий) [3].

Свойства почв и их невидимые создатели

Важнейшие для человека свойства почв — структура и плодородие, они взаимосвязаны. Создают эти свойства почвенные организмы. Большинство почв имеет свою структуру. Форма и физическая прочность почвенных агрегатов определяют аэрацию, инфильтрацию воды, водоудерживающую способность, удельную поверхность почвы. Агрегатное состояние в свою очередь обеспечивает проникновение корней растений, количество микрозон с доступными для растений питательными элементами, микробную активность, соотношение аэробных и анаэробных зон, движение микро- и мезофауны и, как следствие, плодородие почвы. Такие почвы, как черноземы, серые лесные, почти всегда плодородны, поскольку в них благоприятные условия для жизни животных и микроорганизмов, которые и создают структуру.

Копролиты (экскременты) дождевых червей — не что иное, как почвенные агрегаты. Предполагают, что почвенные частицы цементируются в пищеварительном тракте гуматами кальция при взаимодействии с бикарбонатом кальция. Стабильность копролитов объясняют также деятельностью грибов, гифы которых переплетают и связывают поверхности, или бактериальными полисахаридами, склеивающими кварц и глину. Исследуя причины механической прочности копролитов, Л.О. Карпачевский и его ученики обрабатывали их разными реагентами [4]. Выяснилось, что эти агрегаты более устойчивы к действию желудочного сока виноградной улитки Helix pomatia, чем комковатые и зернистые. Известно, что улиточный сок содержит ферменты, растворяющие клеточные стенки микроорганизмов. Значит, копролиты червей содержат больше веществ микробного происхождения и микробных клеток, разрушаемых ферментами.

Таким образом, структура почв определяется взаимодействием беспозвоночных и микроорганизмов. Резонный вопрос, а каков же масштаб этих процессов? Подсчитано, что в почвах умеренной зоны за сезон дождевые черви образуют 75—250 т/га копролитов. За 50—100 лет через их пищеварительный тракт пропускаются верхние горизонты пахотных почв [5]. Казалось бы, работа червей невелика, но она постоянна, ее результаты накапливаются в почве, и в этом их регулирующая роль.

Животные влияют на почвенное плодородие, модифицируя состав питательных элементов при гибели, экскреции продуктов жизнедеятельности, измельчении и перемешивании органических и неорганических частиц, изменении микробиологической активности. В почвах Центральной Европы за счет гибели дождевых червей выход азота достигает 24 г/м2, что сопоставимо с ежегодной дозой минеральных азотных удобрений (100—200 кг N на 1 га). Биомасса дождевых червей, содержащая 65—75% белка, в почве быстро разлагается, но азот вымывается не так быстро, поскольку связывается микроорганизмами.

Черви выделяют неорганические и органические вещества, в том числе физиологически активные. Основной конечный продукт азотного обмена — мочевина — гидролизуется до аммония, а слизистые выделения состоят из мукопротеинов. В лабораторных опытах показано, что ежедневно черви выделяют 88—270 мг N на 1 кг биомассы (ежегодно 18—60 кг N на 1 га). Через популяции дождевых червей проходит около 40% всего азота, ежегодно поглощаемого растениями.

Копролиты червей, а также стенки ходов имеют более высокое значение pH, чем окружающая почва. Ходы с разветвленной структурой достигают глубины более 1 м, занимают по длине сотни метров, по ним распространяются корни растений. Некоторые виды, например Lumbricus spp., экскретируют кальциевые сферулы, образующиеся в кальциевых железах и в просвете кишечника. Некоторые черви способны оптимизировать pH в местообитаниях, что позволяет им колонизировать кислые почвы.

