В С ТУП
Ґрунт є незамінним природним самовідновлювальним ресурсом, який забезпечує життя на Землі, він є середовищем існування живих організмів, і в першу чергу, мікроорганізмів. Підраховано, що в різних біогеоценозах продукція мікробної біомаси перевищує продуктивність водоростей у 5 разів, птахів і ссавців - у 1500-7000 разів. Мікробне на селення відіграє важливу роль в утворенні і еволюції фунтів, форму ванні їх родючості, а також самоочищенні від органічних і хімічних за бруднень.
Становлення та успіхи класичної Грунтової мікробіології пов’язані з іменами С.М. Виноградського, В.Л. Омелянського, М.Г. Холодного, Є.М. Мішустіна, Л.Й. Рубенчіка. Історично дослідження Грунтової мікробіології розвивалися від опису та інвентаризації мікроорганізмів окремих груп, вивчення їх фізіологічних властивостей. Далі з'являються роботи з ос нов системного підходу у дослідженні ґрунтової мікробіоти. Це надає можливості математичного моделювання окремих параметрів мікробних систем та прогнозування стану мікробних ценозів ґрунту в певних еко логічних умовах.
Сучасний етап розвитку цієї науки характеризується використанням нових методів біохімічних і молекулярно-генетичних досліджень, а та кож математичного аналізу та інформаційних технологій. Тому постає необхідність оновлення І видання сучасної навчальної літератури з ґрунтової мікробіології.
Ґрунт є складним гетерогенним середовищем, в якому існують мік роорганізми. Тому перш за все необхідно знати екологічні функції ґрунтів, їх морфологію І генезис, а також вплив екологічних факторів на життєді яльність мікробного населення. У навчальному посібнику відображений сучасний системний підхід до вивчення фунтової мікробіоти як відкри тої, складної, самоврегульованої, ієрархічної системи, яка характеризу ється певною просторовою, таксономічною і функціональною структу рою. Подані поняття про екологічні стратегії ґрунтових мікроорганізмів, типи взаємовідносин між ними. З екологічних позицій розглянуті мікробні сукцесії та кінетика мікробіологічних процесів у ґрунті. Висвітлені актуа льні питання збереження мікробного різноманіття та методи його ви вчення. Вони об’єднують класичні фізіолого-біохімічкі характеристики ви ділених чистих культур, а також методи молекулярної екології, що не потребують виділення мікроорганізмів у чисті культури (рибосомна філогенетика, застосування функціональних генних зондів, РІвН-акаліз).
6
Важлива екологічна функція ґрунтових мікроорганізмів полягає у забезпеченні і підтримці кругообігу речовин у природі. У посібнику ви світлена участь мікроорганізмів у кругообігу вуглецю й азоту, а також у трансформації сполук фосфору, сірки, заліза.
До найбільш важливих біологічних процесів, що впливають на ро дючість ґрунтів, спід віднести трансформацію органічних речовин і гу мусу. Це зумовило необхідність подання характеристики процесів мік робного синтезу і деструкції гумусу, яка базується на вивченні його еле ментного складу, молекулярно-масових характеристик, функціональних груп.
Із позицій системного підходу розглядаються взаємовідносини мік роорганізмів І рослин, ризосферні й алелопатичні взаємодії, утворення мікоризи. Показана можливість керованого впливу на ці процеси шля хом використання екологічно безпечних бактеріальних добрив та мікроб них препаратів для захисту рослин від хвороб і шкідників. Розгадаються питання біобезпеки, пов’язані із застосуванням мікробних препаратів на основі генетично модифікованих мікроорганізмів.
Інтенсифікація сільськогосподарського виробництва, а також розви ток промислових підприємств викликали зміни природних екосистем. На часі існує проблема оптимізацГЇ функціонування мікробних угруповань в антропогенно змінених ґрунтах. У посібнику подані відомості щодо впливу на ґрунтову мікробіоту агротехнічних заходів (добрив, систем обробітку ґрунту, застосування регуляторів росту рослин і пестицидів), а також обґрунтована необхідність переходу до екологічно безпечних агротехнологій вирощування сільськогосподарських культур.
