skanowanie0001

Rozdział IX

GLEBA JAKO ŚRODOWISKO ŻYCIA MIKROORGANIZMÓW

Struktura heterogenna gleby. Czynniki biotyczne i abiotyczne

Gleba jest produktem procesów biogeochemicznych i stanowi najbardziej; powierzchniową warstwą skorupy ziemskiej. Powstaje ona w wyniku długo-^:Ę trwałych przeobrażeń skały macierzystej pod wpływem klimatu i organizmów •#' żywych. Zróżnicowanie gleb związane jest ze zróżnicowaniem warunków kii-matycznych, w jakich one powstają, jak też budową skał macierzystych, z któ-rych powstają. Bardzo istotnym elementem w procesie powstawania gleb jest materia organiczna, w wytwarzaniu której prekursorami są autotrofy, które ku- i mulując w swych ciałach materię organiczną, umożliwiają z czasem rozwój _t, heterotrofów. Na rozwój organizmów w danym środowisku wpływa wiele k czynników środowiskowych, które dzielimy na dwie grupy, tj. czynniki abio- | tyczne i biotyczne. Abiotyczne czynniki siedliskowe to właściwości fizyczne i . f chemiczne danego środowiska, takie jak temperatura, jakość i natężenie światła, obecność substancji organicznych, nieorganicznych, substancje toksyczne, po-rowatość, ciśnienie osmotyczne i hydrostatyczne, dostępność swobodnej wody,

"•r®

pH, zawartość CO2, stężenie tlenu i inne. Czynniki biotyczne to biocenoza -żywe organizmy występujące w danym środowisku, które tworzą trzy zespoły: producentów, konsumentów i destruentów (reducentów). Podział ten wynika z funkcji pełnionych przez nie w obiegu materii i przepływie energii (rozdz. VII).

Do czynników biotycznych zaliczamy więc zarówno organizmy niższe, jak i

$

p? '

wyższe, a wśród nich organizmy produkujące toksyny oraz będące drapieżcami |ij|lub pasożytami, rośliny i zwierzęta żywicielskie.

§s|; Gleba jest doskonałym siedliskiem dla mikroorganizmów, ma strukturę hete-.rogenną, tzn. że w małej objętości spotykamy równocześnie lito-, hydro- i at-mosferę w proporcjach charakterystycznych dla różnych rodzajów i typów gleb. Heterogenność ta sprawia, że w tym samym czasie w środowisku glebowym mogą przebiegać równocześnie przeciwstawne procesy biologiczne, np. procesy tlenowe i beztlenowe, syntezy i rozkładu, utleniania i redukcji. Glebę można więc uznać za układ ożywiony, w którym żyjące tam organizmy(rys.IX-ł), dzięki swojej działalności, mają wpływ na utrzymanie w tym środowisku swoistej równowagi biologicznej (stabilności i integralności układu), przeciwdziałając zmianom środowiska mogącym zakłócić tę równowagę. Zdolności takie określamy mianem homeostazy. W tym konkretnym przypadku polega ona na utrzymaniu na określonym poziomie takich wskaźników, jak: zawartość humusu oraz przyswajalnych form związków mineralnych, odczynu, pojemności wodnej itp.

= bakterie

= grzyby strzępkowe - glony

Rys. IX-1. Mikrośrodowisko glebowe - mikroorganizmy żyjące w glebie. Według Prescott 1993

Wszelkie zmiany w środowisku uruchamiają mechanizmy homeostatyczne gleby, które dążą do przywrócenia wyjściowego lub umożliwiają powstanie nowego stanu równowagi biologicznej. Procesy homeostatyczne są jednak tylko wtedy możliwe, o ile nie zostały przekroczone w sposób nieodwracalny pewne wartości progowe.

