Влияние почвенных микроорганизмов на растения, из цикла живая почва геннадия распопова

Живая почва сада

Статья 2

Свою первую статью, я закончил словами о том, что опытные садоводы умеют оценивать свои почвы по химическим и физическим параметрам, знают, глинистые они или песчаные, много ли в них органики, гумуса, каково содержание азота и фосфора.

А вот оценивать биологическую составляющую плодородия своих почв садоводу очень трудно, да и плохо учат этому даже студентов в сельскохозяйственных вузах, и мало рассказывают в книгах по земледелию.

Итак, попытаемся разобраться в этой невидимой биологической составляющей.

Раньше почвенные микроорганизмы учёные изучали с помощью микроскопов и размножали в чашках Петри.

Последние пару десятков лет появилась новая наука – молекулярная генетика. И оказалось, что с помощью генетического анализа можно обнаружить в почве на два порядка больше микроорганизмов, чем раньше выращивали в чашках Петри.

Учёные, основываясь на методах молекулярной генетики, пришли к единому мнению, что в одном грамме хорошей почвы, хорошего компоста или вермикомпоста может содержаться 1.000.000.000 бактерий и 1.000.000 грибов, не считая другие группы микроорганизмов.

Современным биологам стало понятно, что экологические взаимодействия между этими группами организмов очень сложны и многообразны. Они осознали проблему, что подавляющее большинство из них по некоторым оценкам это не менее 99,9%, не могут быть выделены, выращены и идентифицированы при их культивировании даже с помощью современных лабораторных методов.

В западной литературе уже не пишут просто о бактериях, а пишут всегда бактерии и археи (археи не могут быть идентифицированы при их культивировании, они не имеют ядра, и имеют свою независимую эволюцию и характеризуются многими особенностями биохимии, отличающими их от других форм жизни).

Другими словами, мы знаем, что в почве живут и взаимодействуют между собой миллиарды живых существ, но мы только начинаем понимать, что всего лишь 0,1 процента из этих миллиардов микроорганизмов действительно делают в почвенной экосистеме.

Наука экология нам подсказывает, что чем больше индивидуальных цепочек «хищник – жертва» содержится в почве, тем сильнее они будут подавлять фитопатогены и защищать наши растения, это показывает практика.

Учёные знают так же, что в экологии существует важное понятие, которое означает, что целое больше, чем сумма его частей.

О роли бактерий и грибов для жизни почвы написано много. О роли дождевых червей знает каждый садовод. Но если спросить, кто играет «роль волка в лесу», является главным хищником в почве, ответят не все.

Оказывается – это простейшие и другие мелкие почвенные хищники. Именно они определяют главный экологический тезис, что «целое» – всегда больше «суммы частей».

Миллиарды бактерий, миллионы грибов которые разрушают почвенный опад контролируют тысяч мелких (микро-), средних (мезо-) и больших (макро-) животных-хищников.

Их размеры в диапазоне от нескольких микрометров до более метра.

Список включает в себя: простейшие (жгутиковые, амёбы, инфузории), нематоды, клещи, коллемболы, моллюски, мелкие черви – энхитреи, дождевые черви, многоножки, сороконожки, изоподы, муравьи, термиты, жуки, личинки двукрылых, и пауки.

А вот когда в эту живую почву с миллиардами живых существ проникает живой корень со своими выделениями – то эта система усложняется многократно.

Корень начинает контролировать всю эту сложную систему, если садовод ему сильно не мешает своими неразумными подкормками.

Приведу лишь один пример, который стал понятен мне совсем недавно.

Концентрация азота в клетках простейших (и круглых червей) ниже, чем в бактериях, которых они поедают (соотношение углерода к азоту в клетках простейших составляет 10:1 и более, а у бактерий – от 3:1 до 10:1). Бактерии, потребляемые простейшими, содержат слишком много азота в соотношении с количеством углерода, необходимого простейшим. Поэтому простейшие высвобождают излишки азота в виде аммиака (NH4 +). И человек и корова так же выделяет мочу пахнущую аммиаком, и это лучшая азотистая подкормка для растений.

