Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

МОБИЛИЗАЦИЯ ЖЕЛЕЗА И МАРГАНЦА БАКТЕРИЯМИ В ПОЧВАХ ПОД РИСОМ

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Автореферат диссертации по теме "МОБИЛИЗАЦИЯ ЖЕЛЕЗА И МАРГАНЦА БАКТЕРИЯМИ В ПОЧВАХ ПОД РИСОМ"

н-ххьы

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛШИНА,ОРД£НА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДША ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАШВД ГОСШРСТВШНИЙ УНИВЕРСИТЕТ жмаын МіВ.ЖЛЮШСОВА

фМфЖ&Гбї почвоведвни

—Bá нршкх ружошїсі ШВХАНОВА ИрОШ ÓBUGMDM - t ■!.■■.■.

УДК С31.41в:63Ь4а7.4

МОЕШМЗАЩИ ХЕША H WJT АЩА . БШЄМЯІ« В КЛВА* ПОД ПК«. 4

аоедеивямв» oe.oi.oä

«идашmm 03.Q0,ctf

khMMM - ЯШ

~~ зота выполнена накафедре хюпн почв факультета

почвоведения Моодовожого государственного уяхвероотета ш. Н.ВЛомоносова

Научные руководители: кандидат биологических наук, доцент

A.И.Обухов " ' доктор биологических наук

B.И.Дуда

Официальные оппонент: доктор биологических наук

Д.Ф.Тарарква

> доктор биологических наук'

Н.М.Умаров

Ведущее учреждение: Почвенный кнотитут ни. В.В.Докучаева

Защита состоится п 198£" р.

в Ш час 00 мин в ауд. М-2 факультета почвоивдони* ИГУ им. и.В.Лоионосова на ааседанин специалнвированного Совета К.053.05.16.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета

почвоведения МГУ.

Автореферат разослан 198 ^ г.

Отзывы в двух экземпляра! просим направлять по адресу: 119899, ГСП, Москва, В-296, МГУ, факультет почвоведения, Учёный Совет.

Учёный секретарь специализированного Совета

Г.В.Мотузова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Актуальность тени. Проблема изучения плодородия почв» сети-.

мизации почвообразовательных процессов в настоящее время имеет особое значение в связи с решением задач Продовольственной программы CCCt. Площади' орошаемых я затапливаемых под рис почв постоянно растут, что относится и к почвам ига Европейской части СССР. Повышенноеувлажнение может сказаться отрицательно на характере процессов почв о образ ов ания, особенно когда загапливапт-СЯ почвы« ноторьш это не свойственно в естественной состоянии. Вопросы плодородия« танин образом, оказываются в тесной связи с прогнозирование» изменения свойств почв, их охраны и рационального использования.

исключительная специфика почвообразовательного процесса, протекающего в условиях периодического затопления и высушивания при культуре риса сопровождается контрастны* окислительно-восстановительным (ОВ) режимом (Неунылов, 1961; Кауричев, Орлов, 1962). ОБ-режин оказывает влияние на судьбу элементов переменной валентности, поведение неорганических ОВ-систем, в частности, железа и марганца с Patríele» 1980j Роппелрегшпл, 1ЭЭ1 )• Анаэробные условия стимулируют интенсивное развитие облигатно-и факультативко-анаэробных бактерий и их возрастающую роль в . разложении органического вещества с использованием элементов перемениоЯ ьалентности в качестве акцепторов электронов (camb-rell, patrict, 1976). Познание физико-химических и микробиологических процессов, связанных с почвообразованием я минеральным питанием риса, позволит, очевидно, приблизиться к решению проблем оптимизации процессов управления плодородием, снижения интенсивности ДеГрЭДСГгН! рисовых почв.

b/7Yf

üay'ur.» »-»г^.-чготсиа

саяьск-м/сс i ллдемщ

ras. S. '>;« ^Bií-ti

Б настоящее время установлено важное значение бактерия г процессах восстановления яелеза, марганца и других элементов, их мобилизации, изменения их доступности и подвижности в почвах (Аристовская, 1280; Зрлюс, 1981; ыипсь, оаощ, 1983; Глазов екая, Добровольская» 1934; Илялетдинов, 1984; Дубинина, Балашова, 1585). . ■ - . •

' Однако, остаются недостаточно изученными ряд вопросов» ка-1 савдихся взаимосвязи физико-химических и микробиологических процессов в затапливаемых почвах рисовых полей (Дуда и др.,1980; Кириенко, 1985). Это касается химических реакций и соединений, определяющих уровень содержания аелеза, марганца и других элементов в почвенном растворе, слабо исследованы формы соединения этих металлов в почвах и роль бактерий в их трансформации. Практически отсутствуют данные по значимости отдельных физиологических групп бактерия в мобилизации железа и марганца в рисовых почвах, неясны механизмы этого процесса,, не изучены колмче- -ственные аспекты восстановления и мобилизации этих важнейших элементов и их.форм бактериями (Аристовская, 1980; Илялетдинов, 1984).

