Как видно из приведенного обзора, термофильные микроорганизмы встречаются довольно часто как в южных, так и в северных почвах.
Если на первый взгляд их нахождение в почвах южной зоны кажется вполне понятным, то невольно возникает вопрос — в силу каких причин появляются они в северных почвах?
У весьма многих исследователей, если не у большинства, сложилось впечатление, что при известной обстановке термофильные микроорганизмы могут довольно энергично размножаться в почвах умеренного климата. Так, например, Мигула полагал, что инсоляция обеспечивает в летний период времени развитие термофилов в почве. Он установил отсутствие в лесных почвах бактерий, развивающихся при повышенной температуре, что и объяснял плохой прогреваемостью подобных почв солнечным светом.
С указанным представлением вполне, как будто, согласуются факты, сообщенные Глобигом, который находил термофилов лишь в поверхностных слоях почвы. Однако материалы, опубликованные Самес, весьма убедительно показывают, что инсоляция если и обеспечивает развитие термофилов в почвах более северной полосы, то лишь весьма кратковременно, и вряд ли она может рассматриваться в качестве основного фактора, определяющего распространение термофилов.
Кох и Гоффманн (Koch u. Hoffmann, 1912) на основании проведенной ими экспериментальной работы высказывают мнение, что в почве термофилы могут размножаться при более низкой температуре, чем на искусственных питательных средах. Эти исследователи проводили опыты с двумя типичными термофильными палочками, не развивавшимися на агаровых средах при 25—28°.
В том случае, если этими микробами инфицировали стерильную почву, то при 28—30° можно было отметить некоторое нарастание числа зародышей термофильных бактерий. В колбах, выдерживаемых при 52°, шло энергичное их размножение.
Кох и Гоффманн не дают цифрового материала, но их высказывания, изложенные в общей форме, не очень убеждают читателя в описанных им экспериментах. Наши исследования не позволяют говорить о сколько-нибудь энергичном размножении термофилов в почве при обычных температурах, особенно в северной зоне.
Опытная проверка не оправдала также предположения о том, что в анаэробных условиях термофилы довольно активно развиваются при низких температурах. Последняя точка зрения в свое время была высказана Рабинович.
К настоящему времени не существует убедительных доказательств того, что термофильные микроорганизмы могут успешно размножаться в почве при относительно низких температурах. В условиях средней полосы лишь разогревающиеся органические вещества могут рассматриваться как естественная среда для термофильных микроорганизмов. В субстратах последнего рода должно быть сосредоточено большое количество термофилов, так как греющиеся органические массы содержат обычно значительный запас питательных веществ, необходимых для сапрофитных термофильных микроорганизмов.
Для уточнения следует указать, что отмеченные нами положения не исключают весьма слабого размножения термофильных и особенно термотолерантных микробов в почвах северной зоны. Кратковременный нагрев почвы в периоды интенсивной инсоляции может обеспечить их рост. Однако, как это будет показано ниже, термофильные микроорганизмы никогда не становятся заметной составной частью почвенного микронаселения. Их состояние в почвах северной полосы приближается к полуанабиотическому в течение значительной части года.
Если можно сколько-нибудь обоснованно отрицать развитие термофильной микрофлоры в почвах северной зоны, то невольно хочется верить тому, что она может успешно жить в сильно прогреваемых почвах южных стран. Не случайно, например, де Круи, изучавший почвенные термофильные микроорганизмы тропических стран, утверждает, что эти существа могут там успешно размножаться вследствие интенсивной инсоляции. Правда, в тех местах, где почва пересыхает, бактерии погружаются в состояние анабиоза, но имеются вполне благоприятные для их жизни очаги (рисовники, поливные почвы и т. д.).
Де Круи отмечает, что в тропиках уже рано утром температура почвы, согретой солнцем, поднимается до 32—40°, а в полдень — до 45—60°. Температура воды затопленных рисовников достигает почти 50°. Завертывая пробирки с агаровой средой, зараженной культурами термофилов, в черную бумагу и выставляя их на солнце, он мог убедиться, что инсоляция вполне обеспечивает развитие термофильных микробов.
Тропики — родина термофилов. Термофильные бактерии являются формами, приспособившимися к жизни при повышенной температуре в условиях жаркого климата. Вот главные положения, к которым приходит де Круи на основании своих исследований. К сожалению, какого-либо точного цифрового материала, характеризующего богатство тропических почв термофильными микроорганизмами, он не приводит.
Видовой состав тропических форм термофильных бактерий состоит, по данным де Круп, в основном из, палочковидных спорообразующих форм.
В свое время мнение о термофилах, как о типичных представителях микронаселения теплых стран, было как бы подтверждено Циклинской, изучавшей почвы антарктических местностей, Почвы эти были собраны экспедицией Шарко (Charcot). Их анализ показал отсутствие термофильных микроорганизмов.
В последнее время Егорова, изучавшая значительный набор почв Крайнего Севера, не подтвердила выводов Циклинской. В этих почвах термофильные микробы были обнаружены.
Указанные факты позволили многим авторитетным ученым рассматривать термофильные микроорганизмы как одну из естественных групп почвенного микронаселения, активно себя проявляющую в летнее время.
Так, в своем классическом учебнике «Основы микробиологии» Омелянский пишет: «Термофильные бактерии весьма распространены в верхних слоях почвы, нагреваемых солнечными лучами до 60—70°».
К убеждению о богатстве, особенно южных почв, термофильными бактериями пришли Глобиг, Крон и др. Глобиг на основании некоторых свойств изученных им термофилов указывает даже, что теплолюбивые бактерии почв Новой Гвинеи и Норвегии почти идентичны.
Ваксман и его сотрудники рассматривают термофилов как естественную составную часть микронаселения почв более южной зоны. Мы не разделяем этого взгляда. Как будет видно из приводимого ниже экспериментального материала, почвы южной зоны, хотя и содержат некоторое количество термофильных микроорганизмов, но в них этих микробов имеется не более, чем на севере. Указанное положение может быть объяснено многими причинами.
Прежде всего, взгляд де Круи, Ваксмана и других примыкающих к ним микробиологов может считаться обоснованным лишь при допущении отсутствия приспособительной реакции к условиям климата у основной массы почвенного микронаселения. В таком случае при периодических повышениях температуры почвы мезофилы оказались бы действительно не в состоянии работать, и их функция в почвенных процессах переходила бы к более приспособленной группе живых существ — термофилам.
Однако мезофильная микрофлора почвы, приспосабливаясь к условиям среды, изменяет соответствующим образом температуру своего развития. Например, большинство сапрофитных бактерий сероземов имеет температурный максимум свыше 50°. В то же время температура почвы там обычно не превышает данного уровня. Если принять во внимание этот момент, то становится непонятной причина, способствующая развитию в почве термофилов. В общем, наличие адаптированной к повышенной температуре сапрофитной микрофлоры делает ненужным существование в почве особой группы теплолюбивых микробов, Более того, можно ожидать, что последние организмы окажутся в природной обстановке недостаточно конкурентоспособными.
Совершенно очевидно, однако, что при наличии перегревов почвы и достаточной влажности термофилы в южных почвах могут размножаться. Но следует иметь в виду, что поверхностные слои почвы при их более или менее значительном нагреве быстро пересыхают и вряд ли могут служить благоприятной средой для массового развития термофильных микроорганизмов, Исключение будут, конечно, представлять почвы типа рисовников.
Мы не отрицаем некоторой динамики численности теплолюбивого микронаселения почвы, но считаем, что данные колебания не имеют большого диапазона.
О некотором размножении термофилов в почве говорит тот факт, что зародыши этих микроорганизмов весьма долго сохраняются в почве. Если бы они находились в полном анабиозе, то их число со временем заметно снижалось бы, чего не отмечается на самом деле.
Приведенные соображения должны быть подтверждены дальнейшей работой. Факты же говорят о том, что различные почвы даже одной и той же зоны неодинаково богаты термофильными микроорганизмами.
Одной из задач настоящей монографии являлось выяснение закономерностей, определяющих обогащение почв теплолюбивыми микроорганизмами. Так как для работы были взяты весьма разнообразные почвы различных географических широт — от тундры до среднеазиатских сероземов, то интересующий нас вопрос мог быть решен в довольно широком плане.
Прежде чем сообщать материалы, полученные при обследовании довольно большой коллекции почв, приведем некоторые наблюдения, показывающие ограниченную способность термофилов размножаться в почве при довольно благоприятных условиях в отношении температуры и влажности.
В описываемом ниже опыте была взята весьма загрязненная почва Люберецких полей орошения. Она была относительно богата термофилами. В почву был внесен 1% пептона, после чего она выдерживалась в термостате при 35°. На данной температуре мы остановились, исходя из того, что даже для занятых растительностью почв субтропической зоны нагрев до 35—40° может считаться максимальным. Кратковременный более сильный нагрев поверхностного слоя почвы возможен, но он быстро иссушает почву и приостанавливает развитие микроорганизмов. Влажность опытной почвы поддерживалась постоянной (60% от полной влагоемкости). Периодически из опытной почвы делались посевы на М. П. А., причем часть чашек проращивалась при 30°, вторая — при 50° и третья — при 60°. Мезофильная микрофлора в почве сильно увеличилась. Заметно возросло число бактерий, могущих развиваться при 50°. Вместе с тем микроорганизмы, растущие при 60°, численно изменились весьма мало.
Приведенный материал позволяет, заключить, что даже относительно высокая для почв температура в 35° оказывается не особенно благоприятной для развития термофилов.
Приведем данные второго эксперимента, в котором нестерильная почва Люберецких полей орошения искусственно заражалась теплолюбивыми формами микробов. В вариантах первом и втором в почву вносили культуры термотолерантных бактерий из группы Bac. mesentericus, а вариант третий инфицировался болтушкой, приготовленной из созревшего навоза, богатого термофильными микроорганизмами. В почву был внесен 1% пептона, и ее влажность поддерживалась постоянной.
В продолжение опыта одна серия колбочек выдерживалась при 30°, другая — при 40°, третья — при 50°. Периодический учет термофильных микроорганизмов производился на М. П. А., причем чашки Петри, засеянные поверхностным методом, выращивались при 60°.
В настоящем случае при 40° отмечалось вполне достоверное увеличение теплолюбивых микроорганизмов в опытной почве. Аналогичный результат тем более наблюдался при 50°. В почве, стоявшей в термостате, установленном на 30°, число термофилов практически не изменилось.
Таким образом, на основании имеющегося у нас опытного материала можно признать, что температура в 30° ни в коей мере не обеспечивает развития в почве термофильных микроорганизмов. Вероятно, в данных условиях термотолерантные формы оказываются неконкурентоспособными с мезофилами, а для сколько-нибудь заметного размножения термофилов взятая для опыта температура недостаточна.
При 35—40° и более высоком нагреве может происходить размножение микроорганизмов, развивающихся при 60°. Следует, однако, еще раз подчеркнуть, что в практической обстановке подобный нагрев обычно приводит к быстрому иссушиванию почвы и приостанавливает деятельность микроорганизмов.
В полном соответствии с изложенными данными находятся результаты, полученные при анализе созревших компостов из городского мусора. На компостирование обычно поступает довольно богатый микроорганизмами, в том числе и термофильными, материал. Если в дальнейшем условия способствуют повышению температуры, до 50—60°, то число термофильных микроорганизмов продолжает увеличиваться. В тех случаях, если температура компостов не превышает 35—40°, отмечается сильное уменьшение термофильного микронаселения. Очевидно, далеко не все зародыши термофильных бактерий дают споры, и в «относительно неблагоприятной обстановке происходит массовая гибель их клеток. Аналогичное явление было описано в работах и других исследователей. Это еще раз свидетельствует о том, что температура ниже 35—40° не обеспечивает заметного размножения термофилов в естественных, не стерильных субстратах, в которых при отсутствии элективных (в отношении температуры) условий сильно может сказываться антагонистическое действие мезофилов.
Помимо лабораторных опытов, нами были осуществлены и полевые наблюдения за динамикой числа термофильных микробов в почве. Из ряда подобных экспериментов один был проведен на полях Долгопрудного опытного поля (подзолистые суглинки), другой — в Институте картофельного хозяйства (подзолистые супеси) и третий — в Киргизии, на территории Ботанического сада гор. Фрунзе (сероземная почва). Наличие столь контрастных по своему положению точек делает возможным получение обобщенных выводов для весьма различных географических зон.
Первоначально разберем данные, полученные при работе под Москвой (Долгопрудное опытное поле и Институт картофельного хозяйства). В обоих случаях было взято несколько фонов, отличавшихся характером применявшегося на них удобрения. Одни из делянок длительное время не удобрялись совершенно (контроль), другие получали в разных дозах навоз, третьи — минеральные удобрения. Часть опытных делянок засевалась овсом (1-я серия), часть занималась картофелем (2-я серия).
Периодически, примерно раз в месяц, опытные почвы анализировались на присутствие в них термофилов посевом на М. П. А. Посев выращивался при 60°.
При ознакомлении с таблицей бросается в глаза, что почвы, удобрявшиеся навозом, значительно богаче термофильной микрофлорой. Это объясняется внесением данных бактерий в почву с навозом, который чрезвычайно богат термофилами. Тем не менее, в каждой отдельной делянке за вегетационный период число термофильных микроорганизмов существенно не колебалось. Наблюдаемые отклонения не имеют закономерного характера, и по существу при различных анализах получаются цифры одного порядка. Имеющиеся расхождения можно объяснить отчасти неизбежное пестротой почвенных проб, а отчасти некоторой сезонной динамикой термофильных бактерий. Для беспристрастного наблюдателя совершенно очевидно, что говорить о каком-то значительном размножении термофильных микроорганизмов в подзолистой почве в течение теплого периода года не приходится.
Аналогичный опыт осуществлен был нами в Киргизии. На территории Фрунзенского ботанического сада с ряда участков в течение вегетационного периода брались пробы. В них определялось число термофильных бактерий. В отношении увлажнения опытные участки находились в разных условиях. Бывшие под сельскохозяйственными культурами почвы периодически орошались, целинный участок в течение лета был сильно иссушен. Проба№ 3 бралась у регулярно снабжавшегося водой арыка из зоны, куда подавалась капиллярными силами влага. Почва здесь в течение всего вегетационного периода была покрыта зеленой травой.
Данные показывают, что даже летом на юге в почве не происходит достоверно устанавливаемого размножения термофильных бактерий Увлажненная почва не может нагреться до благоприятной для них температуры. Почва с ограниченным запасом влаги при нагревании иссушивается, и размножение микроорганизмов приостанавливается. Нетрудно установить, что южные почвы нередко бывают беднее термофильными микроорганизмами, чем северные.
Излагая нашу точку зрения на возможность размножения термофилов в почвах, мы должны остановиться на появившейся в 1939 г. работе Ваксмана, Умбрейта и Кордон. В данном исследовании указывается, что число термофилов в почве не константно и определенно варьирует в течение отдельных сезонов года.
Ошибку американских исследователей мы объясняем тем, что Ваксман и сотрудники при проращивании бактерий начатках Петри пользовались термостатом на 50°, а не на 60°. Как это следует из наших работ, при 50° могут развиваться весьма многие мезофильные бактерии. То же самое отмечают Былинкина и Макарова, работавшие с микрофлорой навоза.
Таким образом, учет, производящийся при 50°, выявляет не только термофильную микрофлору, но при данных условиях прорастает значительное число мезофилов, адаптированных к перенесению повышенных температур.
Богатство удобренных навозом почв термофильными микроорганизмами было отмечено Ваксманом, Веркманом и Вивером, Джемсом и др.
Изложенный выше материал позволяет сделать вывод, что термофильные микроорганизмы не могут в почвах значительно размножаться. На севере температура почвы слишком низка, а на юге при периодическом сильном нагреве почвенный слой пересыхает, и это приостанавливает жизнедеятельность микроорганизмов. В значительной мере размножение термофилов может ограничиваться антагонистическим действием мезофилов, лучше адаптированных к условиям среды.
В отдельных постоянно влажных очагах на юге не исключается возможность более или менее значительного размножения термофилов. К подобным местам могут принадлежать рисовники.
В заключение мы считаем полезным привести некоторые данные, рисующие температуру южных почв в летнее время. В более северной зоне (под Москвой) температура почвы и подавно неблагоприятна для размножения теплолюбивой микрофлоры.