Microscopic Counting of the Total Number of Bacteria and Metabolically Active Bacteria in Soil Samples: Their Relationship and Oscillative Dynamics of Number

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Experimental results of daily counting under a microscope for 30 days of prokaryotic cells in preparations from soil samples when stained with different specific dyes and literary results on daily counting of bacteria in soil using different methods are presented. The FITC dye, which stains the entire set of bacterial cells, revealed a wave-like dynamics of cell numbers with different numbers of oscillations in the form of peaks in all experiments. Using the SFDA dye, which detects only living, metabolically active cells, wave-like dynamics were also revealed, but their oscillating number was significantly less. The reliability of oscillations and differences in cell numbers when using different dyes were confirmed statistically and by harmonic analysis. The wave-like dynamics of living, metabolically active cells is a consequence of the cycles of growth and death of bacterial cells and short-term trophic succession in the microbial community. External disturbing influences did not affect the manifestation of wave-like population dynamics, both in the population of living cells and in the total number of cells. The phenomenon of wave-like dynamics of non-living bacterial cells and their numerical superiority is explained by the fact that cells, losing viability, lyse and disintegrate not immediately after dying, but with some delay in time. This leads to the accumulation and permanent superiority of the pool of dead cells when microscopically counting the total number of bacteria in the soil and explains the discrepancy in bacterial numbers between different counting methods. The presented experimental and literary material will serve as a substantiation for microbiologists and biotechnologists of the need to control the dynamics of the numbers of introduced populations and communities of microorganisms into the natural environment, as well as a source of knowledge for the successful management of natural microbial communities.

