Микроорганизмы рода Nocardia и разложение гумуса

МИКРООРГАНИЗМЫ

РОДА NOCARDIA
И РАЗЛОЖЕНИЕ

ГУМУСА

Å.Ç. ÒÅÏÏÅÐ

Москва

ИНФРА-М

2020

МОНОГРАФИЯ

УДК 631.427.2(075.4)
ББК 40.3
 
Т34

Теппер Е.З.

Т34 
 
Микроорганизмы рода Nocardia и разложение гумуса : монография / 

Е.З. Теппер. — М. : ИНФРА-М, 2020. — 224 с. — (Научная мысль). — 
www.dx.doi.org/10.12737/5a0a94079b5852.64494692.

ISBN 978-5-16-013645-5 (print)
ISBN 978-5-16-106309-5 (online)

В работе показано наличие в почве специфической микрофлоры, ми
нерализующей гумусовые вещества, ведущую роль в которой играют нокардии. Освещаются современные данные, характеризующие морфологические и физиологические особенности нокардии и распространение их 
в почвах нашей страны и за рубежом. Предложен новый метод учета и выделения микроорганизмов, минерализующих гумус, и вскрываются причины, препятствующие учету их на банальных средах. Описаны новые 
виды нокардий.

Книга рассчитана на микробиологов, почвоведов, специалистов в обла
сти сельского хозяйства, а также на студентов и аспирантов биологического и агрономического профиля.

УДК 631.427.2(075.4)

ББК 40.3

ISBN 978-5-16-013645-5 (print)
ISBN 978-5-16-106309-5 (online)
© Теппер Е.З., 1976, 2018

А в т о р:

 Теппер Екатерина Зельмановна — доктор биологических наук, про
фессор кафедры микробиологии  Московской сельскохозяйственной 
академии имени К.А. Тимирязева

К 110-летию со дня рождения выдающегося 
ученого-микробиолога Екатерины Зельмановны 
Теппер переиздается монография «Микроорганизмы рода Nocardia в разложении гумуса» (1976)

Это первы й в наш ей стране научны й труд по автохтонны м м икроорганизм ам  — активны м  м инерализаторам  гумуса, он является 
пионерной работой в почвенной микробиологии. Ученые всего мира 
придают большое значение этим микроорганизмам в почвообразовательном процессе. К  сожалению, до сих пор подобные исследования 
в России отсутствуют.

В книге рассматривается роль микроорганизмов в разруш ении гумуса и в целом органического вещества почвы. Впервые раскрывается 
м алоизвестная роль м икроорганизм ов в поддерж ании плодородия 
почв и продуктивности сельскохозяйственных растений.

Ч есть и слава Н .Н . Худякову, С.В. Буткевичу, З.И . Ермольевой, 
М.В. Ф едорову, Е.Н . М иш устину и Е.З. Теппер, создавш им интеллектуальную основу кафедры микробиологии М осковской сельскохозяйственной академии имени К.А. Тимирязева.

Надеюсь, книга вызовет интерес молодых ученых к почвенным м икроорганизмам с целью управления их жизнедеятельностью и сохранения плодородия почв разных регионов России.

Профессор кафедры микробиологии и иммунологии

О.Д. Сидоренко

ПРЕДИСЛОВИЕ

Ведущую роль в процессах синтеза и распада гумусовых веществ играют микроорганизмы. Однако на современном этапе 
развития почвенной микробиологии, микробные ассоциации, 
участвующие в этих процессах, недостаточно изучены. Особенно 
мало сведений о группировках микробов, принимающих участие 
в минерализации гумусовых веществ. Между тем знание закономерностей их развития позволило бы регулировать деятельность этих организмов и более рационально использовать запасы гумуса.

С. Н. Виноградский (1952), исходя из того, что в почве идут 
два противоположно направленных процесса — разложение свежих органических остатков (растительных, животных и др.) с 
образованием гумусовых веществ и минерализация последних,— выдвинул гипотезу о существовании в почве двух групп 
микроорганизмов, вызывающих их. Микроорганизмы, разлагающие свежие органические вещества, названы им зимогенной микрофлорой; специфическая группа, участвующая в последующем 
разложении гумусовых веществ,— автохтонной микрофлорой.

