CC BY
237
GEOGRAPHIC PATTERNS OF MICROELEMENT DISTRIBUTION IN SOILS OF BELGOROD REGION
S.V. Lukin, R.M. Khizhnyak
Summary. Microelement distribution patterns in soils of Belgorod region were established on the basis of data analysis of continuous agrochemical survey. Diagrams showing the content of zinc, copper, and lead in soils are presented. Soils of Vejdelevka, Volokonovka, Novy Oskol districts, which are mostly situated in the steppe region, are notable for the most gross zinc (51.9...54.5 mg/kg) and copper (15.5...16.0 mg/kg) content; the highest lead content (15.4...17.2 mg/kg) are observed in Roven’ki, Novy Oskol, Voloconovka, Vejdelevka, Alekseevka districts. The lowest values of these indicators are typical for soils of Krasnaya Yaruga, Grajvoron, Rakitnoe, Borisovka, Yakovlevo, Prokhorovka, Gubkin, Stary Oskol districts - 34.8...39.7 mg/kg, Borisovka, Grajvoron, Ivnya, and Rakitnoe districts
- 10.8...11.8 mg/kg, Krasnaya Yaruga, Rakitnoe, and Stary Oskol districts - 10.9...11.9 mg/kg, correspondingly.
Weighted average gross content of zinc in arable soils ofthe region is 44 mg/kg, copper -13.5 mg/kg, lead - 14.3 mg/kg, which is below the Vinogradov clarke by 6, 6.5, 4.3 mg/kg, correspondingly. The total content of microelements in soils of different mechanical composition is studied.
Key words: clarke, copper, microelements, lead, heavy metals, chernozem, zinc.
УДК 579.64
МИКРООРГАНИЗМЫ - УНИКАЛЬНЫЕ ИНДИКАТОРЫ КАЧЕСТВА ВЕРМИКОМПОСТА
Н.Н. ТЕРЕЩЕНКО, доктор биологических наук, зав. лабораторией
Т.В. ЮНУСОВА, младший научный сотрудник А.Д. ПИСАРЧУК, младший научный сотрудник СибНИИСХиТ Россельхозакадемии Е-таН: [email protected]
Резюме. На основании результатов сравнительного изучения органических вермикомпост-содержащих грунтов и торфоминеральных смесей различных производителей, а также многолетних исследований авторов к числу наиболее информативных показателей качества вермикомпоста и вермикомпост-содержащего грунта отнесены такие показатели, как присутствие бактерий рода АюЮЬа^е, высокая (не менее 100 тыс. клеток/г) численность нитрификаторов; значительная (не менее 20 %) доля в составе микробного сообщества грунта спорообразующих форм бактерий, высокая (не менее 100...200 тыс. КОЕ/г) численность сахаролитических грибов. Кроме того, уровень актуальной активности азотобактера (по Виноградскому), можно использовать в качестве показателя длительности хранения биогумуса. Анализ исследованных грунтов по перечисленным микробиологическим индикаторам - показателям присутствия в грунте продуктов жизнедеятельности дождевых червей, позволил сделать заключение о степени соответствия состава каждого из них информации, указанной на товарной упаковке. Упомянутые микробиологические индикаторы качества биогумуса и вермикомпост-содержащего грунта можно использовать для защиты прав потребителей и коммерческих интересов добросовестных производителей качественной биотехнологической продукции.
Ключевые слова: вермикомпост, дождевые черви, качество грунта, микробиологические индикаторы, азотобактер, нитрификация
Одним из ключевых вопросов современного массового производства становится качество. В аграрной отрасли эта проблема также весьма актуальна в связи с расширением ассортимента разнообразной специализированной продукции (грунтов, удобрений, средств защиты растений и др.), призванной удовлетворять запросы самого требовательного потребителя.
Даже поверхностный анализ показывает, что основная масса представленных в розничной торговой сети грунтов - смесь разных видов торфа, песка, каких-либо рыхлящих компонентов с добавлением расчетных доз минеральных удобрений. Определение качества подобной продукции для специалиста агрохимика в принципе сложностей не вызывает. Однако в послед-
ние годы на рынке все чаще появляются грунты, представляющие собой (согласно информации на товарной упаковке) различные смеси торфа, дерновой земли и какого-либо вида биоперегноя. Чаще всего в качестве последнего используют вермикомпост, произведенный различными линиями дождевых червей Eisenia fetida.
Для того, чтобы подчеркнуть уникальные особенности подобных грунтов производители часто позиционируют свою продукцию как «живую землю», «живой грунт» и др. Действительно, органические вермикомпост-содержащие грунты отличаются от традиционных торфо-минеральных смесей более высоким уровнем биологической активности, поскольку это, по сути, продукт биотехнологического производства. В биологическом отношении они представляют собой равновесные саморегулирующиеся системы, управляемые сложным консорциумом микроорганизмов. Причем, согласно микробиологическому анализу копролитов червей [1, 2], подавляющая часть микрофлоры вермикомпоста относится к так называемой РОРЯ-микрофлоре, осуществляющей функции контроля ризосферы растений, благодаря продуцированию широкого спектра стимуляторов роста и биофунгицидов, снижающих риск развития болезней. Кроме того, при использовании органических грунтов практически устраняется потребность в искусственном поддержании необходимого баланса питательных элементов. Функции регулятора питания для растений выполняет сложный микробный консорциум, ферментативная активность которого обеспечивает постепенное высвобождение, доступных для растений форм биогенных элементов, исключая ситуации, как с дефицитом питания, так и с передозировкой.
Разумеется, себестоимость грунтов, содержащих вермикомпост, не может быть ниже, чем у традиционных торфо-минеральных смесей, поскольку включает дополнительные затраты на культивирование червей. Однако значительно более высокие показатели их качества в полной мере окупают эти «минусы».
Казалось бы, с увеличением на рынке доли биотехнологической продукции ситуация должна меняться к лучшему. Однако на практике по-прежнему поступают жалобы потребителей на низкое качество грунтов, в том числе содержащих «продукты жизнедеятельности дождевых червей». Поскольку определить присутствие их копролитов в составе грунта гостированными методами
химического анализа невозможно, мы попытались решить эту проблему с помощью единственной живой составляющей любого грунта - микроорганизмов.
Многолетние исследования микробиологических аспектов вермикультивирования, проводимые в СибНИ-ИСХиТ Россельхозакадемии и Томском государственном университете, позволили разработать систему показателей, позволяющих с высокой долей вероятности подтвердить или опровергнуть информацию о присутствии в составе грунта копролитов дождевых червей, которые, пропуская через свой пищеварительный тракт органический субстрат, необратимо меняют не только его свойства, но и состав микробного сообщества.
Например, своеобразная визитная карточка люм-брицид - микроорганизмы рода Azotobacter, осуществляющие процессы азотфиксации, а также нитрифика-торы - автотрофные бактерии, использующие энергию окисления аммония до нитрита и затем до нитрата [3, 4]. Обе эти группы микроорганизмов входят в состав симбиотической микрофлоры дождевого червя. Как известно, одна из проблем, неизбежно возникающих при вермикультивировании, - высокая концентрация аммиака в навозе, к которому дождевые черви весьма чувствительны [5]. Микроорганизмы нитрификаторы, способные в короткие сроки трансформировать аммонийный азот в значительно менее токсичные для червей нитраты, создают в органическом субстрате условия для их нормальной жизнедеятельности.
В связи с изложенным целью наших исследований стала разработка методики оценки качества вермиком-поста и вермикомпост-содержащих грунтов, основанная на определении численности индикаторных групп микроорганизмов - симбионтов дождевого червя.
Условия, материалы и методы. В качестве основных объектов исследования выбраны биогумус и грунты, которые, согласно надписи на упаковке, содержат в своем составе продукты жизнедеятельности дождевых червей: грунт «Гарант» (ПК Темп-2, г.Томск); биогумус (ОАО «Сибторф», г. Томск), грунт «Сад чудес» (ЗАО МНПП «Фарт», г. Санкт-Петербург); вермикомпост (птицефабрика «Заря», г. Красноярск); биогумус (ООО «Агроспас», г. Москва).
Для определения основных отличительных особенностей микрофлоры дополнительно были проана-
лизированы высококачественные торфо-минеральные грунты, согласно надписи на упаковке, не содержащие в своем составе продуктов жизнедеятельности дождевых червей: торфяной грунт «Садовая земля» (ООО «Фаско», Московская обл.); универсальная почвенная смесь «Золото флоры» (ООО «Кадм», г. Барнаул).
В качестве эталона сравнения использовали ко-пролиты дождевых червей Е1веп1а fetida, полученные в результате культивирования червей на смеси торфа и навоза КРС (в соотношении 1 : 4) непосредственно в Сибирском НИИ сельского хозяйства и торфа (г. Томск).
Перечисленные виды субстратов анализировали по следующим показателям: общее микробное число (ОМЧ) - методом прямого посева на МПА (мясопептон-ный агар); численность бацилл - на МПА после микро-скопирования характерных колоний; численность нитри-фикаторов - методом предельных разведений на среде Виноградского; актуальная активность азотобактера - методом Виноградского на безазотистой среде Эшби [6]; численность сахаролитических микроскопических грибов - методом прямого посева на КГА (картофельно-глюкозный агар с рН=4,5) и актиномицетов - посевом на КАА (крахмало-аммиачный агар); количество фосфатра-створяющих бактерий - посевом на среду Муромцева с переосажденным осадком фосфата кальция [7].
Результаты и обсуждение. Согласно результатам микробиологических исследований существенных различий между вермикомпост-содержащими грунтами и торфо-минеральными смесями по общей численности микроорганизмов не обнаружено (см. табл.). Четких закономерностей в распределении численности фос-фатрастворяющих бактерий и актиномицетов также не наблюдалось. Определенные различия по вариантам грунтов отмечены для спорообразующих бактерий. За исключением грунта «Сад чудес» (ЗАО МНПП «Фарт»), все исследованные виды почвенных субстратов, содержащие вермикомпост, отличались от традиционных торфо-минеральных смесей более высокой (в среднем в 3 раза) долей бацилл в составе микробного сообщества. Это хорошо известный факт, что обусловлено большей глубиной переработки органического субстрата червями и меньшим, чем в торфо-минеральном грунте количеством легкодоступных для микроорганизмов минеральных элементов питания [8].
Таблица. Численность микроорганизмов различных физиологических групп в исследованных грунтах
Исследованный грунт Общая численность, N х 105 Бациллы, N х 105 Доля бацилл, % от общего числа Актино-мицеты, N х 104 Сахароли- тические грибы, N х 104 Фосфат-растворяющие бактерии, N х 105 Нитри-фика-торы, N х 104 Актуальная активность азотобактера. %
Копролиты 7440,0 ± 656,2 1405,1± 53,1 19,0 661,1± 20,6 62,0 ± 3,6 0 7, 1 ± СО 3 ,2 0 4, 03 1 ± х ,0 ю • 6 96,07 ± 3,9
Биогумус и грунты, согласно упаковке, содержащие биогумус (вермикомпост)
«Гарант»
ПК «Темп-2»
«Сад чудес» ЗАО МНПП «Фарт»
Биогумус ОАО «Сибторф»
Биогумус Птицефабрики «Заря»
Биогумус ООО «Агроспас»
Садовая земля «Фаско»
Универсальная почвенная смесь
702,1 ± 11,6 217,4 ± 47,0 30,6 96,2 ± 9,6 14,1 ± 2,1 229,0±10,9 33,6 ± 5,4 88,22 ± 5,7
425,90 ± 54,9 3,2 ± 0,1 0,7 0,4 ± 0,02 0,09±0,003 7,7 ± 1,5 <102 0
6419,0 ± 149,5 1568,0 ± 25,9 24,4 98,0 ±11,5 49,3 ± 4,2 <103 5,1 ± 1,5 46,7 ± 1,7
1862,1 ± 282,7 441,2 ± 73,9 23,6 29,4 ± 16,9 19,6 ± 9,8 <103 8,82 ± 2,3 15,2 ± 2,3
2046,0 ±139,8 713,0 ± 64,5 Торфо-минеральные 34,8 грунты 31,0 ± 17,9 31,0 ± 7,9 <103 12,0 ± 3,6 без биогумуса (вермикомпоста) 18,3 ± 2,1
7558,0 ± 770,0 163,5 ± 67,7 2,2 374,0 ±18,9 <102 717,6±229,82,4 ± 0,35 0
2721,3 ± 480,4 408,2 ± 18,1 15,0 62,8 ±36,3 <102 10,46 ± 1,2 <102 0
Обращает на себя внимание и повышенная численность микроскопических сахаролитических грибов в грунтах с вермикомпостом, изменяющаяся в диапазоне значений от 140 тыс. до 620 тыс. КОЕ/г грунта, тогда как в исследованных торфо-минеральных грунтах она оказалась ниже порога определения. Это, на наш взгляд, можно объяснить логическим следствием, отмеченной еще Чарльзом Дарвином [9], целлюлозолитической активности пищеварительных секретов дождевых червей, а также неоднократно фиксируемой рядом авторов повышенной активности целлюлаз, продуцируемых ассоциированными с почвенными люмбрицидами микроорганизмами [10, 11]. Единственным исключением из упомянутой закономерности был грунт «Сад чудес» (ЗАО МНПП «Фарт»), отличавшийся наименьшими значениями численности грибов-сахаролитиков (см. табл.).
Наибольшие различия в составе микробного сообщества грунтов, содержащих вермикомпост, и торфо-минеральных смесей отмечены для бактерий рода Azotobacter и нитрификаторов. При этом самой высокой численностью нитрифицирующих бактерий (336...34В тыс. КОЕ/г) характеризуются копролиты дождевых червей, выбранные в качестве эталона, а также грунт «Гарант» (ПК «Темп-2). Довольно высока величина этого показателя в биогумусе, произведенном ООО «Агроспас» и птицефабрикой «Заря». Наименьшей численностью нитрификаторов характеризуются биогумус агрофирмы «Сибторф» и торфо-минеральный грунт «Фаско» (51 тыс. и 24 тыс. кл./г соответственно). В грунте «Сад чудес», а также в торфо-минеральном грунте «Золото флоры» нитрификаторы не обнаружены.
Активность азотобактера отмечена только в грунтах, содержащих вермикомпост. Единственным
исключением был опять же грунт «Сад чудес». Поскольку среди вермикомпост-содержащих грунтов наибольшей активностью азотобактера отличались грунты, произведенные непосредственно в г. Томске в августе 2011 г. (остальные исследованные виды биогумуса и грунты, содержащие вермикомпост, были произведены феврале-апреле 2010 г.) можно сделать предположение о том, что величина этого показателя отражает не только присутствие копролитов червей в грунте, но и служит косвенным индикатором длительности хранения биогумуса. Известно, что его хранение в течение года и более при температурах выше +10оС способствует активному разложению азотсодержащих органических веществ и накоплению минеральных форм этого элемента, повышенные концентрации которого ингибируют активность азотфиксаторов [12]. Вероятно, поэтому в грунтах, произведенных в Томске, не подвергавшихся длительному хранению и транспортировке, активность микроорганизмов, участвующих в цикле превращения азота была самой высокой.
Выводы. Таким образом, наиболее информативные микробиологические индикаторы, с высокой долей вероятности свидетельствующие о присутствии в грунте копролитов дождевых червей, - актуальная активность азотобактера; высокая (не менее 100 тыс. клеток/г) численность нитрификаторов; значительная (не менее 20 %) доля в составе микробного сообщества спорообразующих форм бактерий; высокая (не менее 100...200 тыс. КОЕ/г) численность сахаролитических грибов.
Перечисленные показатели можно использовать для разработки методики оценки качества вермикомпоста и вермикомпост-содержащих грунтов.
Литература.
1. Toyota К., Kimura M. Microbial community indigenous to the earthworm Eisenia foetida // Biology and Fertility of Soils. - 2000.
- № 31. - pp. 187-190.
2. Якушев А.В. Микробиологическая характеристика вермикомпостов: автореф. канд. диссер. - М., 2009. - 26 с.
3. Терещенко Н.Н., Наплекова Н.Н. Влияние различных экологических групп дождевых червей на интенсивность азотфик-сации // Известия АН сер. Биологическая. - 2002. - № 6. - С. 763-768.
4. Mengel K. Turnover of organic nitrogen in soils and its availability to crops // Plant and Soil. - 1996. - V. 181. - р. 83-96.
5. Городний Н.М., Мельник И.А., Повхан М.Ф. Биоконверсия органических отходов в биоиндустриальном хозяйстве. - Киев: Урожай, 1990. - 256 с.
6. Виноградский С.Н. Микробиология почвы (проблемы и методы). - М.: Изд-во АН СССР, 1952. - 673 с
7. Практикум по микробиологии: Учебное пособие для студ. высш. учеб. заведений / Под ред. А.И. Нетрусова. - М.: Изд. Центр «Академия, 2005. - 608 с.
8. Kwisturek V., Ravasz K., Pizl V. Actinomycete communities in earthworms guts and surrounding soil// Pedobiologia. - 1993. -V.37. - P. 379-382.
9. Darwin Charles. The Formation of Vegetable Mould through the action of worms with observations of their habits. - London, 1881.
10. Кузьмина Н.В., Верховцева Н.В., Касатиков В.А. Микробиологические свойства вермикомпостов и их влияние на микро-боценоз дерново-подзолистой почвы //Дождевые черви и плодородие почв: Материалы Первой междунар. науч.-практич. конф. - Владимир, 2002. - С.93-95.
11. Терещенко Н.Н. Эколого-микробиологические аспекты вермикульти-вирования. - Новосибирск: Изд.-во СО РАСХН, 2003. - 116 с.
12. Хазиев Ф.Х. Влияние минеральных удобрений на некоторые биохимические процессы в черноземах// Агрохимия. -1977. - № 6. - С. 99-104.
MICROORGANISMS - UNIQUE INDICATORS OF VERMICOMPOST QUALITY N.N. Tereshchenko, T.V. Yunusova, A.D. Pisarchuk
Summary. The article discusses the results of comparative studies of vermicompost-containing soils from different manufacturers represented in retail outlets of Moscow, St. Petersburg, Tomsk, Krasnoyarsk and Barnaul. According to the research of the authors most informative indicators of vermicompost and vermicompost-containing soil quality include:_presence of bacteria belonging to the genus Azotobacter; high (at least 100 thousand cells / 1 g) numbers of nitrifiers, large (at least 20%) share of sporulating bacteria forms in the microbial community; high (at least 100-200 thousand CFU / 1 g) numbers of saccharolytic fungi._In addition, the level of actual activity of Azotobacter (by Winogradsky), can be used as an indicator for determine the duration of vermicompost storage.
Analysis of the investigated soils on basic microbiological criteria - indicators of the presence in the soil earthworm’s excreta, allowed making a conclusion about correspondence actual composition of the soil to information specified in its commercial packaging. According to the comparative microbiological studies the contents of all analyzed products, except for the soil «Sad chudes» of «Fart» (St. Petersburg), correspond to the information provided on the product packaging._By the properties of the soil microbial community, «Sad chudes» can be attributed to the peat-mineral mixtures, not containing metabolic products of earthworms.
Microbiological indicators of quality vermicompost and vermicompost-containing soils can be used to protect consumer rights and commercial interests of conscientious manufacturers of quality biotechnological products.
Keywords: vermicompost, earthworms, soil quality, microbiological indicators, Azotobacter, nitrification.
