НИТРИФИЦИРУЮЩИЕ МИКРООРГАНИЗМЫ

С.Н. Виноградский

Смотрите также:

Биография Виноградского

Микробиология

Почва и почвообразование

Почвоведение. Типы почв

Геоботаника

 Биографии биологов, почвоведов

Эволюция

Биология

Эволюция биосферы

Геология

Основы геологии

Геолог Ферсман

Геохимия - химия земли

Гидрогеохимия. Химия воды

Минералогия

Химия почвы

Круговорот атомов в природе

Книги Докучаева

Происхождение жизни

Вернадский. Биосфера

НОВЫЕ РАБОТЫ ПО НИТРИФИКАЦИИ 

Т. Y. Kingma Boltjes. Onderzoekingen over nitrificeerende Bacterien. «These», 191 p., Delft, 1934.

—        IJntersuchungen iiber die nitrifizierenden Bakterien. «Arch. f. Mikr.», Bd. 6, 1935, SS. 80—138.

Helene Winogradsky. Sur la flore nitrificatrice des boues activees de Paris. «С. R. Ac. Sc.», t. 200, 1935, p. 1886.

—        On the Number and Variety of Nitrifying Organisms. «Trans. 3-е Int. Congr. Soil Science», t. 1, 1935, pp. 138—140.

Hornst E n g e 1. Zur Physiologie der Nitrification-organismen im natiirlichen Boden. II. Der Einflussier Glucose aaf die Nitrification. «Zentr. f. Bakt.», Bd. 90, SS. 385— 397.

Gopala Rao. Newer Aspects of Nitrification. I. «Soil Science», t. 38, 1934, pp. 143—159. Gino de Rossi. Chemical Nitrification in Soil. «Trans. 3-е Int. Congr. Soil Science».

t. 1, 1935, pp. 135—137. A. Steven Corbet. The Biological and Chemical Oxydation of Ammonia to Nitric Acid. «Trans. 3-е Int. Congr. Soil Science», t. 1, 1935, pp. 133—134.

Диссертация Кингма Болтьес представляет собою прекрасную книгу в 191 страницу, богато иллюстрированную 41 превосходными фотограммами. Имеется немецкий перевод той же работы.

Кингма Болтьес снова берется ab ovo за исследования организмов нитрификации. Он строго придерживается способа, применявшегося Виноградским более 40 лет назад, внося, как это и следует, все усовершенствования современной техники.

Являются ли возбудители окисления в нитриты и окисления в нитраты строго автотрофными бактериями?

Являются ли они ввиду этого неспособными воздействовать на органические питательные вещества? Действительно ли они не выносят последних даже в малых количествах? Действительно ли способны к нитрификации те многочисленные гетеротрофные виды, которым различные ученые приписывали такую роль? Все эти возбуждавшие столько споров вопросы Кингма Болтьес вновь поднимает и подвергает изучению в безупречных опытах. Утонченная техника выделения позволяет ему изолировать нитритных бактерий в совершенно чистом виде скорее, чем это было возможно прежде (однако он все же затрачивает для этой цели по крайней мере пять недель). Ему удается, благодаря применению микроманипулятора, выделить одну клетку, которая даже изображена на фотограмме вполне изолированно.

Таким образом, совершенная техника выделения чистой культуры достигнута. Что касается результатов опытов, то ответы на приведенные выше вопросы во всех отношениях тождественны с теми, которые дал Виноградский в своих старых исследованиях.

Усовершенствованная техника не принесла, таким образом, ничего существенно ноиого; тем не менее мы охотно признаем за этой работой большое значение, так как она должна положить конец разногласиям, слишком долго процветавшим в этой области.

К сожалению, соответствие является полным не по всей линии, особенно, когда дело идет о морфологических особенностях нитрозобактерий. Автор отрицает данные, послужившие Виноградскому основанием для признания у нитрозобактерий существования трех родов, причем род Nitrosocystis отличается от Nitrosomonas только преобладанием зооглей и цист. Кингма Болтьес доказал, как он считает, что, исходя из одной клетки, можно получить то развитие свободных клеток, то зооглеи; следовательно, Nitrosomonas и Nitrosocystis являются одним и тем же организмом. Из этого факта можно извлечь урок, а именно, исследователь, хотя бы и самый опытный, непременно впадает в ошибку, как только он берет на себя смелость отклониться от классического принципа чистой культуры.

