Микроскопический учет общего количества бактерий и метаболически активных бактерий в почвенных образцах: соотношение и осцилляционная динамика численности

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Представлены экспериментальные результаты ежедневного учета под микроскопом в течение 30 сут прокариотических клеток в препаратах из почвенных образцов при окрашивании их разными специфичными красителями и литературные результаты о ежедневном учете бактерий в почве разными методами. Красителем FITC, который окрашивает все множество бактериальных клеток, выявлена волнообразная динамика численности клеток с разным количеством осцилляций в виде пиков во всех экспериментах. С использованием красителя SFDA, который выявляет только живые, метаболически активные клетки, также выявлена волнообразная динамика, однако их осциллирующая численность была значительно меньше. Достоверность осцилляций и различия в численности клеток при использовании разных красителей подтверждены статистически гармоническим анализом. Волнообразная динамика живых, метаболически активных, клеток является следствием циклов роста и отмирания клеток бактерий и краткосрочной трофической сукцессией в микробном сообществе. Внешние нарушающие воздействия не влияли на проявление волнообразной динамики численности как в популяции живых, так и общего количества клеток. Явление волнообразной динамики неживых клеток бактерий и их численного превосходства объяснено тем, что клетки, теряя жизнеспособность, лизируются и дезинтегрируются не сразу после отмирания, а с некоторой задержкой во времени. Это приводит к накоплению и перманентному превосходству пула мертвых клеток при микроскопическом подсчете общего количества бактерий в почве и объясняет расхождение численности бактерий при разных методах подсчета. Представленный экспериментальный и литературный материал послужит для микробиологов и биотехнологов обоснованием необходимости контроля динамики численности интродуцируемых популяций и сообществ микроорганизмов в природную среду, а также источником знаний для успешного управления природными микробными сообществами.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. М. Семенов

