Биология почв

1. Биология почв

2. Биология почв:

Лекции – ауд. 199: понедельник,
пятница (ч/н) с 1 сентября
10.50 – 12.30
Семинары – с 18 сентября.
Практикум – с 19 сентября.
Курс состоит из 3-х частей – а) почвенная биота;
б) микробный метаболизм, круговорот биофильных
элементов; в) экология микроорганизмов.
3 коллоквиума – по каждому из разделов.

3.

Преподаватели: проф., д.б.н. Степанов А.Л.
проф., д.б.н. Зенова Г.М.
проф., д.б.н. Манучарова Н.А.
доц., к.б.н. Костина Н.В.
с.преп., к.б.н. Грачева Т.А.
м.н.с., к.б.н. Закалюкина Ю.В.

4. Биология почв как наука

Биология почв — комплексная наука, на стыке биологии и почвоведения.
Составные части биологии почв
- Почвенная биота (характеристика
населяющих почву организмов,
биоразнообразие)
- почвенная микробиология
- Функции почвенной биоты (роль
почвенных организмов в
превращении веществ и энергии)
- почвенная микология
- Экология почв (особенности
почвы как среды обитания,
микробные популяции и
сообщества)
- почвенная протистология
- почвенная альгология
- почвенная зоология
- почвенная биохимия

5. Как готовиться к экзамену

Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв. М.: Изд-во МГУ, 1983, 248 с.
Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв. 2-е изд. М.: Изд-во МГУ, 1989, 336 с.
Звягинцев Д.Г., Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв. 3-е изд. М.: Изд-во МГУ,
2005, 445 с.
Звягинцев Д.Г. Почва и микроорганизмы. М.: Изд во МГУ, 1987, 256 с.

6.

Что такое почва?
Кора выветривания
Почва
В чем различие?

7.

Почва - среда обитания.
Отличительные черты почвы:
1. Почва насыщена живыми организмами. Число микробных клеток достигает
2-10 млрд в 1 г. почвы.
2. Присутствие органического вещества в форме гумусовых соединений.

8.

Почва - среда обитания:
Корни растений, семена и споры, лишайники,
актинолищайники, почвенные животные, водоросли,
эубактерии и археи, грибы, актиномицеты.

9. Что такое «почва»?

Почва – поверхностно лежащие
минерально-органические образования,
которые всегда более или менее
окрашены гумусом и являются
результатом взаимной деятельности
живых и отживающих организмов,
материнской горной породы, климата и
рельефа местности.
Что такое «почва»?
В.В.Докучаев

10. Когда нет жизни…

Северо-Восточная Земля, Россия
Высохшее соленое озеро Салар де Уюни, Боливия
Долина Смерти, Калифорния, США
Марс

11. Почва – результат жизни

12. Роль почв в эволюции жизни

«Анализ условий обитания животных в почве дает возможность раскрыть
исключительное значение почвы в эволюции животного мира, в процессе
освоения суши исходно-водными организмами»
(М.С.Гиляров, 1949)
Девонский ландшафт

13. Владимир Иванович Вернадский— крупнейший русский ученый

Ученик В.В.Докучаева и Д.И.Менделеева
более 20 лет преподавал в Московском
университете
Вернадский называл почву «биокосной
системой», в основе функционирования
которой лежат биохимические процессы.
Живую часть почвы (совокупность всех
организмов) называл «живым веществом»
почвы.
Результатом деятельности организмов
является создание азотно-кислородной
земной атмосферы, изменения
гидросферы и литосферы.

14. Значение почвенных организмов

Человек, в сущности, совершенно не
думает о том, что у него под ногами.
Всегда мчится... И самое большее –
взглянет, как прекрасны облака у него
над головой. ...И ни разу не поглядит
себе под ноги, не похвалит: как
прекрасна почва!
Писатель Карел Чапек
Именно
благодаря
деятельности
микроорганизмов смогла возникнуть на
суше основа существования растений,
животных и человека – плодородная
почва
академик М.С.Гиляров

15. История почвенной биологии

16. Антони ван Левенгук 1632-1723

17. Самозарождение жизни

Джон Тербервилл Нидхем
1713-1781
Лаццаро Спалланцани
(1729-1799)
Франческо Реди 1626-1698

18. Луи Пастер 1822-1895

Открыл возможность жизни без
кислорода (анаэробиоз)
Описал различные типы брожения
Окончательно доказал
невозможность самозарождения
жизни (с помощью «колбы
Пастера»)
Изучение природы многих
инфекционных заболеваний
растений, животных и человека
(виноград и вино, шелковичный
червь, бешенство)
Сделал первые прививки (от
бешенства)
Процесс «пастеризации»
Колба Пастера

19. Лаборатория Пастера в Музее в Париже

20. Усыпальница Пастера

«Благодарное человечество – своему
благодетелю!»
Правительство Франции выделило
место в Пантеоне, однако потомки
Пастера получили разрешение
захоронить его в Институте, где он жил
и работал.

21. Роберт Кох 1843-1910

Один из основателей медицинской
микробиологии.
Выделил около 25 возбудителей
важнейших инфекционных болезней
(сибирская язва, тубуркулез, холера,
брюшной тиф и др.
Разработал метод выделения чистых
культур на плотных средах
Триада Коха (доказательство того,
что микроб является возбудителем
заболевания):
- микроорганизм постоянно встречается в
организме больных и отсутствует у здоровых
- микроорганизм должен быть изолирован в
чистую культуру
- при заражении чистой культурой –
заболевание и повторное выделение от
зараженного

22. Плотные среды

Колонии бактерий на
срезе картофеля
Агаровые питательные
среды
Посев
Выросшие колонии
Агар

23. Виноградский Сергей Николаевич 1856-1953 — первый почвенный микробиолог

Виноградский
Сергей Николаевич 18561953 — первый почвенный
микробиолог
1887г. — открыл хемосинтез автотрофный способ жизни за счет
энергии окисления неорганических
соединений
Создал метод элективных сред,
позволивший выделить
нитрифицирующие и азотфиксирующие
бактерии
Изучал анаэробную фиксацию азота,
аэробное разложение целлюлозы,
превращение гумусовых веществ под
действием микроорганизмов

24. Мартинус Бейеринк 1851-1931

Основоположник так называемой «Голландской
школы» микробиологов, отличительной чертой
которой был химический уклон в исследовании
микроорганизмов – возбудителей различных
процессов.
Исследования азотфиксации, открыл
симбиотические клубеньковые азотфиксирующии
бактерии
Разработал метод накопительных культур
Постулат Бейеринка: «Все есть всюду, но среда
отбирает»

25. Лаборатории и ученики Голландской школы в Дельфте

26. Василий Леонидович Омелянский

Крупнейший русский микробиолог
Автор одного из первых учебников по
микробиологии «Основы микробиологии»
Выделил бактерии, разлагающие целлюлозу
Открыл метанообразующие бактерии
Исследования нитрификации и
азотфиксации
1867 – 1928

27. Георгий Адамович Надсон

Основоположник русской школы
микробиологов, для которой
характерна экологическая
направленность изучения
деятельности микроорганизмов в
природных субстратах
Доказал на низших грибах
возможность искусственного
получения мутаций под действием
ионизирующего излучения.
Репрессирован.
Реабилитирован посмертно
1867-1942

28. Николай Александрович Красильников 1896-1973

Ученик Г.А.Надсона.
Рассматривал жизнь почвенных
микроорганизмов в единой системе с
высшими растениями.
Создал определители бактерий и
актиномицетов
В 1953 году основал первую в мире
кафедру биологии почв в Московском
университете.

29. Основные направления исследований Н.А.Красильникова (и кафедры биологии почв)

1. Строение, развитие и экология почвенных
микроорганизмов: дрожжей, бактерий, актиномицетов.
2. Разработка принципов систематики микроорганизмов,
создание классификационных систем, описание новых
таксонов.
3. Физиологически активные вещества микробного
происхождения и их функции в экосистемах, их
применение в растениеводстве, антагонизм микробов и
антибиотики, микробные токсины.
4. Почва как среда обитания микроорганизмов, роль
микроорганизмов в создании почвы и почвенного
плодородия; взаимодействие микробных клеток с почвой
и корневыми системами растений.

30. Евгений Николаевич МИШУСТИН (1901-1991)

Советский микробиолог, академик АН СССР (1974),
Герой Социалистического Труда (1981).
Множество трудов по общей микробиологии,
сельскохозяйственной микробиологии,
биологической фиксации азота, санитарной
микробиологии.
Установил закономерности географической
зональности распространения почвенных
микроорганизмов,

31. Меркурий Сергеевич Гиляров 1912-1985

Специалист в области энтомологии,
биогеоценологии.
Разработал методы борьбы с почвенными
вредителями.
Разработал зоологические методы
диагностики почв.
Награжден золотой медалью им.
И.И.Мечникова (1978)
Книга М.С.Гилярова «Почвенная фауна и
жизнь почвы» положила начало развитию
почвенной зоологии как раздела
почвоведения В Московском университете.

32. Почвенные альгологи

Максимилиан Максимилианович
Голлербах
1907 – 1989
Эмилия Адриановна
Штина
1910 – 2007

33. Селман ВАКСМАН 1888–1973

Американский микробиолог, удостоенный
в 1952 Нобелевской премии за открытие
стрептомицина – антибиотика
актиномицетного происхождения, который
спас жизни многим раненым во время
Великой Отечественной Войны
Родился в Одесской области, во время
первой Мировой войны семья переехала
в США.

34. Почвенные микологи

Артур Артурович Ячевский
1863—1932
Татьяна Георгиевна Мирчинк
1927-2009

35. Почвенная протистология

Гельцер Юлий Георгиевич
(1932-1997)
Простейшие (Protozoa) как компонент почвенной биоты
Определители почвенных простейших
Методы зоодиагностики почв, лаборатория биодиагностики почв

36. Дмитрий Григорьевич Звягинцев

Заведующий кафедрой биологии почв с
1973 по 2009 гг.
Основные направления:
Адгезия микробных клеток на твердых
поверхностях почвенных частиц.
Специфика почвы как среды обитания
микроорганизмов.
Участие почвенных микроорганизмов в
многочисленных биогеоценотических
функциях почв.
Сформулировал основные принципы и
концепции строения и
функционирования комплекса
почвенных микроорганизмов

37. Итак, биология почв изучает:

Микробное разнообразие в почвах и биогеоценозах в целом.
Новые микроорганизмы с необычными и полезными свойствами –
продуценты антибиотиков, витаминов, ферментов, гормонов.
Роль почвенных микроорганизмов в поддержании гомеостаза в биосфере,
чистоты почвы, атмосферы и грунтовых вод
Роль микроорганизмов в круговороте биофильных элементов в природе,
превращении азота, углерода и других элементов в почве.
Взаимодействие микроорганизмов с растениями и животными.
Проблемы экологии почвенных организмов (от математического
моделирования до молекулярной и генетической экологии).
Биохимическую и ферментативную активность почв
Вопросы использования почвенных микроорганизмов в биотехнологии,
процессах повышения почвенного плодородия и ремедиации почв.

38. Методы почвенной биологии

39. Микроскопическая техника

Методы микроскопирования
Обычная световая
микроскопия
Люминисцентная
микроскопия
Сканирующий электронный
микроскоп
Просвечивающий электронный
микроскоп

40. Световая микроскопия

41. Люминисцентная микроскопия

42. Сканирующая электронная микроскопия

43. Метод предельных разведений

Количество клеток

44. Метод посева

Образец почвы
Суспензия
Вортекс
Ультразвуковой
дезинтегратор
Стерильная
вода
RPM
Десорбирование
Посев суспензии
на питательную среду
Инкубация
Выделение
чистых
культур
Подсчет колоний
Приготовление разведений

45. Метод посева: как это выглядит

46. Питательные среды

Естественные
- Мясо-пептонный бульон
- Пивное сусло
- Овощные отвары
- Сенной настой
Синтетические
- Среда Эшби
- Среда Чапека
- Крахмало-аммиачная
Пример синтетической среды
(среда Чапека)
Сахароза – 30 г
NaNO3 – 3 г
KH2PO4 – 1 г
MgSO4×7H2О – 0,5 г
KCl – 0,5 г
FeSO4×7H2O – 0,01 г
Агар-агар – 15 г

47. Молекулярно-биологические методы: анализ суммарной ДНК

Камера для
электрофореза
Центрифугирование
Фильтрование
Отделение микробных клеток
Разрушение
клеточных стенок
(лизоцим)
Амплификатор
Амплификация генов
16S рРНК
Градиент температуры (TGGE) или
концентрации денатурирующего
вещества (DGGE)
Молекулярно-биологические методы: анализ
суммарной ДНК Градиентный гель-электрофорез
Природный образец
Гелевая пластинка

48. Гель-электрофорез: как это выглядит

Амплификаторы

49. Молекулярно-биологические методы, основанные на использовании ДНК-зондов: метод FISH

Клетки в
исходном
образце
Флюоресцирующая
молекула
Комплементарная
олигонуклеотидная
последовательность
Рибосомальная РНК
Фиксация
Фиксированные клетки
Рибосомы
Фиксированный
препарат
Олигонуклеотидные
последовательности, связанные с
флуоресцирующей молекулой
Результат: окрашены
только клетки с комплементарными
последовательностями рРНК,
они светятся в люминисцентном
микроскопе

50. Функциональная структура микробного сообщества: метод мультсубстратного тестирования (МСТ)

Отбор проб
Инкубация
Приготовление
суспензии
Регистрация
Раскапывание планшетов
Анализ данных
Основан на определении способности микробного
сообщества к утилизации различных источников углерода. В
каждую лунку планшета вносится определенный источник
углерода, исследуемая суспензия микроорганизмов и
индикатор. После инкубации степень окраски лунки зависит от
активности потребления субстрата.

51.

52.

53. Изменения в структуре сообщества:

6,9%
93,1%
21,3%
78,7%
36,4%
63,6%
Численность
5.0E+08
4.5E+08
4.0E+08
3.5E+08
3.0E+08
Бактерии
2.5E+08
Археи
2.0E+08
1.5E+08
1.0E+08
5.0E+07
0.0E+00
Контроль
Метан и
нитраты
Метан и
сульфаты

54.

Recent advances:
Mapping location of active bacteria
How micro-organisms are distributed in the soil?
Blue = 28SiGreen = 12C14N- (represents organic matter)
Red = 15/14N ratio images (distribution of 15N enriched P. fluorescens)
Herrmann et al 2007
Rapid Comm Mass Spec 21, 29-34