УДК 631.427.22:578.69

ГРАФ-АНАЛИЗ ГЕННО-МЕТАБОЛИЧЕСКИХ СЕТЕЙ ПОЧВЕННЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ, ТРАНСФОРМИРУЮЩИХ РАСТИТЕЛЬНЫЕ ОСТАТКИ В ГУМУСОВЫЕ ВЕЩЕСТВА

Н.И. ВОРОБЬЕВ1, О.В. СВИРИДОВА1, А.А. ПОПОВ1, И.В. РУСАКОВА2, В.Б. ПЕТРОВ1

С использованием дисперсионного, корреляционного, кластерного, факторного и граф-анализа оценили результаты эксперимента по микробиологической трансформации лигнинсодержащих растительных остатков с последующим выращиванием ячменя (сорт Северянин, вегетационные опыты). С помощью фрактальной модели и граф-анализа показано, что при трансформации растительных остатков в почве образуются две генно-метаболические сети микроорганизмов. Первый этап деструкции в гумусообразовательных сетях осуществляют бактерии Pseudomonas fluorescens и микромицеты Penicillium chrysogenum Thom. 1910. Активно участвуют в синтезе гумусовых веществ амилолитические и протеолитические бактерии.

Ключевые слова: генно-метаболическая сеть микроорганизмов, Pseudomonas fluorescens, Penicillium chrysogenum, граф-анализ микробиологических и физико-химических данных, фрактальная модель микробиологической трансформации органических веществ.

 

Рис. 1. Схема биохимических процессов при трансформации растительных остатков в почве: стрелки 1, 2 и 3 — соответственно базовый процесс полной минерализации органических субстратов в почве, синтез гумусовых веществ при специальных условиях в почве и деструкция гумусовых веществ при недостатке органического вещества.

