CC BY
174
метаболизма костной ткани / О.М. Лесняк,
О.Ю. Санникова // Русский Медицинский Журнал ND10 №07-00910.
3. Панин, Л.Е. Влияние хонгурина как кормовой добавки на показатели обмена веществ кур. / Л.Е. Панин, Т.А. Третьякова, А.А. Розуменко //Сб. научн. Трудов: Физикохимические и медико-биологические свой-
ства природных цеолитов. - Новосибирск, 1990. - С. 67 - 71.
4. Прохончуков A.A. Проблемы космической биологии. Гомеостаз костной ткани в норме и при экстремальном воздействии /
А.А.Прохончуков, Н.А. Жижина, Р.А.Тигронян // в кн. Проблемы космической биологии -М.: Наука, 1984, т.49. 200 с.
УДК 631.472.56
ОБЩИЕ И ОТЛИЧИТЕЛЬНЫЕ ЧЕРТЫ МИКРОБИОЦЕНОЗА ПРОМЫШЛЕННОЙ ВЕРМИКУЛЬТУРЫ EISENIA FETiDA ANDREI (BOUCHE, 1972) И ЕЕ ПРИРОДНОГО АНАЛОГА EISENIA FETIDA (SAVIGNY, 1826)
Романова Елена Михайловна, доктор биологических наук, Заслуженный работник Высшей школы РФ, профессор кафедры «Биология, ветеринарная генетика, паразитология и экология» E-mail:vvr-emr@yandex.ru
Мухитова Минзифа Эминовна, кандидат биологических наук, ассистент кафедры «Биология, ветеринарная генетика, паразитология и экология».
E-mail: Muhitova_79@mail.ru
ФГБОУ ВПО «Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия».
432063, г. Ульяновск, бульвар Новый Венец, 1. тел. 8(84663) 55-95-38
Титова Елена Владимировна, кандидат биологических наук, доцент кафедры «Лесное хозяйство»
ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный университет. Институт медицины, экологии и физической культуры».
г. Ульяновск, Набережная р.Свияга, 106/1 тел (8422) 32-73-24 E-mail: leshos@sv.ulsu.ru
Ключевые слова: вермикультура, кишечный микробиоценоз, симбиотная микробиота.
Статья посвящена исследованию перспектив использования природных люмбрицид вида E. fétida, выделенных из почв Средневолжского региона, в биотехнологии вермикуль-тивирования. В работе приведены результаты сравнительной оценки микробиоценоза кишечного тракта промышленной вермикультуры E. fétida andrei и природных люмбрицид вида E. fetida Средневолжского региона. Охарактеризована симбионтная микробиота кишечника обеих вермикультур и ее роль в процессах биотрансформации органических субстратов из отходов сельскохозяйственного производства.
Организм многоклеточных вполне обоснованно можно рассматривать как сложный саморегулирующийся биоценоз с огромным количеством структурных компонентов, представленных симбионтной микробиотой [15], поскольку, по данным американских исследователей, у высших млекопитающих только около 10% клеток
являются собственными, остальные 90% принадлежат бактериям, населяющим различные биотопы организма [18]. Безусловно, все эти бактерии - симбионтная микробиота.
Это хорошо согласуется с идеей, постулирующей, что симбиоз является основой выживания биосферы. Согласно биосфер-
ной концепции В.И. Вернадского именно микроорганизмы связывают воедино все компоненты биотического круговорота, осуществляют фиксацию азота, регулируют круговорот многих неорганических веществ, обеспечивают разложение отмершей органики, дополняя новыми звеньями пищевые цепи экосистем.
В связи с новым взглядом на фундаментальную роль микробиоты в поддержании устойчивости биосферы, в жизнедеятельности многоклеточных организмов в последнее время отмечается повышенный интерес к исследованиям микробиоценоза у животных разных таксонов.
Дождевые черви вносят большой вклад в поддержание устойчивости биосферы, поскольку симбионтная микробиота их кишечника играет доминирующую роль в процессах почвообразования и повышения плодородия почв. У дождевых червей существует биологическое равновесие между организмом хозяина и симбионт-ной микробиотой, сформировавшей эволю-ционно сложившийся, устойчивый микробиоценоз [16].
Представители вида E. fétida распространены в России повсеместно, их естественная среда обитания - широколиственные леса, однако в условиях современной цивилизации они приспособились осуществлять биотрансформацию гниющих органических остатков антропогенного характера в биогумус. Основываясь на этой способности, в Америке была создана промышленная вермикультура Eisenia fétida andrei (Bouche, 1972). Эта гибридная форма дождевых червей создавалась как промышленная линия вермикультуры для получения биогумуса.
