Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Микробиологические аспекты применения гербицидов в сельском хозяйстве

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Содержание диссертации, доктора биологических наук, Круглов, Юрий Владимирович

Введение

I. Обзор литературы

1.1. Влияние гербицидов на микрофлору и биохимические процессы в почве

1.2. Трансформация и разложение гербицидов

1.2.1. Микроорганизмы и некоторые особенности метаболизма гербицидов.

1.2.2. Особенности формирования микрофлоры и деградация пестицидов в почве

1.2.3. Влияние агротехнических мероприятий на микробную деградацию пестицидов в почве.

2• Материалы и методы исследования

2.1. Методика проведения почвенно-микробиологических исследований

2.2. Методы изучения симбиотических взаимоотношений клубеньковых бактерий и бобовых растений

2.3. Методы изучения деградации гербицидов производных сим-триазинов

2.4. Статистическая обработка экспериментального материала.

3. Закономерности формирования и жизнедеятельности микрофлоры в почве, обработанной гербицидами

3.1. Методологические основы и разработка практических приемов почвенно-микробиологической оценки пестицидов.

3.2. Топография распределения микроорганизмов в почве, обработанной гербицидами

3.3. Динамика токсического действия гербицидов на микрофлору почвы

3.4. Некоторые закономерности поведения индикаторной группы микроорганизмов (мишени) при многолетней систематической обработке почвы гербицидами

3.5. Характер и причины изменения почвенно-микробио-логических показателей, устойчивых к токсическому действию гербицидов, в полевых условиях

3.6. Многократное использование гербицидов в системе противоэрозионных мероприятий и микрофлора почвы.

3.7. Последствия многолетнего систематического применения гербицидов в земледелии.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Микробиологические аспекты применения гербицидов в сельском хозяйстве"

Актуальноств. Успехи современного сельского хозяйства за последние 30-40 лет в значительной степени обусловлены химизацией земледелия. В настоящее время наряду с минеральными удобрениями широко используются химические средства защиты растений - пестициды. Применение последних имело революционизирующее значение в борьбе с вредителями, болезнями и сорной растительностью, что объясняется их высокой агрономической и экономической эффективностью. Суммарный объем производства и применения пестицидов в настоящее время достигает 2 млн.т. Ежегодный прирост применения его в различных странах мира составляет от 6 до 16%. По состоянию на 1980 г. среди химических средств защиты растений 47,4$ составляют гербициды, а к 1990 г. доля их возрастет до 56% (Грин и др., 1979; Мельников, 1981; Унанянц, 1981).

Гербициды, являясь физиологически активными веществами, используются в дозах 1-10 кг/га и, обладая достаточно высокой стабильностью, циркулируют в округлающей среде от нескольких недель до нескольких лет.

Высокая физиологическая активность и относительная стабильность этих веществ в условиях систематического применения создает исключительно сильный прецедент воздействия человека на природу.

Большая часть гербицидов, используемая для борьбы с сорняками, попадает в почву. Поэтому почва является основным природным депо для гербицидов, местом их взаимодействия с микроорганизмами и основным источником загрязнения других природных сред, кормов и продуктов питания. Вместе с тем почва является единственной средой, для которой содержание гербицидов, так же как и других пестицидов, в большинстве стран не нормировано.

Микрофлора почвы является неотъемлемой частью почвы. Значение её обусловлено той ролью, которую играет она в процессах почвообразования, круговорота веществ и самоочищения биосферы. Поэтому изучение вопросов взаимодействия гербицидов и микроорганизмов вытекает из насущных потребностей сельскохозяйственного производства и задач по охране природы.

Цель настоящей работы - разработать научные основы почвенно-микробиологической оценки токсичности гербицидов и выработать методические подходы для микробиологического мониторинга и прогнозирования последствий применения гербицидов в земледелии. Для достижения поставленной цели предполагалось решить следующие задачи: а) изучить основные закономерности поведения почвенной микрофлоры в ответ на обработку гербицидами; б) разработать микробиологические методы тестирования остатков гербицидов и их фитоток-сичных продуктов трансформации; в) выяснить микробиологические факторы деградации наиболее стабильных гербицидов в почве; г) установить основные пути, обусловливающие отрицательное действие гербицидов на эффективность бобово-ризобиального симбиоза.

Экспериментальная работа выполнялась в 1965-1980 гг. во Всесоюзном научно-исследовательском институте сельскохозяйственной микробиологии ВАСЯНИЛ лично автором.

В выполнении отдельных разделов исследований принимали участие аспиранты лаборатории микробиологии пестицидов, работавшие под руководством диссертанта: Л.Н.Пароменская, Г.П.Липницкая, В.Г. Масленникова, Л.В.Стати, Е.М.Михайлова, Н.З.Толкачев, И.А.Кузнецова, А.Монейм, М.В.Штальберг, а такке научные сотрудники Е.А.Гав-рилова, А-П.Перцева, Н^Б.Герш, А.А.Шамин. Всем им автор выражает глубокую признательность.

Полевые почвенно-микробиологические и фитопатологические исследования проводились в различных районах СССР в опытах ВНИИ лекарственных растений, Агрофизического института, ВНИИ защиты растений, Всесоюзного института растениеводства, Андинанского филиала СоюзНИХИ, Ленинградского института лесного хозяйства, Степ-но-Ишимской опытной станции по борьбе с эрозией почвы в процессе взаимопомощи и выполнения комплексных работ.

Научная новизна, теоретическое и практическое значение работы.

1. Дано теоретическое обоснование, отобраны показатели и критерии, разработана и апробирована система почвенно-микробиологи-ческой оценки токсичности гербицидов.

2. Установлены основные факторы, обусловливающие отрицательные последствия систематического применения гербицидов на микрофлору и плодородие почвы.

3. Изучены наиболее общие закономерности, характеризующие поведение ассоциации почвенных микроорганизмов в ответ на обработку почвы гербицидами. Развиты представления об "экологических ми— щенях"и теоретически обоснованы методические подходы для микробиологического мониторинга пестицидов и прогноза возможных отрицательных последствий их применения в земледелии.

4. Разработаны альгологические методы определения гербицидов -ингибиторов фотосинтеза в окружающей среде. Дано теоретическое обоснование, и предложено использование зеленых водорослей и циа-нобактерий для экспресс-микроскриннинга вновь синтезируемых химических соединений.

5. Изучен механизм отрицательного действия гербицидов производных. тиокарбаминовой кислоты, феноксиалканов и сим-триазинов на симбиотические взаимоотношения клубеньковых бактерий и бобовых растений. Обоснованы подходы для отбора гербицидов на посевах бобовых культур.

6. Сформулирована новая концепция, согласно которой разложение пестицидов нерастворимых или плохо растворимых в воде, происходят по типу "микробного обрастания", ограничено поверхностью твердых частиц и обусловлено деятельностью экзоферментов, солюЗи-лизирующих веществ и агрессивных продуктов метаболизма, микроорганизмов.

Выполненные автором работы вошли в "Методические рекомендации по оценке- токсического действия пестицидов на микрофлору почвы", а также в "Рекомендации по применению торфяного нитрагина (ризо-торфина)".

Результаты исследований были использованы для почвенно-микробиологического обоснования системы противоэрозионных мероприятий на парующей почве зерно-парового севооборота в условиях Северного' Казахстана (Степно-Ишимская опытная станция по борьбе с эрозией почвы), а также при разработке мероприятий по защите от сорняков многолетних плантаций цитрусовых (Сухумская опытная станция ВИР) и лекарственных растений (Московская область, ВШШ?).

Апробация и публикация результатов исследований« Результаты работы по теме диссертации вошли в 2 монографии и опубликованы в 89-научных статьях. По материалам исследований получено 4 автор- . ских свидетельства. С 1965 по 1982 гг. по теме диссертации сделано 45 докладов на Международных, Всесоюзных и региональных совещаниях, конференциях, съездах, симпозиумах.

Объем и структура диссертации» Диссертация состоит из введения, обзора литературы, 5 глав, включающих результаты собственных исследований автора, обсуждения результатов, выводов, приложения. Общий объем работы составляет 269 стр. машинописного текста, 50 таблиц и 53 рисунка, а также 14 стр. приложения. Библиография включает 56? наименований, из которых 263 на иностранных языках.

Заключение Диссертация по теме "Микробиология", Круглов, Юрий Владимирович

Заключение

Важным следствием систематического применения гербицидов является изменение биологических свойств почвы. действие гербицидов на почвенные микроорганизмы имеет прямой и опосредованный (косвенный) характер.

Прямое действие объясняется их бактерицидным, фунгицидным и альгицидным эффектом. Чувствительность отдельных видов микроорганизмов к пестицидам является неодинаковой. В силу этого воздействие пестицидов на микрофлору почвы носит более или менее выраженный избирательный характер. Поскольку ассоциация почвенных микроорганизмов представляет единое целое, то отдельные виды и группы наиболее чувствительных из них можно рассматривать как своего рода "мишени". Отсюда степень и характер изменений потаенно-микробиологических процессов в целом зависят от места микроорганизмов-мишеней в структуре миьшобного сообщества и ме-табиотическом цикле круговорота веществ.

Не вызывает сомнения, что пестициды (особенно малорастворимые в воде) распределяются дискретно и неравномерно по почвенному профилю. Поэтому действие пестицидов на микрофлору почвы имеет микрозональный характер. В результате этого происходит перегруппировка микроорганизмов, где центром формирования микро зон (нового сообщества) являются отдельные частицы пестицидов. При этом по градиенту диффузии пестицидов характер их действия на одни и те же группы микроорганизмов может изменяться от отрицательного к положительному.

Динамика токсического эффекта пестицидов на микроорганизмы имеет вид V-образной кривой. Численность микроорганизмов-"ми-шеней" со временем восстанавливается до контрольного уровня,

- 17,8 характерного для данного типа почвы. Время восстановления обусловливается токсичностью пестицида и персистентностью его в почве.

Важным результатом повторных многократных обработок почвы пестицидами является снижение видового разнообразия и повышение индекса доминирования. Некоторые наиболее чувствительные виды микроорганизмов надолго "выбиваются" из микробного ценоза почвы.

Косвенный эффект гербицидов на микрофлору связан с изменением технологии механической обработки почвы и перераспределения в ней растительных остатков. При эффективном использовании гербицидов рост сорняков практически полностью блокируется, поэтому роль их как источников энергии и питания для микроорганизмов сводится к нулю.

Систематическое применение гербицидов на многолетних культурах непременно приводит к истощению органического вещества, изменению физико-химических свойств почвы и, следовательно, к деградации почвенного плодородия. Отсюда напрашивается вывод о необходимости периодического внесения в такие почвы органических удобрений в виде навоза, растительных остатков и посева промежуточных и сидеральных культур.

Из всего сказанного вытекает, что последствия применения гербицидов на микрофлору и плодородие почвы можно прогнозировать. Этот прогноз складывается из лабораторной оценки биоцидного эффекта пестицидов и анализа технологического процесса возделывания сельскохозяйственных культур. Исходные данные для такого прогноза представлены на схеме (рис. 3.23).

Рис.3.23. С-хема, отражающая прямое и опосредованное, действие гербицидов на микрофлору и физико-химические свойства почвы

4. ГЕРБИЦИДЫ И СИМБИОТИЧЕСКИЕ ОТНОШЕНИЯ КЛУБЕНЬКОВЫХ БАКТЕРИЙ С БОБОВЫМИ РАСТЕНИЯМИ

Гербициды широко используются в посевах бобовых растений для борьбы, с сорняками.

Отличительная черта физиологии бобовых заключается в том, что они растут в симбиозе с клубеньковыми бактериями. Суть этого симбиоза в том, что бактерии, используя энергетический материал растений, фиксируют молекулярный азот, обеспечивая потребности бобовых культур в азотном питании. Характер и эффективность симбиоза зависит от состояния обоих партнеров. Поэтому влияние: тех или иных факторов на одного из них оказывает существенное влияние на процессы симбиотической фиксации молекулярного азота и продуктивность бобовых культур в целом.

Гербициды являются физиологически активными веществами. Поэтому теоретически важно понять и практически оценить характер тех изменений, которые происходят, в симбиотической системе, с целью разработки наиболее рациональных способов использования гербицидов под бобовые культуры.

Имеется огромная литература, посвященная изучению механизма действия гербицидов на высшие растения и, в частности, на бобовые культуры. Материалы этих исследований обобщены в ряде монографий (Крафтс-, 1963; Маштаков и др., Г967; Кадыров, 1970; Майер-Боде, 1972; Чканников, Соколов, I973;Audus , 1964; Ashton, Crafts, ,.1981 И Др.).

В результате отобраны гербициды, которые широко используются в сельскохозяйственном производстве для борьбы с сорной растительностью в посевах бобовых культур. Среди них имеются соединения, относящиеся к производным феноксиалкилкарбоновых кислот,

- 181 алифатических карболовых кислот, карбаминовой и тиокарбашшовой кислот, а также симметричных триазинов, фенилмочевины и других. Кроме того, необходимо учитывать возможное воздействие на бобовые растения препаратов, вносимых под предшествующую культуру севооборота.

Концентрации гербицидов, токсичные для растений, колеблются в широком диапазоне, но даже для устойчивых видов и сортов не превышают 10-2^ мг/кг.

Механизм их действия на. физиолого-биохимический аппарат растений весьма разнообразен, но изучен в разной степени. Некоторые физиолого-биохимические изменения, происходящие у бобовых растений под влиянием гербицидов, суммированы нами в таблице 4.1.

На основании этого материала, можно, как нам кажется, достаточно хорошо представить характер и глубину воздействия герби-цидных веществ на высшие растения, как одного из партнеров сим-бяотической системы- Естественно, характер,, степень и длительность такого воздействия, зависит от используемой дозы гербицида, способа и времени обработки.

Однако, практически все исследования, касающиеся механизма, действия гербицидов на бобовые растения, были проведены без учета их физиологии как симбионтов.

Токсичность гербицидов для клубеньковых бактерий изучалась в ряде работ. Оценка эффекта их проводилась на жидких питательных средах и в агаризованных культурах, главным образом, путем учета скорости их размножения и диффузионным методом.

Используя диффузионный метод в агаре, Винтикова с соавторами С тпп-Ысоуа et а1. , 1965) нашла, что гербицид, далапон является нетоксичным для 36 штаммов различных видов клубеньковых

Библиография Диссертация по биологии, доктора биологических наук, Круглов, Юрий Владимирович, Ленинград

1. Феноксизлкилкарбоно-вые кислоты

2. Хлорпроизводные алифатические кислоты1. Карбаматы

3. Симм-триазины Фенилмочевины

4. Активизируется рост меристематической ткани растений. В результате гормонального действия повреждается флоэма и нарушается целостность внешних покровов.

5. Наблюдается разобщение окислительного фосфо-рилирования. Ингибируется (или стимулируется) синтез ДНК, РНК. Блокируется синтез ИУК. Повышается активность оксийаз ИУК. Изменяется углеводный и азотный обмен.

6. Оказывают влияние на углеводный- и азотный обмен растений, повышают транспирацию растений, являются ингибиторами биосйдтеза панто-теновой кислоты (далапон)

7. Ингибиторы деления клеток. Нарушают нормальный митоз. Образуются многоядерные (полиплоидные) клетки. Ингибируют фотосинтез

8. Ингибируют фотосинтез. Подавляют углеводный обмен .

9. Ингибируют фотосинтез, окислительное фосфо-рилирование. Тормозят митоз в меристеме,

10. Чканнйков, Соколов,1973 Audus, 1964 Ashton, Grafts, 1981

11. Кадыров, 1970; Майер-Бо-де, 1972: Audus, 1964; Ashton, Crafts, 1981

12. Имеются определенные различия в чувствительности отдельных видов и штаммов бактерий ( Vinticova et al., 1965; Jensen, 1969; Kasz-ubiak, 1966). В целом R.trifoiü более устойчива к гербициду, чем другие виды клубеньковых бактерий.

13. Снижение численности клубеньков на корнях люпина и кормовых бобов под влиянием атразина отмечали Пароменская (1975) и Сей-лем С соавторами ( Salem et al., 1977).

14. Производные фенилмочевины хлороксурон, метабромурон, флюоме-турон ингибировали рост растений и тормозили образование клубеньков (Amakiri, (Mu-Clifford, 1978). Однако, отрицательный эффект гербицидов имел обратимый характер.

15. Влияние гербицидов на клубеньковые, бактерии в условиях чистой культуры

16. Результаты оценки токсического эффекта ряда гербицидов, полученные диффузионным методом, представлены в таблице 4.2.