Микробиологическая трансформация органического вещества в гумусовые формы — главный процесс в обеспечении почвенного плодородия (1, 2). Первичное органическое вещество (растительные остатки и кор-невые экссудаты) трансформируется в гумус не всегда (3), а только при определенных физико-химических условиях, когда мик-робиота перестраивается в соответствующую генно-метаболичес-кую сеть (ГМС) (4, 5) (рис. 1) — организованное сообщество, возникающее вследствие межорганизменного сигналинга и последовательной экспрессии генов, входящих в метагеном этого сообщества. ГМС образуются для осуществления многоэтапных биохимических процессов, в которых в определенном порядке чередуются этапы деструкции и синтеза сложных органических молекул. Например, при гумусообразовании в ГМС одновременно может происходить деструкция растительных остатков до мономерных растворимых и газообразных минеральных соединений, синтез из продуктов деструкции гумусовых веществ и деструкция гумусовых веществ (см. рис. 1, стрелки 1, 2, 3). Гумусовые вещества — эффективное средство закрепления биогенных элементов в почве. Синтез гумусовых веществ служит альтернативой полной минерализации исходных субстратов до СО2, воды и других элементарных соединений углерода, азота и фосфора. Чем больше образуется гумусовых веществ в почве, тем больше биогенных элементов удается предохранить от вымывания и выветривания. Гумусообразование инициируется на заключительных этапах деструкции первичного органического вещества при появлении низкомолекулярных, в том числе ароматических, мономеров (6). От схемы ГМС и разнообразия образующихся мономеров зависит качество гумусовых веществ, которое характеризуется соотношением гуминовых кислот и фульвокислот в финальном продукте (7). Скорость гумусобразования определяется соотношением скоростей микробиологической деструкции растительных остатков и синтеза гумусовых веществ из мономерных полифенольных соединений, аминокислот, сахаров и пептидов (8). Ограничение поступлений органических соединений углерода в почву вызывает разрушение гумусовых веществ и приостановку синтетических процессов. Таким образом, плодородие и адаптационный потенциал почв в первую очередь зависят от баланса синтеза и деструкции гумусовых веществ (7, 9).
Структура ГМС подвергается пространственно-матричной фиксации в биопленках, образующихся на поверхности минеральных микроконгломератов почвы и растительных остатков (10-13). Функциональная структура ГМС также предопределена и отражает схему распределения между микроорганизмами биохимических реакций в соответствии с этапами трансформации веществ. Биохимические процессы закрепляются за микроорганизмами при образовании ГМС посредством межорганизменного сигналинга, который координированно инициирует экспрессию определенных генов в индивидуальных геномах микробного сообщества. Таким образом, первичная информация о функциональной структуре ГМС присутствует в закодированной форме в метагеноме сообщества микроорганизмов. Совокупность генов, определяющих структуру ГМС, составляет ее функциональную матрицу (ФМ). ФМ распределена по геномам всех клеток культивируемых и некультивируемых почвенных микроорганизмов (14), входящих в ГМС, контролируя продуктивность и качество трансформаций.
В подстилке лесных климаксных экосистем в значительном количестве встречаются трудноразлагаемые лигноцеллюлозные субстраты (например, остатки хвойных деревьев). Учитывая большой возраст этих экосистем, с высокой долей вероятности можно предположить, что в лесной подстилке грибы и бактерии сформировали оптимальную ГМС. Оптимальная ГМС должна характеризоваться высокой скоростью преобразования лигнинсодержащих субстратов в гумусовые вещества и отсутствием побочных токсических веществ (15, 16). Нам удалось выделить из лесной подстилки микроорганизмы, образующие ГМС при разложении коры хвойных деревьев, и создать биопрепаратную ФМ — биопрепарат баркон, содержащий комплекс из 4 видов бактерий и 2 — микромицетов (17, 18). Мы полагаем, что в результате межорганизменного сигналинга микроорганизмы биопрепаратной ФМ способны инициировать требуемую схему деструкции/синтеза в новой среде, задействовав имеющиеся в ней фитопатогенные и непатогенные, культивируемые и некультивируемые микроорганизмы.
Цель исследований — минимизация числа видов микроорганизмов биопрепаратной функциональной матрицы (ФМ) и математический анализ последствий работы почвенной генно-метаболической сети, инициированной этой ФМ.
Методика. Для изучения самоорганизации микроорганизмов в ГМС использовали ФМ биопрепарата баркон (17, 18), содержащего комплекс бактерий и микромицетов, способных инициировать в почве гумусообразующую ГМС. В межвегетационный период (осень—весна 2009-2010 годов) растительные остатки подвергались разложению в сосудах с дерново-подзолистой суглинистой почвой (3,5 кг/сосуд). Для этого в почву в различной комбинации (по вариантам опыта) закладывали солому ячменя, зеленую массу козлятника, опилки хвойных деревьев и отходы химической переработки хвои. Варианты были выравнены по С вносимых в почву субстратов (по 10 г/сосуд). При добавлении козлятника (по 5 г/сосуд) количество растительных остатков уменьшали до 5 г/сосуд. В вариантах с барконом растительные остатки обрабатывали перед закладкой в почву (1 мл биопрепарата на 10 г сухого субстрата). В сентябре 2009 года, мае и сентябре 2010 года отбирали почвенные образцы, в которых определяли микробиологические и физико-химические показатели стандартными методами. В июне 2010 года в вегетационные сосуды был посажен ячмень сорта Северянин (по 30 семян); всхожесть и биомассу растений учитывали в сентябре 2010 года. Подкормок растений в вегетационный период не проводили.
Численность основных групп микроорганизмов определяли методом предельных разведений (19) с высевом на соответствующие среды (20). Для видовой идентификации бактерий просеквенировали участок гена 16S-рРНК, микромицетов — участок ITS. Содержание общего азота определяли мокрым озолением по Кьельдалю, гумуса — окислением с бихроматом калия (21-23).
Граф-анализ (24, 25) структуры почвенной ГМС проводили на основании данных о частоте встречаемости почвенных групп микроорганизмов по вариантам опыта в мае 2010 года, используя методы многофакторной математической статистики: дисперсионного (26), корреляционного (26), кластерного (27, 28) и факторного (29) анализов. С помощью граф-анализа определяли качественные и количественные характеристики ГМС (строили дендрограмму сходства вариантов опыта, граф ГМС и др.). При корреляционном анализе расстояние между вариантами рассчитывали, исходя из значений квадратных корней из показателя частоты встречаемости, как описано (30). Учитывая, что скорость размножения микроорганизмов в фазу экспоненциального роста пропорциональна логарифму этой частоты, корреляцию между скоростью роста популяций в вариантах опыта определяли, используя логарифмированные значения частот встречаемости (мы считаем, что это точнее отражает метаболические связи в ГМС, чем корреляции по абсолютным значениям).
Для анализа структуры почвенной ГМС используется фрактальная модель трансформации органических веществ (рис. 2), согласующаяся со схемой гумусообразования (см. рис. 1). Во фрактальной модели задается линейная связь частот встречаемости микроорганизмов групп АД, БД и ВД с числом фрагментов деструкции и экспоненциальная связь с номером этапа деструкции. На 4-м, 5-м и 6-м этапах синтеза гумуса в модели задается постоянство частот встречаемости микроорганизмов групп АС, БС и ВС. Предполагается, что на заключительных этапах отщепляются алифатические части молекул и синтезируют из них гумусовые вещества, не изменяя числа фрагментов молекул. Поэтому этапы синтеза