Litosferę w glebie tworzą części stałe, składa się ona z substancji mineralnych i organicznych o różnym charakterze chemicznym i fizycznym. W skład

Polifenole

Pozostałości

roślinne

Związki min

chincfńy

Ligniny

zmodyfikowane

substancji mineralnych wchodzą różnego rodzaju kationy i amony nieorsanfl -jako podstawowe źródło składników pokarmowych dla roślin (a ta L M krooiganizmow). Bardzo ważnym składakiem tej frakcji gleby są również m l neia y ! aste tzw. ił koloidalny. Są to głównie krystaliczne lub bezpostaciowi ghnokjzemiany (o wymiarach < 0,002 mm) o właściwościach koloidu ZnaczM me koloidow mineralnych dla gleby jest następujące:

⁸'^{Cby d}“^ydU-^{i,Cy w duźej miera} » ^stosllnkach woduj

^{3(i(dUJą ralkroor}8mizniy na swojej powierzcluii, stanowiąc ich siedlisko 'M -    SOTb_menzymy produkowane przez mikroorganizmy i rośliny oraz inne „

stancje biologicznie czynne.    ,||m

Substancją organiczną gleby można podzielić na dwie frakcje. Pierwsza sla -I? ow„ substancje „ieprćchmcowe, czyli związki organiczne „iezh„miZ«|

khdu fb k ^{S rOŚ}'^inneg° ¹ ”*"*"*> *    początkowego roz I

Hadu lub jako produkty daleko posuniętej b,„degradacji („p. biopolimery k!|

sy orgamczne). Druga frakeja substancje prócbntcowe aibo p.Lmic^t |

seUtr; ^h~' ^bKP°^Sad°“' *”    - wTaśttl

ach koloidow organicznych, powstające w glebie w procesach biotycznych .♦ ab,etycznych. Pełni, one „ g.ebie ,e _s,me funkcje co koloidy mteZe M Prócz tego stanowi, d,a mikroorganizmów bardzo boga*

P karmowych, bedąoych źródłem ,materii budulcowej i energetyczne! letói li

=-Łr-:rz-*- — *    ^: 1

gielTw^któ^f " ⁸"^bi' ** ^Prad‘ '^VSZyS'^kim    mikrobioło-

by ZL ,    dominującą rolą odgrywają bakterie, ptomieniowce i grzyl

g. ona na rozkładzie w masie organicznej łatwo przyswajalnych poła ^S

zie noZT‘,72 Tr⁴ CtemiC2ny,!h b‘^rd™i opornych    rozkład, synte-l

nizmów (rys IX » p T    ⁰b“t»arłyoh komórek mikroorgałl

■ 7 '^X'² ' ^{Powsla,l! w}    przemian resztek roślin mikroorgani 1

^ :_d','^Cb “^,ab°'^itÓW    •— H ciemno zabarwioną    ^!

”**^{się w}—^ko'^:—

je wiąc kwasami „„minowymi    *?•**

y g bie łączą się one z wapniem i innymi ka-

oraz mogą tworzyć z frakcją ilastą agregaty oragniczno-mineraliu\ utmdnia wydzielenie czystych frakcji humusowych z gleby. Pod w ,7 chemicznym substancje humusowe są trudne do zdefiniowania.

Cukry Transformacja przez 'mikroorganizmy

produkty rozkładu ligni

substancje

humusowe

Ry:s. IX-2. Synteza substancji humusowych. Według StevePSon 1982

Humus jest to złożony kompleks, w którym jądro aromatyczne połączone jest z bocznymi łańcuchami o bardzo różnym składzie, zależnym od substn którego powstają. Są to mniej lub bardziej skarbonizowane zespoły złożonych związków, charakteryzujących się obecnością grup fenolowyclh, karboksyio wych i metoksylowych. Podział substancji humusowych na o Kreślone grup; może więc mieć charakter umowny i opiera się na ich rozpuszczalności w wod nych rozitwoiach zasad, kwasów oraz innych rozpuszczalnikach.- Obecnie różnią się tizy podstawowe frakcje substancji humusowych (fóżniących między sobą rozpuszczalnością, ciężarem cząsteczkowym, zawartością aton C, H, N, S i O oraz grup funkcyjnych):

- kwasy bulwowe - najmniej skarbonizowane, o stosunkowo drobnych cząs kach, miało rozbudowanym jądrze i licznych łańcuchach bocznych, rozf czalne w zasadach i kwasach,

-    kwasy huminowe - bardziej skondensowane i skarbonizowane od poprzetS nich, mniej ruchliwe, ale ważniejsze w utrzymaniu żyzności gleby, rozpust czalne tylko w zasadach.