Такая критика теряет всякое основание, если признать, что выделенная Кингма Болтьес форма, называемая им Nitrosomonas, в действительности является по терминологии Виноградского Nitrosocystis, т. е. бактерией, образующей преимущественно зооглеи, которые время от времени рассеиваются, освобождая свои клетки. При работе с микроманинулятором невозможно, разумеется, выбирать в смеси мельчайших клеток, и вот случай натолкнул его как раз на клетку, принадлежащую к роду, автономное существование которого он не желает признавать. Возражение, заключающееся в том, что здесь состояние рассеяния бывает более продолжительным и возобновляется чаще, чем у рас, описанных Виноградским и Ромеллем, не противоречит нашему диагнозу: ведь существование рас, у которых известные признаки сглаживаются или усиливаются, представляется весьма вероятным в этой еще так мало изученной группе по аналогии со столькими другими группами микробов. Одного взгляда на фотограммы автора достаточно, чтобы, сравнив их с прежними исследованиями Виноградского, убедиться, что его бактерия совсем непохожа на классическую Nitrosomonas, выделенную из почв Франции и Швейцарии. Она отличается ничтожными размерами (сравнение сделано при увеличении в 1000 раз), коккообразной формой, слабой подвижностью. или даже полным отсутствием ее (судя по тому, что автор об этом вовсе не упоминает).

Чересчур односторонний метод автора скрыл от него и тот факт, что во всех почвах существует несколько рас нитрифицирующих бактерий, довольно ясно отличающихся друг от друга по вторичным признакам. Отсюда следует, что физиологические наблюдения, сделанные разными учеными, не сравнимы между собой во всех деталях; ранее полученные данные не могут быть поэтому опровергнуты на основании новых наблюдений над случайно попавшейся расой.

Из указанного выше разногласия можно скорее извлечь тот урок, что исследователь должен всегда обладать известной свободой суждения, даже если дело идет о классическом методе, освященном долгим применением. Если бы Кингма Болтьес, например, не находился под влиянием предвзятой точки зрения, а просто культивировал бы известное число рас на пластинках кремнекислого геля в строго одинаковых условиях по указаниям Виноградского, он легко заметил бы, что характер развития рас, образующих свободные клетки, с одной стороны, и зооглейных рас, с другой, остается правильным и постоянным в течение многих л е т. Наблюдатель, обязанный считаться с таким фактом, не может, следовательно, не дифференцировать их, как автономные роды или группы. Самые искусные микроманипуляции не дадут аргумента, противоречащего этому заключению. Полезная и необходимая в известных вопросах строгая методика, в других может только помешать исследователю усмотреть совершенно очевидные факты.

Переходя к физиологии, Кингма Болтьес ставит вне сомнения автотроф- ную природу нитрификаторов. Но он все же констатирует якобы благоприятное действие питательного вещества Гейдена на их развитие, считая, однако, что это вещество не может заменить углекислоту, остающуюся единственным источником углерода, пригодным для данных бактерий. Он ищет объяснения в том, что указанное органическое вещество, повидимому, значительно понижает окислительно-восстановительный потенциал в культурах нитрификаторов; отсюда возникает гипотеза — не вовлекаются ли входящие в него элементы тем или другим путем в процесс ассимиляции. Не утверждая этого, как мы видим, особенно категорически, • автор считает нужным тем не менее вновь пересмотреть вопрос о строго автотрофном характере группы. Если представить себе, говорит он, что хемосинтез есть только первый шаг в ряду синтетических процессов, то можно предвидеть, ч^о в будущем мы достигнем возможности развития организмов за счет какого-нибудь из промежуточных органических соединений, образующихся в ходе синтеза плазмы. Хотя мы до этого еще и не дошли, все же в предвидении такой возможности предлагается термин хемомиксотрофов.

Никто, разумеется, не будет отрицать этой возможности; однако новый термин нельзя признать по тем же основаниям, как и прочие подобные определения, вроде обязательный или факультативный автотроф, факультативный гетеротроф и т. п., созданные в период, когда микробиолог не стеснял себя соображениями экологического порядка: опыта в чистой культуре было для него тогда достаточно для определения роли микроба вприроде. С тех пор от этого ^отказались, но все же еще слишком часто смешивают факты двух порядков: с одной стороны, функции, имеющие место в естественной среде, всегда тесно ограниченные конкуренцией микробов, с другой,— функции, вызванные в лаборатории в чистой культуре, которые можно ^назвать потенциальными функциями и диапазон которых может быть расширен в зависимости от постановки опыта.

Что касается автотрофов, то мы видим огромное преимущество их способа питания, делающее их независимыми от органического питательного вещества, предмета такой конкуренции. Более того, так как у них способность воздействовать на органические питательные вещества или очень слаба или совсем отсутствует, то их вторжение в область гетеротро- фов при наличии настоящих гетеротрофов не имеет никаких шансов на успех. Эти соображения, думается, вполне оправдывают высказанное уже в другом месте мнение о том, что автотрофы всегда остаются в природе автотрофами и только ими.

Одной твердо уже установленной способности к хемосинтезу в полной мере достаточно для признания их такими. И характер их остается за ними даже в тех случаях, когда в лаборатории удается нарушить или исказить их ана- и метаболизм, сгладив в большей или меньшей степени границу, разделяющую эти две большие физиологические группы.

Микробиологи, не убежденные указанными доводами, хорошо сделают, посмотрев с такой точки зрения на зеленые растения, самые типичные автотрофы, которых, однако, фитофизиологи принудили ассимилировать сахар в темноте. Желая быть последовательным, надо было бы, значит, присвоить им название фотомиксотрофов, однако это показалось бы абсурдом ввиду экологического фактора, который так настоятельно свидетельствует о характере данного процесса. Указанный фактор часто забывают, имея дело с микробами, но упущение из виду столь важного принципа влечет за собою ошибочные представления о естественных функциях низших организмов.

Исследования Елены Виноградской иллюстрируют новейшие результаты, касающиеся многочисленности и разнообразия форм нитрифицирующих бактерий. Специальная среда, активный ил из Парижа, заключает в себе большое количество форм, резко отличающихся от форм, находящихся в почве. Наряду со свободными формами (монадами), мы видим там расы, образующие зооглеи. Такой способ роста, особенно когда клетки дают инкапсулированные и инцистированные скопления, плохо поддается, разумеется, манипуляциям их механического изолирования. Встать на этот путь значило бы обречь себя на утомительную и бесконечно долгую работу (на целые годы!) без больших шансов на успех. Новый метод (loco citato) чрезвычайно облегчил дело, дав возможность различать специфические бактерии, очищать их, следить за ними в течение довольно долгого периода, достаточного для того, чтобы определить их морфологические свойства и их активность.

Зооглейные формы, ведущие окисление до нитритов, были названы Nitrosogloea и выделены в соответственный род; насчитываются четыре вида или расы, из которых Nitrosogloea merismoldes и Nitrosogloea chi- zobacteroldes представляются наиболее любопытными. Первая развивается в виде пленчатых колоний с отростками, состоящих из небольших инкапсулированных групп мерисматической структуры; вторая — образует палочки или короткие нити с футлярами, свитые в клубки; они делятся поперечно на плоские клетки, которые округляются и остаются заключенными в общем футляре. Подобного рода бактерии редко наблюдались под микроскопом.

Что касается окисления в нитраты, то в данной среде видное место заняли опять-таки зооглейные формы. Раса с очень мелкими клетками была названа Nitrogloea; она образует хорошо видимые простым глазом бородавочки янтарного цвета, переходящего в светло- бурый; название Nitrocystis получила другая раса, сильно напоминающая Nitrosocystis структурой цист, но с клетками меньших размеров.

Открытие новых форм бактерий, окисляющих в нитраты, опровергает слишком поспешное заключение Кингма Болтьес, считающего нужным сохранить монополию этой функции исключительно за классическим Nitrobacter.

По вопросу о влиянии сахара на нитрификацию в почве было написано много статей. Базаревский, Никлевский, в особенности Лесли Кольман, объемистая работа которого привлекла особенное внимание, считают доказанным, что сахар стимулирует нитрификацию в почве, повышая выход нитратов. Этим утверждением пользовались даже в качестве аргумента против правильности физиологической характеристики ни- трификаторов, данной в наших прежних работах. Хорст Энгель вновь рассматривает вопрос и доказывает, что такое увеличение выхода легко объясняется способностью сахара вызывать фиксацию азота, задерживая нитрификацию, возобновляющуюся после исчезновения сахара за счет усвоенного азота. Заметное увеличение общего количества азота в среде делает такое толкование неопровержимым.

Гопала Рао, продолжая в университете Аллахабада работу Дара и сотрудников, считает нужным привлечь внимание к «новым точкам зрения» в вопросах нитрификации. Эти точки зрения обусловливаются наблюдением, что аммиачный азот, равно как и амидный, подвергаются окислению в нитритный азот, особенно значительному, если раствор находится в сосудах из кремнезема, через которые проникают ультрафиолетовые лучи, а также (хотя и в гораздо меньшей степени) естественные. Изучение этой фотохимической реакции побуждает их приписать фотонитрификации первенствующее значение в тропических почвах, где процесс якобы имеет скорее химический, чем биологический характер.

Такое утверждение не заключает в себе, по правде сказать, ничего нового, наоборот, оно возвращается скорее к самой старой точке зрения на данный вопрос, предшествовавшей открытию живых возбудителей. В то время различные химические и физические возбудители изучались, как известно, именно под таким углом зрения. Однако при помощи электричества, сжигания, озона, пористых тел и т. д., не удалось воспроизвести биологический процесс ни со стороны его течения, ни со стороны его выхода. Естественно поэтому, что нитрификацию не связывали с подобными явлениями и не говорили, например, об озононитрификации, электро- нитрификацивги т. д. Действительно новым представляется тут только злоупотребление термином нитрификация. В течение полувека этот термин применялся только к биологическому процессу, все признаки которого так сильно отличаются от химических окислений, вызываемых теми или другими агентами, что смешивать два явления под одним названием значило бы нарушать правила здравой терминологии. Недоразумение проистекает, очевидно, из того факта, что два процесса исходят из одного и того же вещества и дают приблизительно один и тот же конечный продукт. Но разве этого достаточно, чтобы сближать их? Отчего же не говорить тогда о спиртовом фотоброжении, ведь раствор сахара под влиянием солнечных лучей дает, как доказал еще Дюкло, слабые количества спирта?

Кроме того, непрозрачность сред, в которых происходит нитрификация (почва, нечистоты), a priori и решительным образом противоречит мысли о том, что химическое окисление может в большей или меньшей степени заменить биологический процесс. Под впечатлением результатов, полученных в искусственных условиях, авторы впали в ошибку, допустив, что те же реакции имеют место и в природе.

Росси, отвергая выводы индусских ученых относительно специальной роли лучей, стремится доказать, что образование нитритов и нитратов нормально происходит в почве без всякого участия микробов. Он промывает маленькие навески стерилизованной почвы до тех пор, пока промывная вода не перестает давать реакцию на нитриты и нитраты; затем держит эти навески в термостате при высокой температуре (от 30 до 70°) или на солнце, причем следы нитритов и нитратов снова появляются там. Он считает, что повторные появления таких следов могут, в конце концов, дать выход, достаточный для объяснения нитрификации в почве вне биологического процесса.

Допустив это утверждение без критики, поставим вопрос, соответствует ли возможность такого окисления химическим путем действительности, имеющей место в почве? Ответ может быть только отрицательный;

«химическая нитрификация», чем бы она ни была непосредственно вызвана, не может происходить в почве (кроме некоторых исключительных случаев) по той простой причине, что подлинная нитрификация не оставит для нее времени. Разве не очевидно, что из двух факторов, действующих в одном направлении на одно и то же вещество, одерживает верх наиболее энергичное. А ведь в отношении продуктивности процесса сравнения между ними быть не может. Росси сам признает это, но не видит, что существование такой непропорциональности ведет к опровержению его взглядов на процессы, протекающие в естественной среде.

Сообщение Стивен Корбет только повторяет выводы двух предыдущих работ.

В общем, стремление низвести биологический процесс нитрификации «до его действительного значения», выдвинув на первый план якобы игнорируемые химические агенты, основывается, в сущности, только на недоразумениях. А между тем на конгрессе почвоведов в Оксфорде оно вызвало долгие и запутанные споры.

Первое недоразумение зависит от того, что не обращают должного внимания на историческое развитие исследований по старому вопросу о нитрификации.

Второе — от того, что не считаются с самопроизвольной окисляе- мостью неорганических соединений, на которые направлена активность автотрофов и из которых одни легко окисляются молекулярным кислородом (сероводород, закись железа, сера, свободная азотистая кислота) другие, как, например, аммиак, окисляются только активированным кислородом, Специфические микробы только завладевают процессом, пользуясь освобождаемой энергией.

Таким образом, факты, выдаваемые за новые, не имеют в себе ничего неожиданного и с агрохимической точки зрения представляются крайне незначительными.

К содержанию книги: Сергей Николаевич ВИНОГРАДСКИЙ - МИКРОБИОЛОГИЯ ПОЧВЫ. ПРОБЛЕМЫ И МЕТОДЫ