Рис. 2. Фрактальная модель поэтапной микробиологической трансформации органических веществ: микроорганизмы групп АД, БД, ВД осуществляют деструкцию полимерных молекул растительных остатков до олигомерных и мономерных форм на первых этапах; микроорганизмы групп АС, БС, ВС синтезируют гумусовые вещества из продуктов этой деструкции на заключительных этапах.

обеспечиваются группами микроорганизмов одинаковой численности, а этапы деструкции — группами, численность которых возрастает экспоненциально. В этой части модель микробиологической трансформации веществ попадает под определение математического фрактала (31). Во фрактальной модели ГМС допускается различное соотношение числа этапов деструкции и синтеза веществ. Мы использовали фрактальную модель ГМС для определения принадлежности 7 групп микроорганизмов к этапам деструкции/синтеза органических веществ. Для этого группы расставляли в порядке возрастания частоты встречаемости. Первые члены полученного ряда, у которых частота встречаемости увеличивается экспоненциально, относили к деструктивным этапам, остальные — к этапам синтеза гумуса.
Результаты. Граф-анализ основывался на следующих экспериментальных данных (табл. 1).

1. Частота встречаемости микроорганизмов, агрохимические показатели почвы и характеристика растений в опыте по гумификации лигнинсодержащих растительных остатков и последующему выращиванию ячменя сорта Северянин

Обозначение/показатель

Вариант опыта

ДИ

1-й

2-й

3-й

4-й

5-й

6-й

7-й

8-й

Ч а с т о т а  в с т р е ч а е м о с т и  (м а й  2010  г о д а)

ЦЕЛЛ (целлюлозолитики)

1,06×10-4

2,10×10-4

2,30×10-4

4,50×10-4

6,04×10-4

13,10×10-4

8,30×10-4

9,50×10-4

±4×10-5

МИКРМ (микромицеты)

1,62×10-3

2,06×10-3

1,62×10-3

2,09×10-3

1,42×10-3

2,74×10-3

0,86×10-3

2,28×10-3

±7×10-5

АКТМ (актиномицеты)

0,94×10-2

2,00×10-2

4,49×10-2

4,41×10-2

4,20×10-2

4,17×10-2

9,46×10-2

4,64×10-2

±6×10-4

ЛГНД (лигниндеструкторы)

0,160

0,190

0,190

0,132

0,098

0,109

0,047

0,103

±3×10-3

АЗОТФ (азотфиксаторы)

0,174

0,160

0,204

0,161

0,154

0,241

0,195

0,329

±8×10-3

ПРОТ (протеолитики)

0,287

0,277

0,272

0,355

0,324

0,296

0,168

0,299

±12×10-3

АМИЛ (амилолитики)

0,367

0,351

0,287

0,306

0,380

0,308

0,494

0,219

±15×10-3

А г р о х и м и ч е с к и е  п о к а з а т е л и

N/Nобщий, %

0,177

0,186

0,188

0,18

0,175

0,184

0,183

0,194

±0,045

C1/гумус (сентябрь, 2009), %

4,12

3,48

4,33

3,79

4,21

3,79

3,57

3,91

±0,15

C2/гумус (май, 2010), %

7,62

8,03

7,59

7,67

7,71

7,64

6,76

7,53

±0,16

C3/гумус (сентябрь, 2010), %

3,86

4,09

4,12

4,31

4,38

3,97

4,12

4,12

±0,11

Х а р а к т е р и с т и к а  р а с т е н и й  и  д о з ы  к о з л я т н и к а

mP/масса растений, г/сосуд

5,93

5,70

6,76

5,39

5,49

6,36

3,78

5,91

±0,55

nP/доля проросших семян , %

88,3

88,3

95,8

81,7

85,0

95,0

73,3

87,5

±1,5

К/доза ЗМ козлятника, г/сосуд

0

0

5

0

0

5

0

5

П р и м е ч а н и е. Варианты различаются видом растительных остатков и применением биопрепарата баркон (Б): 1-8-й — соответственно солома ячменя (СЯ), СЯ + Б, СЯ + козлятник + Б; отходы хвои (ОХ), ОХ + Б; ОХ + козлятник + Б; опилки хвойных (ОпХ) + Б, ОпХ + козлятник + Б. ДИ — доверительный интервал, ЗМ — зеленая масса. Прочерк означает, что ДИ не вычисляли.

Рис. 3. Дендрограмма сходства вариантов опыта: 1-8-й — соответственно СЯ, СЯ + Б, СЯ + К + Б; ОХ, ОХ + Б; ОХ + К + Б; ОпХ + Б, ОпХ + К + Б (обозначения см. в таблице 1).

 Проведенный анализ (рис. 3) продемонстрировал объединение вариантов в три кластера (на уровне сходства 0,55): I кластер — 1-й и 4-й, II — 2-й и 5-й, III— 3-й, 6-й и 8-й варианты; 7-й вариант не вошел ни в один кластер, то есть в этом варианте микробиологические процессы существенно отличались от происходящих в остальных. В вариантах из I кластера, где биопрепарат не применяли, коэффициент потребленного гумуса был наименьшим (табл. 2). По-ви-димому, почвенные микробиологические процессы в 1-м и 4-м вариантах были близки к базовому минерализационному процессу (см. рис. 1, стрелка 1). В остальных вариантах опыта наблюдалось заметное влияние биопрепаратной ФМ на почвенное микробное сообщество, которое подтверждается объединением соответствующих вариантов опыта в отдельные кластеры, как мы считаем, вследствие образования ГМС. Объединение вариантов в III кластер указывает на то, что добавка зеленой массы козлятника изменяет условия функционирования ГМС в 3-м, 6-м и 8-м вариантах по сравнению с другими. Учитывая, что наибольшее накопление азота в почве, доля проросших семян и масса растений в сосудах характерны дляэтого кластера, можно утверждать, что биомасса козлятника используется микроорганизмами как источник минерального азота, который в дальнейшем включается в биомассу растений. Наибольшее накопление и потребление гумуса отмечали во II кластере, а наименьшие значения биомассы растений и наибольший коэффициент потребления гумуса — в 7-м варианте. По-видимому, здесь применение биопрепаратной ФМ не привело к организации эффективной гумусообразующей ГМС.