Aminokwasy i peptydy w ich cząsteczkach łatwo ulegają mikrobiologicznej] hydrolizie,

-    huminy - najmniej ruchliwa grupa substancji humusowych, bardziej skondensowana od poprzednich i mocniej związana z cząsteczkami mineralnymi, meyi’ rozpuszczalne zarówno w zasadach, jak i w kwasach.

Degradacja próchnicy następuje przy braku dopływu świeżej materii orga-j; nicznej oraz przy niedostatecznym zaopatrzeniu gleby w azot - niezbędny składnik substancji humusowych. Rozkład humusu powodują mikroorganizmy autochtoniczne, dla których gleba jest naturalnym środowiskiem życia. Mikroorganizmy te, przystosowane do bytowania w glebie w warunkach niedoboru łatwo przyswajalnej substancji organicznej, są drobne, tworzą niewielkie sku-

.dgggfo; gi t'

pienia i są silnie sorbowane przez koloidy glebowe.

<* •

Gleba jest układem niezwykle dynamicznym, co oznacza, że przebiegają w ^f' niej równocześnie procesy rozkładu i syntezy próchnicy, powodując (przy dopływie materii organicznej) stałe odnawianie pokładów humusu.

Hydrosfera (roztwór glebowy) - tzn. woda z rozpuszczonymi w niej substancjami organicznymi i mineralnymi, stanowiąca dobre środowisko dla mikroorganizmów. Z nawilgoceniem gleby związane jest ciśnienie osmotyczne roztwo- ;; ru glebowego, zwiększające się w miarę przesuszania gleby. Wywiera ono duży wpływ na mikroorganizmy glebowe, gdyż wniknięcie wody do komórki możliwe jest tylko wtedy, gdy ciśnienie osmotyczne jest w niej wyższe niż w otaczającym ją roztworze. Roztwory glebowe odznaczają się ponadto właściwościami %: buforowymi, czyli zdolnością przeciwstawiania się zmianom w reakcjach za-kwaszenia i alkalizacji. Tworzą w glebach układy oksydoredukcyjne decydujące o kierunku i charakterze reakcji biochemicznych i chemicznych. Woda stanowi rodzaj przenośnika składników pokarmowych dla mikroorganizmów, wywiera także duży wpływ na wymianę gazów w glebie, a w pierwszym rzędzie decyduje o zawartości w niej powietrza, stanowiąc dla niego czynnik konkurencyjny.

j Atmosfera gleby (powietrze glebowe) - wypełnia wolne przestrzenie między ' stałymi cząstkami, nie zajęte przez wodę, jego ilość waha się w granicach 8-; 35% objętości gleby. Pod względem zdolności sorbowania gazów przez glebę można je ustawić w następującym szeregu:

IZ.    NH₃> CO, > 0₂>N₂ > H₂S > CH₄

Najwięcej gazów sorbują związki humusowe i wodorotlenki żelaza. Powietrze glebowe różni się zatem od powietrza atmosferycznego. W wyniku działalności mikroorganizmów w jego skład wchodzi siarkowodór, amoniak i inne gazy.

|| Tlen rozmieszczony jest w glebie nierównomiernie, a jego zawartość w glebie jest zazwyczaj niższa niż w atmosferze naziemnej, w przeciwieństwie do CO2. Wykorzystanie tlenu idzie zazwyczaj w parze z wytwarzaniem CCb, tak że ich zawartość w powietrzu glebowym z reguły wykazuje korelację ujemną.

