Введение к работе
Актуальность проблемы. В общей экологии предпринимаются попытки формулирования методологических положений, которые по своей значимости приближаются к основополагающим законам точных наук. К таковым можно отнести фундаментальные концепции экспоненциального роста, самоограничения и волнообразного развития популяций (Турчин, 2002). Эти и некоторые другие положения важны и в экологии микроорганизмов.
Современное состояние исследований экологии микроорганизмов характеризуется изобилием частных, иногда противоречивых фактов, которые трудно поддаются обобщению, из-за чего даже обзорные публикации не всегда несут в себе обобщения, а иногда сводятся к перечислению экспериментальных данных (Kent and Triplett., 2002; Mazzola, 2004). В этой связи обобщение разрозненных фактов, выдвижение новых концепций и гипотез является не менее важным и актуальным, чем получение новых экспериментальных результатов. Это касается всех разделов экологии микроорганизмов, в том числе представлений о структуре и функциях микробного сообщества (МС), способе и форме существования МС, стратегии его развития и регуляции.
Современные представления о МС, как основной функциональной и эволюционирующей единице, а также и компоненте биоразнообразия экосистем, базируются на исследованиях признанных специалистов в экологии микроорганизмов (Заварзин, 1970, 1976, 1986, 1987, 1989, 1990, 1998, 2004 а, б; Мишустин 1981; Slater and Lovatt, 1984; Звягинцев, 1987; Звягинцеве соавт.,1998; 1999; Ножевникова, 1987, 1991; Ананьева, 2003; Harris, 1994; Buckley, 2003; Garbeva et al., 2004). Тем не менее, многие представления о микробном сообществе, структуре, способе и формах функционирования, движущих силах развития и регуляции МС еще недостаточно познаны и понятны. Микробное сообщество гораздо менее познано и менее понятно, чем индивидуальный организм, и потребность в дальнейшем его познании нисколько не снижается.
Существенным моментом в познании сообществ является развитие представлений о группировании микроорганизмов в сообщества. Трофика компонентов МС, кинетика, определяющих рост процессов, способ и сила реакции на экологические факторы являются важными критериями для группирования микроорганизмов. Ранее созданные схемы и представления о группировании микроорганизмов уже не в состоянии объяснить получаемый новый экспериментальный материал (Semenov, 1991). Поэтому усовершенствование известных и разработка новых схем группирования микроорганизмов, структуры МС, выявление наиболее общих механизмов, объясняющих группирование, является важным этапом на пути к познанию МС.
Очевидно, что статический, подход при изучении МС обладает ограниченными возможностями для его познания (Звягинцев, 1987; Звягинцев с соавт., 1998). При таком подходе единство динамичности и стабильности МС трудно поддается пониманию. В МС, доминирующих в аэробных экосистемах, со слабо взаимосвязанными и дублирующими компонентами, особенно трудно выявить внутреннюю динамику их развития. Более перспективным является динамический подход, учитывающий все аспекты сукцессионных изменений при внешних воздействиях на МС, что позволрё^ц^ьШШ'а lujum и-ісообществе,
I БИБЛИОТЕКА і
последовательность и направленность его развития (Гузев, 1988). Представляется, что динамический подход необходимо активнее применять для познания законов функционирования, в частности, - регуляции сообществ и в сообществах.
Динамичность сообществ наиболее остро проявляется в цикличности их развития (Левченко, Старобогатов, 1990). Цикличность, волнообразность развития микробных популяций (МП) и микробных сообществ (МС), выражающаяся в колебательной динамике численности бьша замечена давно, и к этой проблеме микробиологи обращались неоднократно (Аристовская, 1972; Звягинцев, 1987; Полянская с соавт., 2005). Однако из-за сложности и полифункциональности проблемы всеобщность этого явления до сих пор остается очевидной не для всех микробных экологов. Факт колебательного развития микробных популяций и МС, а, следовательно, и процессов, осуществляемых микроорганизмами, зачастую игнорируется, хотя последствия недоучета этого явления весьма очевидны. Количество микроорганизмов и микробная биомасса, определяемые на максимуме или минимуме численности микроорганизмов, соответствующих осцилляционным пикам, будут существенно различаться. Учет цикличности развития МП и МС имеет важное значение при решении как глобальных проблем, например, оценке величин эмиссии парниковых газов в экосистемах, биологической активности и продуктивности почвенных и других систем, так и для локальных, но не менее важных проблем, таких как межмикробные взаимодействия, управление МП и МС в реакторах и др. Чем раньше придет понимание и признание факта колебательного развития МП и МС, тем больший прогресс будет достигнут в их познании.
Существует много причин того, что явление колебательного развитие МП и МС не принимается во внимание. Одна из них заключается в слабости аргументации движущих сил, причин и механизмов такого развития. Многие ранее известные гипотезы, объясняющие причины волнообразного развития МП и МС не убеждают в их всеобщности и повсеместности. Существенный прогресс в разрешении этой проблемы мог бы быть достигнут путем выдвижения новых гипотез, а тем более теорий, базирующихся на последних экспериментальных материалах и их обобщении.
В настоящей работе рассматриваются аэробные микробные сообщества.
Целью работы является развитие представлений об особенностях трофического группирования и структуре микробного сообщества, некоторых закономерностях регуляции активности МС, механизмах, способах и движущих силах пространственного и временного развития микробных популяций и микробных сообществ в почве и ризосфере.
Задачи.
1. Провести сравнительный анализ некоторых кинетических параметров роста и активности метаболизма микроорганизмов, сравнительный анализ известных концепций структуры гетеротрофного микробного сообщества и ввести новые представления о трофическом группировании гетеротрофных микроорганизмов в микробном сообществе.
2. Провести экспериментальные и теоретические исследования, направленные на
подтверждение динамической концепции структуры МС.
3. Исследовать целлюлазную активность и состав представителей
гидролитической группировки микробного сообщества при изменении факторов
окружающей среды.
-
Провести подробное изучение пространственной и временной динамики развития микробных популяций и микробных сообществ в ризосфере и почве. Экспериментально и теоретически исследовать возможные механизмы и причины колебательного развития микробных популяций и микробных сообществ.
-
Определить механизм и возможный источник естественных и постоянно действующих нарушающих воздействий в микробных экосистемах, их роль и возможные последствия для МП и МС.
Защищаемые положения. 1. Трофическое группирование гетеротрофных микроорганизмов может быть осуществлено на основе таких физиологических показателей как: величины констант - Ks или Кт, характеризующих сродство транспортных систем к субстрату; величины затрат энергии на поддержания - т; величины дыхательной активности, а также концентрации и сложности субстрата, используемого компонентами МС.
2. В концепции структуры микробного сообщества почвы следует использовать
представление о «норме реакции» его компонентов по отношению к
концентрации субстратов и их сложности с одной стороны и пределам
варьирования значений перечисленных выше физиолого-биохимических
способностей микроорганизмов, с другой. Схема МС может быть представлена в
виде симметрично-асимметричной структуры, включающей совокупность
популяций, а также консорциумов и даже сообществ.
3. Регуляция ферментативной (на примере целлюлазной) активности МС в
естественной среде обитания осуществляется не столько путем изменения
активности каждого отдельного представителя сообщества, сколько через смену
состава доминирующих представителей, т. е. путем сукцессии.
-
Микробные сообщества и микробные популяции во времени и в пространстве развивается волнообразно. Сукцессионные изменения происходят не от «волны» к «волне», а внутри каждой волны. Механизмом волнообразного развития МП и МС является последовательная смена фаз роста и отмирание компонентов популяций.
-
Роль естественной и постоянно действующей движущей силы волнообразного развития МП и МС играют разнообразные нарушающие воздействия, приводящие к «высвобождению» субстрата для микробных популяций и МС. Роль хищничества в волнообразной динамике существования и развития МП и МС является вторичной.
6. Всеобщим и постоянно действующим нарушающим фактором МП и МС
может быть перемещение микроорганизмов в виде круговорота в экосистемах,
связанное с функционированием пищевых цепей.
Научная новизна» 1. Предложена векторная концепция трофического группирования гетеротрофных микроорганизмов в МС, обобщающая и включающая более ранние концепции и обладающая объяснительными и предсказательными свойствами. Для группирования трофического многообразия микроорганизмов МС предлагается использовать представление о «норме реакции» организмов, включающее их генетическую стабильность и их морфофизиологическую изменчивость.
2. Показано, что в природном МС почвы увеличение гидролазной активности
осуществляется путем изменения его состава, через сукцессию.
Целлюлолитическое сообщество, доминирующее в олиготрофных гидроморфных
почвах, не способно к высокой целлюлазной активности (ЦА). ЦА сообщества
может быть существенно увеличена после значительных внешних воздействий и
прохождения сукцессии.
3. Впервые установлено волнообразное пространственное и временное
распределение бактерий в ризосфере вдоль корня растений. Такое же
волнообразное развитие микроорганизмов имеет место и в неризосферной почве.
Показана высокая эффективность применения гармонического анализа для
выявлениия закономерных осцилляции МП и МС в ризосфере и почве. Впервые
показано, что сукцессионные изменения волнообразного развития МП и МС
происходят не от «волны» к «волне», а внутри волны. Обоснован механизм
волнообразного развития микробных популяций и МС, которым является рост и
отмирание компонентов МС.
4. Предложена гипотеза о природном, постоянно действующем источнике
нарушающих воздействий МС, приводящих к осцилляции численности
микроорганизмов. Таким источником является циркуляция микроорганизмов по
пищевым цепям, в виде круговорота.
Практическая значимость работы. 1. Предложенная динамическая концепция трофического группирования микроорганизмов и структуры МС, волнообразный характер существования и развития МП и МС могут быть использованы при разработке индикаторов здоровья почвы. Количественными характеристиками анализа МС могут служить величины амплитуд, периоды колебаний численности микроорганизмов, а также время возврата параметров МС в исходное состояние после кратковременного воздействия нарушающего фактора природного или антропогенного происхождения.
-
Разработана система для непрерывной селекции МС с заданными свойствами из природных источников на основе проточного культивирования.
-
Результаты исследований (совместно с Центром биологических микрочипов Института молекулярной биологии РАН) использованы при разработке и изготовлении микрочипов для детектирования некоторых энтеропатогенных и сапротрофных бактерии в образцах природных субстратов.
-
Результаты исследований выживания микроорганизмов и их перемещения в различных природных субстратах (экскременты животных, почва, растения, желудочно-кишечный тракт животных) будут использованы для разработки
системы анализа риска распространения энтеропатогенов при производстве овощной продукции.
-
Результаты исследований вошли в учебники, практикумы и методические пособия, подготовленные сотрудниками кафедры микробиологии биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова для обучения студентов.
-
Разработаны и предложены курсы лекций и практических занятий для подготовки специалистов в Биотехнологическом центре МГУ им. М.В. Ломоносова по темам: «Селекция микробных сообществ с биоконтролирующими свойствами фитопатогенов» и "Оценка риска распространения энтеропатогенов с овощной продукцией".
Исследования выполнены по планам НИР, в рамках заданий ГНТП, грантов и стипендий в Институте микробиологии РАН и на кафедре микробиологии биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Отдельные исследования проводили в отделе фитопатологии Калифорнийского университета в Девисе, США и отделе наук о растениях, группе биологического земледелия университета Вагенингена, Нидерланды.
Автор благодарен сотрудникам всех перечисленных выше коллективов, в которых выполнялись исследования за помощь, и дружескую поддержку, за внимательное и доброжелательное обсуждение результатов.
Автор выражает искреннюю признательность своему учителю в почвенной микробиологии, ныне покойному академику Е.Н. Мишустину.
Автор благодарен академику Г.А. Заварзину за инициацию научного интереса к познанию микробных сообществ.
Автор благодарен проф. Нетрусову А.И., Ивановскому Р.Н., Звягинцеву Д.Г., Умарову М.М., Никитину Д.И., Гузеву B.C., Солодовникову Ю.П., Семенову В.М., доцентам Колотиловой Н.Н. и Захарчуку Л.М., ст. н. сотрудникам Пискунковой Н.Ф. Савранскому В.В., Михайловичу В.М.
Особую благодарность автор выражает Семеновой Е.В. и Зеленеву В.В. Author is sincerely thankful to Prof. A.H.C. Van Bruggen, head of Organic Farming System Group (OFSG) of Wageningen University and RC, the Netherlands, for fruitful collaboration in field of soil microbiology, WUR docents Aad Termorshuizen and Joss Raaijmakers, docent Wim Blok and OFSG technician Oscar de Vos.
Основные положения диссертации доложены на Всесоюзной конференции "Лимитирование и ингибирование роста микроорганизмов", 12-14 декабря 1989, ИБФМ РАН, Пушино; конференции «Биосинтез ферментов микроорганизмами», 26 - 27 октября 1993 г, Институт микробиологии РАН, Москва; конференции "Интродукция микроорганизмов в окружающую среду", 17-19 мая 1994, Институт микробиологии РАН, Москва; международной конференции, посвященной памяти академика А.А. Басва 20-22 мая 1996, Москва; invited Lecture for California University in Riverside, Riverside, CA, USA, January, 1997; 97-th General Meeting of the American Soc. for Microbiol., May 4-8, 1997, Miami Beach, USA; 99-th General Meeting of the American Soc. for Microbiol., May 30-June 3, 1999, Chicago, USA; конференции "Проблемы экологии и физиологии микроорганизмов", к 110-летию со дня рождения проф. Е.Е. Успенского, 21.12.1999, МГУ, Биофак, Москва; всероссийской конференции «Перспективы развития
почвенной биологии», к 100- летаю со дня рождения академика Е.Н. Мишустина, 22.02.2001, МГУ, факультет почвоведения, Москва; всероссийской конференции «Сельскохозяйственная микробиология в XIX - XXI веках», 14 - 19 июня 2001 г., ВНИИ с/х микробиологии, Санкт-Петербург; invited Lecture for PE&RC of Wageningen University and Research Center, Wageningen, the Netherlands, 2000; ninth Int. Symp. on Microb. Ecol. (ISME-9), August 26-31, 2001, Amsterdam, the Netherlands; Nederlands Tijdschrift voor. Medische Microbiologic. Supplement bij Tiende Jaagang, 9-10 April 2002, Papendal, the Netherlands; первом съезде микологов России. "Современная микология в России», 11-13 апреля 2002, Москва; the Conference "Structure and Function of Soil Microbiota", September 18-20, 2003, Philipps-University, Marburg, Germany; Workshop in the framework of joint Dutch - Russia NWO project, 18-19 March 2004, Wageningen University & RC, the Netherlands; второй международной конференции «Биотехнология
- охране окружающей среды», 25-27 мая 2004 г., МГУ, биофак, Москва; APS Annual
Meeting, July 31 - August 4, 2004, Anaheim, California, USA; invited Lecture for Frontis of
Wageningen University & RC, 11 Nov., 2004,
fhttD://frontiscms.co.dlo.nl/cms/web/program.phD3?iaar=2004').
Результаты исследований представлены в 15 обзорах и главах книг, 27 экспериментальных статьях, одном патенте »23 тезисах.
Исследования поддержаны грантами и стипендиями: грант ГНТП "Биоразнообразие ". «Оценка и сохранение микробного разнообразия северных гумидных экосистем», 1994-1998; грант ГНТП России «Новейшие методы биоинженерии», направление 7
- «Биотехнология зашиты окружающей среды», 1995-1997; NATO Collaborative Grant with
A.H.C van Bruggen, "Role of Oligotrophic Bacteria in Nutrient Cycling and Soil N Retention" 1996-
1997; USDA Cooperative grant with A.H.C. van Bruggen, "Biocontrol of Root Pathogens by
Oligotrophic Bacteria" 1997-1999; Lindbergh Foundation Grant "Selection of Natural Microbial
Communities for Biocontrol of Root Pathogens in a Continuous Flow System, a Novel Approach to
selection of Biocontrol agents" 2000-2001; NATO Collaborative Linkage grant with A.H.C. van
Bruggen, V.V. Savranski and D.I. Nikitin. "Development of Laser Technologies for Detection and
Quantification of Microbial Populations and Processes" LST, CLG.976644, 2000-2001; Fellowship,
Department of Plant Sciences, Wageningen University and Research Centre, Wageningen, the
Netherlands (0046PE&RC2000/.08.54.2.6), "Spatio-Temporal Distribution of Pseudomonas
fluorescens and infections by Gaeumannomyces graminis f.sp. trilici along roots of wheat plants",
2000; Fellowship; De Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelojk Onderzoek (NWO), "Wave
like fluctuations and microbial succession of oligotrophic and copiotrophic bacteria in the rhisosphere
and soil from organic and conventional farms», 2002.; NWO grant with A H.C van Bruggen, V.M.
Mikhailovich, Yu P Solodovnikov, V.I Severov, Russian-Dutch program for scientific cooperation,
"Combining molecular and mathematical approaches for risk analysis of pathogen spread in the
vegetable production and processing industry", 2002-2005; NATO-Russia Collaborative Linkage
Grant (RCLG), "Risk analysis of pathogen spread in the vegetable production and processing industry"
with A.H.C. van Bruggen, 2003 - 2004, NWO grant with A.H.C. van Bruggen and V.M Semenov,
Russian-Dutch program for scientific cooperation, «Resilience of microbial communities to
disturbances as an indicator of sequestration of С and N in soil: comparison of agricultural and semi-
natural ecosystems», 2005- 2008.