Цель работы в связи с вышеизложенным заключается в исследовании мобилизации железа и марганца в'почвах рисовых полей г условиях их'специфического физико-химического режима, роли отдельных физиологических групп типичных для этих почв факультативно- и облигатно-а«аэробных бактерий в этом процессе) изучении масштабов мобилизации различных форм элементов, её количественных аспектов и механизмов.

Задачи исследования можно сформулировать следующим образом: I) исследовать влияние развития анаэробиоза яа восстанови-

тельные свойства рисовых почв,.на подвижность и доступность.железа' и 'марганца; 2) изучить роль анаэробных микроорганизмов а; восстановите льны* процесса»; б почвах рисовых полей, количественно оценить активность наиболее характерных бактерии в мобилизации железа л марганца; 3) исследовать трансформации форы соединений железа и марганца в почвах под влияние» микробиологической деятельности;-4) определить механизмы мобилизации железа и марганца.в почвах под рисом, оценив при этом взаимосвязь между свойствами почв, физико-химическими процессами и масштабами деятельности бактерий. ,

Научна^ новизна работы определяется впервые представленными данными по мобилизации различных форм соединенна железа и марганца характерными бактериями почв рисовых полей, роли бактерий в формировании восстановительных свойств затапливаемых почв« Приведены результаты экспериментальных исследований по количественным аспектам прямой и косвенной мобилизации.элементов,' их механизмам, включая оригинальные данные по сравнительной оценке масштабов влияния групп бактерий на трансформации соединений железа и марганца в связи с изменяющимся физико-химическим режимом. . \

Практическая значимость представленных материалов заключается в получении экспериментальных данных для разработки теоретически обоснованной системы мероприятий по оптимизации почвообразовательных процессов в условиях использования почв под культуру риса, предупреждения их деградации, оглеения, токсикоза. Лодученяые результаты могут быть полезны для разработки мер по повышению или поддержанию плодородия рисовых почв, включая периодичность использования под рис, внесение удобрений.

Птбликаяии. Основные,результаты содержатся з 6 публикациях.

Апробация работы. Положения диссертации были доложены ила представлены на ТИ съезде Всесоюзного микробиологичес кого общества (Алма-Ата, 1985 г.), научно-техиической конференции "Применение спектральных методов анализа в народном хозяйстве" (Тамбов, 1985)« заседании Ыосковского общества испытателей при-_роды (1966 г.), заседаниях кафедры химии почв факультета почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова-(1983, 198б,г.г.), Всесоюзной конференции "Микроорганизмы и их роль в сельском хозяйстве" (Москва, 1986 г.).

Структура диссертадии традвционна, работа включает введение, обзор литературы, обоснование задач ивследовання« материалы и методы, результаты, обсуждение, выводы, список литературы. Объём работы /67 стр., включая рисунков, таблицы. Б списке литературы 172 источника, на них на иностранных языках 81. Экспериментальные данные получены автором самостоятельно, в сбдре и обработке полевых материалов принимали участие Н.И.Чернова н Н.и.Горихова. -

Обьеяты к методы исследования

Объекты исследования. Экспериментальную работу проводили на почвах Лисковской и Азовской рисовых оросительных систем (Одесская обл. і Краснодарский кр.)і черноземе пхном (разрезы (р.) 3?, 99, 536), дерново-луговой (р. 23, 56-58), перегнойно--глеевой (р. 33, 129) к луговой почве (р. 15). Почвы широкоиспользуются под культуру риса, характеризуются высоким содержанием гумуса, карбонатов, нейтральной в слабощелочной реакцией (данные Причерноморской экспедиция факультета почвоведения МГУ : им. 11.В.Ломоносова).

Исследованные чистые культуры бактерий рисовых почв выделяли из дерново—лугозой и nepernot ю-гдеегой почв. Из дерново-луговой были выделены облИГатыО—анаэробный Clostridium ер. ШТ.2/1 Clostridium ер. BT. I/I, Dceulfotomscoluin ер. ШТ. 21 Б, факуль-тативно-аназробные Bacillus вр., ит. 2/2. Из перегнойно-глеевой - облигатяо-йнаэробные бактерий Clostridium ер. шт. 2/2, шт.3/3 ШТ. 4/1, ¿1. pectinofermentan» DT. 15, Desulfotonsaculum ер.ЮТ. iBi Deeulfot. ruminle шт. I г, факультативно-анаэробные Bacillus sp. шт. 5/1, В, polymyxa шт. 66, аэообные Bacillus ер. от.

