В природе виды растений, животных, грибов и микроорганизмов распределяются не случайно. Они всегда образуют определенные, сравнительно постоянные комплексы – природные сообщества. Такие комплексы взаимосвязанных видов, обитающих на определенной территории с более или менее однородными условиями существования, называют .

Биоценоз – сложная природная система, состоящая из разных групп организмов, различающихся по роли, которою они играют в переносе энергии и вещества, по месту, занимаемому в пространстве и в пищевой системе.

В природе можно выделить различные биоценозы: леса, пруда, болота, луга, моховой кочки, разрушающегося пня и т.д. Более мелкие являются в природе частями крупных.

Биоценозы – не случайные собрания разных организмов. В сходных природных условиях и при близком составе видов растений и животных возникают сходные, закономерно повторяющиеся биоценозы.

Члены природного сообщества вязаны прямыми или косвенными пищевыми отношениями, создают среду обитания друг для друга и взаимно регулируют численность.

В любом биоценозе различают три группы организмов: производители органического вещества (зеленые растения), его потребители (растительноядные, всеядные и хищные животные) и разрушители (почвенные черви, бактерии, плесневые ). Отдельные растения живут не изолированно, а совместно, образуя растительные сообщества – группы взаимосвязанных растений разных видов, длительное время произрастающих на одной территории и оказывающих влияние друг на друга и среду обитания.

Примерами растительных сообществ являются лес, болото и луг. Все растения этих сообществ приспособлены к особым условиям совместной жизни. Каждое растительное сообщество расположено на однородной территории. Почва этой территории, влажность, освещенность, температура и другие условия жизни отличаются от таковых в другом сообществе. Роль растений в жизни природного сообщества огромна. Зеленые растения обогащают атмосферный воздух кислородом, необходимым для дыхания подавляющему большинству организмов. В растениях в процессе образуются огромные массы органических веществ, которые затем используются как пища многими обитателями природного сообщества.

Растения влияют на климат, способствуют сохранению влаги, очищают воздух от пыли, задерживают ветер, смягчают зимнюю стужу, ослабляют жару, задерживают снег.

Растения – это убежище для многих животных. Так, птицы устраивают на деревьях, в зарослях травы, используя части растений (ветки, листья, стебли) в качестве строительного материала. Камышовка строит гнездо в зарослях камыша, иволга – на тонких ветках деревьев. Под корой деревьев живут жуки-короеды, на корневой системе находят корм личинки майских жуков.

Заросли растений скрывают животных от врагов. Значение растений в жизни животных настолько велико, что их существование без растений было бы невозможным.

Велика роль растений в формировании почвы. Отмершие растительные остатки (листья, стебли, стволы деревьев) перерабатываются детритофагами – организмами, которые питаются мертвой органикой, образуя почву.

Корни растений скрепляют почву, предохраняя ее от разрушения. Для того чтобы не увеличивать овраги, на их склонах и обрывах рекомендуется сажать деревья.

Почва, как и любой биоценоз, населена множеством микроорганизмов. Благодаря их деятельности происходят процессы синтеза первичной органики и ее деструкции. Почвенную экосистему составляют микроорганизмы обитающие в почве: бактерии и бактериофаги, грибы, низшие водоросли, различные простейшие. Они осуществляют круговорот веществ, принимают участие в самоочищении почвы, могут быть источниками патогенных инфекций, важными симбионтами растений, переработчиками азота и углерода. Говоря коротко - роль почвенных прокариот важна и огромна. В чайной ложке земли можно насчитать около миллиарда микробов, которые живут в почвенной воде между элементами грунта или ризосферы (корневая зона растения). Их размер сопоставим с мелкодисперсными частицами глины т. е. менее 2 микрон. Благодаря малым размерам и высокой скорости размножения (около 30 минут) микроорганизмы выдерживаю различные изменения и быстро приспосабливаются.

Микроорганизмы, живущие в почве, выделяют в следующие группы:

1. По форме клеточных стенок. Такая классификация была определена до появления методов исследования генома. Среди всех видов бактерии обособляются в три основные группы:

• бациллы - клетка по форме похожа на стержень
• кокки - сферические клетки
• спириллы - клетка спиралевидной формы

Есть более сложные разновидности, например, разветвленные актиномицеты или другие формы, не попадающие под выше названную классификацию.

1. По отношению к кислороду:
   • аэробные - для жизни необходимо наличие кислорода
   • анаэробные - наличие кислорода для них губительно

1. По способности окрашиваться методом Грама. Суть в наличии внешней защитной липидной оболочки, покрывающей клеточную капсулу не пропускающую краситель и антибиотики:
   • грамположительные - большие по размеру, с толстой оболочкой, хорошо выдерживают водный стресс.
   • грамотрицательные - более мелкие, не устойчивы к водному стрессу.
2. По типу питания:

• автотрофы - способные самостоятельно получать органику для питания.
• Гетеротрофы - использующие готовую органику.

1. По экологическим предпочтения микроорганизмов (филии). Выделяют 12 таких типов по тем средам и условиям в которых они обитают, например, термофилы - в теплых источниках и т. д.

Функции почвенных бактерий

Почвенные микроорганизмы играю важную роль в деструкции отмершей органики. По функциональным особенностям микроорганизмы можно выделить в следующие группы:

Все 4 группы играют важную роль в переработки почвенной органики, преобразуя ее и делая возможным дальнейшее вовлечение в биологический круговорот. Некоторые способны нейтрализовать пестициды, накапливать азот в почве, противостоять болезням, производить коллоиды и образовывать почвенные микроагрегаты (2-200 микрон) повышающие почвенную влагоемкость.

Грамотрицательные ризобии образуют симбиоз с корнями растений семейства бобовых и образуют специфические видимые специфические клубеньки, в которых бактерии фиксируют азот, используемый растениями получая комплекс растительных углеводов взамен. Поэтому их еще называют клубеньковыми бактериями.

После отмирания растения или его частей в почве количество азота становится больше и при анаэробных условиях в работу включаются нитрифицирующие бакте-рии преобразующие азот в нитраты (форма легко усваивается корнями растений). Если почва плохо аэрируется, то это ведёт к гиперактивности нитрификаторов и как следствие нитраты выщелачиваются. Поэтому в сельском хозяйстве возможно применение бактерий - денитрофикаторов (активны в бескислородных условиях) способных превратить нитраты в атмосферный азот. Процентное соотношение клеток, фиксирующих азот в почве не велико, но они всегда имеется в грунте в зависимости от его типа и увлажнения.

Подобным образом происходит трансформация серы. Бактерии в отсутствии кислорода препятствуют поглощению серы растениями превращая ее в сероводород или в гигрофильных условиях осаждают почвенную серу в виде нерастворимых сульфидов металлов. Если в почве будет достаточно кислорода, то специальные прокариоты после ряда преобразование сделают серу пригодной для растений.

Актиномицеты - обширная группа бактерий которую относят к простейшим грибам. Они гораздо меньше грибных клеток и очень чувствительны к антибиотикам. Этот ряд микроорганизмов важен в превращении трудно разлагаемых и химически устойчивых органических компонентов таких как хитин, целлюлоза, лигнит и т.д. Их деятельность повышает гумификацию почв, плодородие и влагоемкость. Именно они придают характерных запах свежевспаханной почве, а конкретно подвид - стрептомицетов.

Преимущества грунтовых бактерий

Чем больше в почве и особенно в зоне ризосферы будет легкодоступных питательных веществ, особенно углеводов, тем обильнее и устойчивее будет почвенная микрофлора. Концентрация будет повышена в корневой зоне, например, количество актиномицетов может быть в районе 30%. Корневые симбионты и их выделения будут способствовать развитию защитных групп бактерий. Также обильны в таком случае и клубеньковые формы.

Надклеточные защитные выделения слизи и различных химических компонентов бактерий предотвращают потерю клеткой воды. Это склеивает частицы почв в коллоидные мицеллы улучшат почвенную структуру.

Разнородность почв и ее агрегаций способствует обилию популяций микроорганизмов. В плотных средах отмечается нехватка кислорода, а в более рыхлых наоборот. Частые заполнения водой, засухи и другие изменения способствуют большой экологической пластичности микроорганизмов, что привело к такому разнообразию и большой приспособленности.

Фитоценозы, образуемые на первичных почвах способны менять их в следствии естественной эволюции под действием выделяемых веществ. Бактерии также способны менять грунтовые условия обеспечивая определенное видовое соотношение растений. Находясь во взаимной, постоянной организованной среде, бактерии и растения выступают мощным почвообразующим фактором и лежат в основе образования целых экосистем обеспечивая необходимый круговорот био-органики в природе.

13.2 Микрофлора почвы. Ее роль в инфицировании пищевых продуктов. Санитарная оценка почвы

Почва – благоприятная среда для обитания и размножения различных микроорганизмов. В состав микробных биоценозов почвы входят бактерии, грибы, простейшие и бактериофаги. Микроорганизмы почвы участвуют в круговороте веществ в природе, минерализации органических отбросов, самоочищении почвы. Существенную роль в формировании микробного биоценоза почвы играют высшие растения, насекомые и животные.
Содержание микроорганизмов в почве зависит от ее химического состава, влажности, температуры, рН и других показателей.
Почва населена различными микроорганизмами. Среди них азотфиксирующие бактерии рода Azotobacter, клубеньковые бактерии рода Rhisobium, нитрифицирующие и денитрифицирующие бактерии, грибы, серо- и железобактерии, актиномицеты, гнилостные бактерии и др. В плодородной почве обнаружены энтеробактерии, псевдомонады, бациллы и клостридии. Эти микроорганизмы изменяют рН почвы в кислую сторону, и в ней начинают развиваться молочнокислые бактерии, дрожжи, грибы и др. микроорганизмы.
Патогенные и условно-патогенные микроорганизмы не входят в состав микробных биоценозов почвы и через определенное время погибают, чему способствуют неблагоприятные условия обитания, отсутствие необходимых питательных веществ, а также антагонизм почвенных бактерий.
Тем не менее возбудители многих инфекционных болезней и пищевых отравлений могут длительное время сохранять свою жизнеспособность в почве, поэтому почва является источником инфицирования пищевых продуктов патогенной микрофлорой. Так, установлена прямая зависимость между уровнем заболеваемости человека и животных кишечными инфекциями и неудовлетворительным состоянием почвы.
Санитарная оценка почвы по микробиологическим показателям. При проведении текущего санитарного надзора за состоянием почвы осуществляют краткий санитарно-микробиологический анализ, который заключается в определении общей бактериальной обсемененности и титра кишечной палочки. Общая бактериальная обсемененность характеризует загрязнение почвы органическими веществами, а присутствие в ней бактерий группы кишечной палочки свидетельствует об уровне фекального загрязнения почвы. Титр кишечной палочки загрязненных участков почвы составляет от 0,001 до 0,00001 г, а чистых – 1 г и более.
При полном санитарно-микробиологическом анализе, кроме вышеуказанных показателей, в почве определяют количество анаэробов, палочку протея и термофильные микроорганизмы. Так, по соотношению вегетативных и споровых форм анаэробной палочки перфрингенс можно судить о времени фекального загрязнения, наличие палочки протея указывает на загрязнение почвы органическими веществами животного происхождения, а наличие термофилов – на загрязнение почвы навозом или компостами.

Благодаря жизнедеятельности почвенных микробов, большинство которых являются редуцентами, происходит разложение и минерализация животного и растительного опада с образованием гумусовых веществ, процесс самоочищения почвы от ксенобиотиков, попадающих в нее в результате хозяйственной деятельности человека (пестициды, нефтепродукты, нитроароматические вещества, пластмассы, полиэтилен и т.д.). С помощью микроорганизмов почвы осуществляется биологический круговорот многих минеральных элементов (углерод, кислород, сера, азот, фосфор, железо и марганец).

Микробы поддерживают на определенном уровне состав азота в почве. Из-за неравномерных потерь (вымывание водой, улетучивание в атмосферу) содержание азота в почве сильно уменьшилось бы, если бы микробы постоянно не возвращали молекулярный атмосферный азот в почву в результате процесса азотфиксации.

Разложение органических остатков и синтез новых соединений, входящих в состав почвы, протекают при воздействии ферментов, выделяемых разными ассоциациями микроорганизмов. Ни минералы, ни органика сами по себе не переходят в усвояемую форму для растений. Эту функцию выполняют обитатели почв, и в первую очередь - микроорганизмы. Микробные ассоциации не только разлагают органические остатки на более простые органические и минеральные соединения, но и активно участвуют в синтезе высокомолекулярных соединений - перегнойных кислот, которые образуют запас питательных веществ в почве.

Ведущим признаком почвообразовательного процесса считается образование гумуса. Гумус представляет собой группу высокомолекулярных соединений, химическая природа которых ещё точно не установлена. Выделяют четыре группы соединений: гуминовые кислоты, гумины, фульвокислоты и гиматомелановые кислоты. Важную роль в образовании гумуса играют почвенные микроорганизмы. С одной стороны микроорганизмы разлагают различные остатки, в первую очередь растительного происхождения, формируя структурные компоненты гумусовых веществ. Кроме того, они сами в процессе своей жизнедеятельности выделяют вещества, которые являются структурными компонентами гумуса. Отмирая, микроорганизмы поставляют в почву большое количество органики, которая вносит существенный вклад в гумусообразование.

Всех живых обитателей почвы можно отнести к трём надцарствам (безъядерные - Acaryotae; предъядерные - Procaryotae; ядерные - Eucaryotae) и пяти царствам: вирусы, бактерии, грибы, растения и животные.

Почвенные бактерии образуют три основных класса (А. Н. Красильников): Actinomycetae, Eubacteriae и Myxobacteriae, которые включают в себя различные по форме и функциям микроорганизмы.

Микроскопические организмы почвы выполняют множество различных функций. Например, они в анаеробных условиях активно ферментируют комплексные органические соединения, преобразуя их в простые молекулярные соединения, которые легко усваиваются растениями. Важное значение в повышении урожайности растений и улучшении плодородия почвы имеют микробы-антагонисты. Это особая группа бактерий, грибов, дрожжей и других микроорганизмов, которая вырабатывает различные биологически активные вещества (БАВ), в первую очередь антибиотические вещества, подавляющие рост и развитие патогенной микрофлоры.

Микроорганизмы в почве образуют сложный биоценоз, в котором различные их группы находятся между собой в сложных отношениях. Одни из них успешно сосуществуют, а другие являются антагонистами. Цель ЭМ-технологии заключается в создании оптимальных условий для развития полезной микрофлоры приводящей к оздоровлению почвы, повышению её плодородия и урожайности возделываемых культур.

Микроорганизмы участвуют также в изменениях структуры и химического состава органической фракции почвы. Так, все процессы образования новых веществ и биологической минерализации идут благодаря длинной цепи последовательных и тесно переплетающимися между собой реакций, осуществляемых микроорганизмами. При этом минеральные элементы могут переходить из окисленного состояния в восстановленное, и обратно. Часть веществ вовлекается в состав резервных веществ почвы – гумусовых кислот.

Обычно биологические реакции обратимы. Как правило, они образуют цепи повторяющихся биологических процессов. Соотношения между разными физиологическими группами микроорганизмов в разных типах почв и в зависимости от антропогенной нагрузки неодинаковы и могут быстро изменяться под действием тех или иных факторов, что может служить диагностикой состояния почвы. В результате антропогенной нагрузки на почвы в связи с их хозяйственным использованием меняются условия обитания микроорганизмов, а, следовательно, изменяется соотношение основных физиологических групп микроорганизмов.

Наряду с полезными формами микроорганизмов имеются и вредные, которые уменьшают запасы питательных веществ, разрушают в почве азот или же поражают корневую систему.

Активность развития микроорганизмов зависит прежде всего от наличия в почве органических остатков, температуры и влажности почвы, доступа кислорода воздуха и других факторов.

Не все почвы содержат большие количества микроорганизмов. В некоторых почвах количество микробов так ничтожно, что для повышения урожая приходится прибегать к так называемым бактериальным удобрениям, к которым относятся азотобактерин, фосфоробактерин и силикатный бактерии. Азотобактерин, развиваясь в зоне корневой системы, извлекает из воздуха азот и обогащает им почву. Содержащиеся в фосфоробактерине бактерии способствуют усвоению из почвы фосфора, находящегося в труднорастворимых для питания растений формах. Наконец силикатный бактерии способствует лучшему поглощению из почвы калия.

Учитывая огромную роль микроорганизмов в питании растений, необходимо искусственно создавать в почве такие условия, которые способствуют их размножению, а следовательно, и повышению плодородия почвы.

Описанные выше факторы, обусловливающие климатические и почвенные условия, в которых развивается виноградное растение, действуют не самостоятельно, а в общем комплексе. Исключение из общего комплекса факторов хотя бы одного нарушает условия для нормального роста, развития^-и плодоношения винограда. Поэтому при разработке системы агромероприятий необходимо учитывать всю сумму факторов в их взаимосвязи и взаимозависимости.

Для нормального питания растений необходимы не только вода, минеральные питательные вещества и углекислота воздуха, но и определенные температурные условия, световой и воздушный режим. Процесс минерального питания растений, как известно, неразрывно связан с деятельностью почвенных микроорганизмов. Деятельность почвенных микроорганизмов в свою очередь связана с наличием в почве органических веществ, воздушно-водным и температурным режимом почвы и развитием плодовых растений.

Взаимоотношения между почвенными микроорганизмами, микроорга­низмами и высшими растениями

Микроорганизмы почвы находятся в тесной взаи­мосвязи между собой и другими представителями живого, с самой почвой и почвообразующей породой. Биогеоценозы представляют собой сложные комплек­сы разных царств природы - растений, животных, грибов, прокариот и абиотической среды:

Биоценоз состоит из популяций, т.е. из особей от­дельных видов растений, животных, грибов, бактерий. Основные типы взаимных связей между организмами в биоценозе сводятся к трофическим (пищевым) и мета­болическим связям (выделение продуктов обмена, фи­зиологически активных веществ и т.д.). В том и другом случае различают множество разнообразных связей

По способности использовать в качестве пищи различные субстраты почвенные микроорганизмы были разделены С.Н. Виноградским на следующие четыре типа:

· зимогенные, которые способны питаться свежим органическим веществом;

· автохтонные, которые, обладая более мощным ферментативным аппаратом, способны разлагать сложные перегнойные вещества почвы;

· олиготрофные, довольствующиеся бедным суб­стратом; они способствуют завершению процессов минерализации органических веществ;

· автотрофные, использующие минеральные веще­ства почвы.

Заселяя один и тот же субстрат, микроорганизмы разных видов вступают между собой в сложные взаи­моотношения. Поэтому различают ассоциации микро­организмов с положительным и отрицательным балан­сом в борьбе за пищу или метаболиты:

Взаимоотношения с положительным балансом проявляется в виде симбиоза и метабиоза.

Ярким примером симбиотических взаимных от­ношений являются лишайники: гриб добывает из окру­жающей среды воду и зольные вещества, а также минеральный азот, а водоросль поставляет грибу про­дукты фотосинтеза (ассимиляты). В очень тесных сим­биотических отношениях находятся дрожжи и молоч­нокислые бактерии. Молочная кислота, как конечный продукт молочнокислого брожения, служит источником углеродного питания для дрожжей и благоприятной для них кислой среды. Устраняя избыток молочной кисло­ты и обогащая субстрат витаминами, дрожжи, в свою очередь, благоприятно воздействуют на развитие бак­терий. Азотное питание бактерий в дальнейшем опти­мизируется за счет использования аминокислот, появ­ляющихся после отмирания грибов.

Метабиоз может выступать в различных фор­мах. Это уже не тесное сожительство двух видов мик­роорганизмов. В одном случае какой-то из партнеров оказывает положительное влияние на другой. Напри­мер, такая форма метаболизма существует между ам­монификаторами и двумя группами нитрифици­рующих бактерий: аммиак, образующийся в процессе аммонификации, окисляется бактериями из рода Nitrosomona до нитрита, который, в свою очередь, окис­ляется дальше нитратными бактериями до нитрата. Метабиоз может быть и двусторонне полезным (прокооперация). Такие отношения складываются между азо­тобактером и целлюлозоразрушающими бактериями: азотобактер непосредственно не может использовать целлюлозу, но хорошо усваивает продукты ее гидроли­за целлюлозоразрушающими бактериями - глюкозу и органические кислоты; в свою очередь, азотобактер снабжает эти бактерии азотом. Поэтому и сам процесс разложения целлюлозы идет лучше в комплексе с азо­тобактером.

При конкуренции за пищу побеждает тот вид микроорганизмов, который быстрее растет. Это часто наблюдается на начальных этапах разложения орга­нического опада, например, в группе сахаролитичес­ких грибов.

Ярким примером хищничества является пожи­рание простейшими животными бактерий, водорослей и дрожжей или «поедание» хитридиевыми грибами почвенных водорослей.

Явление подавления одним видом микроорга­низма другого носит название антагонизма. Это по­давление может проявляться путем образования ток­сических веществ неспецифического действия - та­ких, как сероводород, метан, перекиси, органические кислоты, и специфических антибиотиков. Отличительной особенностью антибиотиков является то, что они действуют на организмы избирательно и в очень низких концентрациях. Так, антибиотик пенициллин, про­дукт грибов из рода Penicillium, отрицательно действует на грамположительные бактерии и не влияет на гра­мотрицательные. Действие антибиотиков связано с тем, что одни из них нарушают синтез клеточной стенки (пе­нициллин), другие - белков (левомицетин), третьи – нуклеиновых кислот (актиномицин) и т.д. Активными продуцентами антибиотиков являются актиномицеты, что, очевидно, способствует их выживанию в жесткой конкуренции за субстрат с быстрорастущими микро­организмами, ибо они сами растут очень медленно. Особую группу микробов-антагонистов составляют миколитические бактерии, способные за счет своих экзоферментов растворять мицелий микроскопических грибов. Наиболее ярким представителем миколитичес­ких бактерий является Pseudomonas fluorescens. Этот микроорганизм защищает растения от заражения пато­генными грибами.

Очень важным является установление своеобраз­ных связей микроорганизмов с высшими растениями в биогеоценозах. Взаимное влияние растений и микроор­ганизмов может наблюдаться при непосредственном поселении последних на корнях растений. К этой груп­пе относятся, в частности, грамотрицательные бакте­рии, не способные образовывать споры. эти эпифитные микроорганизмы питаются сахарами, аминокислотами и некоторыми другими веществами, в небольших коли­чествах выделяемых растениями. К корням растений эти эпифиты прикрепляются с помощью слизи, которую они вырабатывают.

Количество микроорганизмов в ризосфере не ос­тается постоянным в течение вегетационного периода. К осени, например, здесь резко увеличивается количе­ство целлюлозоразрушающих микробов при снижении большинства других групп. В целом ризосферный эффект, т.е. увеличение количества микроорганизмов в ризосфере по сравнению с почвой без корней наи­более сильно проявляется в условиях бедных песчаных почв. Специфичность же микробиологического соста­ва ризосферы обычно выражена слабее.

Следующим ярким примером взаимных связей микроорганизмов и растений является настоящий сим­биоз - мутуализм (клубеньковые бактерии, микориза).

С помощью ряда агротехнических и лесохозяй­ственных мероприятий можно регулировать числен­ность и качественный состав микроорганизмов почвы, а с ними и взаимоотношения между растениями и микробами. Среди практических мероприятий можно назвать соответствующее чередование культур, агро­технику выращивания их, внесение органических, минеральных и бактериальных удобрений, известкова­ние кислых и гипсование засоленных почв. Мощным средством воздействия на микробный ценоз почвы, а через него и на растения, является гидротехническая мелиорация сельскохозяйственных и лесных земель (ирригация, дренаж).