Эколого-микробиологическая индикация и биоремедиация почв естественных и нарушенных лесных экосистем Сибири

Гродницкая, Ирина Дмитриевна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Эколого-микробиологическая индикация и биоремедиация почв естественных и нарушенных лесных экосистем Сибири
ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Эколого-микробиологическая индикация и биоремедиация почв естественных и нарушенных лесных экосистем Сибири"

На правах рукописи

ГРОДНИЦКАЯ ИРИНА ДМИТРИЕВНА

ЭКОЛОГО-МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ИНДИКАЦИЯ И БИОРЕМЕДИАЦИЯ ПОЧВ ЕСТЕСТВЕННЫХ И НАРУШЕННЫХ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ СИБИРИ

Специальность 03.02.08. - экология (биология)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук

2 9 АВГ 2013

Красноярск 2013

005532459

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте леса им. В.Н. Сукачева Сибирского отделения Российской академии наук (ИЛ СО РАН) в отделе физико-химической биологии и биотехнологии древесных растений.

Официальные оппоненты:

Наплекова Надежда Николаевна, доктор биологических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный университет», заведующая кафедрой агроэкологии и микробиологии

Терещенко Наталья Николаевна, доктор биологических наук, ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский государственный университет, Биологический институт», профессор кафедры экологической и сельскохозяйственной биотехнологии

Демиденко Галина Александровна, доктор биологических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет», заведующая кафедрой агроэкологии и природопользования

Ведущая организация:

Федеральное Государственное бюджетное учреждение науки Институт почвоведения и агрохимии Сибирского отделения Российской академии наук (ИЛА СО РАН)

Защита состоится «08» октября 2013 года в 10:00 час. на заседании диссертационного совета Д 003.056.01 при Федеральном Государственном бюджетном учреждении науки Институте леса им. В.Н. Сукачева Сибирского отделения Российской академии наук (ИЛ СО РАН) по адресу: 660036, г. Красноярск, Академгородок, д.50/28. Тел./факс (391) 243-36-86 E-mail: institute_forest@ksc.krasn.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИЛ СО РАН Автореферат разослан « (3 » Cc^ti/Cf^- 2013 г. Ученый секретарь

диссертационного совета У.

доктор биологических наук, профессор ЕН- Муратова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

В настоящее время является актуальным определение степени антропогенного воздействия на экосистемы разных уровней, в том числе и на почвенную среду. Высокая чувствительность биотического комплекса позволяет проводить раннюю диагностику любых негативных и позитивных изменений в почвенных экосистемах и использовать биологические параметры в качестве критериев биомониторинга их состояния. Микробиологические показатели характеризуют важнейшие физиологические процессы почвенных микробных сообществ: дыхание, рост, отмирание биомассы и т.д. (Кожевин и др., 1994; Kennedy, Smith, 1995, Ohtonen et al., 1999). Как биоиндикатор, микробное сообщество является самым чутким показателем почвенно-химических условий, способное дать интегральную оценку состояния почвенного покрова и экосистемы в целом (Звягинцев, 1987; Наплекова, 2000; Ананьева, 2003; Сорокин, 2009).

В этой связи возникает необходимость выявления наиболее значимых и легко определяемых критериев, которые бы описывали реакцию микробного сообщества на те или иные антропогенные или природные воздействия. Отдельные виды микробных сообществ, закономерности их сочетаний являются адекватными индикаторами экологического состояния окружающей природной среды.

Высокая скорость роста и размножения почвенных микроорганизмов на протяжении сотен поколений позволяет в короткие сроки выявить влияние любого экологического фактора. Реакция микробиоты на биоценотическом уровне выражается в изменении ее количественного и качественного состава. Определение видового разнообразия (богатство числа видов и равномерность их распределения) или групп микроорганизмов можно назвать мерой устойчивости исследуемой почвенной экосистемы (Изучение..., 1986).

Следовательно, индикаторами изменений в почве могут быть различные параметры микробоценоза, которые можно использовать для оценки и сравнительной характеристики почв. Однако при интерпретации результатов отклика микробоценоза на экзогенные нарушения следует принимать во внимание естественные природные флуктуации численности и степень активности микроорганизмов, а также учитывать взаимоотношения микробных популяций, как между собой, так и с растительными сообществами (Brookes, 1995; Сорокин, 2009).

В условиях лесных и лесоболотных экосистем Сибири, где широко представлено разнообразие почв автоморфного и гидроморфного почвообразования, особенно актуальным и важным становится микробиологическая диагностика, основанная на выявлении специфичных для конкретного региона надежных экологических биоиндикаторов с разработкой строгой биосимптоматики почвенных процессов в природных и искусственно-созданных лесных экосистемах. Применение оригинальных подходов в биоиндикации и биоремедиации антропогенно-нарушенных почв с помощью микробных агентов нашло свое развитие в наших исследованиях.

Цель работы - выявить комплекс микробных индикаторов, позволяющий провести сравнительную оценку состояния почв естественных и нарушенных (техногенных и агрогенных) экосистем Сибири, обосновать возможности их микробной биоремедиации.

Задачи исследований:

1. Используя структурно-динамические и функциональные критерии микробных комплексов (индикационные показатели), оценить экологическое состояние естественных почв автоморфного и гидроморфного почвообразования в условиях северной, средней и южной тайги Средней и Западной Сибири.

2. Изучить динамику микробных комплексов в почвах пихтовых лесов, поврежденных сибирским шелкопрядом, определить роль микроорганизмов в лесовозобновлении пихтарников и выявить особенности их функционирования.

3. Выявить степень воздействия техногенных выбросов на структурно-динамические параметры почвенных микробоценозов; определить роль микробной компоненты в восстановлении почв техногенно-преобразованных ландшафтов (Бородинский угольный разрез).

4. Исследовать биоклиматические особенности микробоценозов агропочв лесных питомников разных климатических зон Средней Сибири, выявить общие закономерности их функционирования, определить экофизиологическое состояние микробных сообществ в них.

5. Выявить новые и типичные инфекционные заболевания, поражающие сеянцы хвойных разных возрастов, в лесопитомниках Красноярского края и Хакасии с идентификацией основных возбудителей болезней.

6. Провести скрининг микроорганизмов, проявляющих антагонистические свойства к фитопатогенам, определить спектр их активности и перспективы использования в биоремедиации антропогенно нарушенных (агрогенных) почв. Защищаемые положения

1. Лесорастительное состояние почв естественных и антропогенно-нарушенных экосистем следует оценивать эколого-микробиологическими индикаторами, адекватно отражающими ответные реакции микробоценозов на воздействующий фактор на популяционном, ценотическом и функциональном уровнях.

2. Основным фактором формирования микробных сообществ в агрогенных почвах лесных питомников являются посевы монокультуры, которые, на фоне зональных экологических особенностей и способов обработки, меняют направленность биогенных почвенных процессов в сторону снижения трофности и биоразнообразия, что способствует повышению фитопатологической нагрузки на почвы и возникновению инфекционных заболеваний сеянцев хвойных.

3. Микробные индикаторы позволяют оценить биологическое состояние нарушенных почв и определить стратегию их биовосстановления (биоремедиацию) за счет привлечения перспективных популяций аборигенных видов (штаммов) биологически активных микробных агентов, обладающих ярко выраженными антагонистическими и ростстимулирующими свойствами.

Научная новизна

Установлен ряд адекватных микробиологических и эколого-физиологических индикаторов, позволяющих проводить экспресс-оценку экологического состояния почвенных систем, как в естественных биогеоценозах, так и при антропогенных (техногенных) нагрузках. Разработана комплексная схема оценки показателей антропогенных (техногенных) и естественных воздействий на лесные биогеоценозы по микробным тестам.

Определены показатели, по которым можно осуществлять индикацию на популяционном, ценотическом (шкала диапазонов численности ЭКТГМ) и экофизиологическом (МБ, с]С02) уровнях.

Впервые проведена сравнительная оценка скорости сукцессионных перестроек микробных сообществ агропочв питомников разных биоклиматических зон Приенисейской Сибири. Отмечен повышенный адаптивный потенциал у микробных сообществ южной лесостепи Красноярского края и степи Хакасии. Установлен спектр типичных бактериальных и грибных инфекций у сеянцев хвойных разных видов и возрастов в лесных питомниках Средней Сибири.

Выявлен ряд устойчивых к антропогенным воздействиям микробных агентов (интродуцентов), обладающих повышенной биологической активностью, перспективных с точки зрения стимуляции роста и защиты сеянцев хвойных, а также в биоремедиации (санации) почв в лесных питомниках Сибири. Предложен перспективный и экологически безопасный метод внесения в почву поддерживающего субстрата для сохранности микробных агентов (интродуцентов). Практическая значимость

Выявленный комплекс микробиологических индикаторов рекомендуется использовать для ранней диагностики экологического состояния почв при антропогенных (техногенных) воздействиях и в направленности лесохозяйственных мероприятий (устройство питомников, рубки леса, внесение удобрений и т.п.).

Полученные закономерности возникновения инфекционных заболеваний сеянцев в лесных питомниках позволяют регулировать численность и вирулентность фитопатогенов ниже порога их вредоносности. Определен эффективный микробиологический способ предпосевной обработки семян хвойных, повышающий их грунтовую всхожесть и устойчивость к инфекционным заболеваниям, улучшающий рост и развитие сеянцев. Установлены перспективные микробы-интродуценты, способствующие биоремедиации почв, предложен способ повышения их сохранности и функционирования за счет внесения поддерживающих древесных субстратов (опилок, микокомпоста).

Отмеченные закономерности могут использоваться как информативные показатели при агроэкологическом мониторинге и оценке степени нарушенности почв, а также при их восстановлении.

Материалы диссертации использованы при написании экологической части учебного пособия «Концепции современного естествознания» (2008) и применяются в учебном процессе в курсах лекций «Экология» и «Основы экологии» при подготовке специалистов-экологов в КрасГАУ и СФУ. Организация исследований

Работа выполнена в рамках базовых научных проектов Института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН (1997-2012 гг.) в лаборатории лесной микробиологии и отделе физико-химической биологии и биотехнологии древесных растений. На разных этапах исследования осуществлялись при поддержке РФФИ и ККФН в рамках проектов: № 96-04-48697 (1996-1998); № 99-04-96014-р99-енисей (1999-2002); № 00-04-81097-Бел2000 (2000-2001); № 01-04-48692 (2001-2003); № 05-04-97703-р_енисей (2005-2006); № 08-05-92502-НЦНИЛ (2008-2010); № 09-04-01380 (2009-2011); № 1104-01884 (2011-2013); № 11-05-00374 (2011-2013); Междисциплинарного интеграционного проекта СО РАН № 24 (2006-2008 гг.); грантов CRDF-RG1-2537-KY-03 (2004-2005) и DAAD А /07/09323 (2007); проекта Министерства образования и науки Российской Федерации «Развитие научного потенциала высшей школы» № 2.1.1/6611 (2009-2011); Программы фундаментальных исследований Президиума РАН №26 (2009-2012).

Публикации и апробация работы

По теме диссертации опубликовано 105 научных работ, в том числе 30 статей в рецензируемых российских журналах, утвержденных ВАК, 5 статей в сборниках и периодических изданиях, 70 сообщений в материалах и тезисах научных конференций, совещаний и симпозиумов.

Материалы и основные положения диссертации неоднократно представлялись и обсуждались в виде устных и стендовых докладов на конференциях, конгрессах, симпозиумах и совещаниях разного уровня: всесоюзных: Фитонциды и бактериальные болезни растений» (Львов, 1991), «Изучение и рациональное использование природных ресурсов» (Уфа, 1991); международных: Larix-98: World resources for breeding, resistance and utilization (Krasnoyarsk, 1998); Assessment methods of forest ecosystem status and sustainability (Krasnoyarsk, 1999); Biodiversity and Dynamics of Ecosystems in North Eurasia (Novosibirsk, 2000); International Conference on environmental observations, modeling and information systems - ENVIROMIS-2010 (Tomsk-2010); Russian-German workshop on research in the Laptev Sea region (St. Petersburg, 2010); International conference IBFRA «Boreal forest in a changing world: challenges and needs for action» (Krasnoyarsk, 2011); V, VI, VII, VIII международных симпозиумах «Контроль и реабилитация окружающей среды» (Томск, 2006, 2008, 2010, 2012); международных научных и научно-практических: «Современное состояние и перспективы развития микробиологии и биотехнологии» (Минск, 2008); «Разнообразие мерзлотных и сезонно-промерзающих почв и их роль в экосистемах» (Улан-Удэ, 2009); «Проблемы экологии». Чтения памяти М.М. Кожова (Иркутск, 2010); «Сохранение лесных генетических ресурсов Сибири» (Красноярск, 2011); всероссийских научных и научно-практических: «Исследование структурных элементов лесов Сибири» (Красноярск, 1985), «Изучение лесных биогеоценозов» (Красноярск, 1989), «Структурно-функциональная организация и динамика лесов (Красноярск, 2004), «Эколого-географические аспекты лесообразовательного процесса» (Красноярск, 2009); «Природная и антропогенная динамика наземных экосистем» (Иркутск, 2005), 7 и 8 Сибирском совещании по климато-экологическому мониторингу (Томск, 2007; 2009), «Эмиссия и сток парниковых газов на территории Северной Евразии» (Пущино, 2007); «Болезни и вредители в лесах России: век XXI» (Екатеринбург, 2011), VI Съезде общества почвоведов им. В.В. Докучаева. «Почвы России: современное состояние, перспективы изучения и использования» (Петрозаводск, 2012). Структура и объем диссертации

Диссертационная работа изложена на 366 страницах и состоит из введения; 7 глав: обзора литературы, объектов и методов исследований, результатов экспериментов и их обсуждения; заключения; выводов и списка литературы. Экспериментальные данные представлены в 57 таблицах, 123 рисунках. Список литературы включает 663 наименований, из них 170 на иностранных языках. Благодарности

Автор выражает глубокую благодарность коллеге и наставнику д.б.н., проф. Н.Д. Сорокину за постоянную поддержку и неоценимую помощь в работе; искреннюю признательность коллегам и соавторам к.б.н. Н.В. Пашеновой, к.б.н. С.Ю. Евграфовой, к.б.н. М.Ю. Трусовой (ИБ СО РАН) за помощь при выполнении целого ряда работ по теме диссертации. Автор также благодарит сотрудников Института леса за предоставленный материал и участие в комплексных экспериментах, изложенных в совместных публикациях.

Особая благодарность д.б.н. Н.Д. Ананьевой (ИФХиБПП РАН) за научные консультации и ценные советы по теме и оформлению диссертации. ГЛАВА I. МИКРООРГАНИЗМЫ В ОЦЕНКЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОЧВ (Краткий анализ состояния вопроса)

Глава состоит из 6 разделов и включает научную информацию об использовании микробиологической индикации в оценке устойчивости почв к разным экзогенным воздействиям в естественных и антропогенно-нарушенных лесных экосистемах. Рассмотрены механизмы взаимодействия микробных группировок между собой (паразитизм, антагонизм, симбиоз и сверхпаразитизм) в почве и с растениями (филлосферой и ризосферой), возникновение патогенеза в искусственных фитоценозах. Представлена информация по интегрированной защите растений от инфекционных болезней и возможные пути биовосстановления (биоремедиации) нарушенных почв с помощью микробных интродуцентов. Обширный обзор микробиологических исследований, показал недостаточность изученности структуры и функциональных особенностей почвенных микробных сообществ различных экосистем Сибири. Имеющейся в литературе информации о микробиологических индикаторах, адекватно отражающих (оценивающих) состояние естественных и антропогенно-нарушенных экосистем, так же, как и о возможностях их восстановления, крайне мало. Поэтому возникла необходимость поиска новых критериев, комбинировать, оптимизировать и адаптировать их к местным условиям, чтобы достоверно оценить состояние почвенных микробных сообществ в лесных экосистемах Сибири. Таким образом, на основе имеющегося научного потенциала, и результатов многолетних исследовании мы попытались внести свой вклад в решение вышеуказанных проблем.

ГЛАВА II. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Экспериментальная часть выполнялась с 1997 по 2012 гг. в полевых условиях стационаров (ОЭП) Института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН (ИЛ): п. Тура (Центральная Эвенкия), Погорельский Бор (Емельяновский р-он), п. Танзыбей (Ермаковский р-он), п. Черное Озеро (Хакасия), лабораторных условиях и на мелкоделяночных участках дендрария ИЛ.