Благодаря перемещению почвы, увеличению аэрированности и дренажа, дезинтеграции и инкорпорации подстилки черви влияют на дифференциацию почвенного профиля, модифицируя физико-химические свойства почв и расширяя круг биологически активных зон. Ускоренные при этом процессы минерализации, гумификации и выветривания увеличивают оборот питательных элементов и, как следствие, плодородие почвы и продукцию растений. В Новой Зеландии сведение лесов под пастбища снизило продуктивность экосистемы и привело к накоплению на поверхности слоя экскрементов крупного рогатого скота и овец, поскольку из-за интенсивной обработки почти не осталось червей. Когда в 1950 г. на отдельные участки интродуцировали червей Aporrectodea caliginosa, слой навоза через несколько лет исчез, и физические свойства почвы улучшились [6]. Биомасса червей используется в качестве добавок к кормам в животноводстве, в рыбоводческих хозяйствах [7].

Давно известно, что почва, заселенная червями, плодороднее бедной ими. В 50-х годах прошлого столетия червей (Eisenia fetida, красный Калифорнийский гибрид) начали разводить в промышленном масштабе для утилизации органических отходов (пищевых и других бытовых, сельскохозяйственных, промышленных), для получения высокоэффективного удобрения (биогумуса). Почему? Черви создают в отходах структуру, подобную почвенной, убивают семена многих сорняков и патогенные организмы, очищают съеденный субстрат от тяжелых металлов и пестицидов, образуют физиологически активные вещества, благоприятные для растений. За счет формирования агрегатов они аэрируют субстрат, снижая концентрацию газообразных продуктов анаэробиозиса, накапливают нитратный азот, усваивающийся растениями [8]. Черви способствуют переводу химических элементов (азота, кальция и калия) в доступную для растений форму: в копролитах их больше, чем в исходном пищевом субстрате. Время жизни питательных элементов в биогумусах в шесть раз дольше (до 30 сут), чем в окультуренных почвах, а плодородие примерно в пять раз выше [9]. Накопление в копролитах гумусовых веществ, очевидно, связано с биохимической трансформацией органических веществ в пищеварительном тракте микроорганизмами. Итак, плодородие почвы регулируют животные, но основные исполнители — бактерии и грибы.

Взаимодействие беспозвоночных и микроорганизмов

Роль беспозвоночных в почвообразовании во многом связана с регуляцией состава и активности микроорганизмов. Обратим внимание на селективное потребление животными микробов и на те события, которые происходят с микроорганизмами в пищеварительном тракте. Одна из фундаментальных закономерностей — изменение в соотношении мицелиальных грибов/бактерий: в почве бактерий становится больше, а грибов меньше. Беспозвоночные предпочитают в основном грибы. Однако не все группы, виды и даже штаммы микроорганизмов, попав в кишечник животного, ведут себя одинаково. С ними могут происходить разные события: гибель популяции (например, дрожжевых грибов), подавление роста, сохранение жизнеспособности, инициация прорастания спор, размножение. Животные почему-то предпочитают в пищу грибы, содержащие в гифах темный пигмент меланин. При оценке микробного загрязнения почв необходимо помнить, что генетически модифицированные человеком бактерии могут размножаться и даже передавать генетическую информацию диким бактериям в кишечнике [10], а возможно, и получать от почвенных бактерий новые гены, например устойчивости к антибиотика. Наш тезис — у каждого животного есть свой круг микробов-жертв. В этом и проявляется функциональное биологическое разнообразие — в трофических сетях животные не стоят в очереди за пищей, а каждый имеет свою, согласно со способностями переварить ее.

Для объяснения причин избирательной гибели микроорганизмов в кишечнике животных мы проверили активность пищеварительных экстрактов некоторых беспозвоночных (многоножек-кивсяков, мокриц, виноградной улитки). Получили предсказуемый результат: часть микроорганизмов гибнет, другие не чувствительны, беспозвоночные отличаются разной антимикробной активностью [10]. Позже такую киллерную активность обнаружили и у дождевых червей [11]. Под действием кишечной жидкости быстро, в течение нескольких минут, подавляется дыхание — гибнут клетки [12]. Чувствительные к перевариванию клетки изменяются в облике уже через несколько секунд. В просвечивающем электронном микроскопе видно, что под действием кишечной жидкости многоножки кивсяка Pachyiulus flavipes цитоплазма дрожжевых грибов Saccharomyces cerevisiae становится гранулированной, исчезают ядро, митохондрии, вакуоли (рис.1). Большинство клеток сохраняют целостность и клеточную стенку. Изменения внутриклеточной организации позволяет говорить о мембранотропном действии веществ кишечной жидкости [8].

