Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС И LBYFVBRF РОСТА ПОЧВЕННЫХ. МИКРООРГАНИЗМОВ В АГРОБИОГЕОЦЕНОЗЕ

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Автореферат диссертации по теме "МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС И LBYFVBRF РОСТА ПОЧВЕННЫХ. МИКРООРГАНИЗМОВ В АГРОБИОГЕОЦЕНОЗЕ"



. носнавсюй овдш ЛЮЯВА,

ОВДЕКА СЙСГЯБРЬСКШ НЗЮЯСИИ И ОЩША ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗШВНЙ ГОСУДАРСТЕЕНШЙ УНИЕЕРСЮЕТ теяя М.В.ЛОМОИООСША

Фе^ультет Почвоведения

( На правах рукописи ш баі.4бі

ГОРБЕНКО Александр Юрьевич

ІШВРИАЛШЙ БАЛАНС И ДШМНСА РОСТА. ПОЧВЕННЫ1 МИКРООРГАНИЗМОВ В АІТОБЮІШІШОЗ

• Специальность 08.00.07 - микробмадогкя

Автореферат диссертации на ооасхание учаноі степеня . каиюиата äaaxomoocRx неук

МОСКВА - 1966

Работа выполнена на. кафедре биологии почв факультета почвоведения Московского государственного университета им.М.В.Ломояо-. сова. 1

Научный руководитель: кандидат диалогических наук,

старший научный сотрудник Н.С.ПАНИШВ

Официальные оппоненты: член-корреспондент АН СССР

Г.А.ЗАВАРЗЩ

кандидат биологических наук Т.Г.ПШШАНОВ

Ведущее учреждение: Московская сельскохозяйственная

академия им. К. А.Тимирязева . Зашита состоится п ¿¿¿я^^" 198^года в на заседании специализированного совета KD53.05.86 в МГУ им. М.В.Ломоносова в аудитории М-2. .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ.

Автореферат разослан $ " ХЭв^года.

Приглашаем Вас принять участие в обсуаденш диссертации на заседании специализированного совета №53.05.86 в МГУ им. М.В.Ломоносова, а отзывы на автореферат в 2-х экземплярах просим направлять по адресу: 119399, Москва, Ленинские горы, М1У, факультет почвоведения, Ученый совет.

Ученый секретарь * ■

специализированного совета И.П.БАНЬЕВА

Актуальность-проблемы. Жизнедеятельность.почвенных микроорганизмов является важным фактором в формировании плодородия появ (Красильндков, 1958;Campbell, 1985) . Дяя эффективного управления микробиологический!! процессами в целях повышения урожайности сельскохозяйственных культур необходимо знание количественных аа- . кономерностей функционирования.микробного сообщества. Однако до сих пор учение о стехиометрии (материально-энергетическом балансе) ■ и кинетике роста микробных популяций развивались главньм образом в связи с запросами биотехнологии и применительно к чистым культурам узкого круга микроорганизмов (Ерошин, 1980; Минкевич, 1980; Перт, 1978) . В экология почвенных микроорганизмов количественные подходы лишь начинают завоевывать признанив<на«огі, 1973; Lynch, 1979; Паников, 1984) . Нэсмотря на то, что в настоящее время уже разработаны методы надежной оценки актуальной активности и био. массы микроорганизмов в почве СЬягинцев и др., I980; jeakinaon, Fowlson, 1976; Anderson, БогаэсЬ, 1978 ) , наши представления о материальном балансе роста природных микробных популяций имеют самый общий характер. До сих пор не конкрете зарованы истинные размеры потребляемых микроорганизмами органических веществ (опад, прижизненные выделения растений, аллохтоннке поступления ). эффективность . их утилизации для роста л поддержания, не известны' размеры выедания микроорганизмов хищниками л т.д. Еще меньше изучена кинетика микробиологических процессов в почве, остается неизвестной скорость роста микроорганизмов in situ* оборачиваемость микробной биомассы, противоречивы сведения о наличии кратковременных пульсаций количества микроорганизмов и их причинах (Аристовская, 1975; Hlsaet, Gray, 1976 ). Нам представляется,

что врспешшть отмеченные пробелы в знаниях возможно лишь используя современные' инструментальное методы анализа, сочетая биодина-

мяческие наблюдения за пряроднши об'екгами с эксперименталыш-ии исследованиями в заамоде йствия мякрооргани ямов о растениями я животными в лаборатории. Синтез полученной информация на баээ математического моделирования дает возможность получения целостной картины функционирования микроорганиямов в их естественной среде обитания.

Цель работы. Количественное описание динамики роста почвенных микроорганизмов и их материально-балансовых отношений с растениями и беспочвоночнши животными в агробиагеоценоэв.

Задачи исследования. I. Разработка и модификация методов измерения слагаемых материального баланса роста микроорганизмов в почве (биомасса микроорганизмов и интенсивность их дыхания, интенсивность фотосинтеза и корневого экзоосмоса растений, зоомасса и салротрофная активность беспозвоночных животных, количество растворимых органических веществ в почве} . 2. Оценка слагаемых материального баланса роста микроорганизмов по углероду и количественное описание динамики микробной биомассы в модельных макроэкосистемах, имитярушщгх взаимодействие •микроорганизмов с живот— hfmh и растениями ( почва с внесениеи органических вецэств, почва с внесением растительного осада и беспозвоночных животных, почва с вегетирующими растениями ) . 3. Изучение внутрисуточной и ежедневной динамики роста микроорганизмов и беспозвоночных на фоне показателе й первичного продукционного процесса s полевом опыте на серой лесной почве.

Научная новизна. Произведена количественная оценка влияния . высших растений и беспозвоночных на скорость роста микроорганизмов в почве. Оценены потоки вещества через блок микроорганизмов в агробиогеоценозе. Впервые произведено комплексное изучение ежедневной динамики параметров круговорота углерода в агробиогеоце-

нозе, включая показатели состояния шкроорганягмов. Показано, что динамика роста микроорганизмов в значительной нерв определяется флуктуашяма интенсивности фотосинтеза вшших растений.

Практическое значение. В практику фундаментальних я прикладных исследований по микробиологии и биогеоценологии рекомендованы спекгрофотомэтряческий метод определения растворимых органических веществ н регидратацаонннй метод определения суммарной биомассы микрооргани змов. Материалы диссертация могут быть использованы

г

для уточнения сувдествупщкх концептуально-балансовых моделе й и разработки имитационных математических моделей экосистем, позволяющих управлять их поведением.

Апробация работы. Результаты исследований бнки доложены на IX Международном коллоквиуме по почвенной зоология ( Москва, 1985 ), Республиканской конференции "Пути повыше кия эффективности факторов интенсификации сельскохозяйственного производства" ( Вильнюс, 1986 ) , 7 о'езде Всесоюзного общества почвоведов (Ташкент, 1965) *, II Всесоюзном совещании по общим проблемам бдагеоценологии ( Москва, 1986 ) , а также на заседаниях кафедры биологии почв МГУ ( 1985, 1986 г.г. ) . -

Публикации. Материалы диссертации изложены в 8 статьях. Об'єм работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания использованных методов, 2 глав и внводов, содержит! 45 страниц машинописного текста, 18 рисунков. 20 таблиц и список литературы из 127 названий ( из них 47 - зарубежные >.

ОБ'ЕКГЫ И МЕТОДЫ ИССЛВДОВАШЯ Почвы. Основная часть работы была выполнена с окультуренной серой лесной почвой полевого агрохимического опыта Ш«С АН СССР (Путфшо, Московская обл.) . Почвенные образцы отбирали главным образом с опытных делянок без внесения удобрений яз верхнего обра-

ботанного горизонта 0-10 он в до опытов хранили во влажном состоянии upa 4^С. кроме того в модельных экспериментах о беспозво-ночвшя животными использовали образцы дерново-подзолистой почвы из пахотного горяаонта ( поле под кукурузой АБС Чашниково, Московская обл. ) , и из перегнойно-аккумулятявного горизонта бурой лесной почвы под дубово-грабиннкковым лесом Í Севастополь, Зфымокая обл. ). В последнем случав одновременно отбирали образны листового опада. ■ -

44 Постановка модельных экспериментов с внесением в почву органических веществ. Почву помещала в 0,5 л флаконы, вносили по I-IQ иг/т глюкозы и янкубироваля при 25° в течение 3-15 сут. В динамике определяли интенсивность дкхания по скорости образования CÓgi численность и биомассу шкрооргаяя змов, & также остаточное содержание глюкозы я продуктов ее распада.

Постановка модельных,экспериментов с беспозвоночными жив от-НКШ. íe СПО звон очных - кивс яковрас hybrac hyiulua herciüleáa мок-рИД Armadillo officinalis И Arnjadilidlum vulgare отбирали В лес— НОЙ подстилке бурой десной ПОЧЭН, доадевых ' червей Nicodrilue Ca-liginoeua- в дерново-подзолистой почве. Животних помещали в 0,5 л флаконы с 10 г почвы и 5 г листового опада и инкубировали при 20° в течение 40-80 суток, измеряя в динамике интенсивность дыхания и остаточное содержание опадаГ Интенсивность дыхания и пищевой рацион животных определяли в более коротких опытах соответственно по скорости образования СО^ в первые 2-4 часа их инкубации без корыа и по убши массы растительного опада за одни сутки их кормления. Для определения времени удержания пища в кишечнике субстрат метили метиленовым голубым.

Постановка модельккх акспериментов о растениями. Серую лес-

■ ^

ную почву помещали в химическиа стаканы по 0,3кг, уплотняли до

- s - ■ „.

об'вмного веса 1.2 кг/дм^, высевали семена растений (ячмень, тимофеевка) и инкубировали при 10 кяк (световой период 14 ч ) и температуре с ежедневник контролем влажности по весу. Ежедневно' измеряли интенсивность дыхания микрокосма, помещая стаканы с растениями в непрозрачную камеру и определяя прирост концентрации COg в газовой фазе, а также фитомассу зеленых побегов к корней) отмывая их на ситах. Интенсивность темнового дыхания растений я интенсивность фотосинтеза определяли по скорости газообмена COg в статическом режиме.

Биодинамические наблюдения в полевом опсте .проводили с 14 июня по 27 июля 1985 г. на базе падевого агрохимического опыта ИПФС АН СССР. Об'ект исследования - серая лесная почва без внесения удобрений, обработанная фрезой на глубину Ю см, под ячменем.' Для измерения интенсивности дыхания и интенсивности фотосинтеза использовали стационарно установленные в почве основания изоляторов и с'ешгое колпаки из оргстекла, время вкспозиции колпаков составляло 30 мин в темноте (измерение интенсивности дыхания) и 3 мин на свету ( измерение интенсивности фотосинтеза ). Кроме того была измерена динамика интенсивности дыхашш почвы (без аелених побегов ) по динамике образования СОз в изоляторах меньшего размера, вретаемнх в почву междурядий непосредственно перед измерением. .

Аналитические методы. Численность бактерий в почвах, растительном опаде и экскрементах животных учитывали методом посева на агарияованные питательные среды я прямым лшминесцентно-шкросконическим методом с акридином оранжев ьы. Биомассу микроорганизмов , рассчитывали по данным прямого учета, а таете фумигавдоннкм (jenkin son, Powlsou, 1976 ) и филологическим ШТОДОМ (Anderson, Domsoh, 1978 . В соответствии с физиологическим методом биомассу микроорганизмов оценивали по интенсивности дыхания почву после внесе-

кия глюкозы и рассчитывали по формуле х » ИД/к численные значе-3- Ш/

ния к находили б предварительно поставленных экспериментах по динамике интенсивности дыхания в первые 6-8 ч после внесения глюкозы: k «din ЦД/at ( Мирчинк, Пашков, 1985 ). Кїюмз того, нами бык разработан регядратационянЕ метод определения микробной биомассы, основашшй на явлеяшг высвобождения клеточных компонентов в раствор после регидратация предварительно высушенных микроорганизмов: I г почвы высушивали при 65-70° в течение 12-24-ч, затеи гегтови-ЛИ из почвы солевую витяжку I 1% KgS04 я определит в ней концентрацию органических вещзств бихроматннм методом. Контролем служила почва без высушивания. Численность простерших учиткваля юго-дом предельных разведений на агари зованнкх средах ( Лепянис, 1970) я прямым счетом в окрашенных эозином мазках (Догель я др.« 1927). Концентрацию COg в воздухе определяли методом ГХ на хроматографе JDEW-8-МД с катарометром в качестве детектора. Для определения концентрации водорастворимых органических веществ нами бнл модифицирован метод мокрого сжигания бихроматоы вн^о^ : к 1,6 мл анализируемой пробы прибавляли 2,4 ил сернохромовой смеси, содержащей 2 ил конц. h2so4 икгСг2о7 в конечной концентрации 0,015 н , смесь инкубировали ігри 140° в течение 20 шк я измеряли убыль Ой-хромата по поглощению при 350 нм. Используемый метод позволял в 30-50 раэ увеличить чувствительность определения по сравнению с общепринятой методикой ( Орлов, Гришина, IS6I ) я уверенно измерять содержание органических веществ в концентрационной интервале 5-30 мг С/л раствора.

Повторності определения 2-3~крагная. Результаты измерений подвергались стандартной статистической обработка (Дмитриев, 1972), а также обрабатывались с использованием аппарата статистического анализа временных рядов ( Горбенко; К^ышев, 1985 ). Для статистических расчетов в имитационного моделирования использовали прог-

\

раммяруемую МИКРОЭВМ МК-54, а также ЭВМ МИР-2 и БЭСМ-6.

В работе использованы следующие обозначения: х . - биомасса шифоорганиэыов, в - концентрация субстрата, xQ и aQ - исзедоп» значения х я s соответственно, р - количество COg. р я а -удельные скорости роста я отмирания микроорганизмов соответственно. р^ - максимальная величина ^ , у - биомасса животные, ка -константа насыщения, у и - выход биомассы на единицу потребленного субстрата для мякроорганязмов и простейших соответственно» а и * - удельнш скорости роста и о тирания простейших соответственно, ИД - интенсивность дыхания, ИДМ - ИД микроорганизмов, ИСК - ИД растений < темпового) , № - интенсивность фотосинтеза, РОВ - растворимое в Ii K2so+ органическое вещество.

РЕЗУЛЬТАТЫ'И ОБСУЖДЕНИЕ I. Материальный баланс и кинетика роста микроорганизмов в модельных микроэкосистемах 1*1, Рост микроорганизмов в почве. обогащенной глюкозой. Эксперимента по внесения в почву глюкозы позволяют моделировать поведение микроорганизмов в тех временно сущэствуювдх мккролокусах, которые однократно получают легкодоступные органические вещества -экскр^торнае продукты беспозвоночных, органические удобрения, отмирающие растительные ткани и прочее. Эта ситуация представляется наиболее простой и поэтому была использована наш не только для изучения кинетических характеристик микроорганизмов, но и для проверки надежности я об'екгдвносгя применяемых методов анализа.

Динамические переменные,.характеризующие рост микроорганизмов на внесенном в почву субстрате, связаны между собой следую щм уравнением материального баланса по углероду:

da/dt + dx/dt + dp/dt + dm/dt -О / ' (1)

где щ - отличные от СО^ продукты распада глюкозы. Поскольку эти соединения растворимы в воде, то Ошсроматный метод позволяет определять сумму е + т , я динамика истинного прироста биомассы микроорганизмов на внесенной в почву глюкозе может быть оценена в соответствии с (1) как разность

= «О -(ш + д Р + ла) (2)

гдеЛр ' выход СС>2- Рассчитанная по (2) величина &х полностью совпала с результатами определения биомассы мякроорганигадов физиологическим методом. Совпадение балансового расчета с результатами применяемого регидратацаонного метода достигалось ври численном значении пересчетного коэффициента 0,54. Однако последний метод давая некоторое завышение малых величин х , вероятно, из-за интерферирующего влияния мертвого органического вещества.-

Динамика роста микроорганизмов в почве бваа описана следующей системой дифференциальных уравнений:

х = ^ х - & х ; (1 = ^3 / (Ка+ а) а « - ц х/'У , (3)

р ■ |1 х (1 - У)/ У + ах/2 . , ; Идентификация параметров кинетической модели вмявила высокие величины выхода биомассы ( т - 0,6 )и потенциальной скорости роста' микроорганизмов ( ц^ = 0,12 ч-1 ). Интенсивное элиминирование микроорганизмов (а -■= 0.03 ), очевидное связано не голъко с их эндогенный дыханием, но и их выеданием простейшими.

1.2. Влияние беспозвоночных на интенсивность микробиологических процессов. МеяоФауна влияет на трансформацию органических веществ в почве и на количественный и качественный . состав микрофлоры. Однако, относительно степени этого влияния выс—

яазнваются противоречива» шввяя < Стригаяова, 1930; НагОоп, 1931) .^Участие беспозвоночных в деструкция органяче ского вещества почэы.окло изучено в контролируемы! условиях лабораторного . эксперимента. Разложение листового опада в присутствий животных кивсяков'и мокриц описывали моделью:

в - + в2 * - Ь у - 1с1в1 - 5с232

* * »

г * + а2 ■ СЬ - ) у - - 1рВг - (4)

• ■ ,, * ' ' '

р » ( г - р) у + к^в^ + к202 + + 12аг

где а^ и э,> - лабильная и:стабильная фракции опада, г1, и яг - лабильная а стабильная фракции экскрементов, ъ - пищевой рацион животных, * ■*- удельная скорость ассимиляции пищ, р - часть У , расходуемая на рост зоомассы, к1,. к^; константы первого по-

рядка. Система«уравнений (4) удовлетворительно аппроксимировала экспериментальные данные ^по динамике разложения опада, что позволило выразить влияние меэофауны количественно с-помощь» численных значений параметров. Так, удельная скорость микробного разложения опада в составе экскрементов 11 возросла по сравнению с аналогичным показателем для исхо^'ого опада в 4,0 и 1,3-1,6 раз в вариантах опыта с кивсякеш к мокрицами соответственно. Вместе с тем рассмотрение материального баланса процесса переработки опака мезо-фауной табл. I . позволило'установить, что /I/ значительная часть экскреторных продуктов беспозвоночных представлена водораствори-' мыми и, возможно, летучими веществами, /2/ мезофауна интенсивно перерабатывает опад без его глубокой минерализации и /3/ ускорение разложения, опада в присутствии животных обусловлено главным образом интенсификацией жизнедеятельности микроорганизмов в пище-' верительном тракте. *

.. Рост микроорганизмов в кящэчнике беспозвоночных протекает непрерывно в процессе движения пищевого комка, а элиминирование } 2сЗ/-

нарастающих микробных клеток осуществляется путем их выброса с экскрементами либо переваривания пищеварительными ферментами животного. Поэтому материальный баланс'может быть описан уравнением хемостатного .типа: 1 '

к - х0 / 1; - (1 - КУ ) х/Ъ + ( у - « ) ж (5)

где * - время замещения об'емакншчвиха.'КУ -'коэффициент усво-

- - • * *

яемости шил. В стационарном состояния ж = 0, и кажущуюся вели-' чину удельной скорости роста микроорганизмов находят по увеличению концентрации иякрооргаьшш«® в экскрементах я по сравнению с исходным опадем *0 :

I*'- а - (( 1 - КЗГ ) * - *0) / ^ <6)

В зависимости от того, какая учитывается группа микроорганизмов, величина р - а принимает разные значения ( табл. 3.). Суммарная биомасса микроорганизмов, представленная главным образом грибами, уменьшается в экскрементах, что обусловлено интенсивным перевариванием беспозвоночными мицелия. Бактерии,»напротив, получает.в кишечнике преимущественное развитие, в первую очередь это касается не споровых бактерий. В пищеварительном тракте диплопся я иэо-под доминировали бактерия, идентифицаировашше наш как Рвеиаотопаз тепйооАпа . Скорость их роста достигала 0.05 Наибольшая

скорость роста бактерий была обнаружена в кишечнике дождевых чер-

—т ■

вей - 0,1? . Интересно отметить, что по абсолютной величине это

близко к максимальной удельной скорости роста микроорганя шов в • серой лесной почве, обогащенной глокоаой. однако расчеты, основанные на.данных по среднесезонной плотности мезофауны, показали, что в естественных экосистемах суши и яме не нил в составе сообщества почвенных ьмкроорганичмов за счет их роста или переваривания в кишечнике бе спо звоночных ничтожно малы. Это об'яснязтся тем, что

Таблица I'

Слагаемые материального баланса жизнедеятельности кявсяков кг С/сут/г Ж.М. " __

Характеристика- Физиологическая Функция _

органического потреолениа "Ассимиляция ьнде ленивиоразовакие

------------- екскремен- неучиткваемнх

— экскретируемых

вещества

опвда

нищи

тов

Легкодоступные компоненты 5,4 1.0 1,4 3.0

Труднодоступнее компоненты 5,2 ' 0 5,0 0,2 •

Доля легкодоступного углевода ' 1,00 0.22 0.94

Таблица 2

Активность животных в переработке потребляем» субстратов■

Учитываемые микрооргааизиы

Вир животного

мокрица мокрицы дождевые гагесякиА^1т1£аге А<оГГ:1Ь1па11в черви

Интенсивность дыхания ' мг СОз-С/г ж.м. 1,0 0,8 0,6 0,6 .

Пидавой рацион, , мг субстрата/сут/г ж.м. 23,4 8.2 4,9 1800 •

Ко »Ффициент^усЕ ¡ояемостя, 0,09 0,22 0,27 0.02

Время замещения об'ема кя веч кика; .* час 13.0 15,0 " ' 05.0 4.8

Таблица 3

Интенсивность роста микрооргани змов в китечкике беспозвоночных

Учитываемые миктюоттани-¡мы Животные V ЗЕ в . ч

I. Биомасса Р. ЬегсиХеа 15.7 7,6 -II.3

Фумигационным методом, мгС/г А. VIIIЕвгв А. offlcina.llв 15,7 15,7 7,7 ' 10.7 - 8,3 -14.1

Н. са11к1поэиз 0,24 0.25 58.4 .

2. Бактерии прямым счетом, Ю12клеток/г Р. hercul.es А. о£11с1па11э 1,37 1,37 2.02 1,93 53,7 515,9

Н. са11к1поэ\дэ 0.0033 0.0024 - 8.4

3. Бактерии на МПА, 10® клеток/г Р. Ьвгси1ва 89 116 87,4

А. offie±nalIв П. са11к1позл1я 89 0.032 162 0.070 57.6 6,4''

* *

и в-за небольшой попуяявдонной шштностк животные способны пропустить через свой китачник лишь очень небольшую дол» всей почвы (опада ) .

Л - ' г ■

Рачительно более важной представляется роль микрофаунн нематод, микроартропод а простейших в выедании почвенник микроорганизмов. Прослеживание динамики роста микробного сЬобщества

. .... . , _ (

. в почвенной суспензии с глюкозой выявило интенсивное размножение простейших за счет потребления выросших на глюкозе бактерий и дрожжей. В зависимости от кислотности среды доминирующее положение в комплексе простейших занимали жгутиконосцы ( 3,5-5) иди амебы ( рН 7-8 ). Вслед за исчерпанием глюкозы рост микроорганизмов прекращался, однако они не выедались полностью, т.к. мнзфо-скопическкз хищники переставали питаться голодающими бактериями и быстро янцистировались'. Динамика роста трехзвеняой системы "субстрат- микрооргани гмы-прооте Йшие" могла быть описана системой уравнений: ^ р т _ ^ х у / ^ н . ^ + 0)

"У - - * У .+■'' 1 У (7)

■в •*', - |* * / I

Эффективность выедания бактерий характеризовалась величиной

0,03 , что намного ниже по сравнению с выходом биомассы у бактерий.и об'ясняется, очевидно, исключительно высокими энергозатратами на поддержание простейших..в метаболически активном состоянии (подвижность клеток,,оборот биополимеров, осмотический градиент) .

■ 1.3. Рост микроорганизмов в прикорневой зоне растений. Ризо-. сфера я рязоплана растений является зоной наибольшей микробиологической активности. В предварительны* опытах ваш было показано, ; что в серой лесной почве отсутствует заметный ризосЛерный эффект в отношении биомассы микроорганизмов (увеличение х но сравнению

: о контрольной почвой не более 1,6 раза) , в то же время в прикорневой зоне на порядок возрастает НЕМ (ИД почвы 0,02 и 0,60 . - мкг СОд-С/г ч в почве',без растений я.с растениями соответственно, ИД корней учитывали после их отмывания на ситах) . Приведенные .' предварительные результаты свидетельствуют о том, что в прикорневой гоне многократно усиливается рост микроорганизмов за счет потребления корневых эксудатов а одновременно увеличивается ско-, 'рость элиминирования микроорганизмов, вероятно, вследствие повышения популявионной плотности'хищников. Бели предположить, что корневые выделения поступают*в среду непрерывно и их интенсивность пропорциональна Иф; то рост микроорганизмов в прикорневой зоне может быть описан следуюдай системой уравнений хеностатного типа: * - р ж Н'Мщ в/(Кя- + в) ' '

у - Ц х у - 7 у , (Э)

в - кР - р х / X

где р - ИФ, к - константа нулевого порядка. Качественный анализ системы (8)' показал, что незатухающие автоколебания { стационарная точка типа центр) в ней при постоянной величине до возможны лит в малореалистичной с точки зрения биологического содержания ситуации, когда рост микроорганизмов не лимитирован субстратом № > д /щ . В -противном случае щ^а /щв системе будут неб* людаться затухающие автоколебания (стационарная точка типа устойчивый фокус ) , Однако при изменении потока ■ кг меняются и координаты стационарной точки, что приведет к "раскачивании" системы и • возникновению в ней вынужденных колебаний, накладывающихся на собственные автоколебания системы.

Все динамические переменные, входящие в уравнение (в) обнаружила закономерные периодические изменения несмотря на достаточно строгое постоянство условий среды { ряс. I ). В отличии от них

мхг С02-С ч г

мкг СЮ2-С ч г

«кг С/г

МЕСТ С/г

мкг С/г

0,050 0,025 Х,0 0,5

180 140

О 5 " О © о

-ь® ■Э ■ ■ О. О 6 * . --0_0_о_0_ -х-х — —х-х-у-х- а

^-'¿-о-о-З. ' ■ ■ 1 ■ 1 ~- г-1 ■ т 7 __О 1 1 О —1-1-1—

5 6

8

сут

ЙМ..1. Результаты ежедневных динамических исследований в лабораторном эксперименте: I - штеасивность фотосинтеза, 2 -интенсивность дыхания микроорганизмов, 3 - биомасса микроорганизмов, 4 - водорастворимые органические вещества, 5 - биомасса простейших, 6 - темновое дыхание зеленых побегов (а) и корней

? - фитомасса. Кривые 2-5 рассчитаны по уравнения* (8), (Э) со следующими значениями параметров: цт - 0,09 ч"1, кя - 13 и«г С/г, * - 0,135 ч-1, ц - 0,035 г ч-1(мкг С Г1, к - 0,5 , V ~ 0.2 , - 0,047 .

динамика фитомассы я ИТД растений описывались гладкими монотонными кривыми на фоне отчетливых колебаний КФ. Идентификация параметров математической модели выявила высокую скорость роста микроорганизмов в почве с растениями (время генерации 20-40 ч ). Ори этом время генерации отнюдь не обязательно равно периоду колебаний величины at . Учитывая то, что некоторые исследователи отрицают .реальность колебательного режима роста микроорганизмов в почве, как якобы противоречащие закону сохранения энергии и вещества (Hisset,Gray; 1976 ), мы проверили правильность полученных экспериментальных данных по уравнению материального баланса углерода: кг + в +у + р » откуда

.* • * I11« * в 1-Y 1- У-

,р - kF + в + у) - 2Й- (2JL) + + ЦТ У (—-5) . (9)

е Y Yx

Достаточно точное совпадение.'рассчитанной-по уравнению (9) кривой

с эксперименталышмй точками свидетельствует об .отсутствии дефицита материального баланса, а следовательно и о том, что все основные динамические переменные учтены полно и верно. Модель в целом удовлетворительно описывает динамику х , правильно воспроизводит амплитуду и периодичность флуктуаций всех переменных, хотя и несколько занижает величины а я у. Причины отмеченных расхождений очевидны: не все всдорастворимые органические. веще ства в почве происходят яа корневых выделений, и не все простейшие являются облигатнмш бактерио- и микофагами. Цроме того, элиминирование микроорганизмов могут осуществлять не только простейже, но и внутриклеточные паразиты, многоклеточные беспозвоночные, миксо-бакгерии. Тем не менее, предложенная модель при всей ее простоте

■ / г'

: количественно предскаяквает пульсавдоннкй рост микроорганизмов в почве и об 'ясняет .высокую скорость возобновления. биомассы без нарушения чакона сохранения вещества и энергии. г •

' - 16 -Прослеживание внутрисутсчной динамики простейших л бактерий в почвенной суспензии при периодическом поступлении-раствора глюкозы,. имитирующем выброс корневых выделений в светлое время суток, показало, что вся наросшая биомасса бактерий утилизировалась простейшими ( представленими ■ глаанш образом одним видом жгутиконосцев соїроаа іагіага г являющимся типичным обитателем ризосферы ).

2. Натурные наблюдения за динамикой роста михроорганяз- ,

ч ' ' ' *

мов в почве агробиогеоценоэа

2.1. Внутрисуточная динамика. Иамзрекие ИФ камерным статический и динамическим методами дала практически совпадающие результаты. ИФ имела четко выраженный максимум ва 10-12 ч, который соответствовал периоду наибольшей освещенности (рве. 2 ). Динамика ИД описывалась кривой с более размытым максимумом, приходящимся' на 14-20 ч. В ночной период ИД резко снижалась я даже принимала отрицательные значения, вероятно* в связи с поглощением СС>2 в каплях конденсируетеВся влаги. Полученные данные бшш использованы для расчета среднесуточной величины И® и ЦК по результатам однократного измерения этих показателей в 10 ч утра.

2.2. Ежедневная Динамика и ее статистический анализ. Результаты ежедневных биодинамических наблюдений за состоянием агробио-

'геоценоза приведены на рис. 3 . Основные динамические переменные

выели близкие к набдхшемш в лаборатории, амплитуды к периоды, хо-

і . •

тя периодическая составляющая в этом случае была выражена менее четко. По всей.видимости, это было связано с тем, что на колебания роста микрооргаяиямов накладывали отпечаток переменные гидро-

V

термические условия, условия освещенности и т.ді, маскируя их. Для выделения я количественной оценки периодической компоненты в* рассматриваемых временных рядах был использован метод конечных рядов Фурье, в котором временной ряд 2(1) аппроксимируется моделью:

И®, г с/и^ч кг СОг/ч да2 ИД, г С/м2*

' листьев

Рис. 2. Внутрисут очная динамика интенсивности фотосинтеза /I/ и-интенсивности выделения COg из почвн сод ячменем /2/. Измерение интенсивности фотосинтеза а - камерным статическим методом, 6 - динамическим методом.

2(t) ■ Z + Ік Rk cos ZSTfj^t - rk) ■;+ -lt (10)

где Hk » ^ic • fk ~ амплитуда, фаза и частота гармоника с номером к соответственно, lt - белый шум. Сравнивая дисперсии случайной составляющей и соответствующей гармоники сря сомовд критерия Фишера были ввделенв гарлоники, вклад которых в дисперсию процесса значимо отличается от пдгма. На рис. 3 приведена периодическая компонента, представляющая собой сумму значимых на уровне гармоник. Например, анализ Фурье показал, что динамика надземных побегов мояет быть.адекватно описана уравнением: Z(t) «172 + 79 coaS"/22(t - 33,2) + 42 coaS"/11<t - 15,Э> г/ti2 На рис. 4 приведены периодограммы основных параметров агро-

биогеоденоза, которые позволяют судить о том,'как дисперсия соот-ветствующаго процесса распределена по частотам, и которые по-суирс-тву являются доказательством наличия соответсвующих гармоник а динамике временного рада, вклад которых в дисперсию процесса превысил пороговое значение, отмеченное на периодоіфамш пунктиром. Периодическая.составляющая в динамике измеряемых параметров об'яс-вяла 70-80? дисперсии, а оставшаяся ее часть приходилась на шум,' т.е. на флуктуации, вызванные случайными причинами. При »том для

5 10 15 20 25 30 35 * сут

Рис.-3. Результаты ежедневных динамических наблюдений в полевом опыте на серой лесной дочве под ячменем. Кривые рассчитаны по уравнению (10) с учетом статистически значимых (=• 0,05) периодических компонент. I - освещенность» 2 - интенсивность фотосинтеза, 3 - интенсивность темнового дыхания ценоза, 4 - биомасса микроорганизмов, 5 - РОВ, б — численность простейших, 7 - масса надземных побегов.

-

<ю ■ -эо -20 * ю -

'зо . -20 -10 -

Интенсивность фотосинтеза

с, '14*.^?......... ■ - -

' Интенсивность дыхания ценоза

■ I........... ........

Интенсивность дыхания почвы

■ ■ ■ ■ .........

Микробная биомасса II

4тТ.~ГТ

ПС

ш

Микробная биомасса X

Простейшие .

..1.1 Г.ГК''^

50

40 А 30 20 1 10

Масса побегов

........ '■'■........ ■

Дыхание побегов

РОВ

. .[НЬ* 1т|7т..........

30

20 ю

Температура

Влажность

гЬ. ^.1.,. Г. ... ^

Концентрация

г-н-

....... "•■

У

1/10 1/5

1/2 1/10 1/5 1/2 1/10 1/5 ?

■ Рис. 4. Периодограммы основных параметров агробиогеоценоза. биомасса микроорганизмов I и II - физиологическим и регидратаци-онным методами.

переменных ИФ, ИД почвн и ИТД+ИД почвы наряду с кратковременными колебаниями существенный вклад в дисперсию ( порядка 5q$) имела долгопериодная составляющая с максимумом в первой декаде июля-и периодом, равным длине ряда < 44 дня ) . Наличие этой гармоники, видимо, связано с фенологическими фазами'развития злаковых. В случае биомассы микроорганизмов и численности простейших основную часть дисперсии определяли высокочастотные гармоники, что указывает на отсутствие трендов в динамика этих параметров. Динамика ' фктсмассы растений, напротив представлена лишь низкочастотными гармониками. Таким образом, анализ Фурье показал, что периодичес-' кая компонента динамики параметров изучаемой экосистемы, которая может трактоваться как детерминистская составляющая процесса, определяет значительную часть дисперсии. Тем не менее, в динамике ИФ а ИЛ почвы на долю высокочастотных колебаний ( по всей видимости, ; связанных с динамикой микроорганизмов ) приходится лишь около 20% дисперсии. Приблизительно такое же количество приходится на случайную составляющую, В »той связи возникает задача анализа дина--шки параметров изучаемого агробйогеоценоэа с учетом случайной природы временных рядов.

С этой целью бкла изучена структура корреляционных связей между параметрами углеродного цикла агроценоэа. Как правило/ биологические временные ряды коррелируют только в узком диапазоне > задержек, поэтому мерой взаимосвязи двух временных рядов может служить максимальное значение их взаимной корреляционной функции (Горбенко, фышев, 1985 ). Дня выяснения причинно-следственных связей в агроценозе все параметры брля разбиты на группы, элемен-

v

тк которых сильнее коррелируют между собой, чем с оставшимися параметрами, при помощи кластерного анализа. В первую группу (табл. 4) попала ИФ и параметры, характеризующие активность почвенных микро-

органа-тоа, причем в случае ИФ а ИТД+ИД почв» коррелировали одновременное значения параметров и вместе они на 2-3 дня опережали ИД почвн и концентрацию СО^ в почвенном воздухе. Такая структура корреляционных связей вполне согласуется с механизмом возникновения осшлляций в системе ночва-растеняе-мякроорганизыы, язу-ченнш в лабораторных экспериментах: С02 связывается в процессе фотосинтеза, выбрасывается в виде, продуктов экзоосмоса, потребляется микроорганизмами и вновь выделяется в виде СО^« причем время "удержания" С02 в агроценояе составляет 2-3 дня.

Таблица 4

Характеристика корреляционных взаимосвязей параметров агробиогеоценоза . -

Номер грухшы Параютр I 2 , 3 4

I. ИД почвн X

2, Концентрация С02 ■ 0,83/ 0 X

I 3. ИТД-ЙЩ почвы 0,65/-3 0.58/-3 X

- — — - .4. И»_________ I. НЙДземные . побеги X _0А6й/_0_ _

II 2. ИТД -0.83/ 0 X

3. РОВ -0,62/ 0 0,54/ 4 X

— ■ .4* &0£ЯИ ____ I. Микробная биомасса X -0х5$/-2

III 2. Влажность -0,83/ 0 X

3. Температура 0,51/ 0 -0,54/ 0 X'

В числителе - коэффициент корреляции,'в-знаменателе.-- запаздывание в сутках. Минус перед величиной запаздывания указывает на то, что параметр строки опережает параметр столбца и наоборот.

2.3. Материальный баланс углерода в процессе роста макроор-•' гаяизмов в почве полевого опыта. Для оценки времейи' оборота микроорганизмов в агробиогеоценозе были проведены балансовые расчеты по углероду, выполненные о учетом внутрисуточной динамики ИФ и ИД

почвы ( рве. I ) результаты которых сведены в табл. б. Расчет показал, что за времж опята в почву поступило 2,24 т С/га (60? фо-тоонтетата ). Этим количеством углерода при величине экономического ков^фодаекта 1 к 0.2, определенного в молельном адсперишн-те, может быть обеспечен прирост микробной массы 0,45 т С/га за сезон, что соответствует времени генерация 5,8 сут.

Другая независимая оценка актуальной скорости роста микроорганизмов может быть получена по формуле": р « ИШ? /(х(1 - тс)> Рассчитанная по »тому уравнении удельная скорость роста соответствует времени генерации 6,6 оут. т.е. фактически равна той, что моют быть обеспечена продуктами «дооосмоса. Эа время эксперимента биомасса мшфооргаквзмов практически не увеличивалась, поэтому вся наросшая биомасса бада влямияирована. Точныэ количественные оценки включения микробной биомассы в состав новообразованного гумуса оказались в настоящей работе невозможны из-за методических трудностей. Этому количеству углерода мы приравнивали дефодт материального баланса, равный 0,67 т С/га сезон.

Таблица 5

Важнейшие слагаемые материального-баланса по углероду агробногеоценоза

Статьи баланса Интенсивность потока углерода, т С/га сезон

I. Фотосинтез 3,74

2. Рост растений 1,10

3. Дыхание растений 0,39

4. Дыхание почвы

в том числе микроорганизмов 1,58

беспозвоночных животных 0.08

5. Включение углерода в состав 0,67

почвенного органического вещества

Гомеостаз экосистемы по углероду в целом (реввовесное содержание органических веществ без увеличения или снижения содержания гумуса) , очевидно, имеет шсто вследствие того, что распад и -минерализация мертвого органического вещества продолжается круглый год, включая зимний период, когда фотосинтетическая активность растений отсутствует.

ВЫВОДЫ

I. Предложена система аналитических методов.измерения основных слагаемых материального баланса роста микроорганизмов в почве,

*

применимых как для лабораторных экспериментов., так и для натурных наблюдений. Разработаны -регидратационный метод определения микробной биомассы и высокочувствительный спектрофотометричес кий метод определения содержания органических веществ в почвенных растворах и вытяжках.

' 2. Влияние ме зофауны на скорость разложения растительного опаца заключается главным образом в активизации деятельности микроорганизмов. Прямое участие иеэофауны в минерализации опада ко- 1 личе ствеяно оценивается интенсивностью дыхания животных и составляет относительно малую доли от суммарной сапротрофной активности почвенной биоты. В кишечнике беспозвоночных рост и элиминирование микрооргали адов происходит с очень высокой скоростью ( время генерации или - пслужизни 6-15 ч ) , тем не менее вклад животных в продукцию почвенных микроорганизмов незначителен из-за малых естественных популяцнонных плотностей животных.

3. Важнейшим фактором элиминирования бактерий в почве' служит их выедание простевшими. Э{фективность■ роста простейших на бактериях очень низка ( * 0,03-0,05).

4. Периодический характер роста микроорганизмов в почве с растениями обусловлен пульсациями интенсивности фотосинтеза вне-

-24-

ших растений и вызывает в свсяо очередь колебания численности простейших. При втом наблюдаемые 'скорости оборота микроорганизмов в ризосфере (время генерации около 2 сут) могут бить полнос-тьи обеспечены энергией, заключенной'в корневых выделениях.

. 5. Анализ ежедневной динамики роста микроорганизмов в поле статистическими методами подтвердил наличие достоверных кратко-' временных пульсаций биомасон, дыхательной - активности мифооргеь ниямов, которые могут быть об'яснены изменениями в интенсивности ' фотосинтеза высших растений. Однако, на динамику.мияробной массы и интенсивности дыхания микроорганизмов существенное влияние окапывают случайные причины ( на их долю приходится 20-30i дисперсия).

6. В серой лесной почве агробиогеоценоза за вегетационный ' период. поступает о корневым опадом я продуктами экэоосмоса 2,24 т С/га, что обеспечивает рост микроорганизмов со средней скорости! 0,11-0,12 сут-1( время генерации 5,8-6,6 сут ) ,

Материалы диссертации опубликованы в -работах:

1. Паников Н.С., Горбенко А.Ю., &ягиицев Д.Г. Количественная оценка влияния мезофауны на скорость разложения растительного спада // Вестн. Моск. ун-та, сер.Почвоведение.- 1985.- №3,-С.37-45.

2. Звягинщэв Д.Г., Паников Н.С., Горбенко A.b. Количественная оценка влияния беспозвоночных животных на рост микроорганизмов в почве // Тез. докл. IX Международного коллоквиума по почвенной зоологии.- Вильнюс, 1985,- С.328,

3. Горбенко А.Ю.,.Паников Н.С., Звягинцев Д.Г. Влияние беспозвоночных животных на рост почвенных микроорганизмов // Мирцо-биология.- 1986,- T.55, вып.З.- С.515-521.

4. Горбенко A.D., Паников Н.С., Звягинцев Д.Г. Периодичность ' роста микроорганизмов в почве и ее причины // Докл. АН СССР.-

~ т.289, *4,- С.984-987, , . '

■ ~ 25 -

5. Дашков ІҐ.С. , Горбенко A.D., ■ Афремова В.Д. Рост ризосферних микроорганизмов в связи с $отосинтеткческой активности) высших растений//Тез. докл. Республиканской.конференции "Пути повішення эффективности факторов интенсификации сельскохозяйственного производства".- Вильнюс. 1936.- С.285-28?.

6. Паников Н.С., Горбенко А.Ю. Светлов C.B. Способ определения суммарного содержания водорастворимых органических вепрств в почве // Положительное решение от 4 марта І98Є г. на заявку * 3949440/30-15(127606).

7. Афремова В.Д., Горбенко A.D., Шишков Н.С. Ежедневная я внутрисугочная динамика интенсивности дыхания почвы // Тез. докл.

с езда Всесоюзного общества почвоведов,- Ташкент, 1985.- С.І63.

8. Горбенко A.B., Паников H.G. Кинетический анализ ежедневной динамики роста растений,. потаенных микроорганизмов в простейших в (щробиогеошноэа //Теэ. докл. II Всесоюзного совещания по общим проблемам биЬгеоденологш.- Москва, I9Ö5."- С. 135-137.

ПОДЛВСДНО К МЯМ4

iu iiiff Формат Є0*80/1Є.

Уся. веч, д. i,f Учі-иза. я. 4,0

Тари ІОО на, Заиэ N

Ш7

Орава* 'Зваж Покп'поишьсім Мосжовскаго 103009, Досін, у «.Герое»«. S/7. Тсюграфи QRMSa *Этс Почет*' «завпдьсгм V ГУ. 1I9S9S, Москм. Лашгасм» гори.