CC BY
107
2006 ВЕСТНИК САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. Сер. 3. Вып. 1
ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ
И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ АГРОХИМИИ В САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОМ УНИВЕРСИТЕТЕ
УДК 63:54
Н. II. Битюцкий, К. Г. Крейер
ИСТОРИЯ КАФЕДРЫ АГРОХИМИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО УНИВЕРСИТЕТА с 1836 г.
История. Кафедра агрохимии ведет свое начало с 1836 г., когда на философском факультете Санкт-Петербургского университета была сформирована кафедра сельского хозяйства, лесоводства и торгового счетоводства. Заведующим этой кафедры был первый русский магистр сельского хозяйства проф. С. М. Усов (1796-1859). С. М. Усов - автор ряда крупных работ по сельскому хозяйству («Курс земледелия», «О системах земледелия», «Основания земледелия» и др.), редактор «Земледельческой газеты» и издатель журнала «Посредник», известный популяризатор и пропагандист сельскохозяйственных знаний.
После С. М. Усова кафедрой агрономии в университете заведовал первый русский доктор сельского хозяйства, проф. А. В. Советов (1826-1901), крупнейший научный и общественный деятель своего времени. Вместе с В. В. Докучаевым, П. А. Костычевым и Д. И. Менделеевым А. В. Советов по праву считается одним из основателей Петербургской школы аграрных почвоведов. Работы А. В. Советова «О разведении кормовых трав на полях» и «О системах земледелия» вошли в золотой фонд отечественной сельскохозяйственной литературы. В течение 25 лет А. В. Советов был редактором «Трудов Вольного экономического общества».
С 1912 по 1938 г. кафедрой агрономии, а затем агропочвоведения и экспериментального почвоведения заведовал ученик А. В. Советова заслуженный деятель науки проф. С. П. Кравков (1873-1938).
С. П. Кравковым в университете была развернута широкая программа исследований в области химии и биохимии почв, изучения динамики почвенных процессов и образования гумуса.
Кафедра агрономии возродилась вновь на почвенном отделении биолого-почвенного факультета Ленинградского государственного университета в 1949 г. В период становления (1949-1950) кафедрой заведовал проф. С.С.Соболев (1889-1956), видный ученый-растениевод, являвшийся в то время проректором Ленинградского сельскохозяйственного института (ЛСХИ). С 1951 по 1954 г. кафедрой агрономии заведовал академик ВАСХНИЛ проф. И. И. Самойлов (1900-1958) - крупный специалист в области агрохимии, агрономии, минерального питания растений, почвенной микробиологии. И. И. Самойловым были проведены большие работы по вопросам применения удобрений в различных севооборотах, разработке эффективных систем аграрных мероприятий для различных регионов страны. В последние годы жизни И. И. Самойлов возглавлял Всесоюзный институт сельскохозяйственной микробиологии ВАСХНИЛ.
© Н. П. Битюцкий, К. Г. Крейер, 2006
Особую роль в развитии кафедры агрономии сыграл академик ВАСХНИЛ проф.
A. Г. Трутнев (1898-1974). В послевоенный период времени, работая в ЛОВИУАА и Ленинградском областном управлении сельского хозяйства, А. Г. Трутнев собрал большой и интересный материал по проблеме освоения целинных и залежных земель в Северо-Западном регионе. В 1951 г. им была защищена докторская диссертация. Возглавив в 1954 г. кафедру агрономии, он продолжил исследования по освоению залежных земель и территорий выработанных торфяников, проводил работы по исследованию и оптимизации условий почвенного питания растений. Под руководством А. Г. Трутнева определена направленность трансформации осваиваемых земель, изучены циклы биогенных элементов в дерново-подзолистых почвах. По инициативе А. Г. Трутнева в Биологическом институте Ленинградского государственного университета была организована лаборатория корневого питания растений (в настоящее время лаборатория почвенного питания), а кафедра агрономии переименована в кафедру агрохимии. В 1956 г. А. Г. Трутнев избран членом-корреспондентом, а в 1967 г. - действительным членом ВАСХНИЛ. А. Г. Трутнев опубликовал более 150 научных работ, включая 7 монографий, подготовил большое количество специалистов почвоведов-агрохимиков. А. Г. Трутнев, а затем его сотрудники и ученики написали 5 тематических сборников по проблемам плодородия почв и почвенного питания растений: «Почвы и их плодородие» (1960), «Эффективность удобрений на вновь осваиваемых землях» (1963), «Вопросы корневого питания растений» (1968), «Плодородие почв и питание растений» (1973), «Проблемы использования и реутилизации биофильных элементов» (1980), «Плодородие почв и оптимизация условий питания растений» (1993).
В кругах агрохимиков хорошо известно имя докт, биол. наук проф. Е. И. Шиловой (1907-1990) - видного исследователя биологических процессов почвы, состава и свойств почвенных растворов. Е. И. Шиловой разработана теория формирования и методология изучения почвенных растворов как важнейших компонентов биогеоценозов и фактора почвообразования. В 1971-1976 гг. Е. И. Шилова заведовала кафедрой агрохимии. Ею было опубликовано более 120 печатных работ, выпущено 4 тематических сборника. Е. И. Шиловой сформирован оригинальный взгляд на педосферу как на один из вероятных истоков жизни и биохимической активности в биосфере. На основе творческого развития учения
B. И. Вернадского ею дано определение биосферы как исторически сложившейся многоуровневой саморегулирующейся системы.
Заслуживают внимания исследования по проблеме оптимизации физического состояния дерново-подзолистых почв, выполненные на кафедре агрохимии доц. К. К. Жучен-ковым (1914-1982). Исследовано влияние объемной плотности и влажности почвы на рост различных сельскохозяйственных растений.
В последующие десятилетия кафедрой агрохимии руководили доценты А. С. Кащенко (1976-1981), С. М. Аксенов (1981-1990), К. Г. Крейер (1990-1995), проф. Н. П. Би-тюцкий (с 1995 г. по настоящее время). В этот период сотрудниками кафедры агрохимии и лаборатории почвенного питания растений разрабатывались новые подходы к оптимизации показателей плодородия почв на основе согласования почвенных процессов с потребностями растений в элементах питания. Была обоснована идея оптимизации соотношения элементов питания в почве с учетом их соотношения в репродуктивных органах растений. Построены имитационные модели состояния в почве важнейших элементов питания. Парамет-ризированы процессы, определяющие характер поступления элементов питания в растения.
Задачи современной агрохимии. Актуальность. Современная фундаментальная агрохимия - раздел биологии, изучающий процессы химической и биохимической трансформации соединений биогенных элементов в агрофитоценозах. Прикладная агрохимия занимается разработкой химических средств и технологий их применения для управления биологическими процессами в системе растение-почва-организмы с целью повышения продуктивности
культурных растений и обеспечения устойчивости агрофитоценозов. Агрохимия - стремительно развивающаяся в мире отрасль знаний и промышленности, призванная решать глобальные проблемы обеспечения растущего населения нашей планеты продовольствием высокого качества. По прогнозам в 2025 г. население нашей планеты превысит 8 млрд человек. Однако с 1967 г. в развитых и развивающихся странах устойчиво снижаются урожаи зерновых культур. Сохранение этой закономерности прогнозируется до 2020 г. В качестве основной причины падения плодородия почв рассматривают процессы, связанные с минеральным стрессом - дефицитом или избытком химических элементов у культурных растений. Кроме того, в настоящее время свыше 2 млрд человек (т. е. 1/3 населения Земли) страдают заболеваниями (низкое содержание гемоглобина, подавленная активность ферментов и иммунитета и др.), возникающими вследствие употребления в пищу продукции растениеводства с низкой концентрацией питательных элементов. Вместе с тем растения с оптимальным минеральным статусом лучше адаптированы к действию биотического и абиотического стресса. Оптимизация питания растений и качества растениеводческой продукции -ключевая задача фундаментальной и прикладной агрохимии. Следовательно, улучшение качества продовольствия и здоровья человека и животных невозможно без теоретических и прикладных разработок в области агрохимии.
Научная работа на кафедре агрохимии. Научная работа студентов, аспирантов и преподавателей кафедры агрохимии СПбГУ осуществляется по трем основным направлениям:
• исследование механизмов адаптации растений к условиям эдафического стресса;
• изучение взаимодействий в системе почва-растение-почвенные организмы;
• агроэкологические исследования.
1. Адаптация растений к условиям эдафического стресса. Работы в этом направлении сосредоточены на решении следующих задач:
• изучение адаптации растений к условиям дефицита микроэлементов;
• изучение адаптации растений к условиям дефицита фосфора.
Сотрудники кафедры (Н. П. Битюцкий, И. Г. Лоскутов) совместно с сотрудниками ВИР им. Н. И. Вавилова осуществляют фундаментальные и прикладные исследования по изучению генетического потенциала зерновых культур и закономерностей их адаптации к условиям эдафического стресса (дефицит микроэлементов и фосфора). Актуальность этого направления исследований связана с необходимостью повышения продуктивности зерновых культур и качества зерна. Низкие урожаи зерновых культур могут быть обусловлены не только социально-экономическими, но и природно-климатическими факторами, в частности, широким распространением в мире почв с низкой концентрацией микроэлементов и фосфора (известкованные и карбонатные почвы, а также почвы легкого гранулометрического состава). Исследования кафедры направлены на изучение физиолого-биохимических механизмов адаптации растений к минеральному стрессу, поиск признаков толерантных генотипов, развитие эволюционных представлений о физиологических механизмах адаптации растений к условиям эдафического стресса. Важное место занимают работы, связанные с формированием информационных баз данных важнейших хозяйственно-ценных признаков толерантных растений. Эти базы предназначены для генетической и селекционной работы по отбору толерантных генотипов зерновых культур, пригодных для интродукции в современные высокопродуктивные фитоценозы.
