Введение к работе
Актуальность проблемы. Растительные сообщества благодаря вертикально-ярусной организации определяют пространственную структуру микробных комплексов в экосистемах. Вертикально-ярусный подход подразумевает одновременное исследование микробоценозов в пределах надземного, наземного (подстилка) и почвенного ярусов экосистем.
Для наземных биогеоценозов определяющим фактором, влияющим на стратификацию микроорганизмов, является характер и доступность субстрата, формирующего определенный тип питания микробиоты. Так в филлоплане это прижизненные экссудаты растений, в подстилках - биополимеры, в почве -гумусовые компоненты. При этом все ярусы связаны между собой единым потоком органического вещества и представляют собой разделенные в пространстве стадии сукцессии по разложению органических веществ (Звягинцев и др., 2005). В связи с тем, что микробные сообщества играют первостепенную роль в круговороте веществ и потоках энергии, определяя тем самым гомеостаз экосистем, актуальным представляется вопрос о закономерности распространения гидролитических микробных комплексов наземных экосистем, их видового состава и метаболической активности.
В микробиологии направление, связанное с ярусной организацией растительных сообществ до последнего времени почти не развивалось (Звягинцев, 2005). При сравнении микробных комплексов разных природных зон анализировались лишь гумусовые горизонты (А1) почвенного профиля. При таком подходе учитывалась лишь незначительная часть микробного сообщества. Но с развитием современных молекулярно-биологических методов в рамках вертикально-ярусного подхода стратиграфический анализ микробных сообществ позволяет определить таксономическую принадлежность, активность и функциональную значимость компонентов микробных гидролитических комплексов.
Такие полисахариды, как хитин и пектин входят в состав матрикса клеточных стенок различных организмов и, постоянно присутствуя в наземных биогеоценозах, представляют собой пул органического углерода и азота (Manucharova, 2009), их минерализация имеет важное значение для биогеохимических циклов этих элементов в биосфере (Gooday, 1990; Kang et al., 2005). Наличие в молекуле хитина ацетамидных
групп придает ему особо ценные в практическом отношении свойства (Феофилова, 1992). Известно, например, что препарат на основе бактериальной хитиназы является перспективным экологически безопасным средством биологического контроля над фитопатогенными грибами (Eltarabily et al., 2000). Кроме того, в последнее время активно ведутся работы по изучению этих полисахаридов в качестве биосорбента.
В связи с ростом применения в сельском хозяйстве, пищевой промышленности, медицине и косметологии таких полисахаридов как пектин и хитин, а также с их широкой распространенностью в наземных экосистемах, актуальным является вопрос определения активности и структуры гидролитических комплексов этих полисахаридов.
Цель работы - установить закономерности распространения гидролитических микробных комплексов, осуществляющих деструкцию полисахаридов (хитина и пектина) в наземных экосистемах различных биоклиматических зон, их метаболическую активность и филогенетическую принадлежность. Задачи исследования:
-
Оценить динамику функциональных и структурных показателей метаболически активных микроорганизмов-гидролитиков, населяющих надземный (филлосферу), наземный (подстилку) и почвенный (гумусовый горизонт А1) ярусы наземных экосистем различных биоклиматических зон.
-
В условиях лабораторного микрокосма определить активность микробной деструкции полисахаридов в различных ярусах степной, лесной и таежной экосистем.
-
Исследовать разнообразие и численность отдельных филогенетических групп домена Bacteria метаболически активных микроорганизмов-гидролитиков исследуемых биогеоценозов.
-
Выявить наиболее активные группы прокариот, участвующих в разложении исследуемых биополимеров, и видовое разнообразие доминантов гидролитических сообществ. В условиях микрокосмов установить возможность использования выделенных культур активных хитинолитиков в борьбе с фитопатогенными грибами.
Научная новизна работы заключается в определении биоразнообразия гидролитических микробных комплексов (хитинолитического и пектинолитического) и степени их функционирования в наземных экосистемах различных биоклиматических зон.
По результатам работы установлена специфическая функциональная роль микроорганизмов при деструкции биополимеров в надземной и почвенной частях экосистем.
Впервые отмечено, что развитие хитинолитического сообщества обусловлено, главным образом, прокариотными организмами, в то время как пектинолитического - его эукариотной составляющей. Для определенных условий эксперимента установлена регрессионная зависимость структурных показателей микробного сообщества (грибов и актиномицетов) в наземных экосистемах разных биоклиматических зон в рамках вертикально-ярусного подхода. Рассчитана удельная активность дыхания микробных сообществ, и установлено, что удельная активность при использовании хитина, вне зависимости от яруса исследуемого биогеоценоза, в 2-3 раза превышает удельную активность дыхания при использовании пектина, что может быть полезно для развития современной биотехнологии.
Данные, полученные в результате обработки с помощью детерминантного и кластерного анализов, дают возможность утверждать, что среди экологических параметров, определяющих структурные показатели гидролитического комплекса, для определенных условий эксперимента, более значимым фактором является тип биогеоценоза по сравнению с внесением органического вещества и профильным уровнем системы. Подобные данные могли бы быть полезны для понимания наиболее значимых параметров для управления микробными комплексами. По результатам детерминантного анализа установлена возможность классификации и биодиагностики образцов наземных экосистем по структурному показателю микробного комплекса, в том числе по его гидролитической составляющей.
По результатам работы выявлены различия в филогенетической структуре метаболически активных гидролитических комплексов исследуемых биогеоценозов. В хитинолитическом комплексе наряду с высокой численностью Actinobacteria и Firmicutes наблюдается увеличение таких филогенетических групп как
Proteobacteria, а в пектинолитическом комплексе следует отметить возрастание Acidobacteria и Bacteroidetes.
Сформулированные в диссертации положения позволяют расширить представление о распространенности гидролитических комплексов, их таксономической принадлежности и функциональной значимости. Полученные выводы позволяют оценить экологическую стратегию структурных компонентов гидролитических комплексов.
Практическая значимость. Полученные данные могут быть использованы для разработки методов борьбы с фитопатогенными грибами и биотехнологии. Разработанные математические модели могут найти применение в биодиагностике и биогеографии. Полученные в результате диссертационной работы выводы полезны для понимания наиболее значимых параметров в управлении микробными комплексами, что может открыть новые перспективы для повышения урожайности сельскохозяйственных культур.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на заседаниях кафедры биологии почв факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова. Положения работы изложены в материалах к 3 международным и 1 всероссийской конференциях: Conference European Geoscience Union (Vienna, Austria - April, 2011; 2012); Eurosoil (Bari, Italy -July, 2012); VI Всероссийский съезд почвоведов им. В.В. Докучаева (Петрозаводск, Россия - август, 2012).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, из них 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 115 страницах текста, содержит 22 иллюстрации и 4 таблицы. Состоит из введения, литературного обзора, описания объектов и методов исследований, экспериментальных результатов, заключения, выводов и списка литературы (95 источников, из них 60 источников на иностранных языках).
Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю д.б.н. Н.А. Манучаровой. Особую благодарность выражаю д.б.н. П.А. Кожевину. Искренне благодарю всех сотрудников кафедры биологии почв.