Руководитель направления: Иванова Анна Евгеньевна

Определена роль токсинов почвенных сапротрофных микромицетов в ингибировании роста растений. Идентифицированы токсины микромицетов. Установлена роль грибных меланопротеинов в формировании гуминовых кислот. Установлено, что под влиянием различных антропогенных факторов происходит упрощение видовой структуры и изменение пространственно-временной организации почвенной микробиоты. Изменяется видовой состав грибов, характеризующийся развитием видов, несвойственных для данных зональных условий. Наиболее специфические изменения грибных комплексов происходят в городах. В почвах происходит накопление опасных для человека потенциально патогенных, аллергенных и токсичных видов грибов. Дана количественная оценка участия грибов и бактерий в трансформации азота в естественных почвах и в почвах агроэкосистем.

Руководитель направления: Качалкин Алексей Владимирович

Создана единственная в стране лаборатория биологии дрожжей, в которой проводятся эколого-таксономические исследования природных комплексов дрожжевых грибов. Получен обширный экспериментальный материал по распространению дрожжевых грибов во всех природных зонах стран бывшего СССР, а также в горных районах. Эти данные послужили основой для разработки принципов географии и экологии дрожжей. На примере сообществ дрожжевых грибов разработаны подходы к синэкологическому анализу микробных сообществ в масштабе биогеоценозов, разработан ряд методических подходов к таким оценкам. На количественном уровне установлена связь структуры дрожжевых сообществ почв с широтно-зональными факторами среды. Создан компьютерный банк данных по географическому распространению почвенных дрожжей, в котором собрана практически вся имеющаяся информация о численности и таксономическом составе дрожжей в природных местообитаниях. Создана богатейшая коллекция культур дрожжей, на базе которой описано свыше двух десятков новых видовых и родовых таксонов.

Руководители направления: Добровольская Татьяна Глебовна и Лысак Людмила Вячеславовна

Разработаны новые подходы к исследованию бактериальных сообществ в масштабе биогеоценозов. Выявлена четкая стратификация бактериальных сообществ, связанная с вертикально-ярусной организацией фитоценозов и конвейерной переработкой растительного опада микроорганизмами. Сравнительный анализ бактериальных сообществ как в разных ярусах одного и того же биогеоценоза, так и в разных типах биогеоценозов, позволил выявить четкие различия между всеми этими типами сообществ. Показано, что различные антропогенные воздействия приводят к нарушению структуры бактериальных комплексов почв: доминированию отдельных видовых популяций, появлению индикаторных на урбанизацию родов и видов микроорганизмов, многие из которых обладают потенциально патогенными, либо токсигенными свойствами.

Руководитель направления: Зенова Галина Михайловна

Применены нетрадиционные подходы к исследованию актиномицетных комплексов, что позволило всесторонне исследовать почвенные актиномицеты многих родов, и их экологические особенности. Разработка новых методов выделения из почв так называемых «редких» родов актиномицетов позволила выявить новую картину распространения этих микроорганизмов в почвах. Показано, что в некоторых почвах могут доминировать иные роды, кроме стрептомицетов. Структура почвенных актиномицетных комплексов существенно различается в почвах основных биоклиматических зон. Обнаружено существование вертикальной стратификации в распределении актиномицетов в биогеоценозе, которая выражается в сочетании непрерывности в отношении стрептомицетов и дискретности в отношении других родов.

Руководитель направления: Лысак Людмила Вячеславовна

Состав исследовательской группы: к.б.н., м.н.с. Е.В. Ла пыгина, аспиранты И.А. Конова, Ю.А. Загрядская, Е.Н. Цыганова, студенты.

Основные направления исследований:

1. Изучение бактериальных сообществ природных и антропогенных (городских) почв и сопряженных субстратов.

Исследование бактериальные сообщества городских почв разной степени антропогенной нагрузки выявили определенную специфику формирования и функционирования бактериальных сообществ. В почвах,  сформированных в условиях длительной земледельческой практики (городские ботанические сады, огороды  на территориях монастырей),  бактериальные сообщества характеризуются более равномерным распределением бактерий и активным развитием целлюлозоразрушающих бактерий по всему профилю. Таксономический состав характеризуется значительной долей  родококков, устойчивых к различным типам загрязнения, а также артробактера и стрептомицетов, тяготеющих к нейтральным и слабощелочным почвам. В сильнозагрязненных городских почвах в сапротрофном бактериальном комплексе происходит перераспределение таксонов в пользу увеличения удельного веса бактерий, адаптированных к определенным типам загрязнений: пигментированные родококки – нефть, полихлорбифенилы, артробактерии, азотобактер – подщелачивание почвы, энтеробактерии – хозяйственно-бытовое загрязнение. В загрязненных городских почвах и сопряженных субстратах происходит накопление опасных для человека потенциально патогенных энтеробактерий и аллергенных родококков, что свидетельствует о нарушении экологической функции почвы как «бактериального фильтра» и может представлять опасность для человека.