В России эту вермикультуру, чаще называемую калифорнийским гибридом, стали использовать сравнительно недавно и недостаточно широко. Для этого есть объективные причины. Круглогодичная вермикультура Eisenia fetida andrei (Bouche, 1972) в российских условиях требует крытых отапливаемых помещений. Эти условия делают высокозатратным использование калифорнийского гибрида большую часть года, т.е. осенью, зимой и весной.
В этой связи целесообразно вести поиск местных природных морозоустойчивых аналогов калифорнийских червей, способных выживать в зимний период и эффективно перерабатывать органику при пониженных температурах. С этой целью мы выделили из почвенных ценозов Средневолжского региона дождевых червей вида E. fétida (Savigny, 1826), культивировали их в лабораторных условиях, наработав достаточное количество биомассы для вермикультиви-рования [3].
Целью нашей работы было сравнительное исследование структуры микробиоценоза кишечников люмбрицид калифорнийской промышленной линии E.f. andrei и их природных аналогов E.fetida Средневолжского региона, а также сравнительная характеристика их симбионтной микробиоты, обеспечивающей эффективную деструкцию органических субстратов из отходов животноводства. Для контроля проводились исследования микробиоты субстрата, подготовленного для вермикультивирования.
Для оценки численности систематических и физиологических групп микроорганизмов проводили посевы на элективные питательные среды, учет численности аммонифицирующих микроорганизмов проводили на МПА, нитрифицирующих микроорганизмов - на среде Виноградского, целлюло-золитических микроорганизмов - на среде Гетчисона, актиномицетов - на крахмально аммиачном агаре, грибов - на среде Чапека, микроорганизмов, мобилизующих органические фосфаты - на среде Менкиной [7].
В данной работе мы оценивали общее количество микробиоты в кишечнике калифорнийских червей, природных компостных червей и в субстрате для вермикульти-вирования.
Микробиоценоз кишечника природных дождевых червей E. fétida - сложная саморегулирующаяся сбалансированная система симбионтных микроорганизмов-деструкторов, которые перерабатывают и реутилизируют продукты обмена животных и погибшие микроорганизмы [2, 12]. Этот микробиоценоз стабилен даже в условиях смены режимов питания и состоит из ми-
30 -25 -20 -15 -10 -
Исходный субстрат Содержимое кишечника Содержимое кишечника
E.andrei E.fetida
Рис. 1. Численность микробиоты в субстрате и кишечнике люмбрицид
В 1
0,8 0,6 -0,4 -0,2
І I
Игаод ный субстрат Содержимое кишечника Содержимое кишечника
Е.апйю! Е.1еШа
Рис. 2. Численность целлюлозолитической микробиоты
0,8 -] 0,6 0,4 0,2
Исходный субстрат Содержимое кишечника Содержимое кишечника
E^ndrei E.fetida
О 35
5
0
Рис. 3. Численность сапрофитных грибов
кробиоты пристеночной зоны и микробиоты кишечного содержимого. Пристеночная микробиота - это представители семейств Е^егоЬа^епасеае и Vibrionaceae, которые населяют внутреннюю поверхность эпителия и кутикулы всех отделов кишечника [14].
Наши исследования показали, что кишечный микробиоценоз люмбрицид включает значительно больше микробиоты, чем субстрат. В частности, у промышленной вермикультуры E.f. andrei, численность симбионтной микробиоты в 3 раза, а у природных червей E. fétida в 2 раза больше, чем в субстрате (рис. 1), следовательно, у природных дождевых червей - E. fetida - общее количество микробиоты меньше, чем у промышленной линии калифорнийских червей.
Учет численности целлюлозолитической микро-
флоры. Проведенные нами исследования целлюлозолити-ческой микрофлоры показали, что количественные различия микроорганизмов в кишечнике E.f. andrei и в кишечнике E. fétida не существенны. При количественном сравнении целлюлозолитической микробиоты кишечного содержимого червей E.f. andrei, E. fétida и субстрата установлено, что в кишечном микробиоценозе E.f. andréi микробиоты на 30% больше, а в кишечном микробиоценозе E. fétida на 20% больше, чем в субстрате. Результаты представлены на рис. 2.
Возникает вопрос, чем обусловлена такая ситуация? Люмбрициды по способу питания относятся к сапрофагам, которые потребляют разлагающиеся части растений и животных, детрита, экскрементов и жидких продуктов разложения; мертвое органическое вещество не может служить основным источником их пищи [9]; они не способны самостоятельно переваривать целлюлозу, это осуществляют симбионтные
целлюлозолитические бактерии и ферменты перевариваемых грибов [8].
