doi: 10.15389/agrobiology.2016.1.46rus
УДК 631.461:57.083
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 14-26-00094).
МИКРОБНОЕ СООБЩЕСТВО ПОЧВЫ: ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ РАЗНООБРАЗИЕ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ (обзор)
Ю.В. КРУГЛОВ
Исследование таксономического и функционального разнообразия ассоциации почвенных микроорганизмов имеет исключительно большое теоретическое значение для понимания структуры микробного сообщества почвы, характера взаимодействия отдельных видов микроорганизмов, входящих в это сообщество, а также их участия в процессах почвообразования и круговороте веществ. В настоящей статье дается краткая история представлений о функционировании микробного комплекса почвы, обеспечивающего трансформацию и минерализацию органического вещества в процессах почвообразования. Почва как среда обитания микроорганизмов гетерогенна и гетерофазна, что определяет микрозональный характер распределения и жизнедеятельности микроорганизмов, обитающих в ней. Структура ассоциации микроорганизмов и ее физиологические параметры изменяются во времени и пространстве, подвержены значительному влиянию природных и антропогенных факторов (Д.Г. Звягинцев, 1987), что вызывает методические трудности и определяет значительную вариабельность результатов при оценке почвенной микрофлоры в работах разных авторов. В настоящем обзоре обсуждаются методические подходы при определении физиологического разнообразия ассоциации почвенных микроорганизмов. Традиционные методы применения элективных питательных сред на протяжении столетия позволили выявить многочисленные физиологические группы микроорганизмов и составить представление об их роли в круговороте веществ, процессах почвообразования и питании растений. Однако за последние 20 лет подобные работы практически не дали ничего принципиально нового как в экологических исследованиях, так и в агрономии. В конце 1990-х годов для изучения физиологического разнообразия были предложена методика анализа спектра потребления органических субстратов (СПС) природной ассоциацией микроорганизмов на базе системы BIOLOG, используемой ранее главным образом в медицинской и общей микробиологии для характеристики исследуемого штамма (J.L. Garland, A.L. Mills, 1991). Такой подход получил дальнейшее развитие (H. Insam, 1997; М.В. Горленко, П.А. Кожевин, 2005 и др.). Разработаны модификации этого метода (EсoPlates, Эколог и др.), различающиеся по набору органических субстратов, которые, как полагают авторы, с наибольшей вероятностью присутствуют в природных средах. Приборное обеспечение системы Эколог (М.В. Горленко, П.А. Кожевин, 2005) позволяет определить не только спектр используемых микроорганизмами органических субстратов, но и дать количественную оценку потребления каждого из них. Для обработки и интерпретации значительного объема информации, получаемой при анализе почвенных образцов, предложен аппарат многомерной математической статистики, рангового распределения, кластерный анализ, а также экологические индексы Шеннона и Пиелу. Метод СПС (мультисубстратное тестирования) имеет высокую производительность, хорошую разрешающую способность (104), удовлетворительную воспроизводимость и служит высокотехнологичным и эффективным инструментом оценки физиологического разнообразия. В статье рассматриваются положительные и отрицательные стороны метода. СПС отражает в той или иной степени потенциал аэробной почвенной микрофлоры, использующей низкомолекулярные органические соединения в процессах катаболизма. Однако наличие нескольких модификаций системы, а также вопросы технического характера служат причиной того, что затруднено сопоставление результатов, полученных разными авторами, отсутствует унифицированный протокол анализа СПС, который требуется для выполнения сравнительных экологических исследований и создания соответствующих национальных и международных баз данных. Таким образом, система анализа спектра потребления органических субстратов находится в состоянии развития и апробации и с накоплением экспериментальных данных и их критического анализа имеет хорошие перспективы для использования в области экологии почвы, изучения взаимоотношения микроорганизмов и растений, а также оценки действия антропогенных факторов.
Ключевые слова: ассоциация, физиологические группы, физиологическое разнообразие бактерий, спектр потребления субстратов, мультисубстратное тестирование, системы BIOLOG, ЭКОЛОГ, EcoPlates.
MICROBIAL COMMUNITY OF SOIL: PHYSIOLOGICAL DIVERSITY
PATTERNS AND ASSESSMENT
(review)
Yu.V. Kruglov
Study of the taxonomic and functional diversity of soil microorganisms association is of great theoretical significance for understanding the structure of the soil microbial community, the nature of the interaction of individual species of microorganisms belonging to this community, as well as their participation in the processes of soil formation and circulation of substances. This article summarises a brief history of ideas about the functioning of soil microbial complex, providing transformation and mineralization of organic matter in soil formation processes. Soil as habitat for microorganisms is heterogeneous that defines microzonal character of the distribution and activity of microorganisms that live in it. The structure of the association of microorganisms and its physiological profiles vary in time and space (D.G. Zvyagintsev, 1987). This defines methodological difficulties and the significant variability of the results of the evaluation of soil microflora by various authors. This review discusses the methodological approaches in determining the physiological diversity of soil microorganisms association. Traditional methods of elective culture media in over a century allowed to reveal numerous physiological groups of microorganisms and developed an idea about their role in the cycle of matter, processes of soil formation and plant nutrition. However, such work is almost not given anything new in principle, both in environmental studies, as well as in agronomy over the past 20 years. At the end of the 1990s a method of analysis of the carbon source utilization profiles (SUP) of natural microorganisms association by BIOLOG system used previously only in medical and general microbiology was proposed to study the physiological diversity for the test strain (J.L. Garland, A.L. Mills, 1991). This approach was further developed by H. Insam (1997), M.V. Gorlenko and P.A. Kozhevin (2005) and others. A number of modifications of this method (Eso-Plates, ECOLOGY and others) characterized by a set of organic substrates, which, as the authors suggest, is most likely present in natural environments were worked out. Instrumentation of ECOLOG (M.V. Gorlenko, P.A. Kozhevin, 2005) allows to determine not only the range of organic substrates used by microorganisms, but also to quantify the consumption of each substrate. For the processing and interpretation of a significant amount of information obtained in the course of the analysis of soil samples there are an apparatus of multidimensional mathematical statistics, cluster analysis, rank distribution, and ecological indexes of Shannon and Pielou. SUP method (multisubstrat test) possesses a high performance, good resolution (104), a satisfactory reproducibility and is a high-tech and effective tool to assess the physiological diversity. The article deals with the positive and negative aspects of the method. SUP reflects to some extent the potential of aerobic soil microorganisms using low molecular weight organic compounds in the catabolism. However, because of availability of several modifications, as well as some technical problem it is difficult to compare the results obtained by different authors, there is no unified SUP analysis protocol that is required for the comparative environmental studies and the establishment of relevant national and international databases. Thus, analysis of the carbon source utilization profiles (SUP) in BIOLOG system now is under development and testing, and with the accumulation of experimental data and critical analysis, it has good prospects in soil ecology, in research of the relationship between microorganisms and plants, and in assessment of the impact of anthropogenic factors.
Кeywords: association, physiological groups, physiological diversity of bacteria, range of consumed substrates, multisubstrate test, system BIOLOG, ECOLOG, EcoPlates.
ФГБНУ Всероссийский НИИ |
Поступила в редакцию |
Оформление электронного оттиска