За умов техногенного забруднення постає необхідність вивчення впливу попютантів на ґрунтову мікробіоту, врахування можливого мута генного впливу забруднень, а також прогнозування розвитку мікробіоло гічних процесів за допомогою методів математичного моделювання. Зважаючи на негативні наслідки антропогенного впливу, заключний розділ посібника присвячений мікробному моніторингу й охороні земель.
7
1.П Р Е Д М ЕТ ҐР УН ТО В О Ї М ІКРО Б ІО Л О ГІЇ,
ОСНО ВНІ ЕТАПИ її РО ЗВ И ТКУ
Ґрунтова мікробіологія - наука, що вивчає закономірності роз повсюдження, життєдіяльності, фізіологічні особливості мікроорганіз мів у ґрунті, а також Тх взаємозв'язки в угрупованнях та з ґрунтом і рос линами.
Мікроорганізми широко розповсюджені в різних ґрунтах: від поляр них широт до пісків пустель та гірських порід; вони є найважливішою складовою ґрунтової біоти.
Ґрунтова мікробіологія почала розвиватися після становлення за гальної мікробіології, основи якої були закладені мікроскопічними спо стереженнями АктонІя ван Левенгука, відкриттями анаеробіозу і бродін ня Луі Пастером, дослідженнями Роберта Коха щодо ролі мікроорганіз мів в інфекційному процесі. Етап морфологічного опіку мікроорганіз мів, який був характерний для загальної мікробіології, стосувався і фун тової мікробіології, коли вивченню підлягали нові, ще не досліджені мік роорганізми, виділені із ґрунтів різних типів.
Фундатором ґрунтової мікробіології як нової самостійної науки був С.М. Виноградський, у роботах якого не тільки були окреслені об'єкти досліджень (мікроорганізми фунту), але й розроблено принципи їх ви вчення (досліджувати мікроорганізми у самому фунті або середовищах, близьких до нього). Роботи С.М. Виноградського поклали початок роз виткові двох етапів ґрунтової мікробіології одночасно: морфологічного опису й екопого-фізіологічних досліджень.
Сергій Миколайович ВИНОГРАДСЬКИЙ (1856-1953 рр.)
С.М. Виноградський народився у м. Ки єві 1 вересня 1856 роїу в родині юриста. У 1873 році закінчив 2-у Київську гімназію І вступив на юридичний факультет Київського університету, проте невдовзі перевівся на природниче відділення фізико-математично- го факультету. На третьому курсі залишив університет для занять музикою, вступивши до Петербурзької консерваторії. Але у 1877 році знову повернувся до навчання на дру-
8
гаму курсі природничого відділення Петербурзького університету. Після його закінчення залишився працювати в університетській лабораторії фізіології рос лин, У 1665-1888 рр. працював у ботанічній лабораторії Страсбурзького універ ситету, вивчав морфологію і фізіологію залізо- і сіркобактерій. Наступні три роки стажувався у Цюриху, виконав цикл робіт із дослідження нітрифікації. Повернув ся у Росію і працював завідувачем відділом загальної мікробіології Інституту експериментальної медицини (С. Петербург).
У 1892 р. йому було присуджено ступінь доктора ботаніки без захисту ди сертації; у 1894 р. був обраний членом-кореспондентом Російської академії на ук, у 1902 р. - почесним членом Французської академії наук. С.М. Виноградський був засновником Мікробіологічного товариства у Росії (1903 р.).
У 1901 р. С.М. Виноградський фактично припинив працювати в інституті, відмовився від окладу завідувача відділом із тією умовою, що ці фінанси підуть на будівництво нового будинку для відділу загальної мікробіології. Офіційно у 1912 р. він пішов у відставку. Л. Пастер запросив С.М. Виноградського на роботу у свій інститут І запропонував очолити відділ (фунтової мікробіології, який було відкрито на кошти, зібрані за міжнародною підписною. Так С.М. Виноградський через 10 років перерви повернувся до експериментальної роботи на посаді за відувача Агробактеріологічним відділом Пастерівського інституту (Париж), де і працював до кінця свого життя. Помер 24 лютого 1953 року у Парижі.