Учет численности сапрофитных грибов. Низшие сапротрофные грибы играют большую роль в биотрансформации субстрата. Сапротрофные грибы видов Fusarium lactis, Fusarium nivala, Trichoderma lignorum, Alternaria tenuis, Stremphylium botryosum вместе с бактериями осуществляют разложение лигнина. В разложении пектина совместно с бактериями принимают участие грибы родов Rhizopus, Alternaria, Gonabotrys; в разложении хитина - Aspergillus, Mortierella; в разложении жира - плесневые грибы родов Aspergillus, Penicillium. Грибы родов Fusarium, Aspergillus, Penicillium, Gladosporium вместе с бактериями принимают участие в процессах нитрификации и в разложении органических форм азота [1, 7].
В ходе собственных исследований при оценке численности сапрофитных грибов было установлено, что в кишечном микробиоценозе калифорнийского гибрида E. andrei численность сапрофитных грибов больше, чем у природных компостных. Если сравнивать с содержанием в субстрате, то в кишечном содержимом калифорнийских червей E. andrei сапрофитных грибов в 2,2 раза, а в содержимом кишечника E. fetida в 1,7 раза (р<0,05) больше, чем в субстрате (рис. 3). Субстрат в кишечнике калифорнийских червей обогащается сапрофитными грибами на 120%, а в кишечнике природных E. fetida на 70%.
Согласно данным литературных точников, при вермикультиви-ровании увеличивается общая численность грибов и изменяется структура сообщества ми-кромицетов в сторону увеличения доли сапротрофных грибов Trichoderma, и сокращения патогенных грибов [10, 17].
Таким же эффектом обладают бактерии рода Pseudomonas в отношении фитопатогенных грибов [11, 13].
Оценка численности ак-тиномицетов. Актиномицеты
- обязательный структурный
ис-
25
20
15
10
5 -
компонент кишечного микробиоценоза дождевых червей, они обладают миколи-тической активностью, а отмирающие тела самих бактерий служат источником питания [5]. За счет образования актиномицетами антибиотических веществ кишечный микробиоценоз дождевых червей обладает устойчивостью к колонизации чужеродными микроорганизмами [4].
Результаты проведенных нами исследований свидетельствуют, что численность актиномицетов в кишечном микробиоценозе калифорнийских червей E. аndrei достоверно выше, чем у компостных E. fetida. По сравнению с численностью актиномице-тов в субстрате в кишечном микробиоценозе калифорнийских червей E. аndrei их в 2 раза больше, а в микробиоценозе компостных червей E. fetida больше на 20% (р<0,05) (рис. 4).
Экологическая роль актиномицетов заключается в разложении сложных субстратов, а также в синтезе и разложении гумусовых веществ, в трансформации лигнина, хитина; в сообществе с низшими сапро-трофными грибами они переводят нерастворимые соединения фосфорной кислоты в растворимые, осуществляют фиксацию азота и участвуют в разложении органофосфатов [7].
Оценка численности микробиоты, разлагающей органофосфаты.
Органические соединения фосфора разлагаются бактериями родов Pseudomonas, Bacillus (B. megaterium, B. mesen-
L
Исходный субстрат
Содержимое кишечника E.andrei
Содержимое кишечника E.fetida
Рис. 4. Численность актиномицетов
i 25 :20 15 10
[^хсдньйсубсграт Оодэрюмое кш£нниа Ссдэркилсе кии&нка
Earxfrd E.fetda
Рис. 5. Численность микробиоты, мобилизующей органофосфаты
tericus), грибами, некоторыми актиномице-тами, дрожжами (Candida, Saccharomyces, Rhodotorula и другие) [7].
Мы установили, что микробиоты, мобилизующей органофосфаты, в кишечном микробиоценозе E.f. andrei в 2,5 раза больше, а в кишечном микробиоценозе компостных червей E. fetida больше в 2 раза (р<0,05), чем в субстрате. Результаты представлены на рис. 5. Таким образом, симби-онтная микрофлора люмбрицид трансформирует субстраты, обогащая их микробиотой, эффективно растворяющей фосфаты, находящиеся в субстрате в недоступной для растений форме [1].
Оценка численности аммонифицирующей микробиоты.
Аммонификацию, т.е. превращение органических белков в аммиачный азот осуществляют в основном микроорганизмы родов: Pseudomonas (P. fluorescens, P. aeruginosa), Proteus (P.vulgaris), Bacillus (B. mycoides, B. subtilis, B. cereus) и Closstridium (C. putrificus, C. sporogenes), а также актино-мицеты и грибы, они выделяют протеолити-ческие ферменты (протеазы и пептидазы), под действием которых белки гидролизуются до аминокислот, которые, поступая в клетку, дезаминируются с образованием аммиака, органических кислот и других продуктов [7].
Исследование численности аммонифицирующей микробиоты показало, что
ее больше в микробиоценозе калифорнийских червей, чем компостных.
В содержимом кишечника калифорнийских червей ее в 2,3 раза больше, а в содержимом кишечника компостных червей E. fétida в 2,2 раза больше, чем в субстрате (р<0,05). Результаты представлены на рис. 6.
Оценка численности нитрифицирующей микробиоты.
Одной из наиболее важной для люмбрицид групп микроорганизмов, обеспечивающих защиту от повышенных концентраций аммиака, являются нитрификаторы. нитрификация
- процесс окисления аммиака до азотистой, а затем азотной кислот, проходит в две фазы при участии бактерий семейства Nitrobactéricidaé [7, 11]. Угнетение деятельности нитрифицирующей микрофлоры приводит к массовой гибели червей уже на 2-3 день культивирования.
Результаты наших исследований показали, что в кишечном микробиоценозе калифорнийских червей нитрифицирующей микробиоты в 2,4 раза, а в содержимом кишечника E. fétida в 2,2 раза больше, чем в субстрате (р<0,05) (рис. 7).
Эффекты от взаимодействий симби-онтной микробиоты, формирующей микробиоценоз люмбрицид реализуются в процессах разложения и минерализации органического вещества, мобилизации-иммобилизации, круговороте углерода, азота и биогенных элементов, формировании водно-воздушного режима почвы и образовании гумуса.
Согласно литературным данным, в бактериофауне ферментативного слоя подстилки доминируют те же микроорганизмы, что и в копролитах люмбрицид [14]. Люм-брициды, пропуская почву через кишечный тракт, проводят селективный отбор почвенной микробиоты, формируя структуру почвенного микробиоценоза [2, 6, 11].
Подводя итог проведенным иссле-
20
15
10
Исходный субстрат Содержимое кишечника Содержимое кишечника
Е.ап(!ге1 Е^еМа
Рис. 6. Численность аммонифицирующей микробиоты
о
25
20
15
10
5
І I
Исходный субстрат
Содержимое кишечника Содержимое кишечника E.andrei E.fetida
Рис. 7. Численность нитрифицирующей микробиоты
5
0
0
дованиям, необходимо отметить, что исследуемая нами вермикультура дождевых червей Средневолжского региона E. fétida, выделенных из природной среды, по характеристикам кишечного микробиоценоза идентична E. fétida andrei, хотя и содержит меньше (в количественном отношении) симбионтной микробиоты всех групп, обеспечивающей эффективную деструкцию органических субстратов и способной осуществить эффективную биотрансформацию субстрата.
Высокий уровень идентичности групп микроорганизмов кишечного микробиоценоза промышленного калифорнийского гибрида и люмбрицид Средневолжского региона E. fétida позволяет рекомендовать при-
родных люмбрицид Е. /еШа Средневолжского региона для использования в качестве перспективной вермикультуры, эффективность которой можно значительно повысить направленной селекцией.
Библиографический список
1. Бубина А.Б. Использование гриба рода Trichoderma для ускорения процесса вер-микультивирования методом предварительной ферментации органического субстрата / А.Б Бубина., Н.Н. Терещенко // Мат-лы 2-й междун. науч.-практ. конф. «Дождевые черви и плодородие почв». - Владимир, 2004 - С.162.
2. Бызов Б.А. Регуляция микрофауной биомассы и активности почвенных микроорганизмов / Б.А. Бызов, Е.Б. Третьякова, Т.Г. Добровольская, Д.Г. Звягинцев. - Микробиология. - №5, том 62. - 1993. - С. 916-927.
3. всеволодова-Перель Т.С. Дождевые черви фауны России: Кадастр и определитель/ Т.С. Всеволодова-Перель. - М.: Наука, 1997.-102 с.
4. Ву Нгуен Тхань Судьба дрожжей в ассоциациях с почвенными беспозвоночными / Ву Нгуен Тхан // Автореф. дисс. канд. биол. наук. - 1993. - Изд-во МГУ.
- 24с.
5. Зинин Н.В. Особенности переваривания микроорганизмов почвенными беспозвоночными / Н.В. Зинин, Я.М.Рабинович,
В.В. Демин, Б.А. Бызов // Проблемы почвенной зоологии: Тезисы II Всеросс. совещания.
- Москва, 1999. - С. 191.
6. Звягинцев Д.Г. Количественная оценка влияния беспозвоночных животных на рост микроорганизмов в почве / Д.Г. Звягинцев Н.С. Паников, А.Ю. Горбенко// Почвенная фауна и плодородие. Труды 9-й междунар. коллоквиума по почвенной зоо-
логии. - Под. ред. Стригановой Б.Р. - М.: Наука, 1987. - С. 63-67.
7. Мухитова М.Э. Характеристики микробиоценоза вермикомпостов люмбрицид / М.Э. Мухитова // Объединенный научный журнал. - Москва: Изд-во АНП - №12. - 2008.
- С. 45-47.
8. Паников Н.С. Количественная оценка влияния мезофауны на скорость разложения растительного опада / Н.С. Паников, А.Ю. Горбенко, Д.Г. Звягинцев // Вестн. МГУ, сер почвоведение. - №3. - 1985. - С. 37-45.
9. Стриганова Б.Р. Питание почвенных сапрофагов / Б.Р. Стриганова. - М.: Наука, 1980. - 242 с.
10. Стриганова Б.Р. Роль почвенных животных в процессах разложения растительных остатков / Б.Р. Стриганова // Проблемы почвенной зоологии Матер. V Всесо-юзн. Сов. - Вильнюс, 1975. - С. 32-35.
11. Терещенко Н.Н. Взаимоотношения между микрофлорой пищеварительного тракта дождевого червя и сапрофитными микроорганизмами перерабатываемого им торфонавозного субстрата / Н.Н. Терещенко, Н.Н. Наплекова // Торф и сельское хозяйство. Сборник научных трудов СибНИИТ. -Томск, 1994. - С. 134.
12. Терещенко Н.Н. Влияние различных экологических групп дождевых червей на интенсивность азотофиксации / Н.Н. Те-
рещенко, Н.Н. Наплекова // Известия РАН сер. Биологическая. - 2002. - №6. - С.763.
13. Терещенко Н.Н. Эколого-микробио-логические аспекты вермикультивирования / Н.Н. Терещенко. - Новосибирск: Изд-во Россельхозакадемии. Сиб. Отд-ние, 2003. -166 с.
14. Третьякова Е.Б. Сообщества бактерий, ассоциированные с почвенными беспозвоночными / Е.Б. Третьякова, Т.Г. Добровольская, Б.А. Бызов, Д.Г. Звягинцев. - Микробиология. - №1, том 65. - 1996. - С.102-110.
15. Goodacre R. Metabolomics of a superorganism / R. Goodacre // J Nutr. - 2007.
- № 137(1 Suppl). - P. 259-266.
16. Ley R. Worlds within worlds: evolution of the vertebrate gut microbiota. / R. Ley, C. Lozupone, M. Hamady, R. Knight, J. Gordon // Nature Rev Microbiol. - 2008. - V. 6. - P. 776788.
17. Mclean М. Field evidence of the effects of the epigeic earthworm Dendrobaena octaedra on the microfungal community in pine forest floor / M. McLean, D. Parkinson // Soil Biol. Biochem, 2000. - № 32. - Р. 351-360.
18. Turnbaugh PJ. The human microbiome project / PJ. Turnbaugh, R.E. Ley, M. Hamady, C.M. Fraser-Liggett, R. Knight, J.I. Gordon // Nature. - 2007. - № 449 (7164) - P. 804-810.
УДК 636
СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД ПРИ ОЦЕНКЕ МЕХАНИЗМОВ АДАПТАЦИИ РЕПРОДУКТИВНОЙ СИСТЕМЫ В БИОТЕХНОЛОГИЯХ ПОЛУЧЕНИЯ СПЕРМОПРОДУКЦИИ
Романова Елена Михайловна, доктор биологических наук, Заслуженный работник Высшей школы РФ, профессор, заведующая кафедрой «Биология, ветеринарная генетика, паразитология и экология» E-mail:vvr-emr@yandex.ru
Романов Василий Васильевич, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой информатики
ФГБОУ ВПО «Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия».
432063, г. Ульяновск, бульвар Новый Венец, 1. тел. 8(8422) 55-95-92. E-mail:vvr-emr@yandex.ru
Ключевые слова: биотехнология в животноводстве, быки-спермодоноры, репродук-
