close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

914

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Л~2ЯЯьУ
МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА.ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ
. ' < РЕВОЛЮЦИИ, ОРДЕНА ТР7Д0В0Г0 КРАСНОГО ЗНАМЕНИ
ГОСУДАРСТЕЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им.М.В.ЛОМОНОСОВА
Факультет почвоведения
На правах рукописи
ПАНЧИШСИНА Марина Борисовна
УДК 6 3 1 . 4 6 : 5 7 6 . 8 5 1 . 1 5 5
ДИНАМИКА РАЗЛИЧНЫХ БАКТЕРИАЛЬНЫХ ПОПУЛЯЦИЙ
В ПОЧВАХ
Специальность 03.00.0? - микробиология
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
МОСКВА - 1987
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Работа выполнена на кафедре биологии почв факультета
почвоведения Московского государственного университета им.
М.В.Ломоносова.
Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор
Д.Г.Звягинцев.
Официальные оппоненты: доктор биологических наук, ведущий
научный сотрудник В.М.Горленко;
кандидат биологических наук, старший
научный сотрудник Л.Л.Великанов.
Ведущее учреждение - Московская сельскохозяйственная
академия им. К.А.Тимирязева.
Защита состоится "
1988 года.
в ** " часов на заседании специализированного совета
К053.06.86. по микробиологии и.агрохимии в МГУ им. М.В.Ломоносова'
•в аудитории М-2, адрес: 119899, Москва, Ленинские горы, МГУ,
факультет почвоведения, Ученый совет.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета
почвоведения МГУ.
Автореферат разослан.
...198 1 года.
Ученый секретарь
гпециализированного совета доцент
cst~rr>~~"j2>
И.П.Бабьева
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- 1Актуальность пгюблемм. Интерес к изучению почвенных микроор­
ганизмов в значительной степени связан с задачей повышения поч-"
.венного плодородия. Эту задачу, связанную с управлением определен­
ными желательными или нежелательными микроорганизмами в природной
среде, невозможно решить без понимания закономерностей, которые
определяют,структуру микробного сообщества. Поскольку полное опи­
сание всех элементов микробной системы и их динамики в почве пока
не представляется возможным, то делесообразно следуюшее решение
задачи: используя несколько различных микроорганизмов, исследовать
.особенности динамики каждой популяции при раздельном внесении в
почву или ризосферу, а затем изучить динамику и структуру,комплек­
са тех же микробных популяций, внесенных одновременно.
Мель работы. Целью работы являлось изучение динамики числен­
ности и структуры комплекса бактериальных популяций „ Pseudomonaa ,
denitrificans,' Artbrobaoter
globiforjuis, Khiaobium leguminosarum,
-Azotobacter chroococoum , внесенных раздельно и совместно в раз­
личные почвы при выращивания на них разных растений.
'Основные задачи исследования. 1. Изучение особенностей дина­
мики численности и определение экологических стратегий популяции
псевдомонаса, клубеньковых бактерий, азотобактера и артробактера
.'в различных почвах. 2. Изучение динамики численности, относитель­
ного обилия, индекса разнообразия-и структуры комплекса указанных
бактериальных популяций, внесенных одновременно в чернозем, дерно­
во-подзолистую почву и прикорневую зону ячменя и гороха. 3. Опре- '
деление типов динамики численности указанных бактериальных попу­
ляций в почвах.
,
'
'
^
Научная новизна. Впервые определено относительное положение
четырех бактериальных популяций в г-К .континууме экологический
стратегий друг относительно друга: наиболее выраженные свойства
г-стратегии проявляет популяция псевдомонаса, следом за ней расп>-
-\
\
fj
Цлзтрдп 8а;:
\
EJ/4313 Смглм.•-„•„
- ' 1
j! Kxw сч-я_ «>i»..j ;::. ,.:„ з
'
-
'
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- - 2 латается популяция клубеньковых бактерий с менее выраженными про­
явлениями 1>-стратегии, далее идет'популяция азотобактера с проме­
жуточными свойствами и, наконец, ряд! замыкает популяция артробактэра с выраженной К-стратегией, Впервые с использованием нового
методического подхода изучена динамика численности нескольких
бактериальных популяций при их? совместном внесении в различныепочвы.и прикорневую зону растений, что позволило провести анализ
особенностей структуры этого бактериального комплекса и проверить
возможность прогнозирования структуры на основе относительной
экологической стратегии входящих в'него бактериальных популяций.
• Впервые получена объективная классификация типов динамики числен­
ности бактериальных популяций в почвах на основе анализа их фазо­
вых портретов.
•
Практическая ценность. Предложенная нами классификация типов
динамики численности бактериальных популяций может применяться при
выборе тактики управления, желательными и нежелательными популяци­
ями в природных местообитаниях, подборе популяций в качестве воз­
можных бактериальных удобрений. Предложенные способы анализа струк­
туры интродуцированных бактериальных комплексов позволяют устано­
вить стадии микробной•сукцессии в почвах, оценить взаимодействия
меяуг/ различными бактериальными популяциями и комплексоп почвенных
микроорганизмов, а также" определять насколько достоверно прогнози­
рование динамики численности на основе экологических стратегий в
случае внесения нескольких практически ценных популяций бактерий
совместно в виде комплекса. Полученные результаты используются в
курсе "Экология почвенных микроорганизмов" на кафедре биологии •
почв факультета почвоведения МГУ.