Наукову спадщину С.М. Виноградського важко переоцінити. Йому належать відкриття хемосинтезу, азотфіксації, принципово нових підхо дів до вивчення фунтової мікробіоти. Він першим сформулював систем ний підхід До вивчення участі мікроорганізмів у кругообігу речовин у природі, що стало основою нової науки - біогеохімії.
Відкрите С.М. Виноградським явище хемосинтезу полягає у тому, що мікроорганізми шляхом окиснення неорганічних сполук сірки, заліза, а та кож аміаку отримують енергію, необхідну для відновлення і за своєння диоксиду вуглецю. На чистих культурах сіркобактерій родів Веддіаіоа, ТНіоіЬпх, СЛготаЬ'ит С.М. Виноградський довів, що мікроор ганізми можуть окиснювати арку з отриманням енергії для засвоєння диоксиду вуглецю. Для культивування цих мікроорганізмів звичайні ор ганічні середовища були непридатними, тому у дослідах імітувалися умови, в яких сіркобактерії зустрічаються у природі - їх вирощували у краплі веди, насиченої сірководнем, причому вода періодично заміню валась на свіжу порцію, також насичену сірководнем.
В дослідах із залізобактеріями ІерїоУ тх осЬгасеа С.М. Виноградсь кий, перш за все, вивчав їхні природні місця існування - болота, луки, охристі джерела. Для культивування цих бактерій у лабораторних умо вах необхідний був закис заліза, який клітини окиснювали до окису й
9
екскретували назовні, при цьому енергію цієї окисної реакції використо вували для утилізації вуглекислого газу.
Дослідження окиснення аміку до нітратів виявили біологічну приро ду цього процесу. Були виділені чисті культури нітрифікуючих бактерій, здатні використовувати для життєдіяльності енергію окиснення аміаку, виявлена двостадійність цього процесу, при якому на першому етапі відбувається окиснення ІЧН4 до N02, а на другому етапі - И 02 до N03. Для нітрифікуючих бактерій був розрахований коефіцієнт залежності між окисленим аміаком і відновленим вуглекислим газом.
Усі зазначені вище мікроорганізми С.М. Виноградський об'єднав у групу акогроксидантгв - мікроорганізмів, які володіють специфічною функ цією: здатністю окиснювати неорганічні речовини. Це явище аналогічне до дихання і є для них єдиним джерелом енергії, а єдиним джерелом вуглецю - вуглекислота, яка асимілюється в процесі хемосинтезу.
Сутність явищ біологічної азотфіксації полягає у том у, що мік роорганізми здатні зв’язувати азот атмосферного повітря в органіч ні сполуки. С.М. Виноградським була виділена чиста культура анаероб ної слороутворюючої бактерії Сіовігісііит равіеигіапит, яка росла на се редовищах без зв’язаного азоту і фіксувала його з повітря, використо вуючи для цього як джерело енергії вуглеводи.
С.М. Виноградський першим сформував екологічний підхід до ви вчення фунтової мікробіоти, суть якого полягає у тому, що необхідно вивчати мікроорганізми у самому ф унті або середовищах, близьких до нього, які відповідають фізіологічним потребам мікроорганізмів. Виходя чи з цього, були розроблені елективні середовища, які є оптимальними для окремих груп мікроорганізмів. Наприклад, середовища з НгЗ - для сіркобактерій, з амонійними солями - для нітрифікуючих бактерій, безазотоеі середовища - для азотфіксаторів. Використання елективних середовищ дозволило виявити наявність у ґрунті двох груп мікрооргані змів. До першої були віднесені мікроорганізми, які швидко розмножу ються в умовах забезпечення легкозасвоюваними органічними субстра тами - це “зимогенні мікроорганізми". До другої групи віднесені мікроор ганізми, які росли повільно І здатні були засвоювати гумусові речовини ґрунту - це “автохтонна мікрофлора”, яка переважає у ґрунті під паром, тобто в умовах збіднення його доступними поживними сполуками.
Одним з основних принципів екологічного підходу в мікробіології С.М. Виноградський вважав вивчення функцій мікроорганізмів у природ ному стані, не зміненому тими умовами, які створюються в лабораторії. Він перший звернув увагу на невідповідність між мікроорганізмами, що культивуються в лабораторії, та їхніми дикими видами у природі. Відсут
10