Особенности микробной трансформации азота в кишечнике термитов и в термитниках

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. В. ЛОМОНОСОВА ФАКУЛЬТЕТ ПОЧВОВЕДЕНИЯ На правах рукописи Голиченков Максим Владимирович ОСОБЕННОСТИ МИКРОБНОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ АЗОТА В КИШЕЧНИКЕ ТЕРМИТОВ И В ТЕРМИТНИКАХ Специальность 03.00.07 — микробиология ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата биологических наук научный руководитель д.б.н., про4~. М.М Умаров Москва 2002 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ОБЪЕКТЫ Лаборвгорпые культуры термитов в материал термитников Образам сероземо~ь термвтииюв н термитм Апасапйкнеппеа аппйспашж 41 МЕТОДЫ Газо-хроматографнческие методы Измерение иигрогеназюй активности Опрсзеленне потеппиальюй денвтрнфнкации Определение эмисснв метана Определение внгенснвюсти дыхания (эмиссии СОз) Определение содержания азота Определение содержания углерода Выделение частых культур микроорганизмов Изучение веюгорых свойств азотфнксаторов мепплзм спектроскопии нарушенного полного ввугренвего отрвкениа (НПВО) 42 45 РЕЗЪЛБТАТЬ3 И ОбСУЖДЕНИЕ бг Определенне актуальной шпрогеназюй активности у живых термитов и в материале их тсрмиппшов 52 Определение потенпвальвой деинтрнфикапнн у термитов н в материале вх термитннюв 55 Численюсзь и групповой состав бактерий-азотфнкспюров, выделенных нз кишечника термитов и вз материала термитннков 56 Применение негода спектросюпин НПВО для изучениа механизмов передачи фиксированного азота от азотфнкспрунипей бактерии термиту бг Влияние пеллюлозной диеты ю азотфпкснруюшую активность и поведение термитов бб Обзор литершпурьз Х Обшие сведения по биологии терматов 5 С вспенив по биология термитов )ггысыйгегтея!ыс Тыйыз (((ашг), Аласапг)гогеггвяя айпйегитыя ()асгясюп), Меомгтез саягыяеыя (Впгпйпег) в гсгчяглгория алйыяпсоИя (Найеп) ю Экосистема пвшсварнгелыюго тракта термитов 14 Особениоств симбиотвческой азотфнксапин у термитов 25 Влияние термитов на почву з) 1 'и л и ч в и к «в .У.

В. 4 )гт«чиил тки и«лют««а тра~к ~~чули«а«и аи«ии «кит л ч «ил к пир чили«ч: и «т р виги«ил ив Структура комплекса азотфиксирующих микроорганизмов пюиеварлпельной системы термитов йГ. сапаивих длительное крема содержаюиихск ва неллюлозной диете Основные показатели микробиологической апивности иа примере ирнродных термнтннков Туркмении Стртктура бактсриаллного комплекса термитника и фоновой почвы Заключенно ВЬЕВОДИ Список пнгнературы Голичеиков ы л Ос~ин'н>пил~о иивътнс я т~шн~.фор1юацпи алина а кнгисмнике нирчиии~а и а т~лмитюилил' ВВЕДЕНИЕ Термиты — типичные почвообитающие общественные насекомые, живущие колониями в гнездах-термитннках. В настоящее время известно свыше 2000 видов термитов, объединенных в 9 семейств.

Некоторые особенности биологии и экологии термитов делают их, по нашему мнению, весьма перспективным объектом исследований для многих смежных областей естест- венных наук. Например, высокая численность и плотность термитов в местах их расселения, которая может достигать 3-4 г термитов на 1 дм почвы (в Заиз ре) или 10 млн. особей на гектар (в Малайзии) (Кипятков, 1991), несомненно указывает на значительный вклад этих насекомых в биогеохимическую обстановку тропических регионов. Геохимическое значение среднеазиатских термитов, обитающих в пустынях, не менее велико, однако изучено значительно хуже (Кипятков, 1991).

В связи с этим отметим, что одна из первых работ по этой тематике выполнена почвоведом — Николаем Апександровичем Димо (Димо, 191б). В дальнейшем определенный вклад в изучение влияния термитов на почву был сделан в работах Б.М. Мамаева, О. Союнова (Союнов, 1973; Мамаев, Союнов, 1976). В то же время, вопросы, связанные с исследованием влияния термитов на круговорот основных биофильных элементов, в частности, азота, до настоящего времени остаются нерешенными.

Являясь ксилофагами, термиты не в состоянии усваивать потребляемую ими древесину, которая служит им основным кормом, без помощи разнообразных микроорганизмов. Поскольку среднее содержание азота в древесине составляет 0,15% (роится, Вгелпа1с, 1981), проблема обеспечения этим элементом является важнейшей для колонии термитов. Впервые мысль о роли бактерий-азотфиксаторов в азотном питании термитов была высказана Кливлендом в 1925 году, но только во второй половине ХХ столетия эта идея по- 1'ааи неннон ЛХ В.

с)тня'ниолллнл иилтнн лиля трпчофорллпяии алота а тллннннлпси лллнллиллллинл и н тнллинтнитлн лучила экспериментальное подтверждение, когда изотопным методом ( 5Ы) удалось показать, что до 60% азота, входящего в состав термита, имеет атмолЪ~ сферное происхождение (Тауазп, 1998). Тем не менее, до сих пор малоиссле- дованным остается обширный пласт вопросов, касающихся особенностей азотфиксации и денитрификации у различных видов термитов, аспектов их взаимодействия с бактериями, трансформирующими азот.

Целью работы являлось изучение особенностей взаимодействия термитов с диазотрофными бактериями и оценка микробиологической активности в термитниках Туркмении В задачи исследования входило: 1. Изучить особенности азотфиксации и денитрификации в пищеварительном тракте термитов различных видов и гнездовом материале их термит- ников. 2. Охарактеризовать групповой состав бактерий-азотфиксаторов кишечника Ф 7' термитов и материала термитников. 3.

Изучить аспекты взаимодействия бактерий-азотфиксаторов с термитами. 4. Оценить активносп процессов азотфиксации, денитрификации, дыхания и метаногенеза в термнтннках Туркмении. голиченкое .ч. л. Оглосннм нпс миланом я транс~~л>лвпяии дк сла п кишсчнике мариинское и а ю~гмитиикис Обзор литературы Общие сведения по биологии термитов Термиты (15ор1ега) - мелкие и средней величины насекомые, обычно избегающие света и живущие семьями в специальных гнездах, устроенных в земле, древесине или построенных из особого картоноподобного материала.

Они единственные общественные насекомые, не входящие в отряд перепончатокрылых (Кипятков, 1991). Население гнезда термитов неоднородно, как и у других общественных насекомых (Жужиков, 1979). Полиморфизм у термитов развился на основе неполного превращения и распространяется на особи с личинкоподобным обликом. В результате касты термитов более разнообразны и выражены резче, чем, например, у муравьев. В процессе развития все термиты проходят несколько стадий, каждая из которых включает в себя один или несколько возрастов, отделенных линьками. В итоге каждая особь принимает облик, характерный для определенной касты, специализированной морфологически и функционально. В отличие от половозрелых каст и солдат, рабочие особи имеют несколько возрастов и могут превращаться в солдат.

Эта уникальная особенность кастовой дифференциации термитов - одно из следствий их неполного превращения. Покровы тела бескрылых форм термитов, как правило, тонкие и белые. Окраска крылатых особей ог светло-желтой до черной. У рабочих и солдат голова склеротизирована и окрашена в желтый до черного цвет. Пестрой окраски у термитов никогда не бывает. А специфический рисунок встречает- ся крайне редко. В летнее время в сформированном гнезде термитов можно найти насекомых на всех стадиях развития (Жужиков, 1979). 5 /'о.та с аиста ЛХ 15.

Оспы и>и гяп иик~ннэ<>» туенсф~~~чоции с жтп п кншс'чнпкг. т ртоипи а а ~л~ уэ ~ттнш:ш Яйца удлиненные, беловатые. Откладываются поодиночке, но в гнездах собраны в значительные кучки. Личинка — стадия развития без зачатков крыльев и других внешних признаков дифференциации в какую-то определенную касту. Покровы личинок белого цвета и слабо склеротизированы. Через стадию личинки (включающую несколько возрастов) проходят все касты термитов.

Нимфа - стадия развития с зачатками крыльев в виде расширений или выростов мезо- или метатергитов. Обычно нимфы, пройдя через несколько линек, превращаются в крылатых имаго, но при отсутствии в гнезде царя или царицы, могут развиваться в дополнительную половую особь, а у низших термитов, через ряд регрессивных линек, нимфы могут становиться солдатами и псевдоэргатами. Просолдат — промежуточная стадия превращения личинки, псвдоэргата, рабочего или нимфы в солдата.

Морфологически эта стадия похожа на солдата; путем одной линьки просолдат превращается в настоящего солдата. Псевдоэргаты, или ложные рабочие, являются личинками старших возрастов и морфологически схожи с ними. Они могут образовываться из нимф путем регрессивных линек. Функционально псевдоэргаты замещают отсутствующих у некоторых низших термитов рабочих, а в определенных условиях могут превращаться в имаго, солдата или дополнительную половую особь. Рабочие особи составляют главную массу семьи термитов. В колонии занимаются постройкой гнезда, досгавкой корма. Кормят половых особей, солдат, личинок. Настоящие рабочие не имеют крыльев и обладают недоразвитыми и нефункционирующими половыми органами.