I/I.

Методы исследования. Общий.микробиологический анализ почвенных проб по стадиям вегетации риса проводили высеьом на нрахыало-анммачвый и почвенный агар в чавки Петри (Ввягинцев, 1973). Инкубирование проводили при 23°С в микроанаэростатах 11н Лев Эмо в течение 30 суток и в аэробных.условиях в течение 4-5 суток для учёта облигатно-,. факультативно-анаэробных и аэробных бактерий: сулъфидобразующие бактерии учитывали методом почвенных пластинок (Дуда, 1978,1982) (к этой группе относятся сульфатредунирующие и бактерии, образующие 32~ при разложении почвенных серосодержащих органических соединений).

Мобилизацию и восстановление железа'и.марганцу в почвах с учаотием бактерий изучали путёл инкубирования проб с культурами в герметизированных бюксах обьёиом 150 сы5 в течение 60 суток при 28°С в>аназростатах в атмосфере азота. Инонуляты культур, выращенных на плотных питательных средах, нормировали нефелометрически...Почвенные культуры после опыта проверяли па чистоту высевом па плотные питательные средьи

Формы соединений железа и марганса в почвах определяли с J-/W "

помощью серии широко известных специфических энстрагенов (Зовя» 1982; Зырин, 1974; сьао, 1Э72). Водорастворимые формы -водная вытяжка, обменные- I в сн^сооннд (рн-7), восстанавливаемые - : I Н СН3СООШ4+ 0,2% гидрохинон, доступные (для растений) I н сн^соош^ (рн-4,8), аморфные и окристаллизованные - витяжка Таима + ультрафиолет'(для железа) и солянокислый гидрокоиламин в 0,01,н нно^ (для марганца), залогов содержание элементов в почвах определяли после разложения их смесьи кислот неї, шо3 и в? с последующим растворением в 0,5 н всі. Конечное определение элементов я растворе проведено методом атомной абсорбции ва спектрофотометре фирмы Perkln-Elaier модель 403. . -

Способность бактерий к извлечений элементов из почвы изучали с помощь» диализных плёнок (Сибурт, Лавуа, 1979) в опытах о 14-дневным инкубированием. Бактериальную пассу высушивали при Ю5°С в сушильной шкафу, озолйли в муфельной печи при 450°С, растворяли в разбавленной 1:1 ико^, -

Распределение железа и марганца в клетках бактерий, куль-хураоьвых средах, их липидных, белковых и ниэкоыолекулнрных фракциях исследовали высевом чистых культур на минеральной среде Берги (їоудат, 1980) и водной вытяжке из чернозёма южного. Продолжительность опытов - 14 суток. Клетки•бактерий отделали от сред двукратный центрифугированием■при 10 тио об/мин в течение 15 минут, разрушали с помощью ультразвукового дезинтегратора УЗДН-ІУ4-2. Среды высушивали лиофильно с предварительным замораживанием при ^20°С. Дипиды экстрагировали по Кейтсу (1975), белов осаждали по £оуну и Дампману (Пронина, 1978).^

Общие методы. Белок определяли, спектрофотометричесяи в Уф области с реактивом кумасси (Алмвердиева, Шольц, 1984) на

спектрофотометре'фирмы *lkb". рН и онислительно-восстановитвль-ный потенциал (СВП) определяли похенцномехричеоки стандартными методами. Двухвалентное железо определяли колориметрически с Я^'-Дипиридалом. Определение Н2 и 00£ проводили методом газоад-сорбпибнной хроматографии на хроматографе ЛВ1-1. Спирты в органические кислоты определяли методом газожидкостной хроматографии на хроматографе ЛЭД-б с пламенно-ионизационным детектором. Качественный анализ хроматограим проводили по стандартам, количественный - по калибровочным кривым (Ногаре, Дхуветт, 1966; Хитрука, 1978). Инфракрасную спекгрофотсмегрив питательных сред производили на спектрофотометре ИКС-2Э в области частот 400-4200 см"1 с использованием квг-т«хники (Орлов, Гришина, 1981). Идентификацию полос поглощения проводили по справочным таблицам (Беллами, 1963; Иоффе и др., 1981).

Опыты проводили в З повторностях; результаты обрабатывали статистически по общепринятым методам, для ¡^«-уровня значимости (Наслов, 1978; Максимов, 1980; Плохинскмй; 1980). При анализе двумерных диаграмм рассеяния исходных данных использовали вепа-рамезрический критерий Вилноксона (Браунли, 1977).

