Почвенные бактерии, их ценность и типы

Почвенные бактерии, их ценность и типы
Микробы в почве являют­ся ключом к переработке углерода и азота. Чайная ложка плодородной почвы может содержать от 100 млн и до 1 млрд бактерий. Бактерии - это крошечные одноклеточные организмы шириной около 0,2-2 мкм (в среднем - 1 мкм) и дли­ной около 1-10 мкм. По размеру бактерии сопоста­вимы с частичками глины (<2 мкм) и ила (2-50 мкм). Они растут и живут в тон­ких водных пленках вокруг частиц почвы и корней растений в области, назы­ваемой ризосферой. Небольшой размер бакте­рий позволяет им расти и адаптироваться к изменяю­щимся условиям окружаю­щей среды быстрее, чем более крупным и сложным микроорганизмам. Большинство почв являют­ся своего рода кладбищем для мертвых бактерий. Так как большинство бактерий живут в условиях постоян­ного голодания или водного стресса, то они научились быстро адаптироваться к условиям окружающей среды и мгновенно репро­дуцировать, когда вода и пища находятся в изобилии. Популяцию бактерий можно легко удвоить за 30 минут. Бактерии так про­сты по структуре, что ино­гда их называют «мешок ферментов».
 
Классификация бактерий
Бактерии в основном подраз­деляются на типы. Для упро­щения бактерии могут быть объединены в следующие группы:
  • а) бактерии в зависимости от их формы
До появления секвенирования ДНК бактерии были классифицированы на осно­ве их форм и биохимических свойств. Большинство бакте­рий принадлежат к трем основным формам: стержень (стержневые бактерии назы­ваются бациллы), сфера (сферические бактерии называются кокки) и спи­раль (спиральные бактерии называются спириллы). Также существуют тонкие разветвленные нити, называ­емые актиномицетами. Некоторые бактерии принад­лежат к разным формам, которые являются более сложными, чем вышеука­занные;
  • б) аэробные и анаэробные бактерии
Бактерии, которые нуждают­ся в кислороде для выжива­ния, называются аэробные. Бактерии, которые не требу­ют кислорода для выжива­ния, называются анаэробны­ми. Данные бактерии могут погибнуть, если находятся в окисленной среде;
 
  • в) грамположительныеи грамотрицательные бактерии
Деление бактерий на грампо­ложительные и грамотрица­тельные основывается на результатах метода Грама. Грамотрицательные бакте­рии являются самыми маленькими и имеют тен­денцию быть более чувстви­тельными к водному стрессу, в то время как грамположи­тельные бактерии больше по размеру, имеют более тол­стую клеточную стенку, отрицательный заряд на внешней поверхности и, как правило, противостоят водному стрессу;
  • г) автотрофные и гетеро­трофные бактерии
Это один из самых важных видов классификации. Он учитывает наиболее важный аспект роста бактерий и их размножения. Автотрофные бактерии, также известные как автотрофы, получают необходимый им углерод из углекислого газа. Некоторые автотрофы непосредственно используют солнечный свет для получения сахаров из углекислого газа, тогда как для других это зависит от различных химических реакций. Гетеротрофные бактерии получают углеводы и/или сахара из окружаю­щей среды, в которой они находятся;
 
  • д) классификация основана на филах

На основе морфологии секвенирования ДНК, необходимых условий и биохимии ученые класси­фицировали бактерии в 12 фил. Каждая фила соот­ветствует числу видов и родов бактерий. Эта клас­сификация включает бак­терии, которые могут нахо­диться в различных типах сред, например: бактерии, которые могут выживать в экстремальных температурах - экстремальные холода и жара; бактерии, которые могут выживать в различных сре­дах - сильно кислая и силь­но щелочная среды; аэробные бактерии в сравнении с анаэробными бактериями; автотрофные бактерии в сравнении с гетеротроф­ными и т. д.

