Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Сапрофитные микроорганизмы чернозема южного карбонатного под влиянием гербицидов в засушливых условиях Северного Казахстана

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Сапрофитные микроорганизмы чернозема южного карбонатного под влиянием гербицидов в засушливых условиях Северного Казахстана"

На правах рукописи

КУНАНБАЕВ Кайрат Кайырбекович

САПРОФИТНЫЕ МИКРООРГАНИЗМЫ ЧЕРНОЗЕМА ЮЖНОГО КАРБОНАТНОГО ПОД ВЛИЯНИЕМ ГЕРБИЦИДОВ В ЗАСУШЛИВЫХ УСЛОВИЯХ СЕВЕРНОГО КАЗАХСТАНА

03.02.08 - экология (биологические науки)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

005552101

Красноярск - 2014

005552101

Работа выполнена в Г НУ Сибирский научно-исследовательский институт земледелия и химизации сельского хозяйства

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ, член-корреспондент Россельхозакадемии. Власенко Наталия Григорьевна

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор,

ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный университет», профессор кафедры биологии, биоресурсов и аквакультуры Осннцева Любовь Анатольевна

Кандидат биологических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный афарный университет», доцент кафедры ландшафтной архитектуры и агроэкологии Фомина Наталья Валентиновна

Ведущая организация - ФГАОУ ВПО Белгородский государственный

национальный исследовательский университет

Защита состоится «26 » июня 2014 г. в 12.00 часов на заседании диссертационного совета Д 220.037.04 при ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный афарный университет» по адресу: 660049, г. Красноярск, пр. Мира, 90; тел. (391) 227-46-09, www.kgau.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный афарный университет» www.kiiau.ru.

Автореферат разослан «_»_20_г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Г.А. Демиденко

Введение

Актуальность темы. В настоящее время в Казахстане, как и во всем мире, широкое распространение получают технологии сберегающего земледелия на основе минимизации обработок почвы (Каскарбаев, 2005). Интенсивное и постоянное применения удобрений и пестицидов в таких технологиях приводит к усилению нагрузки на почву и ее обитателей. Почвенные микроорганизмы являются одним из основных факторов, влияющих на разложение ксенобиотиков в экосистеме, а также естественными биоиндикаторами, отражающими изменения в почве, что связано с их огромным значением в почвообразовательных процессах и высокой чувствительностью к воздействию всякого рода загрязнений (Круглов, 1991; Глазовская, 1992). В связи с возрастанием роли химизации в сельском хозяйстве изменения в микробоценозе почвы и мониторинг за динамикой основных групп почвенных микроорганизмов, которые отражают состояние экосистемы почвы, приобретают большое значение (Назарько, 2008).

Северный Казахстан входит в зону рискованного земледелия, где одним из ведущих лимитирующих экологических факторов для сельскохозяйственных растений является недостаток почвенной влага. Как известно, это снижает и микробиологическую активность почвы, увеличивая токсическое действие пестицидов, в результате чего нагрузка на почвенные микроорганизмы при разложении химических веществ многократно усиливается.

В связи с этим становится актуальным вопрос определения допустимой антропогенной нагрузки на почвенные микроорганизмы, выявления индикаторных микроорганизмов, а также микробов, активно участвующих в разложении гербицидов в засушливых условиях на черноземных почвах Северного Казахстана.

Цель исследований: изучить воздействие гербицидов на основные группы почвенных микроорганизмов чернозема южного карбонатного Северного Казахстана и выявить представителей почвенной микрофлоры для использования их в качестве тест-объектов и возможных деструкторов для широко применяемых и новых регистрационных препаратов.

Задачи исследований:

- дать оценку влияния гербицидов на основе клодинафоп-пропаргила, 2,4-Д, феноксапроп-п-этила, глифосата, трибенурон-метила, флукарбазон-флутразалона, хизалофор-п-тефурила, пиноксадена, 3,6-дихлор-2-метоксибензойной кислоты, пироксулама на численность почвенных бактерий, грибов и целлюлозоразрушающих микроорганизмов чернозема южного карбонатного;

- определить чувствительность Bacillus megaterium и Bacillus mycoides, широко распространенных в почвах региона, к действующим веществам современных гербицидов;

- оценить способность Trichoderma lignorum и Fusarium oxysporum к росту на питательной среде, содержащей гербициды, а также деструктивную активность F. oxysporum по отношению к их различным действующим веществам.

Научная новизна работы. Выявлено, что в условиях Северного Казахстана внесение гербицидов приводит к изменению в микробоценозе южного карбонатного чернозема — снижению численности бактерий и увеличению числен-

ности грибов и целлюлозоразрушающих микроорганизмов. Впервые установлено, что применение гербицидов увеличивает коэффициент минерализации почвы за счет изменения численности бактерий, усваивающих органический и минеральный азот, в 2-3 раза. Показана высокая чувствительность бактерий Bacillus mycoides и Bacillus megaterium в лабораторных условиях к низким концентрациям действующих веществ гербицидов (клодинафоп-пропаргил, фенок-сапроп-п-этил, 2,4-Д и клопиралид). Определено, что целлюлозоразлагающий гриб Trichoderma lignorum толерантен к ряду гербицидов. Доказана способность к росту на питательной среде М9 с гербицидами и к деструкции их действующих веществ фитопатогенного гриба Fusarium oxysporum. Установлено, что почвенные грибы и целлюлозоразрушающие микроорганизмы устойчивы к воздействию гербицидов различных химических групп, значительно меньшей устойчивостью обладают бактерии, ассимилирующие органические и неорганические формы азота.

Основные положения, выносимые на защиту:

■однократное применение современных гербицидов на черноземах южных карбонатных Северного Казахстана в условиях дефицита влаги в большей степени снижает численность почвенных бактерий, ассимилирующих органические и неорганические формы азота, практически не изменяет численность цел-люлозрушающих микроорганизмов и грибов; а многократное - увеличивает численность последних в 1,5-2,0 раза; в производственных условиях при комплексном использовании препаратов различного спектра действия фиксируется рост численности почвенных микромицетов в 1,5-3,9 раза;

■бактерии рода Bacillus (В. megaterium, В. mycoides) высокочувствительны к гербицидам различных химических групп, что дает основу для разработки методов использования их в качестве тест-объектов для контроля загрязнения

почв пестицидами;

■почвенные грибы Trichoderma lignorum и Fusarium oxysporum способны к росту на питательных средах, содержащих клодинафоп-пропаргил, фенокса-проп-п-этил, 2,4-дихлорфеноксиуксусную кислоту и клопиралид.

Практическая значимость работы. Показано, что в засушливых условиях Северного Казахстана применение гербицидов в рекомендованных нормах расхода, при низких и следовых содержаниях их остаточных количеств в почве, приводит к изменениям в микробоценозе почвы, что обусловливает необходимость подбора препаратов с учетом их влияния на почвенные микроорганизмы. Поскольку Fusarium oxysporum обладает способностью потреблять гербициды, целесообразно использовать его штаммы на землях несельскохозяйственного назначения для разложения пестицидов, а на землях сельскохозяйственного назначения, где интенсивно применяются гербициды, необходимо проводить за ними постоянный мониторинг.

Публикации результатов исследований. Материалы диссертации достаточно полно изложены в 8 печатных работах, 2 из которых опубликованы в журналах, рекомендованных списком ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, предложений производству и библиографического списка. Рабо-

та изложена на 113 страницах машинописного текста, содержит 13 таблиц и 19 рисунков и 3 приложения. Список литературы включает 142 наименования.

Объекты, условия и методы проведения исследований. Исходя из цели и задач исследований, объектами изучения явились основные группы микроорганизмов чернозема южного карбонатного, а также выделенные штаммы из рода Bacillus spp., Trichoderma spp., Fusarium spp.

Исследования проведены в 2009-2012 гг. на стационарных опытах НПЦ зернового хозяйства им. А.И. Бараева, а также в крестьянском хозяйстве ТОО «Викторовка» Акмолинской обл. Республики Казахстан.

Почвы опытных участков характеризуются высоким содержанием карбонатов - до 5%. Содержание органического вещества - 3-5%, валовых форм азота - 0,3%, фосфора - 0,1%. Реакция почвенной среды слабощелочная (pH 7-7,9). В почвенном поглощающем комплексе преобладает кальций (до 80%) и магний. Обеспеченность подвижным фосфором повышенная - 38 мг/кг, содержание нитратного азота - 25 мг/кг почвы.

Для определения влияния гербицидов на численность почвенных микроорганизмов в 2009 г. были заложены 3 полевых деляночных опыта со следующими препаратами: Дезормон-эфир, КЭ (этилгексиловыйэфир

2.4-дихлорфеноксиуксусной кислоты); 2 - Барс-супер, КЭ (феноксапроп-п-этил); 3 - Итарр, КЭ (клодинафоп-пропаргил); Виллан-супер, КЭ (фенокса-проп-п-этил); Авестар, КЭ (феноксапроп-п-этил), которые вносили с помощью ранцевого опрыскивателя в фазе кущения яровой пшеницы сорта Астана 2 (первая декада июня) в рекомендованных нормах расхода и увеличенных в

1.5-3 раза.

Пшеницу выращивали по нулевой обработке почвы. Площадь каждой делянки составила 48 м2, повторность 3-кратная. В качестве контроля служил участок без применения пестицидов.

В 2011 г. изучали действие гербицидов на почвенные микроорганизмы на стационарных опытах научного центра, где проводятся многолетние испытания препаратов. Сроки посева, норма высева и глубина заделки семян яровой пшеницы Астана 2 - рекомендованные для зоны южных карбонатных черноземов. В наших исследованиях испытывали следующие препараты: Пума-супер, КЭ (феноксапроп-п-этил + антидот мефенпир-диэтил); Топик, КЭ (клодинафоп-пропаргил); Фокстрот, ВЭ (фенклоразол-этил + антидот мефенпир-диэтил); Мерит, МД (пироксулам); Эстет, КЭ (2,4-Д эфир); Гранстар, СТС (трибенурон-метил); Дикамба, ВР (3,6-дихлор-2-метоксибензойная кислота); Дианат, ВР (дикамба); Аксиал, КЭ (пиноксаден + антидот клоквинтосет-мексил); 2,4-Д, ВР (2,4-дихлор-феноксиуксусная кислота). Гербициды вносили с помощью ранцевого опрыскивателя в рекомендованных нормах расхода в течение 2-х лет (отбор почвенных проб осуществляли во второй год исследований): Опрыскивание гербицидами проводили во время ранней фазы роста сорняков, при фазе посевов 2-4 листа. Площадь каждой делянки 215 м2, повторность 3-кратная.

Производственные опыты проводили в 2012 году в хозяйстве КХ «Викторовка» Зерендинского района Акмолинской области. В посевах пшеницы использовали следующие препараты: Раундап, ВР (глифосат), Эстер, КЭ

(2,4-дихлофеноксиуксусная кислота); Пантера, КЭ (хизалофор-п-тефурил); Гранстар, СТС (трибенурон-меп!л + ПАВ Тренд); Эстерон, КЭ (2,4-Д); Эверест, ВДГ (флукарбазон-флутразалон). Площадь производственных полей варьировала от 100 до 400 га. Внесение препаратов проводилось опрыскивателем ОП-2000.

Метеорологические условия проведения исследований характеризовались как: июнь 2009 г. — засушливый и теплый; июнь 2011 г. - засушливый и теплый; 2012 г. - умеренно увлажненный и теплый.

Отбор почвенных проб, а также микробиологические исследования осуществляли по общепринятым методикам (Звягинцев, 1991; Нетрусов, 2005). Численность соответствующих эколого-трофических групп почвенных микроорганизмов учитывали на средах — МПА (бактерии, потребляющие органический азот), КАА (бактерии, потребляющие минеральный азот), Чапека-Докса (грибы) и среде Гетчинсона (аэробные целлюлозоразрушающие микроорганизмы).

Опыты по изучению влияния различных норм гербицидов на рост колоний В. megaterium, В. mycoides проводили в лабораторных условиях на среде Чапека-Докса, в которую вводили препараты Топик, КЭ (клодинафоп-пропаргил), Клинч, КЭ (феноксапроп-п- этил), Виллан-супер, КЭ (фенокса-проп-п-этил), Стриг, ВР (2,4-Д) и Эльф, КЭ (клопиралид) с различными нормами расхода. Эти же гербициды вносили в питательную среду М9 для выявления способности роста Т. lignorum и F. oxysporum на субстрат-ядах.

Для изучения деструктивной активности F. oxysporum в питательную среду М9 с мицелием гриба вводили действующие вещества гербицидов — клодина-фоп-пропаргил, 2,4-Д, клопиралид, феноксапроп-п-этил и затем в течение 14 дней снимали ее спектры поглощения на спектрофотометре Сагу 50 (Varían).

Глава 1. Результаты исследований

1.1. Микрофлора почвы при краткосрочном влиянии гербицидов группы 2,4-Д, феноксапроп-п-этила и клодинафоп-пропаргила

Исследования показали, что в течение 7 дней после применения гербицид Дезормон-эфир, КЭ (2,4-Д в виде 2-этилгексилового эфира) в наибольшей степени снижал численность бактерий, усваивающих органические формы азота -в 2-4 раза по сравнению с контролем. Численность почвенных грибов, даже при применении удвоенной нормы расхода препарата, уменьшилась всего на 15% относительно контроля. Гербицид в рекомендованной и двойной норме расхода повышал количество целлюлозоразрушающих микроорганизмов в 2 раза.

В случае применения препарата Барс-супер, КЭ (феноксапроп-п-этил) наблюдали снижение в той или иной мере численности всех изучаемых групп почвенных микроорганизмов. В большей сгепени применение этого гербицида угнетало бактерии, усваивающие органические формы азота: так, гербицид в норме 0,8 л/га снизил их количество по сравнению с контролем в 5,8 раза, в норме 1,6 л/га - в 3 раза, в норме 2,4 л/га - в 14,3 раза.

Индифферентными к воздействию этого гербицида в рекомендованной норме расхода оказались почвенные грибы: наблюдали незначительное (на 7%) уве-

личение их численности по сравнению с контролем. Повышение дозировки препарата приводило к угнетению этой группы микроорганизмов, вплоть до полного ингибирования. Численность целлюлозоразрушающих микроорганизмов под воздействием гербицида снижалась на 15-43% в зависимости от примененной нормы расхода препарата. Таким образом, препарат группы феноксапроп-п-этила в рекомендованной норме расхода способствовал снижению численности бактерий и целлюлозоразрушающих микроорганизмов, а в повышенной - еще и грибов.

В следующем опыте мы изучали кратковременное действие гербицидов групп клодинафоп-пропаргила и феноксапроп-п-этила (табл. 1). При использовании препарата Итарр, КЭ в рекомендованной норме расхода было отмечено повышение численности почвенных бактерий, усваивающих органические формы азота, в 5,8 раза в сравнении с контролем. Но при увеличении нормы применения гербицида количество бактерий резко снижалось - более чем в 4 раза. При использовании максимальной дозировки препарата Итарр, КЭ отмечено полное угнетение бактерий, усваивающих органические формы азота.

Таблица 1 - Влияние гербицидов Итарр, КЭ, Впллан-супер и Авестар, КЭ на численность почвенных микроорганизмов, участвующих в разложении органического вещества (червозем южный карбонатный), КОБ г'1 почвы

Варианты Бактерии, усваивающие азот, млн. Почвенные грибы, тыс. Целлюлозоразру- шающие микроорганизмы, тыс.

органический неорганический

Контроль, без гербицидов 0,34±0,01 2,73±0,13 0,63±0,03 156,4±7,82

Итарр, КЭ, 0,3 л/га 1,99±0,09 5,25±0,26 0,63±0,03 129,±6,46

Итарр, КЭ, 0,5 л/га 0,08±0,004 1,89±0,09 0,52±0,03 75,6±3,78

Итарр, КЭ, 0,75 л/га - 0,42±0,02 - 5,20±0,26

Виллан-супер, КЭ, 0,6 л/га 0,17±0,01 4,62±0,23 0,74±0,03 200,6±10,03

Виллан-супер, КЭ, 0,9 л/га - 8,61±0,43 0,84±0,04 181,6±9,08

Авестар, КЭ, 0,6 л/га 2,94±0,15 0,42±0,02 0,11±0,01 138,6±6,93

Авестар, КЭ, 1,2 л/га 3,78±0,18 0,71±0,03 1,26±0,06 -

Применение препарата Виллан-супер, КЭ, принадлежащего к группе фе-ноксапроп-п-этила, оказало явное негативное действие на бактерии, растущие на МПА: уже в рекомендованной норме расхода отмечено снижение их численности в 2 раза. Увеличение дозировки этого гербицида также приводило к полному угнетению бактерий, усваивающих органические формы азота. В отличие от бактерий, потребляющих органические формы азота, применение данного гербицида в норме 0,9 л/га увеличило численность бактерий, растущих на КАА, в 3,2 раза в сравнении с контролем.

Совершенно другую картину наблюдали при использовании гербицида Авестар, КЭ, также на основе того же действующего вещества. Здесь динамика роста бактерий, растущих на МПА, при увеличении нормы применения препарата была положительная. Препарат в рекомендованной, а также в удвоенной дозировке увеличивал численность бактерий, усваивающих органический азот, соответственно в 8 и 11 раз. Несмотря на то, что данные гербициды содержат одно и то же действующее вещество, в их составе разная концентрация антидо-

та: так, содержание фенхлоразол-этила у препарата Виллан-супер, КЭ составляет 100 г/л, в то время как у гербицида Авестар, КЭ данного вещества в два раза меньше. С учетом того, что нормы расхода препарата были примерно одинаковы, состав действующего вещества и его концентрация были идентичны, можно сделать вывод, что ингибирование бактерий, усваивающих органический азот, происходило за счет большой концентрации антидота (100 г/л). В то же время этот гербицид подавлял бактерии, растущие на КАА, в рекомендованной дозировке в 6,5 раза, в удвоенной - в 3,8 раза в сравнении с контролем.

Соотношение КАА/МПА практически на всех гербицидных вариантах было больше единицы, что свидетельствует о преобладании процессов минерализации в почве (Мишустин, Рунов, 1957; Кашинская, 1975). В контроле данное соотношение составило 8,0. В варианте с применением гербицида Итарр, КЭ в норме расхода 0,3 л/га наблюдали снижение коэффициента минерализации по сравнению с контролем в 3,0 раза, однако увеличение нормы расхода препарата до 0,5 л/га приводило к резкому увеличению соотношения КАА/МПА до 23,6.. Аналогичная ситуация сложилась при использовании гербицида Виллан-супер, КЭ: здесь коэффициент минерализации при норме расхода 0,6 л/га составил 27,2. В варианте с гербицидом Авестар, КЭ в нормах расхода препарата 0,6 и 1,2 л/га он был 0,14 и 0,19. Данное соотношение является нетипичным для южных карбонатных черноземов Северного Казахстана. Таким образом, полученные данные говорят о том, что в краткосрочном периоде гербициды Итарр, КЭ (0,5 л/га) и Виллан-супер, КЭ (0,6 л/га) стимулируют процесс нитрификации, а гербицид Авестар, КЭ - денитрификации в почве. Следует отметить, что интенсивная минерализация почвы, с точки зрения сохранения ее плодородия, является отрицательным фактором, поскольку в результате этих процессов происходит снижение запасов органического вещества в почве.

Полученные результаты еще раз подтверждают необходимость соблюдения рекомендованных норм расхода гербицидов, так как уже при кратковременном воздействии препаратов происходят изменения в микробоценозе почв Северного Казахстана, связанные, в частности, с процессами минерализации органического вещества почвы в сторону ее усиления. Проведенные исследования показали, что более сильное влияние в краткосрочном периоде гербициды оказывают на почвенные бактерии, меньше подвержены их воздействию целлюлозоразрущающие микроорганизмы и грибы.

1.2. Некоторые особенности воздействия на почвенную микрофлору применения гербицидов в длительных стационарных опытах

В опытах с многолетним использованием препаратов в рекомендованных нормах расхода наблюдали повышение численности почвенных микроорганизмов практически на всех вариантах (табл. 2). Численность бактерий, усваивающих органические формы азота, повышалась при применении гербицидов 2,4-Д и Дианат, ВР по сравнению с контролем на 50%. На вариантах с использованием Аксиала, КЭ и Дианата, ВР количество бактерий, потребляющих неорганический азот, возросло в 2 и 3 раза соответственно. На контрольном варианте соотношение численности бактерий, усваивающих неорганические и органиче-

ские формы азота, составило 1,2. Максимальное соотношение КАА/МПА было зафиксировано на вариантах с препаратами Дианат, ВР, Мерит, МД, Аксиал, КЭ (КАА/МПА = 2,4; 2,3 и 2,0 соответственно). На остальных гербицидных вариантах этот коэффициент варьировал от 1,0 (2,4-Д + Дикамба) до 1,6 (Пума-супер).

Таблица 2 - Влияние гербицидов на основные группы почвенных микроорганизмов в длительных стационарных опытах (чернозем южный карбонатный)

Варианты Бактерии, усваивающие азот, млн. КОЕ г"1 почвы Почвенные грибы, тыс. КОЕ г"1 почвы Целлюлозораз-рушающие микроорганизмы, тыс. КОЕ г"1 почвы

органический неорганический

Контроль, без гербицидов 2,6±0,13 3,0±0,15 5,6±0,28 45,0±2,25

Пума-супер, КЭ, 0,9 л/га 2,7±0,14 4,3±0,22 7,5±0,38 76,9±3,85

Фокстрот, КЭ, 0,45 л/га 3,5±0,18 4,5±0,23 10,5±0,53 97,6±4,88

2,4-Д, ВР, 1,0 л/га 4,0±0,20 5,1±0,26 13,9±0,70 116,7±5,84

Эстет,КЭ, 0,6 л/га + 2,4-Д, ВР, 1,0 л/га 3,6±0,18 4,2±0,21 7,3±0,37 121,3±6,07

2,4-Д, ВР, 1,0 л/га + Дикамба, ВР, 0,7 л/га 2,8±0,14 2,9±0,15 8,7±0,44 117,8±5,89

Дианат, ВР, 0,3 л/га 3,9±0,20 9,4±0,47 7,4±0,37 101,2±5,06

Гранстар СТС, 20 г/га + Тренд, ВР, 0,5 л/га 3,3±0,17 5,2±0,26 13,9±0,70 102,1±5,11

Аксиал, КЭ, 0,75 л/га 3,2±0Д6 6,4±0,32 10,7±0,54 102,2±5,11

Топик, КЭ, 0,4 л/га 2,7±0,14 3,9±0,20 7,6±0,38 42,9±2,15

Мерит, МД, 0,45 л/га 2,9±0,15 5,6±0,28 8,0±0,40 77,8±3,89

В среднем по опыту количество почвенных грибов при применении гербицидов возросло в 1,3 раза по сравнению с контролем. Среди них можно выделить вариант с баковой смесью Гранстар, СТС + ПАВ Тренд и препарат 2,4-Д, где их численность была максимальной и превысила контрольный уровень в 2,5 раза. Численность целлюлозоразрушающих микроорганизмов возросла практически на всех вариантах в 2,2 раза, лишь на варианте с Топиком, КЭ она была ниже контрольного уровня. Увеличение численности целлюлозолитиче-ских микроорганизмов, отмеченное в июле, на наш взгляд было обусловлено благоприятными температурными условиями, когда активно шел процесс гумификации почвы.

Среди препаратов, применение которых в длительных стационарных опытах приводило к повышению численности бактерий, усваивающих органические формы азота, следует выделить гербициды на основе 2,4-Д и дикамбы. Интересно отметить, что их применение в баковой смеси оказывало меньшее воздействие на эти микроорганизмы. Высокая численность микроорганизмов, усваивающих неорганические формы азота, была зафиксирована на вариантах с этими же препаратами.

Нами выделена следующая группа химических веществ, при воздействии которых численность почвенных грибов превышала контроль в два и более раз:

феноксапроп-п-этил, 2,4-Д, трибенурон-метил и пиноксаден. Среди препаратов, применение которых приводило к повышению численности целлюлозоразру-шающих микроорганизмов в 2 раза по сравнению с контролем, выделились: феноксапроп-п-этил, 2,4-Д и его баковая смесь его с дикамбой, трибенурон-метил и пиноксаден. Единственное вещество, которое приводило к снижению численности данной группы микроорганизмов, был клодинафоп-пропаргил. Следует отметить, что данное вещество, в отличие от других, незначительно стимулировало рост обеих групп бактерий и почвенных грибов. Такое воздействие гербицидов в длительном стационарном опыте было вызвано, на наш взгляд, тем, что микроорганизмы, вероятно, постепенно адаптировались к воздействию различных гербицидов.

1.3. Численность некоторых групп почвенных микроорганизмов при применении гербицидов в производственных посевах

Проведенный нами токсикологический анализ почв на содержание предельно-допустимых концентраций (ПДК) одного из самых распространенных гербицидов — глифосата — показал, что его остаточные количества в зависимости от варианта варьировали от 0,142 до 0,222 мг/кг и не превышали предельно-допустимых концентраций в почве. Тем не менее, было установлено, что при применении Раундапа, ВР количество бактерий, усваивающих органический азот, уменьшилось на 21%, тогда как численность бактерий, усваивающих минеральный азот, снизилась незначительно (табл. 4). Если же по фону применения Раундапа, ВР вегетирующую пшеницу обрабатывали гербицидом Эстерон, КЭ, количество бактерий, растущих на МПА, снизилось на 40%, а бактерий, растущих на КАА, — на 30%. Еще большее подавление бактерий, потребляющих органический и минеральный азот, а именно снижение численности в 2 раза, наблюдали в случае, когда по вегетации посевы опрыскивали еще и гербицидом Пантера, КЭ. Уменьшение численности данной группы микроорганизмов является отрицательным фактором, так как они способствуют переводу элементов питания в доступную для растений форму.

Соотношение бактерий, растущих на средах КАА и МПА, на контроле составило 3,8, а на варианте с применением Раундапа, ВР было в 1,2 раза больше, при дополнительном использовании Эстерона, КЭ — в 1,3, Эстерона, КЭ и Пантеры, КЭ — в 1,1 раза выше контрольного уровня. Судя по соотношению КАА/МПА, на всех вариантах преобладают процессы биологической минерализации азота. Таким образом, глифосатсодержащие гербициды снижают численность почвенных бактерий, а дополнительное применение гербицидов по вегетирующей пшенице приводит к еще большему снижению численности бактерий, вплоть до 50% от контрольного уровня.

Другую картину наблюдали при учете количества почвенных грибов. Применение Раундапа, ВР в рекомендованной норме привело к росту их численность в почти в 4 раза. При увеличении пестицидной нагрузки она возросла в 2,5 и в 1,5 раза по сравнению с контролем. В нашем опыте применение глифосата без дополнительного использования гербицидов обусловило максимальное увеличение численности почвенных грибов по отношению к контролю.

Таблица 4 - Влияние применения гербицидов в посевах пшеницы на численность почвенных микроорганизмов, КХ «Внктороика», Акмолинская обл., Зереидинский р-он

Варианты Бактерии, ассимилирующие азот, млн. КОЕ г1 почвы Грибы, тыс. КОЕ г"1 почвы Целлюлозоразрушающие микроорганизмы, тыс. КОЕ г"1 почвы

органический неорганический

Контроль, без гербицидов 3,4±0,17 12,9±0,64 7,0±0,35 78,0±3,90

Раундап, ВР (3,0 л/га) перед посевом 2,7±0,14 11,3±0,56 27,8±1,39 71,5±3,57

Раундап, ВР (3,0 л/га) перед посевом, Эстерон, КЭ (0,8 л/га) по вегетации 1,9±0,09 9,5±0,47 17,9±0,39 69,8±3,90

Раундап, ВР (3,0 л/га) перед посевом, Эстерон, КЭ (0,8 л/га) + Пантера, КЭ (1,0 л/га) по вегетации 1,6±0,08 6,2±0,31 10,9±0,54 59,8±2,99

Целлюлозоразрушающие микроорганизмы оказались менее чувствительными к воздействию гербицидов, чем бактерии, усваивающие азот. Тем не менее, наблюдали незначительное снижение их численности как в варианте с применением Раундапа, ВР, так и при дополнительном использовании других гербицидов в виде баковых смесей. В производственном опыте наибольшее уменьшение численности этой группы микроорганизмов на 23% в сравнении с контролем было зафиксировано на варианте с использованием трех препаратов (Раундап, ВР, Эстерон, КЭ, Пантера КЭ).

Во втором опыте при использовании четырех препаратов - Раундапа, ВР, Гранстара, СТС, Эстера, КЭ и Эвереста, ВДГ было отмечено повышение численности бактерий, усваивающих органический азот, на 25%, а на варианте с тремя препаратами (Раундап, ВР, Эстер, КЭ, Гранстар, СТС) - на 12% в сравнении с контролем. В отличие от бактерий, потребляющих органический азот, применение этих гербицидов снизило численность бактерий, растущих на КАА. В первом случае он был на 23,3%, а на втором - на 10% относительно контроля. Наибольшее соотношение КАА/МПА нами было отмечено на варианте без гербицидов, оно составило 3,1. При применении четырех и трех препаратов наблюдали его снижение до 2,1 и 2,5 соответственно.

Гербициды оказывали определенное влияние на почвенные грибы. В случае внесения четырех препаратов их численность возросла на 4% относительно контроля, трех - превышение составило 37%. Аналогичную картину наблюдали и при изучении целлюлозоразрушающих микроорганизмов: если в первом случае контрольный уровень был превышен на 6%, то на втором — на 68%.

Таким образом, нарушение в соотношении бактерий, усваивающих минеральный и органический азот, при использовании гербицидов в производственных опытах приводило к увеличению коэффициента минерализации, что в

дальнейшей перспективе может обусловить снижение запасов органического вещества в почве. Одновременно здесь же фиксировалось уменьшение общей численности бактерий, что, на наш взгляд, может привести к снижению видового разнообразия этой группы микроорганизмов. Нами обнаружено негативное влияние этих гербицидов на целлюлозоразрушающие микроорганизмы, которые играют важную роль в разложении растительных остатков. С учетом снижения численности почвенных бактерий, и в особенности целлюлозоразру-шающих микроорганизмов, среди которых есть большая группа естественных антагонистов фитопатогенной микрофлоры, увеличение численности почвенных грибов на этом фоне могло произойти также за счет видов, которые оказывают воздействие на фитосанитарное состояние посевов, в первую очередь Fusarium spp., Alternaria spp., Bipolaris spp.

1.4. Влияние гербицидов на радиальный рост колоний В. megaterium

В связи с широкой распространенностью В. megaterium и В. mycoides в почвах Северного Казахстана (Науанова, Чуркина 2007), мы решили оценить их чувствительность к гербицидам, что при углублении исследований даст возможность использовать их в качестве тест-объектов для биоиндикации загрязнения почв пестицидами.

Учет диаметра колоний В. megaterium при внесении в питательную среду препарата Топик, КЭ с нормой расхода 0,16 л/га позволил установить, что препарат подавляет рост этой бактерии, так как показатель на 8-е сутки культивации был на 43,1% меньше, чем на контроле. При увеличении нормы расхода до 0,48 л/га диаметр колоний незначительно возрастал, но и в этом случае он был меньше контроля на 32,9%. А при максимальной норме расхода (0,8 л/га) показатель был ниже, чем в контроле практически в два раза. Таким образом, применение гербицида Топик, КЭ с нормами расхода 0,16-0,80 л/га ингибировало рост колоний в пределах 32-45%. Как следует из полученных экспериментальных данных, бактерия высокочувствительна к действующему веществу клоди-нафоп-пропаргил, хотя при указанных дозировках гербицида рост ее колоний не ингибируется полностью.

При изучении влияния гербицида Стриг, ВР в нормах расхода 0,4-2,0 л/га, было установлено, что на 3-й сутки культивирования диаметр колоний на среде с минимальной дозировкой был на 66,6% меньше, чем на контроле, а на 8-е сутки показатель хотя немного увеличился, но был в два раза меньше контрольного уровня (рис. 1). При норме расхода 1,2 л/га рост колоний снизился на 3-й и 8-е сутки относительно контроля на 46,1 и 51,2% соответственно. При максимальной норме расхода гербицида в оба учета был зафиксирован наименьший диаметр колоний - всего 31,1% от контрольного уровня. Таким образом, воздействие 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты, входящей в состав гербицида, на рост колоний было весьма сильным и, таким образом, В. megaterium достаточно чувствительна к этому химическому соединению.

В отличие от двух предыдущих гербицидов, при использовании препарата Клинч, КЭ эффект подавления роста колоний был выражен значительно слабее. При минимальной норме расхода гербицида (0,34 л/га) на 3-й и 8-е сутки куль-

тивирования их диаметр снизился на 11 и 42% соответственно. Увеличение нормы расхода гербицида до 0,97 л/га не привело к существенному различию по показателю радиального роста колоний в сравнении с предыдущим вариантом. Только при максимальной норме расхода гербицида (1,70 л/га) было установлено снижение диаметра колоний на 46,1% и то только в первые 3-е суток культивирования. На 8-е сутки наблюдали дальнейший рост колоний, но все же он был на 25% меньше контрольного уровня.

.........^Н .....-jj-v —.....^В - »3 сутки

..........HB _______сутки

1,2 0,4 К

Нормы расхода препарата, л/га

Рисунок 1 - Диаметр колоний Bacillus megaterium в зависимости от норм расхода гербицида Стриг, ВР, 3-й и 8-е сутки культивирования (рекомендованная норма расхода препарата 0,80-1,20 л/га)

1.5. Влияние гербицидов на радиальный рост колоний Bacillus mycoides При изучении влияния гербицида Топик, КЭ на В. mycoides было установлено, что в минимальной норме расхода (0,16 л/га) препарат незначительно снизил диаметр колоний на 8-е сутки культивирования: коэффициент торможения составил всего 6,8%. Увеличение нормы расхода гербицида до 0,48 л/га снизило показатель на 46,4 %, а дальнейшее увеличение нормы расхода до 0,8 л/га уменьшило его в 2 раза. Отклик изучаемой бактерии на применение данного препарата был существенным.

Введение в питательную среду гербицида Стриг, ВР (1,6 л/га) в первые 3-е суток культивирования не привело к снижению скорости роста колоний, и только на 8-е сутки было зафиксировано снижение диаметра колоний В. mycoides на 19,4% относительно контроля. Однако уже при норме расхода препарата 1,8 л/га в первые трое суток показатель уменьшился на 78% в сравнении с контролем. На восьмые сутки на этом варианте радиальный рост колоний был практически в два раза меньше чем на контроле. По-видимому, предыдущая норма расхода гербицида была пороговой для бактерии, поскольку на вариантах с большими нормами расхода препарата рост диаметра колоний существенно снизился. Увеличение нормы расхода препарата до 2,0 л/га уменьшило скорость роста колоний на 8-е сутки культивирования в 2 раза.

Гербицид Клинч, КЭ в минимальной норме расхода (0,34 л/га) на 3-й сутки культивирования снизил диаметр колоний на 29% в сравнении с контролем, а на 8-е сутки показатель был ниже контрольного на 17%. Увеличение нормы расхода гербицида в 3 раза в сравнении с минимальной (до 0,97 л/га) ингиби-

ровало рост бактериальной колонии на 45,7 и 42,5% соответственно. Максимально ингибирующий эффект гербицида на 3-й сутки наблюдали при введении в питательную среду препарата с нормой расхода 1,70 л/га: показатель снизился на 48,6% в сравнении с контрольным. На 8-е сутки за счет роста диаметра колоний на гербицидном варианте разница с контролем составила 43,1%.

Как показали проведенные лабораторные эксперименты, степень влияния изучаемых гербицидов на представителей рода Bacillus зависела от нормы расхода и действующего вещества препарата. Например, наиболее подверженной воздействию клодинафоп-пропаргила оказалась В. megaterium, так как уже при минимальной норме расхода препарата было зафиксировано снижение радиального роста колонии. В то же время 2,4- дихлорфеноксиуксусная кислота и феноксапроп-п-этил больше ингибировали В. myeoides. Таким образом, почвенные бактерии В. megaterium и В. myeoides достаточно чувствительны к различным гербицидам, и при дальнейших исследованиях могут служить в качестве тест-объектов для биоиндикации загрязнений почв пестицидами.

1.6. Влияние гербицидов на радиальный рост колоний Т. lignorum

Как показали наши исследования, проведенные в полевых условиях, цел-люлозоразрушающие микроорганизмы устойчивы к воздействию многих видов гербицидов при различных нормах расхода препаратов. Как известно, среди них триходермальные грибы занимают особое положение, так как они комплексно воздействуют на микробоценоз почвы, с одной стороны являясь естественным антагонистами почвенной фитопатогенной микрофлоры, а с другой -участвуя в разложении растительных остатков в почве (Бекешев, 2009).

Исследования показали, что Т. lignorum толерантен к воздействию гербицидов в малых и средних нормах расхода. При использовании в максимальной норме полное ингибирование роста колоний гриба наблюдали только на варианте с Топиком, КЭ (0,80 л/га), частичное - с Вилланом-супер (1,20 л/га) на 8-е сутки и с Эльфом, КЭ (0,40 л/га) - на 3-й сутки культивирования. Введение препарата Стриг, ВР в нормах расхода 0,4, 1,2 и 2 л/га не вызвало существенных изменений в росте колоний по отношению к контролю (рис. 2). Так, на 8-е сутки культивирования снижение диаметра колоний варьировало от 2 до 10%, что является незначительным показателем их угнетения._

2 1,2 0,4 К

Норма расхода препарата, л/га

Рисунок 2 - Диаметр колоний ТпсИойегта Гщпогит в зависимости от норм расхода гербицида Стриг, ВР на 3-й и 8-е сутки культивирования (рекомендованная норма расхода препарата 0,80-1,20 л/га)

Поскольку Т. Ы^огит играет существенную роль в микробоценозе почв Северного Казахстана (Бекешев, 2009), необходимо делать корректировку при использовании гербицидов, поскольку завышенные нормы расхода препаратов могут ингибировать рост триходермы и, как показали наши полевые опыты, вызывать уменьшение численности целлюлозоразрушающих микроорганизмов, в результате чего может происходить замещение этой группы микроорганизмов на другие, в частности, фитопатогенные виды.

1.7. Влияние гербицидов на радиальный рост колоний К охуьрогит

Лабораторные исследования показали, что применение гербицида Топик, КЭ в различных нормах расхода вызывает изменение скорости роста колоний гриба по сравнению с контролем. Так, при использовании гербицида в минимальной норме расхода (0,16 л/га) на 3-й сутки культивирования диаметр колоний был на уровне контроля. На 8-е сутки культивирования он был на 18% больше, чем на контрольном варианте. Увеличение нормы расхода препарата ингибировало рост колоний в первые 3-е суток, а на 8-е сутки показатель снизился уже в 2,3 раза по сравнению с контролем. При максимальной норме расхода гербицида зафиксировать рост колоний не удалось в оба учета.

Гербицид Стриг, КЭ меньше ингибировал рост колоний по сравнению с предыдущим препаратом. Так, при минимальной изучаемой норме расхода гербицида (0,4 л/га) диаметр колоний снизился в сравнении с контролем на 14,4% на 3-й и на 7,4% - на 8-е сутки. Введение в питательную среду гербицида с нормой расхода 1,2 л/га стимулировало рост колоний в первые 3-е суток культивирования на 17% в сравнении с контролем, однако на 8-е сутки было отмечено незначительное ингибирующее влияние препарата (на 10,5%). При максимальной норме расхода гербицида наблюдали наибольшую степень ингибирования роста колоний. Причем на 8-е сутки диаметр колоний на треть отставал от контрольного варианта.

В состав препарата Виллан-супер входит то же действующее вещество, что и в гербицид Клинч, КЭ - феноксапроп-п-этил, и, значит, здесь следовало бы ожидать аналогичную тенденцию. Однако при применении этого препарата снижение скорости роста колоний на 8-е сутки было меньше, чем у препарата Клинч, КЭ(рис.З).______________

40

20

£

X

■ I а I'

1,2 0,72 0,24 К

Норма расхода препарата, л/га

■ 3 сутки • 8 сутки

Рисунок 3 - Диаметр колоний Fusarium oxysporum в зависимости от норм расхода гербицида Виллан-супер, КЭ на 3-й и 8-е сутки культивирования (рекомендованная норма расхода препарата 0,60- 0,9 л/га)

Это может быть связано с наличием фенхлоразол-этила в большей концентрации (50 г/л), который мог служить либо в виде дополнительного ростового вещества, либо частично нейтрализовать токсичное действие гербицида.

Применение препарата Эльф, КЭ стимулировало рост колоний на 8-е сутки культивирования во всех изучаемых вариантах. Если в первые 3-е суток диаметр колоний не отличался от контроля, то на 8-е сутки было отмечено увеличение показателя на 22,7% с максимумом при применении средней нормы расхода (0,24 л/га). *

Лабораторные эксперименты показали, что полное ингибирующее воздействие на рост колоний F. oxysporum оказывает клодинафоп-пропаргил только в высокой концентрации, тогда как в минимальной он стимулирует его. Аналогичная картина была при применении и других действующих веществ (фенок-сапроп-п-этил, клопиралид, 2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота). Следует отметить, что использование этих химических веществ в максимальных концентрациях не вызывало существенного снижения скорости роста колоний и, тем более, полного ингибирования.

1.8. Оценка деструктивной активности Fusarium oxysporum

Как показали проведенные лабораторные эксперименты, F. oxysporum способен к росту при внесении в питательную среду некоторых гербицидов. Для изучения его возможной деструктивной активности изучали изменения спектров в жидкой питательное среде М9 с различными препаратами.

В качестве контроля использовали молекулярный спектр питательной среды М9 с препаратами, снятый в первые сутки, и по отношению к нему судили об изменениях, происходящих в ней под воздействием гриба. В среде, содержащей клодинафоп-пропаргил, в 1-е сутки было зафиксировано поглощение УФ - лучей в области 190-200 нм. Уже на 3-й сутки культивирования среды с грибом F. oxysporum наблюдали небольшой сдвиг в длинноволновую область, изменение формы пика и увеличение коэффициента абсорбции. На 9-е и 14-ые сутки данная тенденция сохранялась, и нами был зафиксирован сдвиг в УФ -области и изменение коэффициента абсорбции.

Изменения, происходящие в спектрах поглощения жидкой питательной среды с 2,4-дихлорфеноксиусусной кислотой значительно отличались от предыдущего варианта. В 1-е сутки максимум пика поглощения был в диапазоне 270-290 нм. На 3-й сутки культивирования с F. oxysporum пик сместился в область с максимумом 200 нм, на 9-ые сутки наблюдали два пика с максимумом в области 200 и 210 нм. Судя по смещению спектра поглощения в коротковолновую область, на третьи и последующие сутки происходит разложение вещества по двойной связи.

Диапазон спектра поглощения среды с феноксапроп-п-этилом в первые сутки находился в пределах 230-300 нм с пиком поглощения 290 нм. На 3-й сутки культивирования с F. oxysporum наблюдали резкий переход спектра поглощения в коротковолновую область с двумя максимумами 250 и 210 нм. На 9-е и 14-е сутки спектральная характеристика была примерно одинаковой. Было отмечено сглаживание формы пиков со смещением в область 190-200 нм. В дан-

ном случае переход в коротковолновую область происходит постепенно, и только на 14-й день спектр поглощения переходит к области 190-200 нм. Здесь можно предположить, что распад двойной связи химического вещества проходил в течение 14 дней, что, тем не менее, свидетельствует об активном взаимодействии препарата со штаммом гриба.

Спектральная характеристика среды с клопиралидом в 1-е сутки показала один максимум в области 190 нм. На 3-й день культивирования с F. oxysporum происходит смещение пика в длинноволновую область и увеличение абсорбции. На 9-е сутки зафиксировано продолжение изменения спектральной характеристики с более выраженными максимумами пиков. На 14-й день снятия спектра поглощения происходил небольшой сдвиг в длинноволновую область, что свидетельствует о появлении двойной связи в минеральной среде в результате взаимодействие штамма с клопиралидом.

Следует отметить, что наименьшие изменения в ультрафиолетовой области и отсутствие достаточно хорошо выраженных пиков были зафиксированы в среде с клодинафоп-пропаргилом, что свидетельствует о стойкости данного препарата к воздействию гриба. Аналогичные результаты мы получили на среде Чапека-Докса с пестицидом Топик, КЭ. Введение в питательную среду препарата с нормами расхода 0,48-0,80 л/га значительно ингибировало скорость роста колоний. Таким образом, скорость разложения гербицидов изучаемым штаммом гриба F. oxysporum может значительно различаться в зависимости от химического состава их действующих веществ. В отличие от данного вещества, при введении других препаратов наблюдали четко выраженные максимумы поглощения в области 240-300 и 200-220 нм (2,4-Д, феноксапроп-п-этил, кло-пиралид). Полученные данные по деструкции препаратов грибом F. oxysporum согласуются с данными лабораторных экспериментов при изучении радиального роста колоний на субстрат-ядах (с гербицидами). Как мы уже отмечали выше, спектры поглощения являются косвенным методом оценки разложения химического вещества, этот метод не позволяет проводить количественный анализ, тем не менее ряд эмпирических зависимостей между длиной волны в максимуме поглощения и структурой позволили нам проследить наличие или отсутствие двойной связи (С=С) в питательной среде М9. Таким образом, можно сделать заключение, что под воздействием F. oxysporum происходит трансформация химических веществ, о чем свидетельствуют изменения в спектрах поглощения питательной среды.

Заключение

В результате проведения полевых опытов было установлено, что в микробном сообществе чернозема южного карбонатного Северного Казахстана в условиях дефицита влаги при однократном применении гербицидов на основе 2,4-Д и феноксапроп-п-этила в рекомендованной норме расхода численность почвенных бактерий снижается в 2-4 раза, при этом численность целлюлозо-разрушающих микроорганизмов и грибов - не более чем на 16%. На фоне длительного применения гербицидов препараты на основе 2,4-Д, феноксапроп-п-этила, клодинафоп-пропаргила, трибенурона, пиноксадена, дикамбы увеличи-

вают численность почвенных грибов в 1,5-2,0 раза, аэробных целлюлозораз-рушающих микроорганизмов - в 1,6-2,0 раза. В производственных условиях применение глифосата приводит к увеличению численности почвенных грибов в 4 раза, дополнительное внесение гербицидов по вегетирующей пшенице повышает их количество в 1,5-2,5 раза. При этом численность бактерий, усваивающих органические формы азота, повышается в 1,2-2,1 раза, бактерий, усваивающих минеральные форма азота, □ в 2 раза. Негативные последствия применения гербицидов проявляются в повышении коэффициента минерализации почвы в 2,0-3,0 раза.

Проведенные лабораторные исследования показали, что В. megaterium и В. mycoides высокочувствительны к гербицидам на основе клодинафоп-пропаргила, 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты, феноксапроп-п-этила. Это дает основание для разработки методов использования их в качестве тест-объектов для оценки состояния почвы при применении гербицидов. Целлюло-зоразуршающий гриб Trichoderma lignorum устойчив к воздействию гербицидов на основе феноксапроп-п-этила, клодинафоп-пропаргила, клопиралида и 2,4-Д. Препарат Топик, КЭ (клодинафоп-пропаргил) оказывает ингибирующее воздействие на рост грибной колонии. Гриб Fusarium oxysporum способен к росту на средах с действующими веществами гербицидов и к деструкции клопиралида, феноксапроп-п-этила, 2,4-дихлорфеноксиуксусной кислоты и частично клодинафоп-пропаргила.

Предложения производству

Для снижения опасности загрязнения почвы гербицидами, которое влечет за собой изменение ее биологической активности, следует строго соблюдать технологические регламенты их применения. Проводить подбор и нормы расхода гербицидов целесообразно с учетом их влияния на почвенные микроорганизмы, особое внимание следует уделять вновь регистрируемым препаратам.

В качестве организма-деструктора гербицидов на основе клодинафоп-пропаргила, 2,4-дихлорфеноксиуксной кислоты, клопиралида можно использовать Fusarium oxysporum.

Публикации по материалам диссертации В изданиях, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ

1. Кунанбаев К.К. Влияние гербицида Топик на Fusarium oxysporum / K.K. Ку-нанбаев,Н.Г. Власенко//Сибирский вестник с.-х. науки.-2012.-№ 2.-С. 12-17.

2. Кунанбаев К.К. Влияние гербицидов на некоторые микроорганизмы южного карбонатного чернозема / К.К. Кунанбаев, Н.Г. Власенко // Вестник НГАУ. -2013.-№ 1(26).-С. 32-36.

Публикации в других изданиях

3. Кунанбаев К.К. Мониторинг южных карбонатных черноземов Северного Казахстана / К.К. Кунанбаев, Н.Б. Котвицкая, Г.К. Ахметова // Вестник Казах-

ского национального университета им. аль-Фараби. Сер. биол. - Алмата, 2008. -№1 (36). -С. 104-105.

4. Кунанбаев К.К. Влияние гербицида «Топию> на рост и развитие штамма бактерий Bacillus megaterium / K.K. Кунанбаев, А.П. Науанова // Актуальные аспекты современной микробиологии: Матер. V Междунар. молодежной кон-фер.-М., 2009.-С. 118-119.

5. Кунанбаев К.К. Влияние пестицидов на биохимические показатели почвенных микроорганизмов / К.К. Кунанбаев, А.П. Науанова, P.C. Айдаркулова, Г.Н. Ишмуханбетова // 3 Международный конгресс студентов и молодых ученых «Мир науки», посвященный 75-летию Казахского национального университета им. аль-Фараби. - Алмата, 2009. — С. 112-113.

6. Кунанбаев К.К. Почвенная микрофлора Северного Казахстана на фоне применения гербицидов / К.К. Кунанбаев, А.П. Науанова, А.К. Тулегенов, P.C. Айдаркулова, Г.Н. Ишмуханбетова // 3 Международный конгресс студентов и молодых ученых «Мир науки», посвященный 75-летию Казахского национального университета им. аль-Фараби. - Алмата, 2009. - С. 109-111.

7. Кунанбаев К.К. Современные препаративные формы пестицидов, используемые при производстве зерна / К.К. Кунанбаев, А.П. Науанова, А.К. Тулегенов // Инновационные подходы в производстве, переработке и хранении продукции сельского хозяйства: тез. докл. Междунар. науч.-практ. конф. - Астана, 2009.-С. 111-114.

8. Кунанбаев К.К. Оценка деструктивной активности Bipolaris sp. 41 к гербициду Стриг / К.К. Кунанбаев // Труды 4-ой Междунар. науч. конф. молодых ученых, по-свящ. 40-летию СО Россельхозакадемии. — Краснообск, 2010. — С. 109-112.

Подписано в печать 28.04.2014 г. Формат 60 х 84 '/[6. Объем 1 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 30.

Отпечатано в ГНУ СибНСХБ Россельхозакадемии 630501, Новосибирская обл., пос. Краснообск

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Кунанбаев, Кайрат Кайырбекович, Новосибирск

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК ГОСУДАРСТВЕННОЕ НАУЧНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ СИБИРСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ЗЕМЛЕДЕЛИЯ И ХИМИЗАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА

04201460090

КУНАНБАЕВ Кайрат Кайырбекович

На правах

САПРОФИТНЫЕ МИКРООРГАНИЗМЫ ЧЕРНОЗЕМА ЮЖНОГО КАРБОНАТНОГО ПОД ВЛИЯНИЕМ ГЕРБИЦИДОВ В ЗАСУШЛИВЫХ УСЛОВИЯХ СЕВЕРНОГО КАЗАХСТАНА

03.02.08 - экология (биологические науки)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: д-р биол. н., профессор, член-корреспондент Россельхозакадемии Н.Г. Власенко

Новосибирск - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 4

Глава 1 Влияние пестицидов на микробоценоз почвы 9

1.1 Действие пестицидов на почвенные микроорганизмы 10

1.2 Детоксикация пестицидов в почве с помощью микроорганизмов- 19 деструкторов

Глава 2 Объекты, методика и условия проведения экспериментов 26

2.1 Характеристика почвенной микрофлоры черноземов южных кар- 26 бонатных Северного Казахстана

2.2 Краткая характеристика гербицидов, используемых в опытах 31

2.3 Методика полевых и лабораторных исследований 33

2.3.1 Определение влияния применения гербицидов в полевых 34 условиях на почвенные микроорганизмы

2.3.2 Поиск тест-объектов из представителей рода Bacillus 40 для оценки влияния гербицидов на почву

2.3.3 Модельные опыты по поиску микроорганизмов-деструкторов 41

2.3.4 Лабораторные опыты по изучению деструктивной 43 активности штамма Fusarium oxysporum

Глава 3 Особенности формирования микрофлоры чернозема южного 45 карбонатного под воздействием гербицидов

3.1 Микрофлора почвы при краткосрочном влиянии гербицидов груп- 45 пы 2,4-Д, феноксапроп-п-этила и клодинафоп-пропаргила

3.2 Некоторые особенности воздействия гербицидов на почвенную 53 микрофлору в длительных стационарных опытах

3.3 Численность некоторых групп почвенных микроорганизмов при 56 применении гербицидов производственных посевах

3.4 Бактерии рода Bacillus как возможные тест-объекты для оценки 66 состояния почвы при воздействии гербицидов

3.4.1 Влияние гербицидов на рост колоний Bacillus megaterium 67

3.4.2 Влияние гербицидов на рост колоний Bacillus mycoides 71

3.5 Поиск штаммов почвенных грибов - деструкторов гербицидов 74

3.5.1 Влияние гербицидов на рост колоний Trichoderma lignorum 74

3.5.2 Влияние гербицидов на рост колоний Fusarium oxysporum 79

3.5.3 Оценка деструктивной активности Fusarium oxysporum 85 Заключение 91 Предложения производству 93 Библиографический список 94 Приложения 110

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. В настоящее время в Казахстане, как и во всем мире, широкое распространение получают технологии сберегающего земледелия на основе минимизации обработок почвы. (Каскарбаев, 2005). Интенсивное и постоянное применения удобрений и пестицидов приводит к возрастанию нагрузки на почву и ее обитателей. Почвенные микроорганизмы являются одним из основных факторов, влияющих на разложение ксенобиотиков в экосистеме, а также естественными биоиндикаторами, отражающими изменения в почве, что связано с их огромным значением в почвообразовательных процессах и высокой чувствительностью к воздействию всякого рода загрязнений (Круглов, 1991; Глазовская, 1992).

Увеличение пестицидной нагрузки в современных технологиях возделывания сельскохозяйственных культур приводит к необходимости изучения способности почвенных микроорганизмов реагировать на большой ассортимент агрохимикатов, среди которых доминируют гербициды. Изменения* в микробоценозе почвы и мониторинг за динамикой основных групп почвенных микроорганизмов отражают состояние экосистемы почвы и приобретают большое значение в связи с возрастанием роли химизации в сельском хозяйстве (Назарько, 2008). По данным многочисленных исследований, интенсивное применение ксенобиотиков приводит к изменению в структуре микро-боценоза с преобладанием микроорганизмов, не характерных для данной экосистемы, обладающих высокой токсичностью, как для других видов микроорганизмов, так и для сельскохозяйственных растений, что в свою очередь снижает устойчивость агроценозов (Мирчинк и др., 1984; Круглов, 1991; Ру-кавицина, 2006). Немаловажную роль в жизни почвенных микроорганизмов играют природно-климатические условия (Микрофлора почв, 1966). Северный Казахстан входит в зону рискованного земледелия, где одним из ведущих лимитирующих экологических факторов для сельскохозяйственных рас-

тений является дефицит почвенной влаги. Как известно, это снижает микробиологическую активность почвы, тем самым увеличивая токсическое действие пестицидов, в результате чего нагрузка на почвенные микроорганизмы при разложении химических веществ многократно усиливается.

В связи с этим становится актуальным вопрос определения допустимой пестицидной нагрузки на почвенные микроорганизмы, выявления индикаторных микроорганизмов, а также микробов, активно участвующих в разложении гербицидов в засушливых условиях на черноземных почвах Северного Казахстана.

Цель исследований: изучить воздействие гербицидов на основные группы почвенных микроорганизмов чернозема южного карбонатного Северного Казахстана и выявить представителей почвенной микрофлоры для использования их в качестве тест-объектов и возможных деструкторов для широко применяемых и новых регистрационных препаратов.

Задачи исследований:

- дать оценку влияния гербицидов на основе клодинафоп-пропаргила, 2,4- Д, феноксапроп-п-этила, глифосата, трибенурон-метила, флукарбазон-флутразалона, хизалофор-п-тефурила, пиноксадена, 3,6-дихлор-2-метоксибензойной кислоты, пироксулама на численность почвенных бактерий, грибов и целлюлозоразрушающих микроорганизмов чернозема южного карбонатного;

- определить чувствительность Bacillus megaterium и Bacillus mycoides, широко распространенных в почвах региона, к действующим веществам современных гербицидов;

- оценить способность Trichoderma lignorum и Fusarium oxysporum к росту на питательной среде, содержащей гербициды, а также деструктивную активность F. oxysporum по отношению к их различным действующим веществам.

Научная новизна работы. Выявлено, что в условиях Северного Казахстана внесение гербицидов приводит к изменению в микробоценозе южного карбонатного чернозема - снижению численности бактерий и увеличению численности грибов и целлюлозоразрушающих микроорганизмов. Впервые установлено, что применение гербицидов увеличивает коэффициент минерализации почвы за счет изменения численности бактерий, усваивающих органический и минеральный азот, в 2-3 раза. Показана высокая чувствительность бактерий Bacillus mycoides и Bacillus megaterium, в лабораторных условиях к низким концентрациям действующих веществ гербицидов (кло-динафоп-пропаргил, феноксапроп-п-этил, 2,4-Д и клопиралид). Определено, что целлюлозоразлагающий гриб Trichoderma lignorum толерантен к ряду гербицидов. Доказана способность к росту на питательной среде М9 с гербицидами и к деструкции их действующих веществ фитопатогенного гриба Fusarium oxysporum. Установлено, что почвенные грибы и целлюлозоразру-шающие микроорганизмы устойчивы к воздействию гербицидов различных химических групп, значительно меньшей устойчивостью обладают бактерии, ассимилирующие органические и неорганические формы азота.

Основные положения, выносимые на защиту:

■ однократное применение современных гербицидов на черноземах южных карбонатных Северного Казахстана в условиях дефицита влаги в большей степени снижает численность почвенных бактерий, ассимилирующих органические и неорганические формы азота, практически не изменяет численность целлюлозрушающих микроорганизмов и грибов; а многократное - увеличивает численность последних в 1,5-2,0 раза; в производственных условиях при комплексном использовании препаратов различного спектра действия фиксируется рост численности почвенных микромицетов в 1,5-3,9 раза;

■ бактерии рода Bacillus (В. megaterium, В. mycoides) высокочувствительны к гербицидам различных химических групп, что дает основу для

разработки методов использования их в качестве тест-объектов для контроля загрязнения почв пестицидами;

■ почвенные грибы Trichoderma lignorum и Fusarium oxysporum способны к росту на питательных средах, содержащих клодинафоп-пропаргил, феноксапроп-п-этил, 2,4-дихлорфеноксиуксусную кислоту и кло-пиралид.

Практическая значимость работы. Показано, что в засушливых условиях Северного Казахстана применение гербицидов в рекомендованных нормах расхода, при низких и следовых содержаниях их остаточных количеств в почве, приводит к изменениям в микробоценозе почвы, что обусловливает необходимость подбора препаратов с учетом их влияния на почвенные микроорганизмы. Поскольку Fusarium oxysporum обладает способностью потреблять гербициды, целесообразно использовать его штаммы на землях несельскохозяйственного назначения для разложения пестицидов, а на землях сельскохозяйственного назначения, где интенсивно применяются гербициды, необходимо проводить за ними постоянный мониторинг.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на Международной научной конференции «Биотехнология, нанотехно-логия и физико-химическая биология», посвященной 70-летию образования кафедры биотехнологии, биохимии и физиологии растений Казахского Национального Университета им. Аль-Фараби (КазНУ им. Аль-Фараби) (г. Алматы, 2008 г.), 3 Международном конгрессе студентов и молодых ученых «Мир науки», посвященном 75-летию КазНУ им. аль-Фараби (г. Алматы, 2008 г.), V Международной молодежной конференции «Актуальные аспекты современной микробиологии» (г. Москва, 2009 г.), Международной научно-практической конференции «Инновационные подходы в производстве, переработке и хранении продукции сельского хозяйства» (г. Астана, 2009 г.), 4 Международной научной конференции молодых ученых, посвященной 40-летию СО Россельхозакадемии «Новейшие направления развития агарной

науки в работах молодых ученых» (п. Краснообск, 2010 г.), Международной научно-практической конференции молодых ученых Россельхозакадемии «Актуальные вопросы научного обеспечения АПК в работах молодых ученых (г. Омск, 2010 г.).

Работа выполнена в рамках следующих государственных программ и грантов: 02.01.01. «Разработка и обоснование системы сертификации пашни, агротехнологий для получения экологически чистого зерна» - 2009-2011 гг. по программе МСХ РК № гос. регистрации 0109.РК. 0957.

Грант Комитета науки МОН РК «Совершенствование экологических критериев оценки почв, загрязненных химическими веществами, для регулирования агроэкологического мониторинга продовольственной безопасности зерна» УДК 631.46:631.82:632.95 № госрегистрации 0112.РК.02635.

Работа выполнена на базе ТОО «Научно-производственный центр зернового хозяйства им. А.И. Бараева» под руководством члена-корреспондента Россельхозакадемии, профессора, доктора биологических наук, заслуженного деятеля науки РФ Наталии Григорьевны Власенко, которой автор выражает свою глубокую благодарность. Автор признателен за помощь и поддержку профессору Науановой Айнаш Пахуашевне и сотрудникам отдела удобрений и микробиологии ТОО «НПЦ ЗХ им. А.И. Бараева».

Глава 1 ВЛИЯНИЕ ПЕСТИЦИДОВ НА МИКРОБОЦЕНОЗ ПОЧВЫ

Северный Казахстан - один из крупнейших производителей зерна. В настоящее время в связи с интенсификацией зернового хозяйства и переходом на No-till технологию возделывания сельскохозяйственных культур используется большой ассортимент химических препаратов. Возрастающие объемы применения пестицидов приводят к увеличению антропогенной нагрузки на агроэкосистемы. Так, в 2009 году количество крестьянских хозяйств в Северном Казахстане, применяющих пестициды, достигло 119, при этом использовалось 21 действующее вещество, что в абсолютном объеме составило 151 тонну пестицидов (Нажметдинова, 2007). Как известно, при обработке сельскохозяйственных растений и почвы пестициды могут вместе со сточными водами попадать в водоемы хозяйственно-бытового и рыбно-хозяйственного назначения. В связи с этим существует большая вероятность их попадания в организм человека или животных не только через почву, но и через питьевую воду. Кроме того, в данных водоемах происходит постоянная кумуляция пестицидов флорой и фауной. Таким образом, они могут поступать «по пищевой цепочке» в организм человека и оказывать отрицательное воздействие на его здоровье. Проведенные Т. Рашитовой (2009) выборочные исследования по препаратам в 2008-2009 гг. показали в Акмолинской области превышение предельно допустимых концентраций (ПДК) по следующим препаратам: Гексахлорану, Глифосату, Фастаку, Пума-супер, Клирмиксу, ДДТ, Децису и 2,4-Д.

Почва является главным объектом загрязнения окружающей среды, которое происходит независимо от группы пестицида и целей и вида обработки. Появление в ней остаточных количеств пестицидов может явиться причиной их кумуляции в растениях. Главную пестицидную нагрузку в почве берут на себя микроорганизмы, которые, благодаря своему ферментативному аппарату и видовому разнообразию, способны частично или полностью утилизировать химические средства защиты растений.

По данным N.B. Shamich, N. Jonson (1973), пестициды, вносимые в почву, могут изменять качественный и количественный состав почвенной микрофлоры. Неоднократное их применение приводит к сдвигу микробного баланса и даже исчезновению некоторых видов микроорганизмов. Различная чувствительность отдельных видов и штаммов определяет изменения в родовой структуре ассоциации почвенной микробиоты (Гогуадзе, 1983; Ли-берштейн, 1984; Круглов, 1991). По мнению O.A. Берестецкого и др. (1984), выпадение нескольких видов микроорганизмов приводит к преобладанию одного или двух видов, которые надолго остаются доминантами. Например, при выпадении нитрификаторов или азотфиксаторов прекращается фиксация азота и образование нитратов, что отражается на азотном питании растений, происходит нарушение биологического круговорота азота.

От активности и направленности биологических процессов, протекающих в почве, зависят скорость трансформации различных соединений, разложение растительных остатков, накопление элементов питания растений и, в конечном счете, плодородие почвы (Нурмухамбетов, 2008). На почвах, загрязненных пестицидами, наблюдается значительное снижение урожайности сельскохозяйственных растений, что требует дополнительного внесения минеральных удобрений (Бурхан, 2010).

Оценка роли микроорганизмов в сохранении и восстановлении плодородия почв, а также влияние антропогенного воздействия на них должно входить в состав мероприятий по охране окружающей среды (Баран, 2005)..

Таким образом, взаимодействие различных видов пестицидов с почвенными микроорганизмами в связи с изменениями технологии обработок почвы и использованием новых видов препаратов является актуальной экологической задачей в Северном Казахстане.

1.1Действие пестицидов на почвенные микроорганизмы

Исследования взаимодействия пестицидов с почвенной микрофлорой и их включение в процессы, определяющие биологическую активность почвы

(минерализация, эмиссия углекислоты, ферментативные процессы и другие физиологические реакции), имеют огромное значение и обусловлены ролью микроорганизмов в создании почвенного плодородия и оптимизации условий вегетации растений (Мерецкая, 2006; Кунанбаев, 2009).

По мнению К.Н. БотзсЬ е1 а1. (1983), проводивших исследования по оценке токсического эффекта пестицидов, выделяют два основных параметра, имеющих основное значение при взаимодействии пестицидов и почвенной микрофлоры - величину максимальной депрессии микроорганизмов и длительность действия препарата. Проведенные ими многочисленные опыты показали, что время действия пестицидов не превышает 30 суток. По их мнению, численность микроорганизмов и активность биохимических процессов через месяц после обработки почвы приходят в норму. Таким образом, если в течение 30 суток допускается снижение численности популяции микроорганизмов на один-два порядка, то через 3-4 месяца критическим становится 60%-й уровень ингибирующего эффекта. Соответственно возрастает экологическая значимость этого показателя. Данная схема представляет интересную теоретическую базу для агроэкологической оценки действия химических препаратов и приобретает особое значение при многолетнем систематическом их применении.

Так как пестициды могут влиять на микроорганизмы как прямо, так и опосредованно, то, по мнению Ю.В. Круглова (1975), воздействие препаратов на них можно определить по изменению динамики численности клеток в присутствии различных доз пестицидов. Наиболее отчетливо оно проявляется сразу после внесения пестицидов в почву (Круглов, 1991). Косвенное действие химических средств защиты растений на микрофлору связано с изменением источников питания или условий среды для каждой конкретной таксономической или физиологической группы (Круглов, 1976).

Как известно, п