Warunki rozwoju mikroorganizmów w glebie. Podział mikroorganizmów glebowych

Gleby zawierają ogromną liczbę mikroorganizmów (głównie bakterii, poza tym grzybów, promieniowców i glonów), która zależy od warunków klimatycznych i rodzaju gleby. Najczęściej liczebność tych organizmów określa się w przeliczeniu na 1 g suchej masy gleby (np. liczba bakterii dla gleby żyznej wynosi 1 - 5 miliardów w Ig).

Mikroorganizmy gromadzą się przede wszystkim wokół korzeni roślin (w ryzosferze) i w warstwie próchniczej gleby, gdzie znajdują zasobne źródła pokarmu. Gleby zamieszkują głównie organizmy tlenowe, docierają więc one do tych głębokości, do których dochodzi jeszcze powietrze. Największa ich koncentracja występuje zwykle na głębokości 5-20 cm pod powierzchnią gleby. W ciągu roku mamy tu do czynienia z dwoma okresami wzmożonego rozwoju mikroorganizmów; pierwszy wiosną, gdy z nadejściem wyższych temperatur następuje tzw. przebudzenie ziemi (zintensyfikowanie biologicznych procesów glebowych), drugi jesienią po dostarczeniu glebie materii organicznej w postaci resztek roślinnych, stanowiących pokarm dla mikroorganizmów. Spośród mikroorganizmów glebowych wiele pozostaje w stanie spoczynku, inne zaś pozostają aktywne. Między aktywnymi gatunkami mikroorganizmów istnieje daleko

w

• ;V||§g.

posunięta specjalizacja, polegająca na zdolności wykorzystania różnych substratów, co umożliwia współistnienie w danym środowisku wielu mikronisz^ ekologicznych. W każdym z tych mikrośro&wisk dochodzi do zużycia substratów wyjściowych przez jedne grupy mikroorganizmów i nagromadzenie, produktów przemiany materii, które mogą stanowić substraty wyjściowe dla innych grup. Taki sposób kolejnego wykorzystywania produktów metabolizmu jednego organizmu przez drugi w określonym szeregu stanowi rodzaj komensa-lizmu wielostopniowego, zwanego metabiozą.

Zespól mikroorganizmów glebowych obejmuje dwie grupy. Pierwsza to mii kroflora autochtoniczna, aktywna w stosunku do substancji humusowych jako źródła węgla i energii. Druga to mikroflora zymogenna, której rozwój uwaruriftf kowany jest przede wszystkim dopływem do gleby łatwo przyswajalnej materii' organicznej lub ilością produktów rozkładu przygotowanych przez autochtony Rozwój zymogenów ma zatem charakter falowy. Zymogeny są ponadto łatwiejsze do oznaczania metodami hodowlanymi ze względu na możliwość użycia bardziej standardowych podłoży hodowlanych.

Rozwój mikroorganizmów w glebie zależy od wielu czynników, takich jak:    .

-    temperatura - w naszej strefie klimatycznej pospolite w glebie mikroorgani- ky

zmy najbardziej ożywioną działalność prowadzą w temp. 20 - 30°C. Szybkość rozwoju mikroorganizmów zwiększa się w miarę wzrostu temperatury i pod- ' lega zmienności sezonowej;    ;T|;

-    woda i powietrze - mikroorganizmy mogą przetrwać suszę w stanie spoczyn- ty ku, ale nie mogą się rozwijać w tych warunkach, natomiast nadmierna ilość wody w glebie utrudnia jej przewietrzanie, co także wpływa hamująco na rozwój większości mikroorganizmów;

-    źródło energii organicznych związków węgla - połączenia organiczne dopływające do gleby lub zawarte w ciałach żyjących w niej mikroorganizmów zawierają duże ilości związanej energii, która potrzebna jest do rozwoju wszystkich mikroorganizmów z wyjątkiem autotrofów;

-    azot i związki mineralne - pobierając duże ilości węgla z dwutlenku węgla lub połączeń organicznych do budowy swych ciał mikroorganizmy potrzebują jednocześnie znacznych ilości azotu dla syntezy białka (ok. 98% azotu znajduje się w glebie w postaci organicznej).

