Материал: Іутинська Г.О. Ґрунтова мікробіологія

в—» А

3.Конкуренція за спільний субстрат а фізіологічно схожих мікроор­ ганізмів В і В,, які утворюють один проміжний продукт Ь:

4.Конкуренція за спільний субстрат а між мікроорганізмами В і С, які утворюють різні проміжні продукти Ь і с, що споживаються мікроорга­ нізмами О і Е:

5.Комбінація з використанням різних проміжних продуктів (а', а"

а’’’) і схожих процукгів е, які утворюють мікроорганізми Е і Е:

Трансформація декількох різних за хімічною природою субстратів може вибуватись одночасно, в ній будуть задіяні різні трупи мікроорга-

•нізмів, які мають спеціалізовані набори ферментів, що дає їм можли­ вість утилізувати ті або інші речовини.

Взаємодія мікроорганізмів різних трофічних груп формує трофічну структуру мікробного угруповання. Наприклад, якщо у ф унт надходять рослинні залишки, що містять білки, жири і вуглеводи, ТО ВІДПОВІДНО цим компонентам формуються пептолітична, лілолітична, сахаролітична ланки.

Єакгерії-гідролітики переводять нерозчинні субстрати твердої фази у розчинну форму шляхом гідролізу їх поза клітинами під дією екзоферментів: протеаз, ліпаз, целюлаз. У результаті замість індивідуальних полімерів у фунтовий розчин надходять уніфіковані мономери (моноса­ хариди. ацетат), які можуть бути засвоєні бактеріями-осмотрофами. Та­ ким чином, для кожної сполуки в угрупованні є свій “спеціаліст’', який здатний ЇІ засвоювати.

в і

6.КІН ЕТИ КА

МІКРО Б Н И Х ПРО ЦЕСІВ У ҐРУНТІ

Кінетика (від грецького кіф тікоб - той, що приводить до руху) - вчення про швидкості і механізми фізичних, хімічних або біологічних процесів. Мікробіологічна кінетика вивчає динаміку життєдіяльності міх* роорганізмів. Вона виникла у відповідь на питання, що ставила мікробі­ ологічна промисловість у зв’язку з культивуванням мікроорганізмів та отриманням продуктів мікробного синтезу. На сьогодні не менш актуа­ льними е екологічні проблеми, для вирішення яких дуже важливо визна­ чити кінетичні закономірності життєдіяльності фунтових мікроорганізмів.

Становлення кінетики росту мікроорганізмів як науки відбувалося майже одночасно з розвитком загальної мікробіології. Луі Пастер пер­ ший провів аналіз ростових характеристик мікроорганізмів (пекарських дріжджів) у зв’язку зі споживаням компонентів поживного середовища. Його учень М. Ропен у дослідах із фибом Aspergillus niger визначав біо­ масу гриба та баланс між поживними речовинами, які містилися в сере­ довищі перед культивуванням та після нього. На підставі цих даних він розрахував трофічний коефіцієнт Y, який показує вихід біомаси на оди­ ницю спожитого субстрату (пізніше стали користуватися величиною а, оберненою до Y):

1/Y= о = (s-s0У(х-хо ),

де х0- маса інокуляту; $о - вихідна кількість субстрату в середовищі; $ - залишкова концентрація субстрату в кінці досліду; х - накопичена маса гриба в кінці досліду.

С.М. Виноградський вперше розробив методичні підходи до ви­ вчення кінетичних параметрів, він перший використав безперервну мікропроточну культуру - вирощував сіркобактерії в краплі води, насиченої сірководнем, причому цю воду часто міняв. Крім того, в дослідах С.М. Виноградського були вперше поставлені питання стехіометрії рос­ ту нітрифікуючих бактерій і показано Існування певного постійного спів­ відношення між окисленим N H / та асимільованим С 02.

Існування фаз росту мікроорганізмів у рідких поживних середови­ щах вперше виявив М. Мюллер. Фази росту описувалися рівнянням:

N = N o e ™ .

де N - чисельність мікроорганізмів у даний момент досліду; N0 - чисе­ льність мікроорганізмів на початку досліду; f - тривалість культивуван­ ня; F(t) - емпірична функція залежно від фази росту; р - максимальна швидкість росту.

82

У ґрунтовій мікробіології кінетичні дослідження впроваджувалися дуже повільно, що пояснюється гетерогенністю середовища, нетиповіо тю ситуацій, які можуть складатися у ґрунті, багатофункціональністю і складністю мікробних угруповань. Тому принципово неможливо віднайти таку єдину формулу, яка буде адекватною експериментальним даним при широкому наборі ситуацій. Причина не тільки в незрівнянно більшому “стохастичному ш умі' біологічного експерименту, а також у тому, що мікробна клітина, клітинна популяція або мікробне угруповання являють собою систему, що складається з достатньо автономно Існуючих І функ­ ціонуючих підсистем.

Питання кінетики росту ґрунтових мікроорганізмів стали активно розвиватися наприкінці 1960-х років у зв’язку з Міжнародною біологіч­ ною програмою, завданням якої була оцінка усіх природних ресурсів планети та визначення можливості їхнього природнього поповнення. В контексті цього завдання необхідно було визначити запаси мікробної біомаси у ґрунтах різних кліматичних зон, а також розрахувати швид­ кість поновлення цих запасів. Тоді стало очевидним відставання у цьо­ му питанні ґрунтової мікробіології від інших біологічних наук. Із того часу стали інтенсивно розвиватися дослідження з визначення чисельності і біомаси мікроорганізмів у ґрунті, вимірювання швидкості їх росту in situ. Були проведені розрахунки матеріального балансу росту мікроорганіз­ мів у ґрунті (потоки опаду і кореневих виділень, швидкість поїдання мік­ робів і т.ін.). Всі ці задачі відносяться до кінетики й енергетики росту ґрунтових мікроорганізмів.

Одним із основних кінетичних параметрів є швидкість росту та про­ дукування біомаси мікроорганізмів.

Продукування біомаси мікроорганізмів (Ьх) за певний проміжок ча­ су залежить від швидкості росту популяцій у ґрунті:

Дх= //"■ х 'А і,

де і х відповідно питома ш видкість росту і запаси мікробноїбімаси, середні на відрізку часу НА (наприклад, тривалість сезону%

Перші дослідження, виконані Т.В. Аристовською, полягали у тому, що проводили щоденні вимірювання чисельності бактерій прямими під­ рахунками за методом С.М. Виноградського, визначали розміри клітин та розраховували їх об'єм. Продуктивність визначали, виходячи з даних чисельності і об'єму мікроорганізмів, прийнявши допущення, що питома маса хтивих клітин дорівнює питомій масі води. Отримана крива ілюст­ рувала пульсації накопичення мікробної маси у ґрунті: через кожні 3 -8 діб спостерігали підйоми чисельності мікроорганізмів із наступними па­ діннями (рис. 6.1).

83

доби

Рис. 6.1. Динаміка чисельності мікроорганізмів у фунті протягом 32 діб спостережень:

1 —коренева зона; 2 - поза коренями рослин

Пульсації спостерігали навіть за відносно постійних гідротермічних параметрів середовища. Ці коливання пояснювали вищанням мікроор­ ганізмів амебами (взаємодія по типу хижак-жертва), а також накопичен­ ням автоінгібуючих продуктів обміну мікроорганізмів.

Пізніше для визначення біомаси мікроорганізмів у ґрунті були роз­ роблені фумігаційний та реодратаційний методи, а також визначення біо­ маси за кількістю АТФ, ДНК та інших внутрішньоклітинних сполук.

Регідратаційний м етод визначення азоту і вуглецю мікробної біо­ маси у ґрунті базується на тому, що м’яке висушування ґрунту (при 6 5 - 70°С протягом 24 годин) вибірково діє на інтактні клітини, порушує бар’єр проникності їхніх оболонок. При зволожуванні ґрунту після такого висушування сполуки, що містяться у клітині, переходять у водну фазу ґрунту. За різницею в концентрації водорозчинних органічних сполук перед і після висушування ґрунту визначають вміст вуглецю, що зумов­ лений виходом розчинних вуглецевих сполук із клітин мікроорганізмів. Метод калібрують у короткотривалих лабораторних експериментах. Для цього вносять у ґрунт глюкозу і визначають іммобілізацію цього субстра­ ту, яку вважають такою, що дорівнює приросту біомаси.

Фумігаційний метод базується на визначенні інтенсивності проду­ кування диоксиду вуглецю ґрунтом, який був попередньо оброблений парами таких токсичних речовин, як хлороформ, окис етилену та ін.

84

Умови обробки ґрунту необхідно підібрати так, щоб викликати загибель 90-95% мікроорганізмів. Приймається допущення, що ті мікроорганізми, які вижили у ґрунті, будуть використовувати некромасу як додатковий поживний субстрат, внаслідок чого кількість С 02, що продукує фуміго­ ваний ґрунт, порівняно з контрольними зразками зростатиме пропорцій­ но використаній біомасі.

Проведені визначення усіма описаними вище методами показали високу швидкість росту бактерій у ґрунтах майже усіх типів (тундрових, підзолистих, чорноземних): тривалість генерації бактерій коливалась від 7 до 100 годин, а сезонна продукція становила 1-6 т сухої речовини на 1 га (у шарі ґрунту 3 м). Така висока продуктивність наближувалася до розмірів первинної продукції екосистем суші. У зв’язку з цим виникало питання: чи достатньо в ґрунті енергетичних ресурсів, щоб забезпечити накопичення мікробної маси у таких розмірах.

Наступні роботи були виконані з урахуванням матеріального балан­ су ростового процесу. Один із цих підходів базується на існуванні зале­ жності між інтенсивністю дихання аеробних хемоорганотрофних мікро­ організмів та швидкістю їх росту:

Д/Усо2= Урл-Д*, де (і —швидкість росту мікроорганізмів, иСо2інтенсивність виділення ди-

оксиду вуглецю; Ур* - стехіометричний коефіцієнт, який може бути ви­ значений у калібровочних вимірюваннях для мікробного угруповання досліджуваного ґрунту; х - біомаса мікроорганізмів.

Другий підхід матеріально-балансових розрахунків продукції ґрун­ тових мікроорганізмів базується на урахуванні споживання хемоорганотрофними мікроорганізмами різних органічних субстратів.

Залежність швидкості росту мікроорганізмів від концентрації суб­ страту описується рівнянням Моно, аналогічним рівнянню МІхаелісаМентен:

К ,~ константа, що відповідає концентрації субстрату при швидкості рос­ ту, що дорівнює половині максимальної; У - кількість біомаси, що утво­ рюється із даної кількості субстрату. Значення дт залежить від власти­ востей мікроорганізму і дозволяє розподілити їх на швидко- і повільнорослі.

85