Функции почвенных бактерий
Бактерии выполняют важные функции в почве, разлагая органические остатки из ферментов, секретируемых в почве. Есть четыре основные функциональные группы почвенных бактерий.
  1. Decomposers (деструкто­ры) - бактерии, которые потребляют простые сахариды и соединения углеро­да, такие как корневые выделения и свежие расти­тельные остатки.
  2. Mutualists - бактерии, фор­мирующие партнерские отношения с растениями; пример: ризобии - азот-фиксирующие бактерии.
  3. Lithotrophs (хемоавтотрофы) - бактерии, которые получают энергии» из соединений азота, серы, железа или водорода, а не из углеродных соединений.
  4. Бактерии также могут быть патогенами для рас­тений.
Бактерии в почве преобразо­вывают энергию органического вещества в формы, полезные для остальных организмов. Ряд бактерий деструкторов (Decomposers) могут разрушать осnатки пестицидов и некоторые дру­гие загрязняющие вещества в почве. Эти бактерии осо­бенно важны для иммобили­зации или сохранения пита­тельных веществ, тем самым предотвращая потери пита­тельных веществ, таких как азот из корневой зоны. Бактерии всех четырех групп выполняют важные функ­ции, связанные с динамикой воды, круговоротом пита­тельных веществ и противо­стоянием болезням. Некоторые бактерии произ­водят вещества, которые помогают связывать частицы почвы в микроагрегаты (2-200 мкм). Стабильные агрегаты улучшают инфиль­трацию воды и повышают водоудерживающую способ­ность почвы. Также популя­ции бактерий конкурируют с болезнетворными организ­мами в корнях и на поверх­ности растений. Азотфиксирующие бактерии (ризобии) образуют симбиотические ассоциации с кор­нями бобовых. Ризобии являются грамотрицательными бактериями. Создаются видимые глазу узелки в местах, где бактерии заражают растущий корень растения. Растение поставля­ет простые сахара к бактери­ям, а бактерии преобразовы­вают атмосферный азот из воздуха в нитратную и аммо­нийную формы, которые растение может использо­вать. Когда листья или корни растения разлагаются, количество азота в почве увели­чивается. Для фиксации бак­териями атмосферного азота нужны анаэробные условия. Нитрифицирующие бакте­рии сначала превращают аммоний в нитрит, а затем в нитрат, который является предпочтительной формой азота для большинства про­пашных культур. Нитрифицирующие бакте­рии нужны почвам с чрез­мерной аэрацией. Нитрат легко выщелачивается из почвы, поэтому некоторые фермеры используют инги­биторы нитрификации для понижения активности нитрифицирующих бакте­рий. Денитрифицирующие бактерии превращают нитра­ты в атмосферный азот или закись азота.
Денитрификаторы являются анаэробными бактериями, то есть они активны при отсут­ствии кислорода, например в уплотненных почвах или внутри почвенных микроа­грегатов. В тяжелых глини­стых почвах до 40-60% азота может быть потеряно при денитрификации. Хотя существует множество бактерий в почве, только небольшая специализиро­ванная группа азотфиксирующих бактерий может фик­сировать атмосферный азот. Фиксация азота не может происходить без участия спе­циальных нитрогеназных ферментов конкретных бак­терий. Азотфиксирующие бактерии присутствуют в большинстве типов почв как симбиотические виды, одна­ко они, как правило, состав­ляют очень небольшой про­цент от общего количества популяций микроорганиз­мов и имеют низкую способ­ность фиксации азота. Сера, как и многие другие питательные вещества, трансформируется в почве таким же образом, как азот. Специальные бактерии в анаэробных условиях делают серу менее доступной для растений путем ее преобра­зования в сероводород в водонасыщенных почвах, осаждая серу из почвы в виде нерастворимых сульфидов различных металлов. В хоро­шо аэрируемых условиях бактерии преобразуют серу из сульфидов металлов в сульфатную форму через промежуточные стадии с образованием элементарной серы и тиосульфата. Актиномицеты - большая группа бактерий, которые растут как грибы и анало­гичны грибам функцио­нально. Актиномицеты по размеру (1-2 мкм) меньше грибов (10-50 мкм) и довольно чувствительны к антибактериальным аген­там. Когда фермеры пашут почву, именно актиномицеты ответственны за специфический «земля­ной» запах, источником которого являются стрептомицеты. Ряд антибиоти­ков производится из актиномицетов, в том числе стрептомицин. Актиномицеты разлагают многие вещества и явля­ются более активными при высоких значениях рН. Актиномицеты особенно важны в деградации труд­но разлагающихся соеди­нений, таких как хитин, лигнин, кератин, грибковая целлюлоза и животные полимеры. При низком значении рН более актив­ными в деградации подоб­ных соединений являются грибы. Актиномицеты важны при формировании стабильного гумуса, что повышает структуру почвы, улучшает запас питательных веществ в ней и повышает ее свойство удерживать воду.
 
