Материал: Іутинська Г.О. Ґрунтова мікробіологія

Для аналізу різних фізіологічних груп мікроорганізмів можуть бути використані функціональні зонді/, в яких використовуються гени, що ко­ дують ключові ферменти специфічної функції мікроорганізмів. Напри­ клад, як молекулярні маркери використовують гени, що детермінують азотфіксацію (нітрогеназа), автотрофно (ген рибулозо-1,5-бісфосфат карбоксилази/оксигенази), денітрифікацію (гени нітратредуктази), нітри­ фікації (гени монооксигенази амонію), метанотрофії (гени метанмонооксигеназ). Проте при використанні функціональних зондів існує ряд об­ межень. Вони мають низьку чутливість аналізу внаслідок меншої кілько­ сті відповідних ДНК-мішенів. Можливе також зниження інтенсивності гіб­ ридизаційного сигналу за рахунок того, що функціональні гени різняться у різних видів мікроорганізмів, які виконують однакову фізіологічну функцію.

Методи гібридизаційного аналізу з використанням генних зондів є менш складними у порівнянні з сіквенс-аналізом. Можливе створення мікроматриці (мікрочіпу), що дозволить автоматизувати аналіз сумарної ДНК, виділеної з різних екологічних середовищ.

Для аналізу мікробних угруповань безпосередньо у місцях Існу­ вання застосовують FISH-аналіз (Fluorescense in situ hybridization), який виконується з використанням флуоресцентної мікроскопії і базується на застосуванні флуоресцентно мічених олігомерних філогенетичних зондів, мішенями яких в рибосомні РНК у фіксованих клітинах членів мікробного угруповання. Олігомерні флуоресцентні зонди здатні прони­ кати через неушкоджену клітинну стінку життєздатних мікроорганізмів. Після спеціального фарбування флуоресцентними барвниками підрахо­ вують спочатку загальну кількість клітин у полі зору мікроскопу. Потім використовують набори флуоресцентних зондів для певних фуп мікро­ організмів, у тому числі і для тих, що не культивуються в лабораторних умовах. Вимірюють інтенсивність гібридизаційного сигналу і визначають кількість і співвідношення різних форм в мікробному угрупованні.

Результати робіт із молекулярної екології дозволяють зробити деякі узагальнення. Зокрема, відзначається, що цими методами можна ви­ явити присутність у середовищах крупних таксонів на рівні класів або груп. Більшість зразків ДНК мають низький ступінь гомології з наявними у базах даних відомостями про послідовності відомих і вивчених мікро­ організмів. З’являються потенційні претенденти на нові види, в той час як поширені аборигени не виявляються цими методами. Припускають, що нові види - це життєздатні мікроорганізми, які не можна виявити су­ часними методами культивування у лабораторних умовах.

Виявилося, що серед еубактерій 90% культивованих форм і 70% некультивованих відносяться переважно до чотирьох основних філоге­ нетичних ліній: 1 - протеобактерїі; 2 - флавобактерії - бактерощи-

71

цитофаги; 3 - клостридії; 4 - актиноміцети. Серед некультивоеаних форм також виявлені філотипи, які е космополітами.

Проте з'являється все більше прихильників думки про те, що гене­ тична характеристика угруповань за маркерними генами повинна поєд­ нуватись із фізіолого-біохімічною, оскільки різниця між окремими вида­ ми і навіть штамами одного виду може полягати не тільки у структурі певної ділянки геному, але І в його функціях, тобто у програмі реалізації.

5.6. Функціональна структура мікробних угруповань

Функціональна структура мікробного ценозу - це сукупність функ­ ціональних особливостей мікроорганізмів, які входять до складу мік­ робного угруповання, сукупність трофічних зв’язків між ними, а також функціональні взаємовідносини, які забезпечують зв'язок між мікроор­ ганізмами і навколишнім середовищем.

Накопичення знань про фізіологічні особливості ґрунтової мікробіоти показало її багатофункціональнісгь, що вимагає упорядкування І сис­ тематизацію знань про мікробне населення ґрунту. Першим це зробив С.М. Виноградський, який розподілив ґрунтові мікроорганізми на 2 гру­ пи: зимогенну і автохтонну мікрофлору від слів: гилю - закваска, Ш Ьопоб - ґрунт. Представники зимогенної групи мають здатність швид­ ко рости при попаданні у ґрунт органічних рештків, гною. Зимогенні мік­ роорганізми швидко розкладають органічні речовини, а коли їх запаси вичерпуються - переходять у стан спокою. Друга група - автохтонні мік­ роорганізми здатні розвиватись у ґрунті, який знаходиться у стані біо­ логічної рівноваги. За формулюванням С.М. Виноградського, ці мікроор­ ганізми переважать у ґрунті, який тривалий час знаходиться під паром, тобто тоді, коли легкодоступні поживні речовини вже вичерпані і мікро­ організми для свого живлення розкладають гумус.

Є.М. Мішустін доповнив трофічну схему мікробного угруповання, запропоновану С.М. Виноградським, ще двома групами: оліготрофами і хемоавтотрофами (рис. 5.5). Таким чином, у трофічній структурі мікроб­ ного ценозу виділив 4 групи мікроорганізмів: зимогєнна група, яка роз­ кладає свіжі органічні рештки; автохтонна, яка розкладає гумусові речо­ вини; оліготрофи, які задовольняються низькими концентраціями пожив­ них речовин, що залишились від мінералізації органічних рештків; хемолітоавтотрофи, які використовують енергію мінеральних сполук для фіксації вуглекислого газу і синтезу мікробної маси.

72

мгС/л. Проте цих ознак недостатньо для характеристики оліготрофів. Д.І. Нікітін вважав, що до цієї екологотрофічної групи мікроорганізмів можна віднести представників, які ха­ рактеризуються наступним комплексом ознак: 1 - здатність розвиватись за умов нестачі поживних речовин, при якій верхня межа становить 1 г/л С, а нижня - практична їх відсутність; 2 - ріст при низьких температурах (навіть нижче 0вС); 3 - специфічність морфологічних ознак (маленькі тонкі клітини з придатками, гіфами, стебельцями, простеками, зіркопо­ дібні) і складним циклом розвитку; 4 - специфічний склад ліпідного ком­ поненту, 5 - здатність засвоювати з повітря як додаткове джерело жив­ лення летючі органічні речовини. Морфологія деяких оліготрофів наве­ дена на рис. 5.6. Типовими представниками оліготрофних мікроорганіз­ мів є такі;

-Рго&есотІсгоЬіит роІуврЬегоїбит поу.сотЬ. - паличкоподібні, ма­ ють сферичні вздуття на поверхні клітини (рис. 5.6 знизу клітина зі вздуттями);

-ЙепоЬзсівг vacuolatum - паличкоподібні, містять всередині клітини велику кількість газових вакуолей;

73

-АпдиІатісгоЬіит, $ІеІІа, І.аЬгу$ - мають радіальну симетрію клітин, часто зіркоподібні (рис. 5.6 клітина зверху):

-ЗрігОБОта, РІесіоЬасШиБ - мають Й-подібну форму, спіральні або у формі кільця.

Рис. 5.6. Морфологія деяких оліготрофних мікроорганізмів (заД.І. НІютіним, Ї978р.)

Функціональну структуру мікробного угруповання ґрунту Г.О. Заварзін представив за допомогою математичних іраф ів (рис. 5.7). За цим розподілом виділяють десять груп мікроорганізмів.

74

Рис. 5.7. Функціональна структура мікробного угруповання (за Г.О. Завареним, 1970р.)

До І групи віднесені мікроорганізми, які здатні розкладати легкодо­ ступні органічні субстрати. Нерозчинні органічні рештки, наприклад це­ люлозу, здатні розкладати мікроорганізми, що належать до II групи. Піс­ ля відмирання цих мікроорганізмів лепоздоступні компоненти їхніх клітин засвоюють мікроорганізми III групи. Мікрофлора, що засвоює гумусові речовини і нерозчинні структурні компоненти тіл організмів, у тому числі і мікробних клітин (наприклад, хітин), віднесена до IV групи. Незначна частина продуктів розкладу органічних рештків і відмерлої мікробної маси у вигляді речовин малої молекулярної маси (лактат, ацетат) ди­ фундує (розсіюється) в середовищі і засвоюється мікрофлорою розсіян­ ня, що відноситься до V групи. Розклад гумусових речовин здійснюють мікроорганізми VI групи. Азотвмісні сполуки органічних решток та мікро­ бної некромаси в анаеробних умовах розкладають мікроорганізми VII групи. Бродіння безазотових сполук здіснюється мікроорганізмами, що віднесені до VIII групи. Сульфатвідновлювальні і метаногенні бактерії віднесені до вторинних анаеробів (IX група). Окислення кінцевих проду­ ктів життєдіяльності вторинних анаеробів при переносі цих продуктів в аеробну зону здійснюють мікроорганізмів X групи - це водневі та метанокиснюючі бактерії. Особливу увагу Г.О. Заварзін звертає на мікро­ флору “розсіяння" (дисипотрофи), представники якої характеризуються невеликою швидкістю росту, економічністю використання субстрату і задовольняються незначною його кількістю.

Існує ще декілька класифікацій функціональної структури мікробних угруповань фунту (М.М. Лазарєв, Д.І. Нікітін, К.О. Мятликова, В.С. Гузєв), проте невирішеним залишається питання, як співвідносяться між собою групи мікроорганізмів за різними класифікаціями. Наприклад, де­

75