2. Средние значения некоторых показателей в почвенных образцах и у растений ячменя сорта Северянин (по кластерам и в 7-м варианте опыта)

Обозначение/показатель

I кластер

II кластер

III кластер

7-й вариант

ДИ

N/Nобщий, %

0,1785

0,1805

0,1883

0,1830

±0,045

C2 - C1/накопление гумуса за сентябрь 2009—май 2010 годов, %

3,69

4,03

3,58

3,19

±0,22

C2 - C3/потребление гумуса за май—сентябрь 2010 года, %

3,56

3,62

3,52

2,64

±0,19

(C2 - C3):C2/коэффициент потребленного гумуса

0,52

0,54

0,54

0,61

±0,03

mP/масса растений, г/сосуд

5,66

5,59

6,34

3,78

±0,55

nP/доля проросших семян, %

85,0

86,7

92,8

73,3

±1,5

П р и м е ч а н и е. Обозначения и их описание см. в таблице 1.

Рис. 4. Граф корреляционных связей между измеряемыми показателями в опыте: сплошная линия — связь с положительным коэффициентом корреляции, пунктирная — с отрицательным. ЦЕЛЛ-ГМС и МИКРМ-ГМС — генно-ме-таболические сети; цифры около линий — коэффициенты корреляции между соответствующими парами признаков (обозначения см. в таблицах 1, 2).

При корреляционном анализе, изменяя условия по вариантам опыта (исключая 1-й и 4-й, где биопрепарат не применяли), для признаков (см. табл. 1) выявили значения r > 0,5. Выбранные коэффициенты корреляции позволяют построить схему связей признаков (граф ГМС, рис. 4; см. табл. 1). Дополнительно при построении графа ГМС использовали фрактальную модель ГМС, позволившую отнести к деструктивным этапам группы ЦЕЛЛ, МИКРМ, АКТМ, ЛГНД, к синтетическим — АЗОТФ, ПРОТ, АМИЛ. Учитывая это, на графе ГМС микроорганизмы с большим номером этапа деструкции располагали правее. После расстановки микроорганизмов продукты ГМС и связанные с ними характеристики растения размещали в правой части графа.
Полученный граф ГМС сообщества почвенных микроорганизмов демонстрирует образование двух ГМС с целлюлозолитиками и микромицетами на первом этапе деструкции: ЦЕЛЛ-ГМС = ЦЕЛЛ > АКТМ > ЛГНД > АЗОТФ > ПРОТ > АМИЛ и МИКРМ-ГМС = МИКРМ > АКТМ > ЛГНД > ПРОТ > АМИЛ. Амилолитики и протеолитики, общие для этих ГМС, осуществляют синтез гумуса на заключительных этапах трансформации. Граф ГМС показывает сильную положительную корреляцию между массой растений в сосуде и числом проросших семян ячменя (mP, nP: r = 0,99). Следовательно, растения в опыте были однородны по массе, а различия в вариантах опыта в основном определялись неодинаковой долей проросших семян. Достоверную корреляцию наблюдали между приростом количества гумуса за осенне-весенний период и убылью за вегетационный (С2 - С1, С2 - С3:r = 0,80). Также отметили корреляцию между убылью гумуса и массой растений (С2 - С3, mP: r = 0,77). То есть в межвегетационный период микроорганизмы трансформируют растительные остатки и накапливают энергетические и питательные ресурсы, которые в последующий вегетационный период активно используются микроорганизмами и растениями. Из графа видно, что растения потребляют продукцию двух ГМС и непосредственно не связаны с микроорганизмами. Это означает, что урожай и качество растений в первую очередь зависят от продуктивности ГМС в межвегетационный период.
Включение азотфиксирующих бактерий в состав ЦЕЛЛ-ГМС указывало на фиксацию газообразного азота этими микроорганизмами, необходимую в условиях отсутствия азотного питания. Это же подтвердила положительная связь между их частотой встречаемости и общим количеством азота, накопленным в почве (АЗОТФ, N: r = 0,75). Положительные корреляции дозы ЗМ козлятника с частотой амилолитиков и микромицетов (АМИЛ, К: r = 0,81; МИКРМ, К: r = 0,62) означали, что козлятник стимулирует развитие этих микроорганизмов. Продукты разложения зеленой массы козлятника также привели к росту массы ячменя (К, mP: r = 0,72). Возможно, растение использовало продукты разложения козлятника в качестве источника азота, так как в опыте минеральные удобрения не применялись. Отрицательные корреляции (АМИЛ, N: r = -0,70; АКТМ, С2 - С3: r = -0,94) указывали на потребление азота и гумуса этими микроорганизмами, положительные (ЛГНД, С2 - С3: r = 0,87; МИКРМ, С2 - С3: r = 0,85; ПРОТ, С2 - С3:r = 0,76; АЗОТФ, N: r = 0,75) свидетельствовали о соответствующей продукции веществ этими микроорганизмами. Отрицательные коэффициенты корреляции между частотами встречаемости микроорганизмов (ЦЕЛЛ, ЛГНД: r = -0,71; АКТМ, ЛГНД: r = -0,84; АКТМ, ПРОТ: r = -0,67; МИКРМ, АКТМ: r = -0,66; МИКРМ, АМИЛ: r = -0,77) отражали их конкуренцию за источник питания, положительные (ЦЕЛЛ, АКТМ: r = 0,54; ЦЕЛЛ, АЗОТФ: r = 0,84; МИКРМ, ПРОТ: r= 0,76; ЛГНД, ПРОТ: r = 0,65) — потребление одними микроорганизмами продуктов метаболизма других.
При факторном анализе выявили коэффициенты множественной регрессии частот встречаемости микроорганизмов из деструктивных групп по отношению к продуктивности ГМС. Для этого в многомерном пространстве измеренных признаков определяли направление координатной оси (MIN-фактора) с минимальной дисперсией проекций данных (29). По значениям направляющих косинусов MIN-фактора удается определить величину коэффициентов множественной регрессии (bj). Подставляя их в уравнение регрессии, можно по частотам встречаемости нескольких групп микроорганизмов вычислить их совместное влияние на накопление гумуса, азота в почве и массу растений. Например, уравнение множественной регрессии для оценки совместного влияния четырех деструктивных групп микроорганизмов на массу растений ячменя (mP) записывается формулой:


,

где


  

mPi — масса растений в i-м варианте опыта; Fi.j — частота встречаемости j-й группы микроорганизмов в i-м варианте опыта; L — число вариантов опыта; eMIN— доля общей дисперсии, приходящейся на MIN-фактор; bmP,j — коэффициенты множественной регрессии для j-й группы микроорганизмов по отношению к массе растений.

3. Значения коэффициентов множественной регрессии для частот встречаемости деструктивных групп микроорганизмов по отношению к содержанию гумуса, азота и массе растений у ячменя сорта Северянин

Коэффициент
множественной
регрессии

Гумус

Nобщий
(N)

Масса растений (mP)

накопление за сентябрь 2009—май 2010 годов (С2 - С1)

убыль за май—сентябрь 2010 года (С2 - С3)

bЦЕЛЛ

-1,42

+0,16

-4,41

+1,23

bМИКРМ

+1,81

+0,23

+4,62

-0,56

bАКТМ

-1,00

-0,57

+1,99

+0,38

bЛГНД

-2,19

+0,36

-4,01

+2,39

ДИ

±0,05

±0,05

±0,08

±0,06

П р и м е ч а н и е. Обозначения и условия опыта см. в таблице 1.

Положительный знак коэффициента регрессии (табл. 3) свидетельствует о синтетическом характере влияния соответствующей группы микроорганизмов на накопление гумуса, азота, отрицательный — на их потребление. Чем больше абсолютное значение коэффициента регрессии, тем сильнее проявляются синтетические или деструктивные свойства микроорганизмов. Исходя из этого, считаем, что на накопление азота и гумуса наибольшее влияние оказывают микромицеты (bМИКРМ.N= +4,62, bМИКРМ.С2 - С1 = +1,81), а на величину потребляемой части гумуса и массу растений — лигниндеструкторы (bЛГНД.С2 - С3 = +0,36, bЛГНД.mP= +2,39). Таким образом, от эффективности деструкции растительных остатков этими двумя группами микроорганизмов в первую очередь зависит количество и качество образующихся гумусовых веществ.
Основываясь на результатах граф-анализа, мы выделили из группы лигниндеструкторов культуру Pseudomonasfluorescens,из микромицетов — PenicilliumchrysogenumThom. 1910, которые послужили основой для создания усовершенствованной формы биопрепарата баркон. Для паспортизации этих микроорганизмов провели их генетическую идентификацию и депонирование в коллекции ВНИИСХМ (http://www.arriam.spb.ru/RUS/lab10/).
Итак, по данным граф-анализа, применение биопрепарата баркон для гумификации растительных остатков в межвегетационный период способствует повышению почвенного плодородия и формированию экологических условий для получения высокого и качественного урожая растений. Одним из перспективных способов управления гумусообразованием является применение биопрепаратных функциональных матриц (ФМ), вносимых в почву с комплексом микромицетов и бактерий в составе генно-метаболи-ческих сетей (ГМС). При этом структура ГМС и эффективность поддерживаемых ею трансформационных процессов в первую очередь зависит от информации, записанной в метагеноме лигниндеструкторов и целлюлозолитиков. Синтез гумусовых веществ осуществляется амилолитиками и протеолитиками на заключительных этапах трансформации органических молекул. Эти микроорганизмы в достаточном количестве присутствуют в почве и включаются в ГМС только при появлении мономерных продуктов деструкции. Следовательно, включать их в биопрепараты нет необходимости и рекомендуется создавать биопрепаратную ФМ на основе лигниндеструкторов и микромицетов.

Л И Т Е Р А Т У Р А

1. М и ш у с т и н  Е.Н.,  Е м ц е в  В.Т. Микробиология. М, 1987.
2. З а в а р з и н  Г.А. Лекции по природоведческой микробиологии. М., 2004.
3. К о н о н о в а  М.М. Органическое вещество почвы, его природа, свойства и методы изучения. М., 1963.
