Микробиология, 2019, T. 88, № 5, стр. 624-626

Термофильные микроорганизмы в почвах на сегодняшний день изучены в меньшей степени, по сравнению с термофильными микробными сообществами экстремальных мест обитания (Бонч-Осмоловская, 2004). По современным данным в естественных целинных почвах умеренных широт численность термофилов составляет 1.5–8.8 × 10⁴ КОЕ/г почвы (Marchant et al., 2002). Близкие показатели характерны и для почв пустынной зоны; несмотря на то, что температура почвы здесь может достигать 60°С, численность термофильных микроорганизмов варьирует в пределах от 5 × 10² до 3 × 10⁴ КОЕ/г почвы (Okoro et al., 2009; Aanniz et al., 2015).

В почвах численность этой группы микроорганизмов может существенно изменяться в результате сельскохозяйственного освоения территории (Мишустин, 1950). Показано, что наиболее вероятные источники поступления этих микроорганизмов в почву – это навоз и компост, которые вносятся на поля в качестве органических удобрений. Разложение органических материалов сопровождается экзотермическими реакциями. На этой стадии получают преимущества термофильные микроорганизмы, адаптированные к размножению и развитию при высоких температурах. По мере исчерпания субстрата активность термофильных микроорганизмов уменьшается, и температура компоста начинает снижаться (Patchaye et al., 2018). В этот момент начинается активный процесс спорообразования. Споры термофильных микроорганизмов в дальнейшем могут попадать в почву и сохраняться в ней неопределенно долгий период времени.

В последние десятилетия было показано, что микроорганизмы способны выживать в почвах на протяжении нескольких тысяч лет и сохранять способность формировать колонии на чашках Петри при стандартных условиях. В первую очередь это относится к микроорганизмам, выделенных из образцов мерзлотных отложений (Antibus et al., 2012; Selbmann et al., 2010).

Следует отметить, что использование навоза имеет многотысячелетнюю историю. Так, на территории современной Шотландии на поселениях возрастом более шести тысяч лет были выявлены хозяйственные ямы, которые использовались для компостирования органических отходов, а в Месопотамии начали использовать навоз в качестве удобрений около десяти тысяч лет назад (Patchaye et al., 2018).

При этом до настоящего времени не дана оценка вклада древней антропогенной деятельности в распространение термофильных микроорганизмов в почвах. Очевидно, ответить на этот вопрос можно, изучив микробные сообщества почв в окрестностях археологических памятников. Решению этого вопроса посвящена настоящая работа.

Проведена оценка численности термофильных микроорганизмов в почвах следующих объектов:

1. Загоны для скота в горной зоне Северного Кавказа. Согласно археологическим данным, загоны использовались в эпоху бронзы (I тыс. до н.э.) и в раннем Средневековье (I тыс. н.э.). Мощность почвенного профиля в загонах варьировала от 50 до 120 см. На различной глубине всегда залегала погребенная почва, в которой обнаруживалось значительное количество керамики, что позволило четко устанавливать время функционирования загона (Чернышева и соавт., 2017). В ряде случаев зафиксирован факт использования загонов в советское время. Всего было исследовано семь загонов.

2. Почвы древних земледельческих угодий. Исследованы две группы объектов – почвы полей в окрестностях средневековых поселений и почвы земледельческих террас в горном Дагестане. Для изучения свойств почв средневековых полей была заложена серия из 11 почвенных разрезов на разном удалении от поселения, функционирующего в V–VIII вв. н.э. Особо отметим, что на средневековых полях имел место только один период использования: ни до этого времени, ни после, никакой сельскохозяйственной деятельности на данной территории не осуществлялось (Борисов, Коробов, 2014). Использование почвы земледельческой террасы в горном Дагестане началось в XI–XII вв. н.э. и не прерывалось до середины XIX в. В результате сформировался профиль агрозема мощностью свыше двух метров.

Параллельно в непосредственной близости от вышеуказанных объектов исследовались современные фоновые почвы, для которых достоверно было установлено отсутствие антропогенного воздействия в прошлом.

Численность культивируемых аэробных органотрофных термофильных микроорганизмов определяли методом посева почвенной суспензии из разведений на агаризованную глюкозо-пептонно-дрожжевую среду (Добровольская и соавт., 1989). Посевы инкубировали при 60°С в течение одних суток. Из отдельных колоний были получены четыре чистые культуры микроорганизмов, для идентификации которых был проведен анализ нуклеотидной последовательности гена 16S рРНК. Выделение, амплификация, очистка и секвенирование ДНК было проведено Центром коллективного пользования “Биоинженерия” ФИЦ “Фундаментальные основы биотехнологии” РАН.

Установлено, что численность указанных термофильных микроорганизмов в почвах загонов для скота достигала 570–620 тыс. КОЕ/г почвы, в то время как в современных фоновых почвах их численность не превышала 90 тыс. КОЕ/г почвы (рис. 1).

Рис. 1.

Численность термофильных бактерий в почвах археологических памятников: 1 –загоны для скота; 2 – древние земледельческие поля; 3 – фоновые почвы. Обозначения: а – межквартальное расстояние; б – медиана; в – min‒max; г – выброс; д – число наблюдений.

В почвах полей в окрестностях средневековых поселений численность термофильных бактерий существенно уменьшалась по мере удаления от поселения (рис. 1). В ближайших к поселению почвах их численность составила около 150 тыс. КОЕ/г почвы, а на расстояние более 2000 м уже не превышала 1 тыс. КОЕ/г почвы (Чернышева и соавт., 2017). Повышенная численность термофильных микроорганизмов зафиксирована на расстоянии до 500–700 м от поселения. Таким образом, можно предположить, что высокая численность термофильных микроорганизмов в почвах указывает на активное применение навоза в земледельческой практике в прошлом.

В почвах земледельческих террас в горном Дагестане, использование и рост профиля которой не прерывался на протяжении 800 лет, четко выделяются слои с высокой и низкой численностью термофильных микроорганизмов, что, по-видимому, отражает особенности унавоживания в разные исторические периоды.

Анализ последовательности гена 16S рРНК показал, что два штамма, выделенных из слоя XVII века почвы земледельческой террасы относится к спорообразующим, умеренно термофильным бактериям рода Anoxybacillus (штамм АТ1 на 97.2% идентичен Anoxybacillus vitaminiphilus 3nP4; штамм АТ2 на 99.9% идентичен Anoxybacillus calidus C161ab). Из средневекового слоя почвы загона выделен штамм, относящийся к роду Parageobacillus, облигатных термофильных спорообразующих бактерий (штамм СЕ1 на 98.9% идентичен Parageobacillus toebii R-35642). Из этого же образца выделен штамм, относящийся к роду термофильных актиномицетов Thermoactinomyces (штамм СЕ2 на 99.9% идентичен Thermoactinomyces vulgaris KCTC 9076). Примечательно, что ранее жизнеспособные споры T. vulgaris были выделены из слоя озерных отложений, где их происхождение связывали с сельскохозяйственным освоением территории в эпоху Средневековья (Nilsson, Renberg, 1990).

Таким образом, учитывая тот факт, что количество древних и средневековых поселений только на территории европейской части нашей страны измеряется сотнями тысяч (только в период 2009–2012 гг. открыто свыше 15 000 новых памятников; Макаров и соавт., 2016), и принимая во внимание, что каждое поселение имело свою земледельческую периферию, где практиковалось внесение органических удобрений, мы вправе сделать предположение о ведущей роли хозяйственной деятельности человека в распространении термофильных микроорганизмов в почвах.