NOTIUNI DE MICROBIOLOGIA SOLULUI

NOTIUNI DE MICROBIOLOGIA SOLULUI

Solul ca mediu natural pentru microorganisme

Solul poate fi definit ca un complex de substante - surse de nutrienti si de energie - pentru unele organisme. Este un sistem dinamic cu trei faze: solida, lichida si gazoasa.

Solul este rezultatul dezagregarii rocilor parentale sub actiunea factorilor fizici si chimici si a unor activitati biologice care determina evolutia substratului spre stadiul de sol.

Faza solida reprezinta circa jumatate din volumul solului si este alcatuita din substante minerale si organice. Fractiunea minerala are o compozitie variabila in functie de natura rocilor parentale, care pot fi:

- roci vulcanice (rezultate din solidificarea lavei): granitul, bazaltul

- roci sedimentare rezultate din depunerea si consolidarea produselor rezultate din degradarea altor roci (gresia, marna, dolomite, sisturi argiloase, calcare)

- roci metamorfice (sisturi cristaline, cuartite, gnaisul, marmora) provenite din modificarea rocilor vulcanice sau sedimentare sub influenta temperaturii si/sau a presiunii ridicate.

Rocile sunt infertile, dar pot adaposti cianobacterii, alge, unele eubacterii, care initiaza procesele de degradare a rocilor.

Fractiunea organica este alcatuita din resturi organice neanimate provenite din litiera, lemn, radacini, diferite organisme si microorganisme, ce corespund fractiei nealterate, dar si din fragmente si particule aflate in diferite grade de descompunere, incluzand si constituientii esentiali ai solului, reprezentati de materialele humice.

Diferitele substante cu rol de nutrienti se gasesc fie in forma solubila, fie adsorbite pe diferite substraturi, fie in stare insolubila. Desi solul contine cantitati suficiente sau chiar in exces de nutrienti, acestia sunt frecvent in forme inaccesibile plantelor si transformarea lor in forme accesibile este una dintre actiunile majore ale microorganismelor din sol.

Faza lichida este reprezentata de apa din porii solului si de pe suprafata particulelor de sol. Ea contine in stare dizolvata sau de dispersie coloidala, diferite substante minerale si organice si este cunoscuta sub denumirea de solutia solului. Reprezinta intre 0,1 si 1% din greutatea solului.

Faza gazoasa corespunde aerului prezent in porii liberi din apa si are o compozitie modificata fata de aerul atmosferic, avand o cantitate mai mica de O₂ si una mai mare de CO₂.

Componenta majora a solului o formeaza substantele minerale. Dintre acestea, siliciul sub forma de SiO₂ reprezinta 75,42% din masa totala a solului. La acesta se adauga: Al₂O₃ (9,68%), Fe₂O₃ (3,44%), K₂O (1,78%), Na₂O (0,96%), TiO₂ (0,72%), MnO (o,11%) din compozitia mineralelor argiloase, precum si CaO (1,33%), MgO (0,85%), P₂O₅ (0,11%), SO₃ (0,1%) si N (0,11%). Cantitatea de C echivalent cu materia organica este de 5,29%.

Fractiunea cea mai impotanta pentru activitatea microorganismelor din sol este cea a mineralelor argiloase, dispuse discontinuu pe suprafata particulelor de nisip. In lipsa substantelor organice, bacteriile nu pot adera, deoarece nu pot sintetiza suficiente substante organice proprii cu rol de aderenta.

Argilele au compozitii diferite in functie de conditiile in care a evoluat procesul de pedogeneza. Din punct de vedere chimic sunt alcatuite din aluminosilicati secundari (rezultati prin alterarea si hidratarea in diferite grade a silicatilor primari), asociati cu oxizi hidratati de Fe, Al, Mn sau alti produsi finali de alterare.

Importanta exceptionala a argilelor deriva din particularitatea generala a microorganismelor de a se localiza si de a fi active pe suprafata particulelor din sol, in sistemul porilor, in apropierea imediata a particulelor.

Datorita dimensiunilor mici, argilele au un raport mare suprafata/volum, favorizand fenomenele de adsorbtie si interactiune.

Mineralele argiloase, ca si materialele humice au o mare afinitate pentru moleculele de apa. De aceea, nutrientii organici si anorganici si microorganismele au tendinta sa se concentreze la interfetele argila/apa sau substante humice/apa.

Argilele au functia de retinere fizico-chimica si de cedare prin schimb a unor cationi ca, de exemplu, inlocuirea Si⁴⁺ si Al³⁺ cu ioni cu o valenta mai mica.

Formarea solului

Formarea solului (solificare) este un proces complex si foarte indelungat, in cursul caruia, prin interventia unor mecanisme fizice, chimice si biologice, roca parentala, sterila si inerta dobandeste caracterul de fertilitate, fiind convertita la stadiul de sol.

Principalele etape ale acestui proces sunt:

1)Dezagregarea - un proces fizic de fragmentare a rocilor compacte sub actiunea factorilor de mediu.

2)Alterarea - dezagregarea chimica sau biochimica, in cazul colonizarii cu microorganisme - pionier (cianobacterii si alge) sau cu licheni. In aceasta faza se formeaza complexul mineral al solului.

3)Instalarea si dezvoltarea biocenozelor proprii este o etapa esentiala deoarece asigura fertilitatea, adica aprovizionarea plantelor cu nutrienti.

4)Formarea si acumularea humusului - asigura prin actiunea mezofaunei si a microorganismelor, depozitul organic specific solului, component esential al fertilitatii acestuia.

Textura solului este una dintre proprietatile care influenteaza natura si biologia microorganismelor si este definita ca rezultat al proportiilor relative ale diferitelor particule din sol (nisip, praf, argila, etc.). Solurile dominate de o anumita clasa de particule poarta numele clasei: sol nisipos, argilos, sau sol prafos. Cele care nu au ca dominanta o anumita clasa de particule sunt denumite luturi.

Structura solului se formeaza in procesul de pedogeneza, ca rezultat al modificarilor fizico-chimice, de formare a argilelor si a altor coloizi, a humusului si a activitatii organismelor vii. Structura solului este definita de aranjamentul particulelor de sol si al porilor dintre ele. Structurile ce pot fi observate cu lupa (x4) se numesc macrostructuri, iar cele mai mici, microstructuri.

In solul structurat, particulele elementare sunt legate intre ele, in unitati structurale mai mari denumite agregate. Particulele de sol dintr-un agregat sunt legate prin forte mai puternice de cat fortele dintre agregatele adiacente.

Structura solului, adica modul de grupare a particulelor componente este un bun indicator pentru activitatea biologica, deoarece agregatele de sol delimiteaza cele mai importante microhabitate pentru microorganismele din sol. Ca faza solida a solului, agregatele controleaza cantitatea si distributia apei si a aerului.

Un sol este considerat ca avand o structura buna, daca mentine suficienta umiditate pentru a impiedica deficitul in jurul radacinilor in perioadele de uscaciune, dar care permite drenajul suficient pentru a evita baltirea in perioadele umede. El trebuie sa aiba pori plini cu gaze, pentru a permite schimbul cu atmosfera, reducand riscul formarii zonelor anaerobe.

Structura optima a solului este cea glomerulara ("mazarata"), rezultata din asocierea particulelor de sol in agregate sferoidale, cu diametrul de 0,2-5 mm, cu suprafata neregulata, cu convexitati si cu concavitati. Rezulta o structura friabila, afanata, datorita careia agregatele mari pot fi usor disociate la agregate de particule mai mici.

Structura solului este rezultatul a doua procese complementare: agregarea particulelor si fragmentarea masei solului.

Gruparea particulelor in agregate necesita prezenta unor substante cimentante, cele mai importante fiind particulele de argile coloidale, din solul argilos saturat in Ca²⁺ si Mg²⁺. Microorganismele au un rol complex in formarea structurii solului, conditionat in esenta, de capacitatea lor de a produce polizaharide sau alte materiale aderente. Cele mai active in stabilizarea structurii solului sunt cele cu g.m. de 100 kDa.

Humusul considerat de Chirita (1974) ca principalul formator de structura, datorita rolului sau de aglutinare si cimentare a particulelor, influenteaza formarea de agregate prin intermediul polizaharidelor, proteinelor, poliuronidelor aminate si al substantelor similare ligninelor pe care le contine.

Substantele organice derivate din exudatele radiculare, din tesuturile vegetale muribunde, ca si produsii rezultati din degradarea lor favorizeaza agregarea si este sursa majora de substante stabilizatoare.

Radacinile plantelor si regiunile periradiculare au un rol complex in structura solului nisipos nestructurat. Dupa dezvoltarea plantelor, o buna parte din particulele de sol raman asociate cu radacinile.

Fauna din sol (in special ramele) ingera cantitati mari de materiale vegetale si sol, care sunt maruntite si atacate de enzimele proprii si bacteriene din intestin. Ulterior, depun cantitati imense de sol si dejectii sub forma unor agregate coprogene cu structura glomerulara.

Sistemul poros al solului reprezinta acea parte a spatiului pedologic in care se desfasoara procesele de schimb intre fazele lichida, gazoasa si solida ale solului sau, altfel spus, intre continutul porilor si peretele lor. Porii reprezinta habitatul microorganismelor si asigura reglarea hidrica si gazoasa a acestuia. Ei reprezinta 31-45% din volumul solului. Porii difera prin forma, lungime, sinuozitate, continuitate, diametru. Porii fini (diametru mai mic decat 0,2 m) retin apa intr-o forma puternic fixata, inaccesibila plantelor. Porii mijlocii (0,2-10 m) retin apa si o inmagazineaza, disponibila organismelor vii. Porii mari (cu diamterul mai mare de 50 m) au rol esential in aeroreglare si reprezinta principalul biotop pentru organismele din sol. Apa trece cu usurinta prin ei.

Materia organica din sol

Materia organica, absolut necesara pentru existenta microorganismelor heterotrofe, provine in cea mai mare parte din afara acestuia si este formata din diferite tipuri moleculare in care predomina C, O, H, N si cantitati mici de alte elemente.

Materia organica din sol contine trei fractii majore:

- fractiunea relativ usor accesibila microorganismelor, provenita in principal din descompunerea resturilor vegetale, care se reinnoiesc anual;

- produsii rezultati din degradare la forme relativ stabile, prin metabolismul organismelor din sol, avand o vechime de circa 25 de ani;

- materia organica foarte rezistenta la degradare, in special de natura humica: substante complexe rezultate din conversia unor produsi de degradare a ligninei sau din sinteza de novo de catre microorganisme, din precursori aromatici si nearomatici, cu o vechime de 250-2500 de ani.

In functie de proprietatile chimice si de relatiile fizice cu constituientii solului, substantele organice apartin urmatoarelor categorii:

1)Molecule organice mici si difuzibile, solubile in faza apoasa a solului: monoglucide, aminoacizi, acizi organici, monomeri aromatici. Ele provin din degradarea resturilor organice adaugate recent in sol (litiera, exudate radiculare, etc). Se adauga substantele solubile provenite din resturi si excremente animale, deosebit de importante prin aportul de compusi cu azot, fosfor si sulf.