Однако представители автохтонной микрофлоры не были выделены и изучены С. Н. Виноградским, и его положения остались 
экспериментально не подтвержденными. В связи с этим и вопрос 
о наличии специфичной автохтонной микрофлоры остался открытым и до сих пор дискутируется.

В данной работе приводится экспериментальный материал, 
подтверждающий гипотезу Виноградского о наличии двух групп 
микроорганизмов (зимогенной и автохтонной), несущих разные 
функции в почве. Продолжение исследований С. Н. Виноградского (1952) по изучению автохтонной микрофлоры и разработанный 
нами метод ее выделения позволили выделить чистые культуры 
отдельных представителей этой группы, изучить морфологи-’ 
ческие, физиологические особенности, установить родовую и видовую принадлежность, а также изучить распространение их в 
почвах разных типов.

Особое внимание было уделено микроорганизмам рода 
ЫосагсНа, так как в элективных средах с гуматами и в длительно парующих почвах, в которых гумусовые вещества являются

4

основным источником углерода и азота для микроорганизмов, 
нокардии проявили себя как представители автохтонной микрофлоры, минерализующей гумусовые вещества. Способность чистых культур отдельных представителей нокардий ассимилировать гуматы подтверждает их функции в почве.

Работа выполнена на кафедре микробиологии Московской 
сельскохозяйственной академии им. К. А. Тимирязева. Главы 
II—III включают результаты собственных исследований; экспериментальные данные, приведенные в IV—VII главах, получены У. Ратцке, Н. М. Гриценко, Л. А. Карягиной, А. П. Кемоклид- 
зе, Л. Г. Комаревцевой, Г. Ф. Коршуновой, Б. Ивановой, 
Т. В. Пушкаревой, Т. В. Ермольченко, Л. Г. Майоровой при участии и под руководством автора.

Автор приносит благодарность докторам биологических наук 
М. М. Кононовой, Н. М. Шемахановой, В. К. Шильниковой, 
Т. В. Аристовской, В. Т. Емцеву за ценные замечания при подготовке рукописи.

5

ГЛАВА I

МИКРООРГАНИЗМЫ РОДА NOCARDIA

(Syn.: Proactinomyces)

Морфологические, культуральные 
и цитологические особенности

По морфологическим и культуральным признакам нокардии занимают промежуточное положение между актиномицетами (Буш: 
БКеркнпусез; Ве^еу, 1974) и микобактериями. Они являются 
первой ступенью деградации высших форм лучистых грибков.

По описанию Н. А. Красильникова (1938, 1949, 1970), культуры типичных нокардий в начальной стадии роста образуют хорошо развитый несептированный мицелий. Гифы мицелия могут 
быть разной длины, часто или редко ветвящиеся, более или менее прямые или сильно искривленные. Диаметр нитей — 0,5—
1.5 мк, чаще — 0,7—0,8 мк. На вторые-третьи сутки, а иногда и 
раньше (мицелий этих организмов существует короткое время) 
на гифах появляются частые перегородки, которыми они расчленяются на короткие палочковидные фрагменты (микобактериального строения). Затем эти фрагменты укорачиваются, 
округляются и переходят в продолговатые или овальные, а чаще 
в шаровидные клетки — кокки. Диаметр кокков несколько больше диаметра нитей и колеблется ,у разных культур от 0,6 до
1.5 мк. Палочковидные и кокковидные клетки являются репродуктивными формами культур. При посеве на свежий питательный субстрат они прорастают и образуют мицелий \

Колонии типичных нокардий на богатых питательных средах 
гладкие, легко захватываются петлей, с агаром не срастаются. 
Отличить их визуально от колоний микобактерий на богатых 
средах можно лишь при наличии мицелиальной зоны (мицели- 
ального ободка), образующейся вокруг периферийной части колонии за счет молодых вегетативных клеток. Колония состоит

Кларк, Янис (Clark, Janice, 1957) изучили влияние лучистой энергии на No- 
cardia corallina и установили, что цикл развития у них не заканчивается 
образованием кокковых клеток. После формирования кокков у них наблюдается вторичный цикл. При этом кокки переходят в палочковидные клетки 
без образования мицелия.

