Введение к работе
Актуальность проблемы. В Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1966-1990 годы и на период до 2000 года, утвержденных ХХУП съездом КПСС, перед наукой и сельскзш хозяйством поставлены задачи всемерного повышения плодородия почв, значительного роста урожайности сельскохозяйственных культур как основы для надежного обеспечения страны продовольствием и сырьем. В решении этих задач важная роль принадлежит почвенной микробиологии, которая призвана всесторонне изучать ~ 'азличные группы микроорганизмов и разрабатывать эффективные приемы регулирования их активности.
Среди микроорганизмов, принимавших участие в разнообразных биологических процессах, протекающих в почве, особый интерес представляет олигоазотрофы. Эти микроорганизмы описаны в литературе как олигонитрофилы, понятие.о которых ввел в микробиологию Бейеринк ( Beij'erinck, ,1901). По его определению,олигонитрофиль-ные микроорганизмы способны развиваться в среде, в которую преднамеренно кэ вносились источники азотного питания, но и не были предприняты специальные меры для очистки компонентов среды от примесей азотных соединений. Из этого определения следует, что к оли-гонитрофилам могут быть отнесены микробы, общей физиологической чертой которых является способность расти на средах, содержащих лишь an еды связанного азота.
Весомый вклад з изучение олигонитрофилов внесли в нашей стране Виноградский (1952), Мишустина (1955), Красильникоз (195о), Паринкина (I960), Квасников с соавт. (1974), Клєвенская (1974), за рубежом - Кауффман ( Kauffnann ,1950, 1951), Кауффман с соавт.( Kauffnann et al. ,1951), Милосевич ( Ullosevich ,1972).
В настоящее время олигонитрофилы привлекают большое внимание в связи с чрезвычайно широким распространением и многочисленностью в почве и других естественных средах. Особенно интенсивно эти микроорганизмы изучаются в Советском Союзе (Мачавариани, 1972; Носкова, 1977; Тен Хак Мун, 1977; Садыков и Бабьева, I960; Зенова л Лебедева, 19о2; Косинова и Родынгок, 1965; Каутская, 1966; Лапта, 19ь7; Садыков и Ильина, I9b7; Зименко с соавт.,1988;
Андреюк с соавт.,1939; Стефурак,1989). Баяну» роль б изучении олигонитрофклов как компонента ассоциаций почвенных микроорганизмов' и установлении их трофической функции сыграли труды Ыишустина (1975, 1985).
Во многих работах, посвяценных олигонитрофилам, рассматриваются вопросы экологии этих микроорганизмов. Тєіл не менее, к началу наших исследований (1954г.) данные об экологических закономерностях распространения олигонитрофильных шкроорганизков в различных почвах и ризосфере растений были не полными. Отсутствовали специальные систематические исследования по изучению олигонитрофилов как кошюнента ризоплены культурных растений - экологической юши, где протекает1 ишробиологические процессы, активно влкяшцие на режим питания растений.
Многие стороны физиологии и биохиши олигонитрофильных мшсро-организгюв остаются не выясненными. Нет четких критериев к самого понятия олигонитрофилии. Очень ограниченные и нередко противоречивые сведения о свойствах олигонитрофилов, отсутствие теоретической концепции олигоклтрофилии не позволяют ответить на вопросы, какие организм следует относить к олигонитрофилам, составляют ли они самостоятельную физиологическую групп;/ или олигонитрофилия -это свойство ьиогих, а, всзмо:-шо, и всех микроорганизмов', отражает ли терынн "олигонитрофияы" основные физиологические особенности данных ылкроорганйзмоЕ п правомочен ли згот терглін»
Ключевой Еопрос физиологии олигонитрофилов - азотное питание -разработан крайне слабо. Вглесте с тем его детальное изучение необходимо для конкретизации понятия олигонитрофилии и объективной оценки участия олигонитрофилов в процессах трансформации азота б почізе.
Несомненный интерес представляет выяснение способности олигонк-трофилов вызывать деструкпию гуъжновых веществ с образование:/, элементов литания, легко доступных для растений. Имеющиеся в литературе данные не позволяют сделать окончательное заключение со их участии в этой процесса.
В связи с возраставшими масштабами производства :: применения азотных удобрений и большими потерями из почвы газообразных соеди-
еиий азота-особого внимания заслуживает выяснение способности лигонитрофилов усваивать газообразный азотсодержащие вещества.
На протяжении длительного периода изучается азотфиксиругацая лоеобность олигоннтрофилов, однако и в настоящее время нет общей очки зрения по этому вопросу. До наших исследований не было поучено доказательство азотфикеирувщей активности олигснитрофиль-1 бактерий изотопнщ методом. Отсутствовали данные об усвоении ми молекулярного азота в почве. Оставалось не выясненным, тоя-естзенни ли понятия азотфикеаторы и олиговитрофшш.
Актуальной задачей является оценка интенсивности несимбиоти-зг.кой азотфиксации в почве к вняснение значения олигокитрсф'ляь-ых микроорганизмов в этом процессе. Её решение стало возможным яагодаря работам советских и зарубежных авторов,(Калининской, 376; Мишустана,1983; Мишустина и Черепкова, 1987,1989; Умароза, Э8б;. Day et al., 1975? Poofcgate, !978,I982| Benson ',1985; Imerich efc al.,1988). Вместе с тем роль свободиожизущих азот-«ссаторов в азотном балансе почв нельзя считать окончательно уясненной. Что аз касается сравнительного определения вклада [дельных групп несимбиотичвских азотфаксирущих бактерій в обобщение почв связанным азотом, то исследования в таком плане не доводились.
В результате выполненных наш исследований установлено, что ксроорганизмы, которые принято считать олигонитрофилами, не ?допт предпочтения низким дозам азота и по существу являются шгонитротолерантными, а не истинными олигонитрофилами. Свойства тх шікроорганизмов более.точно определяет термин "олнгоазотрофы" в дальнейшем при их описании мы-пользуемся этим названием, фмин "олигонитрофилы" сохранен при анализе'литературных источ-[ков и приведен в ранее опубликованных наших работах.
Цель и задачи исследований. Целью работы явилось исследование :ологии и фйэиолого-биохимических свойств олигоазотрофнкх микро-ігашзмов и разработка теоретических основ олигоазотрофии.
В задачу исследований входило;
I. Изучить распространение к численность олигоазотрофов в поч-, з зоне корневой системы некоторая сельскохозяйственных расте-8, определить количественное соотношение олигоазотрофов и
- 4 -євтрофов в составе микробного ценоза почв и решить вопросы систематической принадлежности олигоазотрофов.
-
Исследовать азотное питание олигоазотрофов.
-
Определить активность ферментов катаболизма и их связь с процессом азотфиксации у данных микроорганизмов.
-
Изучить химический состав клетки и внеклеточные слизистые вещества олигоазотрофовс
-
Разработать критерии олигоазотрофии.
-
Определить активность процесса несимбиотической азотфиксации в почвах различных типов и выяснить роль олигоаэотрофных микроорганизмов в пополнении фонда связанного азота почвы.
Научная новизна и значимость. В отличие от исследований олигоазотрофов, выполненных ранее и посвященных в основном экологии этих микроорганизмов, нами впервые поставлена проблема олигоазотрофии и разработаны ее теоретические положения.
На основании полученных экспериментальных данных, обобщения и ' анализа литературы критически пересмотрен термин "олигонитрофилы", дано определение олигонитрофилам как олигоазотрофным микроорганизмам, доказан факультативный характер олигоазотрофии. Установлено, ; что олигоазотрофные микроорганизмы не являются типичными олиготро-.фами. Сформулировано представление об олигоазотрофах как эколого-: трофической группе евтрофных'микроорганизмов. Определено значение ; олигоазотрофии с'общебиологических позиций. Олигоазотрофии рассматривается как адаптивное зволюционно сложившееся свойство микроорганизмов, имеющее значение для их выживаемости в условиях резкого і дефицита связанного азота. Разработаны основные диагностические показатели олигоазотрофов. Предложена схема, определяющая положение ;олигоазотрофов в структуре микробного ценоза почв.
Выдвинуто положение об олигоазотрофии как биологическом явлении, ;широко распространенном среди почвенных хемогетеротрофных микроорганизмов. Установлено, что свойство олигоазотрофии присуща представителям ряда семейств, родов и видов прокариот, а также зукарио-тическіїх' организмов. Описаны новые и мало изученные ^ормы олигоазотрофов,- принадлежащих К родам Aeromonae, Arthrobaoter, Aureobasi-diuis, Flexibacter, liycoplana, Rhodococcus, Khodotoruln..
Показана .способность олигоазотрофных бактерий усваивать газооб- / хзпыз соединения азота - триметиламин, закись азота и двуокись юта и те?.? самым препятствовать их потерям из почвы.
С помощью меченой ( Н ) гушновой кислоты впервые получено ж?-:ое доказательство участия некоторых олпгоазотрофов в деетрук-іи гумуса,
Срэди олпгоазотрофов, принадлежащих к прокариотам, впервые дощано существование бактерий}' фиксирующих глолекуляряый азот п не '.еизу.х этой функции. Обнаружена азотфиксирупцая активность олиго-іотрсфов при их развитии непосредственно В П0ЧВ8,-
Установлено, что контроль синтеза азотфиксируицих ферментов у інгоазотрофньк бактерий осуществляется снятием репрессии их. ам-жием и проявляется в двухфазном характера роста культур. Покато участие специфических дегідрогеназ и гидрогеназы в процессе ;отфиксации у изученных бактерий.
Детально исследованы экэополисахариды олпгоазотрофов -условия Іразованкя., химический состав,, физические свойства (гидродиналл-гские параметры - седиментация, диффузияs вязкость, ИК -спектры) установлена связь между указанными пк характеристиками и систе-яической принадлежностью яродуцентов.
Вь'двинуто новое положение, объясняющее экологическое значениер :зополисахаридов олпгоазотрофов в жизнедеятельности данных мик-оргакизглов, сопутствующих бактерий, их взаимодействии и образо-нгт микробных ассоциаций в почве. Изучены основные этапы дес-іукции экзополисахаридов в процессе их потребления олигразотро-»ли и сопутствующими бактериями в качестве источников углеродного тания и энергии.
При использовании изотопного С Н ), ацетилен-этиленового годоь и темнерш'урнш'и киаффициента. Бынт-Гоффа кчтп-л/ онреде-на активность несимбиотической фиксации молекулярного азота в зличных почвах и на основании полученных данных оценена роль игоазотрофных микроорганизмов в азотном балансе почв.
Сравнение о применением корреляционного анализа азотфиксируп-Я способности почв и численности отдельных групп несимбиоти-ских азотфиксирующих гетеротрофных бактерий свидетельствует о иболее тесной достоверной связи меэду активностью фиксации V р количеством в почве олпгоазотрофов.
Одолено заключение о полоіштелькоЯ роли олигсйзогрофоз з
азотном балансе почв и создании благоприятного режима азотного питания растений.
Практическая ценность. Работа носит теоретический характер. Новые данные о физиолого-биохимических свойствах олигоазотрофных микроорганизмов, предложенные показатели олигоазотрофов, а также разработанные теоретические положения олигоазотрсфш могут быть применены в научной деятельности и педагогической практике в облаї ти общей и почвенной микробиологии.
Полученные данные о количестве биологического азота, поступают* в почву в результате жизнедеятельности свободноживущих азотфиксаті ров, о значении олигоазотрофных микроорганизмов в обогащении почі связанным азотом могут быть использованы для расчетов баланса азота в почве, прогнозирования урожаев и научного обоснования системы агрономических приемов, направленных на усиление процесса азотфиксации в почве и рациональное использование минеральных азотных удобрений.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены на зональной научно-производственной конференции "Проблема азота и урожай на Полесье" (Житомир, 1965), IX Международном конгрессе по микробиологии (Москва,1966), научной конференции, посвященной 100-летию со дня рождения акад. Д.К.Заболотного (Ужгород, I9G6), Всесоюзной конференции по проблеме "Биологическая фиксация атмосферного азота" (Киев, I960), симпозиуме "Методы микробиологичєскої стимулирования роста, и развития растений" (Рига, 1969), Всесоюзнок Баховском коллоквиуме по азотфиксации (Москва, 1958, 1970, 1971, 1976; Чернигов, 1930), на Ш (Киев, 1971), ІУ (Киев, 1975), У (Днепропетровск, 1900) и УІ (Донецк, 1984) съездах Украинского микробиологического общества, У (Ереван, 1975) и УІ (Рига, I960) съездах Всесоюзного микробиологического общества, Ш Украинском биохимическом съезде (Донецк, 1977), Всесоюзном симпозиуме " Динамика микробиологических процессов в почве и обусловливающие ее факторы (Таллин, 1974), Всесоюзном симпозиуме " Роль микроорганизмов в круговороте газов в природе" (Москва, 1977), Всесоюзном симпозиуме "Микробные сообщества и их- функционирование в почве" (Чернигов, 1979), УІ съезде Всесоюзного общества почвоведов (Тбилиси, 1981), Всесоюзном совещании "Фиксация азота микроорганизмами в ризосфере и на корнях небобовых культур" (Ялта,
,-7-
984), республиканской конференция "Микробиологические процессы почвах и урожайность сельскохозяйственных культур (Вильнюс,, 986), П съезде почвоведов и агрохимиков Украинской ССР (Харьков, 905), республиканской конференции "Симбиотрофные азогфиксагоры их использование з сельском хозяйстве" (Киез,19В7).
Публикация результатов исследования. Основные материалы дис-ертации опубликованы з 56 печатных работах, в тон числе - I нпга (соавторы Е.И.Андреюк, Е.В.Валагурова, С.А.Гордиенко и др.).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 10
лав, обсуждения полученных результатов, выводов и списка литера-
уры. Она изложена на страницах, содержит 47 таблиц, 37 рис.,