Full Text

Restricted Access

About the authors

A. M. Semenov

Lomonosov Moscow State University

Author for correspondence.
Email: amsemenov@list.ru

Faculty of Biology, Department of Microbiology

Russian Federation, Moscow

A. A. Shatalov

Groundwork BioAG

Email: amsemenov@list.ru
Israel, Mazor

E. V. Semenova

Lomonosov Moscow State University

Email: amsemenov@list.ru

Faculty of Biology, Department of Microbiology

Russian Federation, Moscow

References

  1. Аристовская Т.В. О некоторых итогах работ по международной биологической программе в области почвенной микробиологии // Закономерности развития почвенных микроорганизмов / Ред. Т.В. Аристовская. Л.: Зоол. ин-т АН СССР, Центр. музей почвоведения, 1974. С. 5–14.
  2. Виноградский С.Н. Микробиология почвы. Проблемы и методы: пятьдесят лет исследований. М.: Изд-во АН СССР, 1952. 897 с.
  3. Гендугов В.М., Глазунов Г.П., Евдокимова М.В. Макрокинетика роста и отмирания микробов в почве // Микробиология. 2011. Т. 80 (4). С. 1–5.
  4. Горбенко Ю.А., Крышев И.И. Статистический анализ динамики морской экосистемы микроорганизмов. Киев: Наукова думка, 1985. 144 с.
  5. Егорова С.В. Изучение размеров биомассы бактерий в почвах лесов // Закономерности развития почвенных микроорганизмов / Ред. Т.В. Аристовская. Л.: Зоол. ин-т АН СССР, Центр. музей почвоведения, 1974. С. 70–76.
  6. Ефремова Т.Н. Динамика кратковременных колебаний численности бактерий в некоторых почвах полупустыни // Закономерности развития почвенных микроорганизмов / Ред. Т.В. Аристовская. Л.: Зоол. ин-т АН СССР, Центр. музей почвоведения, 1974. С. 77–86.
  7. Звягинцев Д.Г. Почва и микроорганизмы. М.: МГУ, 1987. 256 с.
  8. Звягинцев Д. Г., Зайцева В. Е. Динамика численности почвенных бактерий, учитываемых разными методами // Микробиология. 1979. Т. 48 (5). С. 915–919.
  9. Зыкина Л.В. Ежедневная динамика численности бактерий в дерново-подзолистых почвах под луговыми угодьями // Закономерности развития почвенных микроорганизмов / Ред. Т.В. Аристовская. Л.: Зоол. ин-т АН СССР, Центр. музей почвоведения, 1974. С. 168–177.
  10. Куприянов А.А., Семенов А.М., ван Бругген А.Х.К. Перемещение энтеропатогенных и сапротрофных бактерий в цикле экониш: животные–экскременты–почва–растения–животные // Изв. РАН. Сер. биол. 2010. № 3. С. 318–323.
  11. Лаврентьева Е.В., Семенов А.М., Зеленев В.В. и др. Ежедневная динамика целлюлазной активности в пахотной почве в зависимости от обработки // Почвоведение. 2009. № 8. С. 952–961.
  12. Лимарь Т.Е., Полянская Л.М., Кожевин П.А., Звягинцев Д.Г. Приемы повышения численности клубеньковых бактерий в почве // Микробиология. 1984. Т. 53 (5). С. 830–832.
  13. Низовцева Д.В., Семенов А.М., Паников Н.С. Влияние влажности на целлюлазную активность микроорганизмов в верховом торфе // Микробиология. 1995. Т. 64 (6). С. 827–832.
  14. Самцевич С.А. О сезонности и периодичности развития микроорганизмов в почве // Микробиология. 1955. Т. 24 (5). С. 615–625.
  15. Семенов А.М. Трофическое группирование и динамика развития микробных сообществ в почве и ризосфере: Дис. … докт. биол. наук. М.: МГУ имени М.В. Ломоносова, 2005. 68 с.
  16. Семенов А.М., Джукич Д.А. Микробные сообщества в почвообразовательных процессах и здоровье почвы // Эволюция биосферы с древнейших времен до наших дней. Сер. “Геобиологические системы в прошлом”. М.: ПИН РАН, 2019. С. 171–189.
  17. Семенов В.М., Когут Б.М. Почвенное органическое вещество. М.: ГЕНОС, 2015. 233 с.
  18. Семенов А.М., Семенова Е.В. Почва как биологическая система и ее новая категория — здоровье // Успехи соврем. биол. 2018. Т. 138 (2). С. 115–125.
  19. Семенов А.М., Шаталов А.А. Флуоресцентно-микроскопические методы учета микроорганизмов в экологических исследованиях. Метод. пособие. М.: МАКС Пресс, 2003. 24 с.
  20. Семенов А.М., Бубнов И.А., Семенов В.М. др., Ежедневная динамика численности бактерий и эмиссии СО2 почвы и связь их волнообразных колебаний с сукцессией микробного сообщества // Почвоведение. 2013. № 8. С. 963–979.
  21. Семенов А.М., Шаталов А.А., Семенова Е.В. О периодических колебаниях численности клеток микроорганизмов в природе и в чистой культуре; к третьему закону популяционной экологии в микробиологии // Успехи соврем. биол. 2022. Т. 142 (6). С. 591–602. [Semenov A.M., Shatalov A.A., Semenova E.V. About periodic oscillations of the microorganisms cells number in nature and in pure culture: to the third law of population ecology in microbiology // Biol. Bull. Rev. 2022. V. 12 (2). P. 151–161.]