Окраска почвенной суспензии красителем L7012 (LIVE/DEAD): зеленые клетки – потенциально жизнеспособные (с неповрежденной мембраной), красные – нежизнеспособные (с поврежденной мембраной).

2. Бактериальные сообщества малоизученных почвенных локусов.

Гифосфера и микоризосфера  базидиальных грибов. Базидиальные грибы, образующие обильные мицелиальные маты, по характеру действия на бактериальное сообщество в гифосфере делились на две группы. Базидиомицеты первой группы оказывали ингибирующее действие на бактерии, а базидиомицеты второй группы оказывали стимулирующее действие на бактерии. Базидиомицеты-эктомикоризообразователи вызывали увеличение численности сапротрофных бактерий в гифосфере и микоризосфере в 2–6 раза и существенной перестройке структуры сапротрофного бактериального комплекса. Выявлены таксоны бактерий, постоянно присутствующие в гифосфере базидиомицетов и способные к образованию «бактериальных пленок» на поверхности гиф.

Биопленки  Pseudomonas sp.  на поверхности гиф.

Почвенные конкреции (ортштейны). Почвенные конкреции (ортштейны) представляют собой особый почвенный локус, специфика которого в сравнении с вмещающим горизонтом проявляется в увеличении доли клеток бактерий с ненарушенной мембраной, более высокой долей наноформ бактерий, иным соотношением филогенетических групп Alphaproteobacteria, Betaproteobacteria, Gammaproteobacteria, Deltaproteobacteria, Acidobacteria и Planctomyces, меньшим морфологическим разнообразием бактерий. Полученные результаты свидетельствуют о значительной роли бактерий (в том числе наноформ бактерий) в процессах образования карбонатных, марганцевых, железистых и железо-марганцевых конкреций.

3. Наноформы бактерий в природных и антропогенных почвах. 

Разработанный в лаборатории метод фильтрации почвенной суспензии через ядерные мембранные фильтры с размером пор 220 нм с последующей окраской суспензии красителем L7012 позволил  определить численность и охарактеризовать потенциальную жизнеспособность наноформ бактерий в природных  городских почвах.  Установлено, что численность наноформ бактерий в исследованных почвах составляет десятки и сотни млн. клеток в 1 г почвы. Доля наноформ в природных почвах не превышает 5-7% от числа клеток обычного размера, в городских загрязненных почвах доходит до 15-20%, еще выше в примитивных аллювиальных почвах Антарктиды (до 50%). Характерной особенностью наноформ бактерий является высокая потенциальная жизнеспособность (95-98%), по сравнению с клетками обычного размера (около 60%). Таксономический состав наноформ бактерий на уровне крупных филотипов (метод FISH) тот же, что и клеток более крупного размера, однако среди наноформ зафиксировано большая доля неидентифицированных клонов. Методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии выявлено значительное морфологическое разнообразие наноформ бактерий. Значительная численность, высокая потенциальная жизнеспособность, филогенетическое и морфологическое разнообразие наноформ бактерий позволяют рассматривать их как «пул» микробных клеток, позволяющий бактериям сохраняться в неблагоприятных условиях внешней среды.

Наноформы бактерий в сканирующем электронном микроскопе.

Наноформы бактерий в просвечивающем электронном микроскопе

4. Практическое аспект – использование  почвенных бактерий в целях биотехнологии.

Разработка микробиологических основ применения препарата «Бактогумус», представляющего собой препарат гуминовых кислот из бурого угля, модифицированный активными штаммами бактерий – деструкторов   ксенобиотиков,  для целевой ремедиации почв.

Выделение и изучение штаммов-деструкторов алифатических и ароматических углеводородов  нефти для получения бактериальных препаратов для борьбы с нефтяными загрязнениями биосферы.

Методы исследования, используемые в лаборатории:

1. Прямой микроскопический метод определения численности бактерий в почве при помощи окраска флуоресцентными красителями: акридин оранжевый, LIVE/DEAD L7012, ФДА (флуоресцеиндиацетат)
2. В лаборатории модифицирован и широко применяется метод окраски почвенной суспензии флуоресцентным красителем LIVE/DEAD L7012, позволяющий оценить потенциальную жизнеспособность клеток почвенных бактерий по степени повреждения наружной мембраны
3. Разработан метод фильтрации почвенной суспензии через мембранные ядерные фильтры (0.22мкм), позволяющий получить и исследовать фракцию наноформ бактерий
4. Широко применяется молекулярно-биологический метод FISH (in situ  гибридизация с 16 S рРНК специфичными олигонуклеотидными маркерами) для определения в почве численности отдельных филогенетических групп бактерий и архей
5. Классические методы посевы
6. Идентификация бактерий с использованием фенотипических, хемотаксономических и молекулярно-биологических методов

Руководитель направления: Манучарова Наталия Александровна

Состав исследовательской группы: аспиранты  Т.И. Чернов, А.Д. Железова, Е.М. Кольцова, П.В. Иванов; студенты.

Направление исследований:

• выявление специфики устойчивости и развития гидролитических микробных комплексов;
• установление закономерностей их распространения в биогеоценозах;
• изучение зависимости функциональной активности микробных комплексов от основных экологических факт

Используемые методы:

• молекулярно-биологические (гибридизации клеток in situ, пиросеквенирование); 
• флюоресцентномикроскопические;
• спектрофотометрические;
• газохроматографические

Практический аспект:

• Выявление закономерности микробного разложения биополимеров даст возможность управлять микробными популяциями, в частности откроет новые перспективы повышения урожайности сельскохозяйственных культур. 
• Оценка потенциальной гидролитической активности и анализ компонентного состава микробных сообществ наземных экосистем  в широком диапазоне действия экологических факторов могут быть полезны: 1) для разработки и применения хитинсодержащих компостов и биодеградабельного упаковочного материала (биопластика); 2) для решения проблемы утилизации хитин- и пектинсодержащих отходов; 3) для подбора оптимальных условий  выделения изолятов хитино- и пектинолитиков и 4) для содания биопрепаратов для борьбы с фитопатогенами.

Основные научные достижения:

Численность физиологически активных гидролитических прокариотных комплексов, по данным модифицированного метода анализа гибридизации клеток in situ (FISH), составляет третью часть от количества всех  прокариотных организмов надземного (филлосфера),  наземного (подстилка) и почвенного ярусов исследованных биогеоценозов. Выявлены различия в филогенетической структуре гидролитических прокариотных комплексов пространственно-сукцессионного ряда: функциональными и филогенетическими доминантами при деструкции биополимеров в надземном ярусе являются представители группы Proteobacteria (альфа- и бета-), тогда как в почве усиливается роль бактерий групп Firmicutes и Actinobacteria.

Исследование структурных и функциональных показателей гидролитических микробных комплексов широкого ряда почв выявило, что наиболее активно процессы разложение полисахаридов протекают в черноземе и серой лесной почвах, где роль основных гидролитиков  принадлежит  прокариотам.

В черноземе впервые выявлены in situ молекулярные детерминанты хитинолитической активности микроорганизмов - фермент хитиназа и ген chi A (хитиназ группы А), принадлежащий представителям филогенетических групп Actinobacteria и Firmicutes. Эти филумы определены как доминирующие в прокариотном хитинолитическом комплексе чернозема совокупным применением классических методов посева из почвы и молекулярно-биологическими методами –  гибридизации клеток in situ (FISH)  и ДГГЭ-анализом денатурирующего градиентного гель-электрофореза.

Среди широкого ряда исследованных в условиях микрокосмов экологических факторов (температура, влажность, внесение органического вещества, время сукцессии), влияющих на развитие и функциональную деятельность гидролитических микробных сообществ почв, наиболее значимым оказывался  уровень увлажненности почв, при этом в большей степени для хитинолитического комплекса по сравнению с пектинолитическим. Уровень влажности, обусловливающий максимальную активность гидролитического комплекса, определялся типом почвы.

При высоких уровнях увлажненности и температуры в микробном комплексе заметно возрастает роль  прокариотных организмов, в основном актиномицетов. Обнаружена новая функциональная активность актиномицетов в гидролитическом прокариотном комплексе: их контролирующее влияние на уровень дыхания комплекса в широком диапазоне параметров (влажности, поступления органического вещества, сукцессионного времени).  

При оптимальных для жизнедеятельности большинства микроорганизмов влажности (60% от  полной влагоемкости) и температуре (27^оС) среди  пектинолитических и хитинолитических комплексов исследуемых почв внутри домена Bacteria доминантами являются представители филогенетических групп Firmicutes и Actinobacteria.  С возрастанием влажности и понижением температуры в прокариотном микробном комплексе  возрастает доля   протеобактерий (альфа- и бета-). С понижением влажности и возрастанием температуры отмечается увеличение одноклеточных актинобактерий.

Руководитель направления: Полянская Любовь Максимовна

Основные направления исследований:

Изучение сукцессий микробных комплексов. 

С конца 70-х годов под руководством Д.Г. Звягинцева складывается новое направление в экологии почвенных микроорганизмов -  изучение сукцессий микробных комплексов. Основные параметры, характеризующие микробное население почв, изменяются в ходе годового цикла. Меняются как общая численность микроорганизмов, так и соотношение численностей различных функциональных и таксономических групп, а соответственно и интенсивность и направление биохимических процессов. Наибольший вклад в разработку сукцессионного направления внесла ученица Д.Г. Звягинцева Л.М. Полянская. Итогом многолетней работы по изучению микробных сукцессий в почве стала их совместная монография “Microbial succession in soil”, вышедшая в издательстве Harwood Academic Publishers в 1995 г. В 1996 г. Полянская Л.М. защитила докторскую диссертацию “Микробная сукцессия в почве”.

Многолетние исследования годовых сукцессий почвенных микробоценозов в модельных и полевых условиях позволили добиться новых, оригинальных результатов в экологии почвенных микроорганизмов. Проведена оценка общего состояния микробных систем, подробно описаны сезонные колебания численности и биомассы микробоценоза в целом, различных систематических групп и видовых популяций микроорганизмов в почвах разных типов. Впервые с помощью люминесцентно-микроскопического метода изучено вертикальное распределение микроорганизмов разных групп по профилю основных типов почв. Показано, что концентрация микроорганизмов всех групп выше в верхних горизонтах, однако общие запасы микроорганизмов в почвенном профиле выше, чем в подстилке, и измеряются десятками т/га. Установлено, что в микробной биомассе доминируют грибы, большая часть которых жизнеспособна. Доля углерода микробной биомассы (прежде всего биомассы грибов) в запасах углерода всего содержащегося в почве органического материала весьма высока. Полученные результаты являются основанием для новой оценки общего количества живого вещества в биосфере и заставляют переосмыслить роль царства грибов в глобальных биогеохимических процессах.

В лаборатории Л.М.Полянской изучены сезонная и межгодовая динамика численности прокариотных и эукариотных микроорганизмов. При сопоставлении хода сукцессионных событий не только по сезонам одной годовой сукцессии, но и по различным годам с их своеобразием кривых температуры и влажности выявляется ситуация, хорошо знакомая историкам: принципиальной несводимости событийного ряда - “сюжета” к собственно содержанию разыгрываемого действа, при их практической неразделимости. Содержанием почвенной сукцессии является поддержание гомеостаза. Оно неизменно при всем многообразии годовых сукцессий, что также, по-видимому, объясняется избыточной биомассой и избыточным видовым разнообразием микробных сообществ. Следует подчеркнуть, что  не только внешние возмущения инициируют сукцессионные события.  Многократные наблюдения над почвенными образцами, инкубируемыми при постоянной температуре и влажности, как с внесением дополнительного субстрата, так и без внесения такового, показывают, что сукцессия идет в любом случае, так как ее главными движущими силами  являются накапливаемые напряжения в сообществе, разрешающиеся сменой доминирующих популяций. Чрезвычайно существенно, что при реальной пространственной гетерогенности почвы с неравномерным распространением в ней субстратов и микробной биомассы, пространственные различия не перекрывают временных и, таким образом, не мешают наблюдению сукцессий почвенных микроорганизмов.

Исследования динамики биологического разнообразия микроорганизмов в ходе почвенных сукцессий служат методологической базой для решения проблемы индикации экологического состояния почв по биологическому разнообразию населяющих их микроорганизмов. Вскрытые механизмы регуляции позволяют решать вопросы контроля за применением бактериальных удобрений. Изученные сукцессионные закономерности дают исходный материал для инвентаризации ресурсов микробного населения и теоретического обоснования методов направленного поиска и выделения промышленно важных микроорганизмов.

В ходе многолетней работы, обобщенной, в частности, в докторской диссертации, в ряду зональных почв Евразии были исследованы численность и биомасса микроорганизмов сохранных почв нескольких заповедников. За период работы после защиты докторской диссертации впервые комплексно описаны особенности содержания и структуры микробной биомассы в почвах различных угодий, подвергшихся антропогенному воздействию. Установлено, что характер и интенсивность антропогенного вмешательства существенно сказываются на численности и биомассе почвенных микроорганизмов и их распределении по профилю. Окультуривание почвы приводит к общему снижению микробной биомассы и, в первую очередь, к снижению биомассы грибного мицелия, при этом в почве возрастает роль различных групп бактерий. Это дает основание для репрезентативной количественной оценки нарушений в функционировании комплексов почвенных микроорганизмов. Количественные характеристики содержащейся в почвах  микробной биомассы (прежде всего общее количество и распределение по профилю, далее доля прокариотного комплекса во всей биомассе и, наконец, соотношение спор и мицелия в комплексе  грибов) являются важнейшими индикаторами экологического состояния почвенного покрова. Опираясь на изучение ненарушенных аналогов, можно разрабатывать микробиологические критерии степени деградации и успешности рекультивационных мероприятий применительно к конкретному типу почвы в конкретном физико-географическом контексте.

Описание микробных сукцессий вошло в учебные курсы биологии и экологии, читаемые соискателем и его коллегами на факультете почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова.

Успех любых экспериментальных исследований в значительной мере зависит от комплекса использованных методических приемов. Работы выполненные под руководством Л.М.Полянской содержат в себе разработку новых методов почвенной микробиологии. Написаны главы по методам люминесцентной и иммунофлуоресцентной микроскопии в учебном пособии "Методы почвенной микробиологии и биохимии".

В лаборатории Л.М.Полянской воспитано немало учеников, участвующих в разработке сукцессионного подхода к изучению почвенных микроорганизмов. Под руководством Л.М.Полянской защищено более 50 курсовых и дипломных работ. Среди ее учеников один лауреат премии Ленинского комсомола (Додзин М.Е.) и 2 стипендиата Международной Соросовской Программы образования в области точных наук (Бурканова О.А., Девин Б.А.). Защитили кандидатские диссертации  М.Е.Додзин, Е.И.Волкова, Магда Миргани, Е.Г.Тригер, Головченко А.В., Оразова М.Х., Бабкина Н.И., Павлова О.С., Гейдебрехт В.В., Свешникова А.А., Паникова А.Н., Медведева М.В.

Основоположник направления: Бызов Борис Алексеевич

Установлено, что зоомикробный комплекс действует как единая система, во многом определяющая протекание почвенных процессов. Микробные сообщества пищеварительного тракта многих почвенных беспозвоночных состоят из специфических микроорганизмов. В этих сообществах имеются пристеночные и полостные микробные группировки. Доказана симбиотическая природа пристеночных сообществ. Кишечные симбионты могут служить пищей животных, участвовать в пищеварении, реутилизируя продукты обмена животного, поддерживать устойчивость кишечника к колонизации чужеродными микроорганизмами. Предложена концепция регуляции зоомикробных взаимодействий по трофическому и метаболическому принципам.

Руководитель направления: Кожевин Петр Александрович

Новое направление, в котором для объектов определенного вида или даже штамма микроорганизма непосредственно в нестерильной почве решаются основные вопросы классического популяционного подхода, включая анализ динамики популяционной плотности с характеристикой размножения, гибели, миграции, механизмов регуляции и экологической стратегии. Доказана принципиальная возможность длительного выживания в почвах внесенных микробных популяций. Установлен динамический характер стабилизации с компенсацией процессов гибели процессами размножения, что позволило ввести критерии приспособленности популяций к природным местообитаниям. Возможность стабилизации инородных популяций позволяет считать актуальной проблему риска при интродукции объектов генной инженерии в почву.

Руководитель направления: Степанов Алексей Львович

Ведутся исследования важнейших звеньев круговорота азота в почвах – азотфиксации, денитрификации, гетеротрофной нитрификации. Предложено различать «актуальную» (полевую) и «потенциальную» активности процессов. «Потенциальная» активность, измеряемая при оптимуме влажности, температуры и при отсутствии лимитирования по энергетическому субстрату, является показателем максимально возможного в данной почве уровня того или иного процесса. В настоящее время этот критерий широко применяется для ранней диагностики загрязнения почв тяжелыми металлами, пестицидами, для биоиндикации почв. Сформулировано представление об ассоциативной азотфиксации как саморегулирующемся экологическом процессе. Показано, что возрастание потока закиси азота из почвы в атмосферу, наблюдаемое в настоящее время, является следствием нарушения динамического равновесия между процессами ее микробного образования и поглощения в почвах, происходящего под влиянием антропогенных воздействий.

Главным объектом исследований студентов кафедры является микробное сообщество почвы, как система взаимосвязанных между собой разнообразных организмов. Однако спектр тем дипломов студентов достаточно широк и не ограничивается только почвенной микробиологией. Список дипломных работ студентов последних лет предствлен ниже: 

Подробнее: Темы дипломных работ кафедры