Dołącz do czytelników
Brak wyników

MIKROORGANIZMY

24 lipca 2018

NR 20 (Marzec 2017)

Gleba jako środowisko życia mikroorganizmów

0 314

Gleba należy do najważniejszych i zarazem najbardziej skomplikowanych środowisk naturalnych, w których rozwijają się drobnoustroje. Glebę zasiedla ogromna liczba drobnoustrojów, które stanowią 0,2% jej ciężaru i zajmują 1,33% jej objętości. 

W 15-centymetrowej warstwie gleby, na powierzchni jednego hektara, znajduje się 1,5–7,2 t biomasy mikroorganizmów – bakterii, grzybów, glonów, sinic oraz pierwotniaków. Najwięcej mikroorganizmów znajduje się w profilu 10 cm od powierzchni oraz w ryzosferze (wokół korzeni roślin). Najczęściej występującymi grzybami są gatunki z rodzajów: Aspergillus, Mucor, Penicillium, Trichoderma, Acremonium, Candida, Rhizopus, Chrysosporium. Spośród bakterii powszechnie występują Azotobacter, Xanthomonas, Agrobacterium, Sarcina, Pseudomonas, Bacillus, Arthrobacter, Corynebacterium, Brevibacterium, Serratia, promieniowce rodzajów Actinomyces, Nocardia, Streptomyces. Większość mikroorganizmów pełni pozytywną rolę w środowisku glebowym. Bez ich udziału niemożliwe byłoby życie na Ziemi.

Pozytywna rola mikroorganizmów glebowych:

  • tworzą strukturę gleby;
  • prowadzą do rozkładu materii organicznej i uwalniają do otoczenia pierwiastki biogenne, takie jak węgiel, azot, fosfor, siarka i in.;
  • uruchamiają nieprzyswajalne formy pierwiastków;
  • wiążą toksyczne substancje, np. metale ciężkie (rtęć, arsen, kobalt, cynk);
  • mogą przeprowadzać proces detoksyfikacji gleby, poprzez rozkład nadmiaru detergentów, pestycydów i innych substancji skażających środowisko;
  • chronią system korzeniowy roślin przed patogenami;
  • produkują metabolity wtórne, takie jak antybiotyki, wodorocyjanki; 
  • biorą udział w promowaniu wzrostu roślin poprzez wydzielanie enzymów i hormonów wspomagających wzrost roślin oraz wydzielają siderofory ułatwiające wiązanie żelaza, jak również chronią przed patogenami.

Kwasy organiczne i nieorganiczne produkowane przez mikroorganizmy (np. kwas siarkowy) powodują rozpad i rozpuszczanie się trwałych związków mineralnych: potasowych, wapniowych, magnezowych, krzemowych i żelazowych. Metabolity bakteryjne o charakterze śluzu, strzępki grzybów i promieniowców oraz tworzone przez mikroorganizmy związki humusowe spajają niewielkie gruzełki gleby w większe agregaty. Stwarzają w ten sposób lepsze warunki fizyczne do rozwoju bakterii tlenowych i korzeni roślin, stabilizują glebę, przeciwdziałają erozji, zwiększają przewietrzenie gleby, zatrzymują wodę i zabezpieczają glebę przed wysychaniem, zwiększają zawartość rozpuszczalnych w wodzie związków organicznych i mineralnych.

Przemiany węgla

Mikroorganizmy glebowe posiadają zdolność do rozkładu resztek roślinnych trafiających do gleby. Materiał ten bogaty jest w polisacharydy, głównie w celulozę, hemicelulozy, skrobię. Celuloza wprowadzona do gleby ulega rozkładowi mikrobiologicznemu w ciągu kilku miesięcy. Jako pierwsze na celulozie rozwijają się grzyby, których enzymy mają dużą zdolność penetracji. Najczęściej są to gatunki z rodzajów Agaricus, Alternaria, Aspergillus, Penicillium, Fusarium, Chaetomium oraz Trichoderma. W następnej kolejności pojawiają się bakterie, promieniowce i pierwotniaki. Wśród bakterii cellulolitycznych występują m.in. te z rodzaju Cytophaga, Sporocytophaga, Cellulomonas, Pseudomonas.