2. Взаимодействия в системе почва-растение-почвенные организмы. Конкретные задачи этого направления:
• формирование и интродукция в агроценозы ассоциаций культурных растений с эн-домикоризными грибами и ^-фиксирующими бактериями;
• исследование роли зоогенных процессов в минеральном питании растений;
• изучение биохимических процессов азотно-углеродного цикла в системе растение-почва.
Использование азотных удобрений сопровождается неизбежными потерями азота из корнеобитаемого слоя почвы (эмиссия, вымывание). Вследствие денитрификации ежегодная глобальная эмиссия азота может составлять 64 Мт/год. Применение дорогостоящих фосфорных удобрений также сопровождается иммобилизацией значительной части внесенного в почву фосфора. Частичное решение этой проблемы возможно путем интродукции в агроэкосистемы бобовых культур, обработанных препаратами азотфиксирующих бактерий и микоризных грибов, способных образовывать с растением-хозяином эффективный симбиоз. Повышение рентабельности биопрепаратов, стимулирующих способности бобовых культур усваивать соединения азота и фосфора, - важнейшая прикладная задача. Ее решение возможно путем скрининга сортов бобовых, отзывчивых на двойную инокуляцию. Большое значение приобретает также разработка высокотитражных форм препаратов и наиболее экономичных способов инокуляции растений.
На кафедре агрохимии ведутся исследования под руководством Н. М. Лабутовой по изучению обитающих в почве эндомикоризных грибов, способных образовывать ассоциации (микоризы) с корнями наземных растений многих видов. Проводится подбор пар (растение-гриб), обладающих способностью формировать эффективный симбиоз и повышать продуктивность растения-хозяина вследствие улучшения его снабжения почвенным фосфором. Кроме того, исследуется возможность совместного использования эндомикоризных грибов и азотфиксирующих бактерий для улучшения снабжения растений не только фосфором, но и азотом. Результаты этих исследований необходимы для разработки коммерческих микробиологических препаратов, повышающих эффективность использования минеральных ресурсов почвы и внесенных в нее удобрений.
Изучение микроорганизмов, обладающих способностью защищать растения от воздействия почвенных фитопатогенов, - другая тема исследований кафедры агрохимии. Объектами таких исследований являются грибы-микопаразиты, продуцирующие миколитические ферменты, а также ризосферные бактерии, выделяющие антибиотики. Студенты под руководством Н. М. Лабутовой изучают поведение микроорганизмов, обладающих защитным действием, их взаимоотношения с фитопатогенной микрофлорой и растением-хозяином. Конечная цель этих исследований - создание биотехнологий для улучшения снабжения питательными элементами культурных растений и повышения их устойчивости к некоторым болезням.
Изучение формирования плодородия почв при участии почвенных беспозвоночных животных проводится под руководством проф. Н. П. Битюцкого. Совместно с сотрудниками почвенного факультета Московского государственного университета (Б. А. Бызовым, В. В. Деминым) и при финансовой поддержке Российского Фонда Фундаментальных исследований изучается роль дождевых червей в циклах биогенных элементов (азота, углерода, железа, марганца, цинка) и в минеральном питании растений. Дождевые черви - постоянные обитатели почвы, играющие существенную роль в формировании ее плодородия. Биомасса дождевых червей в гумидных районах может на порядок превышать биомассу других почвенных животных, достигая величины 4 т/га. Количество почвы, поглощаемое дождевыми червями, может достигать 200 т/га/год. Благодаря большой биомассе и высокой скорости поглощения почвы, дождевые черви - ключевые организмы, формирующие естественную среду обитания почвенной биоты.
Первое направление этого цикла работ - изучение биохимических механизмов стимуляции дождевыми червями минерализации в почве органических соединений азота и азотного питания растений. До сих пор не существует объяснений, как конкретно дождевые черви стимулируют эти процессы. Благодаря принципиально новым экспериментальным подходам, связанным с разработанными нами методиками получения и применения экскретов, исследуется промотерная роль в индукции К-минерализации аммония и ферментов азотного цикла (уреазы, протеазы), экскретируемых дождевыми червями.
Второе направление исследований - изучение роли дождевых червей в образовании и деструкции гумусовых веществ. Зоогенные механизмы этих процессов слабо изучены. Сотрудниками кафедры агрохимии СПбГУ и МГУ проводятся эксперименты по выявлению роли в процессах образования гумусовых веществ ферментов (полифенолоксидазы, перок-сидазы) свободноживущих и симбиотических микроорганизмов кишечника дождевых червей.
