Большая часть всех микроорганизмов, обитающих на планете Земля, живет в почве. Микроорганизмы обитают практически везде. Их можно встретить в любых уголках нашей планеты — от глубин океана до верхних слоев атмосферы, но везде их разное количество.

В воздушной среде в зависимости от чистоты или запыленности воздуха можно найти от единиц до сотен или тысяч клеток бактерий в кубическом метре. В водной среде — в реках, озерах, морях — численность будет намного выше, мы сможем найти там миллионы клеток бактерий во всего лишь кубическом сантиметре, то есть в миллилитре воды. В почве численность микроорганизмов на порядок выше. Там в одном кубическом сантиметре почвы мы находим уже не миллионы, а миллиарды клеток бактерий.

Помимо бактерий, почва пронизана мицелием грибов. Там обитают одноклеточные грибки, дрожжи, там живут такие простейшие, как амебы и инфузории. Часто к микроорганизмам относят и многоклеточных животных: нематод, коловраток, других мелких животных. В почве живет огромное разнообразие членистоногих — клещей и насекомых. В результате, хотя почва занимает меньшую часть поверхности нашей планеты, а ее мощность редко превышает десятки сантиметров, она является самым большим депозитарием биологического разнообразия на планете Земля.

Рекомендуем по этой теме:
8819
Как песок становится почвой?

Почему численность микроорганизмов в почве настолько высока? По нескольким причинам. Прежде всего, дело в том, что представляет собой почва в физическом смысле. Твердая часть почвы — это агрегаты различного размера, пронизанные густой сетью трещин и капилляров толщиной всего лишь от нескольких микронов. Но для микроорганизмов это целый мир с пещерами, ущельями, которые заполнены водой. Там можно безопасно закрепиться на поверхности твердой фазы и потреблять растворенные органические вещества из жидкой среды. Удельная поверхность почвы может быть очень большой. В кубическом сантиметре почвы можно найти десятки и сотни квадратных метров твердой поверхности, на которой могут закрепиться микроорганизмы.

Вторая причина высокой численности микроорганизмов почвы заключается в том, что, как это ни банально, на почве растут растения. Большинство микроорганизмов — гетеротрофы. Они для питания нуждаются в готовых, доступных органических веществах, а растения синтезируют их за счет фотосинтеза и постоянно выделяют растворимую органику через корни. Таким образом они подкармливают микроорганизмов и в корнеобитаемом слое почвы. Вблизи самих корней, в ризосфере, численность микроорганизмов особенно высока. Причем высока не только численность, но и разнообразие микроорганизмов. Почему?

Почва, в отличие от водной среды, очень неоднородна. Там есть множество микролокусов с очень разными, иногда абсолютно противоположными условиями. В одном месте много органического вещества, в другом — мало; одни капилляры заполнены водой, другие — воздухом. В итоге в почве постоянно существует множество ниш, в которых могут существовать микроорганизмы с самыми разными потребностями. В одном грамме почвы мы можем найти сотни и тысячи разных видов микроорганизмов. Даже если вдруг в почве нет подходящих условий для развития какого-то конкретного вида микроорганизмов, он может сохраняться там в течение очень долгого времени, годами, в ожидании наступления подходящих условий.

Микроорганизмы в почве не просто существуют. Они осуществляют множество различных биохимических реакций, потребляют одни вещества, синтезируют другие. Благодаря такому высокому разнообразию, высокой численности почва превращается в мощнейшую биохимическую машину, которая пропускает через себя значительные потоки вещества и энергии в масштабах планеты. Циклы многих важнейших для жизни на Земле химических элементов, таких как углерод, азот, фосфор, так или иначе связаны с активностью почвенных микроорганизмов.

Микробы в почве могут фиксировать атмосферный азот, превращая его в доступные для других живых существ соединения. Микробы могут, наоборот, разрушать азотсодержащие соединения, возвращая в атмосферу молекулярный азот и оксиды азота. То же самое с углеродом. Микроорганизмы могут разлагать органические вещества, например растительный опад, и возвращать таким образом в атмосферу углекислый газ. Могут, наоборот, консервировать углерод в виде инертного трудноразлагаемого органического вещества. Все эти процессы весьма интересны человеку, потому что оказывают прямое влияние на сельское хозяйство, на состояние окружающей среды, на климат. Это особенно актуально в последнее время в связи с попыткой регуляции углекислого газа в атмосфере. И поэтому человек давно пытается регулировать эти процессы. А для этого, конечно, необходимо знать, как устроены почвенные микробные сообщества.

Рекомендуем по этой теме:
5864
FAQ: Растения-биофабрики

Помимо влияния на биосферу, на глобальные циклы вещества и энергии, почвенные микробные сообщества интересны для человека тем, что они прямо участвуют в питании растений. Не только растения подкармливают микроорганизмы, но и сами микроорганизмы участвуют в снабжении растений химическими элементами, питательными веществами, ферментами, даже гормонами роста.

Например, все без исключения деревья на Земле и большая часть всех травянистых растений имеют на корнях так называемую микоризу — симбиотические грибы, которые помогают растению осваивать из почвы воду и минеральные вещества. Все растения, относящиеся к семейству бобовых, имеют на корнях специальные органы — клубеньки, в которых живут симбиотические бактерии-азотфиксаторы. Они связывают молекулярный азот из воздуха, который растения использовать не могут, и превращают его в доступный аммонийный азот, который растения использовать могут. Многие бактерии в почве участвуют в защите растений от других патогенных микроорганизмов. И все эти полезные для себя бактерии растения получают из почвы.

Естественно, эти связи интересны специалистам в области растениеводства и аграрной науки как тонкие способы регуляции сельского хозяйства. Несколько десятилетий человек пытается разрабатывать и применять биоудобрения. Это препараты покоящихся форм клеток и спор микроорганизмов, например азотфиксирующих бактерий в клубеньках бобовых, которые вносятся на поля, подобно обычным удобрениям.

Кроме того, почвенные микробные сообщества важны для человека еще и тем, что благодаря высокому разнообразию они являются богатым источником новых видов микроорганизмов для биотехнологии, а с недавнего времени и источником новых генов для генной инженерии. Человек уже использует много микроорганизмов, которые изначально получены из почвы. Использует их для синтеза антибиотиков, — например, для получения ферментов для производства, медицины, фармакологии. И если вам нужно найти какой-то новый микроорганизм, скажем обладающий особенным набором генов или синтезирующий особый фермент, то очень часто благодаря такому высокому разнообразию микроорганизмов в почве логичнее всего начать поиски именно с нее.

Проблема заключается в том, что большая часть микроорганизмов в почве не исследована. По некоторым оценкам, от 90 до 99% микроорганизмов в почве не поддаются культивированию на искусственных питательных средах. Это значит, что мы не можем вырастить их в лабораторных условиях. Это невозможно или по крайней мере очень сложно. В итоге мы знаем, что они есть, мы можем видеть их под микроскопом, мы можем даже выделить из почвы и исследовать их ДНК. Но мы не можем получить живую чистую культуру этих микроорганизмов в лаборатории и исследовать, как они питаются, какие биохимические процессы проводят, какова их физиология.

Рекомендуем по этой теме:
2790
Диатомовые водоросли

Сегодня наиболее действенным способом исследования этой неизвестной, неизученной части почвенной микробиоты являются молекулярно-биологические методы. Когда мы выделяем из почвы микробную ДНК, или РНК, или их белки и с их помощью пытаемся понять свойства микроорганизмов, которые мы не имеем на руках в виде чистой культуры. Эти методы активно развиваются в последние 15–20 лет, и благодаря им мы уже знаем намного больше об устройстве почвенных микробных сообществ. Возможно, в ближайшее время мы с их помощью научимся более тонко использовать и регулировать почвенное микробное разнообразие, для того чтобы использовать его в сельском хозяйстве, медицине или для охраны окружающей среды.