2)Substraturile macromoleculare includ o varietate de structuri polimerice, a caror utilizare necesita o degradare prealabila sub actiunea unor enzime extracelulare: celuloza, hemicelulozele, lignina (cel mai important substrat vegetal, dupa celuloza), polimerii de natura microbiana (chitina, peptidoglicani, acizi teichoici, polizaharide - levanii, dextranii, xanthanii, alginatii, etc), surse importante de glucoza, arabinoza, manoza, galactoza, ramnoza, xiloza, acizi uronici (acidul glucuronic si galacturonic), glucozamina, etc.

O mare parte din substantele organice sunt asociate cu fractiunea minerala din sol, in special cu argilele. Fenomenul adsorbtiei polizaharidelor are ca rezultat scaderea sensibilitatii lor la biodegradare.

Substantele organice pot fi asociate cu substantele humice din sol, efectul fiind de crestere a rezistentei la degradare.

Humusul

Principalul constituient specific al solului si factor esential al fertilitatii acestuia, humusul este un complex de substante coloidale amorfe, de culoare brun-neagra, format prin descompunerea partiala a resturilor vegetale, animale si microbiene.

Humusul este alcatuit din sisteme coloidale, interconectate tridimensional, de natura predominant aromatica, cu caracter fenolic, chinoinic sau cetonic, cu dimensiuni moleculare variate si apartinand heteropolicondensatelor cu mare rezistenta la atacul microbian.

Humusul este alcatuit din doua grupuri principale de constituienti: constituientii specifici sau substantele humice propriu-zise si constituientii nespecifici (nehumici) reprezentati de diferite substante organice, in diferite grade de degradare si eliberare din tesuturi din care provin (lignine, celuloza, hemiceluloze, pectine, proteine), precum si diferiti intermediari de descompunere (monoglucide, aminoacizi, acizi organici, fenoli, etc).

Substantele humice propriu-zise in functie de gradul de solubilitate pot fi grupate in urmatoarele fractiuni:

1)Fractiunea solubila in solutii alcaline este reprezentata de acizii humici. Componentii ei pot fi separati in acizi fulvici hidrosolubili si neprecipitabili cu acizi (HCl, H₂SO₄) din solutia alcalina si acizi huminici, precipitabili cu acizi din solutia alcalina.

Acizii fulvici, heterogeni din punct de vedere chimic reprezinta stadiul initial de transformare a produsilor intermediari rezultati din descompunerea masei reziduale organice (g.m. 2000-8000 Da).

Acizii huminici sunt constituienti majori ai humusului din solurile fertile. Solubili in solutii alcaline, insolubili in apa, au un grad mare de polimerizare (g.m. 50 000-100 000 Da). Se pot forma prin polimerizarea acizilor fulvici.

2)Fractiunea insolubila este reprezentata de humine. Ele sunt complexe macromoleculare de acizi fulvici si huminici, strans legate de materiale minerale. Insolubile in alcali, huminele formeaza fractiunea cea mai stabila a solului. Huminele marcheaza stadiul final al biosintezelor humice. Pot avea vechime intre 2000 si 5000 de ani. Dau culoarea caracteristica (brun-inchis spre brun-negru) a straturilor superficiale ale solului.

Materialele humice au o importanta esentiala pentru viata din sol. Cel mai adesea, ele se asociaza intim cu argilele pentru a forma complexe organo-minerale.

Structura chimica a humusului nu este definita exact. Exista tendinta de a considera ca materialele humice nu au o structura chimica definita, deoarece sunt polimeri asamblati neregulat.

Modelul structural propus de Stevenson (1976) are la baza existenta unei portiuni centrale ("core"), constand in cicluri aromatice, heterociclice si chinoidale condensate, conectate si interconectate prin legaturi C-C, amino si azo. Ciclurile poarta o serie de grupari functionale de tip carboxil, hidroxil, fenolic si carbonilic. De portiunea centrala a moleculei sunt legate glucide, aminoacizi si fenoli, care la randul lor formeaza alte interconexiuni. Astfel, rezulta o structura complexa tridimensionala, ca un burete, care absoarbe apa, ionii si moleculele organice in mod reversibil. Diferitii compusi organici naturali sunt legati sau "absorbiti" in structura sa. Datorita structurii tridimensionale, polimerii humici se pot extinde, expunand diferite zone ale suprafetei lor, ce pot influenta interactiunile cu enzimele din sol, cu microorganismele si cu diferite substraturi.

Procesul de humificare este putin cunoscut. Pe plan global, el reprezinta o stare intermediara intre procesele de reciclare imediata si rapida, care determina degradarea resturilor de substante organice (in special vegetale) ajunse in sol si cele de depunere de combustibil fosil. Se considera ca majoritatea humusului este de origine biogena si corelat cu procesul de ligninoliza. Lignina este abundenta in tesutul lemnos matur (18-30%) si impreuna cu celuloza si hemicelulozele formeaza peretii celulelor vegetale, un substrat greu degradabil. Totusi, in 6-8 luni, 60-75% din lignina este degradata de fungii putregaiului alb.

Paralel cu acest proces, in stransa apropiere fizica are loc procesul de formare a humusului. Detaliile procesului nu se cunosc, pentru ca nici structura ligninelor si nici cea a humusului nu au fost elucidate. Se stie insa ca macromoleculele complexe ale humusului prezinta un grad inalt de variabilitate. Procesul de humificare evolueaza extrem de lent. Substantele humice au vechimi cuprinse intre 20 si 5000 de ani. In acest interval, ele sunt continuu reciclate (mineralizate) si resintetizate.

Humificarea, ca proces secundar ligninolizei evolueaza in etape succesive, in cursul carora procesele de descompunere sunt insotite de reactii de sinteza si polimerizare a unor molecule de baza.

Structura de baza a humusului, reprezentata de ciclurile aromatice, poate avea originea in produsii de degradare a ligninei sau poate fi sintetizata de novo de unele microorganisme, din alte substraturi. Nu este exclusa inglobarea unor resturi aromatice ale unor molecule artificiale, cum sunt unele pesticide.

Procesul de humificare este extrem de lent, dar are un caracter permanent. Componentele humusului se reinnoiesc treptat, cu o rata dependenta de complexitatea si stabilitatea lor. De aceea, compozitia sa nu este stabila. Din acest punct de vedere, humusul se comporta asemenea unui organism viu.

In absenta activitatii biologice, in conditiile unui pH acid, temperatura scazuta, umiditate mare, continut crescut de materie organica saraca in compusi azotati are loc humificarea abiologica, foarte lenta, avand ca rezultat producerea de turba (aglomerare masiva de materie organica, saturata cu apa, putin degradata, in conditii de anaerobioza).

Humusul reprezinta una dintre cele mai raspandite si mai abundente materii organice din sol, substratul dezvoltarii microorganismelor si al fertilitatii solului, pentru ca asigura nutrientii in forme accesibile. Fertilitatea este consecinta degradarii permanente a humusului de catre microorganisme. Materialele humice sunt intr-o stare de echilibru dinamic: descompunerea lor treptata este compensata prin resinteza.

Factorii de mediu care influenteaza natura, numarul si activitatea microorganismelor

Apa si umiditatea asigurata de ea sunt esentiale pentru cresterea, activitatea, supravietuirea si germinarea sporilor diferitelor categorii de microorganisme. Umiditatea solului este expusa la mari fluctuatii sezoniere si chiar diurne. Apa gravitationala se scurge sau se infiltreaza datorita gravitatiei. O parte este retinuta contra gravitatiei si poate fi utilizata de sistemele biologice.

Apa din sol actioneaza ca solvent pentru nutrientii minerali, care vor fi preluati de plante si de microorganisme. Solurile foarte uscate cat si cele foarte umede limiteaza dezvoltarea microorganismelor. Bacteriile devin inactive cand solul argilos contine mai putin de 12% apa. Umiditatea in exces stimuleaza procesul negativ de denitrificare. Fungii sunt mai rezistenti la uscaciune. Necesarul lor de umiditate este foarte diferit. Asa se explica de ce unele boli fungice sunt limitate la anumite regiuni.

Prezenta apei in sol influenteaza deplasarea microorganismelor intre pori, de-a lungul radacinilor si in jurul resturilor vegetale.

Aerarea reprezinta procesul prin care gazele produse sau consumate sub suprafata terestra sunt schimbate cu cele din aerul atmosferic. Porii din sol care nu sunt ocupati de apa contin gaze ce formeaza atmosfera solului. Atmosfera solului contine o concentratie mai mica de O₂, iar a CO₂ este de 10-100 de ori mai mare decat a aerului atmosferic. Distributia celor doua gaze in sol, influentata de fenomenele de difuzie si de respiratie a microorganismelor este inegala, astfel incat unele zone pot fi aerobe, iar altele anoxice. Sub acest raport, solul nu este uniform, ci este o colectie de microhabitate in care conditiile de aerobioza si anaerobioza coexista in teritorii foarte apropiate.

Lipsa O₂ sau prezenta peste o anumita concentratie a CO₂ inhiba cresterea radacinilor al caror apex este foarte sensibil la lipsa O₂.

Temperatura este un factor variabil in straturile de la suprafata solului, putand sa creasca datorita razelor calorice solare pana la 55^o in regiunile temperate, 70^o la tropice si 88^o in Valea Mortii din California. Prezinta variatii diurne, ca si variatii sezoniere. Variatiile sunt mai mari in solurile lipsite de vegetatie.

Solurile au, in general, valori pH cuprinse intre 4,8 si 8,5. Ele poseda un sistem tampon complex, dependent de capacitatea de schimb ionic a argilelor si a materiei organice coloidale, dar valorile pH sunt influentate de activitatea metabolica a microorganismelor. Degradarea litierei poate sa produca un pH acid in straturile de suprafata, iar reducerea nitratilor la N₂ si a sulfatului la sulfuri in conditii anoxice favorizeaza alcalinizarea solului.

Adancimea influenteaza densitatea microorganismelor prin efectele concentratiei O₂ si CO₂, a nutrientilor, a umiditatii, etc. Frecventa microorganismelor in sol scade brusc cu adancimea, in raport cu numarul mare prezent la suprafata.

Microbiota din sol

Solul este un mediu potrivit pentru dezvoltarea microorganismelor. Numarul si diversitatea lor sunt mai mari decat in mediul acvatic. Solul ofera conditii foarte heterogene si de aceea poarta populatii de microorganisme cu particularitati biologice si biochimice foarte diferite. Micropopulatiile din sol sunt alcatuite din bacterii (eubacterii, actinomicete, cianobacterii), microfungi, alge si protozoare.

Winogradski (1949) a propus diferentierea ecologica in doua categorii:

Microorganismele autohtone (indigene, permanente sau constante) sunt cele mai numeroase si caracteristice unui anumit tip de sol. Ele sunt adaptate la viata in solul "normal", adica in solul care nu contine substante organice in curs de fermentatie sau putrefactie. Microorganismele indigene cresc lent, utilizand nutrienti prezenti in sol, inclusiv substante stabile cum sunt cele humice. Dezvoltarea lor nu este dependenta de surse exogene de nutrienti si de aceea nu sunt expuse fluctuatiilor numerice semnificative.

Microorganismele zimogene (temporare sau de fermentatie) au o activitate periodica, intermitenta, cu faze de activitate si de repaus. Nu pot utiliza substantele complexe din sol si se dezvolta pe substante organice, usor utilizabile, provenite de la exterior: resturi vegetale, excrete si resturi animale, etc. In mod obisnuit sunt putin numeroase, dar se dezvolta luxuriant dupa adaugarea substantelor organice exogene. Dupa epuizarea substratului numarul lor scade brusc.

