Сергей Павлович Костычев – выдающийся микробиолог и физиолог растений, основоположник сельскохозяйственной микробиологии, организатор и первый директор Всесоюзного (ныне Всероссийского) научно-исследовательского института сельскохозяйственной микробиологии (ВНИИСХМ) родился в 1877 в Санкт-Петербурге. После окончания физико-математического факультета Санкт-Петербургского университета (1900) С.П. Костычев приступил к разработке фундаментальных проблем физиологии растений, которым была посвящена его магистерская диссертация “Исследования над анаэробным дыханием растений” (1907), а затем и докторская диссертация “Физиолого-химические исследования над дыханием растений” (1911). В результате проведенных исследований С.П. Костычев показал, что у растений спиртовое брожение не является первой фазой дыхания (как полагали до него), хотя эти процессы связаны промежуточными продуктами превращения углеводов. Он установил путь восстановления растениями нитратов до аммиака, а также описал суточную динамику фотосинтеза. Результаты этих работ были обобщены в монографиях “Исследования над анаэробным дыханием растений” (1907) и “Физиолого-химические исследования над дыханием растений” (1910).

Развитие исследований по физиологии растений С.П. Костычев совмещал с активной преподавательской деятельностью, работая ассистентом кафедры ботаники Военно-Медицинской Академии (с 1903 г.), преподавателем ботаники Технологического института (с 1910 г.), руководителем кафедры физиологии и анатомии растений Петроградского университета (с 1916).

Параллельно с работами по физиологии растений С.П. Костычев проводил активные микробиологические исследования, к которым он приступил после избрания профессором кафедры ботаники и микробиологии на Высших женских (Бестужевских) курсах (1911 г.). В эти годы С.П. Костычев сделал ряд важных открытий в области биохимии микроорганизмов. Наибольшую известность получили его работы по синтезу органических кислот грибами, в частности по образованию лимонной и щавелевой кислот Aspergillus niger. Применяя метод сменных культур, С.П. Костычев создал теорию образования лимонной кислоты и разработал условия, необходимые для максимального ее накопления. Полученные результаты послужили основой для организации производства лимонной кислоты в России.

Одновременно с развитием физиолого-биохимических работ, С.П. Костычев обратился к изучению почвенной микрофлоры, продолжив исследования своего отца, Павла Андреевича Костычева (1845-1895). Занимая с 1876 г. кафедру агрономии в Санкт-Петербургском университете, П.А. Костычев доказал ведущую роль почвенных микроорганизмов в разложении растительных остатков и в формировании гумуса. С 1885 г. П.А. Костычев работал в Министерстве земледелия и государственных имуществ, где он занимался организацией исследований в области сельскохозяйственной микробиологии. После назначения П.А. Костычева в 1894 г. директором Департамента земледелия, эта работа увенчалась созданием бактериологической лаборатории, положившим начало развитию отечественной школы сельскохозяйственной микробиологии.

Важным этапом этого развития стало назначение С.П. Костычева консультантом отдела бактериологии Сельскохозяйственного Ученого комитета 1918 г. Уже в эти годы С.П. Костычев высказал новаторские идеи об организации агроценоза как целостной биосистемы, основанной на деятельности микроорганизмов. Это фундаментальное обобщение стало возможным благодаря широчайшему общебиологическому кругозору С.П. Костычева, который очевиден из списка монографий, опубликованных им в период, предшествовавший созданию ВНИИСХМ (О появлении жизни на земле, 1921; Микробиология и ее значение для человечества, 1922; Натурфилософия и точные науки, 1922; Накопление живой материи на земле, 1925).

Системные представления об организации агроценоза как биосистемы, основанной на тесном взаимодействии микроорганизмов и растений, были сформулированы С.П. Костычевым следующим образом:

“… правдоподобным представляется питание микробов из корневых систем высших растений”;

“… вокруг корней каждого растения в почве располагаются специальные микробы, привыкшие к выделениям, производимым этими корнями; в сообществе с ними растение чувствует себя прекрасно”. Костычев С.П. Избранные труды по физиологии и биохимии микроорганизмов. Т. 1. — М.: Изд-во АН СССР, 1956.

Рассматривая деятельность почвенной микрофлоры, С.П. Костычев пришел к важному заключению: “Если прежде исследовали в чистых культурах деятельность микроорганизмов, выделенных из почвы и производящих определенные превращения веществ, то в настоящее время пора синтезировать приобретенные результаты и изучать почву как сложный организм, учитывая важное значение бактериальных сообществ, своеобразную физико-химическую среду почв, условия питания и конкуренции микробов в естественных условиях”. Костычев С.П. Выводы агрономического характера из работ Отдела по биодинамике почв // Труды ин-та сельскохоз. микробиол. 1930. Т. 4, с. 29-40.

В 1923 г. после избрания действительным членом Академии Наук по специальности ботаника Сергей Павлович Костычев был назначен руководителем Отдела бактериологии Сельскохозяйственного Ученого Комитета, который в 1930 г. был преобразован во Всесоюзный НИИ сельскохозяйственной микробиологии. Развивая исследования по агрономической микробиологии, С.П. Костычев организовал и возглавил лабораторию почвенной микробиологии, работа которой была нацелена на изучение состава и функций микрофлоры почв в различных климатических зонах России с акцентом на изучение круговорота азотных веществ и в частности, биологической фиксации азота.

В своих работах С.П. Костычев опирался на труды С.Н. Виноградского, который в 1922 г. организовал Отдел сельскохозяйственной микробиологии в Пастеровском институте в Париже, то есть фактически одновременно с созданием С.П. Костычевым Отдела бактериологии в Санкт-Петербурге.  Основной принцип изучения почвенной микрофлоры, согласно представлениям С.Н. Виноградского, заключался в том, что микробиологические процессы должны изучаться в самой почве или в возможно близких к ней средах. Рассматривая эти процессы, С.Н. Виноградский опроверг теорию плейоморфизма, предполагавшей неограниченную индивидуальную изменчивость бактерий в природе. Причину высокого разнообразия почвенных микроорганизмов С.Н. Виноградский видел в сложной организации их сообществ, для изучения которых необходимы специальные методики, во многом отличные от существующих приемов общей микробиологии.

Эти подходы получили полное подтверждение и дальнейшее оригинальное развитие в работе лаборатории, возглавляемой С.П.Костычевым. В частности, разработанные С.Н. Виноградским методы элективных культур были адаптированы С.П. Костычевым для решения практических задач, связанных с созданием микробных препаратов.

Первые работы руководимой С.П.Костычевым лаборатории касались изучения микрофлоры почв южного берега Крыма, где в условиях субтропического климата микробиологические процессы идут с высокой интенсивностью и не сопровождаются накоплением значительных количеств гумуса. На этих почвах ярко проявляется значение почвенной микрофлоры для корневого питания растений. Изучение этих почв оказалось весьма полезным при расшифровке результатов исследований более гумусированных почв различных регионов России, а также для разработки общих методов почвенной микробиологии, которая была продолжена многочисленными учениками и последователями С.П. Костычева.

Таким образом, С.П. Костычев стал первым биологом, который использовал холистический подход к изучению почвенной экосистемы и к управлению продуктивностью агроценоза. Использование этого подхода показало глубокую взаимосвязь контролируемых микроорганизмами процессов формирования гумусового фонда почв и питания растений. На этом основании С.П. Костычевым была сформулирована общая цель развития сельскохозяйственной микробиологии – изучение биодинамики почв, ставшее основой формирования долгосрочной научной программы института. Она была сформулирована С.П. Костычевым в монографии “Исследования по биодинамике почв” (1930) и продолжает продуктивно развиваться в настоящее время. Развитие почвенно-микробиологических исследований позволило Н.М. Лазареву, возглавившему после кончины С.П. Костычева (1931 г.) лабораторию почвенной микробиологии, обобщить обширный материал по азотному, углеродному и фосфорному обмену почв и предложить теорию биоорганоминерального комплекса, которая стала основой экологии почвенных микроорганизмов.

Важнейший вывод, сделанный из проведенных исследований, заключался в том, что функциональной единицей почвенной микрофоры является не отдельный вид или штамм, а микробный консорциум. Поэтому микробиологические препараты, используемые для улучшения развития растений и для повышения почвенного плодородия, должны быть основаны не на монокультурах микроорганизмов, а на их сообществах. Первый из таких препаратов – торфогрунт АМБ (автохтонная микрофлора группы Б, разработан Н.М. Лазаревым) содержал большое количество разнообразных микроорганизмов, способных разлагать органические вещества, в том числе гумус, высвобождая подвижные соединения азота. Препарат АМБ применяли в тех случаях, когда почва обеднена питательными веществами и не имеет достаточного количества нативных микроорганизмов для поддержания своего плодородия. Этот препарат использовали также для создания грунтов в теплицах при выращивании овощных культур. Среди созданных позднее препаратов, основанных на многокомпонентных микробных сообществах, необходимо отметить БАГ (биологически активный грунт), разработанный на основе АМБ. В настоящее время он применяется не только для утилизации органических веществ почвы (растительных остатков), но также и для разложения пестицидов (Лисина с соавт., 2024). 

Дальнейшие исследования, развернутые во ВНИИСХМ учениками и последователями С.П. Костычева, подтвердили многие его идеи, хотя и не всегда в той форме, в которой они были изначально предложены. Например, ведущая роль азотфиксирующих бактерий в поддержании азотного баланса почв и в питании растений была показана многочисленными исследованиями, однако предполагавшаяся ранее ведущая роль Azotobacter не получила подтверждения. Несмотря на это, содержащий данные бактерии препарат азотобактерин широко применялся в агропроизводстве в 1930-1940 годах для повышения продуктивности растений.

Показанная С.П. Костычевым ведущая роль микроорганизмов в метаболизме гумусовых веществ также не вызывает сомнений, хотя значение гумус-разлагающих микробов в питании растений, как и возможность использования этих микробов для повышения продуктивности сельскохозяйственных культур, остаются дискуссионными. В настоящее время активно изучается роль микробов в гумусообразовании, связанном с трансформацией растительных остатков.

Таким образом, научная деятельность Сергея Павловича Костычева характеризует его, как выдающегося биолога, который на основе синтеза знаний по микробиологии, физиологии растений, почвоведению и экологии создал отечественную школу сельскохозяйственной микробиологии, продолжающую продуктивно развиваться в наши дни. С.П. Костычев был талантливым педагогом. Его преподавательский опыт обобщен в учебнике “Физиология растений”, который выдержал ряд изданий при жизни и после кончины своего автора (1924-1933) и является одним из лучших учебников не только в отечественной, но и в мировой практике преподавания физиологии растений. Одним из основных достоинств этого учебника является то, что в нем была максимально полно раскрыта роль микроорганизмов (азотфиксаторов, микоризных грибов) в жизни растений.

Деятельность С.П. Костычева – яркий пример продуктивного и гармонического сочетания фундаментальной науки и ее практических приложений. Созданная им парадигма сельскохозяйственной микробиологии, основанная на холистическом подходе к изучению почвенного микробиоценоза, предвосхитила многие идеи возникшей позднее системной биологии. Именно С.П. Костычев впервые показал, что целостность агробиоценоза обеспечивают почвенные и ассоциированные с растениями микроорганизмы, которые определяют круговорот веществ и энергии, а как выяснилось позднее – и генетической информации. Этот принцип получает все более активное развитие в работах, основанных на методах метагеномики, транскриптомики, протеомики, метаболомики и био-информатики, которые проводятся в настоящее время во ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии.     

Автор: д.б.н.  Н.А. Проворов

Источники:

Доросинский Л.М. С.П. Костычев - организатор и руководитель почвенно-микробиологических исследований во ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии (к столетию со дня рождения) // Бюллетень ВНИИСХМ, №19, Вып. 1, 1978. С. 50-55.

Проворов Н.А., Тихонович И.А. Сельскохозяйственная микробиология и симбиогенетика: синтез классических идей и конструирование высокопродуктивных агроценозов // С.-х. биология. 2022. Т. 57. № 5. С. 821-831.

Проворов Н.А., Тихонович И.А. От сельскохозяйственной микробиологии к симбиогенетике // В кн.: Петербургская академическая наука: альманах. Вып. 1. К 30-летию Российской академии наук, 1991–2021 / Ред. В.А. Румянцев, М.И. Орлова. – СПб.: Изд-во СПбГЭУ, 2022. С. 303-308.