Третье направление - изучение биохимических механизмов воздействия дождевых червей на мобильность микроэлементов (железа, марганца и цинка) в системе почва-растение. В частности, изучаются Бе-редуктазные и хелатирующие свойства экскретов дождевых червей, а также влияние этих экскретов на кинетику транспорта микроэлементов из почвы в корень и из корня в побег растений. Принципиально важно, что мобильность микроэлементов исследуется не только в почве как среде обитания растений, но и в растительных тканях. Именно ограниченная мобильность в тканях - ключевая причина, вызывающая у многих видов растений нарушения в усвоении микроэлементов. Такой подход - оригинальное недостающее звено в крайне малочисленных исследованиях, посвященных изучению роли червей в циклах микроэлементов. Результаты этих исследований позволят существенно расширить современные представления о многообразии форм связей, существующих между отдельными компонентами биогеоценоза. Еще одна особенность этого цикла работ - проведение исследований с учетом специфики экологического поведения дождевых червей: почвенных, норных, подстилочных. Новизну и оригинальность этим исследованиям придает программа работ по изучению «модулирующих» эффектов, вызываемых дождевыми червями в циклах упомянутых выше биогенных элементов. Эти эффекты представляют собой комбинацию метаболических воздействий дождевых червей и индуцируемых этими воздействиями каскадных эффектов.
Под руководством преподавателей кафедры (Т. А. Банкиной, Н. Е. Орловой, Н. М. Ла-бутовой, М. П. Банкина) студенты осваивают современные микробиологические и газохрома-тографические методы, осуществляют мониторинговые наблюдения за интенсивностью процессов азотно-углеродного цикла. Важное место в исследованиях кафедры занимают работы, посвященные изучению биосферной функции почвенных организмов: их роли в продуцировании нитрозных (N^0, N0, N02) и углеродсодержащих (СО, С02, СН4) газов, влияющих на экологическое состояние атмосферы.
3. Агроэкологические исследования проводятся в следующих направлениях:
• изучение трансформации гуминовых веществ в почвах агроэкосистем;
• моделирование поглощения растениями питательных элементов;
• оценка плодородия почв;
• разработка экологически безопасных способов применения удобрений;
• оценка экологического состояния природных вод Ленинградской области.
Важное направление исследований кафедры - изучение экологических аспектов гумусового состояния почв (Н. Е. Орлова). Гумус - это сложная система высокомолекулярных органических соединений специфической почвенной природы. Занимая промежуточное положение между «живой» и «неживой» природой, гумус находится в тесной и неразрывной связи с почвенными микроорганизмами. В биосфере гумус играет исключительную роль, выполняя ряд важнейших экологических функций: аккумулятивную, транспортную, протекторную и физиологическую. Гумус - мощный фактор формирования почв и почвенного плодородия.
В последние десятилетия особое внимание уделяется изучению деградации гумуса и дегумификации почв, вызываемых различными видами антропогенного воздействия. Широкое развитие этих негативных процессов может привести к экологической катастрофе глобального масштаба. Для разработки рациональных приемов природопользования сотрудниками кафедры изучаются механизмы деградации гумуса, оценка и тщательный контроль состояния и функционирования этого уникального компонента почвы.
На кафедре проводятся исследования по различным направлениям биохимии гумусовых веществ. Студенты этого направления осваивают традиционные и новейшие биологические, биохимические, химические и физико-химические методы.
Оценка экологического состояния природных вод - еще одна тема исследований кафедры. В течение ряда лет проводятся исследования гидрохимического состава поверхностных вод зоны водосбора Петергофского фонтанного водовода (К. Г. Крейер). Водовод обеспечивает работу Петергофских фонтанов и снабжает питьевой водой жителей города Петродворца. Бытовые стоки населенных пунктов и животноводческих ферм - источники, загрязняющие воды химическими элементами: азотом, фосфором, калием, натрием, серой, хлором и др. Их содержание в водах нередко превышает предельно-допустимые концентрации (ПДК). Наибольшую опасность для окружающей среды представляют минеральные соединения азота - ионы аммония и нитраты. В связи с этим исследуются протекающие в водах процессы автотрофной и гетеротрофной нитрификации, а также особенности сезонной динамики и распределение загрязнителей в водах.
Часть исследований кафедры посвящена имитационному моделированию процессов в системе растение-почва (К. Г. Крейер). Построение работающей модели позволяет на основе компьютерных экспериментов оценивать роль отдельных агротехнических воздействий и экологических факторов в продукционном процессе растений. Под руководством преподавателей кафедры агрохимии и сотрудников лаборатории моделирования агроэкоси-стем АФИ РАСХН студенты и аспиранты проводят исследования по параметризации и апробации моделей поглощения питательных элементов культурными растениями. В процессе работы исследуются и уточняются показатели скорости роста корней, формирования ассимиляционного листового аппарата, динамики биомассы растений по фазам развития. Учитывается урожай и содержание в нем элементов питания при различных уровнях внесения минеральных удобрений. Мы исследуем обширный комплекс параметров агрохимического состояния почвы. Эти результаты исследований необходимы для разработки интегральной модели продукционного процесса растений.
Краткий перечень направлений исследований кафедры агрохимии показывает, что в ходе обучения студенты кафедры агрохимии приобретают разносторонние знания, что делает их востребованными не только в области агрохимии или почвоведении, но и в других отраслях науки и производства: физиологии растений, ботанике, геоботанике, экологии, растениеводстве, защите растений, лесоведении, агрономии, микробиологии, гидрохимии и др.
Фундаментальные научные достижения. За последние пятнадцать лет сотрудниками кафедры агрохимии и лаборатории почвенного питания Биологического НИИ СПбГУ получены новые результаты, существенно расширяющие современные научные представления в различных дисциплинах: агрохимии, физиологии и биохимии растений, ботанике, почвоведении, экологии.
Приоритетные научные результаты получены в области изучения роли комплексонов (хелаторов) в питании растений микроэлементами (Н. П. Битюцкий, А. С. Кащенко). Комплексны - обширная группа органических веществ с кислыми и основными донорными центрами, способных образовывать циклические соединения с катионами металлов. Процесс образования комплексов представляет собой широко распространенное природное явление, играющее важнейшую роль в функционировании биологических систем и почвы. Нами разработана концепция, согласно которой эффективность биологического действия хелатов микроэлементов дифференцируется в зависимости от экологии питания и генотипа растений. Проведена параметризация биологически важных свойств хелатов с учетом природы металла и органического лиганда, их концентрации и соотношения, способов питания и генотипической специфики растений. Идентифицированы механизмы регуляции ком-
плексонами микроэлементного питания растений. Впервые обоснована концепция ключевой роли фотохимической трансформации хелатов железа на пути включения этого микроэлемента в синтез хлорофилла. Идентифицированы факторы, влияющие на фотохимическую и биологическую активность хелатов железа (соотношение Fe/лиганд, природа органического лиганда, состав композиции микроэлементов, рН среды, интенсивность и спектральный состав освещения).
На ранних этапах развития наземные растения могут использовать питательные элементы из двух основных источников - семян и почвы. При отсутствии развитой корневой системы у молодых растений, а также при дефиците в почве элементов питания их основным источником для растения становятся семена. В этих условиях факторы, влияющие на мобилизацию резервов семян, играют ключевую роль для роста и развития растений. Сотрудниками и студентами кафедры (Н. П. Битюцкий, И. Н. Лапшина, А. Н. Соловьева, Е. И. Лукина, Л. П. Коробейникова, С. В. Магницкий, Е. В. Давидовская, К. Л. Якконен, Е. А. Малюга) проведена оценка ресурсов микроэлементов в различных частях зерновки злаков. Впервые изучены обшие закономерности мобилизации микроэлементов (Fe, Mn, Zn) в прорастающих зерновках злаков. Получена количественная характеристика подвижности микроэлементов в эндосперме и запасных частях зародыша. Идентифицированы биохимические механизмы мобилизации микроэлементов (Fe, Mn, Zn) в прорастающих семенах злаков. Впервые показано, что в мобилизации микроэлементов из эндосперма решающая роль принадлежит щитку. Дана оценка вклада в этот процесс отдельных физиолого-биохимических функций этой части зерновки: ацидофицирующей способности (активности Н-АТФаз и алкогольдегидрогеназы), Ре(Ш)-редуктазной активности, хелатируюшей способности экскретов. Выявлены диагностические признаки кукурузы с высокой скоростью роста на ранних этапах онтогенеза, связанные с физиологическими показателями щитка.
Расширены современные представления о механизмах толерантности растений к минеральному стрессу, в частности к дефициту микроэлементов, индуцированному высокой концентрацией в почве карбоната кальция (Н. П. Битюцкий, И. Н. Лапшина, А. Н. Соловьева, Е. И. Лукина, Е. В. Давидовская, К. Л. Якконен, Е. А. Малюга). Изучение образцов кукурузы из коллекции ВИР позволило идентифицировать диагностические признаки этого вида растений, влияющие на его толерантность к условиям карбонатного хлороза: доля микроэлементов в апопластной жидкости корня (извлекаются методами вакуум-инфильтрации), скорость транслокации микроэлементов из корней в побег.
Профессором Н. П. Битюцким открыто новое явление: на ранних стадиях развития у проростков злаков кроме механизма стратегии II существует другой тип адаптации к Ре-стрессу - стратегия I. Этот механизм, направленный на усиление мобилизации Fe из эндосперма, приурочен к дорсальной стороне щитка растущих проростков и проявляется в усилении выделения щитками кислых продуктов в ответ на дефицит железа в зоне корней. Механизмы адаптации растений к Fe-дефициту (в настоящее время классифицируются двумя группами реакций - стратегией I и стратегией II) рассматривают как маркерные физиологические и биохимические проявления, присущие строго определенным таксономическим группам растений: соответственно двудольным и злакам. Присутствие у злаков одновременно двух типов ответов на Fe-дефицит (стратегии I и стратегии II), характерных для разных таксономических групп растений (двудольных и злаков), свидетельствует в пользу гипотезы об общности происхождения двудольных и злаков. Таким образом, сугубо агрохимические исследования позволили впервые выдвинуть биохимическую концепцию эволюции признака однодольности у высших растений.