Do swego rozwoju potrzebują one także związków mineralnych, pii» •

... ->| §11?

liii

niaku i azotanów pobierają z gleby fosforany, siarczany, węglany, chi. 11 i ■■■■■■ zasad potas, magnez, wapń, sód, żelazo i różne mikroelementy;

-    odczyn środowiska - jest ważnym regulatorem życia mikroorganizmów li tensywniejszy rozwój bakterii zachodzi w warunkach odczynu obojętni )’," i"^; słabo alkalicznego. Przy odczynie zbyt kwaśnym (pH < 6) lub alknlii u w,

(pH > 8,4) rozwój bakterii słabnie. Odczyn kwaśny umożliwia silny ro. w A; grzybów.

Mikroorganizmy glebowe są bardzo zróżnicowane i obecnie stosuje su; M ii; stępujące kryteria ich podziału:

-    klasyfikacja naturalna - stosowana najczęściej dla rozróżnienia dużych giup taksonomicznych, takich jak bakterie, promieniowce, drożdże, grzyby pi'

■ i

śniowe i glony,

-    grapy morfologiczne - podział ten stosuje się wówczas, gdy potrzebne u >i szybkie sklasyfikowanie dużego zespołu bakterii na określone grupy. Wyto nia się wtedy najczęściej ziarniaki, pałeczki, laseczki, bakterie gramdodniw gramujemne, przetrwalnikujące, nieprzetrwalnikujące,

-    grapy fizjologiczne - kryterium podziału stanowią tu cechy fizjologii biu umożliwiające charakterystykę zespołu mikroorganizmów pod względem funkcjonalnym, uwzględniając ich stosunek do różnych warunków środowi ska. Wyróżniamy tu:

' ' ‘

1.    autotrofy i heterotrofy,

2.    prototrofy (wymagania pokarmowe ograniczają się najczęściej do jednego prostego związku organicznego) i auksotrofy (aby się rozwijać, muszą po brać ze środowiska bardzo złożone związki, np.aminokwasy czy witaminy t.

3.    tlenowce, beztlenowce, mikroaerofile,

4.    psychrofile, mezofile, termofile,

5.    wrażliwe i niewrażliwe na zakwaszenie środowiska.

Na podstawie wymagań pokarmowych lub zdolności metabolicznych mikra

organizmów (określających ich właściwości biochemiczne) można wyróźnu m.in.:

1.    celuiolityczne - rozkładające celulozę,

2.    proteolityczne - rozkładające białka,

3.    minerałizujące organiczne związki fosforu - uwalniające jony fosforanowe z organicznych związków fosforu,

4.    wiążące wolny azot cząsteczkowy,

5.    nitryfikacyjne - utleniające amoniak do azotynów, azotyny do azotanów, *

6.    denitryfikacyjne - redukujące azotany,

7.    siarkowe - utleniające siarkowodór i inne zredukowane formy siarki do siar- j czanów,

8.    redukujące siarczany.

ippi

M

Ryzosfera - mikroorganizmy ryzosferowe

Korzenie roślin współpracują z mikroorganizmami, tworząc układ zwany ryzosferą. Termin „ryzosfera” wprowadził Hiltner w 1904 roku, ale przez wiele lat ulegał on ciągłej modyfikacji i obecnie w strefie oddziaływań roślin i mikroorganizmów wyróżnia się trzy obszary: rizosferę, rizoplan i histosferą. Jako rizosferę określano tę część gleby, która bezpośrednio przylega do korzeni, a którą można oddzielić po 5-minutowym wytrząsaniu pobranego materiału z mieszaniną jałowej wody i piasku kwarcowego. Jako rizoplan określa się mikroorganizmy występujące na powierzchni korzeni roślin. Otrzymuje się je poprzez dalsze wytrząsanie korzeni roślin z jałową wodą. Jako histosferą określa się mikroflorę zasiedlającą przestrzenie międzykomórkowe, a których izolacje przeprowadza się poprzez przeniesienie do homogenizatora przemytych wcześniej korzeni, rozcieraniu ich przez 5 minut. Bardzo często w celu uproszczenia stosuje się jeden termin - ryzosfera, któiy obejmuje wszystkie trzy omówione układy.

Obszar ryzosfery może zmieniać się w zależności od typu gleby, gatunku roślin, jej wieku i wielu innych czynników, ale zwykle obejmuje on przestrzeń od zewnętrznej strony korzenia (rizoplan) w glebie do kilku milimetrów, a w warunkach ekstremalnych nawet do kilku centymetrów - u niektórych roślin pustynnych oraz żyjących na wydmach.

W obszarze ryzosfeiy wzrasta zarówno liczba mikroorganizmów, jak również ich aktywność fizjologiczna, co jest wynikiem odmiennej charakterystyki fizycznej, chemicznej i mikrobiologicznej strefy przykorzeniowej gleby w po-

równaniu ze strefą pozakorzeniową. Podstawowym elementem zależności w systemie roślina - mikroorganizmy jest wymiana metabolitów wpływających na podstawowy lub wtórny metabolizm partnera. Rośliny dostarczają mikroorgani-■ zmom wielu składników pokarmowych w postaci elementów swoich tkanek, ale przede wszystkim w postaci wydzielin korzeniowych, wśród których szcze-J golną rolę odgrywają różnego rodzaju rozpuszczalne substancje, takie jak cukry, aminokwasy, kwasy organiczne, a także witaminy i enzymy. Wydzieliny te są różne dla różnych gatunków roślin i ich charakter zależy od stanu fizjolo-gicznego roślin (np. wieku, odżywiania) oraz czynników abiotycznych (np. temperatury, struktury gleby, jej wilgotności i napowietrzania). Wydzieliny korzeniowe są łatwo dostępne jako pożywienie dla mikroorganizmów i są zwykle uważane za jeden z najważniejszych czynników wpływających na wzrost ich liczebności i aktywności w ryzosferze. Najintensywniej są one wydzielane przez strefę wzrostu korzenia i tam też można stwierdzić najliczniejszą mikroflorę. Wydzieliny korzeniowe wpływają w sposób selekcyjny na mikroflorę ryzosfery. Śluzowaty materiał występujący dookoła stożka wzrostu i włośników zawiera polisacharydy i pektyny, które stanowią substrat pokarmowy dla bakterii. Ułatwiają one również przyleganie bakterii do korzeni. Warstwa śluzu chroni też populacje bakteryjne w okresie suszy.

Wśród mikroorganizmów ryzosferowych najczęściej obserwuje się bakterie, wyłącznie heterotroficzne, których skład uzależniony jest od źródła energii pochodzącej od rośliny. Są to różne typy morfologiczne o dużym stopniu zróżnicowania ich rozmiarów - przeważnie pałeczki gramujemne i formy pleomor-ficzne. Bakterie ryzosferowe są przeważnie większe od tych, które występują w strefie pozaryzosferowej, co może wynikać z odmiennych warunków odżywczych panujących w obu strefach. Wśród bakterii ryzosferowych są przedstawiciele amonifikatorów, denitryfikatorów i bakterii rozkładających celulozę, a także wiążące N₂. Są tu przedstawiciele takich rodzajów, jak: Psendomonas, Achromobcicter, Agrobacterium, Flavobacteri.um, a także bakterie symbiotycz-ne wiążące azot atmosferyczny (Azotobacter, Rhizobium), co szczególnie istotne jest z punktu widzenia rolnictwa.

Mikroorganizmy ryzosferowe mogą stymulować lub hamować wzrost korzeni i części nadziemnej roślin. Umownie został przyjęty podział mikroflory