4. К о л ч а н о в  Н.А.,  А н а н ь к о  Е.А.,  К о л п а к о в  Ф.А. и др. Генные сети. Молекулярная биология, 2000, 34(4): 533-544.
5. Л и х о ш в а й  В.А.,  М а т у ш к и н  Ю.Г.,  Ф а д е е в  С.И. О связи графа генной сети с качественными режимами ее функционирования. Молекулярная биология, 2001, 35(6): 1080-1087.
6. Л ы к о в  А.М.,  Е с ь к о в  А.И.,  Н о в и к о в  М.Н. Органическое вещество пахотных почв Нечерноземья (актуальность и состояние проблемы, рабочие гипотезы исследований, сопряженность агрономических и экологических функций, динамика в агроценозах, принципы моделирования и технологии воспроизводства). М., 2004.
7. Т у е в  Н.А. Микробиологические процессы гумусообразования. М., 1989.
8. О р л о в  Д.С. Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации. М., 1990.
9. З в я г и н ц е в  Д.Г.,  Б а б ь е в а  И.П.,  З е н о в а  Г.М. Биология почв. М., 2005.
10. Ш у б  Г.М.,  Ш в и д е н к о  И.Г.,  П р о н и н а  Е.А. и др. Материалы к элективному курсу «Микробные сообщества». Саратовский научно-медицинский журнал, 2010, 6(2): 245-247.
11. З у б к о в а  Т.А.,  К а р п а ч е в с к и й  Л.О. Матричная организация почв. М., 2001.
12. З у б к о в а  Т.А.,  К а р п а ч е в с к и й  Л.О. Почвенная матрица и экологические функции почвы. Вестник Московского университета, сер. Почвоведение, 2004, 1: 30-36.
13. З в я г и н ц е в  Д. Г. Основные принципы функционирования комплексов почвенных микроорганизмов. Проблемы почвоведения, 1978: 97-102.
14. H a n d e l s m a n  J. Metagenomics: application of genomics to uncultured microorganisms. Microbiol. Mol. Biol. Rev., 2004, 68: 669-685.
15. М и р ч и н к  Т.Г. Почвенная микология. М., 1988.
16. Т е р е х о в а  В.А. Микромицеты в экологической оценке водных и наземных экосистем. М., 2007.
17. С в и р и д о в а  О.В. и др. Способ разложения древесины. Авт. свид. № 1792974 от 8 октября 1992 года. Бюл. изобр., 1993, № 5.
18. Р у с а к о в а  И.В.,  В о р о б ь е в  Н.И. Способ эффективного использования соломы в качестве удобрения с применением биопрепарата Баркон. Владимир, 2010.
19. Некоторые новые методы количественного учета почвенных микроорганизмов и изучение их свойств: Методические рекомендации ВНИИСХМ. Л., 1987.
20. Т е п п е р  Е.З.,  Ш и л ь н и к о в а  В.К.,  П е р е в е р з е в а  Г.И. Практикум по микробиологии. М., 1987.
21. Агрохимические методы исследования почв /Под ред. А.В. Петербургского. М., 1975.
22. О р л о в  Д.С. Гумусовые кислоты почв. М., 1974.
23. Химический анализ почв: Уч. пос. каф. почв. и экол. СПбГУ. СПб, 1995: 87-94.
24. В о р о б ь е в  Н.И.,  С в и р и д о в а  О.В.,  К у т у з о в а  Р.С. Методические рекомендации по использованию граф-анализа в исследованиях систем, состоящих из биотических и абиотических компонентов. СПб, 2006 (http://www.arriam.spb.ru/rus/GIMM/gimmr.html).
25. В о р о б ь е в  Н.И.,  С в и р и д о в а  О.В. Граф биотрансформации C и N соединений системой почвенных микроорганизмов. Избр. лекции 10-й Всерос. школы «Экология и почвы». Пущино, 2001, IV: 289-297.
26. Л а к и н  Г.Ф. Биометрия. М., 1990.
27. Д ю р а н  Б.,  О д е л л  П. Кластерный анализ. М., 1977.
28. Классификация и кластер /Под ред. Дж. Вэн Райзина. М., 1980.
29. К у л а и ч е в  А.П. Методы и средства комплексного анализа данных. М., 2006.
30. W e i r  B.S. Genetic data analysis II. Methods for discrete population genetic data. Sunderland, Massachusetts, USA, 1996.
31. К р о н о в е р  Р. Фракталы и хаос в динамических системах. М., 2006.