Под руководством Н. М. Лабутовой исследован полный цикл развития эндомикориз-| ных грибов p. Glomus, формирующих с культурными растениями симбиоз. Установлено,
что эндомикоризный гриб способен длительное время (до ЗСМ-5 сут.) активно развиваться в почве до проникновения в корень растения-хозяина. Активность протекания биотрофной стадии развития микоризного гриба находится в обратной зависимости от количества фосфора в почве. Выявлено, что эффективность эндомикоризного симбиоза зависит от состава корневых экскретов растения-хозяина, в частности от содержания в них простых углеводов. Исследованы общие закономерности взаимодействия эндомикоризных грибов с бактериями р. Pseudomonas.
Новые научные результаты получены и в области изучения цикла азота. Сотрудниками и студентами нашей кафедры (Н. П. Битюцкий, И. Н. Лапшина, А. Н. Соловьева, Е. И. Лукина, Н. В. Кудряшова), а также факультета почвоведения МГУ (Б. А. Бызов, В. В. Демин, А. С. Олейник, Ю. А. Завгородняя) раскрыты механизмы воздействия дождевых червей на минерализацию соединений азота в почве и азотное питание растений. Впервые показано, что экскреты дождевых червей выполняют функцию промотера (затравочного фактора), вызывающего в почве долговременные эффекты даже в отсутствие животных-продуцентов. Судя по нитрификации, масштабы этих эффектов могут многократно превышать (несколько порядков) масштабы прямого действия экскретов, обусловленного пополнением почвенного пула нитратов: например, вследствие окисления экскретируемого червями аммония. Пролонгированность в действии экскретов червей зафиксирована и по отношению к активности в почве такого фермента азотного цикла, как уреаза. Следовательно, экскреты дождевых червей - субстанция, способная вызывать так называемые эффекты модуляции. Модулирующее воздействие на почвенные процессы характерно для почвенных беспозвоночных животных. Модулирующие функции организмов часто более масштабны по своим последствиям, чем функции метаболические, связанные с непосредственным использованием организмами химических соединений для удовлетворения собственных потребностей в энергии. Модулирующие процессы не пропорциональны плотности и физиологическому состоянию организмов. Они создают долговременные кумулятивные эффекты, кардинально меняя структуру микробного сообщества, и, как следствие, интенсивность циклов биогенных элементов. Впервые доказано, что аммоний как продукт катаболизма дождевых червей - важное действующее начало экскретов дождевых червей, способное косвенно как промотер стимулировать после попадания в почву нитрификацию, вызывая долговременные эффекты, превосходящие по масштабам прямое действие этого иона (его окисление до нитратов).
Исследована интенсивность отдельных звеньев азотно-углеродного цикла в зависимости от почвенно-климатических условий (Т. А. Банкина, М. П. Банкин, Н. Э. Зимесзиркс, В. А. Таразанов). Впервые показано, что эмиссионное отношение (C-C02)/(N-N20) отражает соотношение между процессами минерализации/иммобилизации и может быть использовано в целях диагностики плодородия почв. Идентифицированы свойства агроценоза, влияющие на его устойчивость к антропогенному воздействию.
Исследования Н. Е. Орловой позволили установить общие закономерности трансформации органического вещества в агропогенных почвах Северо-Запада России. Изучена сезонная трансформация органического вещества в основных типах автоморфных естественных и агрогенных почв нормального увлажнения. Показано, что специфические и неспецифические органические соединения почвы находятся в состоянии циклических сезонных колебаний, аналогично многим компонентам биогеоценозов. Циклические изменения содержания и состава гумуса сопряжены с трансформацией молекулярной структуры гуми-новых кислот, что сопровождается изменением их свойств, в том числе реакционной способности. Проведена оценка масштабов поступления и расхода органического вещества в почвах. Показано, что за вегетационный период обновляется от 8 до 30% гумуса, а амплитуда сезонных колебаний в содержании почвенного органического вещества может дости-
гать 20-25 т/га. Согласно проведенным расчетам, количество гумусовых веществ, минерализуемых и восполняемых в процессе гумификации за вегетационный период, в 2-3 раза превышает массу ежегодно поступающих в почву растительных остатков. Сопоставление масштабов и сроков поступления в почву других возможных источников гумуса позволяет предположить, что значительная часть гумусовых веществ почвы формируется из корневых выделений, остатков и продуктов метаболизма клеток микроорганизмов. Результаты проведенных исследований дают основание рассматривать гумус почв как активное звено биологического круговорота веществ.
Прикладные разработки. Фундаментальные научные результаты, полученные сотрудниками кафедры агрохимии, были использованы для разработки новых способов повышения продуктивности растений и диагностики плодородия почв.
Впервые разработан новый способ фотохимической диагностики эффективности ан-тихлорозных препаратов (Н. П. Битюцкий), используемых для коррекции питания растений микроэлементами. Его внедрение позволяет оперативно идентифицировать наиболее оптимальные составы композиций микроэлементов, применяемых в качестве средств борьбы с распространенным в мире заболеванием растений - карбонатным хлорозом. Разработаны новые технологии получения хелаторов микроэлементов на основе продуктов окисления гидролизного лигнина (Н. П. Битюцкий, Н. Н. Кузнецова); новый состав гидропонного раствора, позволяющий выращивать растения в защищенном грунте с минимальными затратами препаратов железа (Н. П. Битюцкий, А. С. Кащенко); несколько новых технологий и устройство на основе плазменной обработки семян, применение которых повышает всхожесть семян и продуктивность культурных растений (Н. П. Битюцкий).
Разработана новая промышленная технология получения высокотитражного иноку-люма для заражения бобовых культур с целью повышения эффективности использования растением-хозяином (бобовой культурой) фосфора (Н. М. Лабутова). Этот инокулюм представляет собой корни растения, зараженные микоризой Glomus intraradices с высокой степенью микоризации - 80-90%. Кроме того, для одновременного повышения эффективности йспользования бобовыми растениями атмосферного азота и почвенного фосфора разработан новый способ заражения бобовой культуры азотфиксирующими бактериями и микори-зообразующими грибами (двойная инокуляция). Сущность способа состоит в совместном нанесении эффективных штаммов азотфиксирующих бактерий Bradiorhizobium japanicum и корневой формы препарата эндомикоризного гриба Glomus intraradices на поверхность семян бобовой культуры.
Разработан новый способ определения эффективного плодородия дерново-подзолистых почв, основанный на определении в почве количества доступного растениям азота, высвобождаемого из его органических соединений почвенными ферментами (Т. А. Банкина). Технический результат достигается путем повышения температуры при компостировании почвы до оптимальной для жизни почвенной биоты и работы почвенных ферментов, гидро-лизующих органическое вещество. Технико-экономическая эффективность способа состоит в простоте выполнения, снижении количества операций, реактивов, материалов, возможности прямого определения реально доступного азота растениям. Кроме того, Т. А. Банкиной разработан новый биохимический способ прогнозирования доз азотных удобрений под заданную продуктивность культур. Применение способа позволяет выращивать культурные растения с наименьшими затратами дорогостоящих азотных удобрений.
Разработаны новые методы изучения фракционно-группового состава и свойств гумусовых веществ (Н. Е. Орлова). В частности, разработаны методики определения содержания кислых функциональных групп в препаратах гумусовых веществ, а также способы экстракции лабильных гумусовых веществ из дерново-подзолистых и дерново-карбонатных почв. Предложен новый показатель оценки гумусового состояния почв.
Сотрудниками кафедры и лаборатории почвенного питания растений Биологического НИИ СПбГУ (К. Г. Крейер, Н. П. Битюцкий, Н. Н. Кузнецова, А. Н. Соловьева, Е. И. Лукина, Т. Н. Степанова, В. Г. Пацевич, А. Н. Гершт, В. Н. Рябцев) всесторонне изучены состав и свойства донных отложений малых рек Санкт-Петербурга, компостов из городских отходов, осадков сточных вод Соснового Бора. Проведены мониторинговые исследования (К. Г. Крейер), результаты которых могут быть использованы для оценки экологического состояния почв и природных вод южного побережья Финского залива.
Организация учебного процесса на кафедре агрохимии. В настоящее время кафедра агрохимии СПбГУ осуществляет подготовку бакалавров почвоведения (4 года обучения) и магистров почвоведения (2,5 года обучения) по трем специализациям: агрохимия, микробиология почв, экология почв. Учебно-научная работа студентов и аспирантов кафедры направлена на глубокое изучение фундаментальных и прикладных проблем минерального питания растений, биологии почв, экологии почв и растений, математического моделирования почвенно-биологических процессов, рационального природопользования, охраны окружающей среды.
На кафедре функционируют три магистерские программы: «Минеральное питание растений» (руководитель проф. Н. П. Битюцкий), «Биология почв» (доц. Т. А. Банкина) и «Агроэкология» (доц. К. Г. Крейер). В реализации этих программ принимают участие преподаватели и сотрудники биолого-почвенного и геологического факультетов Санкт-Петербургского университета, а также сотрудники академических институтов - Всероссийского института растениеводства им. Н. И. Вавилова (ВИР), Всероссийского института защиты растений (ВИЗР), Всероссийского научно-исследовательского института сельскохозяйственной микробиологии (ВНИИСХМ), Агрофизического института (АФИ). Некоторые студенты и аспиранты кафедры дополнительно обучаются за рубежом, в частности, по проблеме охраны окружающей среды на базе университета г. Умео (Швеция).
Каждое лето студенты кафедры проходят летнюю полевую практику. После первого и второго года обучения практика учебная, а после третьего - производственная. Особенность учебных практик состоит в том, что студенты овладевают практическими навыками почвоведа и биолога, географа и геолога. После первого курса студенты осваивают методы исследований, применяемые в ботанике, зоологии, геодезии, геологии и геоморфологии. Совместно со студентами биологического направления студенты-почвоведы проходят практику на базе Биологического института СПбГУ (окрестность Старого Петергофа), совместно со студентами-географами и студентами-геологами - на базе географического факультета в Саблино (Ленинградская область).
После второго курса студенты знакомятся с разнообразием почв, а также природной и культурной растительностями в различных почвенно-климатических зонах России и Украины. Эта вторая в жизни наших студентов летняя практика получила название зональной практики - «зоналки». Она начинается на территории Ленинградской области и заканчивается на южном берегу Крыма. Студенты овладевают навыками работы агрохимиков и почвоведов, геоботаников и растениеводов, экологов и специалистов по защите растений. Живописные экскурсии этой практики позволяют студентам получить достаточно полные представления о природном многообразии ландшафтов и почв европейской территории России, а также Украины.
После третьего курса студенты проходят производственную практику по почвенному и агрохимическому картированию. Как правило, эта практика проходит на территории Ленинградской области. Навыки, приобретенные во время этой практики, позволяют студентам стать хорошими специалистами по оценке бонитета почвенных ресурсов, что весьма актуально в связи с ведущимися в настоящее время разработками Земельного кадастра России.
После успешного окончания магистратуры выпускники кафедры могут продолжить обучение и научную деятельность в качестве аспирантов. Срок обучения в аспирантуре -3 года. Аспиранты кафедры имеют возможность защищать свои диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук по специальности «агрохимия» в нашем университете.
Наряду с фундаментальным университетским образованием выпускники кафедры приобретают универсальную профессию, позволяющую успешно работать в различных отраслях народного хозяйства. Вероятные места работы наших выпускников: высшие учебные заведения, научно-исследовательские институты РАН и РАСХН, лицеи, школы, учреждения экологического и сельскохозяйственного профиля.
Работа лучших студентов и аспирантов кафедры получила признание за пределами Петербургского университета. Аспирант С. В. Магницкий удостоен президентской стипендии для молодых ученых. Студент М. В. Федотов был удостоен звания «Соросовский студент». Ряд студентов и аспирантов кафедры - победители конкурсов по номинациям «дипломный проект» или «кандидатский проект», проводимых администрацией Петербурга и Министерством образования РФ.
Публикации. За многие годы существования кафедры агрохимии и лаборатории почвенного питания растений БиНИИ СПбГУ их сотрудниками и студентами опубликованы сотни научных трудов: монографий, учебников, учебных пособий, сборников, статей, патентов, тезисов. В настоящей работе мы приводим лишь некоторые наиболее крупные (по объему) работы, опубликованные за последние пятнадцать лет.
Монографии, учебники, учебные пособия
Битюцкий Н П., Кащенко А. С. Комплексоны в регуляции питания растений микроэлементами. СПб., 1996.
Цыпченков В. П., Федоров А. С., Банкина Т. А., Федорова Н. Н. Определение химического состава растительных материалов / Под ред. В. П. Цыпленкова. СПб., 1997.
Битюцкий Н. П. Микроэлементы и растение // Учеб. пособие. СПб., 1999.
Банкина Т. А., Петров М. Ю., Петрова Т. М., Банкин М. П. Хроматография в агроэкологии. СПб., 2002.
Банкин М. П., Банкина Т. А., Коробейникова Л. П. Физико-химические методы в агрохимии и биологии почв. СПб., 2005.
Практикум по агрохимическому анализу почв // Учеб. пособие / Под ред. К. Г. Крейе-ра. 3-е изд. СПб., 2005.
Битюцкий Н. П. Необходимые микроэлементы растений // Учебник. СПб., 2005.
Авторские свидетельства и патенты на изобретения
Битюцкий Н. П., Перов Н. И., Ильин В. И., Кузнецова Н. Н. и др. Способ лечения растений от карбонатного хлороза. АС № 1584165. 1990.
Битюцкий Н. П., Кащенко А. С. Способ регулирования роста растений. АС № 2017424.
1994.
Филиппов А. К., Битюцкий Н. П., Федоров М. А. Устройство для плазменной обработки семян. Патент РФ№ 2076555. 1997.
Филиппов А. К., Битюцкий Н. П., Федоров М. А. Способ предпосевного стимулирования жизнеспособности и продуктивности семян сельскохозяйственных культур. Патент РФ №20765556. 1997.
Филиппов А. К., Битюцкий Н. П., Федоров М. А. Способ обработки семян растений. Патент РФ №2076557. 1997.
Банкина Т. А. Биохимический способ определения эффективного плодородия дерново-подзолистых почв. Патент РФ № 2236777. 2004.
Банкина Т. А. Биохимический способ прогнозирования доз азотных удобрений под заданную урожайность культур на дерново-подзолистых почвах. Патент РФ № 2239937. 2005.
Summary
Bityutskii N. P., Kreyer К. G. The history of agricultural chemistry Departments at St. Petersburg University since 1836.
The history of agricultural chemistry Departments at St. Petersburg University since 1836 to the present is given. In addition, the in-depth information on organization of educational process and directions of scientific researches at agricultural chemistry Department are described.
Статья поступила в редакцию 24 ноября 2005 г.