Чувствительны к киллерной активности, как правило, обитатели листового опада или почвы, а устойчивы обитатели кишечника и экскрементов животных, что говорит об их адаптации к кишечной среде животного. Киллерные агенты имеют небелковую природу. Среди них обнаружено новое вещество —16-сульфо-гидроксипальмитиновая кислота: –SO3-O-(CH2)15-COOH, имеющая свойство умеренного детергента.

Дрожжи 1Дрожжи2Рис.1. Гибель клетки дрожжей Saccharomyces cerevisiae под действием пищеварительной жидкости кивсяка (увел. 400). Снизу — контроль (увел. 900).

Скорость и степень разрушения клеток под действием пищеварительной жидкости мы исследовали по выходу в водный раствор 14С — меченых органических соединений. После нескольких минут пребывания в этой активной среде клетки теряют до 80% своего содержимого, причем киллерная фракция, хотя и не содержит ферментов, тоже вызывает лизис. Механизм такого переваривания микроорганизмов представляется нам следующим образом. Чувствительные микробные клетки быстро гибнут под действием киллерных веществ: они нарушают барьер проницаемости, и в раствор выходит часть содержимого цитоплазмы (рис.2). Гидролиз клеточного материала осуществляют вместе автолитические ферменты микробной клетки и ферменты животного. Каждый вид животного, очевидно, имеет свой круг микробов-жертв — благодаря различному составу киллерных веществ.
механизм киллерного действия Рис.2. Гипотетический механизм киллерного действия на клеточную мембрану.

Предложенный нами механизм сходен с описанным для позвоночных индуцированным автолизом: жертва обеспечивает собственное переваривание, индуцируемое веществами пищеварительного тракта хищника. При этом живые организмы перевариваются эффективнее мертвых. Известно, что состав автолитических ферментов любой клетки более широк, чем спектр пищеварительных ферментов животного, — это модель «искусственного удава» [12]. Причина селективности переваривания до сих пор не ясна. Возможно, киллерные вещества специфически взаимодействуют с мембранными фосфолипидами и, подобно детергентам, вызывают деструкцию мембран. Участие жирных кислот в переваривании микроорганизмов животными до сих пор не отмечалось. Индуцированный автолиз, видимо, существует и у других беспозвоночных — насекомых, нематод. Многие хищные насекомые парализуют и убивают жертву ядами, а переваривание происходит вне кишечника (внекишечное пищеварение) аналогично индуцированному автолизу. Значит, пищеварительный тракт беспозвоночного можно представить как селективный «фильтр» и одновременно как ферментер для микроорганизмов (рис.3).
Пищеварительный тракт беспозвоночных Рис.3. Пищеварительный тракт беспозвоночных как фильтр и ферментер.

У всех позвоночных есть кишечные симбионты. Их значение в жизни макроорганизма огромно, и нарушения их функций (дисбиозы) приводят к сбою в работе организма. Наличие симбионтов у почвенных беспозвоночных пока строго не доказано. Здесь необходим не только поиск новых, не встречающихся в почве видов бактерий и грибов, но и выявление у них специальных функций симбионта, важных для жизни хозяина. Наиболее весомый знак — микроорганизмы прикреплены к стенкам кишечника. Так, у дождевых червей гифы актиномицетов врастают в стенку [13]. Мы показали, что в кишечнике почвенных многоножек живет множество разнообразных бактерий: от очень мелких (менее 0.2 мкм) кокков до длинных палочек (рис.4). Бактерии, выделенные из червей, на 80—90% представлены факультативно-анаэробными штаммами [14]. В кишечнике дождевых червей обнаружены новые представители семейств Sphingomonadaceae (Alphaproteobacteria), а также Alcaligenes spp. (Betaproteobacteria). Они живут и в почве, но, когда попадают в кишечник червей, их становится больше [15].