Преимущества грунтовых бактерий
Многие виды бактерий про­цветают на различных источниках пищи и в разных микросредах. В общем, бак­терии являются более конку­рентоспособными, когда в ризосфере присутствуют легко усваиваемые (лабиль­ные) субстраты (простые сахара). Это свежие остатки растений и соединения, которые содержатся рядом с живыми корнями. Бактерии, особенно стержневые и грамотрицательные, и акти­номицеты сконцентрирова­ны в ризосфере вокруг кор­ней. Актиномицеты могут составлять от 10 до 30% от общего объема микроорга­низмов в ризосфере почвы в зависимости от питатель­ной доступности. Некоторые растения произ­водят определенные типы корневых выделений, чтобы стимулировать рост защит­ных бактерий.
Многие бактерии вырабаты­вают слой из полисахаридов и гликопротеинов, которые покрывают поверхность клетки. Одни образуют сли­зистый слой, а другие - густую гелеобразную капсу­лу, которая уменьшает поте­рю воды из клетки бактерии.
Эти вещества играют важ­ную роль в цементировании песка, ила и глинистых частиц почвы в стабильные микроагрегаты, которые улучшают структуру почвы. Для того чтобы бактерии могли выжить в почве, они должны адаптироваться к разным микросредам. Концентрации кислорода в почве могут широко варьи­роваться. Большие поры, заполненные воздухом, обе­спечивают высокий уровень кислорода, что способствует образованию аэробных условий. В то же время мел­кие микропоры могут быть анаэробной средой, где не хватает кислорода. Это раз­нообразие в почвенных микросредах позволяет бак­териям процветать при раз­личных уровнях влажности почвы и содержании кисло­рода, потому что даже после наводнения (насыщение почвы, недостаток кислоро­да) или обработки почвы (диффузия кислорода) существуют небольшие микросреды, где различные виды бактерий и микроор­ганизмов могут существо­вать.
Как естественная преем­ственность происходит в растительном сообществе, так же преемственность происходит и в почве. Бактерии обладают способ­ностью изменять почвенные среды в пользу определен­ных растительных сооб­ществ. На свежих отложени­ях фотосинтезирующие бак­терии, фиксирующие атмо­сферные азот и углерод, про­изводят органические и дру­гие питательные вещества, чтобы инициировать про­цессы круговорота питательных элементов в моло­дой почве. Бактерии доми­нируют в пропашных или разрушенных почвах, почвах с высоким значением рН и с высокой доступностью нитратного азота, который является идеальным местом для сорняков.
Поскольку почва разрушает­ся меньше, а разнообразие растений увеличивается, почвенная пища становится сбалансированной и разно­образной, что делает пита­тельные вещества почвы более доступными для выс­ших растений. Разнообразные микробные популяции и грибы, про­стейшие организмы и нема­тоды поддерживают утили­зацию питательных веществ и болезнетворные организ­мы под контролем.