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: amsemenov@list.ru

биологический факультет

Россия, Москва

А. А. Шаталов

Groundwork BioAG

Email: amsemenov@list.ru
Израиль, Mazor

Е. В. Семенова

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: amsemenov@list.ru

биологический факультет

Россия, Москва

Список литературы

  1. Аристовская Т.В. О некоторых итогах работ по международной биологической программе в области почвенной микробиологии // Закономерности развития почвенных микроорганизмов / Ред. Т.В. Аристовская. Л.: Зоол. ин-т АН СССР, Центр. музей почвоведения, 1974. С. 5–14.
  2. Виноградский С.Н. Микробиология почвы. Проблемы и методы: пятьдесят лет исследований. М.: Изд-во АН СССР, 1952. 897 с.
  3. Гендугов В.М., Глазунов Г.П., Евдокимова М.В. Макрокинетика роста и отмирания микробов в почве // Микробиология. 2011. Т. 80 (4). С. 1–5.
  4. Горбенко Ю.А., Крышев И.И. Статистический анализ динамики морской экосистемы микроорганизмов. Киев: Наукова думка, 1985. 144 с.
  5. Егорова С.В. Изучение размеров биомассы бактерий в почвах лесов // Закономерности развития почвенных микроорганизмов / Ред. Т.В. Аристовская. Л.: Зоол. ин-т АН СССР, Центр. музей почвоведения, 1974. С. 70–76.
  6. Ефремова Т.Н. Динамика кратковременных колебаний численности бактерий в некоторых почвах полупустыни // Закономерности развития почвенных микроорганизмов / Ред. Т.В. Аристовская. Л.: Зоол. ин-т АН СССР, Центр. музей почвоведения, 1974. С. 77–86.
  7. Звягинцев Д.Г. Почва и микроорганизмы. М.: МГУ, 1987. 256 с.
  8. Звягинцев Д. Г., Зайцева В. Е. Динамика численности почвенных бактерий, учитываемых разными методами // Микробиология. 1979. Т. 48 (5). С. 915–919.
  9. Зыкина Л.В. Ежедневная динамика численности бактерий в дерново-подзолистых почвах под луговыми угодьями // Закономерности развития почвенных микроорганизмов / Ред. Т.В. Аристовская. Л.: Зоол. ин-т АН СССР, Центр. музей почвоведения, 1974. С. 168–177.
  10. Куприянов А.А., Семенов А.М., ван Бругген А.Х.К. Перемещение энтеропатогенных и сапротрофных бактерий в цикле экониш: животные–экскременты–почва–растения–животные // Изв. РАН. Сер. биол. 2010. № 3. С. 318–323.
  11. Лаврентьева Е.В., Семенов А.М., Зеленев В.В. и др. Ежедневная динамика целлюлазной активности в пахотной почве в зависимости от обработки // Почвоведение. 2009. № 8. С. 952–961.
  12. Лимарь Т.Е., Полянская Л.М., Кожевин П.А., Звягинцев Д.Г. Приемы повышения численности клубеньковых бактерий в почве // Микробиология. 1984. Т. 53 (5). С. 830–832.
  13. Низовцева Д.В., Семенов А.М., Паников Н.С. Влияние влажности на целлюлазную активность микроорганизмов в верховом торфе // Микробиология. 1995. Т. 64 (6). С. 827–832.
  14. Самцевич С.А. О сезонности и периодичности развития микроорганизмов в почве // Микробиология. 1955. Т. 24 (5). С. 615–625.
  15. Семенов А.М. Трофическое группирование и динамика развития микробных сообществ в почве и ризосфере: Дис. … докт. биол. наук. М.: МГУ имени М.В. Ломоносова, 2005. 68 с.
  16. Семенов А.М., Джукич Д.А. Микробные сообщества в почвообразовательных процессах и здоровье почвы // Эволюция биосферы с древнейших времен до наших дней. Сер. “Геобиологические системы в прошлом”. М.: ПИН РАН, 2019. С. 171–189.
  17. Семенов В.М., Когут Б.М. Почвенное органическое вещество. М.: ГЕНОС, 2015. 233 с.
  18. Семенов А.М., Семенова Е.В. Почва как биологическая система и ее новая категория — здоровье // Успехи соврем. биол. 2018. Т. 138 (2). С. 115–125.
  19. Семенов А.М., Шаталов А.А. Флуоресцентно-микроскопические методы учета микроорганизмов в экологических исследованиях. Метод. пособие. М.: МАКС Пресс, 2003. 24 с.
  20. Семенов А.М., Бубнов И.А., Семенов В.М. др., Ежедневная динамика численности бактерий и эмиссии СО2 почвы и связь их волнообразных колебаний с сукцессией микробного сообщества // Почвоведение. 2013. № 8. С. 963–979.
  21. Семенов А.М., Шаталов А.А., Семенова Е.В. О периодических колебаниях численности клеток микроорганизмов в природе и в чистой культуре; к третьему закону популяционной экологии в микробиологии // Успехи соврем. биол. 2022. Т. 142 (6). С. 591–602. [Semenov A.M., Shatalov A.A., Semenova E.V. About periodic oscillations of the microorganisms cells number in nature and in pure culture: to the third law of population ecology in microbiology // Biol. Bull. Rev. 2022. V. 12 (2). P. 151–161.]