Пищеварительный тракт беспозвоночных можно рассматривать как анаэробную зону в почве, в которой бактерии осуществляют денитрификацию, диссимиляцию нитратов и детоксификацию нитритов [16]; там активнее фиксируется атмосферный азот [17], а потребляемые микроорганизмы снабжают организм хозяина белком, незаменимыми аминокислотами и жирными кислотами [18]. Такие микроорганизмы способны продуцировать гидролитические ферменты, целлюлазы и хитиназы. Кишечные актиномицеты в сравнении с почвенными обладают повышенной антибиотической активностью, что, возможно, служит беспозвоночным защитой от внешних врагов [19].
. Бактерии, ассоциированные с кишечником кивсяков.Рис.4. Бактерии, ассоциированные с кишечником кивсяков.

Большинство кишечных микроорганизмов хорошо переносят недостаток O2; у них при ассимиляции органических соединений преобладают простые углеводы; растут они быстрее почвенных; так же, как почвенные, могут расти на гуминовых кислотах. У дождевых червей обнаружены и микроскопические мицелиальные грибы. Экскреты червей обладают биологической активностью, действуя в очень низких концентрациях (мкг/мл) на рост бактерий, подавляя одних и стимулируя других [20]. Наконец, гуминовые кислоты, потребляемые червями, приобретают иную биологическую активность по отношению к бактериям и грибам за счет биохимической трансформации в кишечнике [21].

Все эти факты вместе с новыми сведениями о функциях кишечных микроорганизмов, которые неизбежно появятся в ближайшее время, позволят составить функциональный «портрет» микробного сообщества пищеварительного тракта беспозвоночных и доказать их симбиотическую роль.

Сейчас мы можем утверждать, что сами взаимодействия несут функции, отличные от функций отдельных организмов. Их можно даже назвать биосферными функциями (рис.5).
Биосферные функцииРис.5. Биосферные функции зоомикробных взаимодействий в почвах.

Мы видим, что связи почвенных беспозвоночных и микроорганизмов огромны, а их функции разнообразны. Здесь мы коснулись лишь нескольких. Уверены, что найдутся энтузиасты, которые займутся новыми вопросами этой обширной темы. Возможно, наиболее плодотворны будут поиски новых микробных симбионтов и познание эволюции симбиотических взаимоотношений на червях как наиболее древних почвенных беспозвоночных. Новые молекулярно-биологические методы дают возможность это делать. Работы по расшифровке селективного переваривания и киллерного воздействия пищеварительной среды животных приведут не только к новым находкам природных соединений с антимикробными свойствами, но и к расшифровке молекулярных механизмов межорганизменных взаимодействий. Изучение симбионтного пищеварения и питания важно не только для понимания механизмов коэволюции трофических взаимодействий микроорганизмов и животных. Оно поможет искать новые источники биологически активных веществ (ферментов, аминокислот, витаминов). Наконец, антибиотические взаимодействия, особенно сильно проявляющиеся в кишечнике животных, — стимул к направленному поиску микробов — продуцентов новых антибиотиков.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований. Проект 10-04-22519.