  22. Смирнов В.И. Курс высшей математики. Т. 2. М.: Наука, 1974. 655 с.
  23. Сомова Л.М., Андрюков Б.Г., Ляпун И.Н. Гетероморфизм клеточной персистенции возбудителей сапронозов в различных условиях среды обитания // Журн. микробиол. эпидемиол. иммунол. 2020. Т. 97 (1). С. 62–71.
  24. Чернов Т.И., Железова А.Д. Динамика микробных сообществ почвы в различных диапазонах времени (обзор) // Почвоведение. 2020. № 5. С. 590–600.
  25. Щапова Л.Н., Ежедневная динамика численности микроорганизмов в некоторых почвах приморья // Закономерности развития почвенных микроорганизмов / Ред. Т.В. Аристовская. Л.: Зоол. ин-т АН СССР, Центр. музей почвоведения // 1974. С. 126–136.
  26. Эль-Регистан Г.И., Лойко Н.Г., Николаев Ю.А. Выживание стареющих микробных популяций при летальных воздействиях // Микробиология. 2022. Т. 91 (6). С. 708–719.
  27. Эмер Н.Р., Семенов А.М., Зеленев В.В. и др. Ежесуточная динамика численности и активности азотфиксирующих бактерий на участках залежной и интенсивно возделываемой почвы // Почвоведение. 2014. № 8. С. 963–970.
  28. Юршенас Д.А., Каширская Н.Н. Обзор основных таксономических групп микроорганизмов в почвах зонального ряда по данным метагеномного анализа и флуоресцентной гибридизации in situ // Успехи соврем. биол. 2022. T. 142 (6). С. 578–590.
  29. Babiuk L.A., Paul E.A. The use of fluorescein isothiocyanate in the determination of the bacterial biomass of the grassland soil // Can. J. Microbiol. 1970. V. 16. P. 57–62.
  30. Blagodatskaya E., Kuzyakov Y. Active microorganisms in soil: critical review of estimation criteria and approaches // Soil Biol. Biochem. 2013. V. 67. P. 192–211.
  31. Blazewicz S.J., Hungate B.A., Koch B.J. et al. Taxon-specific microbial growth and mortality patterns reveal distinct temporal population responses to rewetting in a California grassland soil // ISME J. 2020. V. 14 (6). P. 1520–1532. https://doi.org/10.1038/s41396-020-0617-3
  32. Gómez-Brandón M., Aira M., Santana N., Pérez-Losada M. et al. Temporal dynamics of bacterial communities in a pilot-scale vermireactor fed with distilled grape marc // Microorganisms. 2020. V. 8. P. 1–19. https://doi.org/10.3390/microorganisms8050642
  33. Haugland R.P. Handbook of fluorescent probes and research chemicals. Sixth ed. Eugene. OR, USA: Molecular Probes Inc., 1996. 679 p.
  34. He M., Ma W., Zelenev V.V. et al. Short-term dynamics of greenhouse gas emissions and cultivable bacterial populations in response to induced and natural disturbances in organically and conventionally managed soils // Appl. Soil Ecol. 2017. V. 119. P. 294–306.
  35. Holt J.G., Krieg N.R., Sneath P.H.A. et al. Bergey’s manual of determinative bacteriology. Ninth ed. Published in 4 volumes. Baltimore, USA: Williams & Wilkins, 1994. P. 786–788.
  36. Lundgren B. Fluorescein diacetate as a stain of metabolically active bacteria in soil // Oikos. 1981. V 36. P. 17–22.
  37. Poindexter J.S. Oligotrophy. Feast and famine existence // Adv. Microbiol. Ecol. 1981. V. 5. P. 63–89.
  38. Semenov A.M. Physiological bases of oligotrophy of microorganisms and concept of microbial community // Microb. Ecol. 1991. V. 22. P. 239–247.
  39. Semenov A.M., Đukić D.A. The role of microbial communities in soil formation and soil ecosystem health // Paleontol. J. 2020. V 54 (8). P. 35–44.
  40. Semenov, A.M., van Bruggen, A.H.C., Zelenev, V.V. Moving waves of bacterial populations and total organic carbon along roots of wheat // Microb. Ecol. 1999. V. 37. P. 116–128.
  41. Semenov A.M., Khvatov I.L., Olenin A.V. Determination of the number of ammonification bacteria and activity of the ammonification process in soils and their relevance for the development of the of soil health parameter // Curr. Invest. Agricult. Curr. Res. 2019. V. 6 (2). P. 715–722.
  42. Stone B.W.G., Dijkstra P., Finley B.K. et al. Life history strategies among soil bacteria – dichotomy for few, continuum for many // ISME J. 2023. P. 1–9. https://doi.org/10.1038/s41396-022-01354-0
  43. Staley J.T. Kanopka A.K. Measurement of in situ activities of nonphotosynthetic microorganisms in aquatic and terrestrial habitats. Literature review // Ann. Rev. Microbiol. 1985. V. 39 (1). P. 321–346.
  44. Stevens T.O. Optimization of media for enumeration and isolation of aerobic heterotrophic bacteria from the deep terrestrial subsurface // J. Microbiol. Methods. 1995. V. 21. P. 293–303.