  22. Смирнов В.И. Курс высшей математики. Т. 2. М.: Наука, 1974. 655 с.
  23. Сомова Л.М., Андрюков Б.Г., Ляпун И.Н. Гетероморфизм клеточной персистенции возбудителей сапронозов в различных условиях среды обитания // Журн. микробиол. эпидемиол. иммунол. 2020. Т. 97 (1). С. 62–71.
  24. Чернов Т.И., Железова А.Д. Динамика микробных сообществ почвы в различных диапазонах времени (обзор) // Почвоведение. 2020. № 5. С. 590–600.
  25. Щапова Л.Н., Ежедневная динамика численности микроорганизмов в некоторых почвах приморья // Закономерности развития почвенных микроорганизмов / Ред. Т.В. Аристовская. Л.: Зоол. ин-т АН СССР, Центр. музей почвоведения // 1974. С. 126–136.
  26. Эль-Регистан Г.И., Лойко Н.Г., Николаев Ю.А. Выживание стареющих микробных популяций при летальных воздействиях // Микробиология. 2022. Т. 91 (6). С. 708–719.
  27. Эмер Н.Р., Семенов А.М., Зеленев В.В. и др. Ежесуточная динамика численности и активности азотфиксирующих бактерий на участках залежной и интенсивно возделываемой почвы // Почвоведение. 2014. № 8. С. 963–970.
  28. Юршенас Д.А., Каширская Н.Н. Обзор основных таксономических групп микроорганизмов в почвах зонального ряда по данным метагеномного анализа и флуоресцентной гибридизации in situ // Успехи соврем. биол. 2022. T. 142 (6). С. 578–590.
  29. Babiuk L.A., Paul E.A. The use of fluorescein isothiocyanate in the determination of the bacterial biomass of the grassland soil // Can. J. Microbiol. 1970. V. 16. P. 57–62.
  30. Blagodatskaya E., Kuzyakov Y. Active microorganisms in soil: critical review of estimation criteria and approaches // Soil Biol. Biochem. 2013. V. 67. P. 192–211.
  31. Blazewicz S.J., Hungate B.A., Koch B.J. et al. Taxon-specific microbial growth and mortality patterns reveal distinct temporal population responses to rewetting in a California grassland soil // ISME J. 2020. V. 14 (6). P. 1520–1532. https://doi.org/10.1038/s41396-020-0617-3
  32. Gómez-Brandón M., Aira M., Santana N., Pérez-Losada M. et al. Temporal dynamics of bacterial communities in a pilot-scale vermireactor fed with distilled grape marc // Microorganisms. 2020. V. 8. P. 1–19. https://doi.org/10.3390/microorganisms8050642
  33. Haugland R.P. Handbook of fluorescent probes and research chemicals. Sixth ed. Eugene. OR, USA: Molecular Probes Inc., 1996. 679 p.
  34. He M., Ma W., Zelenev V.V. et al. Short-term dynamics of greenhouse gas emissions and cultivable bacterial populations in response to induced and natural disturbances in organically and conventionally managed soils // Appl. Soil Ecol. 2017. V. 119. P. 294–306.
  35. Holt J.G., Krieg N.R., Sneath P.H.A. et al. Bergey’s manual of determinative bacteriology. Ninth ed. Published in 4 volumes. Baltimore, USA: Williams & Wilkins, 1994. P. 786–788.
  36. Lundgren B. Fluorescein diacetate as a stain of metabolically active bacteria in soil // Oikos. 1981. V 36. P. 17–22.
  37. Poindexter J.S. Oligotrophy. Feast and famine existence // Adv. Microbiol. Ecol. 1981. V. 5. P. 63–89.
  38. Semenov A.M. Physiological bases of oligotrophy of microorganisms and concept of microbial community // Microb. Ecol. 1991. V. 22. P. 239–247.
  39. Semenov A.M., Đukić D.A. The role of microbial communities in soil formation and soil ecosystem health // Paleontol. J. 2020. V 54 (8). P. 35–44.
  40. Semenov, A.M., van Bruggen, A.H.C., Zelenev, V.V. Moving waves of bacterial populations and total organic carbon along roots of wheat // Microb. Ecol. 1999. V. 37. P. 116–128.
  41. Semenov A.M., Khvatov I.L., Olenin A.V. Determination of the number of ammonification bacteria and activity of the ammonification process in soils and their relevance for the development of the of soil health parameter // Curr. Invest. Agricult. Curr. Res. 2019. V. 6 (2). P. 715–722.
  42. Stone B.W.G., Dijkstra P., Finley B.K. et al. Life history strategies among soil bacteria – dichotomy for few, continuum for many // ISME J. 2023. P. 1–9. https://doi.org/10.1038/s41396-022-01354-0
  43. Staley J.T. Kanopka A.K. Measurement of in situ activities of nonphotosynthetic microorganisms in aquatic and terrestrial habitats. Literature review // Ann. Rev. Microbiol. 1985. V. 39 (1). P. 321–346.
  44. Stevens T.O. Optimization of media for enumeration and isolation of aerobic heterotrophic bacteria from the deep terrestrial subsurface // J. Microbiol. Methods. 1995. V. 21. P. 293–303.
  45. Tsuji T., Kawasaki Y., Takeshima S., Sekiya T. et al. A new fluorescence staining assay for visualizing of living microorganisms in soil // Appl. Environ. Microbiol. 1995. V. 61. P. 3415–342.
  46. Trolldenier G. The use fluorescence microscopy for counting soil microorganisms // Modern methods in the study of microbial ecology / Proc. symposium held at the Agriculture college, Uppsala, Sweden, June 19–23, 1972. P. 53–59.
  47. Ushakova N.A., Abramov V.M., Khlebnikov V.S. et al. Properties of the probiotic strain Lactobacillus plantarum 8-RA-3 grown in a biofilm by solid substrate cultivation method // Prob. Antimicrob. Prot. 2012. V. 4 (3). P. 180–186.
  48. van Bruggen A.H.C, Semenov A.M. Relation between oligotrophic and copiotrophic bacterial colonies on agar plates and direct microscopic counts during initial stages of cover crop decomposition in soil // Ninth int. symposium on microbial ecol. collection of abstracts. The Netherlands, 2001. P. 126–126.
  49. van Bruggen A.H.C, Semenov A.M., Zelenev V.V. Wave-like distributions of microbial populations along an artificial root moving through soil // Microb. Ecol. 2000. V. 40. P. 250–259.
  50. van Bruggen A.H.C., Semenov A.M., van Diepeningen A.D. et al. Relation between soil health, wavelike fluctuations in microbial populations, and soil borne plant disease management // Eur. J. Plant Pathol. 2006. V. 115. P. 105–122.
  51. van Bruggen A.H.C, Semenov A.M., Zelenev V.V. et al. Wave-like distribution patterns of gfp-marked Pseudomonas fluorescens along roots of wheat plants drown in two soils // Microb. Ecol. // 2008. V. 55 (3). P. 466–475.
  52. van Bruggen A.H.C., He M., Zelenev V.V. et al. Relationships between greenhouse gas emissions and cultivable bacterial populations in conventional, organic and long-term grass plots as affected by environmental variables and disturbances // Soil Biol. Biochem. 2017. V. 114. P. 145–159.
  53. van Diepeningen A.D., de Vos O.J., Zelenev V.V. et al. DGGE fragments oscillate with or counter to fluctuations in cultivable bacteria along wheat roots // Microb. Ecol. 2005. V. 50 (4). P. 506–517.
  54. Zelenev V.V., van Bruggen A.H.C., Semenov A.M. Modelling wave-like dynamics of oligotrophic and copiotrophic bacteria along wheat roots in response to nutrient input from a growing root tip // Ecol. Modell. 2005a. V. 188 (2–4). P. 404–417.
  55. Zelenev V.V., van Bruggen A.H.C., Semenov A.M. Short-term wavelike dynamics of bacterial populations in response to nutrient input from fresh plant residues // Microb. Ecol. 2005b. V. 49. P. 83–93.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Учет общего количества клеток бактерий в почве с использованием красителя FITC в опытном и контрольном вариантах в трех экспериментах (а), (б) и (в) соответственно. Величины, обозначенные на рисунках 1–3 точками, представлены средними арифметическими, величины отклонений на графиках представлены как результаты, рассчитанные в стандартной программе Excel.

Скачать (185KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Учет количества физиологически активных клеток бактерий в почве с использованием красителя SFDA в опытном и контрольном вариантах в трех экспериментах (а), (б) и (в) соответственно.

Скачать (447KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Динамика РОВ в почве в контроле и опыте в 3-м эксперименте.

Скачать (167KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Гармонический анализ результатов учета общего количества клеток бактерий в почве в контрольном варианте в трех экспериментах (а), (б) и (в) соответственно.

Скачать (163KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Гармонический анализ результатов учета общего количества клеток бактерий в почве в опытном варианте в трех экспериментах (а), (б) и (в) соответственно.

Скачать (151KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Гармонический анализ результатов учета количества физиологически активных клеток бактерий в почве в контрольном варианте в трех экспериментах (а), (б) и (в) соответственно.

Скачать (150KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Гармонический анализ результатов учета количества физиологически активных клеток бактерий в почве в опытном варианте в трех экспериментах (а), (б) и (в) соответственно.

Скачать (123KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024