Cele doua categorii de microorganisme nu pot fi separate in mod cert. Unii cercetatori considera ca microorganismele zimogene intra in sol odata cu resturile organice pe care le degradeaza, in timp ce altii le considera ca microorganisme heterotrofe autohtone cu anumite particularitati fiziologice si biochimice, prezente permanent in stare latenta in sol. Ei limiteaza termenul de alohton la patogenii pentru plante, animale si om care ajung in sol cu tesuturile vegetale infectate sau bolnave, apele reziduale cu dejectiile si cadavrele animalelor bolnave. Ele formeaza microbiota de tranzitie, deoarece, in general, nu gasesc conditii de multiplicare ci numai de supravietuire temporara. Putine specii patogene (de exemplu, Cl. tetani) pot persista indelung in sol.

Determinarile numerice ale diferitelor categorii de microorganisme au evidentiat dependenta lor de natura, de orizontul si de adancimea de la care au fost recoltate, de particularitatile de umiditate, de pH, de continutul in substante organice si de gradul de oxigenare.

Bacteriile se dezvolta intr-un numar imens de habitate, cu dimensiuni milimetrice sau mai ales micrometrice, iar in restul solului doar supravietuiesc. Ele formeaza microcolonii (uneori cu mai putin de 10 celule) pe suprafata particulelor de sol. Cresterea este mult mai importanta pe particulele de humus, pe diferite substraturi organice, decat pe cele de nisip.

Unele minerale argiloase stimuleaza rata de crestere a bacteriilor, dar inhiba cresterea fungilor.

Factorul care influenteaza decisiv cresterea microorganismelor este concentratia nutrientilor. Pentru alge si bacteriile autotrofe este esentiala concentratia nutrientilor organici.

Abundenta protozoarelor este corelata cu numarul bacteriilor, desi protozoarele saprozoice depind direct de prezenta si de cantitatea de materie organica in mediu.

Viata microorganismelor din sol este, influentata in mare masura de fenomenele de adsorbtie. Microorganismele, ca si nutrientii organici sunt frecvent adsorbiti si concentrati pe anumite particule.

Bacteriile reprezinta grupul cel mai numeros si mai activ din sol. Predomina bacteriile Gram negative. Cele Gram pozitive sunt mai frecvente decat in mediile acvatice si li se adauga bacterii care dau reactii Gram variabile. Bacteriile prezinta un pleomorfism accentuat in comparatie cu morfologia descrisa drept clasica. Valorile medii furnizate de tehnicile actuale sunt de 10⁶-10⁸-10⁹ celule/g sol uscat, prin tehnica cultivarii celulelor viabile si de 10¹⁰ celule, prin tehnicile de numarare directa, care insumeaza celulele vii si moarte.

Bacteriile sunt rareori libere in faza lichida a solului. Ele se gasesc frecvent sub forma de microcolonii pe diferite resturi vegetale, adsorbite pe argile si pe humus sau, inclavate in mase de humus. In functie de gradul de dispersie pe mediile de cultura, o microcolonie sau un agregat de bacterii din sol poate forma pe mediile de crestere, o singura colonie sau un numar de colonii mai apropiat de numarul celulelor individuale.

In general, tehnicile de apreciere a numarului de bacterii din sol prin cultivare in laborator reflecta numai 1-10% din situatia reala, deoarece nici un mediu de cultivare nu poate satisface enorma diversitate a exigentelor lor nutritionale.

Cunoscand numarul aproximativ al bacteriilor din sol se poate calcula biomasa lor, fie in functie de volumul mediu ocupat, fie ca greutate la unitatea de suprafata (ha).

Alexander (1971) propune ca baza de calcul, un volum de 1 m³/celula si o greutate umeda de 1,5 x 10^-12 g/celula. La o densitate de 10⁸ celule/g sol uscat, bacteriile ocupa 0,01% din volumul total al solului, iar la densitatea de 10⁹ bacterii, 0,1%. Raportat la greutate, la densitatea de 10⁸ celule, bacteriile reprezinta 0,015%, iar in cazul a 10⁹ celule, 0,15% din masa totala a solului.

In sol se gasesc toate bacteriile implicate in circuitul carbonului, a azotului, a fosforului, a sulfului, a fierului si a celorlate elemente in natura, a celor implicate in formarea si degradarea humusului, in solubilizarea compusilor organici si anorganici, insolubili si inaccesibili plantelor. Se adauga o serie de bacterii heterotrofe, relativ constante in toate solurile: Acinetobacter, Achromobacter, Agrobacterium, Alcaligenes, Arthrobacter, Bacillus, Brevibacterium, Cellulomonas, Chromobacterium, Clostridium, Corynebacterium, Flavobacterium, Micrococcus, Mycobacterium, Pseudomonas, Sarcina, Staphylococcus, Streptococcus, Xanthomonas, etc.

Rolul bacteriilor din sol este imens. Ele participa la procesele de mineralizare, esentiale pentru nutritia plantelor si asigurarea fertilitatii solului. Sunt organisme capabile sa imbogateasca solul in azot combinat prin fixarea N₂. Prin polizaharidele extracelulare participa la agregarea particulelor de sol si la formarea humusului.

Actinomicetele sunt la fel de numeroase ca si bacteriile propriu-zise (10⁵-10⁸ /g sol), desi determinarile nu reflecta densitatea lor reala si nici activitatea lor in sol. Coloniile in vitro pot sa aiba originea, deopotriva, in spori, fragmente de hife sau hife intregi. Sunt prezente in sol, in special, sub forma de spori. Sunt mai numeroase in straturile de la suprafata solului. Nu se dezvolta sub pH 5,0. Prefera solurile bogate in substante organice. Dupa adaugarea acestora in sol, initial se dezvolta bacteriile si fungii. Actinomicetele se dezvolta mai lent, cand nutrientii tind sa devina limitanti pentru bacterii si fungi. Ele se dezvolta heterotrof, utilizand surse de C simple sau complexe (glucide, acizi organici, polizaharide, hidrocarburi alifatice). Degradeaza molecule rezistente: celuloza (Nocardia cellulans, Streptomyces violaceus, S. cellulosae), chitina, parafinele, fenolii, etc. Sursa de azot este NH₃ si nitritul, dar utilizeaza si aminoacizii si peptonele.

Speciile cele mai frecvente apartin genurilor: Actinomyces, Actinoplanes, Mycobacterium, Mycoccus, Micromonospora, Nocardia, Streptomyces si Thermoactinomyces.

Actinomicetele au rol in mineralizarea compusilor rezistenti (chitina) la actiunea bacteriilor si fungilor, contribuie la formarea humusului prin producerea de compusi aromatici si la formarea structurii solului, fixeaza N₂ (g. Frankia) si formeaza simbioze de tipul actinorizelor, produc o gama larga de substante antibiotice (streptomicina, tetracicline, cloramfenicol, kanamicina, micostatin), unele sunt fitopatogene (S. scabiei produce raia comuna a cartofului), iar cele termofile pot fi dominante in substraturile vegetale incinse, in platformele de gunoi unde temperatura ajunge la 80-90^o.

Cianobacteriile se dezvolta in stratul superior, iluminat al solului. Genurile cele mai frecvent intalnite: Anabaena, Aulosira, Calothrix, Chrococcus, Cylindrospermum, Lyngbya, Microcoleus, Nodularia, Nostoc, Oscillatoria, Phormidium, Plectonema, Scytonema, Tolypothrix.

Se pot dezvolta si la intuneric, chemoorganotrof, facand transformarea unor compusi organici simpli, esentiali pentru mentinerea fertilitatii solului.

Fungii reprezinta o parte importanta din biomasa microbiana din anumite tipuri de sol. Desi mai putin numerosi in comparatie cu bacteriile, datorita cresterii hifale depasesc adesea greutatea globala a acestora.

Tehnicile pentru evaluarea cantitativa a fungilor in sol ofera rezultate denaturate de o serie de conditii specifice. Rezultatele oferite de tehnicile de examinare directa sunt falsificate de faptul ca hifele moarte persista in sol peste 6 luni si numarul lor este foarte mare. In plus, cele vii pot fi metabolic active si cresc pe medii artificiale, metabolic active care nu cresc, metabolic inactive dar capabile de crestere in cultura si metabolic inactive care cresc numai dupa ce sunt supuse unor artificii de tehnica.

Cultivarea pe medii selective (pentru inhibitia cresterii bacteriilor) favorizeaza speciile care cresc repede, pe cele ce sporuleaza abundent si pe cele care pot folosi eficient nutrientii din mediul de crestere. Agitarea probei influenteaza numarul de colonii, pentru ca determina dezintegrarea hifelor intr-un numar imens de fragmente si eliberarea sporilor din sporofori. Majoritatea coloniilor sunt generate de spori, astfel ca datele obtinute pe aceasta cale reflecta activitatea fungilor intr-o perioada anterioara examenului de laborator. Se apreciaza ca numarul unitatilor fungice /g de sol variaza intre 20 000-1 000 000 (unitatea fungica este structura generatoare a unei colonii: un spor, o hifa, un fragment de hifa).

Dupa Burges (1966), fungii din sol apartin la peste 600 de specii, intre care 200 Phycomycetes, 32 Ascomycetes si 385 Fungi Imperfecti.

Clasa Phycomycetes este reprezentata de fungi din ord. Mucorales, cu genurile Absidia, Cunninghamella, Mortierella, Mucor, Rhizopus Zyorhynchus etc si ord. Peronosporales, cu g. Pythium.

Clasa Ascomycetes este reprezentata de g. Chaetomium si Morchella.

Clasa Fungi Imperfecti, cea mai numeroasa este reprezentata de g.: Alternaria, Aspergillus, Botrytis, Cephalosporium, Cladosporium, Curvularia, Fusarium, Geothricum, Myrothecium, Penicillium, Phoma, Trichoderma, Turbecularia, Verticillium, etc.

Fungii din sol sunt organisme indigene sau alohtone, care traiesc liber sau in asociatie cu radacinile plantelor. Sunt raspanditi la suprafata solului, unde descompun materia organica. In conditii favorabile se dezvolta masiv si degradeaza o gama larga de substante organice, de la cele simple, la cele complexe (proteine, celuloza, lignina). In absenta nutrientilor trec in stare de latenta. Participa la formarea structurii solului si au rol in formarea humusului, deoarece multe specii produc substante aromatice asemanatoare ligninelor. Unii fungi sunt pradatori, participand la mentinerea echilibrului biologic in sol, iar altii produc substante antibiotice sau formeaza asociatii micorizice cu radacinile plantelor.

Algele sunt abundente in habitatele umede si iluminate de la suprafata solului si in stratul superior de cativa mm pana la cativa cm. Ele apartin increngaturilor Chlorophyta, Diatomeae si Xanthophyta.

Algele verzi (Chlorella) sunt mai frecvente in solurile acide: Chlamydomonas, Chlorella, Cladophora, Pleurococcus, Protococcus, Scenedesmus, Ulothrix, Chlorococcus etc. Unele specii (Chlorococcus humicola) sunt specifice pentru sol.

Activitatea microalgelor este putin semnificativa pentru transformarile biochimice din sol. Dezvoltarea intensa a algelor pe suprafata solului umed il imbogateste in compusi organici (biomasa algala) rezultati prin fotosinteza. Algele verzi sunt, alaturi de cianobacterii, primii colonizatori ai solurilor denudate, necultivate sau lipsite de forme de viata (ca, de exemplu, dupa eruptiile vulcanice).

