О некоторых малоизвестных микроорганизмах

Почвенные водоросли вы можете встретить на любой почве, лишь бы были свет и влага и не применялись гербициды. По сравнению с грибами и бактериями их меньше, всего от 100 до 10 тыс. 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, они играют большую роль в плодородии почв.

В умеренной зоне преобладают зеленые 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 слизь, что «цементирует» микрогранулы и делает почву более гигроскопичной. Корни продуцируют 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 производят кислород для корней. В благодарность водоросли дают корням еще один «бонус»: они имеют гены, позволяющие синтезировать антибиотики, защищающие 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, создавая углеводы, они косвенно, через симбионтные с ними почвенных азотофиксаторы, увеличивают накопление азота в почве. 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 равны количеству внутриклеточных (опаду).

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

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

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

В последнее время список известных азотофиксаторов, как свободноживущих, так и симбиотических, значительно расширился. Среди азотофиксирующих 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. Доказана анаэробность многих из них.

Так, в экспериментах сначала выявили реакцию бактерий на разные концентрации кислорода, и 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 темной – бактерии стремились переместиться в световую зону.

Основатели ЭМ-технологий говорят об их роли следующее.

«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 все это способствует 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.

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

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

Ученые 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 от того, 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 нее 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 все 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 все сообщество окажется в зависимости от одного вида, который обезвреживает токсины.

Ученые, опубликовавшие статью в журнале mBio, подчеркивают, 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…»

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

Закончим разговор на «новинке» под названием тиобациллы. Кто изучал в школе биологию, помнят схемы круговорота углерода в природе. Но ведь есть еще круговорот серы и железа. Если без кислорода где-то гниет 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.

Ученые открыли сотни тысяч таких микроорганизмов, которые называются тионовые. Большинство из них живут глубоко в иле озер и океанов, не нуждаясь ни в кислороде, ни в органике. Они используют только восстановленные соединения серы как источник водорода.

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

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

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

И Thiobacillus ferroxidans выживает даже в концентрированной серной кислоте, растет 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 под названиями «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 изменение многих свойств растений.

Бациллы, размножаясь на листьях, выделяют биологически активные вещества, это дает 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. При размножении тиобацил в почве подкисляется среда и усиливается ассимиляция азота воздуха, в пересчете на мочевину около 6–8 кг на 1000 м2.

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

В последнее время ученые 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 оледенениям на планете.

У растений экспрессия генов АФГП происходит во время низкотемпературной 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.

Подведем итоги. Большую часть того, как живут и взаимодействуют почвенные микроорганизмы с корнями растений, мы не знаем. Но даже те крупицы знаний, которые нам дает современная наука, мы можем использовать.

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

Я осознанно 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.

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

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

Правда, не забывайте, что, внося АКЧ, надо создавать и доступную еду для бактерий в виде настоев сладких сорняков и веточек клена или просто старого разбавленного компота.

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.