Среди микробного населения почвы имеются микроорганизмы, связывающие молекулярный азот. Они привлекают к себе большое внимание, и им посвящена огромная литература. Значительная часть опубликованных работ обобщена в монографии Е. Н. Мишустина и В. К. Шильниковой «Биологическая фиксация молекулярного азота» (1968).
К настоящему времени выделены и описаны многие микроорганизмы, фиксирующие молекулярный азот. Однако сколь-либо подробно экология изучена у отдельных их форм. Это некоторые виды анаэробных азотфиксаторов рода Clostridium, аэробные, связывающие азот бактерий рода Azotobacter, и близкие к ним бактерии рода Beijerinckia.
Анаэробные азотфиксаторы рода Clostridium исследовались наиболее подробно В. Т. Емцевым (1966). Обобщение имеющихся данных позволяет сделать ряд выводов, часть которых была ранее опубликована. В настоящей же публикации кратко резюмируются лишь основные материалы.
Прежде всего отмечается, что почвы северной зоны (подзолы, дерново-подзолистые почвы и т. д.) содержат в верхнем горизонте (A1) значительно больше бактерий рода Clostridium, чем более южные почвы. В основной массе эти бактерии представлены в почвах севера Cl. pasteurianum. На втором месте находится Cl. butyricum. Относительно в небольших количествах в почвах находятся пектинолитические бактерии. Здесь мы не приводим дифференцировку этой группы микроорганизмов и отметим лишь, что более многочисленные из них бактерии, имеющие протопектиназу. Существенно меньше в почве бактерий, обладающих пектиноэстеразой и полигалактуроназой. Ацетонобутиловые бактерии (Cl. acetobutylicum) находятся в северных почвах в очень малом числе.
Отмеченная нами закономерность повторяется и в почвах вертикальных зон. Для примера мы приводим данные по изменению состава ряда видов бактерий рода Clostridium в горизонте At горных почв Тянь-Шаня (Казахстан). Абсолютные цифры здесь несколько иные, но закономерность остается той же, что и в почвах широтного ряда.
Дается соотношение двух видов рода Clostridium, являющихся наиболее показательными (Cl. pasteurianum и Cl. acetobutylicum) в горизонте A1 горных почв Кавказа. Здесь повторяется уже отмеченная нами закономерность.
Бактерии рода Clostridium в большей массе распространены в верхних горизонтах всех почв, более богатых органическим веществом. Они, очевидно, размножаются в микрозонах, лишенных доступа кислорода или сильно защищенных от его проникновения.
Число зародышей бактерий рода Clostridium в почве в достаточной мере динамично. Это заставляет думать, что значительная часть клеток этих микроорганизмов находится в почве в состоянии вегетативных клеток. Обычно максимальное число клеток Clostridium отмечается весной и осенью, когда в почва имеется большое количество свежего органического вещества.
Возникает вопрос, чем можно объяснить обильное размножение Cl. pasteurianum в почвах северной зоны и преобладание Cl. acetobutylicum в почвах юга?
Модельные опыты с компостированием растительных остатков показывают, что в разлагающейся массе первоначальне размножаются маслянокислые бактерии (Cl. pasteurianum и др.). Позднее, когда компост обогащается микробным белком, а возможно, и другими соединениями микробного синтеза (аминокислоты, витамины и т. д.), маслянокискые бактерии сменяются ацетонобутиловыми. Последние более требовательны к субстрату и, обладая протеолитическими свойствам, хорошо размножаются на средах, богатых протеинами.
Из отмеченного становится очевидным, что в северных почвах, где трансформация органических остатков происходит медленно, более благоприятная обстановка имеется для Clostridium pasteurianum, а в почвах южной зоны — с бурно протекающими процессами — преимущество имеет Clostridium acetobutylicum. Другой микроорганизм, на экологии которого мы задержим внимание — Azotobacter. Из ряда видов этой бактерии в почве обычно встречается Az. chroococcum. Этот микроорганизм весьма требователен к условиям среды. Он развивается лишь в достаточно увлажненных почвах, имеющих реакцию, близкую к нейтральной, обеспеченных фосфором, калием и рядом микроэлементов. Такая требовательность делает понятной причину относительно ограниченного распространения азотобактера в ряд почв.
Наши наблюдения позволяют сделать заключение, что в течение вегетационного периода в почвах, благоприятных для paзвития Az. chroococcum, численность клеток этого микроорганизма может сильно варьировать, падая иногда до величин, выявляемых стандартными методами исследования. Заключение об отсутствии в почве азотобактера может быть сделано лишь на основании динамических наблюдений.
Рассматривая вопрос о распространении азотобактера в разных почвах, начнем наш обзор с северных почв, постепенно переходя к южным.
В целинных подзолах и дерново-подзолистых почвах азотобактер практически отсутствует. Эти обычно бедные и имеющие кислую реакцию почвы непригодны для существования данного микроорганизма.
При окультуривании отмеченных почв условия для развития азотобактера улучшаются. По имеющимся данным, в окультуренных подзолах азотобактер размножается лишь в том случае, если pH (водное) бывает не ниже 6,2, а запас фосфора не меньше 0,16%.
В сильно окультуренных почвах северной зоны азотобактер обычно находится в значительных количествах. На численность его клеток здесь сильно влияет характер вносимых удобрений.
В достаточно увлажненных окультуренных почвах и в почвах гидроморфного ряда с повышенным увлажнением азотобактер обычно встречается в течение всего вегетационного периода.
Переходим к черноземным почвам. В достаточно увлажненных более северных мощных черноземах азотобактер обычно обнаруживается в течение всего вегетационного периода. Эти нейтральные, богатые почвы, благоприятны для азотобактера. В периоды некоторого иссушения почвы численность клеток азотобактера несколько снижается.
В зоне обычных и южных черноземов, при отсутствии орошения, азотобактер обычно появляется как весенний эфемер. Это отмечается многими исследователями.
Сделанные нами наблюдения позволяют предположить, что летняя депрессия численности азотобактера в значительной степени объясняется не только недостаточной влажностью, но и дефицитом доступного микробу органического вещества. Можно думать, что летом запас подвижных органических соединений истощается и азотобактер начинает вымирать. Если во взять летом образцы обычного чернозема внести сахар и увлажнить, то после короткого периода инкубирования при 25° в них обнаруживается большое количество клеток азотобактера. Одно увлажнение не дает такого эффекта.
В орошаемых черноземах азотобактер обнаруживается в течение всего летнего периода. В последнем случае создается ж только более благоприятный водный режим, но в почву поступает больше органического вещества от развивающейся растительности.
Точно так же, как в обычных черноземах, в целинных, неполивных и окультуренных каштановых почвах азотобактер обнаруживается лишь весной. Объяснение данному явлению мы даем то же, что и для почв черноземного типа.
Весьма своеобразно состояние азотобактера в серых лесных почвах. В летний период, когда в этих почвах устанавливается благоприятный температурный и водный режим для развития азотобактера, количество клеток этого организма значительна возрастает. Его развитие здесь, очевидно, летом обеспечивается достаточным количеством корневого опада и экзосмоса. В целинных сероземах и солонцах азотобактер в основном размножается как весенний эфемер. В орошаемых сероземах, г также целинных почвах этого типа, характеризующихся повышенным поверхностным или грунтовым увлажнением, азотобактер обнаруживается постоянно.
Таким образом, основные причины ограничения развития азотобактера в почве заключаются в следующих моментах: 1) кислотность почвы, 2) обеспеченность почв фосфором, некоторыми микроэлементами и доступным ему органическим веществом, 3) степень увлажнения почвы. К выводам, аналогичным нашим, приходит ряд исследователей.
Следует отметить, что азотобактер чувствителен к повышению концентрации солей и поэтому по мере увеличения засоленности почв численность его клеток уменьшается. Азотобактер может быть использован как индикатор на засоленность почвы. В сильно засоленных почвах он не размножается, хотя в литературе и отмечается существование в природе относительно солетолерантных форм азотобактера.
В субтропической и тропической зонах весьма распространены кислые почвы (латериты). В них азотобактер замещается родственным кислотоустойчивым микроорганизмом Beijerinckia имеющим ряд видов. Бактерии рода Beijerinckia резко отличаются от азотобактера по ряду физиологических признаков, что позволяет им размножаться в специфических условиях. Они могут расти в кислой среде, имеющей значение pH около 3.0, в то время как азотобактер кончает развиваться при pH меньшем, чем 5,0. Beijerinckia устойчива к высоким концентрациям алюминия, поскольку кислые почвы, в которых она обитает, содержат большое количество этого элемента. Для развития Beijerinckia, как и для процесса азотоусвоения этой бактерии, не требуется кальция. Для энергичной азотфиксации азотобактер требует значительно более высоких доз молибдена, чем Beijerinckia. Это является также приспособлением к среде обитания. В кислых почвах соединения молибдена выпадают из раствора, и микроорганизм привык существовать в среде, бедной этим элементом. Характерна для Beijerinckia и слабая потребность в фосфатах.
В кислых почвах северной зоны Beijerinckia не встречается. Здесь, очевидно, имеются какие-то факторы, депрессирующие развитие этого микроорганизма. Редко Beijerinckia обнаруживается в зоне умеренного климата, но широко распространена в почвах субтропической и тропической зон. В СССР Beijerinckia обычно встречается в красноземах Грузии.
Во влажных тропиках Beijerinckia нередко размножается на поверхности листьев разных растений, наряду с другими микроорганизмами.
В общем приведенные материалы достаточно наглядно свидетельствуют о том, что тип почвы оказывает большое влияние на состав азотфиксирующих микроорганизмов.
Среди вновь описанных бактерий, фиксирующих молекулярный азот, несомненный интерес имеют микобактерии, которые, очевидно, широко распространены в почвах. Экология этих микроорганизмов пока остается невыясненной.