Литература

1. Anderson J.M. Soil organisms as engineers: microsite modulation of macroscale processes // Linking Species and Ecosystems. Eds C.J.Jones, J.H.Lawton. N.Y., 1995. P.94—106.
2. Звягинцев Д.Г. Почва и микроорганизмы. М., 1987.
3. Anderson J.M. Ecology of Microbial Communities / Ed. M.Fletcher. Cambridge, 1987. P.125—133.
4. Манаенков И.В., Зубкова Т.А., Карпачевский Л.О. Механическая прочность почвенных агрегатов разной формы // Почвоведение. 1997. №12. С.1438—1444.
5. Makeschin F. Earthworms (Lumbricidae: Oligochaeta): Important promoters of soil development and soil fertility. Fauna in soil ecosystems. Recycling processes, nutrient fluxes and agricultural production / Ed. G.Benckiser. 1997. P.173—223.
6. Lee K.E. Earthworms. Their Ecology and Relationships with Soils and Land Use. Sydney; Orlando; San Diego; N.Y.; L.; Toronto; Montreal; Tokyo, 1985.
7. Ferruzzi K. Manuale del Lombricontrole. Bologna, 1984.
8. Тиунов А.В. Влияние дождевых червей Nicodrilus caliginosus на нитрификацию в дерново-подзолистых почвах. Деструкция органического вещества в почве. Вильнюс, 1989. С.172—176.
9. Edwards C.A., Fletcher K.E. Interactions between earthworms and microorganisms in organic matter breakdown // Agriculture, Ecosystem and Environment. 1988. V.24. №1—3. P.235—247.
10. Бызов Б.А. Зоомикробные взаимодействия в почве. М., 2005.
11. Хомяков Н.В. Действие пищеварительной жидкости дождевых червей на микроорганизмы. Авотореф. дисс. … канд. биол. наук. 2009.
12. Уголев А.М., Цветкова В.А. Индуцированный автолиз как важный механизм начальных стадий пищеварения в естественных условиях // Физиологический журнал СССР им.И.М.Сеченова. 1984. Т.70. №11. С.1542—1550.
13. Jolly J.M., Lappin Scott H.M., Anderson J.M., Clegg C.D. Scanning electron microscopy of the gut microflora of two earthworms: Lumbricus terrestris and Octolasion cyaneum // Microbiol. Ecol. 1993. V.26. P.235—245.
14. Третьякова Е.Б., Добровольская Т.Г., Бызов Б.А., Звягинцев Д.Г. Сообщества бактерий, ассоциированные с почвенными беспозвоночными // Микробиология. 1996. Т.65. №1. С.102—110.
15. Nechitaylo T.Y., Yakimov M.M., Godinho M. et al. Effect of the earthworms Lumbricus terrestris and Aporrectodea caliginosa on bacterial diversity in soil // Microbial Ecology. 2010. V.59. №3. P. 574—587.
16. Karsten G.R., Drake H.L. Comparative assessment of the aerobic and anaerobic microfloras of earthworms’ guts and forest soils // Appl. Envir. Microbiol. 1995. V.61. №3. P.1039—1044.
17. Citernesi V., Neglia R., Serriti A. et al. Nitrogen fixation in the gastroenteric cavity of soil animals // Soil Biol. Biochem. 1977. P.71—72.
18. Pokarzhevskii A.D., Zaboev D.P., Ganin G.N., Gordienko S.A. Amino acids in earthworms: are earthworms ecosystemivorous? // Soil Biol. Biochem. 1997. V.29. №3/4. P.559—567.
19. Нгуен Дык Т.Л., Бызов Б.А., Зенова Г.М., Звягинцев Д.Г. Антагонистические свойства актиномицетов, ассоциированных с пищеварительным трактом почвенных беспозвоночных // Вестн. Моск. ун&та. Сер.17. Почвовед. 1996. №3. С.70—77.
20. Олейник А.С., Бызов Б.А. Реакция бактерий на воздействие поверхностных экскретов дождевых червей // Микробиология. 2008. Т.77. №6. С.854—862.
21. Тихонов В.В., Бызов Б.А., Завгородняя Ю.А., Демин В.В. Дождевые черви — преобразователи структуры и биологической активности гуминовых веществ // Известия РАН. Сер. биол. 2010. №8. С.1—11.

Эколог (не проверено)

Очень полезная публикация для практиков.