6

из субстратного и надсубстратного мицелия. Воздушного мицелия не образуют. На некоторых средах (сусло-агар) колонии 
иногда покрываются тонким налетом коротких воздушных гиф,, 
распадающихся (сегментацией) на оидиоспоры цилиндрической 
формы с резко обрезанными или закругленными концами.

Культуры нокардий с таким циклом развития и образующие 
на всех средах пастообразные или тестообразные колонии 
Н. А. Красильников (1970) выделил в микопроактиномицетный 
или типичный проактиномицетный тип. Культуры, промежуточные между типичными нокардиями — микопроактиномицетным 
типом — и типичными актиномицетами, выделены им в актиноидный тип, у которого нити мицелия расчленяются на короткие 
нити и длинные палочки. На многих средах (чаще на синтетических) образуют плотно-кожистые колонии (срастающиеся со средой) с развитым воздушным мицелием, ветки которого имеют 
спороносны и неспиральные и спиральные, с типичным для акти- 
номицетов споро.ношением. Споры с гладкими оболочками.

Большинство нокардий бесцветные; образование пигмента, по- 
мнению Н. А. Красильникова 
(1949) является важным признаком для идентификации культур. Некоторые образуют пигменты: синие, фиолетовые, красные, оранжевые, желтые, зеленые, 
черные. Химическая природа пигментов у нокардий изучена слабо. Эти метаболиты стали предметом исследования лишь в последнее время и главным образом у актиномицетов в связи с 
тем, что многие из них обладают антибиотическими свойствами.

Более полно у нокардий изучены оранжевые пигменты. 
Н. А. Красильников с сотр. (Эль-Регистан и др., 1965) установили, что пигменты оранжевых и красных нокардий (N. asteroides, N. rubra, N. polychromogenes, N. rubropertincta, N. luteus) 
в основном состоят из каротиноидных веществ и каротинов. 
В их составе обнаружены (3-каротин, проликопин, у-каротин 
и др. У разных видов выявляется различное число фракций отмеченных пигментов: одни фракции имеются у всех видов, другие свойственны только отдельным видам и штаммам.

При сопоставлении красно-оранжевых пигментов у различных представителей лучистых грибков было отмечено, что основным и общим компонентом является продигиозиноподобное 
вещество, а у нокардий, микобактерий и микококков эти пигменты представлены каротиноидами. У нокардий преобладают 
каротиноиды нейтральные 
(60—90%) 
и кислые 
(10—40%), 
у микобактерий отмечено 50% кислых и 50% нейтральных, а у 
микококков 80—90% каротиноидов кислые. Оранжевые пигменты 
у лучистых грибков различны и по спектру поглощения. У актиномицетов максимум поглощения находится в области 530 нм, 
у нокардий — в области 450—475, у микобактерий — 440—475, а 
у микококков — 490—520 нм.

И спользуя тонкослойную  хром атограф ию  
Гербер 
(G erber, 
1969) устан овила наличие у красны х ш там м ов актиноидны х форм
7

N. pelletieri и N. madura продигиозиноподобных пигментов. Один 
из пигментов (выделенный из N. pelletieri) с углеродной цепочкой СцН22 был назван продигинином.

Пигменты желтых культур у класса актиномицетов не изучены. Н. А. Красильников (1970) отмечает, что желтый пигмент у 
Actinomyces sp., описанный Противой (Protiva, 1956, цит. по 
Красильникову, 1970), содержит значительное количество рибофлавина.

Свойства синего пигмента, продуцируемого N. суапеа, по 
мнению Красильникова, описавшего эту культуру, схожи с пигментами антоцианового типа, описанными Криссом (1937) у синих актиномицетов: он обладает индикаторными свойствами 
(в кислой среде краснеет, а в щелочной синеет), в воде растворяется и проникает в субстрат.

Фиолетовый пигмент у N. gabritschewski не изучен. Н. А. Красильников предполагает, что так же, как у фиолетовой группы 
актиномицетов, этот метаболит состоит из мицетина.

Зеленые пигменты у нокардий не изучались. По данным Чейна, Тоноло и Карелли (Chain, Tonolo, Carelli, 1955, цит. по Красильникову, 1970), зеленый пигмент у актиномицетов—комплексное железосодержащее органическое соединение.

Черные и черно-бурые пигменты у N. nigra, по мнению 
Н. А. Красильникова, как и у аналогично окрашенных актиномицетов, представлены меланинами. Образование черно-бурых 
пигментов у актиномицетов, по его наблюдениям, коррелирует 
с тирозиназной реакцией. Надо думать, что образование темнобурого пигмента свидетельствует о наличии в клетках фермента 
полифенолоксидазы (катехолоксидазы), катализирующего окисление монофенолов (в том числе и тирозина) и полифенолов 
(Кретович, 1971). Наличие у черно-бурых актиномицетов, образующих меланины, ферментов полифенолоксидазы и лакказы 
показано в работах И. В. Александровой (1962), Кюстера (Küster, 1963), С. П. Лях и Е. Л. Рубан (1972).

Строение клеток у нокардий не отличается от других представителей лучистых грибов и грамположительных бактерий. 
Клетка состоит из толстой плотной ригидной оболочки, толщиной 0,01—0,03 мк и составляющей 20% от веса клетки. Оболочка двух-, трехслойная, пористая (поры круглые — около 50А), 
содержащая ферменты, участвующие в обмене веществ и энергии клетки. В ее составе обнаружены мукопротеиды и гексоза- 
мины, являющиеся составной частью мукополисахаридов. За 
последнее десятилетие появилось много работ, посвященных химическому составу клеточных стенок актиномицетов и родственных им организмов. Они подробно 
освещены в книге 
Н. А. Красильникова «Лучистые грибки (высшие формы)» 
(1970). Так, Эриксон (Erikson, 1947), А. А. Прокофьева-Бель- 
говская (1963) обнаружили в оболочке клеток актиномицетов 
липиды. Солер с соавт. (Sohler et al., 1958а, b) обнаружили в

8

составе оболочек лучистых грибков (в том числе и нокардий) 
в качестве основных компонентов глутаминовую кислоту, аланин и диаминопимиленовую кислоту (ДАП), соединенную с ара- 
бинозой и галактозой. Камминс, Харрис (Cummins, Harris, 1959, 
цит. но Красильникову, 1970) и Дэвис, Бейрд-Паркер (Davis, 
Baird-Parker, 1959, цит. по Красильникову, 1970) делят нокар- 
Дии и близкие к ним микроорганизмы на две группы — одна характеризуется наличием в оболочке лизина и отсутствием ДАП,, 
другая — не содержит лизина, но имеет яг-ДАП.

Лешевалье (Н. Lechevalier, М. Lechevalier, 1965) установили 
в оболочке Nocardia madura яг-ДАП, у N. farcinica, N. asteroides— m-ДАП и галактозу, у Actinomyces bovis — лизин, аспарагиновую кислоту и отсутствие ДАП, а у Actin. israeli — 
лизин и орнитин, ДАП не содержится. На основании приведенных данных в рекомендуемой классификации авторы выделяют 
в семействе Nocardiaceae шесть родов.

Анализируя литературные данные по химическому составу 
клеточных оболочек и свои собственные данные, Солер с -соавт.. 
(Sohler et al., 1958а, b), Дэвис, Бейрд-Паркер (Davis, Baird- 
Parker, 1959; цит. по Красильникову, 1970) считают, что «аблюдаемые различия в химическом составе -оболочек незначительны 
и непринципиальны, чтобы их можно было использовать для 
классификации нокардий.

Н. А. Красильников (1970) также считает, что отмечаемые 
различия в оболочках клеток не могут служить критерием для 
дифференциации лучистых грибков на крупные таксономические 
единицы (группы, роды). Наблюдаемые различия, по его мнению, носят скорее даже не видовой, а штаммовый характер, учитывая, что некоторые авторы (Gordon, Smith, 1955; Michaels et 
al., 1960; Webley, 1960; Watanabe et al., 1963a, b) показали изменение в процессе жизненного цикла нокардий не только морфологии клеток, но и их химического состава. Н. А. Красильников 
(1970) указывает, что клеточная стенка у лучистых грибков отличается также физико-химическими показателями. Так, акти- 
номицеты способны адсорбировать фаги (в оболочке имеются 
специфические частицы-рецепторы, связывающие фаги). Известно также, что оболочка у одних видов, в том числе у нокардий, растворяется лизоцимом, а у других — не растворяется. 
Клетки по-разному относятся к адсорбентам: одни адсорбируются на ионообменных смолах, другие не адсорбируются. Фактор адсорбции может быть устранен из оболочки, и тогда клетка теряет способность адсорбироваться на адсорбенте.

Протопласт нокардий, как у всей группы лучистых грибков, 
не отличается от протопласта бактериальных клеток (Н. Lechevalier, М. Lechevalier, 1965). В молодых клетках протоплазма 
гомогенная. В неокрашенных препаратах у отдельных тифов просматривается уплотнение протоплазмы. В старых культурах появляются вакуоли, протоплазма приобретает грубозернистую
9

структуру и распадается на отдельные комочки. При этом клетки окрашиваются неравномерно.

Изучение ультратонких срезов отдельных представителей лучистых грибков показало, что в протоплазме выявляются особые 
мембранные структуры, связанные, как правило, с цитоплазматической мембраной. В одних случаях они расположены беспорядочно, в других-—строго ориентированы. Мембранный аппарат, 
по мнению некоторых авторов (Stanier, 1954, цит. по Красильникову, 1970; Robinow, 1960; цит. по Красильникову, 1970), играет важную роль в жизни клетки. В нем концентрируются окислительные ферменты, участвующие в получении энергии.

В клетках нокардий, как и у других представителей лучистых 
грибков, не обнаруживается компактного ядра. Вместо ядра у 
них имеется нуклеоид или мел'кораздробленные зерна ядерного 
вещества. Вокруг зерен отсутствует оболочка. В нуклеоидных 
зернах хроматина кроме ДНК обнаружены РНК и белок (Про- 
кофьева-Бельговская, 1961).

По утверждению ряда исследователей, отношение пар нуклеотидов — гуани-н+цитозмн/аденин+тимин 
(ГЦ/АТ) 
у 
различных микроорганизмов весьма специфично. У одних оно меньше единицы (0,3—0,8), у других — больше (1—2,5). По мнению
А. Н. Белозерского 
(1962, цит. по Красильникову, 1970),

А. А. Прокофьевой-Бельговской (1960), отношение ГЦ/АТ может служить видовым признаком и использоваться в систематике микроорганизмов. Н. А. Красильников (1970), анализируя 
литературный материал и собственные наблюдения, считает это 
необоснованным, так как у одной и той же культуры микроорганизмов отношение ГЦ/АТ меняется в зависимости от возраста 
и условий роста культуры. Так, у N.mollis в молодом (односуточном) возрасте оно равнялось 0,7, а в 30-суточном—1,5.

Наряду с хроматиновыми зернами в протопласте различных 
групп лучистых грибков имеются также метахроматиновые тельц а— волютин. Накопление их стимулирует богатая питательная 
среда. Н. А. Красильников (1970) рассматривает их как запасные питательные вещества. Исследования А. А. Прокофьевой- 
Бельговской, 3. Б. Шаминой (1962) и Эбеля с соавт. (Ebel et al., 
1958) показали, что метахроматиновые тельца состоят в основном из РНК, полифосфатов и мукополисахаридов.

За последние годы появились работы, указывающие на специфичный состав липидов в клетках нокардий и микобактерий, 
которые дают возможность дифференцировать эти группы микроорганизмов (Lechevalier et al., 1971; Minikin, Goodîellow, 1971). 
Лешевалье с соавт. установили, что для жирных кислот липидов 
представителей рода Nocardia характерна углеродная цепочка-— 
С14, С16, а для жирных кислот микобактерий — С22’ С24.

Исследуя жирные кислоты липоидов у 96 культур Nocardia 
(с типом оболочек, содержащих мезодиаминопимиленовую кислоту, арабинозы и галактозы), они пришли к заключению, что

10