Листовые параметры овса в условиях инокуляции почвенными микроорганизмами породных отвалов угольного разреза Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

УДК 504.54.062.4

ЛИСТОВЫЕ ПАРАМЕТРЫ ОВСА В УСЛОВИЯХ ИНОКУЛЯЦИИ ПОЧВЕННЫМИ МИКРООРГАНИЗМАМИ ПОРОДНЫХ ОТВАЛОВ УГОЛЬНОГО РАЗРЕЗА

© 2012 г. Н.А. Корниясова, О.А. Неверова

Институт экологии человека Сибирского отделения РАН, Institute of Human Ecology of Siberian Branch of RAS, пр. Ленинградский, 10, г. Кемерово, 650065, Leningradskii Ave, 10, Kemerovo, 650065,

[email protected] [email protected]

Исследовано влияние внесения инокулята почвенных микроорганизмов в различных сочетаниях на динамику фотосинтетической способности и площади листьев овса в условиях породных отвалов угольного разреза «Кедровский». Установлено, что внесение инокулята микроорганизмов в техногенные элювии способствует стимуляции фотосинтетической способности и увеличению площади листьев у овса. Наиболее высокие показатели наблюдаются при внесении микроорганизмов, разлагающих силикаты, и их комплекса с микроорганизмами, использующими минеральные формы азота, и микроскопическими грибами.

Ключевые слова: инокулят, почвенные микроорганизмы, овес, фотосинтетическая способность, площадь листьев, породные отвалы, угольный разрез.

The effect of inoculum soil microorganisms introducing in various combinations to the dynamics of the photosynthetic capacity and of oats leaf area in conditions of rock dumps of the coal mine «Kedrovsky» was investigated. It was established, that the inoculum microorganisms introduction in manmade eluvium stimulates photosynthetic capacity and an increase in leaf area in oats. The highest rates are observed in the introduction of microorganisms decomposing silicates, as well as their complex with microorganisms, using mineral forms of nitrogen and microscopic fungi.

Keywords: inoculum, soil organisms, oats, photosynthetic capacity, leaf area, rock dumps, coal mine.

Кузбасс является крупнейшим угольным бассейном России, где добыча угля производится как открытым, так и закрытым способами. При открытой разработке каменноугольных месторождений на поверхность выносятся неплодородные породы, характеризующиеся низким содержанием доступных растениям элементов питания, в частности, калия, азота, фосфора. Наличие этих элементов, в первую очередь, определяет интенсивность ростовых процессов у растений. Первостепенная роль в обогащении техногенных элювиев элементами питания принадлежит микроорганизмам, способным расти и размножаться на бедных питательных средах.

Исследованиями микробиологов Института почвоведения СО РАН установлено, что инициальная и посттехногенная фазы развития экосистем на породных отвалах угольных разрезов Кузбасса характеризуются преимущественным развитием микроорганизмов, использующих источники минерального питания, в первую очередь микроскопических грибов и микроорганизмов, использующих минеральные формы азота [1, 2]. Благодаря мицеллярному строению сообщества грибов «захватывают» и подвергают биогеохимической трансформации значительные объемы мелкозема минерального субстрата, создавая тем самым возможность использования многих соединений более требовательными группами микроорганизмов. Кроме того, микроскопические грибы обладают способностью разрушать минералы за счет образования значительных количеств кислот. Силикатные бактерии переводят калий и другие зольные элементы в усвояемые для высших растений формы. Такой способностью также обладают многие другие микроорганизмы - почвенные бациллы, псевдомонады, диатомовые водоросли, микобактерии, тионовые бактерии и др. [3, 4]. Оценку действия микроорганизмов по

переводу труднорастворимых органоминеральных веществ отвальных пород в легкоусваиваемые формы можно проводить по показателям жизнедеятельности растений.

Цель работы - исследование влияния внесения инокулята почвенных микроорганизмов, способных расти на бедных питательных средах, на динамику листовых параметров овса (фотосинтетическую способность и площадь листьев).

Модельный эксперимент заложен на породных отвалах угольного разреза «Кедровский» - на техногенных элювиях южного склона, лишенных растительности. Возраст отвала - 20 лет, но в 2004 г. проведен комплекс работ по его планировке. Породы отвала представлены песчаником (60 %), алевролитами (20 %), аргиллитами (15 %), суглинками и глинами (5 %).

Эколого-трофические группы микроорганизмов выделяли из почвы на специальных агаризованных средах. Выделение микроскопических грибов проводили на 3 Б сусле-агаре, подкисленном молочной кислотой; микроорганизмов, использующих минеральные формы азота (в том числе актиномицетов), - на крахмало-аммиачном агаре (КАА) [5, 6], микроорганизмов, способных разлагать силикаты, - на агаризо-ванной среде Александрова-Зака [3], отличительной особенностью которой является наличие минеральной формы азота, а также алюмосиликата, индуцирующего развитие микроорганизмов, способных разлагать силикаты. Инокулят получали путем наращивания микробной массы в соответствующих жидких питательных средах - жидком сусле, среде Александрова-Зака, крахмало-аммиачной среде (КАС) последовательным пересевом в возрастающие объемы среды. Содержание жизнеспособных клеток в жидких средах определяли путем посева суспензии на соответствующие агаризованные среды [5] (таблица).

Содержание микроорганизмов в исходных инокулятах (2009 г.)

Испытуемые смеси микроорганизмов для инокуляции составляли в равных объемах с учетом того, что общий объем для внесения на делянки - 7 л. Внесение инокулята микроорганизмов проводили летом 2008 и 2009 гг. дважды за вегетацию - 20 июня и 20 июля (таблица).

Площадь пробных площадок (1111) - 1 м2, повтор-ность опыта каждой пробной площадки 3-кратная. Делянки по повторностям пространственно отдалены друг от друга для исключения влияния неоднородности элювиального субстрата и рельефа местности.

На опытные делянки внесены инокуляты микроорганизмов согласно следующей схеме: 1111 1 - контроль (вода); 1111 2 - микроскопические грибы; 1111 3 -микроорганизмы, способные разлагать силикаты; ПП 4 - микроорганизмы, использующие минеральные формы азота; 1111 5 - микроскопические грибы + микроорганизмы, способные разлагать силикаты; 1111 6 -микроскопические грибы + использующие минеральные формы азота; ПП 7 - микроорганизмы, способные разлагать силикаты, + микроорганизмы, исполь-

зующие минеральные формы азота; ПП 8 - микроорганизмы, способные разлагать силикаты, + микроскопические грибы + микроорганизмы, использующие минеральные формы азота.

В качестве модельного растения использовали овес сорта «ровесник». Его высевали 21.05.09 на все пробные площадки из расчета 45 г (867,79+5,19 семян) на 1 м2. В течение вегетации (каждые 10 дней) проводили анализ динамики продукционных процессов - площади листьев и их фотосинтетической способности.

Оценку фотосинтетической способности листьев проводили по уровню восстановленных ассимилятов бескамерным методом, разработанным О.Д. Быковым [7]. Метод оценки изменения восстановленных веществ в листьях овса за единицу времени позволяет судить о потенциальной способности растений к фотосинтезу.

Площадь листьев определяли по формуле из [8]: Ал = №ВБ, где N - число листьев растения; В - ширина листа у основания; Б - длина листа.

Обработка экспериментальных данных проведена с использованием статистического пакета 81ай$йса 6.0.

Анализ динамики фотосинтетической способности листьев овса показал, что как у опытных, так и у контрольных растений кривая значений носит сходный характер, с минимальными значениями в начале и конце вегетации, что обусловлено физиологическими особенностями роста растений (рисунок).

Дата определения Число микроорганизмов, 105 КОЕ/мл

Среда Александрова-Зака КАС 3°Б сусло

19.06.09 8514,93 1245,25 35416,42

19.07.09 10512,05 1175,50 38914,23

Внесение отдельных групп микроорганизмов

Внесение отдельных групп микроорганиз мое

15.06.09 25.06.0S 05.07.09 15.07.09 25.07.09 04.0S.09 Дата наблюдения

♦ П1 ■ П2 ▲ П3 • П4

35 30 25 20 15 10

5 0

15.

:

06.09 25.06)09 05.07.09 15.07)09 2:

Дата наблюдения

-♦- П1 --■-- П2-»- П3 --▲-- П4

Внесение смеси микроорганизмов

Внесение смеси микроорганизмов

к S

5.06.09 25.06.09 05.07.09 15.07.09

Дата наблюдения

♦ П1 ■ П5 • П6 ▲ П7 = П8

25.07.09 04.08.09

15.06.09 25.06119 05.0709 15.07Б9 5

Дата наблюдения

-♦- П1 -■- П5 ■■•■■П6 -А- П7 -- П8

Т

I I "

i ••• ; i.

• | • -

-- - '"i

4 - - 1 ~

г"

б

а

Динамика листовых параметров овса (а - фотосинтетической способности листьев; б - площади листьев), выращенного на породных отвалах при внесении инокулята почвенных микроорганизмов

Результаты проведенных исследований свидетельствуют, что в течение вегетации фотосинтетическая способность растений, произрастающих на опытных участках, как правило, выше контрольных значений. В начале вегетации (15 июня) отмечены наибольшие отличия от контроля. Интенсивность фотосинтеза опытных образцов в этот период превышает контрольные значения на 20,8^31,72 %. При этом максимальные значения синтеза углеводов наблюдаются у растений, произрастающих на ПП 2, 3 и 4. К 25 июня синтез ассимилятов увеличивается и изменяется в пределах от 27,91 до 31,28 мг/(гч). Отличия от контроля при этом составляют 3,75^16,28 %. Максимальные значения отмечены на 1111 3, куда вносили микроорганизмы, способные разлагать силикаты.

В начале июля синтез ассимилятов контрольных растений достигает максимальных значений и остается на этом уровне до конца июля. Та же тенденция отмечена на 1111 3, 8. Максимальные значения синтеза ассимилятов 5 июля наблюдались на 1111 5, 6 - отличия от контроля составили 24,14 и 18,73 %. В последующие периоды наблюдения уровень синтеза углеводов на ПП 5, 6 постепенно снижается, а на 1111 2, 7 -не превышает контроль.

Для растений, произрастающих на 1111 2, 4, 7, максимальные значения синтеза ассимилятов отмечены 15 июля. При этом если на ПП 2, 7 эти значения сохраняются до 25 июля, то на ПП 4 они уменьшаются, но остаются выше контроля на 8,85 %. Максимальные отличия в данный период наблюдения отмечены на 1111 3, они превышают контроль на 19,36 %.

В конце вегетации наблюдается снижение синтетических процессов во всех вариантах опыта, но относительно контроля уровень синтеза ассимилятов выше на 15,53^39,22 %. Максимальные отличия отмечены на 1111 3, 4 и 6.

Анализ полученных данных показал, что на ПП 3 (внесение микроорганизмов, разлагающих силикаты) наблюдались максимальные значения синтеза асси-милятов во все исследуемые периоды наблюдений.

К важным показателям, определяющим урожайность растений, относится величина площади листьев и динамика ее формирования. Наибольшая биомасса листьев является результатом высокой фотосинтетической активности. Ее учет на протяжении вегетации позволяет прогнозировать урожай растений [8].

Анализ полученных результатов показал, что период максимального прироста площади листьев как в контрольных, так и в опытных образцах отмечен 15^25 июля и совпадает с периодом максимальной фотосинтетической способности.

В начале вегетации наблюдается минимальная площадь листьев. Наиболее высокие значения данного показателя - на 1111 5, отличие от контроля - 51,09 %. У остальных исследованных растений площадь листьев превышала контроль на 10,87^35,87 %. В период с 15 по 25 июня площадь листьев увеличилась в среднем в 3 раза. Максимальные отличия от контроля в этот период отмечены на ПП 7 (39,32 %), на остальных ПП этот показатель превышает контроль на 11^24,5 %.

Поступила в редакцию_

Наиболее интенсивное развитие листовой поверхности овса отмечено 5 июля на ПП 3, 7 и 8, при этом значения превышают контроль в 2,2^2,8 раз.

В период с 15 по 25 июля площадь листьев опытных растений выше контроля в 1,5^2,8 раз с максимальными значениями на 1111 8 (28,35 см2) 25 июля. В конце вегетативного периода площадь листьев снижается вследствие их отмирания в среднем в 2^3 раза, тем не менее превышает контроль. На 1111 2 - 6 отличия от контроля составляют 48,22^84,83 %. Максимальные значения данного показателя отмечены на 1111 7, 8 - выше контроля в 2,5^2,6 раз.

Таким образом, на протяжении всего периода вегетации площадь листьев у растений, произрастающих на 1111 с внесением инокулята микроорганизмов, выше в сравнении с растениями с контрольных площадок. Максимальное развитие листовой поверхности у овса в течение вегетационного периода наблюдалось на ПП 7, 8 (смесь микроорганизмов, разлагающих силикаты, с микроорганизмами, использующими минеральные формы азота, а также их смесь с микроскопическими грибами).

Выводы

Установлено, что внесение инокулята почвенных микроорганизмов в техногенные элювии породных отвалов угольного разреза «Кедровский» способствует увеличению листовых параметров овса, что выражается в более высоких показателях фотосинтетической способности и площади листьев.

Максимальные показатели фотосинтетической способности выявлены при внесении микроорганизмов, разлагающих силикаты, площади листьев - в вариантах с внесением комбинации микроорганизмов, разлагающих силикаты, с микроорганизмами, использующими минеральный азот, а также этой комбинации в комплексе с микроскопическими грибами.

Литература

1. Сукцессии и функционирование микробоценозов в молодых почвах техногенных экосистем Кузбасса / И.Л. Клевенская [и др.] // Микробоценозы почв при антропогенном воздействии. Новосибирск, 1985. С. 3-21.

2. Формирование микробных ценозов почв техногенных ландшафтов Кузбасса / Н.Н. Наплекова [и др.] // Изв. Сиб. отд. АН СССР. Сер. биол. науки. 1982. № 5, Вып. 1. С. 69-73.

3. Кулебакин В.Г. Микроорганизмы рекультивируемых отвалов Байдаевского углеразреза в Кузбассе и их окислительная активность // Почвообразование в техногенных ландшафтах. Новосибирск, 1979. С. 179-185.

4. Каравайко Г.И. Микробная деструкция силикатных минералов // Труды института микробиологии им. С.Н. Вино-градского. Вып. XII: Юбилейный сборник к 70-летию института / отв. ред. В.Ф. Гальченко. М., 2004. С. 172-197.

5. ЕгоровН.С. Практикум по микробиологии. М., 1976. 306 с.

6. Теппер Е.З., Шильникова В.К., Переверзева Г.И. Практикум по микробиологии. 3-е изд., перераб. и доп. М., 1987. 239 с.

7. Быков О.Д. Бескамерный способ изучения фотосинтеза: метод. указания. Л., 1974. 17 с.

8. Карманова И.В. Математические методы изучения роста и продуктивности растений. М., 1976. 221 с.

_13 декабря 2011 г.