Protozoarele din microbiota permanenta sunt prezente mai ales la suprafata solului umed si in stratul superficial (15 cm). Numarul lor variaza intre 10 000-300 000, dar ca biomasa sunt mai importante decat bacteriile. Acest numar prezinta fluctuatii mari de la o zi la alta, corelate invers cu marimea populatiilor bacteriene. De asemenea, pot prezenta fluctuatii numerice diurne, in functie de temperatura, de umiditate, disponibilitatea nutrientilor, etc.

Conditiile de mediu favorabile dezvoltarii protozoarelor sunt relativ putin cunoscute. Umiditatea este esentiala pentru existenta formelor active, pentru mobilitatea si dispersia in sol, iar uscaciunea favorizeaza inchistarea. Chistii protozoarelor au o rezistenta mare la conditiile de mediu (temperatura, uscaciune, pH).

Unele protozoare sunt saprozoice (utilizeaza compusi organici solubili). Foarte multe sunt holozoice (nutritie de tip animal, ingerand materie organica complexa) si ingera bacterii, alge sau chiar protozoare.

Nutritia protozoarelor cu bacterii are un pronuntat caracter de selectivitate, in sensul ca unele bacterii sunt "pradate" usor, altele rar, iar altele chiar deloc. Fenomenul tine, probabil, de particularitatile protozoarelor de a recunoaste anumite specii gazda.

Cele mai raspandite protozoare din sol apartin la trei grupuri majore: Rhizopoda (Sarcodina), Flagellata (Mastigophora) si Ciliata.

Clasa Sarcodina: Acanthamoeba, Amoeba, Biomyxa, Euglypha, Nuclearia, Naegleria si Leptomyxa, etc.

Clasa Flagellata include subgrupa Phytomastigophora (flagelate care contin clorofila si cresc fotosintetic) si subgrupa Zoomastigophora (flagelate heterotrofe): Bodo, Cercomonas, Tetramitus, etc.

Clasa Ciliata este reprezentata de genurile Balantidium, Colpidium, Oxytricha, Urotricha, Vorticella, etc.

Protozoarele au rol in pastrarea echilibrulului biologic al solului, corelat cu capacitatea multora de a ingera si distruge o serie de bacterii. Un singur protozoar (Sarcodina) poate ingera zilnic 30-40 000 bacterii.

Interactiuni intre radacinile plantelor si microorganismele din sol. Rizosfera

Radacinile plantelor reprezinta microhabitate pentru microorganismele din sol. Raider (1947) a descris colonizarea radacinilor unor angiosperme de catre hifele fungice.

Rizosfera este definita cu ambiguitate. Ea este regiunea din sol care contine radacinile unei plante si microorganismele care le insotesc.

"Spalarea" cu diferite grade de agitare a radacinilor unei plante evidentiaza diferente importante intre regiunile rizosferei. De aceea, rizosfera a fost definita ca stratul de sol ce adera de sistemul radicular dupa agitarea usoara, care indeparteaza solul legat lax, iar termenul de rizoplan defineste ceea ce ramane legat ferm de radacini dupa o agitare puternica in apa sterila pentru a indeparta solul strans aderent.

Din punct de vedere fiziologic, rizosfera ar fi regiunea din sol periradicular in care se resimt efectele substantelor exudate de planta, care realizeaza asa numitul "efect de rizosfera". Aceasta zona se poate extinde cu 2 cm de la suprafata radacinii in teritoriul bogat in nutrienti (aminoacizi, glucide, vitamine) pentru care competitioneaza microorganismele permanente din sol.

Situatia este mai complexa pentru ca limitele rizosferei depind nu numai de cantitatea de substante exudate din radacini, ci si de proprietatile fizice si chimice ale solului, care afecteaza difuzia lor ca si numarul si natura microorganismelor. Daca microorganismele din rizoplan sunt abundente, ele pot consuma substantele exudate si efectul de rizosfera are o extindere limitata. Invers, intr-un sol nisipos, cu putine microorganisme, rizosfera poate avea mai multi centimetri. In solul bogat in substante organice, spre deosebire de solul sarac, efectul de rizosfera nu se resimte.

In concluzie, rizosfera nu este un teritoriu uniform, bine definit, ci o regiune periradiculara care contine un gradient de microorganisme si de activitati mai importante in solul adiacent sistemului radicular, diminuand progresiv pe masura ce distanta fata de acesta creste.

Cu exceptia micorizelor la care hifele fungice acopera complet radacinile scurte laterale, relatia dintre microorganisme si radacini este diferita, colonizarea acestora avand un caracter discontinuu. Ele sunt, cel mai adesea, grupate in mici agregate si colonizeaza jonctiunile celulelor epidermice, la nivelul carora eliberarea de exudat este maxima.

Microscopia electronica a interfetei sol/radacina a evidentiat ca bacteriile care se dezvolta pe rizoplan, izolate sau ca microcolonii sunt inclavate intr-un mucigel cu grosimea de 1-10 um. Mucigelul, de natura polizaharidica, cu componenti fenolici si structura granulara sau fibrilara este repartizat inegal, fiind depus in straturi mai groase la jonctiunea celulelor epidermice si in zona de crestere a radacinilor.

Frecvent, bacteriile de pe radacinile plantelor sunt asociate cu hifele fungilor.

Dinamica cresterii bacteriilor pe suprafata radacinilor este diferita de cea observata in laborator si depinde de disponobilitatea nutrientilor exudatului radicular.

Zonele periradiculare sunt populate de comunitati extrem de numeroase si de active de microorganisme. Efectul stimulator este maxim pe rizoplan, unde se gasesc si cele mai numeroase populatii de microorganisme si scade treptat spre numarul solului normal pe masura ce distanta fata de radacina creste. Fenomenul este determinat de faptul ca radacinile elibereaza un exudat cu o compozitie complexa, cu efect stimulator, descris sub denumirea de efect de rizosfera.

Cele mai frecvente substante ale exudatului sunt glucidele (glucoza, fructoza, xiloza, maltoza, ramnoza, rafinoza, arabinoza, zaharoza), aminoacizii (alanina, acizi aspartic si glutamic, glicocol, leucina, valina, serina, iar la unele plante si/sau prolina, fenilalanina, cisteina, metionina, lizina, triptofan, treonina), acizi organici (acid acetic, propionic, butiric, oxalic, citric, tartric, fumaric, glicolic, malic, succinic, etc), vitamine (biotina, tiamina, niacina, acid pantotenic, piridoxina, mezoinozitol), factori de crestere (auxine, etc).

Prezenta microorganismelor stimuleaza producerea de exudate. Plantele de grau si orz, cultivate in solul nisipos steril elibereaza prin exudate 8% din carbonul total, iar in conditii septice elibereaza 15%. In solul normal fertil, care contine o mai mare diversitate de microroganisme, cantitatea de C eliberat in exudate este de 5-20 ori mai mare decat in culturile hidroponice aseptice.

Rizosfera stimuleaza multiplicarea bacteriilor si a fungilor. Bacteriile din rizosfera sunt reprezentate de o mare proportie de bacili Gram negativi si un numar mai mic coci, bacili si forme pleomorfe Gram pozitive. Numarul bacteriilor prezente in rizosfera este estimat la 5x10⁶-1x10⁹ celule/g, iar al celor din rizoplan, la mai multe miliarde/g.

Efectele microorganismelor asupra plantelor

Numeroase observatii pledeaza pentru o serie de efecte benefice, fara a exclude, in anumite cazuri, posibilitatea unor consecinte negative. Plantele dezvoltate in solul obisnuit, nesteril sunt mai viguroase decat plantele -martor cultivate in soluri sterile.

Microroganismele faciliteaza sau participa la absorbtia nutrientilor din sol, in special cand acestia sunt limitanti pentru crestere. Ele desfasoara permanent o actiune de reciclare si solubilizare a nutrientilor minerali, intensificata de "efectul de rizosfera". Microorganismele din rizosfera au o influenta benefica asupra nutritiei cu fosfor. Katznelson (1965) a evidentiat in rizosfera unor plante, microorganisme care solubilizeaza fosforul din fosfatii organici si anorganici insolubili. Bacteriile din rizosfera maresc solubilitatea compusilor cu Fe, prin producerea de chelatori organici, precum si rata preluarii Ca, a carui solubilitate este marita prin producerea de CO₂ in rizosfera.

Interactiunile nutritionale cele mai cunoscute sunt cele din asociatiile simbiotice, de tipul celor fixatoare de N₂ sau al micorizelor.

Fungii din micorize exercita un efect benefic complex prin :

- stimularea cresterii si ramificarii radacinilor;

- dezvoltarea hifelor exploreaza un volum mai mare de sol;

- hifele inglobeaza eficient concentratiile mici de nutrienti;

- radacinile cu micorize sunt mai rezistente la infectii;

- micorizele ectotrofe au propria lor rizosfera.

Sistemul radicular al plantelor crescute in sol nesteril este mai bogat decat al plantelor cu radacini sterile, are mai multe radacini laterale si mai multi peri radiculari. Plantele cresc mai repede, sunt mai verzi, inflorirea este grabita si fructele apar mai timpuriu.

Bacteriile Ps. aurantiaca, Ps. fluorescens, Ps. radiobacter si Bacterium herbicola produc vitamine ca: tiamina, biotina, riboflavina si acidul pantotenic. Numeroase bacterii din rizosfera produc acid indolil-3-acetic, in special cand triptofanul este prezent in mediu.

Microorganismele din rizosfera pot exercita si unele efecte negative asupra plantelor cand competitioneaza pentru nutrinti minerali sau pentru oxigen, cand interfera cu absorbtia nutrientilor, cand intensifica activitatea unor agenti patogeni sau cand produc substante fitotoxice.

In categoria efectelor negative se inscriu si cazurile de potentare a patogenitatii unor agenti patogeni putin virulenti.

Rizosfera si populatiile de microorganisme care o colonizeaza in mod normal constituie o bariera pentru patogenii cu care competitioneaza. Bacteriile din rizosfera, denumite generic rizobacterii exercita un biocontrol riguros asupra unor agenti patogeni redutabili, impiedicand aparitia bolii.

Mecanismele inhibitiei microorganismelor fitopatogene sunt diferite si includ:

- inhibarea germinarii sporilor si a cresterii tubului germinativ;

- limitarea activitatii patogene in tesutul radicular infectat;

- inductia rezistentei gazdei;

- suprimarea microorganismelor nocive din spatiul rizosferei.

Dupa Schippers (1988), mecanismul major implicat in controlul biologic al patogenilor este reprezentat de competitia pentru Fe. Fe are un rol esential in metabolismul energetic al microorganismelor aerobe sau microaerofile. Dar, pe masura ce valorile pH cresc peste 6,0 disponibilitatea Fe³⁺ pentru plante si microorganisme este mult redusa. Microorganismele competitioneaza pentru Fe³⁺ eliberand siderofori, mici proteine cu afinitate mare de legare a Fe³⁺. Afinitatea sideroforilor pentru Fe³⁺ variaza foarte mult la diferite microorganisme. Ea este de circa 10 ori mai mare in cazul sideroforilor de la Pseudomonas, comparativ cu cei ai fungilor.