CC BY
34
УДК 631.46+908.470.40
МИКРОБИОЦЕНОЗ ПОЧВЫ АГРОЭКОСИСТЕМ ПЕНЗЕНСКОЙ ОБЛАСТИ
В. И. Костин, доктор с.-х. наук, профессор; О. А. Ткачук*, канд. с-х. наук, доцент;
Н. А. Ильина**, доктор биол. наук, профессор; Н. А. Казакова**, аспирант
Ульяновская ГСХА, т. 8 (8422) 55-95-16;
*ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА», т. 8 (412) 628-546;
**ГОУ ВПО «Ульяновский государственный педагогический университет»
Установлен количественный и качественный состав микроорганизмов почвогрунта в котором преобладали физиологические группы, использующие минимальное количество питательных веществ и минеральных форм азота, что способствует росту и развитию растений в техногенно нарушенных агроэкосистемах.
Ключевые слова: почва, микроорганизмы, отвальная обработка почвы, безотвальная обработка почвы, звено севооборота.
Современный этап развития общества характеризуется интенсивным вмешательством человека в природные процессы,что приводит к нарушению естественного функционирования экосистем. Оценить антропогенное воздействие можно по многим показателям, в том числе и по реакции почвенных микроорганизмов. Это обусловлено их обилием, сложной структурой образуемых сообществ, ролью и значением в почвообразовательных процессах и высокой чувствительностью к различным факторам, как локально действующим экологическим, имеющим место в природе, так и антропогенным.
Изучение структуры микробного комплекса и функциональных взаимоотношений в системе «почва - микроорганизмы» является фундаментальной основой для понимания процессов восстановления техногенно
нарушенных экосистем, в частности агроэкосистем. В этом плане важна разработка критериев, по которым можно было бы оценить степень воздействия антропогенных факторов. В этих условиях разрушение микробо-ценозов можно считать индикатором изменения структуры экосистемы в целом.
Перспективность биодиагностических методов при оценке состояния почвенного покрова показана в работах М. С. Гилярова (1964, 1965, 1983), Е. Н. Мишустина (1934), Звягинцева Д. Г. (2005), В. Г. Добровольского (1996), Ф. Х. Хазиева (1972, 1976, 1990), Л. О. Карпачевского (1983), И. П. Ба-бьевой (1989), М. В. Горленко (1983) и других. В настоящее время биологические методы оценки состояния почв используются все еще недостаточно, хотя они незаменимы там, где требуется интегральная оценка состояния экосистемы.
Материалы и методы исследования.
Объектом исследований являлась микрофлора почв агроэкосистем Пензенской области.
Исследования микробиологических показателей почвогрунтов проводились на следующих экспериментальных площадках:
1. Чистый пар - озимая пшеница (отвальная система обработки почвы 20...22 см);
2. Чистый пар - озимая пшеница (мелкая безотвальная система обработки почвы 12.14 см);
3. Клевер - озимая пшеница (отвальная система обработки почвы 20.22 см);
4. Клевер - озимая пшеница (мелкая безотвальная система обработки почвы 12.14 см);
Образцы почвогрунтов отбирали с соблюдением правил асептики и помещали в стерильные пергаментные пакеты. Среднюю почвенную пробу получали смешиванием пяти почвенных образцов, отобранных по «принципу конверта» (Теппер, 2004). С площади 100 м2 отбирали четыре образца в точках по углам и один - ближе к центру прямоугольника.
Выделение микроорганизмов из поч-вогрунтов осуществляли методом посева почвенной суспензии на селективные питательные среды (Звягинцев, 2005). Численность микроорганизмов учитывали: утилизирующие органические формы азота (са-протрофные бактерии на МПА); утилизирующие минеральные формы азота (крах-мало-аммиачный агар - КАА). Учет олиго-нитрофильных видов проводили на среде Эшби, микроскопических грибов - на среде Чапека. Учет микроорганизмов, участвующих в биотрансформации фосфатосодержащих соединений (органофосфатов кальция, железа и алюминия), проводили на специальных средах (Теппер, 2004). Активные фосфатмобилизующие бактериальные штаммы отбирали из колоний, дающих зо-
ны растворения фосфата. Инкубацию посевов проводили при температуре 20°С в течение 4.9 суток.
Результаты исследований.
1. Количественный анализ физиологических групп микроорганизмов.
Результаты количественного учета физиологических групп микроорганизмов в почвогрунтах показали невысокую общую численность микроорганизмов, которая составила порядка 10 ...105 КОЕ/г (табл. 1). Наибольшее количество физиологических групп микроорганизмов отмечено в звене севооборота клевер - озимая пшеница на мелкой безотвальной обработке почвы. По количественному соотношению доминировали олигонитрофильные микроорганизмы и бактерии, использующие минеральные формы азота в количестве 218 тыс. КОЕ/г. Численность сапротрофных микроорганизмов значительно меньше и составила 106 тыс. КОЕ/г. Количество микроскопических грибов на два порядка ниже численности бактерий - 12 тыс. КОЕ/г.
Согласно значениям степени обога-щенности почв микрофлорой, предложенной Д. Г. Звягинцевым (2005), исследуемые почвогрунты крайне бедны микроорганизмами, а их функциональные группы в порядке убывания составили ряд: олигонит-рофилы > бактерии, использующие минеральные формы азота > сапротрофы > микроскопические грибы. Данное количественное распределение характеризует почвы с малоактивными минерализационными процессами. Недостаток питательных веществ в почве, по мнению ряда авторов (Мишустин, 1934; Колешко, 1977), является основным экологическим фактором, лимитирующим развитие микроорганизмов-ор-ганолитиков - сапротрофных бактерий и микроскопических грибов. В этих условиях существенную роль в процессах почвообразования играют олигонитрофилы и бак-
Таблица 1
Количественный учёт физиологических групп микроорганизмов
(КОЕ х 103/г)
Место выделения Микроорганизмы Микроскопические грибы
сапро- трофные использующие минеральные формы азота олигонитро- фильные
1. Чистый пар - озимая пшеница (отвальная 20.22 см) 11,0 ± 1,4 4,0 ± 0,1 8,0 ± 1,2 0
2. Чистый пар - озимая пшеница (мелкая 12.14 см) 22,0 ± 1,3 16,0 ± 0,6 31,0 ± 0,1 0
3. Клевер - озимая пшеница (отвальная 20.22 см) 71,0 ± 2,7 62,0 ± 0,9 70,0 ± 1,2 4,0 ± 0,5
4. Клевер - озимая пшеница (мелкая 12.14 см) 106 ± 1,1 122 ± 2,2 218 ± 2,1 12,0 ± 0,2
терии, использующие минеральные формы азота, способные переносить длительные периоды голодания, используя как свою эндогенную систему метаболизма, так и труднодоступные для других микроорганизмов субстраты.
По результатам исследования значительный «положительный эффект» в отношении сапротрофных бактерий и использующих минеральные формы азота установлен на площадке «клевер - озимая пшеница (12.14 см)». Таким образом, данная площадка почвогрунта отличается высокой ферментативной активностью, обуславливающей интенсивность гидролитических процессов и накопление минерального азота. Вследствие этого происходит активизация микроорганизмов-органолитиков и бактерий, использующих минеральные формы азота. Почва становится богаче общим количеством органического вещества.
Отсутствие «положительного эффекта» наблюдали на экспериментальных площадках «чистый пар - озимая пшеница (12.14 см, 20.22 см)» в отношении групп олигонитрофильных микроорганизмов, численность которых ниже численности оли-гонитрофилов на площадках «клевер -озимая пшеница (12.14 см, 20.22 см)». Данное обстоятельство объясняется более высоким содержанием легкодоступных азотосодержащих веществ в корневых экссудатах растений.
Таким образом, анализ количественного и качественного состава физиологических групп микроорганизмов на экспериментальных площадках выявил начальный процесс формирования микробно-растительных взаимодействий, характеризующийся невысокой общей численностью микроорганизмов; преобладанием физиологических групп микроорганизмов, использующих минимальные содержания питательных веществ в субстрате и минеральные формы азота.
Невысокое количество микроскопических грибов коррелирует с низким содержанием органических веществ, причем на экспериментальной площадке «чистый пар
- озимая пшеница (12.14 см, 20.22 см)» микроскопические грибы практически отсутствовали.
Таким образом, в прикорневых зонах различных видов растений создаются неодинаковые физико-химические и биотические условия, формируется микрофлора различного состава, обеспечивающая оптимальный уровень корневого питания и
способствующая росту и развитию растений в неблагоприятных условиях окружающей среды, которыми являются техногенно нарушенные агроэкосистемы.
2.Таксономический анализ сапро-трофного бактериального комплекса.
Из почвогрунтов исследуемой почвы выделено 287 бактериальных штаммов. Из них 86 штаммов изолированы с площадки «чистый пар - озимая пшеница (12.14 см)», 50 штаммов - с площадки «клевер -озимая пшеница (20.22 см)», 64 штамма -с площадки «чистый пар - озимая пшеница (20.22 см)» и 87 штаммов - с площадки «клевер - озимая пшеница (12.14 см)».
Выделенные штаммы идентифицировали в процессе изучения их морфологических, культуральных, физиолого-биохими-ческих свойств, молекулярно-генетических и филогенетических методов анализа, по результатам которого было построено филогенетическое древо, отражающее систематическое положение видов, составляющих сапротрофный бактериальный комплекс. Таким образом, 287 бактериальных штаммов, выделенных из почвогрунтов, принадлежат к 14 видам из 12 родов трех классов (табл. 2).
Класс Bacilli (грамположительные бактерии с низким содержанием ГЦ пар в ДНК) представлен 7 видами бактерий: Bacillus thuringiensis, Sporosarcina ureae, Sporolac-tobacillus inulinus, Staphylococcus sapro-phyticus, Bacillus vallismortis, Planococcus psychrotoleratus и Lactobacillus delbrueckii.
Класс Proteobacteria (грамотрицатель-ные бактерии ) представлен 4 видами : Acti-nеtobacter lwofii, Paracoccus aminovorans, Serratia ficaria и Serratia marcescens.
Класс Actinobacteria представлен 3 видами: Agrococcus jenensis, Kocuria rosea и Micrococcus luteus.
Наряду с бактериями, принадлежащими к родам, обычно широко распространенным в почвенных экосистемах (р. р. Bacillus, Paracoccus, Serratia, актинобактерии), выделены представители редко встречаемых родов бактерий, являющихся кислотно- и щелочно-толерантными формами (Actinеtobacter и Planococcus соответственно). Причем вид А. lwofii явился доминантным и обнаружен во всех источниках выделения. Это может быть обусловлено тем, что малопригодные для жизнедеятельности природные субстраты являются благоприятными экологическими нишами для заселения видами, более адаптированными к условиям обитания.
Таблица 2
Таксономический состав сапротрофного бактериального комплекса
Экспериментальная площадка, количество выделенных бактериальных штаммов
Установленная видовая принадлежность чистый пар -озимая пшеница (12.14 см) клевер -озимая пшеница (20.22 см) чистый пар -озимая пшеница (вспашка 20.22 см) клевер - озимая пшеница (12.14 см)
Actinobacteria
Agrococcus jenensis -* - 2 -
Kocuria rosea - - - 1
Micrococcus luteus 8 3 - 12
Proteobacteria
Acinetobacter lwoffii 53 8 43 32
Paracoccus aminovorans 1 12 - 12
Serratia ficaria - - 4 -
Serratia marcescens - - - 2
Bacilli
Bacillus thuringiensis 15 8 - 8
Bacillus vallismortis - 2 8 11
Lactobacillus delbrueckii - - - 4
Planococcus psychrotoleratus - - 7 -
Sporosarcina ureae 2 - - -
Sporolactobacillus inulinus - 2 - -
Staphylococcus saprophyticus 7 15 - 5
* не обнаружено.
Таким образом, полученные результаты дают основание считать, что соотношение филогенетических групп микроорганизмов в изучаемых экосистемах можно рассматривать как сложившееся сообщество.
Литература
1. Бабьева, И. П. Биология почв: учебник для ин-тов по спец. «Агрохимия и почвоведение»; под ред. Д. Г. Звягинцева. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во МГУ, 1989. - 335 с.
2. Звягинцев, Д. Г. Биология почв / Д. Г. Звягинцев, И. П. Бабьева, Г. М. Зенова. -М. - 448 с.
3. Гиляров, М. С. Определитель обитающих в почве личинок насекомых / М. С. Гиляров. - М., 1964.
4. Гиляров, М. С. Зоологический метод диагностики почв / М. С. Гиляров. - М., 1965.
5. Гиляров, М. С. Особенности почвы как среды обитания и ее значение для эволюции насекомых / М. С. Гиляров. - М.-Л., 1949.
6. Горленко, М. В. Мучнисто-росяные грибы Московской области (сем. Е. Ру51рИа-сеае) / М. В.Горленко. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1983. - 73 с.
7. Добровольский, Г. В. Значение почв в сохранении биоразнообразия / Г. В. Добровольский // Почвоведение. - 1996. - 694698 с.
8. Звягинцев, Д. Г. Биология почв / Д. Г.Звягинцев, И. П. Бабьева, Г. М. Зено-ва. - М.: МГУ, 2005. - 448 с.
9. Карпачевский, Л. О. Зеркало ландшафта / Л. О. Карпачевский. - М.: Мысль, 1983. - 156 с.
10. Келлер, Б. А. Преобразователи природы растений / Б. А. Келлер. - М.: Госпо-литиздат, 1945. - 119 с.
11. Колешко, О. И. Микробиология: учеб. пособие для биол. спец. вузов / О. И. Ко-лешко. - Минск: Высш. шк., 1977. - 271 с.
12. Мишустин, Е. Н. Курс сельскохозяйственной микробиологии / Е. Н. Мишустин.
- М.-Л.: Сельхозизд., 1934. - 208 с.
13. Теппер, Е. З. Практикум по микробиологии [тест]: учеб. пособие для вузов / Е. З. Теппер, В. К. Шильникова, Г. И. Пере-верзева; под ред. В. К. Шильниковой. -5 изд., перераб. и доп. - М.: Дрофа, 2004. -255 с.
14. Хазиев, Ф. Х. Методы почвенной эн-зимологии / Ф. Х. Хазиев. - М.: Наука, 1990. -189 с.
15. Хазиев, Ф. Х. Почвенные ферменты (Биохимия служит плодородию) / Ф. Х. Ха-зиев. - М.: Знание, 1972. - 32 с.
16. Хазиев, Ф. Х. Ферментативная активность почв: методическое пособие /
Ф. Х. Хазиев. - М.: Наука, 1976. - 225 с.