Это концентрация бактерий и их хищников с их выделениями происходит в слоях у корневой системы растения. Бактерии и другие организмы быстро перехватывают и поглощают большую часть аммиака, но часть потребляется и растением.

Таким образом, в реальной живой почве корни не берут азот непосредственно «из трупов погибающих бактерий, а берут через выделения простейших. Задача корня сводится лишь к регулированию бактерий и простейших своими выделениями.

Ещё одна роль, которую играют простейшие, – регулирование популяций бактерий. Когда представители этого класса потребляют бактерии, они стимулируют рост их популяции (следовательно, и темпы разложения и агрегации почвы). Этот процесс можно сравнить с обрезкой дерева: если обрезать немного – это улучшает рост, переусердствовать – снижает.

Простейшие к тому же – важнейшее звено в системе почвенных пищевых цепочек.

Они помогают снизить заболеваемость растений, поскольку конкурируют с патогенами или питаются ими. Всё это налаживалось и регулировалось миллиарды лет совместной эволюции растений и почвенных животных.

Я по профессии врач. Поэтому интересуясь жизнью микроорганизмов почвы, также интересуюсь жизнью микроорганизмов и в кишечнике человека и провожу параллели.

Оказывается, на изучение микробиома человека развитые государства мира тратят намного больше денег, чем на исследования микромира ризосферы растений. И новых открытий здесь много.

Микробиом – это то, что прежде называлось микрофлорой кишечника.

Бациллы в кишечнике человека

Сейчас, с началом масштабных геномных исследований самых разных бактериальных сообществ (например, некоторых участков дна океанов, сточных вод и пр.), название микробиом стало более популярным.

Оно подразумевает совокупность не столько самих микробов, сколько всех микробных генов, оказывающих влияние на среду, в которой они существуют.

Человеческий организм – это ведь среда обитания микробов. Оказывается ворсинки кишечника человека и корневые волоски у растений взаимодействуют с микроорганизмами по одним и тем же законам, контролируются сходными древнейшими генами.

По результатам генетического анализа было установлено, что в организме человека обитает более 10 тысяч видов различных микробов.

Такое обилие микробов обеспечивает жизнедеятельность человека гораздо большим количеством генов, чем может предоставить сам по себе человеческий организм.

По подсчётам учёных, если в геноме человека 22 тысячи генов, кодирующих белки для обслуживания нашего метаболизма, микробиом привносит около восьми миллионов уникальных кодирующих генов, иными словами, бактериальных генов в человеке в 360 раз больше, чем собственно человеческих. (Не забывайте, что я провожу параллели с жизнью в почве, а ведь то же самое происходит и в ризосфере!)

"У людей нет всех ферментов, необходимых для переваривания того, что мы едим", – отмечают учёные. Большая часть белков, липидов и углеводов нашего рациона расщепляется до питательных веществ, способных всасываться кишечником, микробами, которые обитают в кишечнике. Более того, микробы производят полезные вещества вроде витаминов и противовоспалительных соединений, синтез которых наш геном обеспечить не может.

Чтобы увлечь читателей этой интереснейшей темой приведу небольшую выдержку из научного журнала.

«&hellip- В пищеварительном тракте человека углеводы расщепляются группой ферментов под общим названием гликозидазы, которая насчитывает более 260 веществ. Эти ферменты не производятся клетками нашего организма, а вырабатываются микрофлорой кишечника, в том числе бактериями рода Bacteroides.

Каждый из таких ферментов расщепляет определенный вид углеводов, поступающих в организм с растительной пищей.

Гликозидазы, участвующие в переваривании морских красных водорослей, были выделены у бактерий Zobelliagalactanivorans, которые обитают на поверхности этих растений. Французские специалисты провели сравнительный анализ генома указанных бактерий, а также представителей микрофлоры кишечника.