Всего обследовано 120 ЭУ - постоянных и временных экспериментальных (опытных) участков, отражающих разнообразие типов леса и почв естественных и нарушенных экосистем, расположенных в разных лесорастительных зонах (подзонах), округах (ЛО), провинциях (ЛП) и подпровинциях (Снытко и др., 1982; Короткое, 1994) Средней и Западной Сибири. Объекты исследований

Объектами исследований являлись эколого-трофические, физиологические и таксономические микробные группы, функционирующие в почвах различных лесных экосистем. Микробоценозы естественных (ненарушенных) экосистем изучали в северной тайге Центральной Эвенкии (Нижне-Тунгусский округ лиственничных лесов). Экспериментальные участки (ЭУ 1-5) расположены в лиственничниках {Larix gmelinii Rupr.) зеленомошного и лишайникового типов (кустарничково-сфагновом, шикшево-толокнянковом, бруснично-зеленомошно-лишайниковом, бруснично-багульниково-зеленомошном с подлеском из душекии и кустарничково-мохово-лишайниковом, сформированных на криоземах гомогенных и тиксогропных суглинисто-глинистых и среднесуглинистых (Абаимов, 1997; Бугаенко, 2002; Ершов, 1999; 2004);

- средней тайге - в глубокозалежных болотах (ЭУ 10-14), расположенных на левом берегу Енисея, в бассейне рр. Сыма и Дубчеса (с. Зотино, близ мачты ZOTTO) (Сымско-Дубчесский ЛО). В массиве верховых (ВБ) и низинных (НБ) болот выбраны доминирующие типы фитоценозов (сосново-кустарничково-сфагновый (сосновый рям) (ВБ1) и кустарничково-осоково-сфагновый (НБ1) на верховых и низинных торфяно-болотных почвах (Классификация..., 2004);

южной тайге - в глубокозалежных болотах северной части междуречья Оби и Томи (30 - 40 км на северо-запад от г. Томска) (Западно-Сибирский округ южнотаежных и подтаежных лесов), на гидроморфных торфяно-болотных верховых, низинных и переходных почвах сосновых фитоценозов (кустарничково-сфагново-черничный с пушицей и осоками, зеленомошно-разнотравный, осоково-сфагновый) (ЭУ 15-18 -Клюквенное, Малое Жуковское, Озерное, Большое Еловочное);

- лесостепи - в естественных и искусственно созданных (близко к природному развитию) фитоценозах (ЭУ 6-9): смешанном сосново-березовом разнотравном лесу, лиственничнике и ельнике мертвопокровных, сосняке зеленомошно-осочково-разнотравном на светло-серых, серых и темно-серых среднесуглинистых почвах Погорельского Бора (Емельяновский район, Красноярский край) (Канско-Красноярско-Бирюсннская ЛП).

В южной тайге (Приангарский ЛО) Тасеевского района Красноярского края в естественно-нарушенных темнохвойных пихтарниках (Abies sibirica L.) зелепомошно-разнотравных. дефолиирозаниых сибирским шелкопрядом, изучали особенности функционирования микробных сообществ на серых глеевых, дерново-подзолистых тяжело- и среднесуглистых почвах (ЭУ 19-22).

Состояние мнкробоценозов в антропогенно (техногенно)-нарушенных экосистемах изучали в березово-сосновом разногравно-зиаковом лесу (20-30 км от КрАЗа) (ЭУ 23-26) и лиственничнике мсртвопокровном Погорельского Бора (ЭУ 2750) на техиогенно загрязненных темно-серых среднесуглинистых почвах. В Канско-Рыбинской котловине Красноярской лесистенк исследовали зональные почвы (контроль): серые лесные, чернозём глееватый н агрочернозем, а также разновозрастные почвогрунты (литостраты, реплангоземы) отвалов вскрышных пород Бородинского угольного разреза (ЭУ 51-64) (Вальков и др., 2004: Классификация и ....2004).

В качестве искусственных постоянно нарушаемых экосистем исследовали лесные питомники Красноярского края (Верх-Казанский, Таловский, Ермаковский. Иланский) (ЭУ 65-70), и Хакасии (Озерский), расположенные в подтайге южной тайги, северной и предгорной лесостепи и степи, (Канско-Красноярско-Бирюсинской ЛП и Хакасско-Минусинской ЛП (Короткое. 1994), и характеризующиеся различными биоклиматическими особенностями. В лесных питомниках ежегодно обследовали фитосанитарное состояние агропочв (агротемносерая, агрочернозем оподзоленный и агролугово черноземная) и сеянцев хвойных. Исследования по биоремедиации нарушенных почв проведены на территории этих же лесопитомников. Погорельского стационара и на экспериментальных делянках дендрария ИЛ СО РАН (ЭУ 71-120). Методы исследований

Образцы для микробиологических и агрохимических анализов отбирали из почв и почвогрунтов экспериментальных участков (ЭУ) (50x50 см), в пяти точках верхнего органо-минерального слоя (0 - 5, 0-10 см) и по генетическим горизонтам (слоям, см) почвенных разрезов, с учетом особенностей рельефа и растительности, в

трехкратной повторности. Морфологические свойства разрезов почв и почвогрунтов описаны в разное время по (Классификация..., 1997; 2000; 2004; Вальков и др., 2004). Температуру почвенных слоев измеряли в момент отбора образцов. Влажность, pH и агрохимические свойства почв изучали общепринятыми стандартными методами (Качинский, 1958; Аринушкина, 1970; Агрохимические методы...., 1975 и др.), в том числе при помощи ФГУ ГЦАС «Красноярский». Микробиологические анализы почвенных образцов проводили классическими методами (Практикум, 1976; Методы..., 1991; Дудка и др., 1982; Практикум, 2005; Добровольская и др., 1989; Лысак и др., 2003); респирометрические показатели - методом субстрат-индуцированного дыхания (СИД) (Anderson, Domsch, 1978; Ананьева, 2003) на хроматографах JIXM-80, Россия и Agilent Technologies 6890 N Network GC, USA. Ферментативную активность изучали по (Хазиев, 1990; 2005) и выражали в «ед. фермента» (У, уреаза, мг аммонийного азота/10 г почвы /24 ч; П, протеаза, мг аминного азота /10 г почвы /20 ч; К, каталаза, мл КМп04/г почвы /20 мин; И, инвертаза, мг глюкозы/г почвы /24 ч). Фитопатологические исследования больных и погибших разновозрастных сеянцев хвойных - по методам (Бельтюкова и др„ 1968; Кирай и др., 1974; Основные методы..., 1974; Гвоздяк, Гойчук, 1991). Идентификацию микроорганизмов проводили общепринятыми методами на основании культуральных, морфологических признаков и стандартных биохимических тестов, приведенных в определителях Берджи (1980, 1997, 2009), И.Н. Скворцовой (1981; 1983); A.B. Лысак и др. (2003); Н.М. Пидопличко (1972); A.A. Милько (1974); В.И. Билай, 1977; Т.С. Кириленко (1977); Л.Н. Егоровой (1986); H.A. Билай, Э.З. Коваль (1989); Т. Watanabe (2002). Молекулярно-генетические исследования по (Porteous et all., 1997; Yeates et all., 1998; Raskin et all., 1994). Филогенетический анализ полученных нуклеотидных последовательностей сравнивали с таковыми баз данных GenBank и EMBL, с помощью программ BLAST и FASTA, и программы Clustal\У2. Методы, используемые в экспериментах по биоремедиации почв и стимуляции роста семян хвойных, подробно изложены в соответствующих разделах диссертации. Обработку и анализ полученных результатов проводили статистическими методами с использованием программных пакетов «Excel-2003», «Statistica 06» и «Сапосо». Микробные индикаторы н пояснение их сокращений

ЭКТГМ - эколого-трофические группы микроорганизмов; ДГ - доминантные группы (виды); ФА - ферментативная активность; МБ - микробная биомасса; БД -базальное дыхание микроорганизмов; qC02 (QR) - микробный метаболический коэффициент; КМцц - коэффициент минерализации, Кол и г - коэффициент олиготрофности, КСукц - коэффициент сукцессии; КМА - коэффициент микробиологической активности; Б / Г - отношение бактерий к грибам; РСБ -реакция споровых бактерий; Ф / С - отношение фитопатогенов к сапротрофам.

ГЛАВА III. МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ИНДИКАЦИЯ ПОЧВ ЕСТЕСТВЕННЫХ ЛЕСНЫХ БИОГЕОЦЕНОЗОВ СИБИРИ 3.1. Функционирование микробных сообществ * в криогенных почвах лиственничников Центральной Эвенкии (северо-таежная подзона)

Микробиологическая и биохимическая активность в криогенных почвах лиственничников Центральной Эвенкии тесно связана с климатическими особенностями севера Сибири. Время разложения органических веществ в таких почвах существенно укорочено, вследствие снижения численности и качественного

состава представителей гидролитического микробного комплекса. Количество спорообразующих бактерий и грибов не превышает 2.5-4.0%. Низкие температуры, периодическое переувлажнение и высыхание почв, а также слабокислая реакция среды объясняют преимущественное развитие в составе микробных комплексов неспоровых психрофильных форм бактерий (87-95%), обладающих полифункциональным ферментативным аппаратом. В микробоценозах криоземов гомогенных, доминируют олиготрофы и олигонитрофилы (табл. 1), способные утилизировать элементы минерального питания и азот из рассеянного состояния. В условиях низкого содержания азота и минеральных элементов именно эти микроорганизмы осуществляют полную минерализацию органических остатков. Многочисленна также группа микобактерий, способная в условиях летней вегетации фиксировать значительное количество азота (до 30 мг/г). Благодаря особому ферментативному аппарату, микобактерии могут использовать в качестве источника энергии труднодоступные для большинства других микробных групп органические соединения, способны осуществлять гетеротрофную ассимиляцию С02 воздуха.

Таблица 1. Микробиологическая характеристика почвенного разреза криозема гомогенного грубогумусного лиственничника кустарничково-лишайниково-зеленомошного (ЭУ 3)

Глубина, см рн (к>дн) Сюк/ Сорг, % Численность ЭКТГМ*** на диагностических средах Кмин Колиг МБ, мкг С /г БД, мкг С02- С/г /ч

"А, МПА КАА "О, ПА "Г, СА, тыс / г

млн. КОЕ / г почвы

ЖНП* 6.63 _ 0.036 0.021 0.052 13.1 0.56 1.42 1023 21.61

0-5 (о)" 6.62 0.007 0014 0.014 0.021 3.13 1 1.48 139 2.94

5-10(о)_ 10-20 6.61 0.015 0.030 0.017 0.034 2.59 0.55 1.12 131 1.29

6.5! 0.01 0.036 0.019 0.046 1.66 0.53 ! .28 117 0.90

20-40 7.05 0.011 0.007 0.024 0.030 0 3.7 4.52 149 0.66 1

40-50 7.09 0.008 0.019 0.053 0.026 1.44 2.7 1.37 147 0.61

60-80 7.48 0.183 0.025 0.062 0.058 0.63 2.5 2.33 354 0.64

жииии ниничкснпми пилуио, ^......> -----------д .

микроорганизмов; "А, аммонификаторы; 6П, аминотрофы; 60, олиготрофы; Г, грибы; Кмин, КАА/МПА; К0лиг, ПА / МПА

Количество микромицетов колеблется по элементам нанорельефа ЭУ. Их содержание в профиле криогенных почв на порядок ниже, чем в почвах средней и южной тайги, что обусловлено распространением территории холодных, дренированных почв и слабокислой реакцией среды. Интегральными диагностическими показателями биохимических свойств почв являются дыхательная и энзиматическая активности. Повышенной дыхательной активностью выделяется поверхностный слой с живым напочвенным покровом (ЖНП), где в процессе дыхания участвуют не только микроорганизмы, но и мхи. Отмечено, что поверхностный слой лиственничников (ЭУ 1-5) выделяет С02, в среднем, в 2.5-3.5 раза больше, чем таковой в темно-серой почве средней и южной тайги. В минеральных горизонтах наибольшая МБ зарегистрирована в надмерзлотном слое (60-80 см), что обусловлено снижением кислотности (г=0.83) (табл. 1). Впервые проведен анализ влияния химических показателей на развитие МБ по профилю криозема гомогенного. Количество азота, как общего, так и подвижных форм влияет на распределение МБ с 99% вероятностью, что достоверно подтверждено результатами дисперсионного 0=0.001) и корреляционного (г=0.96-0.97) анализов. Также получены значимые связи

МБ с валовым фосфором (r=0.95), Са2+ (r=0.67), Mg2+ (г=0.43) и с С^ (г= -0.71), что свидетельствует о тесной связи микробной биомассы с гидротермическими и химическими почвенными факторами, что отражает биогеохимическую направленность элементарного почвенного процесса (ЭПП). На этом основании можно использовать МБ (как и ЭКТГМ), для диагностики криогенных почв.

Максимальной ферментативной активностью (ФА) отличались верхние горизонты почвы лиственничников. Однако, даже самые высокие показатели ФА и актуальной биологической активности (Кма) в криогенных почвах Центральной Эвенкии в 1.6-3.0 раза ниже, чем в длительно-сезонно промерзающих почвах средней и южной тайги.

Таким образом, низкие температуры окружающей среды годового цикла и недостаток в почве элементов питания обусловливают невысокую общую биохимическую и микробиологическую активность почв Центральной Эвенкии. В микробных сообществах мерзлотных почв доминируют психротолерантные и олиготрофные формы неспоровых бактерий.

3.2. Функционирование почвенных микробных сообществ лесных экосистем Погорельского Бора

В Погорельском Бору, проведены исследования по влиянию типов леса на интенсивность микробиологических процессов. Изучали участки естественных фитоценозов (сосняк зеленомошно-осочково-разнотравный и березово-сосновый лес, 50-55 лет) и искусственных лесных массивов (лиственничник й: ельник мертвопокровные, 38-40 лет). Экологические условия произрастания древостоя в Бору довольно благоприятные (нет систематического загрязнения), с низкими^ рекреационными нагрузками. Почвы опытных участков в сосняке, лиственничнике и ельнике имеют близкие морфологические и физико-химические показатели. Лесная подстилка (О, 0-1(2) см) характеризуется слабо-кислой реакцией (рНводн- 5.1), а в минеральном профиле - кислой. Мощность гумусового горизонта - 29 см, содержание гумуса - 3.9% (Сорокин и др., 2009). Показано, что участки различных фитоценозов характеризуются высокой численностью основных почвенных ЭКТГМ: гидролитиков, копиотрофов и олиготрофов. На микробиологические процессы в значительной мере влияли влажность и pH почвы (г=0.83 и 0.68, соответственно). Процессы минерализации органических веществ и гумусонакопления сбалансированы на протяжении всего вегетационного периода, причем в сосняке они больше смещены в сторону минерализации органического вещества, о чем свидетельствуют коэффициенты минерализации и олиготрофности - КМин = 0.95, 1.01 и 1.35; Колиг = 0.19, 0.12 и 0.6 (в ельнике, лиственничнике и сосняке, соответственно). Биохимическая активность различалась незначительно. В ельнике ферментативная активность (инвертаза, каталаза и протеаза) снижена по сравнению с сосняком и лиственничником (табл. 2). Согласно шкале оценки обогащенности почв ферментами (Звягинцев, 1987), почвы всех исследуемых участков Погорельского Бора относятся к вариантам «средняя» и «богатая». Дыхательная активность почвенных микробных сообществ в изученных типах леса указывала на их устойчивое экофизиологическое состояние, что выразилось высокими значениями МБ и низкими qC02 (<1) (табл. 2). В почвах различных фитоценозов Погорельского Бора прослежена временная динамика величины qCО2 в зависимости от срока отбора образца и типа растительного сообщества (2004/2006 гг.). Участки с различной биогенностью (МБ) имели разные значения qCО2, при высоком содержании МБ отмечали низкие значения qCOï (лиственничник), а с низким МБ - высокие дС02 (сосняк) (табл. 2).

Однако в течение нескольких лет наблюдений значения дСОг в почве разных фитоценозов менялись в довольно узком интервале и не выходили за пределы одного порядка. Пространственная вариабельность (СУ) метаболического коэффициента (дССЬ) исследуемых участков за три вегетационных периода составила в среднем 28, 40. 65% для лиственничника, ельника и сосняка, соответственно.

Таблица 2. Микробиологическая и ферментативная активность темно-серой почвы разных фитоценозов Погорельского Бора

Фитоценоз* (ЭУ, X«) Ферменты (ФА)** AM | ОГ Кмин МБ БД qCÖ2

К | П | У | И млн КОЕ / г почвы

ед. фе рмента 2004 /2006 гг.

: Емп (8) 0.25 0.720 18.0 61.4 2.7 0.5 0.95 283/235 0.14/0.21 0.5/0.9

Лмп (7) 0.27 0.756 15.6 64.3 2.1 0.3 1.01 997/247 0.02/0.18 0.02/0.7

Сзр (9) 0.27 0.732 20.4 80.1 1.1 0.7 1.35 210/186 0.8/0.53 0.8/2.9

СЛ (6) 0.27 0.761 21.2 82.3 2.8 0.9 1.72 745/651 0.05/0.16 0.2/1.2

* Емп> ельник мертвопокровный; Лмп, лиственничник мертвопокровный; Сзр, сосняк зеленомошно-разнотравный; СЛ, смешанный лес; ** ФА; К, каталаза; П, протеаза; У, уреаза; И, ннвертаза

Таким образом, различные фитоценозы Погорельского Бора (лиственничник, ельник, сосняк и смешанный лес) на автоморфных темно-серых почвах характеризуются высокой стабильностью микробоценозов. Определенная биогенность почв исследуемых участков (численность основных ЭКТГМ, ФА, МБ, БД, qCОз) свидетельствует о схожести минерализационных процессов в них. Изменения сезонной численности ЭКТГМ происходят в рамках природной вариабельности, а временные значения величин qCQi (от 0.02 до 2.90) свидетельствуют об их устойчивом экофизиологическом статусе. 3.3. Микробиологические особенности гидроморфиых почв лесоболотных экосистем Западной и Средней Сибири

Из-за специфики резко-континентального климата и географических условий болота Средней и Западной Сибири представляют собой экстремальный тип природной экосистемы. О биоразнообразии и особенностях функционирования микробных сообществ болот, их активности в трансформации углеродсодержащих соединений по всей глубине торфяной залежи в литературе крайне мало сведений.

Исследованы микробиологические характеристики почв трех типов болот: 1) евтрофных (Большое Клюквенное, Малое Жуковское, массив низинных зотинских болот - НБ1), 2) мезотрофного (Большое Еловочное) и 3) олиготрофных (Озерное, массив верховых зотинских болот - ВБ1). Эколого-трофические условия болот средне- и южно-таежной подзон Сибири существенно различались между собой физико-химическими, агрохимическими, биохимическими и микробиологическими параметрами, однако найдены некоторые общие тенденции в их биодинамике.

Функциональная активность эколого-трофических групп микроорганизмов в толще торфяной залежи соответствовала выделенным ранее (Efremova et al., 2001), биогеохимическим зонам: 1) Iq» (0-50 см), аэробные условия (гетеротрофные микроорганизмы); 2) IIox-Red (80-100 см), перемеживающиеся окислительно-восстановительные условия (гетеротрофы и микроаэроэрофилы); 3) IIIrc<ii (100-550 см), анаэробные условия (факультативные и облигатные анаэробы); 4) IVr,^ (550-880 см), устойчивый анаэробиозис (облигатные анаэробы). Отмечено, что численность ЭКТГМ, скорость биохимических и минерализационных процессов в торфогенных

горизонтах протекают с разной интенсивностью, что обусловлено температурным и гидрологическим режимом, ботаническим составом торфа, рН, специфическими условиями формирования и состоянием каждого слоя. На микробную численность разных локусов торфяника наибольшее влияние оказывали значения рН (г=0.50-0.75). Наиболее интенсивные процессы разложения органики и количество копиотрофов и олиготрофов регистрировали в зонах перемеживающихся окислительно-восстановительных условий (Нох-кй) (50-120 см) и устойчивого анаэробиозиса (1УКеа2) (600-700 см) (рис.1). Процессы гумусонакопления и гумусоразложения выражены достаточно ярко, что отражено высокой численностью гумусоразлагающих микроорганизмов. В нижних горизонтах торфяной залежи (зона анаэробиозиса) скорость разложения органики незначительна, процессы деструкции не заканчиваются образованием конечных продуктов (МН3 и С02), а происходит их накопление и консервация, о чем свидетельствуют Кмин и К0лиг (табл. 3, рис. 1).

I £

Рисунок 1. Численность микроорганизмов (Ы) разных зон (ЫНох-яеа; Шк«ц; ГУКе<ц) торфяной толщи евтрофного Клюквенного глубокозалежного (800 см) болота

В менее глубоких (340 - 350 см) евтрофных (Малое Жуковское, НБ1) и олиготрофных (Озерное, ВБ1) болотах выявлены те же тенденции в распределении численности ЭКТГМ, что и при обследовании более глубокого Клюквенного. Во всех болотах группа гидролитиков снижена из-за высокой кислотности почвенной среды, наибольшей численностью представлены олиготрофы и аминотрофы, потребляющие незначительные и минеральные формы азота. Среди гетеротрофных микроорганизмов преобладают грамотрицательные бактерии С?го1еоЪас1епа), на долю которых приходится от 80 до 98% от общего количества выделенных микроорганизмов.

Экофизиологическую устойчивость микробоценозов лесоболотных экосистем к природным стрессам (повышенное увлажнение, сезонное замораживание-оттаивание, высокая кислотность и прочее) оценивали респирометрическими показателями (МБ, БД, дС02). В евтрофных болотах наиболее высокие значения МБ , отмечены в аэробной (10-40 см) и в анаэробной (300-350 см) зонах (табл. 3). Значения МБ коррелировали с суммарной численностью ЭКТГМ и рН (г = 0.5 и 0.8, соответственно).

Эколого-трофические условия и генезис верховых болот средней и южной тайги существенно различались между собой, что отразилось на микробной активности (табл. 3). Интенсивность дыхания (БД) снижалась с глубиной во всех болотах, и на глубине 300-350 см верховых болот в некоторых случаях не регистрировалась. Величина МБ коррелировала с суммарной численностью ЭКТГМ и рН по всему профилю (г = 0.9, 0.6, соответственно).

Варьирование коэффициента удельного дыхания (СМ в олиготрофных болотах указывало на меньшую устойчивость их микробных сообществ к внешним факторам. В целом, значения рк отражали функционирование микробных сообществ торфяников в пределах природной нормы и свидетельствовали об экологической устойчивости изученных экотопов (табл. 3).

Определено, что в глубокозалежных болотах окислительный тип метаболизма инициируется аэробными и факультативно-анаэробными микроорганизмами гетеротрофного цикла. В анаэробных условиях в разложении органики принимают участие облигатные анаэробы (архебактерии), осуществляющие процессы метаногенеза, видовой состав которых зависит от типа торфогенной залежи, рН, биохимической сопряженности различных групп микроорганизмов и интенсивности их метаболических процессов.

Таблица 3. Микробиологические характеристики евтрофных (низинных) и олиготрофных (верховых) болот Западной (Томская область) и Средней Сибири (Красноярский край)

Глу би на, см Низинные, евтрофные Верховые, олиготрофные

Малое Жуковское НБ 1 Озерное ВБ1

Кмин МБ Qr Кмин МБ Qr Кмин МБ Or Кмин МБ Qr

0-10 2.0 154 0.15 0.03 168 0.15 3.3 390 0.06 0.84 60 1.53

10-20 5.0 42 0.10 - - - 2.8 653 0.08 - - -

20-30 10.7 17 0.41 - - - 2.5 372 0.07 - - -

30-40 2.7 63 0.04 1.82 56 0.23 1.6 137 0.20 1.16 39 0.45

40-50 4.7 35 0.15 1.92 38 0.65 1.3 128 0.54 0.66 37 0.14

100 0.3 29 0.21 1.21 32 0.40 6.0 56 0 0.39 43 0.32

150 3.2 42 0.09 1.82 32 0.30 0.5 315 0.07 1.17 35 0.29

200 1.3 69 0.03 3.33 13 1.42 0.1 578 0.06 0.53 57 0.07

250 1.6 63 0.07 0.51 32 0.41 0.1 156 0.37 2.94 38 0.11

300 0.8 74 0.13 0.84 39 0.21 1.5 947 0.01 2.10 48 0

350 0.6 69 0.12 1.83 63 0.15 0.3 793 0.02 0.28 51 0

Из почвенных образцов, отобранных на болотах южно-таежной части Западной Сибири, молекулярно-генетическими методами выявлено 8 неидентифицированных доминирующих форм архебактерий (А, В, С, D, Е, F, G, Н), в том числе метано генных. Нуклеотидные последовательности гена 16S рРНК видов Н и С (номера доступа в базе EMBL/GenBank АМ941741 и АМ941742, соответственно) отличались друг от друга на 1.2%. Генетическая характеристика археонов близка к таковой Methanosarcina sp. на 99.8% (АМ941741) и 98.6% (АМ941742). Доминирующие археоны олиготрофного (Озерного) болота отнесены к «Rice Cluster II», Euryarcheota. Доминантный вид А встречался на всех глубинах (50 - 300 см) евтрофного (Жуковского) болота и на основании нуклеотидных последовательностей гена 16S рРНК археон FM209525 (EMBL/GenBank) отнесен к «Rice Cluster IV», Crenarcheota.

Сопряженное взаимодействие гетеротрофных и анаэробных эколого-трофических групп микроорганизмов в толще торфяной залежи, их видовое

разнообразие, свидетельствуют об «успешной кооперации» в разложении органики до метана и СОг, обеспечивают активное и стабильное функционирование лесоболотных экосистем Сибири.

Оценку состояния автоморфных (в том числе криогенных) и гидроморфных почв ненарушенных экосистем Сибири следует проводить микробными индикаторами: ЭКТГМ, ДГ, КМА, МБ, БД, <?С02, <3К, ФА, Кми„, Колиг. ГЛАВА IV. СУКЦЕССИОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ МИКРОБОЦЕНОЗОВ ПОЧВ ЕСТЕСТВЕННО-НАРУШЕННЫХ И АНТРОПОГЕННО ПРЕОБРАЗОВАННЫХ ЭКОСИСТЕМ СИБИРИ

Рассмотрены индикационные возможности микробных сообществ почв и подстилки в природных, естественно нарушенных экосистемах (шелкопрядниках) и зоне активного антропогенного (техногенного) воздействия.

4.1. Активность и сукцессионные изменения почвенных микробоценозов в нарушенных естественных экосистемах (шелкопрядниках) южно-таежной подзоны Средней Сибири

Известно, что после вспышек численности популяции сибирского шелкопряда, опустошающих огромные лесные территории, лесовозобновление впоследствии происходит очень медленно. Для установления причин этого явления исследовали химические и микробиологические изменения в почвах 4 участков пихтового леса с разной степенью повреждения древостоя (шелкопрядники): ЭУ 19. 20 - полностью объедены гусеницами и усохли; ЭУ 21 - на 50% объеден, с типично таежным напочвенным покровом и жизнеспособным подростом пихты, ели и кедра; ЭУ 22 (контроль) - на 25% объеден, полностью восстановился. Почва и подстилка усохших участков характеризуются большим содержанием легкогидролизуемых и минеральных форм азота. В них интенсивнее происходит минерализация азотсодержащих соединений, что отражается на накоплении аммиака и нитратов. Запасы Сорг и Квал в органо-минеральном слое почвы значительно превышают таковые на контрольном участке (рис. 2). Почвенный поглощающий комплекс на усохших участках (ЭУ 20, 21), существенно обогащен кальцием.

Контроль

ЭУ 19

ЭУ 20

ЭУ 21

Рисунок 2. Содержание Сорг(%) и валового азота (Ывал, %) в органо-минеральном слое (0-6 см) серых глеевых почв контрольного и поврежденных шелкопрядом участков (ЭУ 19-21)

Микробные сообщества серых глеевых почв шелкопрядников обеспечивают накопление углерода (Сорг), за счет высокого темпа и полноты минерализации поступающего органического вещества зоогенного субстрата. Активность микробиологических процессов в ЭУ 20 и 21 возрастает за счет повышенной деятельности аммонифицирующих, целлюлозоразлагающих, азотфиксирующих групп бактерий и грибов.

Следовательно, деструкционные процессы в них идут более интенсивно, чем в почве контрольного участка, о чем свидетельствуют более высокие коэффициенты минерализации (Кмин) (рис. 3 А). Высокое содержание азота и интенсивность аммонификации способствуют росту и развитию других микробных групп (прототрофов. олиготрофов, нитрификаторов). Микроорганизмы, предпочитающие минеральные формы азота, были самыми многочисленными в усохших шелкопрядниках, что подтверждает наличие значительного количества азотистых веществ в них. вследствие частично или полностью переработанного зоогенного опада. Эмиссия С02 из почвы ЭУ 19 превышала таковую в контроле, что можно связать с большей активностью микробной биомассы. Изменение МБ в почвах шелкопрядников зависело от степени их поврежденности, чем больше растительного опада поступало в почву, тем интенсивнее в ней происходили все микробиологические процессы (рис. 3 Б).

Рисунок 3. Коэффициенты минерализации (КМин) [А] и значения МБ [Б] в серых почвах поврежденных (ЭУ 19, 20, 21) и контрольного участков пихтового леса Тасеевского района

Следовательно, поступление экскрементов и других элементов зоогенного опада на подстилку и в почву изменило их физико-химические и биологические свойства, которые, как ожидалось, могли бы способствовать лучшему прорастанию самосева пихты и повышению процессов лесовозобновления, которые в бывших очагах массового размножения сибирского шелкопряда происходят в течение 50-100 лет (Коломиец, 1957). Установлено, что химическая трансформация почвы не является прямой причиной угнетения подроста пихты. Как показано другими авторами (Перевозникова и др., 2002; Краснощеков и др., 2003) и нами (Гродницкая и др., 2002), слабая возобновляемость пихтовых лесов в шелкопрядниках связана с изменением светового и водного режимов вследствие дефолиации древостоя, поступлением в почву большого количества кальция с зоогенным опадом, что приводит к росту разнотравья, благоприятствует задернению почвы, и затрудняет прорастание семян хвойных.

Кроме того, негативное влияние на прорастание семян пихты могут оказывать микроорганизмы, активно осваивающие зоогенный опад и экскременты гусениц. Проведены эксперименты по выявлению зависимости всхожести семян и роста

сообщества, уменьшению питательных элементов, как органических, так и минеральных, нарастанию олиготрофности, истощению агропочв, что наглядно демонстрирует резкое снижение МБ и увеличение qC02.

При эколого-микробиологической оценке агропочв лесных питомников целесообразно использовать следующие индикаторы: ЭКТГМ, КСукц> МБ, БД, qC02, ФА, Ф / С.

5.4. Изменение видового разнообразия микробиоты в агропочвах питомников в зависимости от применения пестицидов

Систематическое применение пестицидов в исходно высокоплодородных почвах лесопитомников приводит к их деградации, вследствие энергичной минерализации всех форм питательных элементов. Агропочвы питомников характеризуются ухудшением физических, агрохимических и биологических свойств по сравнению с таковыми естественных аналогов (Иванов, 1974; Попова, 1981; Ковылина, 1990). Показано, что в агропочвах питомников возрастает численность некоторых патогенных и токсинообразующих форм грибов и бактерий родов: Aspergillus, Penicillium, Fusarium, Alternaria и Pseudomonas, Bacillus, Mycobacterium, которые легко могут переходить с сапротрофного образа жизни на паразитарный, особенно на корнях сеянцев. Продуцируемые ими фитотоксины вызывают нарушение фотосинтеза, дыхания, биосинтеза первичных метаболитов, транспорта веществ в клетку, что в конечном итоге приводит к ослаблению и последующей гибели сеянцев (Гродницкая, Якименко, 1996). В агроэкосистеме происходит формирование экологической группы «минорных патогенов», что заметно усугубляет фитосанитарное состояние почвы (Великанов, Сидорова, 1988). В этих условиях корневые гнили растений становятся экологически неизбежными.

Основу грибных группировок агрочернозема оподзоленного Ермаковского питомника и естественного аналога (целины) составляли микромицеты pp. Penicillium, Fusarium, Verticillium, Mucor, Aspergillus, Trichoderma (рис. 7). Установлено, что в агропочве лесопитомников возрастает доля видов с низкой частотой встречаемости и уменьшается количество доминирующих видов.

Почва питомника Естественный аналог

О РсшсМПит оАзрегеМЫиз ОРииг1и1Г1 СА1№таг1а □ ТНсЬойеггоа В РспкШит □ АарегдЛИи* □ Гиаапит [ЭАКетаг ¡а □ ТгкКоаети

□ Асгетол1ит □ УеШсНИит ■ Мисог в прочие т Асгетопыт О УеШсЖшт ■ Мисог Нпрочив

Рисунок 7. Доля (%) разных групп микромицетов в агрочерноземе оподзоленном Ермаковского питомника и прилегающем естественном аналоге

Выращивание посадочного материала хвойных приводит не к обогащению микробоценозов новыми видами, а к изменению частоты встречаемости общих с целинными почвами аборигенных форм. При возделывании монокультуры структура популяции фитопатогенов усиливает свои патогенные свойства.

Изоляты, выделенные из агропочв лесных питомников, более вирулентны в отношении хвойных, чем таковые из прилегающих к ним ненарушенных почв. Показано, что агропочвы лесопитомников бедны микроорганизмами-антагонистами. Отмечено резкое (в 2.4 раза) снижение численности видов р. Trichoderma (рис. 7), которые проявляют антагонистические и биотрофные свойства в отношении целого ряда фитопатогенов. Снижение плотности популяции триходермы приводит к увеличению количества рр. Fusarium и Verticillium, содержание которых в целинной почве ниже в 2.5 раза (Якименко, Гродницкая, 2000).

Таким образом, в агропочвах питомников отмечено присутствие большого количества фитотоксических форм микроорганизмов (микромицетов и бактерий), содержание которых зависит от типа почвы, степени ее окулыуренности, агротехнических приемов (пестициды, севооборот) возделывания, монокультуры. Все эти факторы приводят к постепенному исчезновению аборигенных популяций сапротрофных микроорганизмов, образованию вакантных экологических ниш, которые могут быть заняты фитопатогенами. Очевидно, что в систематически нарушаемых почвах лесопитомников создаются условия для появления различных инфекционных заболеваний сеянцев.

ГЛАВА VI. БОЛЕЗНИ ХВОЙНЫХ В ЛЕСОПИТОМНИКАХ И ГЕОГРАФИЧЕСКИХ КУЛЬТУРАХ

Характерной особенностью лесных питомников Средней Сибири является высокая плотность сеянцев хвойных (до 1.5-2 млн. шт/га), которые на всех стадиях развития (от проростков до 3-летнего возраста) отличаются низкой устойчивостью к неблагоприятным факторам, в том числе к инфекционным заболеваниям. Возбудителями таких -заболеваний выступают микроорганизмы (бактерии и микр'омицеты). Обследования производственных посевов хвойных в Озерском (Хакасия), Верх-Казанском, Таловском, Ермакоьском и Иланском лесных питомниках Красноярского края показали, что инфекционное полегание сеянцев встречается довольно часто. Довсходовая гибель семян и проростков хвойных составляет в среднем 36%, а послевсходовый отпад - 24% (Красноярский Центр защиты леса, 2003-2004 гг.).

6.1. Бактериальные заболевания сеянцев хвойных в лесопитомниках

При бактериальных заболеваниях вирулентность патогена зависит от его способности довести популяцию в тканях хозяина до уровня проявления характерных симптомов. Отмечено, что наибольшая гибель сеянцев обусловлена не только количеством патогена, но и качеством токсических веществ, присущих каждому виду. Показано, что наибольшую гибель всходов сосны вызывали псевдомонады (Ps. syringae - 95%, Ps. solanacearum - 89%, Ps. ßuorescens - 69 %) при одинаковой концентрации возбудителя (107"9 КОЕ / мл).

В лесных питомниках Сибири характерные бактериальные заболевания сеянцев и всходов всех видов хвойных вызывают некротизацию и хлороз охвоенной части (Xanthomonas ampelina), ожог хвои и стволиков (Pseudomonas syringae), увядание и полегание всходов при поражении корневой системы и оснований стеблей в ранней фазе (Bacillus myeoides и В. mesentericus), образование опухолей у прикорневой шейки (Agrobacterium radiobacter и Agrobacterium tumefaciens), почернение и усыхание верхушечных почек, основания хвои и стебельков (Pseudomonas ßuorescens), сосудистый бактериоз (Ralstonia solanacearum).. При загнивании и увядании корешков и стволиков всходов кедра и сосны отмечено наличие смешанной инфекции.

проростков пихты от качественного состава почвенных микроорганизмов. Опыт (1) проводили с нестерилизованной (НП) и (2) стерилизованной почвой (СП), в которую добавляли экскременты гусениц и засевали семенами пихты сибирской. Количество экскрементов (кг/м2) соответствовало интенсивной вспышке массового размножения шелкопряда (Коломиец, 1957). Контролем служила та же почва без стерилизации и внесения экскрементов (К) (Гродницкий и др., 2002).

Гибель семян и проростков в контроле и НП составила 28-29%, а в СП - лишь 19%. В конце опыта живых проростков в СП было на 67 и 13% выше, чем в НП и контроле (К), соответственно. Микробиологический анализ почвы показал, что добавление экскрементов гусениц приводит к увеличению популяции грибов, среди которых преобладали представители рр. Mucor, Aspergillus, Penicillium. Также обнаружены виды родов Fusarium, Verticillium и Rhizoctonia, которые, вместе с пенициллами являются обычными для Средней Сибири возбудителями инфекционного полегания сеянцев хвойных в лесных питомниках. Установлено, что экскременты гусениц сибирского шелкопряда стимулируют развитие почвенных микроорганизмов и способствуют перераспределению микробных группировок (Б / Г) в сторону увеличения грибов (в том числе фитопатогенных), способных вызывать инфекционное полегание проростков пихты еще на ранних этапах онтогенеза (табл. 4). Наличие вышеперечисленных факторов приводит к снижению всхожести семян, угнетению подроста, и, следовательно, низкому пихтовому лесовозобновлению.

Таблица 4. Численность бактерий и грибов (тыс. КОЕ / г почвы) в стерилизованной (СП) и нестерилизованной (НП) дерново-подзолистой среднесуглинистой почве с добавкой экскрементов гусениц сибирского шелкопряда

Почва Добавка (1кг/mj) Бактерии (Б) Грибы (Г) Б/Г

Контроль Нет 108 ±4.5 48 ±3.9 2

НП(1) Экскременты 56 ±5.3 53 ±5.3 1

СП (2) Экскременты 492 ± 10.8 20 ±3.6 24

Такие микробиологические индикаторы, как состав доминантных групп (ДГ), Кмин, МБ- соотношение бактерий и грибов (Б/Г) адекватно отражали состояние почв шелкопрядников и позволили определить еще одну причину низкого естественного восстановления пихтового леса.

4.2. Микробиологическая индикация и мониторинг антропогенно нарушенных лесных экосистем

Микробоценозы являются не только самой активной структурной единицей экосистемы, но и наиболее информативным диагностическим компонентом биоты, способным быстро реагировать на смену экологических условий, меняя при этом свою функциональную нагрузку. Ответные реакции микроорганизмов на воздействие различных нарушающих факторов проявляются быстро, достаточно отчетливо, что позволяет в короткие сроки выявить наиболее нарушенные экологические зоны, прогнозировать их состояние при сохранении или устранении антропогенного фактора.

Оценка устойчивости микробоценозов лесных почв под действием выбросов промышленных предприятий (на примере КрАЗа)

Техногенные выбросы Красноярского алюминиевого завода (КрАЗа) содержат кислые (НБ) и щелочные (ЫаБ) фториды, которые поступают в почву в больших количествах. Изучали ответные реакции микробных комплексов темно-серой почвы участков (ЭУ 23-26) смешанного сосново-березового леса, разной степени

загрязнения выбросами (фторидами) КрАЗа. Показано, что загрязнение почвы фтором подавляет развитие различных таксономических групп микроорганизмов, снижая их численность по сравнению с контролем (табл. 5).

Таблица 5. Численность бактерий (Б), актиномицетов (А) и грибов (Г) в темно-серой почве (0-20 см) в зависимости от расстояния источника загрязнения (КРАЗа) и содержания фтора (Fcón) (Сорокин и др., 2005)

| ЭУ ' км от i КрАЗа F«™, мг /кг (градация) Численность, тыс. КОЕ / г почвы (% от общей)

Б А Г Б + А + Г Б/Г

! 23/ 3 > 800 (недопустимая) 645(94) 11(1.3) 52 (4.7) 656 + 87 12.6

24/ 7 500-800 (критическая) 990 (95) 46(1.5) 27.4 (3.5}_ 1036+150 37.8

1 25/ 20 0-500 (допустимая) 2787 (97) 39(1.5) 25.1 (1.5) 2826 +650 113.0

Наиболее чувствительны к фтору оказались споровые бактерии. Более устойчивы - микроскопические грибы. Количественное соотношение бактерий и грибов в почвах использовали в качестве критерия оценки их техногенного загрязнения, чем меньше величина этого показателя, тем больше загрязнение почвы. В модельных опытах (20 км от КРАЗа) по влиянию различных загрязнителей (HF, NaF и Na2S03) на рост и развитие тестовых споровых бактерий Bacillus subtilis установлено, что предельно допустимая доза (ПДД) NaF для бацилл составила 700, Na:S03 - 150, а смеси NaF и Na2S03 - 500 мг / кг почвы, для HF - всего 50 мг / кг почвы. Показано, чем выше концентрация загрязнителя, тем меньше численность вегетативных клеток, при этом число споровых форм достоверно не менялось. Отмечены и морфологические изменения клеток, которые выражались в их увеличении в 1.5-2.0 раза.

Влияние химических загрязнителей на почвенное микробное сообщество естественных экосистем (модельные опыты, Погорельский Бор)

В лиственничнике мертвопокровном (ОЭХ ИЛ «Погорельский Бор») на темно-серых почвах в модельных природных экспериментах исследовали влияние фтор- и серосодержащих соединений и тяжелых металлов (поллютанты промышленных выбросов предприятий г. Красноярска) на состояние микробных сообществ. Определяли буферные возможности почвы и устойчивость микробоценозов каждого участка к воздействию Na2S03, NaF, Na2S03+NaF и Cu(N03)2, Pb(N03)2, NiS04. Варьировали концентрации загрязнителей и частоту обработки участков. Водные растворы фтористого и сернисто-кислого натрия вносили на поверхность почвы (1м) методом распыления: в 2007 г. - одноразовое внесение повышенных доз (30, 150, 300 ПДК - 1.98; 9.9; 19.8 и 60, 300, 600 мг/м2, соответственно), в 2006, 2008 г. -ежемесячное внесение умеренных и малых доз (10, 50, 100 ПДК - 0.66; 6.6 и 20, 100, 200 мг/м2, соответственно), количество воды для распыления, соответствовало месячной норме осадков. Тяжелые металлы вносили один раз равномерно на поверхность подстилки (1 м2) в виде водного раствора солей (Си, Pb, Ni) 10, 25 и 50 ПДК. Контролем служили участки лиственничника без внесения загрязняющих веществ.

Одним из основных показателей, характеризующих отношение почв к загрязнению фторидами, является кислотно-основная буферность, которую оценивали систематически, до и после внесения поллютантов, с интервалом в 10-15 дней. Установлено, что после внесения повышенных доз фтористых и сернистых солей натрия (2007 г.) на исследуемые участки pH среды достоверно различалась (р = 0.001) в июле и августе относительно июня, в то время как в 2008 г. достоверных

различий не обнаружено. По шкале буферной оценки В.Б. Ильина (Ильин, 1995) почва лиственничника мертвопокровного оценена в 31 балл и обладает повышенной буферностью.

При одноразовом внесении высоких концентраций загрязнителей Na2S03, NaF, Na2S03+NaF (30, 150 и 300 ПДК) (2007 г.), общая биологическая активность почвенных микробоценозов на ЭУ снизилась (суммарная численность ЭКТГМ, ФА, МБ), но из-за подкисления почвы увеличилось число микромицетов. К концу вегетации, с ослаблением действия поллютантов, снизилась кислотность почвы, и общая суммарная численность микроорганизмов восстановилась. Ежемесячная обработка почв более низкими дозами загрязнителей (2008 г.) увеличивала почвенную буферность и способствовала возрастанию численности основных ЭКТГМ (в 4-16 раз), которые быстро адаптировались к поллютантам. Наиболее чувствительными к обработке фтористыми и сернистыми солями оказались споровые бактерии p. Clostridium, численность которых изменялась в зависимости от доз поллютантов. Концентрации солей в 100 ПДК, а особенно их смеси, существенно снижали количество клостридий (100 ПДК Na2S03 + NaF - 30, контроль - 4.7x10 КОЕ/ г почвы), по сравнению с контролем. Реакция популяции p. Clostridium на загрязнение наглядно отражает взаимосвязь «доза-эффект».

Ферментативная активность (каталаза, инвертаза, протеаза и уреаза) почвы участков лиственничника мертвопокровного достоверно снижалась после внесения высоких доз загрязнителей (30, 150 и 300 ПДК). В течение двух лет (2007-2008 гг.) в почве ЭУ количество каталазы уменьшилось в 1.2-2.2 раза (R2 = 0.034) протеазы - в 1.3 раза (R2 = 0.2), уреазы - в 1.9-2.7 раз (R2 = 0.25) по сравнению с контролем. Небольшие дозы поллютантов (10-50 ПДК) приводили к увеличению активности каталазы, протеазы и инвертазы.

Дыхательный отклик микробных сообществ (МБ, БД, <?С02) на внесение поллютантов был различным и зависел от их концентрации. Повышенные «залповые» дозы (2007 г.) существенно снижали МБ (150 и 300 ПДК), увеличивали дыхание (БД) и qC02- При ежемесячных обработках почвы солями натрия более низких концентраций (2008 г.) отмечали увеличение МБ после первого внесения. Вторая обработка достоверно снизила МБ в 2-5 раз на всех участках (рис. 4 А, Б).

Рисунок 4. Изменение содержания микробной биомассы (МБ) темно-серой почвы лиственничника мертвопокровного при загрязнении ЫаР, №2БОз и ЫаР+Ыа230з (разные ПДК) в течение двух вегетационных сезонов [А- 2007 г., Б - 2008 г.]

К концу вегетационного периода функционирование микробных сообществ стабилизируется, величины <?С02 становятся сравнимы с таковыми в начале опыта. Следовательно, спустя два месяца после обработки исследуемых участков солями натрия регистрировали восстановление их экофизиологического статуса вследствие

адаптации микробоценозов и естественного самоочищения почвы. Показано, что в небольших количествах фтор- и серосодержащие соли натрия используются микроорганизмами как дополнительный источник питания, не причиняя вреда. Первоначальное внесение солевых растворов вызывало активизацию процессов, направленных на утилизацию их микробным почвенным комплексом, при последующих внесениях поллютантов происходило их накопление и устойчивость микробоценозов снижалась, о чем свидетельствует увеличивающийся микробный метаболический коэффициент. Однако изменения происходили в пределах природной вариабельности, и критических нарушений устойчивости почвенного сообщества зафиксировано не было.

Влияние тяжелых металлов (Ni, Си, РЬ) на дыхательную активность и биомассу почвенных микроорганизмов лиственничника мертвонокровного

Реакция микроорганизмов на действие тяжелых металлов (ТМ) зависит также от буферное™ почвы (рН), температуры, содержания органического вещества и адсорбентов. Избыток ТМ играет роль селективного фактора, отбирающего наиболее приспособленные к ним организмы. Оценивали интенсивность почвенного дыхания (БД), содержание микробной биомассы (МБ) и динамику изменения микробного метаболического коэффициента (qC02) на однократное внесение солей меди (Си), свинца (РЬ) и никеля (Ni) в 10, 25 и 50 ПДК. Влияние разных концентраций ТМ, а также фиксация их вымывания, позволили оценить временной период «возвращения» микробного сообщества в исходное состояние. Взаимосвязь между валовым содержанием ТМ в почве и микробиологическими параметрами (МБ, БД) не установлена, следовательно, соли ТМ в 10, 25 и 50 ПДК не были токсичны для микробоценоза в целом. Однако отмечено изменение показателя q С02 в обработанной ТМ почве. Оказалось, что на варьирование микробного метаболического коэффициента большее влияние оказывали соли меди и свинца (все концентрации), но через 54 суток после внесения значения ^С02 не отличались от контроля, что может свидетельствовать о стабилизации микробных сообществ опытных участков после такого воздействия.

Таким образом, темно-серая почва лиственничника мертвопокровного Погорельского Бора характеризуется повышенной буферностью (31 балл), стабильным гидрохимическим состоянием при воздействии на нее сернистых и фтористых солей натрия и тяжелых металлов разной концентрации. Внесение поллютантов не повлияло на структурные изменения и перераспределение доминантных ЭКТГМ, показатели их численности, варьировавшие в широком диапазоне, оставались в пределах природных норм. Релаксация микробоценозов лиственничника зафиксирована через два месяца после прекращения внесения фтористых и сернистых солей натрия и год после внесения ТМ, что свидетельствует об устойчивости почвенных микробных комплексов.

Наиболее чувствительными, индикационными критериями на внесение загрязнителей в почвы опытных участков лиственничника мертвопокровного оказались: реакция популяции споровых бактерий (p. Clostridium) и дыхательный отклик гетеротрофного микробного комплекса (МБ, БД, qCOj).

4.3. Сук-цессионные изменения почвенных микробных сообществ техногенно преобразованных экосистем (Бородинский угольный разрез)

Посттехногенный ландшафт, представленный отвалами вскрышных пород, служит удобной моделью для исследования скорости и направления процессов лесо-и почвообразования, связанных с ними микробиологических и биохимических

процессов. Уровень плодородия отвалов частично наследуется от пород и активно наращивается в результате микробиологических процессов разложения поступающей органики.

На отвалах вскрышных пород Бородинского угольного разреза изучены ответные реакции микроорганизмов на сукцессионные изменения формирующихся почв в зависимости от агрохимических показателей. Исследовали участки отвалов различного возраста (7-27 лет) и окультуренности. Зональные серые лесные, черноземные и агрочерноземные почвы участков леса, оврага и залежи служили контролем. Агрохимические показатели (гумус, азот, фосфор, калий) и микробиологическая активность (ЭКТГМ, МБ, БД) зональных почв высокие, обусловлены общими закономерностями вертикальной стратификации и распределением поступающих в почву растительных остатков, характерных для почв автоморфного ряда. Ферментативная активность, соотношение микробного углерода к органическому (Смик/Сорг) убывают вниз по профилю. Показатель <-/С02 свидетельствует об устойчивом состоянии микробоценозов зональных почв контрольных участков, их экофизиологической стабильности (табл. 6).

В техногенно-поверхностных образованиях (ТПО) отвалов не сформированы генетические горизонты, т.к. они не являются почвами в классическом понимании, но в реплантоземах резко разграничены два слоя: насыпной гумусовый и вскрышные породы, в которых вследствие примеси угольной пыли и гумусированных включений отмечено большое содержание органики. Показано, что вскрышные породы отвалов Бородинского угольного разреза обладают исходными элементами плодородия и способны обеспечить питательными веществами растения на первых этапах сукцессии. Важнейшими показателями скорости восстановления ТПО являются динамика численности ЭКТГМ, ферментативная активность, Сммк, МБ , дС02.

Таблица 6. Микробиологическая и ферментативная активность зональных почв и ТПО Бородинского угольного разреза (0-10 см). Средние за период вегетации 2010 г.

ЭУ, 1 Ферменты*, ед. фермента (лет) ! У 1 П ! И 1 К Кмин Колиг МБ, мкг С / г чсо2, БД/МБ С / Сорг, %

Контроль

Лес. 51 2.94 0.10 33.6 0.07 0.57 0.77 634 2.2 9.9

Залежь, 52 2.16 0.08 41.2 0.08 1.08 1.1 502 2.4 9.3

Литостраты

55 (27) 3.84 0.18 17.5 0.05 1.15 2.1 428 3.3 2.2

57(15) 1.56 0.06 31.4 0.06 0.79 1.96 170 5.4 2.8

61 (18) 1,68 0.08 38.9 0.06 0.85 2.37 598 5.3 4.1

62(18) 1.68 0.40 30.0 0.06 1.15 2.37 380 9.2 1.5

Реплантозёмы

56(27) 3.12 0.10 38.1 0.07 3.36 1.32 721 2.8 4.5

58(15) 2.1 0.09 35.5 0.06 2.54 1.28 866 3.2 5.1

60(18) 3.0 0.19 42.8 0.07 2.67 1.82 564 3.2 3.5

63 (7) 1.92 0.09 39.0 0.07 2.36 1.38 757 4.3 4.6

* У, уреаза П, протеаза, К, каталаза, И, инвертаза

Морфология изучаемых литостратов зависит от их биологического возраста, состава слагающих пород и уклона поверхности. Восстановление растительного и почвенного покрова на выровненных отвалах происходит гораздо быстрее, так, на 27-летнем участке, растительный покров которого представлен осинником, со временем сформировался мозаичный слой слаборазложившейся подстилки, грубогумусовый

горизонт морфологически хорошо различим, «молодой» гумус высоко подвижен и его потёки распространяются на слой насыпанной породы до глубины 6 (14) см.

Химические свойства плодородного насыпанного слоя реплантоземов сохраняются практически неизменными (по глубине и со временем). Однако верхний 2-3 см слой, который спустя 27 лет осваивается корнями дерновинных злаков, оструктуривается и отличается большим, по сравнению с «молодыми» (7- и 15-летними) реплантозёмами, накоплением Сорг, валовых форм азота и фосфора. Содержание гумуса в верхнем (0-20 см) слое насыпных почв характеризуется как среднее и высокое. Процессы восстановления почвенного покрова протекают активно, на 27-летнем участке сформирован новый гумусовый горизонт (2-3 см).

В литостратах отмечено доминирование грамотрицательных бактерий над грамположительными, олиготрофные процессы преобладают над минерализационными, что выражается в более высоких Колиг, чем Кмин в 1.8-3.0 раза. В реплантоземах ярко выражена интенсивность минерализационных процессов, коэффициенты минерализации (КМИн) насыпных почв в 1.5-2.5 раза превышают таковые зональных. В них отмечено преобладание грамположительных бактерий (68%). По степени обогащенности почв ферментами реплантоземы отнесены к средне обогащенным, а литостраты к бедным (табл. 6). Микробная биомасса в реплантоземах выше, чем в литостратах и зональных почвах (рис. 5 А), экофизиологический статус их микробных сообществ более стабилен, чем у литостратов, и сравним с зональными почвами, о чем свидетельствуют величины микробного метаболического коэффициента (<?С02) (рис. 5 Б). На реплантоземах всех возрастов естественного лесовозобновления не происходит, идут сукцессии травянистой растительности.

Методом главных компонент показано, что микробиологические процессы в почвогрунтах разной степени окультуренности протекают разными путями: микробоценозы реплантоземов, в большей или меньшей степени, развиваются по типу агроценозов и близки к контрольной залежи с вероятностью 59%.

1000 Д 10. 5

эоо Т 9 :

£ 1 i "I - я I

I '' | ill " 1 "

у . w «э со со I ю со : f- ° о ' J> N. i и» со со ъ. «> ! оо с-

* I С ф

5 лет лет ™

лет лет

Контроль Литостраты Реплантоземы Контроль Литостраты Реплантаземы

Рисунок 5. Изменение микробной биомассы (МБ) [А] и микробного метаболического коэффициента (дССЬ) [Б] в зональных почвах и техноземах Бородинского разреза

Микробные сообщества литостратов развиваются по особому типу и связаны с процессами лесовозобновления. Вероятно, что на месте 27- и 18- летних участков будет либо смешанный (осиново-сосновый) лес, либо сосняк с примесью кедра. Отмечено, что микробные сообщества всех исследуемых участков далеки по особенностям своего функционирования от контрольного лесного участка .

Таким образом, восстановление микробоценозов на отвалах вскрышных пород зависит от способа формирования, состава слагающих пород, уклона поверхности, биологического возраста, сукцессий наземной растительности. Рекультивационные

Luil

работы ускоряют формирование устойчивых микробных сообществ в почвогрунтах. Эколого-микробиологическими индикаторами, отражающими скорость восстановления ТПО, являются динамика численности ЭКТГМ, К0лиг, Кмин, ФА, Смик, МБ и <?С02.

ГЛАВА V. МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ АГРОПОЧВ ЛЕСНЫХ ПИТОМНИКОВ СИБИРИ. ИСКУССТВЕННЫЕ

АГРОФИТОЦЕНОЗЫ

5.1. Структура и состав микробных сообществ в агропочвах лесопитомников

Агрогенно-преобразованные почвы лесных питомников Красноярского края (Ермаковский, Верх-Казанский, Таловский, Иланский) и Хакасии (Озерский), находящиеся в разных природных зонах Сибири, обладают общими объединяющими их чертами: неплохими физико-химическими свойствами, наличием в посевах монокультуры, интенсивностью минерализационных процессов за счет высокого числа ЭКТГМ. В целом, агропочвы питомников можно отнести к плодородным. С другой стороны, питомники существенно отличаются друг от друга по биоклиматическим условиям формирования, типу почвообразовательных процессов, теплообеспеченности, трофическим условиям, и агротехническим приемам обработки. В комплексе эти факторы оказывают существенное влияние на структурно-динамические и функциональные особенности микробоценозов, на питательный режим агропочв исследуемых питомников.

5.2. Микробные сукцессии в агропочвах лесных питомников

Ежегодный мониторинг (2004-2012 гг.) сукцессий почвенных микробоценозов в ризосфере сеянцев хвойных лесных питомников Красноярского края и Хакасии показал, что изменение численности ЭКТГМ в течение нескольких вегетационных сезонов связано с варьированием вида и возраста сеянцев. Изменения микроорганизмов в агропочвах под разными видами сеянцев хвойных оценивали с помощью коэффициента сукцессии (Ксукц)- Известно, что для зрелых (ненарушенных) сообществ КСукц возрастает, а для молодых уменьшается (Одум, 1986). Низкие значения КСукц указывают на начальные этапы сукцессии. В течение нескольких лет (2005-2012 гг.) КСУКц менял свои значения в зависимости от вида сеянцев, и в среднем оставался на одном и том же уровне: в Ермаковском - от 11 до 15, Озерском - 13-15, Верх-Казанском - 9-11. что свидетельствует о неспособности к гумусонакоплению и развитии данных сообществ по типу «молодых».

Не менее важными индикационными характеристиками агропочв являются перераспределение доминантных групп основных представителей микробоценоза и ферментативная активность. Так, в течение вегетационного периода регистрировали сезонное изменение количественного соотношения бактерий, актиномицетов и грибов под сеянцами хвойных. В Озерском лесопитомнике в минерализационных процессах основная роль принадлежит бактериальному (бактериально-актиномицетному), в Ермаковском и Верх-Казанском - бактериальному и грибному комплексам. Активность ферментов в агропочвах питомников, так же как и численность микроорганизмов, подвержена сезонным колебаниям. Увеличение активности оксидаз и гидролаз происходит к августу, что сопряжено с интенсификацией микробиологической деятельности. В целом, агропочвы изученных питомников по обеспеченности ферментами можно отнести к «средне обогащенным» (табл. 7).

Следовательно, напряженность биологических процессов зависит как от особенностей самих агропочв, содержания в них отдельных питательных элементов, так и от вида сеянцев, их физиологических и биологических особенностей.

Основными показателями, отражающими интенсивность микробных сукцессии, являются гетерохронность и динамика почвенного микробного сообщества, выраженные в функциональных и структурных особенностях ЭКТГМ, сбалансированности процессов синтеза и деструкции органических веществ, ферментативной активности, распределении и соотношении в микробоценозах прокариотной и эукариотной микробиоты (табл.7).

Таблица 7. Показатели микробных сукцессий (за 3 года) в агрочерноземе оподзоленном (Ермаковский), агролугово-черноземной (Озерский) и агротемно-серой слабооподзоленной почве (Верх-Казанский) лесопитомников Сибири

Лесопитомник, (ЭУ) Кмин Ксукц ЭКТГМ, млн КОЕ / г почвы Бактерии / Грибы ФА

МПА КАА ПА

Ермаковский (66) 3.3-1.9 И 12.3-1.8 28.8-3.6 1.2-2.1 2.1-10.6 Средняя

Верх-Казанский (65) 1.3-0.9 9 7.5-0.9 7.5-2.2 04-0.7 1.5-3.0 Средняя

Озерский(69) 1.1-2.3 13 14.5-7.3 20.9-4.5 13.5-11.1 2.5-11.3 Средняя

Сравнение скорости микробных сукцессий в агрогенно-преобразованных почвах питомников разных биоклиматических зон Приенисейской Сибири показало повышенный адаптивный потенциал у микробных сообществ степной зоны Хакасии (Озерский) и лесостепной зоны юга Красноярского края (Ермаковский). 5.3. Оценка экофизиологичсского состояния почвенных микробоценозов лесопитомников

Экофизиологическое состояние почвенных микробоценозов в лесных питомниках (МБ, БД, дС02) менялось в зависимости от агротехнических приемов возделывания. Так, в Ермаковском лесопитомнике, за период наблюдений (2005-2009 гг.), установлено снижение микробной биомассы (МБ), интенсивности дыхания (БД) I и дС02 (в 8, 135, 27 раз, соответственно), что свидетельствует об уменьшении ^ содержания питательных элементов (органических и минеральных) и, тем самым, истощении почвенного плодородия (рис. 6 А, Б). I

В Озерском питомнике за несколько лет (2008-2012 гг.) микробная биомасса снизилась в 2.2 раза (Я2=0.5), но показатели БД и ^С02 возросли в 8 (Я2=0.7) и 17 раз (К2=0.95), соответственно, что свидетельствует о проявлении стрессового фактора (загрязнение токсическими веществами) в почвенном микробном сообществе.

1200 д

10ОО

3 ЩЛ LO

1 400 1 Ц É\!/0H г

7 .1-1 I

Июнь Август Июнь Август Июнь Август

200S И*» 2009 ги5 2006 2009

Рисунок 6. Изменение содержания микробной биомассы (МБ) [А] и qCОг [Б] в агрочерноземе оподзоленном Ермаковского питомника в разные годы наблюдения (R -величина достоверности аппроксимации)

Следовательно, систематическое антропогенное воздействие на почвы лесопитомников приводит к усилению стрессовой нагрузки на микробные

6.2. Микромицеты - возбудители заболеваний сеянцев хвойных в лесопитомниках

Существенную роль в возникновении инфекционного полегания растений играют фитопатогенные микромицеты. Многолетний мониторинг состояния сеянцев хвойных в лесных питомниках выявил наиболее типичные и часто встречающиеся грибные заболевания (микозы). Собственно полегание всходов и молодых сеянцев (< 3-х недель), а также загнивание корешков и периферических частей растения (поздние стадии) вызывают грибы рода Fusarium (F. avenaceum, F. sporotrichiella, F. oxysporum), видовой состав которых зависит от почвенно-климатических условий. Поражение ассимиляционного аппарата сеянцев хвойных первого года жизни вызывают грибы Alternaría и Cladosporium (A. alternate, A. geophila, A. solani, С. cladosporioides, С. herbarum).

Сеянцы 2-х и 3-х летнего возраста, имеющие иммунитет к фузариозу и альтернариозу, поражаются различными шютге. Одна из причин преждевременного опадения хвои у сеянцев сосны и кедра Верх-Казанского, Ермаковского и Озерского питомников - обыкновенное шютте (Lophodermium pinastri Chev.), в Ермаковском лесопитомнике встречается шютге лиственницы (мириоз), вызываемое грибом Meria laricis Vuill.; в Таловском питомнике сеянцы сосны поражает микромицет Lophodermium seditiosum Mint., Stal. et Millar (настоящее шютте). В Озерском лесном питомнике на 4-летних сеянцах сосны обыкновенной впервые было обнаружено заболевание хвои (поражение до 70%) фитопатогенным аскомицетом Cyclaneusma minus (Butin). В Ермаковском и Уярском лесопитомниках регистрировали заболевание хвои сосны снежным шютге (фацидиоз) (возбудитель Phacidium infestans Karst).

6.3. Заболевание древостосв кедровых сосен в географических культурах

Установлена причина усыхания географических культур (созданы в 1983 г.) кедра сибирского (Pinus sibirica Du Tour) и кедра корейского {Pinus koraiensis Siebold et Zucc.) в Ермаковском лесхозе (предгорье Западного Саяна). Усыханию в наибольшей степени подвергся древостой кедра сибирского кемеровского климатипа, более ослабленный в период раннего онтогенеза. Возбудителем усыхания хвои является плодосумчатый гриб-дискомицет Hypodermella sulcigena (серое шютге). Наилучшая сохранность (59%) и устойчивость к серому шютте отмечена у интродуцентов кедра корейского (Pinus koraiensis Siebold et Zucc.), наименьшая (2%) - у кедра сибирского кемеровского климатипа.

Таким образом, в агропочвах лесопитомников образуются условия для появления различных инфекционных заболеваний сеянцев - бактериозов и микозов. Установлено, что на фоне увеличения удельного микробного дыхания (qC02) в агропочвах возрастает и фитопатологическая нагрузка. Выращивание посадочного материала хвойных приводит не к обогащению почвы питомников новыми видами микроорганизмов, а к изменению частоты их встречаемости. Следовательно, многолетнее выращивание монокультуры на одной и той же почве, в условиях лесных питомников и на экспериментальных площадях с географическими культурами, приводит не только к систематическим заболеваниям разновозрастных сеянцев хвойных, но и к появлению разрушительных эпифитотий во взрослых древостоях. ГЛАВА VII. БИОРЕМЕДИАЦИЯ ПОЧВ И ЗАЩИТА СЕЯНЦЕВ ХВОЙНЫХ В ЛЕСНЫХ ПИТОМНИКАХ СИБИРИ

В связи с задачами лесного хозяйства по выращиванию лесопосадочного материала в искусственных агрофитоценозах не исчезает необходимость

использования пестицидов разнообразного спектра действия, несмотря на то, что их длительное применение в питомниках приводит к увеличению инфекционной нагрузки, ухудшению фитосанитарного состояния агропочв и снижению их лесорастительной способности. В связи с этим необходим интегрированный подход, основанный на оптимизации технологий в применении химических препаратов и биологических агентов (регулирующих экологические пороги вредоносности), проведении локальных обработок, совмещении в одном технологическом процессе борьбы различных методов против комплекса вредителей и болезней. Особенно важно найти способ регулирования численности фитопатогенов, не нарушая сложившийся комплекс почвенных микроорганизмов.

В разделе 7.1 показана возможность постепенного (контролируемого) выхода пестицидов (хлорциклогексана (ГХЦГ) и линдана) в почву без угнетения микробного сообщества. Совместно с коллегами из института биофизики (ИБФ СО РАН) испытывали экологически безопасные препараты нового поколения из биоразрушающихся полимерных матриксов - полигидроксиалканоатов (ПГА), созданных на основе штамма Wautersia eutropha ВКПМ-5786 д.б.н., проф. Т.Г. Воловой с коллегами (2006), нагруженных пестицидами. Установлено, что выход пестицидов, включенных в резорбируемый (разлагаемый) полимерный матрикс из ПГА, в окружающую среду происходит постепенно на фоне разрушения полимера почвенной микробиотой с низкими скоростями и без резких выбросов. Варьируя соотношение полимер / препарат в форме, можно регулировать скорость выхода пестицидов, не нарушая экофизиологическую устойчивость почвенных микробоценозов.

7.2. Использование микробов-интродуцентов в биоремедиации почв лесопитомников

Микробные комплексы перспективны не только в биоиндикации и мониторинге состояния и лесорастительной способности, но и в биоремедиации почв. Биоремедиация почвенного покрова способствует восстановлению изначальной почвенной микробиоты. Одним из основных вариантов биоремедиации является биоаугментация - внесение в загрязненную почву относительно большого количества специализированных экзогенных микроорганизмов-интродуцентов. В основе микробиологической биоремедиации лежит использование микробного антагонизма.

В многочисленных лабораторных опытах показано, что высокой антибиотической активностью по отношению к фитопатогенным микромицетам обладали аборигенные бактерии Bacillus circulons, Вас. mesentericus, Вас. subtilis, Pseudomonas aeruginosa, Ps. putida, Ps. sp., Actinomyces griseus, A. violaceus, грибы Pénicillium chrysogenum, Trichoderma viride, биопрепарат лТриходермин», которые характеризовались широким спектром антифунгального действия, обуславливая задержку роста тест-культур грибов р. Fusarium (до 45 мм в диаметре).

Для полевых испытаний были отобраны наиболее активные штаммы микроорганизмов и заложены временные опытные участки (ЭУ 67-74) на территории Погорельского стационара ИЛ СО РАН и в лесных питомниках. На посевных делянах Верх-Казанского и Ермаковского лесопитомников испытывали влияние штаммов триходермы на изменения в составе нативных почвенных микромицетов. Внесение спор Т. viride (титр 108 спор / м2) изменяло динамику численности микромицетов в почвах питомников, особенно в период интенсивного развития интродуцента. Первоначальная численность триходермы составила 59.6%, в контроле не превышала 5% от общего количества выделенных микромицетов. Степень и

продолжительность депрессии в развитии микромицетов довольно значительно различались по типам почв. Так, в агрочерноземе оподзоленном (Ермаковский) при внесении Т. viride восстановление численности до уровня контрольных вариантов наблюдали в начале июля, а в агротемно-серой почве (Верх-Казанский) - в августе. Уменьшение обшей численности микромицетов связано с представителями рр. Cladosporium (23.4 раза), Alternaria (7.5 раза), Fusarium (2.3 раза). При этом наряду с резким увеличением численности Т. viride, отмечено возрастание численности грибов рода Penicillium {Р. islandicum., Р. verticulatum, Р. spinulosum). В обоих типах почв численность и разнообразие грибов в дальнейшем устанавливалась на более высоком, по сравнению с контролем, уровне. Следовательно, интродуцированные штаммы грибов р. Trichoderma повышали видовое разнообразие почвенных микромицетов и улучшали в целом экофизиологическое состояние агропочв питомников.

Микробов-антагонистов можно вносить не только в почву, но и в филлосферу растений. Проведенные исследования по одновременному внесению суспензий фитопатогенных бактерий (Ps. syringae) и бактерий-антагонистов (Ps. aureofaciens + Ps.fluorescens) в зону филлосферы 3-х летних сеянцев сосны обыкновенной показали отчетливое угнетение фитопатогенов, вплоть-до полного подавления их роста на 2025 сутки. Проявлений бактериоза в следующем вегетационном сезоне в филлоефере сеянцев сосны не было обнаружено.

Эффект от интродукции микроорганизмов в почву длится непродолжительное время, т.к. любая внесенная популяция довольно быстро элиминируется почвенным микробным сообществом. В течение трех лет (2010-2012 гг.), в рамках задач по биоремедиации и. лесозащите, проводили эксперименты по внесению-грибов-антагонистов Т. harzianum (штамм «Универсальный», получен от д.б.н.. проф. Т.И. Громовых) в почву вместе с древесными субстратами (опилки и микокомпост) для сохранности и улучшения условий обитания грибов-интродуцентов. Опыты по приживаемости триходермы с опилками и микокомпостом проводили в темно-серой лесной почве сосняка- разнотравного Погорельского Бора, а затем и на экспериментальном питомнике, где выращивали сеянцы сосны обыкновенной (Pinux sylvestris L.). Водную суспензию спор Т. harzianum (титр 109 спор / мл), вносили в почву опытных участков в период массовых всходов сосны. Лучшую сохранность интродуценга наблюдали в варианте с микокомпостом в течение периода вегетации (табл. 8). Добавление триходермы к микокомпосту (Т+М) оказывало положительное влияние на количество и качество жизнеспособных сеянцев, которых в конце вегетационного периода было на 44% больше, чем в контроле.

Таблица 8. Сохранность Trichoderma harzianum в течение вегетационного периода (2010г.)

Вариант опыта Численность Trichoderma harzianum (млн КОЕ /г )

Июнь Июль Август Сентябрь

Почва + триходерма (П+Т) 4.8 ± 0.2 3.24± 0.4 3.12± 0.9 2.95 ±0.4

Опилки+ триходерма (О+Т) 4.8 ±0.2 1.08 ±0.1 0.41± 0.2 0.94± 0.2

Микокомпост+триходерма (М+Т) 4.8 ±0.2 3.31 ±0.2 3.4 ±0.9 4.02± 0.5

Таким образом, грибы р. Trichoderma и бактерии р. Pseudomonas проявляют высокую антагонистическую активность ко многим фитопатогенным микроорганизмам, что позволяет считать их интродукцию фактором санитарного оздоровления окружающей среды. Внесение в почву микробных агентов (бактерий, грибов) вместе с поддерживающим древесным субстратом увеличивает сохранность и активность популяции интродуцента на протяжении периода вегетации.

7.3. Влияние химического и биологического способов обработки на проращивание семян хвойных в лесопитомниках

В лесном хозяйстве используют различные способы предпосевной обработки семян хвойных микроэлементами, которые активизируют ферменты, ускоряют рост и развитие сеянцев, повышают их устойчивость к неблагоприятным условиям внешней среды. На территории Ермаковского ОЭП и дендрария ИЛ СО РАН сравнивали влияние химических и биологических препаратов на рост и развитие хвойных в мелкоделяночных опытах. Проведена простая химическая (растворы микроэлементов^ 0.1% - мочевины и 0.5% - CuS04) и биологическая (водная суспензия спор 10 КОЕ/мл грибов Т. viride и биопрепарата «Триходермин») обработка семян сосны обыкновенной и лиственницы сибирской, которая в разной степени повлияла на фунтовую всхожесть семян и сохранность сеянцев к инфекционному полеганию. Лучшие результаты получены в варианте с Т. viride и триходермином, где грунтовая всхожесть семян превысила контрольную в 2.5 раза и составила 56.3-64.0%, а отпад семян и проростков снизился в 4.0 (Т. viride) и 2.2 («Триходермин») раза, по сравнению с контролем и микроэлементами.

Химические и биологические варианты предпосевной обработки семян улучшали морфометрические показатели сеянцев хвойных (длину эпикотиля, биомассу охвоенной части, диаметр корневой шейки). В большей степени это проявилось в варианте с триходермой, где отмечен лучший, в целом, габитус сеянцев (на 25%), чем в контроле. — -

Следовательно, совместное применение биологических и химических обработок способно оказывать благотворное влияние на рост и развитие растений, а правильно подобранные дозы препаратов не оказывают негативного влияния на почвенные микробоценозы.

7.4. Бактеризация семян хвойных фитопатогеннымн и условно-патогенными бактериями для повышения иммунитета сеянцев

В литературе есть сведения, что при длительном хранении или многочисленных пассажах на культуральных средах некоторые типичные фитопатогенные бактерии рода Pseudomonas теряют вирулентные свойства и ведут себя как сапротрофы, однако при этом не теряют других своих свойств, в частности, ростстимулирующих (Мурас и др., 1983; Яковлева и др., 2002).

Одним из способов защиты сеянцев от инфицирования фитопатогеннымн бактериями и грибами является иммунизация семян перед посевом тщательно подобранными концентрациями метаболитов условно-патогенных и слабо вирулентных фитопатогенных бактерий. С целью повышения иммунитета сеянцев хвойных к инфекционным заболеваниям проведены исследования, связанные с бактеризацией семян перед посевом водными суспензиями аборигенных штаммов ослабленных фитопатогенных бактерий, что в перспективе позволит исключить применение фунгицидов. Изоляты фитопатогенных бактерий, выделенные из корневой системы, стебля и хвои больных и погибших сеянцев хвойных, в течение нескольких лет хранились в музее культур Института леса им. В.Н. Сукачева СО РАН.

В лабораторных условиях метаболиты ослабленных патогенных бактерий X. campesrtris (МП) и Ps. syringae (№3) оказывали небольшое стимулирующее влияние на рост семян сосны. В мелкоделяночных опытах изучена вирулентность этих же бактерий на прорастание семян и выживаемость проростков сосны обыкновенной и лиственницы сибирской. Показано, что грунтовая всхожесть семян сосны,

обработанной суспензиями некоторых бактериальных культур, была выше таковой в контроле, однако больший выход сеянцев в конце вегетации был только в варианте со штаммом М14 (Ps. fluorescens). Установлено, что исследуемые штаммы бактерий по-разному влияли на качество проростков: М14 {Ps. fluorescens) и Mll (X. campestris) достоверно повышали морфометрические параметры сеянцев (длину мутовки и количество хвоинок в ней, длину стебелька и главного корня), мощность корневой системы контрольных и опытных сеянцев была одинаковой, что может свидетельствовать о жизнеспособности последних.

Ранее нами было показано, что фитопатогенные бактерии рр. Pseudomonas и Xanthomonas (титр >107-109 КОЕ / мл) вызывали гибель всходов до 60% от контроля (Гродницкая, Гукасян, 1999). Бактеризация семян сосны обыкновенной суспензиями ослабленных штаммов Ps. fluorescens, Ps. syringae и X. campestris (104— 10б КОЕ / мл) увеличивала выживаемость всходов и проростков. Полагаем, что иммунизация семян перед посевом ослабленными штаммами фитопатогенных бактерий способствует устойчивости всходов к инфекционным заболеваниям.

Проведенные исследования нацелены на перспективу использования ослабленных форм фитопатогенных бактерий (определенной концентрации), проявляющих ростстимулирующие свойства, для иммунизации семян хвойных перед посевами в почву питомников, не прибегая к применению химических ядохимикатов (фунгицидов).

7.5. Использование микробов антагонистов в защите сеянцев хвойных от фитопатогеиов в лесных питомниках

В многочисленных лабораторных и мелкоделяночных опытах показана высокая перспективность биологического метода защиты при помощи микробного антагонизма, т.к. антибиотические вещества активных штаммов обладают еще и стимулирующей способностью. Предпосевная обработка семян сосны обыкновенной наиболее активными (в лабораторных опытах) штаммами-антагонистами (Bacillus subtillis, Agrobacterium radiobacter, Pseudomonas aureofaciens, Pseudomonas fluorescens и биопрепарат «Триходермин») повышала грунтовую всхожесть семян, выход жизнеспособных сеянцев, индекс подавления заболеваний (ИПЗ) у сеянцев сосны обыкновенной, и понижала их отпад относительно контроля (табл. 9).

Таблица 9. Влияние предпосевной обработки семян сосны обыкновенной микробами-антагонистами на грунтовую всхожесть (ГВ), отпад (довсходовый и послевсходовый, О) семян и проростков, количество жизнеспособных сеянцев (КЖС) и индекс подавления инфекционных заболеваний (ИПЗ) (р <0.05)

Антагонист (№ штамма) ГВ (%) 0(%) КЖС ИПЗ (%) %к контролю

% штук

Контроль 56 58.3 41.7 50 - 100

Ps. fluorescens (163) 59 41.7 58.3 70 40 140

Ps. aureofaciens (35) 58 40.8 59.2 71 43 142

Ps. fluorescens + Ps. aureofaciens (163+35) 60 25.0 75.0 90 133 180

Вас. subtilis 65 40.0 60.0 72 46 144

Agrobact. radiobacter (B 1218) 60 49.2 50.8 61 19 122

Триходермин 75 40.0 60.0 72 46 144

Почти все культуры повышали биометрические параметры сеянцев в конце вегетации по сравнению с контролем (120-170%), показатель продуктивности (ПП)

при обработке триходермином составлял 1.93, при совместной обработке Pseudomonas (№ 163 + 35) - 1.86, в то время как в контроле не превышал 1.75.

В производственных посевах семян сосны обыкновенной, обработанной сухими спорами биопрепарата «Триходермин» в Иланском лесопитомнике, отмечали повышенный выход сеянцев к концу вегетации на 17-20% по сравнению с контролем. В мелкоделяночных опытах, с внесением водной суспензии гриба Trichoderma viride и биопрепарата «Триходермин» в почву под посевы сосны обыкновенной (методом полива), получили положительные результаты по: увеличению выхода жизнеспособных сеянцев к концу вегетации (в 1.7-3.4 раза), снижению гибели семян и проростков в 1.5-2.0 раза, улучшению морфометрических характеристик сеянцев в 1.5-3.0 раза, по сравнению с контролем.

Таким образом, эффект стимуляции роста и развития семян и сеянцев хвойных в большей степени проявился при обработке грибами Trichoderma (viride, koningii), биопрепаратом «Триходермин», бактериями рр. Bacillus (subtilis, circulans, mesentericus) и Pseudomonas (aeruginosa, aureofaciens, fluorescens).

На основании полученных результатов можно утверждать, что в условиях Сибири интродукция биологически активных аборигенных штаммов микробов-антагонистов, для биовосстановления зараженных и деградированных почв, а также получения качественного лесопосадочного материала является перспективным биологическим направлением, как в биоремедиации почв лесопитомников, так и в защите сеянцев хвойных от болезней. ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Микробными индикационными критериями, характеризующими состояние почв ненарушенных лесных экосистем автоморфного (в том числе криогенные) и гидроморфного почвообразования, могут служить состав и численность ЭКТГМ и ДГ, КМА, МБ, qCOj (QR), ФА, Кмин, K^,,,.. Универсальными микробными индикаторами, с помощью которых можно провести экспресс-анализ состояния почв наземных экосистем и всех типов антропогенных воздействий, являются: шкала численности ЭКТГМ, МБ, ФА, qC02 (QR).

Изменение лесорастительной способности почвы вследствие естественных нарушений экосистем (дефолиация) целесообразно дополнительно оценивать такими микробными показателями, как: ДГ, Кмин, Б / Г, Ф / С.

Для оценки степени влияния техногенных выбросов на почву наиболее адекватными микробными индикаторами являются: Б / Г, РСБ (Bacillus subtilis) на разные дозы загрязнителей. При диагностике лесорастительной оценки и фитосанитарного состояния почв лесопитомников специфическими показателями ЯВЛЯЮТСЯ Ксукц, Ф / С.

Микробиологическая биоремедиация почвенного покрова в лесных питомниках Сибири осуществляется с помощью внесения микробных агентов (антагонистов), которые способствуют восстановлению нативной почвенной микробиоты за счет повышения видового разнообразия бактерий и микромицетов сапротрофного комплекса, подавления численности фитопатогенов; улучшают фитосанитарное состояние почвы, снижают уровень инфекционного полегания сеянцев хвойных, повышают выход качественного лесопосадочного материала.

На основе многолетних результатов получена Комплексная схема микробиологической индикации и биорсмедиацни антропогенно нарушенных элементов лесных экосистем

Микробиологическая индикация

Численность эколого-трофических групп микроорганизмов (ЭКТГМ)

Коэффициент микробиологической активности (Кмд)

Коэффициент сукцессии (Ксукц)

Микробный метаболический коэффициент (дС02)

Микробная биомасса (МБ), интенсивность дыхания (БД)

Фактор воздействия

Биоремедиация

Интродукция специализированных экзогенных микроорганизмов

Изменение почвенной микробиоты

Улучшение фитосанитарного состояния почвы

(интродуценты - микромицеть; из pp.Tr/cftoc/erma и бактерии из рр. Bacillus, Pseudomonas, Хснижающие численность 4 фитопатогенов)

ВЫВОДЫ

1. Впервые в Сибири разработана комплексная схема микробиологической индикации и биоремедиации лесных и лесоболотных почв при различных внешних воздействиях природного и антропогенного характера. Показано, что микробные комплексы служат инструментом диагностики состояния почв лесных экосистем, дают количественную оценку степени нарушения и способности почв к восстановлению. Универсальными оценочными показателями разных типов воздействий на почву являются: величина микробной биомассы (МБ), микробный метаболический коэффициент (<?С02), шкала диапазона численности эколого-трофических групп микроорганизмов (ЭКГТМ). состав доминантных групп и видов

(ДГ).

2. Экстремальные экологические условия развития микробных сообществ в криогенных почвах лиственничных лесов Центральной Эвенкии и гидроморфных лесоболотных Средней и Западной Сибири в 1.5-3.0 раза снижают скорость и меняют направленность биохимических процессов по сравнению с автоморфными почвами средней и южной тайги, вследствие ограниченного развития мезофильных микроорганизмов гидролитического комплекса, доминирования олиготрофных и

психротолерантных грамотрицательных бактерий, но не снижают устойчивость микробоценозов к природным стрессам.

3. Общий пул и численность отдельных эколого-трофических групп микроорганизмов в глубокозалежных торфяниках Сибири не уменьшаются с глубиной, в анаэробных условиях в разложении органики принимают участие факультативно-анаэробные (Clostridium и Cellulomonas) и анаэробные архебактерии (в том числе метаногенные). Из зон устойчивого анаэробиозиса разных типов болот впервые выделены доминантные виды архебактерии, на основе последовательностей гена 16S рРНК определена принадлежность археонов к «Rice Cluster II» (АМ941741, АМ941742 - класс Euryarcheota) и к «Rice Cluster IV» (FM209525 - класс Crenarcheota). Номера археонов (АМ941741, АМ941742, FM209525) занесены в международную базу данных (EMBL/GenBank).

4. В пихтовых лесах, поврежденных сибирским шелкопрядом, поступление массового зоогенного опада, вследствие дефолиации, привело к увеличению содержания органического углерода (Сорг), нитратного и аммонийного азота в 1.6-3.0 раза по сравнению с восстановившимися участками. В микробном комплексе почв усохших шелкопрядников отмечено существенное увеличение грибных популяций, в том числе и фитопатогенных. Установлено ингибирующее влияние метаболитов фитопатогенных микромицетов на прорастание семян пихты, что, наряду с задернением почвы (вследствие изменения светового и водного режимов), отрицательно сказалось на прорастании самосева пихты, естественном лесовозобновлении.

5. Темно-серые лесные почвы в пределах северной лесостепи Красноярского края (Погорельский Бор) обладают повышенной буферностью и высокой устойчивостью микробоценозов к химическим загрязнениям. Внесение в почву лиственничника мертвопокровного различных концентраций растворов солей фтористого, сернисто-кислого натрия и тяжелых металлов Си, Pb, Ni (имитация выбросов промышленных предприятий) способствовало активизации мннерализационных процессов, направленных на утилизацию загрязнителей. Степень и продолжительность нарушения функционирования микробных сообществ зависели от дозы и состава загрязнителя, и регистрировались с помощью микробного метаболического коэффициента (дС02). Процессы самоочищения почвы и адаптация микробных популяций к фтористым и сернистым солям натрия (NaF, Na2SOs) зафиксированы через два месяца, к ТМ через год после внесения.

6. Восстановление экофизиологического статуса микробных сообществ техноземов в лесостепи Средней Сибири (Бородинский угольный разрез) зависит от способа формирования и возраста отвала. С увеличением возраста (20 и более лет) на поверхности отвалов формируется «молодой» гумусовый горизонт (2-6 см). Интенсивность биологических процессов осуществляется по типу зональных почв. Агротехническая рекультивация грунтов способствует увеличению общей микробиологической активности, возникновению устойчивых микробных сообществ. Микробоценозы реплантоземов восстанавливаются по лугово-залежному типу и близки к контрольной залежи с вероятностью в 59%. На литостратах более успешно идут процессы лесовозобновления.

7. Агротехнические приемы возделывания почвы и выращивание монокультуры в лесопитомниках Сибири приводят к нарушению структурно-функционального микробного комплекса, перераспределению эколого-трофических групп микроорганизмов (ЭКТГМ), доминированию резистентных форм

токсинообразующих бактерий и грибов, снижению аборигенных видов. Усиление агрогенной нагрузки на почвы питомников приводит к уменьшению питательных элементов (органических и минеральных), нарастанию олиготрофности, что выражается в резком снижении МБ и увеличении удельной дыхательной активности (дС02) микробных сообществ. Сапротрофные популяции бактерий и микромицетов, обладающие высокой плотностью и агрессивностью, переходят к вынужденному паразитизму и вызывают инфекционные заболевания сеянцев.

8. В лесных питомниках Сибири выявлены бактериальные заболевания и описаны возбудители бактериозов сеянцев разного возраста, вызывающие некротизацию, хлороз (Xanthomonas ampelina), ожог хвои и стволиков (Pseudomonas syringae); поражение корневой системы и оснований стеблей (Bacillus myeoides, В. mesentericus); образование опухолей у прикорневой шейки (Agrobacterium radiobacter, Agrobacterium tumefaciens)\ усыхание верхушечных почек, основания хвои и стебля (Pseudomonasßuorescens)\ сосудистый бактериоз (Ralstonia solanacearum).

9. Определены закономерности появления широко распространенных грибных инфекций у сеянцев хвойных разных видов и возрастов. Выявлено новое заболевание хвои сосны обыкновенной, вызываемое фитопатогенным грибом (Cyclaneusma minus) в Озерском лесном питомнике (Хакасия) и прилегающих искусственных посадках. Установлена причина эпифитотии в географических культурах кедра сибирского (Pinus sibirica) и корейского {Pinus koraiensis), вследствие заболевания серым шютте (Hypodermella sulcigena).

10. Выявлены и испытаны в нарушенных почвах Сибири перспективные штаммы микроорганизмов (бактерии, грибы), обладающие высокой биологической (антагонистической, ростстимулирующей) активностью. Внесенные в агроценозы лесопитомников бактерии рр. Bacillus и Pseudomonas, грибы р. Trichoderma снижали численность фитопатогенных микромицетов (Fusarium, Verticillium, Cladosporium, Phytium, Rhizoctonia) в 2.5-3.5 раза, увеличивали индекс подавления заболеваний (133%), повышали продуктивность и выход здоровых сеянцев хвойных (30-50%). Комплексное внесение микробных агентов с поддерживающим древесным субстратом (микокомпост, опилки) способствует сохранению их численности и активности на протяжении вегетации, ограничению фитопатогенов, и улучшению роста и развития сеянцев хвойных.

Статьи в рецензируемых журналах из списка, утвержденного ВАК:

1. Якименко Е.Е. Инфекционное полегание сеянцев хвойных в лесных питомниках Красноярского края / Е.Е. Якименко, И.Д. Гродницкая // Микология и фитопатология.-1996.-Т. 30, вып. 2. -С. 56-60.

2. Гродннцкая И.Д. Агрохимические и микробиологические свойства почвы лесного питомника на юге Красноярского края / И.Д. Гродннцкая, Е.Е. Якименко // Почвоведение. -1996.-№10.-С. 1247-1253.

3. Гукасян А.Б. Об интродукции микробов-антагонистов в лесные и искусственные биоценозы / А.Б. Гукасян, И.Д. Гродницкая // Защита и карантин растений. - 1998. - № 9. -С. 13-14.

4. Гродницкая И.Д. Бактериальные заболевания сеянцев хвойных в лесных питомниках Средней Сибири / И.Д. Гродницкая, А.Б. Гукасян // Микробиология. - 1999. - Т. 68. - № 2. -С. 227-231.

5. Сорокин Н.Д. Влияние низовых пожаров на биологическую активность криогенных почв севера Сибири / Н.Д. Сорокин, С.Ю. Евграфова, И.Д. Гродннцкая // Почвоведение. - 2000. -№3. - С. 315-319.

6. Якименко Е.Е. Влияние грибов рода Trichoderma на почвенные микромицеты, вызывающие инфекционное полегание сеянцев хвойных в лесных питомниках Сибири / Е.Е. Якименко, И .Д. Гродницкая // Микробиология. - 2000. - Т. 69. - № 6. - С. 850-854.

7. Сорокин Н.Д. Микробиологическая индикация нарушенных лесных экосистем Сибири / Н.Д. Сорокин, А.И. Машанов, Н.В. Пашенова, И.Д. Гродницкая, С.Ю. Евграфова // Лесоведение. -2000. -№2. - С. 3-7.

8. Гродницкая И.Д. Использование микробного антагонизма в защите сеянцев хвойных от инфекционных заболеваний / И.Д. Гродницкая, А.Б. Гукасян // Лесоведение. - № 1. - 2001. -С. 38-42.

9. Сорокин Н.Д. Микробная трансформация углерода в бореальных лесах Сибири / Н.Д. Сорокин, С.Ю. Евграфова, И.Д. Гродницкая, С.Г. Прокушкин // Сибирский экологический журнал. - 2002. - № 3. - С. 325-329.

10. Сорокин Н.Д. Микробиологическая трансформация растительных остатков и динамика углерода в бореальных лесах Сибири / Н.Д. Сорокин, С.Г. Прокушкин, Н.В. Пашенова, С.Ю. Евграфова, И.Д. Гродницкая, Г.Г. Полякова// Лесоведение. - 2003. - № 5. - С. 18-24.

11. Гродницкая И.Д. Почвенно-микробиологический мониторинг лесоболотных экосистем Западной Сибири / И.Д. Гродницкая, Н.Д. Сорокин // Почвоведение. - № 8.- 2004. - С. 945-951.

12. Сорокин Н.Д. Микробиологическая индикация и мониторинг нарушенных лесных экосистем Сибири / Н.Д. Сорокин, С.Ю. Евграфова, Н.В. Пашенова, И.Д. Гродннцкая, Г.Г. Полякова, E.H. Афанасова // Сибирский экологический журнал. - 2005. - № 4. - С. 687-692.

13. Гродннцкая И.Д. Структурно-динамические особенности микробных комплексов как элемент экологического мониторинга лесоболотных экосистем / И.Д. Гродницкая, Н.Д. Сорокин // Сибирский экологический журнал. - 2006. - № 2. - С. 117-123.

14. Гродннцкая И.Д. Использование микромицетов из рода Trichoderma в биоремедиации почв лесопитомников / И.Д. Гродннцкая, Н.Д. Сорокин // Известия РАН. Серия биологическая. - 2006. - № 4. - С. 491 -495.

15. Гродннцкая И.Д. Внесение микробов-интродуцентов в лесные почвы питомников Сибири / И.Д. Гродннцкая, Н.Д. Сорокин // Почвоведение. - № 3. - 2007. - С. 359-364.

16. Гродннцкая И.Д. Оценка состояния микробных сообществ почв в двух типах лесных экосистем Сибири / И.Д. Гродннцкая, Н.Д. Сорокин // Известия РАН. Серия биологическая. -2007,-№5.-С. 676-681.

17. Волова Т.Г. Перспективы использования резорбируемых полиэфиров для конструирования безопасных форм пестицидов / Т.Г. Волова, О.Н. Войнова, Г.С. Калачева, И.Д. Гродннцкая И ДАН. - 2008. - Т. 419. - № 2. - С. 272-275.

18. Сорокин Н.Д. Экологические особенности развития микрофлоры в лесных криогенных почвах Севера Средней Сибири / Н.Д. Сорокин, С.Ю. Евграфова, И.Д. Гродницкая, A.B. Богородская // Сибирский экологический журнал. - 2008. - № 6. - Т. 15. - С. 859-865.

19. Сорокин Н.Д. Экспериментальная оценка устойчивости почвенного микробоценоза при химическом загрязнении / Н.Д. Сорокин, И.Д. Гродннцкая, O.A. Шапченкова, С.Ю. Евграфова // Почвоведение. - 2009. - № 6. - С. 701-707.

20. Гродницкая И.Д. Микробные сообщества и трансформация соединений углерода в болотных почвах таежной зоны (Томская область) / И.Д. Гродницкая, М.Ю. Трусова // Почвоведение. - 2009. -№9. - С. 1099-1107.

21. Войнова О.Н. Микробные полимеры в качестве разрушаемой основы для доставки пестицидов / О.Н. Войнова, Г.С. Калачева, И.Д. Гродннцкая, Т.Г. Волова // Прикладная биохимия и микробиология. - 2009. - Том. 45. - № 4. - С. 427-432.

22. Кузнецова Г.В. Заболевания кедровых сосен в географических культурах / Г.В. Кузнецова, И.Д. Гродницкая // Лесной вестник. Вестник Московского государственного университета леса - 2009. - Вып. 5 (68). - С. 158-161.

23. Евграфова С.Ю. Эмиссия метана с поверхности почвы в тундровых и лесных экосистемах Сибири / С.Ю. Евграфова, И.Д. Гродницкая, Ю.О. Криницын, С.Н. Сырцов, О.В. Масягина II Вестник КрасГАУ. - 2010. - Вып. № 12. - С. 80-86.

24. Гродницкая И.Д. Агрохимические и микробиологические свойства техногенных почв отвалов (Канско-Рыбинская котловина) / И.Д. Гродницкая, О.В. Трефилова, A.C. Шишикин // Почвоведение. - 2010. - № 7. - С. 867-878.

25. Гродницкая И.Д. Использование бактерий-интродуцентов в повышении иммунитета и сохранности сеянцев хвойных в лесопитомниках / И.Д. Гродницкая, Н.Д. Сорокин // Лесоведение. -2010. -№6. - С. 28-32.

26. Гродницкая И.Д. Влияние химических загрязнителей на устойчивость лесных почвенных микробоценозов (природные модельные опыты) / И.Д. Гродницкая, С.Н. Сырцов, Н.Д. Сорокин // Известия РАН. Серия биологическая. -2011. - № 6. - С. 691-702.

27. Гродницкая И.Д. Новое заболевание сеянцев сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.) в лесном питомнике Хакасии / И.Д. Гродницкая, В.А. Сенашова // Защита и карантин растений, - 2012,-№2,- С. 48-50.

28. Гродницкая И.Д. Заболевания Pinus sylvestris L. и Pinus sibirica Du Tour в географических культурах и лесных питомниках Красноярского края и Хакасии / И.Д. Гродницкая, Г.В. Кузнецова // Хвойные бореальной зоны - 2012. - Т. 30. - № 1-2.- С. 55-60.

29. Гродницкая И.Д. Инфекционные заболевания сеянцев хвойных в лесопитомниках Сибири и меры борьбы с ними / И.Д. Гродницкая // Известия Санкт-Петербургской Лесотехнической Академии. Санкт-Петербург. - 2012. - Вып. 200. - С. 253-263.

30. Гродницкая И.Д. Микробная активность торфяных почв заболоченных лиственничников и болота в криолитозоне Центральной Эвенкии / И.Д. Гродницкая, Л.В. Карпенко, A.A. Кнорре, С.Н. Сырцов // Почвоведение. - № 1. - 2013. - С. 67-79.

Другие публикации по теме диссертации:

31. Гродницкий Д.Л. Влияние экскрементов сибирского шелкопряда на всходы пихты сибирской и микробное население почвы / Д.Л. Гродницкий, И.Д. Гродницкая, И.В. Шеин,

B.Г. Разнобарский, A.B. Богородская // Сибирский экологический журнал. Приложение. -2002. -№1.-Т. 9. -С. 53-57.

32. Гродницкая И.Д. Химический состав и микробное население почвы в таежных шелкопрядниках / И.Д. Гродницкая, Т.Н. Воробьева, A.B. Богородская, A.A. Косицына // Сибирский экологический журнал. Приложение. - 2002. - № 1. - Т. 9. - С. 33-41.

33. Гродницкая И.Д. Влияние химических и биологических методов обработки на прорастание семян хвойных в питомниках Сибири / И.Д. Гродницкая // Хвойные бореальной зоны. - 2006. - Вып. № 3. - С. 137-147.

34. Гродницкая И.Д. Влияние химического и биологического способов обработки на проращивание семян хвойных / И.Д. Гродницкая // Лесное хозяйство. - 2008. - № 5. - С. 3940.

35. Гродницкая И.Д. Влияние фтор- и серосодержащих поллготантов на устойчивость лесных почвенных микробоценозов (природные модельные опыты) / И.Д. Гродницкая,

C.Н. Сырцов, Н.Д. Сорокин, С.Ю. Евграфова // Почвы Сибири: особенности функционирования и использования. - Красноярск, 2009. - Вып. 3. - С. 209-219.

36. Сорокин Н.Д. Структура, динамика и функциональная активность микробных комплексов почв лесных биогеоценозов Сибири / Н.Д. Сорокин, И.Д. Гродницкая // Разнообразие и динамика лесных экосистем России. Кн. 2 / Ред. A.C. Исаев. - М.: Товарищество научных изданий КМК, 2013. - С. 305-324.

УОП ИЛ СО РАН Заказ № 59, тираж 100 экз.

Текст научной работыДиссертация по биологии, доктора биологических наук, Гродницкая, Ирина Дмитриевна, Красноярск

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ЛЕСА ИМ. В.Н. СУКАЧЕВА СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

05201351853 На пРавах РУкописи

ГРОДНИЦКАЯ ИРИНА ДМИТРИЕВНА

ЭКОЛОГО-МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ИНДИКАЦИЯ И

БИОРЕМЕДИАЦИЯ ПОЧВ ЕСТЕСТВЕННЫХ И НАРУШЕННЫХ ЛЕСНЫХ ЭКОСИСТЕМ СИБИРИ

03.02.08. - экология (биология)

Диссертация на соискание ученой степени доктора биологических наук

Красноярск - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................................................4

ГЛАВА 1. МИКРООРГАНИЗМЫ В ОЦЕНКЕ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОЧВ (Краткий анализ состояния вопроса)............................................................................14

1.1. Понятие об эколого-микробиологической индикации и мониторинге..........................14

1. 2. Взаимоотношения растений с микроорганизмами филлосферы и ризосферы.............22

1.3. Принципы функционирования микробных сообществ почв.........................................28

1.4. Микробные сукцессии в почвах различных экосистем..................................................33

1.5. Сукцессионные особенности почвенных микробных комплексов агроэкосистем (искусственные фитоценозы).....................................................................................................37

1. 6. Биоремедиация нарушенных почв и интегрированная защита растений......................45

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ.........................................................58

2. 1. Объекты исследований.......................................................................................................59

2. 1. 1. Почвенно-экологические условия лиственничников Центральной Эвенкии

(северная тайга)..........................................................................................................................59

2. 1.2. Экологические условия экспериментальных участков Погорельского Бора

(Красноярская северная лесостепь)..........................................................................................62

2. 1. 3. Экологические условия, местоположение и описание болот Средней и Западной

Сибири (средняя и южная тайга)...............................................................................................64

2. 1.4. Почвенно-экологическая характеристика пихтарников, поврежденных сибирским

шелкопрядом (южная тайга).......................................................................................................70

2. 1.5. Характеристика отвалов вскрышных пород Бородинского угольного разреза

(Красноярская лесостепь)..........................................................................................................72

2. 1.6. Экологические условия лесных питомников Средней Сибири.................................76

2. 2. Методы исследований.........................................................................................................80

2. 2. 1. Методы агрохимического анализа.................................................................................80

2. 2. 2. Микробиологические методы........................................................................................81

2. 2. 3. Методы определения ферментативной активности.....................................................84

2. 2. 4. Метод прямого учета микроорганизмов с помощью люминесцентной

микроскопии................................................................................................................................86

2. 2. 5. Респирометрические хроматографические методы.....................................................87

2. 3. Другие методы исследований.............................................................................................88

2. 4. Фитопатологические исследования филлосферы сеянцев хвойных и почв

лесопитомников...........................................................................................................................93

2. 5. Молекулярно-генетические методы исследования почвенных бактерий......................97

2. 6. Статистическая обработка результатов...........................................................................100

ГЛАВА 3. МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ИНДИКАЦИЯ ПОЧВ ЕСТЕСТВЕННЫХ ЛЕСНЫХ БИОГЕОЦЕНОЗОВ СИБИРИ...............................................................................101

3. 1. Функционирование микробных сообществ в криогенных почвах лиственничников Центральной Эвенкии (северо-таежная подзона)..................................................................102

3.2. Функционирование почвенных микробных сообществ лесных экосистем Погорельского Бора...................................................................................................................111

3.3. Микробиологические особенности гидроморфных почв лесоболотных

экосистем Западной и Средней Сибири..................................................................................116

3. 3. 1. Микробиологическая характеристика и экофизиологический статус

глубокозалежных торфяников Западной Сибири..................................................................117

3.3.2. Микробиологическая характеристика и экофизиологический статус глубокозалежных болот Средней Сибири..............................................................................126

3.3.3. Особенности видового многообразия и микробный пул глубокозалежных торфяников Западной и Средней Сибири..............................................................................133

ГЛАВА 4. СУКЦЕССИОННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ МИКРОБОЦЕНОЗОВ ПОЧВ ЕСТЕСТВЕННО-НАРУШЕННЫХ И АНТРОПОГЕННО ПРЕОБРАЗОВАННЫХ

ЭКОСИСТЕМ СИБИРИ...........................................................................................................140

4. 1. Активность и сукцессионные изменения почвенных микрободенозов в нарушенных естественных экосистемах (шелкопрядниках) южно-таежной подзоны

Средней Сибири........................................................................................................................140

4. 1. 1. Почвенные условия участков пихтового леса, поврежденных

сибирским шелкопрядом..........................................................................................................140

4. 1.2. Микробиологическая активность почв шелкопрядников..........................................145

4. 1.3. Влияние экскрементов гусениц сибирского шелкопряда на качественный состав почвенных микроорганизмов...................................................................................................151

4.2. Микробиологическая индикация и мониторинг антропогенно нарушенных

лесных экосистем......................................................................................................................156

4. 2. 1. Оценка устойчивости микробоценозов лесных почв под действием выбросов

промышленных предприятий (на примере КРАЗа)...............................................................156

4. 2. 2. Влияние химических загрязнителей на почвенное микробное сообщество

естественных экосистем (модельные опыты, Погорельский Бор).......................................159

4. 2. 2. 1. Отклик микробных сообществ на одноразовое внесение химических

загрязнителей в почву лиственничника мертвопокровного..................................................160

4. 2. 2. 2. Влияние повышенных доз загрязнителей на химические и микробиологические

свойства почвы лиственничника мертвопокровного.............................................................162

4. 2. 2. 3. Исследование микробных комплексов в почве участков лиственничника мертвопокровного при периодическом внесении сернистых и

фтористых загрязнителей........................................................................................................171

4. 2. 2. 4. Влияние тяжелых металлов (Ni, Си, РЬ) на дыхательную активность и биомассу

почвенных микроорганизмов лиственничника мертвопокровного......................................180

4. 3. Сукцессионные изменения почвенных микробных сообществ техногенно

преобразованных экосистем (Бородинский угольный разрез).............................................185

4. 3. 1. Микробиологическая характеристика зональных почв

(контрольные участки)..............................................................................................................186

4. 3. 2. Характеристика нерекультивированных техноземов (литостраты).........................192

4. 3. 3. Анализ показателей плодородия почвохранилища (ПСП)........................................199

4. 3. 4. Характеристика насыпных почв (реплантоземы).......................................................201

ГЛАВА 5. МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ АГРОПОЧВ ЛЕСНЫХ

ПИТОМНИКОВ СИБИРИ. ИСКУССТВЕННЫЕ АГРОФИТОЦЕНОЗЫ...........................209

5.1. Структура и состав микробных сообществ в агропочвах

лесопитомников.........................................................................................................................209

5. 2. Микробные сукцессии в агропочвах лесных питомников...........................................218

5.3. Оценка экофизиологического состояния почвенных микробоценозов лесопитомников.........................................................................................................................229

5.4. Изменение видового разнообразия микробиоты в агропочвах питомников в зависимости от применения пестицидов.................................................................................241

ГЛАВА 6. БОЛЕЗНИ ХВОЙНЫХ В ЛЕСОПИТОМНИКАХ И ГЕОГРАФИЧЕСКИХ КУЛЬТУРАХ.............................................................................................................................246

6. 1. Бактериальные заболевания сеянцев хвойных в лесопитомниках...............................246

6. 2. Микромицеты - возбудители заболеваний сеянцев хвойных в лесопитомниках.....255

6. 3. Заболевание древостоев кедровых сосен в географических культурах......................262

si»-

ГЛАВА 7. БИОРЕМЕДИАЦИЯ ПОЧВ И ЗАЩИТА СЕЯНЦЕВ ХВОЙНЫХ

В ЛЕСНЫХ ПИТОМНИКАХ СИБИРИ..................................................................................268

7. 1. Перспективы конструирования и использования безопасных форм пестицидов,

влияние их на микробные сообщества почв...........................................................................269

7. 2. Использование микробов-интродуцентов в биоремедиации почв

лесопитомников.........................................................................................................................273

7. 3. Влияние химического и биологического способов обработки на проращивание

семян хвойных в лесопитомниках...........................................................................................282

7.4. Бактеризация семян хвойных фитопатогенными и условно-патогенными

бактериями для повышения иммунитета сеянцев.................................................................291

7. 5. Использование микробов антагонистов в защите сеянцев хвойных от инфекционных заболеваний в лесных питомниках...............................................................298

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................................................313

ВЫВОДЫ...................................................................................................................................315

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.........................................................................................................318

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы

Одной из главных проблем современной экологии является выявление механизмов устойчивости экосистем, структура и функционирование которых даже в условиях стабильной природной среды могут меняться. В этой связи система экологического мониторинга и биоремедиации окружающей среды является важной задачей.

Актуальное значение имеет определение степени антропогенного воздействия на экосистемы разных уровней, в том числе и на почвенную среду. Высокая чувствительность биологических свойств почв позволяет проводить раннюю диагностику любых негативных и позитивных изменений в ней, и, соответственно, использовать биологические параметры в качестве критериев биомониторинга почв (Девятова, 2005).

Для наземных и, в том числе, почвенных экосистем в настоящее время широко используется биологический мониторинг по отдельным группам организмов, включая беспозвоночных животных и микроорганизмы (Криволуцкий, 1991; Карягина, 1983; Бурдин, 1985; Яковлев, 2000; Свирскене, 2003; Baker, 1991). Но до сих пор в общей структуре биологического мониторинга отсутствует микробиологическая подсистема. Некоторые исследователи считают (Никитина, 1991; Сорокин и др., 2005), что его введение необходимо и правомерно, в связи с тем, что микроорганизмы - это приоритетный объект мониторинга, преимущество которого основано на функции микробных сообществ в поддержании гомеостаза природной среды и специфических особенностях микробных популяций, позволяющих использовать их с целью биоиндикации окружающей среды (Никитина, 1991; Сорокин, 1993; Сорокин и др., 2000, 2005; Никитина, Голодяев, 2003). Для поддержания гомеостаза природных экосистем микробные сообщества обладают универсальным управляющим механизмом, знание которого является залогом правильно выбранной стратегии микробиологической охраны природных и санации антропогенных экосистем.

Актуальным на сегодняшний день является выявление наиболее значимых и легко определяемых индикаторов, которые бы описывали состояние микробного сообщества, в частности, и экосистемы, в целом, на те, или иные антропогенные воздействия или природные стрессы. Как биоиндикатор микробное сообщество - самый чуткий показатель почвенно-химических условий, способное дать интегральную оценку состояния почвенного покрова и экосистемы в целом (Мишустин, 1975; Звягинцев, 1987; Наплекова, 2000; Ананьева, 2003).

З.И. Никитиной и Г.П. Голодяевым (2003) предложена концептуальная модель микробиологического мониторинга экосистем, состоящая из трех основных комплексных

блоков: 1) микробиологический диагностический мониторинг; 2)

микробиологический прогностический, и 3) комплекс исследований, направленных на оздоровление (биоремедиацию) экосистем. Следовательно, модель предполагает не только выявление элементов слежения за состоянием экосистем, но и включает в себя целенаправленное воздействие на них. Концепция микробиологического мониторинга и биоремедиации основывается на понимании того, что отдельные виды микробных сообществ или природные закономерности их сочетания могут рассматриваться как индикаторы состояния природной среды. На популяционном уровне реакции микроорганизмов выражаются в изменении кинетики роста и развития в зависимости от определенных условий. Дальнейшее развитие микробиологического мониторинга связано с созданием системы управления и качеством природной среды (Никитина, 1982, 1991; Сорокин, 1993; Сорокин и др., 2005).

В работах Т.В. Аристовской (1980), Г.В. Добровольского и Ю.Г. Гельцер (1976) указана важность выявления надежных биоиндикаторов свойств почв для определенного (конкретного) региона, разработка строгой биосимптоматики разнообразных почвенных процессов, общей генетической и агрономической диагностики почв разных типов и видов.

В условиях континентального климата Средней Сибири, где биодинамика почв недостаточно изучена, особенно актуальным и важным становятся микробиологическая диагностика и на ее основе микробиологический мониторинг состояния почв ненарушенных и антропогенно (техногенно) нарушенных природных и искусственно-созданных (лесопитомники, интродуцированные лесные культуры) лесных экосистем. В данных условиях важно определить наиболее адекватные микробиологические показатели, характеризующие динамику почвенных процессов: 1) северо-таежной подзоны Сибири сравнительно с южно-таежной; 2) экстремальных (криогеннных) автоморфных почв севера Сибири и заболоченных гидроморфных почв Западной Сибири; 3) естественных и искусственно-созданных биогеоценозов, в том числе при разного рода антропогенных (техногенных) нарушениях.

На основе проведенных исследований важно установить сопряженность почвенных микробиологических и биохимических процессов. Определить наиболее значимые показатели микробиологической диагностики, по которым можно осуществлять микробиологический мониторинг лесорастительного состояния почв (и фитоценозов); выявить устойчивые к экстремальным экологическим и антропогенным (техногенным) факторам виды и комплексы микроорганизмов, на основе которых можно осуществлять биоремедиацию и сохранять гомеостаз нарушенных почвенных экосистем. Располагая комплексом данных о состоянии микробного компонента в экосистемах зоны воздействия

природного или антропогенного фактора, можно определить степень и характер нарушения в функционировании этого компонента, а затем выявить и устранить нарушения в экосистемных процессах.

Возможность применения микробиологической информации для мониторинга состояния экосистем опирается на адаптационные качества микробных популяций, проявляющиеся в том, что своей структурно-функциональной организацией они отражают свойства макроэкосистем; сукцессии микробных сообществ в миниатюре повторяют сукцессионное развитие природных комплексов (например, растительных сообществ) наземных экосистем (Никитина, Голодяев, 2003; Tarlera et al., 2008). Микробные сукцессии в почве (с учетом ее микрозональности) происходят синхронно если агент, вызывающий сукцессию, действует одновременно во всей почвенной массе (увлажнение, оттаивание, внесение в почву растворимого органического вещества) (Звягинцев, 1987). За счет высокой скорости роста и размножения микроорганизмов в короткий срок можно проследить сукцессию сотен поколений на действие любого экологического фактора. На биоценотическом уровне реакции микробиоты выражаются в изменении их количественного и качественного состава. Определение видового разнообразия (богатство числа видов и равномерность их распределения) или групп микроорганизмов можно назвать мерой устойчивости исследуемой почвенной экосистемы (Изучение..., 1986).

Основная ценность изучения микробных сукцессий состоит в том, что по изменениям в микробных сообществах почвы можно охарактеризовать скорость естественной ее реабилитации при антропогенных нарушениях, что дает возможность подойти к разрешению общих проблем регуляции микробиологической активности почв (Звягинцев и др., (1984, 1987). Получая количественную оценку динамики почвенной микробной системы (К - коэффициент сукцессии, индикатор), можно определить этапы развития экосистемы и ее принадлежность либо к «климаксной», либо к «молодой». Следовательно, сукцессионные изменения микробных сообществ во многом объясняют биодинамику почв, происходят вполне закономерно, в определенной последовательности, и их можно предсказывать.

Кроме сукцессионных изменений, выражающих динамику микробн

Информация о работе

Гродницкая, Ирина Дмитриевна
доктора биологических наук
Красноярск, 2013
ВАК 03.02.08

Диссертация

Эколого-микробиологическая индикация и биоремедиация почв естественных и нарушенных лесных экосистем Сибири - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы