Мікроорганізми в ґрунті

Мікроорганізми в ґрунті

Мікроорганізми живуть практично скрізь. Їх можна зустріти в будь-яких куточках нашої планети — від глибин океану до верхніх шарів атмосфери, але всюди їх різна кількість. Більша частина всіх мікроорганізмів, що населяють планету Земля, живе у ґрунті.

В повітряному середовищі залежно від чистоти або запиленості повітря можна знайти від одиниць до сотень або тисяч клітин бактерій в кубічному метрі. У водному середовищі — в річках, озерах, морях — чисельність буде набагато вищою, там ми зможемо знайти мільйони клітин бактерій у кубічному сантиметрі, тобто в мілілітрі води. В ґрунті чисельність мікроорганізмів на порядки вища. В одному кубічному сантиметрі ґрунту ми знаходимо вже не мільйони, а мільярди клітин бактерій.

Крім бактерій, ґрунт пронизаний міцелієм грибів. Тут мешкають одноклітинні грибки, дріжджі, тут живуть такі найпростіші, як амеби та інфузорії. Часто до мікроорганізмів відносять і багатоклітинних тварин: нематод, коловерток, інших дрібних тварин. У ґрунті живе величезне розмаїття членистоногих — кліщів і комах. Як результат, хоча ґрунт займає меншу частину поверхні нашої планети, а його потужність зрідка перевищує десятки сантиметрів, він є найбільшим депозитарієм біологічного різноманіття планети Земля.

Чому чисельність мікроорганізмів у ґрунті настільки висока? З декількох причин. Перш за все, справа в тому, чим є ґрунт у фізичному сенсі. Тверда частина ґрунту — це агрегати різного розміру, пронизані густою мережею тріщин і капілярів товщиною всього-на-всього від декількох мікронів. Але для мікроорганізмів це цілий світ з печерами, ущелинами, часто заповненими водою. Там можна безпечно закріпитись на поверхні твердої фази і споживати розчинені органічні речовини з рідкого середовища. Питома поверхня ґрунту може бути дуже великою. У кубічному сантиметрі ґрунту можна знайти десятки і сотні квадратних метрів твердої поверхні, на якій можуть закріпитись мікроорганізми.

Друга причина високої чисельності мікроорганізмів ґрунту полягає в тому, що, як це не банально, на ґрунті ростуть рослини. Більшість мікроорганізмів — гетеротрофи. Вони потребують готових, доступних органічних речовин, а рослини синтезують їх за рахунок фотосинтезу і постійно виділяють розчинну органіку через коріння. Таким чином вони підгодовують мікроорганізми і в кореневмісному шарі ґрунту. Поблизу самих коренів, в ризосфері, чисельність мікроорганізмів особливо висока. Причому висока не лише чисельність, а й різноманітність мікроорганізмів. Чому?

Ґрунт, на відміну від водного середовища, дуже неоднорідний. Там є безліч мікролокусів з дуже різними, іноді абсолютно протилежними умовами. В одному місці багато органічної речовини, в іншому — мало; одні капіляри заповнені водою, інші — повітрям. Тому в ґрунті постійно існує безліч ніш, в яких можуть існувати мікроорганізми з зовсім різними потребами. В одному грамі ґрунту ми можемо знайти сотні і тисячі різних видів мікроорганізмів. І навіть якщо раптом в ґрунті немає відповідних умов для розвитку якогось конкретного виду мікроорганізмів, він може зберігатись там протягом дуже довгого часу, роками, в очікуванні настання сприятливих умов.

Мікроорганізми в ґрунті не просто існують. Вони здійснюють безліч різних біохімічних реакцій, споживають одні речовини, синтезують інші. Завдяки такій високій різноманітності, високій чисельності мікроорганізмів ґрунт перетворюється на надпотужну біохімічну машину, яка пропускає через себе значні потоки речовини та енергії в масштабах планети. Цикли багатьох найважливіших для життя на Землі хімічних елементів, таких як вуглець, азот, фосфор, так чи інакше пов'язані з активністю ґрунтових мікроорганізмів.

Мікроби в ґрунті можуть фіксувати атмосферний азот, перетворюючи його на доступні для інших живих істот сполуки. Мікроби можуть, навпаки, руйнувати азотовмісні сполуки, повертаючи в атмосферу молекулярний азот і оксиди азоту. Так само і з вуглецем. Мікроорганізми можуть розкладати органічні речовини, наприклад рослинний опад, і повертати таким чином в атмосферу вуглекислий газ. А можуть, навпаки, консервувати вуглець у вигляді інертної органічної речовини. Всі ці процеси вельми цікаві людині, оскільки прямо впливають на сільське господарство, на стан навколишнього середовища, на клімат. Це особливо актуально останнім часом у зв'язку зі спробою регуляції вуглекислого газу в атмосфері. Людина давно намагається регулювати ці процеси. А для цього, звичайно, потрібно знати, як влаштовані ґрунтові мікробні угруповання.

Крім впливу на біосферу, на глобальні цикли речовини та енергії, ґрунтові мікробні угруповання цікаві для людини тим, що вони прямо беруть участь у живленні рослин. Не тільки рослини підгодовують мікроорганізми, а й самі мікроорганізми беруть участь у постачанні рослин хімічними елементами, поживними речовинами, ферментами, навіть гормонами росту.

Наприклад, всі без винятку дерева на Землі і більша частина всіх трав'янистих рослин мають на коренях так звану мікоризу — симбіотичні гриби, які допомагають рослині засвоювати з ґрунту воду і мінеральні речовини. Всі рослини родини бобових мають на коренях спеціальні органи — бульбочки, в яких живуть симбіотичні бактерії-азотфіксатори. Вони зв'язують з повітря молекулярний азот, який рослини використовувати не можуть, і перетворюють його на доступний амонійний азот, який рослини використовувати можуть. Багато бактерій у ґрунті беруть участь у захисті рослин від інших патогенних мікроорганізмів. І всі ці корисні для себе бактерії рослини отримують з ґрунту.

Природно, ці зв'язки цікаві фахівцям у галузі рослинництва та аграрної науки як тонкі способи регулювання сільського господарства. Кілька десятиліть людина намагається розробляти і застосовувати біодобрива. Це препарати форм спокою клітин і спор мікроорганізмів, наприклад азотфіксуючих бактерій в бульбочках бобових, які вносяться на поля як звичайні добрива.

Крім того, ґрунтові мікробні угруповання важливі для людини ще й тим, що завдяки високій різноманітності вони є багатим джерелом нових видів мікроорганізмів для біотехнології, а з недавнього часу і джерелом нових генів для генної інженерії. Людина вже використовує багато мікроорганізмів, отриманих з ґрунту. Використовує їх для синтезу антибіотиків, — наприклад, для отримання ферментів для виробництва, медицини, фармакології. І якщо вам потрібно знайти якийсь новий мікроорганізм, який, скажімо, має особливий набір генів або синтезує особливий фермент, то дуже часто завдяки такій високій різноманітності мікроорганізмів у ґрунті найлогічніше розпочати пошуки саме з нього.

Проблема в тому, що більша частина мікроорганізмів у ґрунті не досліджена. За деякими оцінками, від 90 до 99% мікроорганізмів у ґрунті не піддаються культивуванню на штучних поживних середовищах. Це означає, що ми не можемо виростити їх в лабораторних умовах. Це неможливо або принаймні дуже складно. Ми знаємо, що вони є, ми можемо бачити їх під мікроскопом, ми можемо навіть виділити з ґрунту і досліджувати їх ДНК. Але ми не можемо отримати живу чисту культуру цих мікроорганізмів в лабораторії і досліджувати, як вони живляться, які біохімічні процеси проводять, яка їх фізіологія.

Сьогодні найбільш дієвим способом дослідження цієї невідомої, невивченої частини ґрунтової мікробіоти є молекулярно-біологічні методи. Ми виділяємо з ґрунту мікробну ДНК, або РНК, або їх білки і з їх допомогою намагаємось зрозуміти властивості мікроорганізмів, які ми не маємо на руках у вигляді чистої культури. Ці методи активно розвиваються в останні 15—20 років, і завдяки їм ми вже знаємо набагато більше про влаштування ґрунтових мікробних угруповань. Можливо, найближчим часом з їх допомогою ми навчимось більш тонко використовувати і регулювати ґрунтове мікробне різноманіття, щоб використовувати його в сільському господарстві, медицині або для охорони навколишнього середовища.

X

Вхід

Завантажую...