Алтюбация работы. Основные положения диссертации были доложены
на Всесоюзной научной конференции "Агропочвоведение и плодородие
почв" ( Ленинград, 1986 ), на Ш Всесоюзной научной конференции
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
"Микроорганизмы в сельском хозяйстве" ( Москва, 198Q , а также на
заседании кафедры биологии почв факультета почвоведения КОТУ.
Публикации. По теме диссертации опубликовано' 9 .работ.
Объем работы, диссертация состоит из введения, 6
глав,
заключения, выводов. Материалы диссертации изложены на
-' страницах машинописного текста, содержится fyC рисунков, »£
таблиц, списка литературы из irt
названий, из них у0/~ зарубежные.
О Б Ш С Ш И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В работе исследовались образцы дернового горизонта С А-(0-Ю)
см) типичного чернозема, мощного,' среднесуглинистого, на покровном
суглинке ( Воронежская обл., пос.Хреновое ) и образцы дернового го• ризонта ( А-( 0-5 )см дерново-подзолистой почвы, среднесуглинистой
на покровном суглинке, подстилаемом красно-бурой мореной ( Москов­
ская обл., пос.Чашниково). Для опытов отбирали средние пробы почвы,
удаляли корни и просеивали через сито с отверстиями в 1 мм.
В качестве объектов1исследования были избраны популяции бак­
терий: Pseudomonas denitrifleans шт. ВКМ-892, Rhizobium leguminosarum
шт. ZK (Латвийская с/х академия), Azotobacter chroococcum
шт. ВКМ-888 ,
Arthrobacter
globiformis
шт. ВКМ-665.
В опытах с раздельным внесением популяции вносили в•почвенные'об­
разцы на двух начальных уровнях численности. В серии опытов по онен
ке приспособленности бактериальных популяций к разным этапам,мик­
робной сукцессии в почве популяции вносили на 0, 3, 7, 15, 30
сутки сукцессии. Сукцессию инициировали увлажнением•воздушно-сухоЯ „
почвы и увлажнением с одновременным внесением глюкозы.
Бактерии учитывали посевом с использованием метода генетичес­
кой маркировки. Использовали.штаммы устойчивые к концентрация
стрептомицина 1000 мкг/мл среды (Класен, 1974) . Учет проводили на
МПА для популяций артробактера и псевдомонаса, на бобовом агаре
для клубеньковых ^бактерий, на среде Федорова для популяции азото-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
бактера.
...•'.-'
Для изучения структуры комплекса все указанные бактериальные
популяции вносили одновременно в образцы чернозема я дерново-под­
золистой почвы, а также в ризосферу и ризоплану ячменя и гороха, v ,
выращиваемых на черноземе. В этом случае популяцию псевдомонаса
учитывали на МПА с пенициллином (1000 мкг/мл среды).
\ ' РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Особенности динамики численности бактетаалъных'ПОПУЛЯЦИЙ
'•.'•• при их -раздельном внесении в почвы
Динамика численности внесенных раздельно бактериальных попу­
ляций изучена в образцах стерильного и нестерильного чернозема и
стерильной и нестерильной дерново-подзолистой почвы.
. Клубеньковые бактерии. Динамика' клубеньковых бактерий, как
и динамика артробактера весьма подробно описана в ряде работ
(Кочкина, 1981;' Кириллова, 1983; Кожевин, 1979). В обоих случаях
популяция стабилизируется в нестерильной почве, причем для клу­
беньковых бактерий свойственна большая амплитуда изменений попу- , v
ляционной плотности. Подтверждая это принципиальное положение, мы, '
вместе с .тем, основное внимание уделили вопросам, которые до нашей
работы практически не исследовались. В случае с клубеньковыми бак­
териями нерешенными оставались вопросы количественного описания
динамики численности популяции к особенностях динамики в различных
почвах.
.:'••;•.
' При исследовании динамики популяции Rhizo-bium leguminosarma
в нестерильных почвах в ряде случаев удается выявить увеличение
.
плотности популяции в благоприятных местообитаниях. Продолжитель­
ность этапа увеличения популяции обычно составляет 5-10 суток.
Именно этот этап может оказаться решающим при взаимодействии попу­
ляции с растением-хозяином. Отсюда ясна необходимость соотвётствующего количественного описания динамики рассматриваемой'популяции
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- 5 -•
в природном местообитании для прогнозирования и управления про­
цессом инфицирования.
Для количественного описания ограниченного роста пригодно
логистическое уравнение:
&*•
ч
ИЛИ
гдо М- численность популяции в момент' времени t -, £ - "емкость
среды" или максимальная равновесная плотность популяции. Ч - по- '
казатвль' скорости роста,\& — постоянная. Для определения парамет- ров используется следующая форма записи уравнения:
На основе вспомогательных графиков 'в этих координатах получены ,
конкретные значения X, и Q, для каждого из вариантов, что позио—
лило дать уравнения логистического роста и построить на их основе
расчетные кривые (рис.1).
Следует отметить, что уровень стабилизации популяции в почвах
заметно зависит от начального уровня популяционной плотности. Меж­
ду тем, хорошо известно, что в жидкой среде независимо от началь­
ной численности обеспечивается единая максимальная для данных ус­
ловий концентрация биомассы. Для выявления зависимости" мезду "ем­
костью среды" и начальным уровнем популяционной'.плотности проведен
регрессионный анализ и установлена прямая положительная тесная
линейная корреляционная связь медду величинами' tL£ и й ^ к а к для
дерново-подзолистой почвы, так и для чернозема. Поэтому можно пред­
положить, что при низком начальном популяционном уровне из-за ге­
терогенности среды и пространственных ограничений популяция не
способна самостоятельно освоить все имеющиеся, благоприятные микрозоны, •в которых удается выявить развитие при более обильном вне-.
сении. Если сравнивать стерильные и нестерильные образцы почв..по
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Ч.эг-ш9
i=
. - \.56-0,05^ t
J|
" i + e 3 -63-o,05t t
°:
g
Л *
8
,
2,99-«8
"*"
< +e
5,66-0,0611
7
'
"
'
•
5
0
\
3
.5
7
t
0
1
3
5
7
t
Рис.1. Экспериментальные точки и расчетные кривые на основе
логистического уравнения для популяции Rhizobxura leguminosarum
в нестерильном С а) и стерильном (б ) черноземе.
О ( 3 5 7' 9
(5
30 i . . О 4 3 5 7 9
<5
ЭО I
Рис.2. Динамика численности популяции Pseudomonas denitrificans
в нестерильном черноземе <а) и дерново-подзолистой почве <Ь).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
-
7. -
•
.
-
отношению' jt/0 » то стерильная почва занимает промежуточное поло­
жение между лабораторной средой и нестерильной почвой по степени
их гетерогенности для популяции клубеньковых бактерий.
Псевдомонас. Динамика популяции Pseudomonas denitrifleans
изучена нами в стерильных и нестерильных образцах чернозема и
дерново-подзолистой почвы. Все четыре-местообитания оказались
благоприятными для данной популяции (рис.2). В начальные сроки
опыта практически во всех вариантах отмечено развитие популяции, >
причем по масштабам процесс намного превышал размножение клубень­
ковых бактерий. Наиболее интенсивное развитие популяции наблюда­
лось в стерильном черноземе. При начальном уровне 7,38*1Сг клеток/г почвы к 10 суткам плотность популяции'возросла более чем в
4500 раз. Сходная картина, но с менее высокими темпами развития,
наблюдается и при внесении популяции в нестерильный чернозем. В
варианте со стерильной дерново-подзолистой почвой в отличие от ва­
рианта со стерильным черноземом интенсивный рост прекращается
практически уже к 3-5 суткам опыта. Несколько отличен от остальных.
вариант с нестерильной дерново-подзолистой почвой. В этом случае
заметно более низкими оказались масштабы развития'популяции в
начальные сроки, .численность популяции не стабилизируется на еди­
ном уровне, а для каждого уровня внесения характерен свой уровень
стабилизации. Во всех остальных случаях зарегистрирован практи- чески единый уровень конечной численности вне зависимости от исходного обилия, что раньше не отмечалось для других микроорганиз­
мов, динамика которых изучалась в нестерильных почвах.
Азотобактер. Динамика популяции азотобактера в почве до нас­
тоящего времени плохо изучена. В нашей работе количественный учетпроводили параллельно методами посева и иммунолюмянесценции. Для
chftcQicteUJii.
- надежного учета КЛвТОК
Azotobacter elobiformAa
. С ПОМОЩЬЮ
иммунолюминесценции получена сыворотка, выбран оптимальный режим
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- 8 окрашивания клеток и проверена специфичность иммунолюминесцентного
окрашивания. Максимальное специфическое свечение наблюдалось у
гомологичного штамма, клетки которого использовались для иммуни- зации. Вместе с тем, установлено наличие перекрестных реакций
между разными представителями этого рода, что связано с .наличием
обших термостабилъньк антигенов у представителей данного рода. Пе­
рекрестных реакций с другими микроорганизмами не обнаружено.
Диназяика численности популяции Azotobacter chroococcum
в
нестерильном черноземе изучена на высоком исходном популяционном
уровне (рис.З). Установлено," что в течение месяца численность по­
пуляции азотобактера остается высокой, что подтверждается как мегодом посева, так и методом иммунолюминесценции. Морфологическая
структура популяции сложная и меняется в ходе опытов; что прослеяивается по соотношению одиночных•и "двойных" клеток.В опытах о
шстой культурой in vitro установлена прямая положительная связь
лежду процентом двойных клеток и удельной скоростью роста, что
1ает возможность по морфологическому критерию ориентировочно cjv/гть о темпах развития популяции азотобактера в почве.
• Артробактер. Особенности динамики изученной нами популяции
rthrobactei? globiformis • включая низкие или отрицательные поазатели наблюдаемой удельной скорости роста в первые часы после
несения популяции в почву, полностью-соответствуют имеющимся в
нтературе сведениям (Кочкина.1981). Относительная экологическая стратегия П О П У Л Я Ц И Й '
Характер динамики численности исследуемых популяций в почвах
называет на несовпадение их экологических стратегий. Уточнить
геологическую стратегию указанных микроорганизмов с определением
с положения друг относительно друга в г-к континууме стратегий,
эжно посредством анализа приспособленности каждого из изученных
жроорганизмов к разным стадиям микробной сукцессии в почве по
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Рис«3. Динамика численности популяции Azotobaoter chroococcua'
в черноземе с внесением -#— • и без внесения глюкозы - О - >
—4
иммунолюминесценция.
1
Bfi5
а
0,01
0,02
1
'.
0.0)
sr
-0,01
-о,ог
- • 2. СЭТКИ
л»з
Рис.4. Изменение наблюдаемой удельной скорости роета популяций
на разних этапах микробннх сукцессии, инициированкнх увлажнением
почвы (а) и внесением глюкозы (б);
1 ( - Paeudomonas d e n i t r i f i c a n s , 2 - A r t h r o b a c t e r g l o b i f o r m i e ,
3 - Rhizobium leguaiinosarum, A *• Azotobaoter chroococcum,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- 10 наблюдаемой удельной скорости роста, отражающей усредненную ре­
акцию клеток на изменение условий в среде (рис.4).
'
Потглщия псевдомонаса по наблюдаемой удельной скорости Проста
-является несомненным лидером среди изученных популяций микроорга­
низмов. В наиболее благоприятные для этой популяции начальные
стадии микробной сукцессии в почве показатели скорости роста-дос­
тигают 0,038 и 0,044 ч
в вариантах с увлажнением и внесением
'
глюкозы соответственно. Максимальное значение наблюдаемой удельной
скорости роста зарегистрировано сразу после инициации микробной
сукцессии в почве при внесении глюкозы, т.е. в условиях наибольшей
ненасыщенности комплекса почвенных микроорганизмов. Наименее бла­
гоприятны для популяции псевдомонаса поздние стадии микробной сук-,
цессии в почве.
Наиболее благоприятным для клубеньковых бактерий такяв явля­
ется начальный этап сукцессии. Наблюдаемая удельная скорость роста
в этот момент достаточно высока (0,01 и 0,02 ч
в вариантах с
увлажнением и внесением глюкозы соответственно), но уступает ана­
логичным показателям .скорости роста популяции псевдомонаса. Худши­
ми для популяции клубеньковых бактерий являются поздние стадии
микробной сукцессии.
_
За клубеньковыми бактериями в континууме стратегий следует
азотобактер. Наблюдаемая удельная скорость роста в момент инициа­
ции микробной сукцессии у азотобактера не так высока, как у популя­
ций псевдомонаса и клубеньковых бактерий и составляет 0,0121 ч .
Для азотобактера благоприятны и промежуточные стадии микробной
сукцессии (7 сутки), а наименее благоприятны 3 сутки с момента
инициации микробной сукцессии. Для артробактера характерно преобла-'
дание процессов гибели над размножением, в большинстве вариантов
наблюдаемая удельная скорость роста у этой популяции'отрицательна.
Дяя'артробактера более благоприятны поздние стадии микробной сук-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- 11 цессии в почве.
Полученные результаты позволяют определить относительную
экологическую стратегию микробов. Наиболее выраженным г-страте­
гом является популяция псевдомонаса, способная к популяционному
"взрыву" на первом этапе сукцессии. Далее располагается популяция
клубеньковых бактерий, которая также предпочитает условия ненасы­
щенной системы, но уступает псевдомонасу по наблюдаемой скорости
роста. За клубеньковыми бактериями следует популяция азотобактера,
которая характеризуется заметным сдвигом в сторону К-стратегии и
занимает промежуточное положение. Наконец, популяция артробактера
по скорости роста и приспособленности к поздним этапам сукцессии
является наиболее выраженным К-стратегом.
Таким образом, широко используемое в экологии микроорганизмов
представление об экологических стратегиях имеет относительный ха­
рактер и оказывается полезным,'если указано относительно каких
именно.популяций определена стратегия исследуемого объекта.Напри­
мер, в данном случае клубеньковые бактерии по отношению к псевдо­
монасу являются К-стратегом, а по отношению к азотобактеру и артробактеру -, г-стратегом.
*
В соответствии с предложенной схемой можно дать прогноз рас­
писания развития указанных бактериальных популяций в ходе микроб­
ной сукцессии в почве. В момент инициации сукцессии преимущество. ,
получит популяция псевдомонаса и несколько в меньшей степени клу­
беньковые бактерии. На следующей стадии возможно увеличение чис­
ленности популяции азотобактера. Для популяции артробактера наи­
лучшие условия наиболее вероятны на поздних стадиях сукцессии.
Однако такого рода прогнозы, Построенные на основе информации
о динамике популяций при их раздельном внесении в почвы, следует
проверить в условиях, когда в местообитании присутствуют одновре­
менно все исследуемые популяции. В этом случае внесенные микроорга-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
-
l?
_
• • : • . -
низмы могут взаимодействовать не только с почвенными микроорганиз­
мами , но и друг с другом. Поэтому характеристики комплекса ин- ,
тродуцированных1популяций и его структура представляют отдельный
интерес при изучении механизмов регуляции численности микробных
популяций в почве.
. '
_
;
Типы динамики бактериальных
ПОПУЛЯЦИЙ
в почвах
.
В последние годы интенсивно изучается динамика популяций
различных микроорганизмов в природных местообитаниях, что позво­
ляет поставить вопрос о выделении типов динамики.. Классификация
типов динамики микробных популяций необходима для понимания их
экологии, управления численностью, выяснения структуры микробного
сообщества и его устойчивости. Полученные нами экспериментальные
данные позволили подойти к решению этой задачи., С этой целью про­
анализированы имеющиеся траектории зависимости численности попу­
ляций артробактера, псевдомонаса, клубенх-ковых,бактерий и азото­
бактера от времени в'разных местообитаниях. Частным примером, от­
ражающим характер полученной информации, может служить динамика
объектов в нестерильном черноземе после увлажнения воздушно-сухой
почвы Срис.5а). Чтобы перейти к классификации типов динамики
использовали фазовые портреты, которые отражают зависимость наблю­
даемой скорости роста>от плотности популяции С рис.56). Чтобы про­
зе сти сравнения анализируются наборы натуральных чисел - признаков,
которые - сняты с траекторий. Одно из возможных решений классифика­
ции типов динамики может-быть связано с выявлением группировок
збъектов при помощи кластерного анализа. Чем ближе друг к другу
эасположены объекты по снятым с траектории признакам, тем вероятгее", .что они образуют однородную экологическую группу.
И в черноземе и в дерново-подзолистой почве объекты образуют
'Р*г группы С рис. 6 ) . Однородная группа фазовых портретов артробак-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- 13 -
I
щ
V
\Ф/6
.0,03
•V
0,02
.
• о,а«
0
•"••..
Ф
••••%>
6
7 <5\« 8
-0,01
. . .
\
\
\
,«7
V -
'•
\
.
v .
5 *
t
JO
.'.- О.02
Рис.5. Динамика численности гаУ и фазовые портреты,сд> популяций
микроорганизмов в нестерильном черноземе. • <
1 - Pseudomonas denitrifloans,:2 - Arthrobacter globiformis,
3 - Rhizobium leguminosarum, 4 — Azotobacter chroococcum.
•W
2
S
A .7
(2
11
"
S
(0
9
8 • IS *5
13 , 1
0 T
0,4
3
«
2 ' 6 12 3
7
<
9 11
10 ft a 15 5
13 - 16
l^wu и
0,8
-2.0
Рис.6. Дендрограмма кластерного анализа wtHavraKH бактериальных
популяций в'почвах.
^
а ) - 1.-группа артробактера, 2.-группа псевдомонаса и клубеньковых
бактерий, 3.-группа азотобактера в черноземе.
б)'- 1.-группа артробактера, 2.-группа псевдомонаса, 3.-группа
азотобактера и клубеньконшс бактерий в дёриово-лодзалистой почпе,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
. - 14 •
тера во всех местообитаниях обособлена от других объектов и соот­
ветствует типу динамики численности, который характеризуется небольшими •колебаниями численности популяции около равновесного
уровня. Группа популяций псездомонаса и клубеньковых бактерий в
черноземе и псевцомонаса в дерново-подзолистой почве принадлежит
к типу динамики численности популяций со вспышками массового
размножения. Группа, в которую входит"'*популяция азотобактера в •
черноземе и популяции азотобактера и клубеньковых бактерий в дер­
ново—подзолистой почве относится к типу динамики численности с
возможностью умеренных колебаний около равновесного уровня, но'без вспышек массового размножения. Отметим, что динамика численнос­
ти популяции клубеньковых бактерий в черноземе соответствует од­
ному типу,' а в дерново-подзолистой почве другому. Очевидно, в
дерново-подзолистой почве в отличие от чернозема, клубеньковые
бактерии не находят достаточное количество микрозон для массового
размножения, тогда как псевдомонас реализует эту возможность и в
черноземе, и в дерново-подзолистой почве.
Рассмотрим подробнее особенности фазового портрета популяции
со взрывным типом динамики численности (рис.7). Развитие популя­
ции начинается вследствие действия факторов.внешней среды, регу­
лирующее действие которых не связано с параметрами популяционной
плотности. Фаза нарастания численности популяции С1-3), характе. ризуется тем, что внутривидовые механизмы способствуют увеличе­
нию численности популяции. Далее начинается фаза максимума вспыш" ки С 3-5), это зона включения механизмов снижения удельной скорос­
ти роста популяции за счет конкуренции, при переходе к фазе'раз­
реживания С 5-7) естественные враги популяции наращивают свою чис­
ленность, обеспечивая переход траектории через прямую у=0. Далее
популяции проходят фазу "депрессии", которая характеризуется пре­
дельно низкими наблюдаемыми удельными скоростями роста. После вы-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- 15 хода из этой фазы популяции постепенно возвращаются к стабильному
состоянию, при этом сначала повышается скорость роста (9-15), а
затем численность популяции постепенно стабилизируется (15-30 ) •
Существенно, что проведенный анализ имеет объективный харак­
s
тер и основан на информации о динамике популяций непосредственно
в почвах. Полученная классификация типов динамики может быть со­
поставлена с имеющимися теоретическими представлениями об экологи­
ческих стратегиях. Популяции со взрывным типом динамики, в нашем
случае популяции псевдомонаса и клубеньковых бактерий, проявляют
черты г -стратегии. Популяции с типом динамики азотобактера, про­
ходящие только три стадии при увеличении численности, проявляют
свойства К-стратегии по сравнению с указанными выше популяциями. Популяция артробактера характеризуется наиболее выраженной склон-•
ностью к К-стратегии не только по отношению к популяциям взрывного
типа, но и умеренного. "
'
Комплекс бактерий и его структура П Р И совместном внесении' •
П О П У Л Я Ц И Й в пригодные местообитания
Динамика обшей численности комплекса
Важным и информативным показателем для выявления специфики
различных почвенных местообитаний оказалась динамика; суммарной .
численности комплекса популяций: Pseudomonaa
denitrifioans,
Arthrobacter globiformis, Rhizobium leguminosarum, Azotobacter
chroococcum . в этом случае мы имеем дело не с динамикой одной индикаторюй популяции, обладающей определенными экологическими
свойствами,'а с суммарным зондированием почвы четырьмя разнохарактершми бактериальными популяциями, дающим как бы усредненную ин­
формацию ,об исследуемом местообитании (рис.8). Численность котяек.са 'существенно возрастает через неделю после внесения во всех
местообитаниях как в черноземе, так и в дерново-подзолистой почве,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
-'16 1
г Сч"" !
Рис.7. Фазовые портреты популяций Pseudomonas denitrlfleans (a)
И Rh'izobium leguminosarum
(б) в нестерильном черноземе на
двух уровнях внесения.
€jW [кл/г]
«jN t^N/rl
ю •
1
9
|
1
<0
a
. r^N
\
8
. 1
1
1
7
1 -3
7
l
--o
15
30
2
-t
СУТКИ
3
7
(5
53
i-
. СЧТКИ
Рис.8. Динамика суммарной численности;комплекса бактериальныхпопуляций в нестарильши (<а)и стерильных (б) черноземе Ш и
дерново-подзолистой почве ( 2 ) .
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
'• - 17 а затем постепенно снижается'к 30 суткам. Масштабы развития и ко­
нечные значения численности в черноземе во всех случаях превышали
таковые в дерново-подзолистой почве. Таким образом, комплекс по­
пуляций оказался весьма чувствительным индикатором, показавшим,
что количество благоприятных' микрозон в черноземе значительно
превышает таковое в дерново—подзолистой почве,
Однако наибольший интерес представляет сравнение динамики
комплекса в стерильных и нестерильных почвах. Установлено, что, по
крайней мере, в течение первой недели эксперимента показатели
численности в стерильных и-нестерильных образцах почвы одного ти­
па не различаются. Только в поздние сроки в нестерильных образцах
отмечается относительно небольшое снижение обилия, более заметное
в дерново—подзолистой почве. Очевидно, в условиях эксперимента в
рассматриваемые сроки при внесении популяций в момент инициации
сукцессии почвенные микроорганизмы не являются фактором, который
определяет динамику суммарной численности комплекса рассматрива­
емых популяций. Поэтому есть основания полагать» что более значимыми в этом отношении представляются внутри- и межпопуляционные
взаимодействия внесенных популяций, т.е. структура рассматривае­
мого комплекса в первую очередь должна определяться указанными
механизмами регуляции.
Структура комплекса в почвах и в пткотаевой зоне
, '
растений •
На начальных стадиях микробной сукцессии в черноземе во
всех местообитаниях в комплексе преобладает популяция псевдомонаса (pnc.9)i Одновременно увеличивают свою долю в общей численнос­
ти и клубеньковые бактерии, в то же время популяции азотобактера
и артробактера составляют незначительную часть микробного комп­
лекса. Соотношение видов в комплексе начинает изменяться с 15 су­
ток опыта. В итоге через месяц относительное обилие псевдомонаса•
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
-Не­
значительно снижается'и нена много превышает таковое других по' пуляцяй. В стерильной "почве за доминантой следует популяция азо­
тобактера, а клубеньковые бактерии занимают 3 место. В нестериль­
ной почве значительно возрастает доля клубеньковых бактерий; при­
чем эта популяция достигает уровня обилия псевдомонаса в варианте
-'с увлажнением почвы или даже превышает его в варианте с-внесением
глюкозы. Доля артробактера незначительно увеличивается'только на
поздних стадиях микробной сукцессии.
..
.
Указанные закономерности наблюдались в стерильных и несте-"
рильных образцах дерново-подзолистой почвы. В стерильной почве
через 30 суток зарегистрирована равнозначимость преобладающих по- "
луляций псевдомонаса и азотобактера. В нестерильной почве наи­
большее обилие у популяции клубеньковых бактерий, за ней следует
популяция псевдомонаса. Популяция артробактера незначительно увеличивает свою 'долю лишь к концу опыта. Отметим, что только через
30 суток выявляются заметные различия в структуре внесенного бак- ••
• териального комплекса в стерильных и нестерильных почвах, так в
стерильной почве популяция псевдомонаса по-прежнему остается доми­
нантой, за ней следует популяция азотобактера, а для клубеньковых
бактерий благоприятнее оказались нестерильные местообитания.
Для анализа структуры комплекса сравним кривые значимости ви­
дов (рис.10). Оказалось, что через 7 суток после инициации микробной сукцессии в почве структура вносимого комплекса в первом при­
ближении описывается геометрическим рядом (модель Мотомуры,). Эта
модель, основанная на гипотезе перехвата ниш, предполагает явный
доминант, в нашем случае это популяция псевдомонаса, которая занимает значительную часть пространства ниши и создает большую часть
•продукции сообщества. Популяция клубеньковых бактерий занимает
аналогичную часть оставшегося пространства ниши. Следующая попу- •
ляция азотобактера занимает аналогичную часть пространства ниши,
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
ОТНОСИТЕЛЬНОЕ
- ЭТАП
СУКЦЕССИИ
(СУТКИ)
ОБИЛИЕ- ПОПУЛЯЦИЙ
ВО
ВНЕСЕННОМ
ЧЕРНОЗЕМ
стерильный,
СТЕРИЛЬНЫЙ,
УВЛАЖНЕНИЕ
УВЛАЖНЕНИЕ +
ЯВЛАЖНЕНИЕ
ж^
JyA^n
ПОЧВА
СТЕРИЛЬНАЯ,
СТЕРИЛЬНАЯ,
УВЛАЖНЕНИЕ*
ИВЛА*НЕНИЕ
авлджнениЕ+ даллжнениЕ ЯВААЖНЕНИЁ+
J^
НЕСТЕРИЛЬНАЯ,
НЕСТЕРИЛЬНАЯ,
НЕСТЕРИЛЬНЫ)!,
ГЛЮКОЗА
"
птЖ^
5АКТВ.РИЙ
ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТАЯ
НЕСТЕРИЛЬНЫЙ,
ГЛЮКОЗА
3
КОМПЛЕКСЕ
ГЛЮКОЗА
гпМ^
ГЛЮКОЗА
гъШ^л
ГШп
тШ^
гтпС^-гл
пJL
7
rmfTTbr,
ТГгУ/ЛгГП
—
••15..
ттгт^тгт-i
30
тттН77Ъ-г
]
-
л^
rmR^TT,
гтттСТЯттп
птШ
гт^Ьи
»
п
га£?И
плГТЙ
Lfe rul 3
г
ПТЫ ••'•'.!
ГПТРЯ'-'.|
гД
;
гт
In
•PHC.9i Структурные изменения в комплексе бактерий в черноземе и дерново-подзолистое почве.
D -Pseudomonas. denitrifieana.,
И ^Ar throb ас ter globlformls, gj -Rhizobium leguminosarm,
EJ-Azotobacter chroooocourn.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- 20 оставшуюся от предыдущих популяций. Наконец, последней в этом
ряду оказалась популяция артробактера.
Через 30 суток'после инициации сукцессии кривая значимости
видов становится менее крутой и может описываться моделью Мак'Артура, когда пространство ниши поделено случайным образом на со­
прикасающиеся и неперекрывающиеся участки. Следовательно, эмпирическоз ранговое распределение популяций микробного комплекса с
заданным составом может использоваться для определения стадии
микробной сукцессии.
~
С точки зрения решения прикладных задач особый интерес пред­
ставляет исследование комплекса популяций в прикорневой зоне рас­
тений ("рис. 11). Динамика относительного обилия бактериальных попу­
ляций в ризосфере ячменя и гороха имеет следующие особенности. Уже
через 5-9 суток после внесения бактерий и посадки растений выяв­
ляются доминанты - популяции псевдомонаса и клубеньковых бактерий,
доля которых в комплексе составляет 80-9Q/Z. Существенно, что в от­
личие от почвы и через 25 суток в ризосфере гороха уверенно доми- •
нирует популяция псевдомонаса, причем три остальные популяции в
равной мере представлены в комплексе. В ризосфере ячменя в зто же
время наибольшую часть комплекса составляют клубеньковые бактерии.
Относительное обилие азотобактера и артробактера оставалось не­
большим в течение всего времени наблюдения.
На протяжении всего опыта в ризоплане гороха и ячменя домини­
рует популяция псевдомонаса, ее относительное обилие через 15-25
суток после посадки растений возрастает до 75-85$, что не харак-"
терно ни для почв, ни для ризосферы растений. В ризоплане ячменя' '
через,5 суток цосле начала опыта клубеньковые бактерии по числен­
ности практически не уступают псевдомонасу. Как и в ризосфере, относительное обилие популяций азотобактера и артробактера не изме­
нилось в течение 25 суток, что указывает на неприспособленность
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
П. J. * 1,91-10* 0,171 *•.''
?Q0
10
1
г
3 . 1
1
РАНГ
(
. 2 . 5
1
РАНГ
t
Рис .10. Кривые значимости в щ ю в бактериального комплекса через
7 (а) и 30 (б) суток после инициации микробной сукцессии в ',•
черноземе. .
.
; • '
.••'..•• -
СРОК С М О ­
МЕНТА ПОСАДКИ
РАСТЕНИЙ.
5
СУТКИ '•
ОТНОСИТЕЛЬНОЕ ОБИЛИЕ ОТД. WKT, ПОПУЛЯЦИЙ 0 KWiftEKCE Е-РИЙ
РИЗОСФЕРА
ЯчмЕнЯ
РилосФеРА
ГОРОХ.А
ЯЧМЕИЙ ,
п rfiL,;М^
rt
-
*
ГСРОХ.А
-ь>1_
^ i
9
СУТКИ
__
_j_.
--—1
• .1...
» ',
?.'л! ..
a.;i.'.':w;-i,
Г
г-РЪп "
1J?U
•.
•
с . .-7П
Структурные изменения а комплексе бактерий в прикорневой
зоне рас•тений,.-взращиваемых в черноземе.
PKC.U.
<
t/
2 '
__
1
\
Рис.12. Динамика индекса разнообразия микроорганизмов бактерйального комггяекоа, внесенного в чернозем С а.) и ризосферу расте-4
кий ' (б). $ •1-увлакнеяив,''й'-глюкоза;'с5 1-ячмень, 2-горох.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- 22 "
указанных К-стратегов к доминированию в ризоплане растений.'
"' Охарактеризовать структуру комплекса популяций и специфику
изученных местообитаний можно с помощью индекса разнообразия
(рис*12 1 Наиболее существенно различается динамика индекса разно­
образия в почвах и ризосфере растений. В почвах индекс разнообра­
зия сначала падает, достигая минимума через 7 суток после иници­
ации сукцессии, а потом возрастает к 30 суткам до начального уров­
ня. В экологии принято считать, что высокие и низкие значения ин­
декса разнообразия характерны для "зрелой" и "молодой" систем
соответственно. В ризосфере индекс разнообразия практически не
изменяется в течение месяца и существенно превышает таковой в дру­
гих местообитаниях.
Во всех вариантах опыта в черноземе установлена тесная линей­
ная отрицательная корреляционная зависимость мезду индексом раз­
нообразия и общей численностью внесенного комплекса бактерий. Для
дерново-подзолистой почвы, в отличие от чернозема,' такая зависи­
мость на установлена, кроме того,' минимальное значение индекса
разнообразия в дерново—подзолистой почве значительно превышает
таковое в черноземе.
' \
' ВЫВОДЫ
" '
1. Впервые на основе нового методического подхода, состояще­
го в одновременном изучении динамики численности нескольких мик­
робных популяций при их раздельном и совместном внесении в раз­
личные местообитания (стерильные и нестерильные почвы, прикорне^вая зона растений}, установлены относительные экологические стра­
тегии, типы динамики и закономерности, определяющие структуру
комплекса исследованных популяций.2. Определена позиция четырех бактериальных популяций в г-к.
континууме экологических стратегий друг относительно друга: псев-
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- 23 домояас - клубеньковые бактерии - азотобактер - артробактер.
Идея об экологических стратегиях имеет конструктивный характер,
если указано, относительно каких объектов определена стратегия
конкретного микроорганизма. В данном случае клубеньковые бактерии
'по отношении к азотобактеру и артробактеру, с одной стороны, и к~
псевдомонасу, с другой стороны, являются г- и К-стратегом соот­
ветственно.
"
|
3. Получена классификация типов динамики численности бактери­
альных популяций на основе анализа-их фазовых.портретов в почвах. /
Первый тип динамики характерен для популяции псевдом'онаса, которая
во всех местообитаниях проявляет способность к существенному уве­
личению популяционной плотности. Второй тип представлен динамикой
популяции азотобактера с умеренными изменениями численности. Тре­
тий тип с небольшими изменениями популяционной плотности вблизи
равновесного уровня представлен динамикой популяции артробактера.
Дянамикагчисленности клубеньковых бактерий в черноземе может рас­
сматриваться в рамках первого, а в дерново-подзолистой почве второго типа.
~
.
4, Прогноз динамики комплекса нескольких бактериальных популяцяй в почвах на основе экологических стратегий и особенностей ди­
намики численности при раздельном внесении популяций подтверждается
при совместном внесении только на начальном этапе микробной сукцес-,
сии < 5-10 суток), на более поздних этапах необходимо прямое.экспери­
ментальное определение значимости отдельных бактериальных популяций
в комплексе.
,
5. Эмпирическое ранговое распределение видов в комплексе с за-'
данным составом бактериальных популяций является индикатором стадий
микробной сукцессии в почвах. В течение первой недели после-сов­
местного внесения популяций структура комплекса описывается в пер­
вом приближении геометрическим рядом. На поздних этапах сукцессии
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
- 21 кривая значимости видов сглаживается и может быть описана мо­
делью Мак-Артура.
/
_ '
,
6. В'прикорневой зоне преобладают популяции относительных . ,
г-стратегов - псездомонаса и клубеньковых бактерий, однако опре­
делить, какая именно из указанных популяции в конкретных условиях
станет доминантой, па основе информации об их экологических стра­
тегиях нельзя, что указывает на необходимость экспериментальной
проворен соответствующее 'прогнозов. Небольше обилие популяций
относительных Ь'-стратегов - азотобактера и артробактера (не болео
10% ) указывает на их неприспособленность к развитию в прикорневой
зоне растений. '
.' •.
.•
По материалам диссертации опубликованы следующие работы:
1. Количественное описание'динамики клубеньковых бактерий в
почвах// Микробиология, - 1984'. - т.53,- №8. - с.508 (соавт.
П.Л.Кожавин,' Д.Г.Звягинцев) .
,
2. Динамика популяции
Pseudomonas denitrifleans
в почвах//
Вестн.Моск.ун-та.Сер.17.Почвоведение; - 1S85. - №2. - C.G5
(соавт. П.А.Кожевин,' Д.Г.Звягинцев).
3. Динамика популяции клубеньковых бактерий в зависимости от
потенциала почвенной влаги•// Агропочвоведение и плодородие почв: Тез.докл.Всес.конф., Ленинград, 1986. - с!47.
<
4. Динамика четырех бактериальных популяций в черноземе //
Микроорганизмы в сельском хозяйстве: Тез.' 111 Всес.конф., Москва,
1986. •- с.150.
•
'
5. Специфичность иммунолшинесцентноЯ реакции для азотобак­
тера а азоспириллы //Вестн.Моск.ун-та.Сэр.17.Почвоведение. -'1988.
-- т.57. - р \ . - C.74-7G (соавт. С.А.Лукин, П.А.Кожевин, Д.Г.Звягинцеэ).
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Подписано к печати
l\-5Gtf3
Формат 6 0 x 9 0 / 1 6 .
Усл. печ. л.
Тираж too
/t
Уч.-нзд. п.
экз.
Заказ ?&
-f,0
Ордена 'Знак Почета'издательство Московского университета.
1 О 3 0 0 9 , Москва, ул. Герцена. 5 / 7 .
Типография ордене 'Знак Почета' издательства МГУ.
1 1 9 8 9 9 , Москва, Ленинские горы.
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
2
Размер файла
785 Кб
Теги
914
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа