Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

"МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ И АГРОХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЗАМКНУТОЙ ГИДРОПОННОЙ ЭКОСИСТЕМЫ ""РЫБЫ - ОВОЩИ - МИКРООРГАНИЗМЫ"""

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Автореферат диссертации по теме ""МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ И АГРОХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЗАМКНУТОЙ ГИДРОПОННОЙ ЭКОСИСТЕМЫ ""РЫБЫ - ОВОЩИ - МИКРООРГАНИЗМЫ""""

-дшу

На правах рукописи

КАРЕЛИНА ТАТЬЯНА АЛЕКСЕЕВНА

МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ И АГРОХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ЗАМКНУТОЙ ГИДРОПОННОЙ ЭКОСИСТЕМЫ "РЫБЫ - ОВОЩИ - МИКРООРГАНИЗМЫ"

Специальность 03. 00. 07 — микробиология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА 2000

Работа выполнена в Московской сельскохозяйственной академии имени К А Тимирязева

Научные руководители1 доктор биологических наук, профессор В.К. Шильникова, кандидат сельскохозяйственных наук, с н с П.А. Апостол

Официальные оппоненты доктор биологических наук, профессор М.М. Умаров; кандидат биологических наук, н с А.С. Саввичев

на заседании диссертационного совета К 120 35.06 в Московской сельскохозяйственной академии имени К А Тимирязева по адресу 127550, Москва, ул Тимирязевская, 49, Ученый совет МСХА

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ МСХА.

Ведущая организация - НПО "Подмосковье" РАСХН

Защита состоится

Автореферат разослан

£

2000 г

Ученый секретарь

диссертационного совета -

Л В Мосина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ . /

Актуальность работы. Современное сельскохозяйственное земледелие, в частности гидропонное овощеводство защищенного грунта все больше ориентируется на создание новых экологически безопасных и энергосберегающих технологий. Использование в овощеводстве саморегулируемых гидропонных экосистем "рыба - овощи — микроорганизмы" — одно из таких новых направлений сельскохозяйственного производства, -разработка которого требует концентрации усилий агрохимиков-овощеводов, рыбоводов и микробиологов. Система чрезвычайно сложна, к тому же. не только для системы, но и для каждого звена системы необходима отработка агрохимических и микробиологических показателей для обеспечения наиболее рационального ее функционирования, а именно отработка режима питания, уровня аэрации питательного раствора, реакции разных овощей и рыбы в процессе их производства, характеристика комплекса микроорганизмов, не изученных ранее в подобных системах.

Цель и задачи исследований. Цель -, обосновать микробиологические и агрохимические параметры функционирования экосистемы "рыба - овощи - микроорганизмы" для получения безнитратных огурцов и томатов при обеспечении их азотом из различных источников.

, В соответствии с этим решались следующие задачи:.

- охарактеризовать активность микробиологических процессов и установить количественный и по возможности качественный состав микоор-ганизмов в экосистеме "рыба - овощи — микроорганизмы", участвующих в трансформации азотсодержащих и углеродсодержащих соединений;

■ - оценить физико-химические и биохимические факторы .системы "рыба — овощи - микроорганизмы" и отдельных ее блоков; , :

— изучить режимы азотного питания и аэрации экосистемы "рыба -

овощи - микроорганизмы", в течение г^тшпгн тгшти и гдртиттге ее блокои

I ид<< исмТРАЛЬНА^ Г при имитации этой системы; -; I "АУЧНАЯ БИБЛИОТЕКА I

Моск. со/":. - гохоз ачадвмии)

им. Н. а. /имирявева

ин». №—¿1; о г^у

- выявить реакцию томатов и огурцов на уровни аэрации при имитации отдельных блоков "рыба — овощи — микроорганизмы" в условиях гидропоники;

— разработать и методически обосновать технологическое использование в гидропонной системе при выращивании томатов и огурцов питательного раствора, хранившегося в течение года после предварительного использования под различными овощами.

Научная новизна. Впервые охарактеризован комплекс микроорганизмов в экосистеме "рыба-овощи-микроорганизмы" и ее отдельных блоков Показана возможность получения экологически безопасной продукции рыбы (карп) и овощей (томаты, огурцы) в замкнутой гидропонной экосистеме "рыба — овощи - микроорганизмы"

Впервые по аналогии с бессливным использованием питательных растворов в экосистеме "рыба - овощи - микроорганизмы" при длительном ее успешном функционировании разработана и методически обоснована технология выращивания томатов и огурцов в гидропонной системе на питательных растворах после многократной эксплуатации в овощных гидропонных культурах.

Практическая значимость Рекомендована к внедрению в гидропонное овощеводство экосистема "рыба- овощи - микроорганизмы", обеспечивающая получение экологически безопасной продукции двух видов овощей за счет утилизации продуктов жизнедеятельности рыб с участием микроорганизмов, растений и рыбы.

Рекомендовано использование в бессубстратной гидропонике питательных растворов, многократно используемых ранее. Технология многократного использования питательных растворов в гидропонике внедрена при выращивании огурцов и томатов в крестьянском хозяйстве "Междуречье" в 1994 году на площади 200 м2 Урожайность составила 25кг / м: по томатам и 30кг / м2 по огурцам (акт внедрения имеется) и внедряется в ООО «Агрокомплекс Ангелово».

Апробация работы. Результаты исследования докладывались и получили одобрение, на конференциях: "Пути повышения эффективности факторов '; интенсификации сельскохозяйственного производства",г.Вильнюс, 1986; "Проблемы повышения плодородия почв в условиях * . | интенсивного земледелия",г.Москва,1988;"Интенсификация агропромышленного производства на современном этапе",г.Баку, 1988. .

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ* ;

Объем й структура диссертации. Работа изложена на_страницах машинописного текста, состоит из введения, обзора литературы, экпе-риментальной части и выводов. Экспериментальный материал иллюстрирован 12 рисунками и 28 таблицами в тексте. Список литературы включает 75 наименований, в том числе 33 работ зарубежных авторов.

ОБЪЕКТЫ, МЕСТО, УСЛОВИЯ, СХЕМЫ ОПЫТОВ И МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Эксперимент с экосистемой "рыба - овощи - микроорганизмы" предусматривал монтаж и эксплуатацию ее в течение не менее одного сезона, а также имитацию отдельных звеньев этой системы. Блок-схема экосистемы приведена на рис. 1.

В создании экосистемы "рыба - овощи" принимали участие сотрудники кафедры рыбоводства МСХА (проф. В.В.Лавровский).

Микробиологические анализы проводили на кафедре микробиологии МСХА, идентификацию микроорганизмов по Краткому определителю Берги (1980), олиготрофных микроорганизмов по Б.В. Громову, Г.В. Павленко (1989),' фитотоксичность питательного раствора определяли по А.М.Гродзинскому (1983).

Агрохимические анализы проводили в МСХА, ЦИНАО, ВИУА, МОПИСХ. .

фотосинтеза

корм

рыба

Минеральные удобрения

¡>3*1 £

микроорганизмы

Ог

корневая среда

4-

фотосинтез

Рис 1 Блок-схема экосистемы «рыба -овощи-микроорганишы»

Урожай плодов убирали по мере их созревания, рыбу учитывали в конце опыта. Данные по урожаю обрабатывались с применением методов математической статистики (Доспехов, 1985).

. Устройство для проведения эксперимента (совместное выращивание карпа Cyprinus carpió и томатов Lycopersicum esculentum или огурцов Cucumis sativus L.) представлено,на рис. 2. В напорный бак 4 поступает питательный раствор, нагнетаемый насосом 9: Водопроводная вода шла в систему 2 через поплавковый клапан 3, питательный раствор — через оксигенатор 1, из напорного бака самотеком поступала в рыбоводный бассейн 6, далее в лотки (желобы) для растений 7, из них в бак — отстойник 8. Бессточную систему замыкал насос 9, действующий постоянно. ;

В системе выращивали две группы карпов с разной исходной средней массой: 17,5 и 11.5 г при одинаковой начальной нагрузке 4 кг/м3. Рыбы содержались в двух аквариумах по 750 л каждый. <

Контроль — аналогичная гидропонная установка, в которой питание растений осуществляли за счет минеральных солей. Растения выращивали в желобах 0,15 х 6,0 м; уклон 1:25. Аэрация осуществлялась за счет проточности питательного раствора.

. Кроме того, для изучения отдельных звеньев (блоков),составляющих

замкнутую экосистему "рыба - овощи - микроорганизмы" было проведено

i

6 имитационных опытов в экосистеме "овощи — микроорганизмы".

Микробиологические анализы проводили во всех опытах, определяли также фитотоксичность, водорастворимый углерод и содержание различных форм азота (N-NH/ и N-N03 ).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В опыте с замкнутой гидропонной экосистемой "рыба — овощи" третьим компонентом являются микроорганизмы. Какова их роль, насколько они определяют условия питания овощей и рыбы, насколько их "действие", а возможно и "бездействие" важно для системы в целом - все

это необходимо было проверить. Кроме того необходимо было, провести исследование отдельных блоков данной экосистемы с целью создания наиболее оптимальных режимов питания, аэрации овощей, заключавшееся в моделировании определенных условий функционирования экосистемы, непременном контроле микробиологических процессов. Разрабатываемая нами технология использования многократно применявшихся питательных растворов в гидропонике должна не только ограничить расход необходимых минеральных элементов в несколько раз при получении высокачест-венной продукции, но и способствовать защите окружающей среды от.загрязнений биогенной природы. ■ ' -

Продуктивность гидропонной экосистемы "рыба - овощи —микроорганизмы" и овощей в модельных опытах. В экосистеме "рыба — ово-1 щи - микроорганизмы" (табл. 1) урожайность плодов томатов и огурцов была ниже, чем в контроле, куда вносили минеральные удобрения, ;

• ■ - • ■•... • , . Таблица 1

Продуктивность гидропонной системы "рыба - овощи - микроорганизмы"

Вид продукции Площадь, м2 Продуктивность, кг/ м2

Контроль Опыт

Томаты' 24 24,2 : 18 .

Огурцы 6 - . ■ _. ... . 10,2

т.Рыба,:; , чистый прирост - 30 ч,, — , ;;, , ■ 1,5

но при этом в плодах содержание нитратов не превышало 30 мг/кг сырой массы. При минеральном питании эта величина достигала 130 ... 400 мг/кг. Содержание нитратов в листьях томатов составило 40 ... 990 мг/кг сырой массы для опытного варианта и 1000 ... 5000 мг/кг - для торфяной культуры с минеральными питанием. Низкое содержание нитратов обнаружено в ' плодах огурцов (сырой вес) - 50 .'.. 250 мг/кг при выращивании совместно с рыбой, на минеральном питании этот показатель составляет 300 ... 900 мг/кг. Азот корма в данной установке утилизировался на 67% ... 80% общего количества, внесенного с кормом, вместо обычных 25%. Годовая ры-

бопродуктивность составляет 40 кг/м3 рыбоводных емкостей, при этом продукция томатов составляет до 20 кг на кг прироста рыбы

Отмечено отсутствие накопления нитратного и аммонийного азота в питательном растворе при высокой продуктивности растений, особенно в случае томатов (табл. 2)

Таблица 2

Урожайность плодов в зависимости от условий аэрации корневой среды

Вариант Томаты Огурцы

Карлсон Московский тепличный Нацу Фусинари

кг/раст. кг/м2 В.гниль шт./раст кг/раст. кг/м1 кг/раст. кг/м''

1 0,3 1,0 4 2,5 9.0 1,7 6.0

-> 2,2 7,8 1 0,6 3,4 0,7 2 5

3 3,0 10,7 1 1,0 3.5 0,4 1.6

4 4,2 14,8 1,5 2,9 10,6 1,6 5.9

НСРо.5 0,4 1,7 0,5 0,5 2,2 03 1,3

Примечание: 1 - контроль, естественная аэрация, 2 - естественная аэрация (0,5 ч) чередуется с принудительной (1,5 ч ), 3 - естественная аэрация (3 ч) чередуется с принудительной (3 ч), 4 — постоянная принудительная аэрация

Урожайность огурцов в контроле не отличалась от урожайности варианта с постоянной принудительной аэрацией. Урожайность томатов находилась в прямой зависимости от аэрируемости раствора (табл 2). Максимум нитратов (46 мг/кг) в плодах обнаружен в варианте без аэрации, в варианте с аэрацией (постоянной) нитратов было 27,7 мг/кг.

При изучении влияния аэрации и длительности использования питательных растворов (табл.3 ) выявлены существенные различия в приросте биомассы. Фактор аэрации положительно действует на рост растений Биомасса в этих вариантах выше, чем в соответствующих, где применяли новый питательный раствор. Следовательно, старый питательный раствор стимулирует развитие растений Это могло происходить только за счет продуктов разложения микроорганизмами органических соединений, которые образовались в старом питательном растворе. Взаимодействие фак-

ю

торов аэрация плюс продукты метаболизма положительно влияло на рост растений.. .,

,... , /... . . Таблица3

Структура сухой массы рассады огурца в зависимости от условий корнево- • го питания (числитель - г, знаменатель— %), ... ^

Вариант Растение Лист . Черешки Стебель : Корень

Новый 3,01 1,56 ,„ , 0,2 .. 0,62 . ... 0,63

раствор(Н) 100 52 " 7 21 21

Н + Аэра- к 4,43 -'" - 2,11 0,3 > 0,98 - 1,04-

ция(А) " 100 ■ ■ 48 . 7 - 22 23

Старый , 3,71 2,06 0,21 0,83 0,61

раствор(С) ! 100 56 ••■•■■ 6 4 - 22 '• 16

. 5,86 , 2,96 , • 0,42 1Д1

С + А 100 51 7 23 19

НСРо.5 0,17 . 0,14 0,06 0,4" ' 0,38 '

.. Физико-химические и биохимические. показатели экосистемы "рыба — овощи —микроорганизмы"и отдельных ее блоков.

, Фитотоксичностъ. В опыте по изучению аэрации и длительности использования питательных растворов в первый период старый многократно используемый раствор практически не был фитотоксичен в отношении проростков редиса и кресс-салата, новый раствор стимулировал рост по сравнению с контролем(вода). С течением времени во всех вариантах проявлялось только стимулирующее действие. В остальных опытах, где определяли фитотоксичностъ, она не проявлялась.

Значения рН питательных растворов. Значения рН в экосистеме находились, в основном, в интервале 7,2 ... 8,5, тем не менее у растений признаков недостаточности железа, марганца и других микроэлементов не было, в опытах же с минеральным питанием (рН 7,2 ... 7,5) в течение двух недель в период интенсивного роста у растений полностью желтели молодые листья и точки роста. Следовательно, в системе "рыба — овощи — микроорганизмы" катионы металлов находятся в хелатированном состоянии, что дает возможность растениям использовать их и в щелочной, и в кислой средах., ■ •. . < . , . .

11

В опытах с различными режимами аэрации при низком уровне азота значения рН по вариантам составили- 1 (5,2 . 6,7), 2(6,1 .. 6,4), 3 (6,8 ... 7,0), 4 (6,8 . . 7,7) Высокую кислотность корректировали внесением карбонатов кальция и магния

Электропроводимость. Основным сигналом обратной связи для оценки составленной программы минерального питания являлись значения электропроводимости питательного раствора в корневой среде В основном , они находились ниже отметки 3 мСм (корректировку питательных растворов проводили при значении электропроводимости меньше 2,5мСм) В опыте с рыбами электропроводимость, в среднем, была 0,75 мСм

Кислород и водорастворимый углерод в системе и блоках. Продолжительная аэрация питательного раствора положительно влияет на рост растений Кислород используется корнями и аэробными микроорганизмами в процессе дыхания. В его отсутствие происходят анаэробные процессы, отрицательно сказывающиеся на состоянии системы "корневая среда -растение". Результатом этого является снижение продуктивности растений (табл. 2, 3) В бессубстратной водной культуре растений развитие микроорганизмов зависит в основном от корневых выделений выращиваемых культур. По количеству углерода, содержащегося в органических веществах, растворенных в питательном растворе, судят о степени токсичности субстрата или питательного раствора.

Нам представляется, что при достаточной аэрации корневой среды процессы разложения органического вещества проходят со скоростью, достаточной для того, чтобы эти вещества не накапливались в системе и не угнетали рост растений

Содержание водорастворимого углерода в питательном растворе во всех проводимых опытах, где его определяли, было крайне низким.

Микроорганизмы в экосистеме и блоках. Микроорганизмы мальков карпа С целью уточнения популяций микроорганизмов, присущих в водной системе непосредственно рыбе, были проведены анализы микрофлоры мальков карпа В табл 4 представлены

12

данные этого опыта. Как оказалось, наибольшей численностью характеризовались микроорганизмы на МПА, КАА и среде Менкиной с органофос-фатами, что согласуется с результатами посевов проб, взятых из прудов по подращиванию молоди карпа. Доминировали на МПА преимущественно бактерии рода Pseudomonas. Совершенно отсутствовали грибы, актиноми-цеты. На КАА развивались практически те же псевдомонады, из них Ps. fluorescens составляли до 70% всех представителей рода Pseudomonas (на , МПА доля Ps. fluorescens была в 2 раза меньше).

Таблица 4

Численность микроорганизмов мальков карпа

Питательная среда МПА КАА Гильтая Виногр адского Менкиной

Численность микроорганизмов ' "4,52-107 3,6-107 9,5-102 0,6-10 - 1,1-Ю7

Микроорганизмы питательных растворов 'под растениями томатов. В питательном растворе под томатами, также как и под огурцами, численность микроорганизмов, естественно, меньше, чем в почве. Это определяется меньшей концентрацией питательных веществ, качественным составом микроорганизмов, присущих данному виду растения, и физико-химическими факторами (Л, аэрацией, рН, осмотическим и гидростатическим давлением, проникновением солнечных лучей).

Рассмотрим основные особенности ризосферной микрофлоры томатов, выявленные нами в питательном растворе. Надо отметить, что в ризосфере преобладали популяции не образующих спор бактерий: их число в ряде- случаев (на МПА и КАА) достигало почти 100%. Колебания числен ности микроорганизмов на МПА проявлялись в большей степени, чем в культуре огурца, хотя тоже были незначительными. Максимум численности (табл. 2, рис. 4) выявлен в первом варианте через 2 мес. после закладки опыта, причем пик развития бактерий совпадал с максимумом содержания аммония (146 мг/л), в то время как в других вариантах в этот срок численность бактерий, использующих органические соединения азота, была ми-

13

Iii" ROE «

,u-> КОР

А

/ \

/ f \

/ \

/ \

V.

10 КОЕ mi

KOF мп

3 25 2 1 5 1

OS 0

i

А,

/ \

/ \

/ \

60 SO 40 30 20 10 о

1 -Г—j

V""'

\ \ /

\ /

V

ш

IV

Рис 3 Численность раз-етчных rpvm микроорганизмов \4acTBviouM\ в трансформации jjoTcoaepiKa^j.'x соединени в же^истс» е рыСа »виши микроорганизмы il — минерализаторы II - аенитрификаторы III - нигрификаторы IV - анаэробные азот фиксаторы I - фаза tivTOHH3aimn гсрвой кислс 2 - кве^ение ' начало подо ноше-'ия 4 - m поношение)

10" KOE/vt 200 -180 » >60 »

140

120 100 80 60 ~ 40 20

ti

□ 1

В2

сз

-4

104кОЕ \п

3s

20 15 10 5 0

•-

—

—

П

I im I

1 посев 2 посев

[Б7

1И2

|оз Ei

Pi с 4 Чисземость минерализаторов в растворе под томатами в ?ibmi,kmo,.iii от реж* мов аэрации А — обозначение как в 2

Рис 4 Чискнноиь минерализаторов в растворе i 1-Л i глраами в зависимости от режима ajpatiHH и длитетьности hl ы t so Бь.ния i лтатгт! ного раствора Ь 1^означение как в таи i Ч

нимальной В количестве денитрификаторов по вариантам различий не выявлено Их минимум (6 КОЕ в 1 мл) был обнаружен при постоянной аэрации. В начале постановки опыта и через месяц азотфиксаторы (анаэробы) не обнаруживались, появились они только к концу вегетации и во всех вариантах, кроме варианта с 3-часовой аэрацией.

Если 1 рассматривать динамику развития микроорганизмов на МПА под томатами, то следует отметить, что она зависела, прежде всего, от аэрации (при барботаже численность практически возрастала на порядок) Играл роль, бесспорно, при этом и уровень содержания азота в среде (0,06 rN/МДж).

В целом же, численность микроорганизмов, использующих органические формы азота, во время опытов была хЮ3 . х103 КОЕ/мл, чаще хЮ4.

Количества бактерий, растущих на КАА, несколько различались друг от друга в зависимости от аэрации, обеспеченности азотом и сроков использования питательных растворов - х 104 ... х 105 КОЕ/мл при проточной культуре (при 0,06 rN/МДж и при 0,02 rN/МДж азота) и в старом растворе

Денитрификаторы в растворе обнаруживались, в основном в количестве хЮ . хЮ2 КОЕ/мл при снижении к концу вегетации (фаза плодоношения) до десятков (1,5 ... 2,5-10 КОЕ/мл)

Самой малочисленной популяцией оказались Clostridium (десятки КОЕ в 1 мл раствора) на среде Виноградского во все фазы вегетации растений томатов

Количество бактерий, участвующих в аэробном разложении целлюлозы, не зависело от времени использования раствора, и было приблизительно одинаковым при незначительных колебаниях в течение вегетации Вместе с тем, в условиях аэрации (барботаж) доминировали Cellvibrio,

Cellulomonas, Sorangium, которых практически не было в варианте с проточным культивированием.. . .с : , .,,; v. .....'<_Г " • На среде Эшби азотобактер не был обнаружен, а численность олиго-нитрофилов оказалась такой же, как численность бактерий на МПА (х_104; х 105 КОЕ/мл). Различия в численности популяций микроорганизмов на среде Эшби по вариантам и фазам вегетации были незначительны. Среди, олиготрофных бактерий'доминировали Pseudomonas, Vibrio, Micrococcus, Arthrobacter. '• •• ... » . г ■ ; r" ,v; j j . ...

• Рассматривая микроорганизмы ризосферы томатов в питательном растворе, следует остановиться на тех различиях;'которые выявлены при их сравнении с численностью микроорганизмов в тепличном грунте. Так, в грунте под томатами аэробных целлюлозоразрушающих микроорганизмов было 40-102 КОЕ/мл, в то время как под томатами в питательном растворе 533 и 205 КОЕ/мл (барботаж и проточная культура соответственно). В грунте доминировали Sorangium sp. и Cellulomonas, в питательном растворе Sorangium sp. встречался и то только в единичных случаях в варианте с барботажем. ' .■.••■ , г; ; ■ . ■■ .. ..

Наибольшая численность микроорганизмов на МПА выявлена под растениями томатов в грунте - 37,2-104 КОЕ/мл, в питательном растворе количество бактерий было на порядок ниже — 48,6-10 ,и 33,3-Ю3 КОЕ/мл соответственно (барботирование и проток).-,; : л; - ч.ь.-: . ,»'.;'лТ;

Еще более различающиеся цифры получены на МПА при сравнении численности бактерий в ризоплане (на корнях) и в питательном растворе (ризосферы). В ризоплане численность,микроорганизмов была 133 и 205 КОЕ/мл, в растворе 7 и 25 КОЕ/мл (барботаж и проточная культура). ( .. ..

Численность популяции нитрификаторов в грунте была 3 0,8 • 103, в растворе 5,9-102 и 7,5-102 КОЕ/мл в зависимости, от аэрации (барботаж в поддоне, проточная культура в желобе). Олигонитрофилы (преимущест-'венио мелкие клетки,4 почти коккоовальной формы) при раскладывании

комочков грунта и капелек питательного раствора развивались в 100% случаев (в том и другом варианте).

Микроорганизмы питатепных растворов под растениями огурца. Соблюдая основную схему изложения опытов с томатами, рассмотрим и для растений огурцов те закономерности, которые были выявлены нами в опытах с этими растениями Так, в опыте с огурцами численность бактерий, усваивающих органические формы азота, в течение вегетации по всем вариантам составляла х 105 КОЕ/мл , лишь в варианте с 3-часовой аэрацией и 3-мя часами без принудительной аэрации, она снизилась с 3,7 -106 до 1,2 105 КОЕ/мл Анаэробные азотфиксаторы в первый посев не обнару-жилсь, за исключением варианта без аэрации, где их численность была очень низкой - 60 КОЕ/мл. С течением времени количество бактерий рода С1оз1пё1ит возросло и выявились различия по вариантам Их число зависело от степени аэрации раствора. Максимум наблюдался в варианте без аэрации (1,1 103). Численность денитрификаюров не зависела от режима аэрации

В опыте 1 также доминировали микроорганизмы, использующие органические формы азота (х 106 КОЕ/мл), причем динамика их развития прямо противоположна динамике развития азотфиксаторов (рис 3).

Сравнение микрофлоры питательного раствора и тепличного грунта для растений огурца дало следующие результаты. Микроорганизмы, участвующие в трансформации углерода (аэробные целлюлозоразлагающие), в наибольшем количестве находились при выращивании растений огурцов в грунте (35 10: КОЕ/г), в то время как в питательном растворе их было НО КОЕ/мл

Количество бактерий в ризоплане (на корнях) и ризосфере в питательном растворе отличалось на порядок (ризоплана/ризосфера — 110/16 КОЕ/мл)

Наибольшая численность микроорганизмов на МПА была обнаружена не только под растениями томатов, но и огурцов в грунте (48-104 КОЕ/г); при выращивании в питательном растворе количество бактерий было ниже на порядок -47,4-103 КОЕ/мл. '

Нитрифицирующая активность также оказалась выше на несколько порядков при выращивании,огурцов в грунте (12,7-Ю3 КОЕ/мл) в сравнении с питательным раствором под огурцами (49 КОЕ/мл). ,

На среде Эшби во всех вариантах было 100% обрастание олигонит-рофилами комочков грунта и капель питательного раствора.

Итак, при разработке для замкнутой гидропонной системы под куль-, туры томатов и огурцов технологических параметров использования "старого" питательного раствора (ранее 5...7 раз применявшегося для выращивания различных овощей и затем в течение года хранившегося) установлено, что использование таких растворов обеспечивает высокую продуктивность томатов и огурцов, экологическую чистоту продукции и экономию питательных элементов. Показано, что коррекцию по питательным элементам (по результатам электропроводимости) при использовании «старого» питательного раствора целесообразно проводить при значениях ниже 2,5 мСм. Для оценки пригодности "старых" питательных растворов в качестве субстратной среды предварительно рекомендуется использовать диапазон численности аммонификаторов(рис. 5). Многократное использование питательных растворов в гидропонике сокращает применение необходимых минеральных элементов в 8 ... 10 раз при получении высококачественной продукции. Урожайность экологически чистых томатов — 12 кг/м2, содержание нитратов в плодах существенно ниже ПДК - следы.

. Разработка технологии многократного использования питательных сред в гидропонике (для томатов и огурцов). "Утомление" питательных растворов, даже 5 ... 7 раз применявшихся для выращивания различных овощей — это пример неблагоприятных изменений в экосистеме, вы-

званных нарушением ее функционирования, преимущественно микробных процессов, как следствие нарушения количественных и качественных соотношений в популяции микроорганизмов.

Бессменно многократно используемые питательные растворы обычно содержат повышенные количества различных групп микроорганизмов и загрязнены высокими концентрациями конкретных элементов, например N - ЫН«+, которые, как принято считать, угнетают рост растений по мере увеличения продолжительности бессменного использования раствора

В экосистеме "рыба — овощи - микроорганизмы" нитритный и аммо-айный азот токсичен рыбам. Накопление этих форм наблюдалось при плохой подаче Ог или при очистке емкостей от активного ила При анализе динамики азота (N-№14 и К—N03) в наибольшем количестве (опыт 1) системе обнаружен аммиачный азот - колебания в пределах 0,2 ... 68 мг/л (в среднем, около 20 мг/л) Содержание нитратного азота изменялось в пределах от 0,5 до 25,3 мг/л, в конце опыта обнаруживались лишь следы. По времени количественные изменения аммонийного азота с нитратным не совпадают.

В опыте с растениями огурца оценку питательных растворов по микробным показателям проводили дважды (рис. 5)

Численность микроорганизмов, использующих органические формы азота, в начале опыта во всех вариантах независимо от срока использования раствора и аэрации, была одного порядка (х 105 КОЕ/мл). В следующий срок анализа их численность уменьшилась до десятков тысяч КОЕ/мл питательного раствора. По вариантам различий практически также не было, несколько большее число протеолитических микроорганизмов наблюдалось при использовании старого раствора

Численность микроорганизмов на КАА в начале опыта была на том же уровне, что и микроорганизмов, использующих органические формы азота, а в варианте с новым раствором без аэрации (рис. 5), даже превыша-

ла на порядок. По остальным вариантам различий практически не выявлено.Содержание других физиологических групп микроорганизмов, участвующих в трансформации азотсодержащих соединений, в питательном растворе в онтогенезе растений огурцов было невелико и колебалось в пределах 10.. ЛО3 КОЕ/мл. На среде Эшби обрастание капель питательного раствора по всем вариантам было 100%. Здесь также выявлялись олиго-нитрофилы, азотобактер отсутствовал. , . . > , ; -

Значительных колебаний в численности аэробных целлюлозоразла-гающих микроорганизмов ни по вариантам,, ни во времени не наблюдалось, только в новом растворе с аэрацией при увеличении срока выращивания растений содержание их несколько снижалось. Наибольшее их количество было в варианте (старый раствор + аэрация) (табл. 3) во все сроки взятия. Анаэробные целлюлозоразлагающие микроорганизмы не обнаружены. -- ■ •■ ■ :■■:■-■•-,"), ....',■'

"•' " Азот в растворе почти во всех вариантах находился в основном в форме N-N03, за исключением варианта (Н + А) (табл 3), хотя первоначально в старом растворе большая часть его была в виде N-N114. К концу опыта обнаруживались лишь следы азота, независимо от формы и варианта. • *. . .,■.

•: . ВЫВОДЫ

1 " 1. Показано, что при функционировании замкнутой экосистемы "рыба - овощи -микроорганизмы" в условиях гидропоники создается особый гидрохимический режим, который, с одной стороны, определяется выращиваемой рыбой, с другой, растениями и микроорганизмами выполняющими роль биофильтров саморегулируемой системы. *

'2. Установлено, что замкнутые саморегулируемые системы обеспечивают высокую эффективность получения экологически безопасной продукции: рыбы — годовой выход около 40 кг/м3; урожайность томатов до

20 кг на кг прироста рыбы при низком содержании нитратов в плодах (до 30 мг/кг), интенсивная циркуляция питательного раствора в зоне корневых систем способствует развитию микроорганизмов, ведущих процессы минерализации органических соединений в системе. Динамика численности физиологических групп микроорганизмов изменяется в зависимости от фаз развития растений

3. В комплексе микроорганизмов экосистемы "рыба — овощи -микроорганизмы" под овощными культурами по численности преобладали минерализаторы органических форм азота (х 10б КОЕ/мл), количество нитрификаторов и денитрификаторов находилось на уровне х 103 КОЕ/мл. Единичные клетки Clostridium были выявлены к концу вегетации. Не обнаружены грибы и актиномицеты Преобладали неспорообразующие формы, среди которых доминировал р Pseudomonas Возможно его высокую долю определяют не только эпифитные микроорганизмы, но и микроорганизмы присущие здоровым малькам и годовикам карпа, вносимым в систему

4. В комплексе микроорганизмов под растениями томатов и огурцов в модельных опытах, имитирующих экосистему в равной степени развивались микроорганизмы, использующие органические и минеральные формы азота, и олигонитрофилы (х 104.. х 105 КОЕ/мл)

Численность аэробных целлюлозоразлагающих микроорганизмов варьировала в пределах х 10...х 102 КОЕ/мл, в основном обнаруживались рр Cellvibno, Cellulomonas, Sorangium

Доминирующие группы олиготрофных микроорганизмов (олигонитрофилы и олигокарбофилы) были идентифицированы как рр. Pseudomonas, Vibrio, Micrococcus, Arthrobacter.

Численность бактерий рода Clostridium варьировала в пределах х 10. . х Ю3 КОЕ/мл, азотобактер отсутствоал

5. В модельных опытах по отработке азотного питания и режима * аэрации без смены питательного раствора выявлено, что уровень аэрации (естественная и принудительная) питательного раствора в непроточной-культуре, при одинаковом содержании аммонийного азота (20 мг/л) для " томатов и огурцов различен. Огуречные растения в меньшей степени реагировали на аэрацию раствора. '•

6. В модельных опытах (бессубстратная гидропоника с растениями огурца) показана экономическая целесообразность применения питательного раствора после многократного использования: , . л

- растения огурцов развивались интенсивнее, чем в свежем питательном растворе, при этом содержание водорастворимого углерода в растворе было низким (менее 3 мг/л); .,<: . Г . • ( "

- фитотоксичность (тест-культура - проростки кресс-салата) не вы-, являлась; . , , -- ■■ ..,., . - ••

- для предварительной оценки пригодности "старых" питательных растворов в качестве субстратной среды рекомендуется использовать диапазон численности минерализаторов х 103... х Ю5 КОЕ/мл.

■ По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Апостол П.А., Есавкин Ю.И., Лавровский В.В., Апостол В.Н., Каренина Т.А., Лавровский В.В., Панов В.Г. Совместное выращивание овощей и рыбы в замкнутой системе // В сб.: Индустриальное рыбоводство в замкнутых системах. М.: ВНИИПРХ, 1985. С. 165 -167.

2. Карепина Т.А., Апостол П.А.,' Есавкин Ю.И., Апостол В.Н., Лавровский В.В., Шильникова В.К. Микрофлора и азотный режим гидропонной замкнутой системы // Тезисы докладов республиканской конференции "Пути повышения эффективности факторов интенсификации сельскохозяйственного производства",г. Вильнюсу 18 — 21 июня, 1988. С. 165.

3. Карепина Т.А. Микробиологические процессы в замкнутой системе"рыба - растение". Деп. 445, Рыбоводство, 1,1987.

4 Карелина Т А. Использование рыб в качестве источника аммонийного азота в малообъемных гидропонных системах // Тезисы докладов конференции молодых ученых "Проблемы повышения плодородия почв в условиях интенсивного земледелия", г. Москва 23 — 25 мая. М.% 1988 С 98-100.

5. Карепина Т.А., Апостол ПА. Влияние различных режимов аэрации корней на развитие и урожайность томатов в гидропонной замкнутой системе при пониженной концентрации питательного раствора // Тезисы докладов IV республиканской конференции молодых ученых и специалистов "Интенсификация агропромышленного производства на современном этапе" ,г. Баку, 25 - 28 ноября. Баку:, 1988 С 100.

6 Апостол П А, Карепина Т А, Шилыгакова В К. Питание огурца и томата восстановленным азотом в замкнутой гидропонной и рыбоводной системах И Известия ТСХА, 1992 Вып. 1. С 104- 121.

7. Шильникова В.К , Годов а Г В , Карепина Т. А. Перспективные микробные технологии получения экологически чистой продукции овощей // Тезисы докладов научно-практической конференции " Дисбактериозы и эубиотики", посвященной 100-летию основания МНИИ ЭМ им Г Н Габричевского г.Москва, 12-15 марта М: ,1998. С. 43—45.

Для заметок