TERESTRIJALNA STANIŠTAZemljište kao stanište mikroorganizama

Prof. dr Slaviša Stanković

Katedra za mikrobiologiju

pedogeneza - kombinacija efekata fizičkih, hemijskih,

bioloških i antropogenih procesa

proces formiranja pre tercijera i uglavnom ne pre pleistocena

zemljišta se stalno menja, dugački periodi tokom kojih dolazi

do promena i multiplih uticaja raznih faktora dovode do

situacije da su jednostavna zemljišta retka

Relativna stabilnost zemljišta može biti postignuta kada su u

pitanju duži vremenski intervali, a životni ciklus zemljišta se

završava u uslovima koji ga čine podložnim eroziji

Na životni ciklus zemljišta utiču različiti faktori (regionalna

klima, biotički potencijal, parentalne materije, vremenski

period..)

Tri glavna tipa parentalnih materija: magmatske stene,

sedimentne stene, metamorfne stene

Pedogeneza

Zemljište koje se nalazi kao rastresit površinski sloj

zemljine kore, je veoma kompleksna životna sredina

koja pruža optimalne uslove za razvoj brojnih

mikroorganizama.

Iz tog razloga su zajednice mikroorganizama u

zemljištu najbrojnije i po broju vrsta i po broju

individua, te zemljište predstavlja rezervoar

mikroorganizama iz koga oni dospevaju i u druge

prirodne sredine u biogeosferi.

Zemljište kao stanište mikroorganizama

Zemljište - generalno povoljnostanište za razmnožavanje mikro-organizama

Najveća aktivnost mikroorganizamau površinskim slojevima bogatimorganskim supstancama

Dostupnost vode i količina hranljivihmaterija važni faktori koji određujuaktivnost mikroorganizama

U nekim zemljištima ugljenik nijelimitirajući faktor već neorganskekomponente, fosfor ili azot.

Zemljište kao stanište mikroorganizama

Najintenzivniji rast mikroorganizama

se odvija na površini partikula

zemljišta, obično u rizosferi

Mali agregati zemljišta mogu imati

različite mikrouslove tako da više

različitih vrsta mikroorganizama može

biti prisutno

Boja zemljišta – prva karakteristika koja se

uočava, neka zemljišta upadljivih boja (Red River

u Misisipiju, Port Silt Loam u Oklahomi, Yellow

River u Kini, Mollisols Great Plains), Fe žuta-

crvena boja, organske materije-braon boja, Mn, S,

N-crna boja

Boja je rezultat hemijskih i bioloških procesa

Zemljište - čvrsta faza

Zemljište konstantno izloženo dejstvumikroorganizama, kao posledicaprocesa njihove aktivnosti nastajuprodukti njihovog metabolizma

Produkti metabolizma i bakterijskećelije vezuju pesak, glinu i muljformirajuci zemljišne agregate, koji sujedinstveni za svaki tip zemljišta

Formiranje agregata zavisi odroditeljskog materijala, klime i biološkeaktivnosti

Struktura agregata definiše strukturuzemljišta

Zemljište - čvrsta faza

Tekstura i struktura bitni faktori zbog kretanja vode, kontaminanata i

mikrobijalnih populacija

Pore između agregata su bitne jer manje pore ne dopuštaju prolazak vode

brzo kao i veće, stoga će kretanje svih materija uključujući vazduh i mo

biti sporiji

Adsorpcija je glavni proces koji utiče na mobilnost i dostupnost kakoesencijalnih tako i zagađujućih materija

Sorpcija predstavlja asocijaciju organskih ili neorganskih molekula čvrstefaze zemjlišta

Organska materija: živa biomasa (životinje, mikroorganizmi, korenjebiljaka), materije u procesu truljenja, humusne materije (heterogenipolimeri nastali u procesu degradacije i truljenja biološke materije)

Zemljište - tečna faza Voda je primarni rastvarač u zemljištu i njeno kretanje je

glavni mehanizam transpotra hemijskih materija imikroorganizama

Količina i sastav tečne faze kontroliše mikrobijalni rast

Svi mikroorganizmi čak i oni pričvršćeni za podlogu suokruženi filmom vode odakle dobijaju nutrijente i u koji vršeekskreciju produkta svog metabolizma

zemljišta variraju u količini vlage koje sadrže (ovo važi kakoza različite tipove zemljšta tako i za isti tip zemljišta urazličitim sezonama)

Zemljišta koja su peskovita ne sadrže koloidne čestice, tako dase voda koja postoji u tim zemljištima lako uklanja sušenjem

strukturna voda - nalazi se unutar minerala, količinski je imaveoma malo i ona se ukalnja na visokim temperaturama.

Zemljište - tečna faza

Zemljišta koja sadrže veću količinu koloidnih čestica, sadržeznatnu količinu kako strukturne, tako i adsorbovane vode

adsorbovana voda je u bliskom kontaktu sa mineralnomstrukturom čestice, manje je dostupna mo u zemljištu

ako imamo 2 tipa zemljišta sa istim sadržajem vlage, voda upeskovitom zemljištu je dostupnija mikroorganizama u zemljištunego u zemljištu sa koloidnim česticama

Sušenjem se uklanja slobodna i strukturna voda

Određivanje sadržaja vlage u zemljištu bitno, jer se brojnost moizražava u odnosu na gram apsolutno suvog zemljišta

Formiranje zemljišta od stena može da se javi nakon izlivanja

lave u toplim predelima sa čestim i obilnim padavinama, u

takvim klimatskim uslovima dolazi do vrlo brzog formiranja

flore na basaltic lavi iako ima malo organske materije, korenje

biljaka raste i razbija poroznu lavu i dolazi do akumulacije

organskih materija

Zemljišne zajednice

Na partikulama zemljišta serazvijaju mikrokolonije

Broj mikroorganizama uzemljištu je veći od broja usvežim vodama ili morima(106-109 / g).

U zemljištu su virusi,bakterije, gljive, alge iprotozoe

Organskih materija imadosta pa je omogućen rastheterotrofnih MO

Klasična mikrobiologija i/ili Metagenomika

SelektivneFavorizuju rast fast-growing bacteriaMnoge vrste su oligotrofi

Novi pristupi u kultivacijiCilj je simulirati sredinske uslove

Do 1% se može kultivisati

Ekstrakcija DNA

(metagenomska)Ubacivanje u

plazmide Metagenomska biblioteka

klonova (E. coli)

Sekvenciranje

Autohtone zajednice mikroorganizama u zemljištu

Sposobne da koriste supstance humusa

Spora ali konstantna aktivnost je karakteristika ovihorganizama

Većina su gram negativne štapićaste bakterije i aktinomiceteArthrobacter, Azotobacter, Rhizobium, Myxobacteria:Myxococcus, Chondrococcus, Archangium, Polyangium,Caulobacter, Cellulomonas, Corynebacterium, Streptomyces iNocardia, Micromonospora, Actinomyces

Zimogene ili oportunističke zajednice u zemljištu

Ne koriste humusne supstance

Pokazuju visoki nivo aktivnosti i brzog rasta na

supstratima biljnog i životinjskog porekla

Period intenzivne aktivnosti smenjuje period

neaktivnosti

Tipične zimogene vrste: Pseudomonas, Bacillus,

Penicillium, Aspergillus i Mucor

Alohtoni mikroorganizmi zemljišta

Humani i animalni patogeni, dospevaju iz vazduha, vode ili u

asocijaciji sa biljnim ili životinjskim materijalom, ali se

eliminišu brzo

Sa inficiranim biljnim materijalom: Agrobacterium,

Corynebacterium, Erwinia, Pseudomonas i Xanthomonas

Patogeni životinja - fekalne streptokoke i Salmonella

Endospore i druge rezistentne forme mogu u dormantnom

obliku ostati duže

Mikroorganizmi zemljišta

Važni u biodegradaciji i recikliranju materija

Biljni polimeri, celuloza i lignin, recikliraju se uz pomoćmikroorganizama

Azotofiksatori, bilo slobodni ili u asocijaciji sa višim biljkamasu veoma značajni

Mikroorganizmi zemljišta imaju ograničenu ulogu u primarnojprodukciji

Agregati – uloga mikroorganizama bitna?

Mikroorganizmi u obradivom zemljištu

(do 15 cm dubine)

br/g biom g/m3

Prokarioti

Bakterije 108 160g/m3

Aktinomicete105-106 160

Eukarioti

Gljive 105 200

Alge 104-105 32

Protozoe 104 38

Bakterije u zemljištu

Obligatni aerobi

Fakultativni aerobi

Mikroaerofili

Obligatni anaerobi

Psihrofili (ledene pustinje)

Organizmi koji formiraju endospore

Fiksiraju azot

Hemolitotrofi

Mikroorganizmi dubljih slojeva zemljišta

Bakterije i u dubljim slojevima (100 m)

Sulfo-redukujuće, metanogene, homoacetogene(300m)

Hranljive materije – iz podzemnih voda

Manju aktivnost u poređenju sa istim vrstamapovršinskih slojeva

Veoma važna uloga u bioremedijaciji toksičnihsupstanci

Okolno zemljište

(bulk soil)Rizosfera

Površina korena

(rhizoplane)

Tri različita kompartmenta

Rizosfera je zona zemljišta koje okružuje koren biljke gdeje biologija i hemija zemljišta pod uticajem korena

U oblasti rizosfere živi veliki broj mikroorganizama kojiimaju veliki uticaj na razvoj biljke.

Biljka za vreme rasta dovodi do kretanja vode, gasova imineralnih soli u pojasu rizosfere.

Korenov sistem privlači mnoge mikroorganizme od koji seneki hrane direktno na korenu.

Mikroorganizami rizosfere su bakterije, gljive, protozoe i virusi.

Biljka obogaćuje rizosferu raznim materijama koje deluju stimulativno ilitoksično na različite mikroorganizme. Tu spadaju: organske kiseline, aminokiseline, vitamini, šećeri, tanini, alakaloidi fosfati, proteini

Mikroorganizmi transformišu organska materija u neorganske forme kojebiljke mogu da koriste

0.5 – 3 mm

Mineralna ishrana utiče na pH rizosfernog zemljišta, a time i na sastav MIKROBIOMA

kolonizacija

vegetativni

organi

reproduktivni

organi

infekcija

Ćelijski izati(celuloza, hemiceluloza,

pektin, proteini)

Spora razgradnja, nedeljama

Eksudati(glukoza, fruktoza, citrati,

organske kiseline, aminokiseline)

Par sati traju

Sekrecije(ugljeni hidrati, lipidi, proteini)

Brzo se potroše

Bakterije gladuju, nema N

Hidroliza i amonifikacija

Mikroorganizmi umiru,

oslobađa se N i biljke ga

usvajaju

Kompeticija za N

Brz rast bakterija

(najveća brojnost)

Mucilago(polisaharidi)

• Komunikacija izmedju korena i mikroorganizma može biti:

– Pozitivna za biljku kao što je sa mikorizalnim gljivama

i azotifiksirajućim bakterijama

– Negativna sa parazitskim bakterijama i gljivama

DNRA

NO3- →NH4

+

K Na P Ca Fe

K Na P Ca Fe

Rizosferne bakterije Biogeohemijski ciklusi

Amonifikacija

Ureoliza

Nitrifikacija

NO3-

Azotofiksacija

N2 → NH4+

NO2-

N2

Azotobacter

Pseudomonas

Azospirillum

Rhizobium

Gluconoacetobacter Enterobacteriaceae

Nitrobacter

Pseudomonas

A. Ublažavanje stresa (blokada sinteze etilena)

B. Biofertilizacija

C. Stimulacija rasta (auksini, citokini, giberilini)

D. Solubilizacija

E. Antagonizam (siderofore, antibiotici)

F. Endofitizam

Fiksacija azota u simbiozi sa leguminozama

Interakcija leguminoza i Gram negativnih azotofiksirajućihbakterija

Leguminoze: soja, detelina, pasulj, grašak, itd.

Gram negativni pokretni štapićaste bakterije:

Rhizobium,

Azorhizoboum,

Bradyrhizobium,

Sinorhizobium,

Mesorhizobium,

AZOTOFIKSACIJA - LEGUMINOZE

Biljke leguminoze luče flavonoide koji aktiviraju gene kod

bakterije Rhizobium meliloti odgovorne za proces

nodulacije koji omogućava biljkama da koriste azot iz

vazduha

Bakterije dospevaju u tkivo korena izlučivanjem enzima koji razlažecelulozu

Kvržice (nodule) su rezultat stimulacije ćelijskih deoba u korenubakterijskom produkcijom citokina u inficiranim ćelijama

Bakterije se brzo razmnožavaju u kvržicama i prelaze u specificnunepravilnu formu bakteroid, koja se razlikuje od štapićastog oblikaslobodnog Rhizobiuma

Nodule crvene zbog prisustva leghemoglobina (sličan hemoglobinu,pošto je nitrogenaza osetljiva na prisustvo O2 nizak redok potencijal jeomogućen prisustvom leghemoglobina)

Fluorescentne pseudomonade su vazan deo

rizosfere.

One mogu unaprediti rast biljaka i igrati značajnu

ulogu u zaštiti protiv patogena.

Pseudomonas fluorescens formira oko korena

biofilm koji štiti koren od patogenih bakterija i

gljiva

Pseudomonas putida je sposoban da kolonizuje rizosferu višerazličitih biljaka

Biljka produkuje eksudat korena koji sadrži određenesupstance koje privlače bakteriju Pseudomonas putida

Uspostavljanje Pseudomonas putida na korenovim dlačicamaprolazi kroz tri faze:

1. Faza privlačenja – kretanje bakterija kao odgovor naprisustvo korena

2. Faza klonizacije – bakterija raste, deli se i formirakolonije oko korena

3. Faza boravka – bakterijska kolonija dostiže veličinu kojaodgovara veličini korena i raste paralelno sa rastom korena

Biljka preko korenovog eksudata luči materije

koje privlače korisne mikroorganizme

Kod Rizobium-a kao odgovor na korenov eksudat

optimizuje se formiranje nodula

Kod bakterije Pseudomonas fluorescens to su geni

uključeni u transport i metabolizam šećera,

transport amino kiselina, sekreciju i odgovor na

oksidativni stres.

Rod Agrobacterium obihvata patogene bakterije koja živi u

zemljištu i izazivaju rak korena biljke

Ulazi u biljku preko povreda na korenu i izaziva

umnožavanje ćelija korena

Produkcijom biljnog hormona auksina dovodi do

poremećaja u biljci

Agrobacterium radiobacter

PRESYMBIOTICFUNGAL MYCELIUM

Mycorrhizosphere

Neophodne za akviziciju nutrijenata - biljke

Razmena nutrijenata: gljive - biljke

SYMBIOTIC

FUNGAL

MYCELIUM

MYCORRHIZAS

Gljiva usvaja i do 20-30% asimilata

Mikoriza – simbiozna asocijacija između korenova biljaka i filamentoznih gljiva

80% kopnenih biljaka

Mikorize – složeniji mikrobiom od rizosfere!!!!

Arbuskularne mikorizalne gljive su obligatni biotrofi koji

moraju da uspostave simbiozu formiranjem arbuskula što

im omogućava da dobijaju ugljene hidrate i energiju od

biljke domaćina

Mikorizalne gljive formiraju končaste hife pomoću kojih

usvajaju hranljive materije za biljku

Rod Azospirillum obuhvata veliki broj vrsta koje pozitivno utiču rast biljaka

Ove bakterije naseljavaju rizosferu žitarica

Fiksiraju azot

Redukuju nitrate

Produkuju fitohormone

Azospirillum brasilense

Ektomikoriza –

simbioza formirana između korenova

drvenastih i žbunastih biljaka, Basydiomycota

ili Ascomycota

MANTLE

HARTIG NET

EXTERNAL

HYPHAE

BACTERIA INSIDE

HYPHAE

Presimbiotski stadijum – saprofitski način života

Simbiotski stadijum – mikorizacija i formiranje

plodonosnog tela

Moguće funkcije mikoriznih-helper bakterija iz plodonosnih

tela tartufa

Stimulatorni efekat na rast micelije i na formiranje samih

mikoriza

Antagonizam prema kompetitorima iz zemljišta –

patogenim mikroorganizmima

Snabdevanje biljke i/ili micelije nutrijentima i poboljšana

ishrana

• produkcija hidrolitičkih enzima (celulaze, proteaze, lipaze, beta-glukanaze, hitinaze, pektinaze)

• sekundarni metaboliti –antibiotici (2,4-DPG, fenazini, pirolnitrin, pioluteorin, HCN)

• produkcija siderofora

• produkcija bakteriocina

• olakšana germinacija askospora i stimulisanje samog procesa germinacije

• produkcija hormona rasta(auksini, giberelini, citokini)

• attachment

• povećanje efikasnosti interakcija između korena i micelije - prepoznavanje

• fiksacija atmosferskog azota

• amonifikacija

• (de)nitrifikacija

• mobilizacija nedostupnih i slabo rastvorljivih jedinjenja - fosfati, Fe

Plodonosna tela tartufa (askokarpi) su bogat izvor bakterija

Izolati bakterija poreklom iz T. magnatum i T. macrosporum askokarpa

Uloge bakterija rizosfere

Plant-Growth Promotion

(PGPR)

ABIOTIČKI STRES

BIOREMEDIJACIJABIOKONTROLA

BIOFERTILIZACIJA

Oslobađanje

PO43-

Nitrifikacija

Azotofiksacija

FitatCa3(PO4)2

K Na P Ca Fe

K Na P Ca Fe

Biofertilizacija

Produkcija auksina

• plavljenje

• suša

• metali

• organski polutanti

• nodulacija

• patogeni

• starenje cvetova (etilen-tiosulfat)

ACC deaminase

(1-aminocyclopropane-1-carboxylate )

+ ACC

bacteria

- ACC, +PGPR

bacteria

H2O

Volatile organic compounds

(VOCs)

Nisu svi izolati podjednako efikasni kao PGPR

+++ -

Prisustvo bakterija je indukovalo različit fenotip kod patogenih gljiva

Biokontrola - BIOPESTICIDI

potpuno odsustvo rasta

patogene gljive

bez uticaja na rast

patogene gljive

Pseudomonas

Streptomyces

Bacillus