  45. Tsuji T., Kawasaki Y., Takeshima S., Sekiya T. et al. A new fluorescence staining assay for visualizing of living microorganisms in soil // Appl. Environ. Microbiol. 1995. V. 61. P. 3415–342.
  46. Trolldenier G. The use fluorescence microscopy for counting soil microorganisms // Modern methods in the study of microbial ecology / Proc. symposium held at the Agriculture college, Uppsala, Sweden, June 19–23, 1972. P. 53–59.
  47. Ushakova N.A., Abramov V.M., Khlebnikov V.S. et al. Properties of the probiotic strain Lactobacillus plantarum 8-RA-3 grown in a biofilm by solid substrate cultivation method // Prob. Antimicrob. Prot. 2012. V. 4 (3). P. 180–186.
  48. van Bruggen A.H.C, Semenov A.M. Relation between oligotrophic and copiotrophic bacterial colonies on agar plates and direct microscopic counts during initial stages of cover crop decomposition in soil // Ninth int. symposium on microbial ecol. collection of abstracts. The Netherlands, 2001. P. 126–126.
  49. van Bruggen A.H.C, Semenov A.M., Zelenev V.V. Wave-like distributions of microbial populations along an artificial root moving through soil // Microb. Ecol. 2000. V. 40. P. 250–259.
  50. van Bruggen A.H.C., Semenov A.M., van Diepeningen A.D. et al. Relation between soil health, wavelike fluctuations in microbial populations, and soil borne plant disease management // Eur. J. Plant Pathol. 2006. V. 115. P. 105–122.
  51. van Bruggen A.H.C, Semenov A.M., Zelenev V.V. et al. Wave-like distribution patterns of gfp-marked Pseudomonas fluorescens along roots of wheat plants drown in two soils // Microb. Ecol. // 2008. V. 55 (3). P. 466–475.
  52. van Bruggen A.H.C., He M., Zelenev V.V. et al. Relationships between greenhouse gas emissions and cultivable bacterial populations in conventional, organic and long-term grass plots as affected by environmental variables and disturbances // Soil Biol. Biochem. 2017. V. 114. P. 145–159.
  53. van Diepeningen A.D., de Vos O.J., Zelenev V.V. et al. DGGE fragments oscillate with or counter to fluctuations in cultivable bacteria along wheat roots // Microb. Ecol. 2005. V. 50 (4). P. 506–517.
  54. Zelenev V.V., van Bruggen A.H.C., Semenov A.M. Modelling wave-like dynamics of oligotrophic and copiotrophic bacteria along wheat roots in response to nutrient input from a growing root tip // Ecol. Modell. 2005a. V. 188 (2–4). P. 404–417.
  55. Zelenev V.V., van Bruggen A.H.C., Semenov A.M. Short-term wavelike dynamics of bacterial populations in response to nutrient input from fresh plant residues // Microb. Ecol. 2005b. V. 49. P. 83–93.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Accounting for the total number of bacterial cells in the soil using the FITC dye in the experimental and control variants in three experiments (a), (b) and (c), respectively. The values indicated in Figures 1-3 by dots are represented by arithmetic averages, the values of deviations in the graphs are presented as results calculated in the standard Excel program.

Download (185KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Accounting for the number of physiologically active bacterial cells in the soil using SFDA dye in the experimental and control variants in three experiments (a), (b) and (c), respectively.

Download (447KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Dynamics of moats in the soil in the control and experiment in the 3rd experiment.

Download (167KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Harmonic analysis of the results of accounting for the total number of bacterial cells in the soil in the control variant in three experiments (a), (b) and (c), respectively.

Download (163KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Harmonic analysis of the results of accounting for the total number of bacterial cells in the soil in the experimental version in three experiments (a), (b) and (c), respectively.

Download (151KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Harmonic analysis of the results of accounting for the number of physiologically active bacterial cells in the soil in the control variant in three experiments (a), (b) and (c), respectively.

Download (150KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Harmonic analysis of the results of accounting for the number of physiologically active bacterial cells in the soil in the experimental version in three experiments (a), (b) and (c), respectively.

Download (123KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences