Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Эколого-биогеохимическая оценка влияния микробиологических препаратов, содержащих Bacillus subtilis, на систему почва-растение

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Эколого-биогеохимическая оценка влияния микробиологических препаратов, содержащих Bacillus subtilis, на систему почва-растение"

На правах рукописи

Кондратьева Татьяна Дмитриевна

ЭКОЛОГО-БИОГЕОХИМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРЕПАРАТОВ, СОДЕРЖАЩИХ BACILLUS SUBTILIS, НА СИСТЕМУ ПОЧВА-РАСТЕНИЕ

Специальность 03.02.08 — экология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 8 MAP 2015

005560620

Москва 2015

005560620

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Государственный университет по землеустройству»

Научный руководитель: доктор биологических наук, доцент Замана Светлана Павловна

Официальные оппоненты:

Полянская Любовь Максимовна, доктор биологических наук, профессор, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, ведущий научный сотрудник кафедры биологии почв факультета почвоведения;

Мерзлая Генриэта Егоровна, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт агрохимии им. Д.Н. Прянишникова», зав. лабораторией органических удобрений

Ведущая организация: ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт селекции н семеноводства овощных культур»

Защита диссертации состоится 7 апреля 2015 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 220.056.01 при ФГОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет» по адресу: 143900, Московская область, г. Балашиха, ул. Ю. Фучика, д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет» по адресу http//www.rgazu.ru.

Автореферат разослан «_» февраля 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук

О. Л. Сойнова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Почвенные микроорганизмы являются обязательным компонентом экосистем, они обеспечивают их постоянное функционирование, участвуя в круговороте химических элементов благодаря выделению в окружающую среду разнообразных ферментов. Чтобы создать оптимальные почвенные условия для жизни растений, необходимо изучить, в первую очередь, реакцию растений на определенные воздействия на почву, т.е. изучить функционирование системы почва - растение.

Несмотря на большое значение данной проблемы и значительное количество литературных источников, в которых подробно описываются состав и свойства почвенных микроорганизмов, эколого-биогеохимические аспекты воздействия их на систему почва - растение в России до настоящего времени изучены слабо. В то же время задача регулирования доступности питательных элементов из почвы в растения с помощью биопрепаратов и бактериальных удобрений в практике мирового земледелия успешно решается.

Применение микробиологических препаратов в сельском хозяйстве (Завалин, 2005,2011; Завалин и др., 2004; Жиглецова и др., 2010; Иванов, 2011; Федоровский, 2011) открывает широкие перспективы увеличения биологаческой продуктивности сельскохозяйственных культур и улучшения их качественного состава. Многие зарубежные ученые (Handelsman, 1996; Backman, Wilson, Murphy, 1997; Brannen, Kenney, 1997; Chen, Wu,1999; Whipps, 2001) отмечают, что применение непатогенных почвенных бактерий, особенно из рода Bacillus (Asaka, Shoda, 1996), живущих на корнях растений, способствует не только повышению урожайности, но и получению растительной продукции с необходимым уровнем содержания жизненно-важных для животных и человека микроэлементов. Основные | преимущества использования биопрепаратов заключаются в экологизации | сельского хозяйства. Поэтому разработка надежных приемов получения экологически безопасной сельскохозяйственной продукции с высокой пищевой ценностью с помощью микробиологических препаратов является актуальной задачей современной экологии.

Цель и задачи исследований

Целью исследований являлась эколого-биогеохимическая оценка влияния микробиологических препаратов, содержащих бактерии Bacillus subtilis, на систему почва-растение при выращивании различных сельскохозяйственных культур.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Оценить в лабораторных условиях действие биопрепарата «Агроактив» на всхожесть и рост растений томатов и пшеницы.

2. Изучить влияние биопрепарата «Агроактив» на развитие и химический элементный состав бахчевых культур и кукурузы при выращивании на черноземе типичном малогумусном и сильно деградированном в условиях выпадения кислотных дождей.

3. По ферментативной активности почвы определить экологическое состояние почвенно-биотического комплекса в условиях выпадения кислотных дождей.

4. Определить на примере земляники аккумуляцию химических элементов в вегетативных органах растений при внесении биопрепарата «Агроактив» на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве.

5. Оценить технологию приготовления биокомпоста с помощью бактериального препарата М-213.

Научная новизна

Впервые в условиях выпадения кислотных дождей на сильно деградированном типичном малогумусном черноземе прослежено влияние препаратов, содержащих бактерии Bacillus subtilis, на увеличение аккумуляции эссенциальных и уменьшение накопления токсичных химических элементов плодами бахчевых культур и зерном кукурузы.

Впервые при применении микробиологических препаратов изучен широкий спектр химических элементов в составе различных сельскохозяйственных культур с учетом их биологической роли в живых организмах. Основные положения, выносимые на защиту:

1. Микробиологический препарат «Агроактив», содержащий спорообразующие бактерии Bacillus subtilis, обеспечивает значительное увеличение роста корней различных сельскохозяйственных культур.

2. Биопрепарат «Агроактив» способствует увеличению содержания подвижных форм жизненно-важных и снижению кислоторастворимых форм токсичных химических элементов в почве, а также повышению аккумуляции эссенциальных и снижению накопления токсичных химических элементов в плодах бахчевых культур и в зерне кукурузы.

3. В вегетативных органах растений (листьях земляники) при внесении биопрепарата аккумуляция одних эссенциальных химических элементов увеличивается, а других — уменьшается, накопление токсичных элементов снижается.

4. Биопрепарат «Агроактив» оптимизирует состояние почвенно-биотического комплекса чернозема типичного малогумусного и сильно деградированного в условиях выпадения кислотных дождей, повышая активность каталазы, дегидрогеназы и инвертазы.

5. Применение биопрепарата М-213 позволяет быстро и с минимальными затратами получать биокомпост высокого качества.

Практическая значимость

Результаты проведенных исследований могут являться основой для разработки элементов экологически безопасных систем биоорганического земледелия. Наряду с этим полученные данные могут использоваться для разработки эффективной и низко затратной технологии биокомпостирования навоза крупного рогатого скота с помощью бельгийского бактериального препарата М-213 в условиях сельскохозяйственного производства России.

Апробация работы. Основные результаты исследований по теме диссертации доложены на Международной конференции «Биодиагностика в экологической оценке почв и сопредельных сред» (Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова, 4-6 февраля 2013 г.), на заочной конференции «Research Journal of International Studies XXI» (12 декабря 2013 г.), на Международной научно-практической интернет-конференции «Направления развития современных систем земледелия», посвященной 110-летгао со дня рождения профессора С.Д. Лысогорова (11 декабря 2013 г., г. Херсон, ГВУЗ «Херсонский государственный аграрный университет»).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 9 научных работ, в том числе 3 в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ, а также получено 2 патента.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, практических предложений. Работа изложена на 141 странице, содержит 26 таблиц и 32 рисунка. Список использованной литературы включает 214 источников, в том числе 65 иностранных авторов.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В основу диссертационной работы положены результаты лабораторных,

полевых и производственных опытов, проведенных в 2007-2013 годах на

j территории хозяйства «Степанки» Черкасского района Черкасской области, в

| компании «Рузское молоко» и в хозяйстве Горки-9 Московской области.

I Объектами исследований являлись микробиологические препараты

5

«Агроактив» и М-213, в состав которых входят спорообразующие бактерии Bacillus subtilis, полученные из почвы. Новый биопрепарат «Агроактив» применяется при выращивании сельскохозяйственных культур, а бактериальный препарат М-213 предназначен для биокомпостирования навоза. Действие биопрепарата «Агроактив» изучали на следующих культурах: томаты, пшеница, кукуруза, тыква, дыня, земляника. Препарат М-213 испытывали с целью получения биокомпоста из навоза крупного рогатого скота в компании «Рузское молоко».

Хозяйство «Степанки» было выбрано нами для проведения исследований в условиях выпадения кислотных дождей, поскольку данное хозяйство расположено рядом с г. Черкассы, где находится завод «Азот». Опыты по применению биопрепарата «Агроактив» при выращивании тыквы, дыни и кукурузы проводили на участках (чернозем типичный малогумусный и сильно деградированный), расположенных на расстоянии около 5 км от завода «Азот». Выбросы завода, содержащие оксиды азота, которые вступают в реакцию с водой атмосферы и превращаются в растворы азотистой и азотной кислот, способствуют выпадению кислотных дождей (pH менее 5,0) на поверхность почвы. В результате такого йодкисления из верхних горизонтов почвы выносятся многие питательные вещества, а также погибают микроорганизмы. Поступая в почву, кислые осадки увеличивают подвижность и вымывание химических элементов, снижают количество и активность почвенных микроорганизмов. По результатам агрохимического анализа данный чернозем имел слабокислую реакцию среды (pH 5,4), низкое содержание гумуса (3,2%) и обменного калия (47 мг/кг), среднее содержание подвижного фосфора (90 мг/кг).

Вегетационный период 2012 года, когда проводился опыт, в Черкасской области отличался аномально сухой и жаркой погодой; воздух в последние дни апреля прогревался до рекордных +30°С и выше, максимальные дневные температуры в июне-августе иногда достигали +39...+40°С в тени. Поэтому полученные в такой год результаты характеризуют воздействие биопрепаратов на развитие растений, находящихся в условиях стресса, а, как известно, бактерии Bacillus subtilis, поселяясь на корнях растений, усиливают устойчивость растений в условиях стресса, вызванного засухой.

При планировании эксперимента с различными культурами исходили из общепринятых методических положений (Доспехов, 1985). Минимальная площадь делянки определялась числом растений, при котором индивидуальные различия между ними не оказывают существенного влияния на точность эксперимента. В

полевых опытах с каждой из бахчевых культур, земляникой и кукурузой предусматривалось по два варианта: 1) контроль, 2) «Агроактив». Биопрепарат вносили в почву при посеве культур, а затем 3 раза в течение вегетации (из расчета 100 мл водного раствора, содержащего 1 г препарата, на 1 растение, предварительно настаивая 20 часов). Для того чтобы не нарушался принцип единственного различия, в контрольном варианте при посеве и 3 раза в течение вегетации растения поливали водой (100 мл воды на 1 растение) в те дни, когда вносили биопрепарат в опытном варианте. В конце вегетации растений перед уборкой урожая отбирали образцы почвы для проведения химического анализа и определения ферментативной активности, а также плоды бахчевых культур, зерно кукурузы и листья земляники для определения в высушенных образцах широкого спектра химических элементов.

Определение химических элементов в почве проводили следующими методами: подвижный фосфор и обменный калий - по ГОСТ 26205-91, обменный кальций и обменный магний - по ГОСТ 26487-85, подвижные формы микроэлементов меди, цинка, железа, марганца и кобальта - в ацетатно-аммонийном буфере с рН 4,8 (Методические указания..., 1985) кислоторастворимые формы тяжелых металлов - в 1М HCI вьггяжке (Методические указания..., 1992).

Химический элементный состав растений определяли с помощью атомно-эмиссионной спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (АЭС-ИСП) на приборе Optima 2000 DV (Perkin Elmer, США) и с помощью масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой (МС-ИСП) на приборе Elan 9000 (Perkin Elmer, США). Содержание железа, калия, фосфора, кремния в растениях определяли с помощью АЭС-ИСП, содержание алюминия, мышьяка, бора, кальция, кадмия, кобальта, хрома, меди, йода, лития, магния, марганца, натрия, никеля, селена, олова, стронция, ванадия, цинка, свинца, ртути - с помощью МС-ИСП.

Ферментативную активность почвы оценивали следующими методами: каталазу - газометрическим методом (Хазиев, 1976); инвертазу - по методу Бертрана (Методы почвенной микробиологии..., 1980); дегидрогеназу - методом восстановления индикаторов с низким редокспотенциалом (Умаров, 1976). Показатели качества и питательности зерна кукурузы - содержание сырой клетчатки, сырого протеина, сырого жира, сырой золы определяли методом инфракрасной спектрометрии на анализаторе ENFRAPID- 61; содержание обменной энергии и кормовых единиц в 1 кг корма - расчетным методом; натуры зерна - по

ГОСТ 10840-64, массы 1000 зерен - по ГОСТ 10842-89. Статистическую обработку полученных данных осуществляли стандартными методами.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

1. Изучение биопрепарата «Агроактив» в лабораторных условиях

Лабораторный опыт с томатами и пшеницей проводили согласно рекомендациям о порядке прохождения испытаний регуляторов роста растений (Временное положение..., 1994). Исследовали влияние биопрепарата «Агроактив» на рост и развитие культур пшеницы и томатов и определяли оптимальные нормы его расхода. Как показали результаты исследований, при норме расхода биопрепарата 8,0 кг на т семян рост корней 5-дневных проростков пшеницы составлял 115,3 %, а стеблей — 112,0 % от контроля (табл. 1).

Таблица 1. Влияние биопрепарата на всхожесть и рост пшеницы

Вариант Норма расхода препарата, кг/ т семян Всхожесть семян на 5-й день, % Рост 5-дневных проростков, %

корень стебель

Контроль б/о 81,7 100 100

Гумат натрия 12,0 84,5 108,5 107,0

Агроактив 4,0 85,2 109,2 107,5

Агроактив 8,0 89,7 115,3 112,0

Агроактив 10,0 86,2 113,0 109,7

НСР05 2,0 3,01 4,10

Предпосевная обработка семян томатов биопрепаратом также благоприятно сказалась на росте и развитии данной культуры. Препарат создавал вокруг семян рыхлую, воздухопроницаемую питательную среду, которая, вступая в контакт с корнями растений, улучшает их питание и способствует интенсивному развитию. Корни и стебли проростков томатов опытного варианта опережали в росте растения как контрольного, так и эталонного вариантов (табл. 2).

Таблица 2. Влияние биопрепарата на всхожесть и рост томатов

Вариант Норма расхода препарата, кг/т семян Всхожесть семян на 5-й день, % Рост проростков на 14-й день, %

корень стебель

Контроль б/о 60,5 100 100

Гумат натрия 2,0 65,2 120,7 113,6

Агроактив 2,0 72,7 137,4 119,5

НСР05 3,0 4,49 0,64

2. Аккумуляция химических элементов в плодах тыквы и дыни

Опыт с бахчевыми культурами проводили на черноземе типичном малогумусном и сильно деградированном в экологически неблагоприятных условиях при выпадении кислотных дождей и аномально высоких температурах в

период вегетации.

В высушенных плодах тыквы и дыни определяли содержание более 20 химических элементов. Оценку результатов исследования проводили с учетом важности каждого химического элемента для живых организмов. Все живые : существа на 99% состоят из 12 основных элементов, присутствие которых в живой материи связано с их огромным содержанием в биосфере. Кроме того, во всех организмах находится небольшое количество микроэлементов, т.е. химических элементов, содержащихся в живых организмах в пределах 10"3-10"12%. Микроэлементы - это не случайные ингредиенты клеток живых организмов, а компоненты закономерно существующей сложной и очень древней физиологической системы, участвующей в регулировании жизненных функций организмов. Данное утверждение базируется на трех основополагающих принципах (Авцын и др., 1991): 1) избирательное поглощение определенных микроэлементов, 2) избирательная концентрация их в определенных организмах, органах, тканях и некоторых органеллах клетки, 3) селективная элиминация микроэлементов. Именно взаимодействие этих механизмов обеспечивает поддержание микроэлементного гомеостаза организмов. Классификация химических элементов по их биологической роли позволяет подразделять все элементы на 3 группы: 1) эссенциальные, 2) условно эссенциальные, 3) токсичные (Авцын и др., 1991). Группа эссенциальных (жизненно-важных) элементов включает в себя все макроэлементы, часть микро- и ультрамикроэлементов. К эссенциальным макроэлементам относятся К, Са, Р, Ка, Mg и некоторые другие элементы (Ленинджер, 1985). Согласно классификации А.П. Авцына с соавт. (Авцын и др. 1991), к важнейшим эссенциальным микроэлементам относятся Ре, 2л, Мп, Си, Бе, Сг, I, Со, к условно эссенциальным - В, 1л, №, 85, V, а к токсичным -С^РЬ.Щ.

Проведенные нами исследования показали, что в плодах тыквы сорта Народная, выращенной с применением «Агроактив», содержание калия было в 1,4, кальция - в 2,1, натрия - в 1,3, магния - в 1,5 раза выше, чем в плодах контрольного варианта; содержание фосфора, наоборот, было в 1,5 раза выше в тыкве контрольного варианта; причем при внесении биопрепарата накопление в плодах тыквы калия составляло 142°/о, кальция - 215%, магния - 146%, натрия - 128%, а фосфора - 67% по отношению к контролю (рис. 1).

0% 50% 100% 150% 200% 250%

■ Агроактив «Контроль Рис. 1. Накопление макроэлементов в плодах тыквы, % к контролю Под воздействием вносимого биопрепарата в плодах тыквы увеличивалось также накопление жизненно-важных микроэлементов: меди и цинка - в 1,1, железа - в 1,2, йода - в 1,4, бора - в 1,5, ванадия - в 1,7, селена - в 1,9, лития - в 2 раза. По отношению к контролю аккумуляция йода составляла 144%, селена - 185%, цинка - 112%, меди - 111%, марганца - 102% (рис. 2).

1«5%

200%

144%

111% 112%

50% 100% 150%

■ Агроактив « Контроль

Рис. 2. Накопление важнейших эссенциальных микроэлементов в плодах тыквы, % к

контролю

Уровни содержания важнейших эссенциальных микроэлементов в плодах тыквы можно расположить в следующем порядке (мг/кг): 7п>Мп>Си> Эе >Со >1.

Особое внимание при оценке элементного состава продуктов питания должно быть уделено уровням содержания в них токсичных элементов. Согласно докладам ЮНЕП/ФАО/ВОЗ, свинец, кадмий, ртуть и мышьяк представляют наиболее реальную опасность и значительную угрозу здоровью человека. В настоящее время при увеличивающемся антропогенном загрязнении почв поиск приемов,

Ю

снижающих поступление токсичных элементов в растения, является актуальным. Ряд исследователей (Белимов, 2004, Мальцева, Шабаев, 2010) считает применение биопрепаратов одним из таких приемов. Тяжелые металлы могут откладываться в собственной клеточной оболочке бактерий, образуя хитин-глюкановые комплексы, поэтому токсичные элементы не усваиваются растениями, и, соответственно, понижается их содержание в готовой продукции. Накопление свинца - в 1,8, кадмия - в 2,3, ртути - в 2,8 раза в плодах тыквы в варианте с биопрепаратом было ниже, чем в контрольном варианте и составляло, соответственно, 56%, 43% и 35% к контролю (рис. 3); причем в тыкве обоих вариантов содержание данных элементов значительно меньше предельно допустимых концентраций (ПДК по свинцу 4,0 мг/кг, ПДК по кадмию 0,3 мг/кг, ПДК по ртути 0,1 мг/кг).

Рис. 3. Накопление токсичных элементов в плодах тыквы, % к контролю

Уровни содержания наиболее опасных токсичных элементов в тыкве располагаются в порядке (мг/кг): РЬ>Сс1>Аз>Щ. Урожайность плодов тыквы в варианте с «Агроактив» была на 76% выше, чем в контрольном варианте.

В опыте с дыней сорта Колхозница установлено, что в плодах дыни, выращенной с применением «Агроактив», содержание кальция и фосфора было в 1,8, натрия - в 1,3, магния - в 2 раза выше, чем плодах контрольного варианта (табл. 3). Уровни содержания макроэлементов располагаются в следующем порядке (мг/кг): К>Са>Р>М§. Увеличивалось в плодах дыни также содержание многих эссенйиальных микроэлементов: лития - в 1,3, цинка, хрома и бора - в 1,4, кобальта - в 1,6, меди - в 1,8, железа - в 2,3, йода - в 7,9 раза. По сравнению с естественными уровнями содержания микроэлементов в овощах (Щелкунов и др., 2000), нами обнаружено более высокое содержание в плодах дыни Ре, Ъг\, Ст, Си,

Бе, X Уровни содержания важнейших эссенциальных микроэлементов в плодах дани располагаются в ряд (мг/кг): Ре>2п>Мп>Си>8е>Сг>Со.

Таблица 3. Содержание химических элементов в плодах дьши

Элементы Среднее содержание в вариантах опыта, мг/кг

Контроль Агроактив

К 9803±608 9188 ±183

Са 1607±80 2879±118"'

Р 1126*70 2059±89"'

№ 483±24 631±26"

328±17 648±2б"'

Ре 25,9±23 59,5±3,0"'

2л 11,47±0,55 16,44±0,65""

Мп 2,37±0,12 5,84±0,30"*

Си 1,98±0,10 3,54±0,15"'

ве 0,24±0,01 0,25±0,0Г"

Сг 0,14±0,01 0,19±0,01*

} 0,П±0,01 0,87±0,04

Со 0,07±0,007 0,11±0,01"

В 8,47±0,40 11,57±0,48"

и 0,13±0,01 0,17±0,01"

№ 1,04±0,04 0,87±0,05'

Б; 12£±10 107±7

РЬ 1Д7±0,07 0,05±0,004"*

са 0,06±0,01 0,03±0,001'

Ав 0,03±0,003 0,02±0,002'

н8 0,005±0,0009 0,002±0,0008'

'= существенная разница при Р<0,05

= существенная разница при Р<0,01

= существенная разница при Р<0,001

Под воздействием бактерий аккумуляция РЬ, Сё, Ня, Аэ плодами дьши существенно уменьшилась, причем по отношению к контролю свинец составлял 4,0%, мышьяк - 67%, кадмий - 50%, ртуть - 40 %. В дыне обоих вариантов содержание токсичных элементов значительно меньше ПДК. Уровни содержания особо токсичных элементов в плодах дьши располагаются в следующий ряд (мг/кг): РЬ>Сс1>Аз>Щ. Урожайность плодов дьши в варианте с «Агроактив» была на 60% выше, чем в контрольном варианте. Таким образом, новый микробиологический препарат «Агроактив», позволяет улучшить макро- и микроэлементный состав выращиваемой продукции — плодов бахчевых культур, что связано с деятельностью бактерий, которые, помимо перевода трудно доступных форм некоторых эссенциальных элементов в доступные, могут, наоборот, способствовать снижению поступления в растения особо токсичных химических элементов - свинца, кадмия, ртути, что может быть связано, как

отмечают зарубежные ученые (Jones, Garrah, 1994; Jones et al., 1996), с образованием в прикорневой зоне комплексных соединений с тяжелыми металлами.

3. Оценка влияния «Агроактив» на систему почва-растение в опыте с кукурузой

Результаты определения в почве опыта с кукурузой сорта Днепровский 247 MB подвижного фосфора, обменных калия, кальция и магния, подвижных форм микроэлементов меди, цинка, железа, марганца, кобальта и кислоторастворимых форм токсичных элементов - свинца и кадмия представлены в табл. 4. Внесение «Агроактив» способствовало повышению содержания доступных растениям форм жизненно-важных макро- и микроэлементов. Так, содержание Ca, Mg, Си, Zn, Fe, Мп в почве увеличилось, в то же время содержание кислоторастворимых форм РЬ, Cd, Hg - снизилось.

Таблипа 4. Содержание химически» элементов в почве па посева» кукурузы

Элементы Среднее содержание в вариантах опыта, мг/кг

Контроль Агроактив

Р2О5 64,0±1,0 81,1±1,б'"

К20 52,0±1,0 62Д±1,Г"

Ca 1693±21 1843±14""

Мв 179,3±4,4 223,0±3,0*"

Си 0,05±0,001 0,11±0,001"'

Zn 5,38±0,17 7,34±0,18"*

Fe 2,22±0,08 2,85±0,10"

Mn 1б,1±0,3 19,3±0,2'"

Co 0,01±0,001 0,01±0,001

Cd 0,17±0,01 0,10±0,01"

Pb 9,20±0,26 6,68±0Д0'"

As 15,23±0,23 12,00±0,24"'

HB 0,60±0,03 0,31±0,03""

" = существенная разница при P<0,01 "" - существенная разница при PO,001

Увеличение содержания в почве доступных растениям жизненно-важных элементов при внесении биопрепарата способствовало увеличению аккумуляции эссенциальных макро- и микроэлементов в зерне кукурузы (табл. 5). Уровни содержания макроэлементов в зерне располагаются в ряд (мг/кг): Р>К>Са>М£.

Из эссенциальных микроэлементов в зерне кукурузы больше всего аккумулировалось железа и цинка, меньше всего - кобальта. Уровни содержания эссенциальных микроэлементов в зерне располагаются в ряд (мг/кг): Ее>2п>Си> Мп>Сг>Со. Уровни содержания свинца и кадмия в образцах зерна кукурузы обоих вариантов были значительно ниже предельно допустимых концентраций.

Таблица 5. Содержание химических элементов в зерне кукурузы

Элементы Среднее содержание в вариантах опыта, мг/кг

Контроль Агроактив

К 2638±18 2743±18"

Са 1245±21 1620±18"'

Р 2805±27 3083±31""

' Мй 643±17 813±1Г"

Бе 21,9±0,2 28,3±0,5""

гп 21,3±0,3 27,0±0,2""

Мп 1,7±0,04 2,4±0,04"'

Си 4,2±0,08 5,8±0,04""

Сг 0,32±0,01 0,45±0,01'"

Со 0,03±0,002 0,04±0,003"

РЬ 0,065±0,006 0,055±0,006

са 0,065±0,005 0,052±0,004

' = существенная разница при Р<0,05 " = существенная разница при Р<0,01 "" = существенная разница при Р<0,001

В опыте с кукурузой внесение «Агроактив» позволило получить существенную прибавку (на 22%) урожая зерна кукурузы. Данный эффект наблюдался как за счет возрастания числа зерен в початке и их удельной массы, так и за счет увеличения початков на одном растении.

Применение биопрепарата улучшило показатели питательной ценности зерна кукурузы: содержание сырой клетчатки увеличилось на 7,7%, сырого протеина - на 6,2%, сырого жира - на 6,5%, сырой золы - на 20%, переваримого протеина - на 5,1%, по сравнению с контролем (табл. 6).

Таблица 6. Показатели качества и питательности зерна кукурузы

Показатели Значение показателя в вариантах опыта Среднее значение

контроль агроактив (Справочник, 1986)

Влага, % 10,8±0 10,8±0

Сырая клетчатка, % 2,60±0,07 2,80±0,09 3,23

Сырой протеин, % 9,70±0,28 10,30±0,35 8,6

Сырой жир, % 4,60±0,14 4,90±0,16 3,33

Сырая зола, % 1,50±0,06 1,80±0,05 1,47

Обменная энергия, мДж/кг 12,30±0,47 13,20±0,44 11,3

Корм. едУкг 1,37±0,04 1,39±0,04 1,16

Переварнмый протеин, г/кг 78±3 82±3 65,6

Крахмал, % 80,0±0,9 67,8±0,94 70

Таким образом, внесение «Агроактив» при выращивании кукурузы на черноземе типичном малогумусном и сильно деградированном в условиях выпадения кислотных дождей способствовало получению более высокого урожая зерна кукурузы хорошего качества, как по показателям химического элементного состава, так и по показателям питательной ценности. Участвующие в

формировании биомассы химические элементы, в том числе микроэлементы, при внесении бактерий Bacillus subtilis становились более доступными растениям из почвы и в значительно больших количествах аккумулировались в зерне кукурузы.

4. Оценка экологического состояния почвенно-биотического комплекса по биологической активности почвы

В конце вегетации выше названных растений отбирали образцы почвы для определения биологической активности (табл. 7), которая является индикаторным показателем экологического состояния системы почва-растение, поскольку данная активность отражает реакцию всех групп микроорганизмов на все действующие факторы. Ферменты - это биологические катализаторы белковой природы, образуемые живыми организмами и характеризующиеся лабильностью и специфичностью действия.

Таблица 7. Влияние биопрепарата на биологическую активность почвы

Культура Варианты опыта Каталаза, Ог см3 /г /мин. Дегидрогеназа, мг ТФФ на 10 г за 24 ч Инвертаза, мг глюкозы на 1 г за 24 ч

Дыня Контроль 1,4 2,5 4,4

Агроактив 1,8 2,6 5,0

Тыква Контроль 1,1 2,4 3,5

Агроактив 1,9 3,0 4,0

Кукуруза Контроль 0,6 2,2 4,0

Агроактив 0,8 2,3 4,3

По шкале обогащенности почвы ферментами (Звягинцев, 1978) исследуемый чернозем можно отнести по показателям активности катал азы к очень бедным и бедным, по показателям активности дегидрогеназы - к бедным, по показателям активности инвертазы - к очень бедным. Бактериальный препарат «Агроактив» оптимизировал агроэкологическое состояние почвенно-биотического комплекса, нарушенного выпадением кислотных дождей, что привело к повышению показателей биологической активности почвы в опытных вариантах на 29-73% (по каталазе), на 4-25% (по дегидрогеназе), на 8-14% (по инвертазе) по сравнению с контрольными вариантами.

5. Оценка «Агроактив» в опыте с земляникой

Опыт с земляникой сорта Гигантелла проводили на дерново-подзолистой среднесуглинистой почве Московской области. Агрохимические показатели данной почвы были следующими: рНКа=5,8, содержание гумуса - 2,2%, подвижного фосфора - 215 мг/кг Р2О5, обменного калия - 75 мг/кг К20. В данном опыте нас интересовало накопление химических элементов в вегетативных органах

растений - в листьях.

При выращивании земляники было установлено, что кусты земляники из делянок, где применяли биопрепарат, значительно отличались от кустов из контрольного варианта; они имели более мощную корневую систему и значительно больше листьев. При внесении «Агроактив» в листьях уменьшилось накопление таких макроэлементов, как калий и кальций, и несколько увеличилось накопление фосфора и магния (рис. 4). Содержание одних важнейших эссенциальных микроэлементов (железо, цинк, марганец, кобальт) при применении биопрепарата -уменьшилось, а содержание других (медь, селен, хром) - увеличилось (табл. 8).

: .;"":*>; ■■■: V...... ............

*

■

I 1

0% 20% 40% 60% в0% 100% 120% ■ Агроактив я Контроль

Рис. 4. Накопление макроэлементов в листьях земляники, в % к контролю Таблица 8. Содержание эссенциальных микроэлементов в листьях земляники

Элемент Среднее содержание в вариантах опыта, мг/кг

контроль агроактив

Бе 89,04±7,41 63,02±4,65*

гп 18,81±0,83 17,6б±0,74

Мп 65,07±2,66 41,98±1,73"'

Си 2,80±0,12 2,99±0,12

8е 0,03±0,002 0,06±0,005"

Сг 0,16±0,01 0,17±0,01

1 0,03±0,002 0,03±0,003

Со 0,08±0,01 0,06±0,006

В 27,34±1,20 28,16±1,13

и 0,06±0,005 0,05±0,01

№ 0,66±0,03 0,64±0,03

101,0±6,0 72,5±4,9*

V 0,11±0,02 0,08±0,007

" = существенная разница при Р<0,05 = существенная разница при Р<0,01 = существенная разница при Р<0,001

В то же время накопление таких токсичных элементов, как свинец, кадмий, ртуть, в листьях земляники уменьшилось относительно контроля (рис. 5), причем оно было значительно ниже предельно допустимых концентраций.

Рис. 5. Накопление токсичных элементов в листьях земляники, % к контролю Уровни содержания особо токсичных химических элементов в листьях земляники располагаются следующим образом (мг/кг): Pb>As>Cd>Hg.

Таким образом, в вегетативных органах растений (в листьях земляники), в отличие от генеративных органов (плоды бахчевых культур и зерно кукурузы), при внесении биопрепарата «Агроактив» содержание одних жизненно-важных макро-и микроэлементов увеличивалось, а других - уменьшалось; содержание определяемых токсичных элементов и в вегетативных органах растений, и в генеративных, в основном, уменьшалось.

7. Биокомпостирование навоза с помощью препарата М-213 Эффективность функционирования системы почва - растение в значительной степени определяется уровнем плодородия почвы, поэтому очень важно восполнять выносимые с урожаем из почвы питательные элементы с помощью органических удобрений, которые можно получать с помощью биопрепаратов, содержащих бактерии Bacillus subtilis. Одним из них является ассоциативный препарат М-213, производимый компанией «Агростар». Эксперимент по производству биокомпоста с помощью биопрепарата М-213 проводился в закрытом помещении вермифермы компании «Рузское молоко». Навоз крупного рогатого скота укладывали в деревянные короба, имеющие размеры 1,5x1,5x1,2м. Общий объём использованного навоза на каждый образец составил 2,5 м3, что по массе соответствует около 1,9-2 т. В начале августа (07.08) 2010 года было заложено для

эксперимента три образца навоза: образец №1 - полуразложившийся навоз (6 месяцев) с применением М-213, образец №2 - свежий навоз (3 месяца) с применением М-213, образец №3 - контроль (навоз без применения бактерий, 6 месяцев). Доза внесения М-213 в образце №1 составляла 200 г /м3, в образце №2 -280 г/м3. Температуру навоза измеряли один раз в сутки термометром компании TEST с точностью до двух знаков. Стадию готовности биокомпоста определяли с помощью подсчёта микроорганизмов - кокков и палочек. Известно, что в начале хранения органических отходов примерно 60% приходится на долю кокков и около 40% - на долго палочек различных видов нитрифицирующих бактерий. В конце биокомпостирования количество кокков резко уменьшается (до 7%), а количество палочкообразных бактерий резко увеличивается. На 8-ю неделю активного ферментирования полуразложившегося навоза с биопрепаратом М-213 вносимый титр клеток сенной палочки не изменился, а аборигенная микрофлора стала достаточно активно развиваться. В контрольном образце навоза титр клеток был велик, но гомогенную массу бактериальных клеток составляли, в основном, кокки, что говорит о незавершенности процессов ферментации.

После компостирования температура субстрата падает даже после нескольких провокаций, таких как перекапывание и увлажнение. Результаты определения температуры трех образцов навоза в нашем эксперименте, а также температуры в помещении вермифермы показаны на рис. 6.

о

31.07.10 10.08.10 20.08.10 30.0S.10 09.09.10 19.09.10 29.09.10 09.10.10 19.10.10 ¿9.10.10 08.11.10

Рис. 6. Динамика изменения температуры навоза КРС в эксперименте В образце №1 наблюдалось два пика повышения температуры за период проведения опыта: 1-й пик (60,8°С) - 24.08.10, 2-й пик (53,7°С) - 27.09.10. В конце опыта (30.10.10) в данном образце температура была 13,4°С. После

18

компостирования отбирали образцы навоза для определения их химического состава (табл. 9). Общее содержание азота, фосфора, калия и подвижной серы в вермикомпосте было значительно ниже, чем в образцах №1- №3. Наибольшее содержание общего азота (2,28 %), общего фосфора (2,42 %), обменного магния (2,58 мг-экв/100 г) и обменного кальция (7,44 мг-экв/100 г) содержалось в биокомпосте, полученном из полуперепревшего навоза с добавлением биопрепарата М-213.

Таблица 9. Химический состав образцов навоза после биокомпостировапия

Показатель Единица измерений Образец №1 Образец №2 Образец №3 Верми-компост

Влага % 73,52 77,54 76,11 -

Сухое в-во % 26,48 22,46 23,69 -

РНКС] ед. рН 8,48 8,66 8,71 7,30

Органич. в-во % сух. в-ва 61,85 70,8 77,2 -

Зольность % сух. в-ва 38,15 29,2 22,8 -

Азот общий % сух. в-ва 2,28' 1,96 2,22 1,19

Азот аммонийный % сух. в-ва 0,003 0,009 0,039 -

Фосфор общ. (Р2О5) % сух. в-ва 2,42* 2,32 2,37 0,66

Калий общ. (К2О) % сух. в-ва 1,38 1,74 2,05 0,44

Углерод % сух. в-ва 35,96 41,16 44,88 -

15,77 21,0 20,2 -

Подвижный фосфор (Р2О5) мг/га* 14991 16149 17175 -

Обменный калий (КгО) мг/кг 3100 3340 3470 -

Обменный кальций мг-экв/100г 7,44" 5,08 5,12 -

Обменный магний мг-экв/100г 2,58" 2,19 1,83 -

Подвижная сера мг/кг 542,6 542,6 660,1 346,0

'= существенная разница при Р<0,05 "= существенная разница при Р<0,01

В случае производства биокомпоста с помощью червей происходит вынос питательных элементов, поскольку они необходимы для развития и размножения червей. При биокомпостировании с препаратом М-213 такой вынос элементов исключён, наоборот, происходит увеличение количества основных элементов питания за счёт деятельности микроорганизмов в органическом субстрате; нет энергозатрат на производство, т.к. происходит саморазогревание субстрата, благодаря деятельности бактерий с соответствующей стерилизацией навоза от всевозможных паразитов. Необходимыми условиями для производства биокомпоста с препаратом М-213 являются добавление бактериальной закваски и перемешивание один раз в семь дней навозной кучи с целью увеличения доступа кислорода в субстрат, что способствует быстрому преобразованию навозной кучи в качественный продукт - ценное органическое удобрение.

Таким образом, проведенные нами исследования показали, что применение биопрепарата М-213 является целесообразным в процессе биокомпостирования, поскольку позволяет быстро и надёжно произвести конечный продукт высокого качества - биокомпост с заданными характеристиками, а также интенсифицировать его производство и сократить издержки на поддержание температуры в помещении по сравнению с производством вермикомпоста.

ВЫВОДЫ

1. В системе почва-растение (тыква, дыня) применение биопрепарата способствовало повышению в почве содержания подвижных форм калия - в 1,11,2 , кальция и магния - в 1,1, марганца - в 1,2-1,3, меди - в 2, цинка - в 1,2-1,4, железа - в 1,3-1,4 раза; содержание кислоторастворимых форм тяжелых металлов уменьшилось: свинца - в 1,2-1,3, кадмия - в 1,3-1,4, ртути - в 1,9-2 раза.

2. В плодах тыквы из опытного варианта существенно увеличилось накопление калия и йода - в 1,4, магния и бора - в 1,5, ванадия - в 1,7, лития - в 2, кальция - в 2,1 раза, а в плодах дыни, соответственно, лития - в 1,3, хрома и бора - в 1,4, кобальта — в 1,6, кальция, фосфора и меди — в 1,8, магния — в 2, железа - в 2,3, марганца - в 2,5, йода - в 7,9 раза; и, наоборот, в плодах тыквы и дыни существенно снизилось содержание токсичных элементов — свинца, кадмия и ртути. Урожайность тыквы была на 76%, а дыни на 60% выше в варианте с биопрепаратом.

3. Применение биопрепарата повлияло на увеличение в зерне кукурузы содержания фосфора - в 1,1, магния, железа, цинка, кобальта - в 1,3, марганца, меди, хрома - в 1,4 раза, а также сырой клетчатки (на 7,7%), сырого протеина (на 6,2%), сырого жира (на 6,5%), сырой золы (на 20%), переваримого протеина (на 5,1%). При этом урожайность зерна кукурузы была на 22% выше.

4. Биопрепарат способствовал оптимизации экологического состояния почвенно-биотического комплекса, нарушенного выпадением кислотных дождей, что выражалось в повышении показателей биологической активности почвы. Активность каталазы в опытных вариантах возросла на 29-73%, активность дегидрогеназы - на 4-25%, активность инвертазы - на 8-14%.

5. Применение биопрепарата «Агроактив», содержащего бактерии Bacillus subtilis, достоверно обеспечивает увеличение всхожести и роста опытных растений томатов и пшеницы, а также создает воздухопроницаемую питательную среду, которая, вступая в контакт с корнями растений, улучшает их питание и способствует интенсивному развитию.

6. В вегетативных органах растений (листья земляники), в отличие от генеративных органов (плоды бахчевых культур и зерно кукурузы), при внесении биопрепарата «Агроактив» содержание одних жизненно-важных макро- и микроэлементов увеличивалось, а других - уменьшалось; содержание токсичных элементов как в вегетативных органах растений, так и в генеративных -уменьшалось.

7. Применение биопрепарата М-213, содержащего спорообразующие бактерии Bacillus subtilis, при биокомпостировании навоза крупного рогатого скота ускоряет получение биокомпоста с повышенным содержанием азота, фосфора, кальция и магния.

ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ

1. При выращивании зерновых, овощных, бахчевых, ягодных и других культур для активации почвенной микрофлоры и повышения уровня накопления растениями жизненно-важных химических элементов, а также для увеличения их урожайности рекомендуется применять новый биопрепарат «Агроактив» при посеве культур, а затем один раз в месяц в течение вегетации, исходя из расчета 1 г препарата на 1 растение, предварительно растворяя его в 100 мл воды и настаивая 20 часов.

2. С целью быстрого и эффективного получения биокомпоста высокого качества из навоза крупного рогатого скота в условиях сельскохозяйственного производства рекомендуется применять биопрепарат М-213.

Список публикаций по теме диссертации Патенты

1. Патент на полезную модель №43639 «Дозатор». Автор Кондратьева Т.Д. Заявка № 2004133214. Зарегистрирован в Госреестре полезных моделей Российской Федерации 27 января 2005 г.

2. Патент на изобретение №2264372 «Вермикомпостер для комплектной очистной установки». Авторы: Куликов Н.И., Куликова E.H., Кондратьева Т.Д., Судьин А .И. Заявка № 2003137877. Зарегистрирован в Госреестре изобретений Российской Федерации 20 ноября 2005 г.

Статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК

1. Замана С.П., Соколов A.B., Кондратьева Т.Д. О применении бактериального препарата в опыте с клеверотимофеечной травосмесью // Кормопроизводство. -2013.-№9.-С. 16-17.

2. Замана С.П., Кондратьева Т.Д. Влияние биопрепарата Агроактив на систему

21

«почва - растение» в опыте с кукурузой //Агрохимический вестник. - 2014. - № 1. -С. 18-20.

3. Замана С.П., Кондратьева Т.Д. К вопросу об эколого-биогеохимической оценке влияния биопрепарата Агроактив на качество продукции растениеводства //European Social Science Journal (Европейский журнал социальных наук). - 2014. -№3. - Т.2. - С. 535-539.

Публикацни в других журналах и изданиях

4. Кондратьева Т.Д., Замана С.П. Оценка экологического состояния почвенно-биотического комплекса по ферментативной активности почв // Материалы Международной конференции «Биодиагностика в экологической оценке почв и сопредельных сред». - М.: МГУ им. М.В. Ломоносова. - 2013. - С. 104.

5. Замана С.П., Кондратьева Т.Д. Влияние препарата Агроактив на систему почва-растение в экологически неблагоприятных условиях //Международный научно-исследовательский журнал. — Ч. 1.11. -2013. - С. 48-51.

6. Замана С.П., Кондратьева Т.Д. Эколого-биогеохимические аспекты применения биопрепарата Агроактив // Материалы Международной научно-практической интернет-конференции «Направления развития современных систем земледелия», посвященной 110-летию со дня рождения профессора С.Д. Лысогорова. - Херсон. - 2013. - С. 578-582.

7. Замана С.П., Кондратьева Т.Д., Соколов A.B. Влияние бактериального удобрения «Биостар» на систему «почва - растения» //Сборник научных трудов «Изменение состава и структуры ландшафтов в условиях техногенеза». - М.: ГУЗ. -2014.-С. 120-128.

8. Кондратьева Т.Д., Замана С.П., Мустаев Ф.А., Уцин Н.В. Изучение действия препарата Агроактив на развитие сельскохозяйственных культур в лабораторных условиях //Сборник научных трудов «Изменение состава и структуры ландшафтов в условиях техногенеза». - М.: ГУЗ. - 2014. - С. 129-132.

9. Кондратьева Т.Д., Замана С.П., Уцин Н.В. Интенсификация производства биогумуса с помощью бактериального препарата М-213 //Сборник научных трудов «Изменение состава и структуры ландшафтов в условиях техногенеза». - М.: ГУЗ. -2014.-С. 133-141.

Подписано в печать 16.02.2015 г. Формат 60x84 1/16. Печать офсетная. Объем 1,0 п.л. Заказ ^ 7. Тираж 100 экз.

Издательство ФГБОУ ВПО РГАЗУ 143900, Балашиха 8 Московской области