 

 

GRAPH-ANALYSIS IN GENE-METABOLIC NETWORKS OF SOIL MICROORGANISMS WHICH TRANSFORMED PLANT RESIDUES TO HUMUS SUBSTANCES

N.I. Vorobyov1, O.V. Sviridova1, A.A. Popov1, I.V. Rusakova2, V.B. Petrov1

The graph-analysis of experimental data on microbiological transformation a lignin-contained vegetative rests and the subsequent cultivation of barley (Severyanin variety) was carried out, including the procedures of dispersive, correlation, cluster and component analyses. The fractal model and graph-analysis showed that two gene-metabolic networks of microorganisms are formed which transform the vegetative rests in soil. It is revealed that the first step of destruction into humic networks is curried out by bacterium Pseudomonas fluorescens and micromycets Penicillium chrysogenum Thom. 1910. It is shown that amylolitic and proteolitic bacteria participate actively in formation of humus substances.

Keywords: gene-methabolic network of microorganisms, Pseudomonas fluorescens, Penicillium chrsogenum, graph-analysis for microbiological and physical-chemical data, fractal model of microbiological transformation of organic substances.

1ГНУ Всероссийский НИИ сельскохозяйственной
микробиологии Россельхозакадемии,
196608 г. Санкт-Петербург—Пушкин, ш. Подбельского, 3,
e-mail: vorobyov@arriam.spb.ru;
2ГНУ Всероссийский научно-исследовательский, конструкторский
и проектно-технологический институт органических удобрений
и торфа
Россельхозакадемии,
601390 Владимирская обл., Судогодский р-н, пос. Вяткино

Поступила в редакцию
25 февраля 2011 года

 

Оформление электронного оттиска

назад в начало