В ходе анализа гены ферментов для переваривания водорослей были обнаружены у бактерий Bacteroides plebeius, населяющих пищеварительный тракт жителей Японии, тогда как у аналогичных бактерий, живущих в кишечнике североамериканцев, эти ферменты отсутствовали.

По мнению исследователей, представители микрофлоры кишечника японцев получили эти гены в результате обмена наследственной информацией с бактериями, обитающими на водорослях, которые используются в приготовлении многих блюд японской кухни, в том числе различных видов суши. Когда именно произошел обмен генами между бактериями, исследователи не уточняют &hellip-»

Поэтому многие годы я выращиваю на своей земле не только стандартный набор из десятка культур, а стараюсь вырастить сотни сортов и видов зелени, плодов, ягод, корнеплодов и других вкусностей.

И самое главное, что я понял в последнее время, надо сохранять все полезные микроорганизмы симбионтные для растений. Не только ради растений, но и для себя.

Они находятся как в почве, так и на листьях. Именно они обеспечивают растения недостающими генами для усвоения элементов питания из почвы. Делают растения более насыщенными по витаминам и другим биологически активным веществам. Такие живые растения, выращенные на живой почве особенно полезны для моего здоровья и здоровья моих внуков.

Но еще важнее то, что потребляя растения с более разнообразным микробиомом, я формирую и свой микробиом. Делаю его более разнообразным. Адаптирую свою кишечную флору к своему образу жизни и образу питания. Даю возможность обмениваться с помощью горизонтального переноса генами этим двум микробиомам. Делаю свой организм более богатым генами обслуживающими мой метаболизм. Это лучшая профилактика различных заболеваний.

О роли бактерий и грибов подробнее поговорим в следующей главе.

А сейчас я продолжу рассказ о самом важном и ценном для практики, что стало известно науке касательно роли отдельных, малоизвестных садоводам микроорганизмов, таких например, как тионовые бактерии, фотосинтезирующие бактерии и почвенные водоросли.

Начнем с последних.

Почвенные водоросли вы можете встретить на любой почве, лишь бы был свет влага и не применялись гербициды.

Посмотрите как весной в теплице под плёнкой разрастаются водоросли на почве.

По сравнению с грибами и бактериями их меньше, всего от 100 до 10.000 на грамм почвы.

Как и все растения они получают СО2 из воздуха, и благодаря солнечной энергии синтезируют питательные вещества. Занимают свою важную нишу в пищевых цепочках, имеют свой особый геном и свои продукты обмена.

Высшие растения эволюционировали вместе с ними и нуждаются в присутствии их продуктов. Если водорослей мало, то растения начинают страдать и болеть. Собственно, как болеет и человек с обедненным микробиомом.

Видов и родов водорослей много, особенно в тропиках. Некоторые роды, например, на рисовых полях научились фиксировать атмосферный азот, и играют большую роль в плодородии почв.

В умеренной зоне преобладают зелёные водоросли (Chlorophyta),и диатомовые водоросли (Bacillariophyta).

Что они дают почве? Почему их не стоит травить гербицидами?

Да их мало, но в целом их опад увеличивает накопление органики в почве.

Большее значение их в том, что они выделяют слизи, что «цементирует» микрогранулы почвы и делает почву более гигроскопичной.

Корни выделяют углекислый газ в процессе своей работы, и требуют много кислорода, в почве кислород всегда в дефиците. Поэтому корни выделяют особые вещества, привлекающие водоросли, а водоросли прямо в зоне ризосферы выделяют кислород для корней.

В благодарность водоросли дают корням ещё один бонус, они имеют гены позволяющие синтезировать антибиотики. Этим они защищают корни от патогенных бактерий и грибов.

В почвах, где много водорослей естественно все лишние нитраты ими аккумулируются и не вымываются с дождями, то есть они повышают буферность почвы.

Но, хотя не все водоросли сами фиксируют азот воздуха, но создавая углеводы они косвенно, через симбмонтных с ними почвенных азотофиксаторов, увеличивают накопление азота почвы. Прижизненные внеклеточные выделения водорослей содержат разнообразные органические вещества: органические кислоты, слизи и растворимые полисахариды, жирные кислоты и вещества липоидного характера, растворимые полипептиды, аминокислоты, вещества высокой биологической активности. Состав и количество освобождаемых водорослями внеклеточных веществ равно количеству внутриклеточных. (Опаду).

Внеклеточные продукты водорослей используются бактериями, которые поэтому в естественных условиях являются постоянными спутниками водорослей, населяя поверхность клеток и колониальную слизь. С другой стороны, метаболиты бактерий, в частности азотфиксирующих, могут быть использованы клетками водорослей.

На почвах, где нет трав и корней растений, водоросли, пожалуй, единственные, кто выполняет роль «почвенных сидератов», создают структуру почвы.

Спросите простого садовода, что нужно делать, чтобы увеличить содержание азота в почве. Большинство скажет, что надо посадить бобовые сидераты.

Надеюсь, я убедил всех, что к почвенным азотофиксаторам надо относить и водоросли.

В последнее время список известных азотфиксаторов, как свободноживущих, так и симбиотических, значительно расширился.

Среди азотфиксирующих микроорганизмов особый интерес представляют организмы, сочетающие в одной клетке фотосинтез и способность к усвоению молекулярного азота, – наиболее «совершенные» автотрофы.

К ним относятся Фотосинтезирующие (фототрофные) бактерии которые все садоводы применяли в виде ЭМ препаратов, но не задумывались об их роли.

Один из видов таких бактерий – пурпурные бактерии были обнаружены при изучении бескислородного фотосинтеза. Была доказана анаэробность многих из них.

Так, в экспериментах сначала выявили реакцию бактерий на разные концентрации кислорода, оказалось, что даже при следовом содержании его в среде бактерии перемещались в бескислородную зону чашек Петри. Затем на одну сторону чашки фокусировали свет, оставляя другую тёмной – бактерии стремились переместиться в световую зону.

Основатели ЭМ технологий говорят об их роли следующее.

«&hellip- Почвенные фотосинтезирующие бактерии синтезируют полезные для себя вещества, используя органические вещества из корневых выделений, но главное, используя энергию солнечных лучей и тепла, выделяемого почвой.

Полезные вещества, выделяемые ими, состоят из аминокислот, нуклеокислот, биоактивных субстанций и сахара, и всё это способствуют росту и развитию растений.

Эти бактерии концентрируются непосредственно в ризосфере растений и являются ключом для повышения количества бактерий.

Увеличение количества фотосинтезирующих бактерий в почве способствует увеличению количества других эффективных микроорганизмов.

С другой стороны, они сами используют питательные вещества, производимые другими микроорганизмами в процессе жизнедеятельности. Этот феномен называется "сосуществование и сопроцветание».

Для чего я акцентирую внимание на этой группе бактерий? Чтобы садовод понял, что в почве в зоне корней происходят сложнейшие процессы, когда вокруг древнейших микроорганизмов способных аккумулировать энергию солнца концентрируются стабильные группы из других организмов, и все это способствует длительному взаимному процветанию, как растений, так и почвенных организмов. Нельзя на почву смотреть примитивно, как на «желудок коровы, где происходит пищеварение».

Приведу выдержку на эту тему из последних номеров научных журналов по генетике.

«&hellip- Некоторые бактерии, несмотря на их огромную распространённость в естественной среде, до сих пор не удаётся культивировать в лабораторных условиях. Так, например, обстоят дела с родом Prochlorococcus, которых называют самыми многочисленными фотосинтезирующими организмами на Земле.

Они выполняют б льшую часть работы по насыщению атмосферы кислородом, океан кишмя кишит этими бактериями, но на протяжении десятилетий попытки вырастить их в искусственных условиях заканчивались неудачей.

Учёные объясняют это тем, что в природе бактерии взаимосвязаны намного сильнее, чем мы можем представить. Разные виды микроорганизмов буквально не могут обойтись друг без друга.

Происходит это оттого, что бактерии избавляются от некоторых генов, если понимают, что другой вид в сообществе способен выполнять ту же функцию. Например, бактерия может не выдерживать даже малых количеств перекиси водорода в среде, но при этом у неё нет никаких генов, чтобы ликвидировать токсичное вещество. Это значит, что микроб целиком полагается на своего соседа, который обезвредит яд вместо него. (По сути, микробные ассоциации – на самом деле, реальные надорганизмы).

Всякая способность, всякая адаптация чего-то стоит: чтобы синтезировать нужный фермент, необходимо потратить ощутимое количество энергии и ресурсов. Ресурсы же конечны, невозможно с одинаковым успехом отбиваться от всех сюрпризов среды обитания.

Поэтому бактерии не упускают случая отказаться от лишнего белка, раз уж он всё равно есть у других. Эксперименты показали, что дублирующий ген не приживается, если в сообществе уже есть кто-то выполняющий похожую работу. В итоге может случиться, что всё сообщество окажется в зависимости от одного вида, который обезвреживает токсины.

Статью учёные опубликовали в журнале mBio.

Они подчёркивают, что это вовсе не предполагает кооперации и даже межвидового взаимодействия, ни о каком симбиозе и речи нет. Бактерии скорее соревнуются, кто быстрее переложит на другого часть своих функций.

С другой стороны, тот, кто оказался крайним, становится необычайно важен для сообщества.

Такой вид может быть не слишком многочислен, но без него все остальные не выживут.

Впрочем, такая эволюционная игра довольно опасна: в ней могут проиграть все, если одновременно «скинут» из своего генома один и тот же ген &hellip-.»

Я рассказал о роли для растений нескольких таких малочисленных крайних: это простейшие, это почвенные водоросли, это фотосинтетики и это тиобациллы.

Закончим разговор на новинке под названием тиобациллы.

Кто изучал в школе биологию, помнят схемы круговорота углерода в природе.

Но ведь есть ещё и круговорот серы и железа.

Напомню, что если без кислорода где-то гниёт белковый продукт, то все почувствуют запах сероводорода. Ведь в белках есть аминокислоты для синтеза которых нужна сера, и при распаде таких аминокислот выделяются простые продукты содержащие серу.

Эволюционно появились и микроорганизмы, которые черпают энергию для своего обмена не из углеродистой органики, а из соединений серы. Миллиарды лет назад, на заре становления жизни вокруг вулканов с сернистыми выделениями зародилась жизнь не на основе углерода, а на основе серы.

Учёные открыли сотни тысяч таких микроорганизмов, которые называются тионовые. Большинство из них живут глубоко в иле озёр и океанов, не нуждаются ни в кислороде, ни в органике. Они используют только восстановленные соединения серы как источник Н-.

Но в последние годы биологов привлекла редкая группа серных бактерий, которым дали название тиобациллы. Их сейчас усиленно изучают и размножают и всё больше находят в озерах средиземноморья.

Их основная особенность та, что для своего обмена они нуждаются в кислороде. Легко растут на средах с органическими субстратами и ассимилируют СО2.

Наиболее изучены это Thiobacillus thioparus, оптимальные значения рН, при которых возможен их рост, – от 3,0-6,0 великолепно растёт на средах с тиосульфатом.

И Thiobacillus ferroxidans, выживает даже в концентрированной серной кислоте, растёт на средах с сернокислым железом.

Почему я так подробно остановился на тиобациллах. Да потому что в продаже появились препараты для сельского хозяйства сделанные на основе этих бацилл.

У меня есть эти препараты. Называются Бионур и Тиофер.

Оказывается при нанесении на растения и на почву эти бациллы начинают жить и размножаться, а так как они содержат гены и ферменты которые обычные микроорганизмы и растения утратили, то происходит изменения многих свойств растений.

Бациллы размножаясь на листьях выделяют биологически активные вещества, это даёт растениям больше возможности для фотосинтеза. Увеличивается качество фруктов и овощей, вкус, цвет и запах.

Листья становятся толще, крупнее и здоровее. Лучше противостоят любым стрессам и болезням.

Имеет значение и бактерицидный эффект тиобацилл. Так как вокруг них подкисляется среда.

При размножении тиобацил в почве подкисляется среда и усиливается ассимиляция азота воздуха, в пересчете на мочевину около 6-8 кг на 1000 м 2

Все эти препараты называют антифризом за их главное свойство, так как после опрыскивания растения начинают накапливать в клетках большие концентрации углеводов, белков и других питательных веществ, становятся нечуствительными к заморозкам.

В последнее время учёные активно изучают так называемые антифризные гликопротеины (АФГП), (в иностранной литературе – «связывающиеся со льдом белки» (ice-binding proteins – IBPs). Даже при очень низкой концентрации в клетках растений эти белки снижают температуру замерзания жидкости, модифицируют форму кристаллов льда и останавливают их рост. Появились эти белки эволюционно сравнительно недавно, когда растения приспосабливались к олединениям на планете.

У растений экспрессия генов АФГП происходит во время низко температурной акклимации, или закаливания. Но так как антифризные белки родственны белкам, которые синтезируются растением для защиты от патогенов, то, как было обнаружено недавно, некоторые бактерии, в частности Thiobacillus thioparus заставляют растения вырабатывать антифризовые белки.

Подведём итоги.

99.9% того, как живут и взаимодействуют почвенные микроорганизмы с корнями растений, мы не знаем. Но даже те крупицы знаний, которые нам даёт современная наука, мы можем использовать.

Например, я осознанно ранней весной опрыскиваю почву качественными ЭМ препаратами с фотосинтетиками, (в плохих Эмках одни дрожжи) так как эти бактерии создают вокруг себя стабильные островки жизни и резко повышают обмен питательными веществами между почвой и корнями.

Я осознано не поливаю почву гербицидами и азотными удобрениями по всей площади. Это убивает почвенные водоросли, а без их генов и энзимов обедняется почвенная жизнь, накапливаются болезни обмена и вредители.

А вот опрыскивать поверхность почвы слабым раствором фосфорных удобрений стоит, это приводит к бурному размножению водорослей и действует на почву не хуже посадок сидератов.

Всё лето я опрыскиваю растения АКЧ, но только таким, где есть простейшие. Эти простейшие охраняют стада бактерий в ризосфере не хуже, чем опытный волкодав охраняет стада овец.

Вот уже 3 года я получаю удовольствие от качества плодов выращенных на моём участке. Ведь АКЧ вносит миллиарды полезных аэробов с сотнями новых полезных генов, и все это опосредованно улучшаем и мой микробиом и микробиом членов моей семьи.

Правда, не забывайте, что внося АКЧ, надо вносить и доступную еду для них, как правильно намекают в последние годы Курдюмов и Бублик в виде настоев сладких сорняков и веточек клёна.

В новом сезоне я буду шире применять тиобациллы на своих посадках. Весной для защиты от заморозков, летом для защиты от болезней. Таким образом смогу резко уменьшить пестицидную нагрузку на свой сад.

Геннадий Распопов, г. Боровичи

29.12.2014

Другие статьи Геннадия Фёдоровича смотрите на Распопов Геннадий Фёдорович, садовод-испытатель из Новгородской области, публикации

Другие статьи по органическому земледелию смотрите в разделе Содержание почвы в саду, новое в агротехнике, органическое земледелие