Hemicelulozę rozkładają mikroorganizmy produkujące enzymy hydrolityczne – ksylanazę, mannazę, glukanazę. Są one produkowane przez bakterie rodzaju Sporocytophaga oraz niektóre gatunki z rodzaju Clostridium. Skrobia rozkładana jest przez bakterie (np. Bacillus subtilis), promieniowce i grzyby (Aspergillus oryzae, A. niger). 

W glebie znajdują się związki aromatyczne (lignina, pochodne fenolu, chinony). Lignina wyróżnia się dużą odpornością na rozkład biologiczny. Tylko niektóre mikroorganizmy posiadają enzymy (lakkazę i tyrozynazę) zdolne do jej rozkładu. Mikroorganizmy posiadające taką zdolność to m.in. bakterie glebowe z rodzajów: Azotobacter, Xanthomonas, Pseudomonas, Agrobacterium, grzyby glebowe z rodzajów: Aspergillus, Penicillium, Trichoderma, Chaetomium. 

Obieg fosforu

Fosfor jest jednym z podstawowych pierwiastków biogennych, zarówno znajdujących się w strukturach komórkowych, jak i biorących udział w procesach metabolicznych. Fosfor mineralny występuje w glebie, ale także w skałach, osadach


Rys. 1. Obieg fosforu w glebie

­dennych wód, przeważnie w formie nierozpuszczalnej. Jest głównie związany z wapniem, magnezem, żelazem lub glinem. Ze względu na małą rozpuszczalność tych związków w wodzie ich dostępność dla roślin i różnych organizmów jest ograniczona. Drobnoustroje posiadają zdolność do przekształcania fosforanów (V) w formę rozpuszczalną, czyniąc je dostępnymi dla różnych organizmów i roślin. Należą do nich bakterie nitryfikacyjne, siarkowe, wytwarzające silne kwasy, takie jak azotowy (V) lub siarkowy (VI). Stopniowo rozpuszczane i uwalniane jony fosforanowe są przemieniane w estry oraz kwas fosforowy (V) i pobierane przez rośliny w postaci soli zasadowych. Obieg fosforu przedstawiony został na schemacie.

Przemiany siarki

Drobnoustroje utleniające związki siarki podzielono na trzy grupy:

  • nitkowate bakterie siarkowe z rodzaju Beggiatoa, Thiothrix, Thioploca – utleniają obecny w środowisku siarkowodór do siarki, którą odkładają w swoich komórkach, a przy braku H2S utleniają siarkę do siarczanów (VI)
    H2S + 0,5 O2 = H2O + S
    2S + 3O2 + 2H2O = 2H2SO4
  • tlenowe pałeczki z rodzaju Thiobacillus i Acidithiobacillus, które w warunkach tlenowych utleniają siarkę elementarną do siarczanów (VI)
    Przykładowa reakcja przeprowadzana przez Thiobacillus thiooxidans
    S + 1,5 O2 + H2O = H2SO4
    Na2S2O3 + 2O2 + H2O = 2NaHSO4
    Przemiana cyjanosiarczku amonu w siarczan amonu przeprowadzana przez Thiobacillus thiocyanooxidans:
    NH4CNS + 2O2 + 2H2O = (NH4)2SO4 + CO2
  • bezwzględnie beztlenowe bakterie, które utleniają siarczki do siarki elementarnej lub siarczanów (VI).

W warunkach beztlenowych siarczany (VI) mogą być również redukowane do H2S przez bakterie desulfurykacyjne należące m.in. do rodzajów Desulfovibrio i Desulfotomaculum, spotykane w glebach zalewowych. 

Przemiany żelaza

Utlenianie i redukcja związków żelaza zachodzą w glebie na drodze mikrobiologicznej. Utlenianie żelaza Fe2+ do Fe3+ przeprowadzają bakterie żelazowe, uzyskując w ten sposób energię do asymilacji CO2.

4FeCO3 + O2 + 6H2O = 4Fe(OH)3 + 4CO2 + energia

Do bakterii żelazowych zaliczamy m.in. następujące rodzaje: Leptothrix, Crenothrix, Cladothrix.

Mikroorganizmy występujące w glebie można podzielić na dwie grupy: 

  • autochtoniczne, typowe dla środowiska glebowego, występują zawsze, nawet w glebach nieuprawianych; 
  • zymogenne, które bytują w glebie okresowo i rozwijają się po wprowadzeniu do gleby substancji organicznej.

Wśród autochtonów występują wszystkie grupy mikroorganizmów (archeony, bakterie, grzyby, wirusy) oraz glony i pierwotniaki. Przeważnie są to organizmy saprotroficzne, bytujące na martwej substancji organicznej, tlenowe, rosnące powoli, niefermentujące sacharydów. Do autochtonów należą m.in. bakterie z rodzajów: Bacteroides, Bacillus, Enterobacter, Escherichia, Flavobacterium, Micrococcus, Leconostoc, Legionella, Azotobacter, Arthrobacter, Nitrosomonas, Nitrobacter, Pseudomonas, Serratia, Clostridium, Rhizobium, Mesorhizobium, Bradyrhizobium.

Organizmy zymogenne mogą okresowo przebywać w glebie w stanie anabiozy, gwałtownie rozwijać się w odpowiednich warunkach. Należą do nich bakterie z rodzajów: Bacillus, Pseudomonas, Escherichia, Proteus, Corynebacterium, różne gatunki mikroorganizmów termofilnych. Obecność mikroflory zymogennej jest ściśle związana z działalnością człowieka. 

Źródłem jej mogą być:

  • odchody zwierząt i ludzi;
  • ścieki bytowo-gospodarcze z gospodarstw rolnych;
  • nawozy naturalne wzbogacające glebę w składniki organiczne, w postaci obornika, gnojówki, kompostów roślinnych;
  • opady atmosferyczne zmywające obszary zamieszkałe przez ludzi oraz środowiska przemysłowe zawierające również mikroflorę patogenną;
  • gryzonie i owady będące wektorami (przenośnikami) organizmów chorobotwórczych. 

W glebie zanieczyszczonej odchodami lub szczątkami zwierząt i roślin oraz ściekami mogą występować okresowo mikroorganizmy chorobotwórcze stanowiące duże zagrożenie sanitarne dla ludzi, np. laseczki wąglika Bacillus anthracis, beztlenowe laseczki Clostridium tetani (wywołujące tężec), laseczki jadu kiełbasianego (Clostridium botulinum), pałeczki fekalne Salmonella i Shigella, niektóre serotypy Escherichia coli, a także prątki gruźlicy oraz bakterie wywołujące brucelozę.

Czynniki, które decydują o rozwoju mikroorganizmów w glebie:

  • wilgotność gleby,
  • żyzność (dostępność substancji odżywczych),
  • wartość pH,
  • temperatura (warunki klimatyczne),
  • struktura gleby.

W 1 g gleby występuje: 

  • od kilku tysięcy do kilku miliardów komórek bakterii;
  • od 75 tys. do 1,5 mln zarodników grzybów;
  • od 100 tys. do 2–3 mln glonów i sinic, około 700 gatunków;
  • kilka milionów pierwotniaków.

Sergiusz Winogradski (1856–1953) wykazał, że niewidzialne gołym okiem organizmy są odpowiedzialne za wiele procesów biologicznych zachodzących w glebach, w tym za przemiany związków azotu, siarki, węgla oraz obiegu składników biogennych potrzebnych dla wzrostu i rozwoju roślin, jak i zwierząt.

W glebach wilgotnych lepiej rozwija się większość bakterii i grzybów, natomiast w glebach bardzo mokrych, często wskutek braku tlenu, środowisko opanowują bakterie względnie i bezwzględnie beztlenowe. Wrażliwość na zmiany wilgotności gleby wykazują bakterie celulolityczne oraz rozkładające pektyny i białka, m.in. z rodzaju Bacillus, Clostridium, Flavobacterium, Proteus, Propionibacter...

Pozostałe 70% treści dostępne jest tylko dla Prenumeratorów.

Co zyskasz, kupując prenumeratę?
  • 6 wydań czasopisma "Biologia w Szkole"
  • Dostęp do wszystkich archiwalnych artykułów w wersji online
  • ...i wiele więcej!
Sprawdź

Przypisy