Результаты и обсуждение

I. Химические и микробиологически^ исследования поч^ тюц ' оисом. При затоплении почв наблюдали рост численности анаэробных бактерий« который достигал максимума в июле (рис.1). В это время численность анаэробных бактерий была вше, чем аэробных, хотя обычно, по данным литературы, облигатвые и- факультативно-анаэробные бактерии в почвах при затоплении составляют до 25£ от численности аэробных бактерия (Дуда и др., 1980). Учёт факультативно-анаэробных бактерий, перешедших на анаэробный тип

N

чернозем 'югаш£

чернозем южный за-тотгаикпЯ

1Г и

|дерново^луго- " 1 вая осушенная'

дерново-луговая затопленная

300200'

120

56

72 43

24

6 7 8 6 7 а Рпс. I. Длнаг.птка аэробных и анаэробных бартеру;;

в почвах при вегетации риса. Обозначаем! —— аэробные бактарии, —й— анаэробные бактерии, ы - численности бактерий (млн/1 г почвы),t - время (месяцы),

Таблица I. Влияние мшфооргани??рз гг рН и СЩ (иго).

Почвы

Чернозем ккр.ный Лерегко£но-глеевая

Вариант пнкуйированш РН ош РН ОШ

Контроль стерллышЁ 7,4 572 е,о Е96

Контроль кестерилыяй 7,6 92 ^ О 162

С1озЪг1й1щ> ар. тит. 2/2 7,9 242 6,3 20?

С1оа-Ь:г1а1гщ1 ер. шт. 3/3 7,5 £57 Ь,2 С 47

С1о8-Ьг1Л1ит эр.шт. 4/1 7,5 342 К 4 Е07

СХ.рес^поГмтаег^апэ шт. 15 7,9 ЗОС У, 5 157

ВасШвд ро1упуха ШТ. 66 7,9 ЗЭО С,4 320

ВасШиз'ар, шт. 5/1 е.с 147 8,6 130

Вас111ча ар» шт. 1/1 6,3 322 С,6 320

в зи1£огэтаар, ШТ. 1в 6,9 €7 , 7 9 ■с ■ . 17

1чж1а1е ШТ. 1Г 7,5 . 162 6,0 ' 157

обмена веществ, даёт более реальную картину масатабов анаэробиоза. ,

Бактерии родов Becillue, Clostridium, D*aulfoto[uaculiim, признаются наиболее представительными в почвах рисовых полей -(Мипустин, Емцев, 1974} Otto«, 19ба«Ehrlich, 1976 ).-Численность сукьфидобразущих бактерий особенно высока в дерново-луговых почвах (SO млн/г сухой почвы), в течение сезона она изменялась на 2 порядна, однако, существенно, что махсниальные значения встречались чаще.

Затопление почв приводит в снижению ОМ с 400-500 ыв до 150-200 мв, особенно для участков, используемых под рис в течение 2-х лет, а в фазу всходов риса - до 50 нв. Некоторые авторы отмечали, что для почв'в 4-х летний использованием под рис значения ОВД достигали в фазу кувения-140 ив (Кириенко и др., 1976; Николаева, КаВнаиева, 1980). Наибольшему восстановлению подвергались верхние горизонты, относительно богатые органическим вещество«. Считается, что общее количество восстановленных веществ в рисовых полях обратно зависит от величины ОВП, причём 50" —90iE этих веществ составляет т«г+ (То, 193?)* Интенсивность восстановительных процессов связана с обеспеченность» растений элементами питания (Ежов,1979; Костенков, Толкач,1982). Считает,что ОВП порядка 70-120 ив при р9 около 6,5-7,0 благоприятен для поглощения питательных веществ рисом (гошш*р*гшш, 1972, 1981).

Содержание закисного железа и подвижного марганца в почвах находится в обратной зависимости от ОВП. В дерново-луговых поч- -вах максимальное содержание т* приходится на фазу всходов риса, оно ирцу^очено к верхнему норнеобитаемому слов (700-800 иг/кг сухой почвы), виз по профилю количество г*г* снижается

з- /т

до 100 мг/кг. В фазы лущения и цветения содержание т«г* ниже, возможно, в связи с аэрацией у корней (Николаева, Майнашева, 1976). Чернозём южный под рисом отличается относительный постоянством уровня Ре2+ (около 1000 иг/кг). На тех же неорошаемых почвах осушенных плавней и почвах под люцерной содержание подвижного железа незначительно (200 и 50 мг/кг для верхнего слоя). Затопление приводит н увеличению содержания подвижного марганца, особенно обменных фор» его соединений (вытяжка I н снэсоовн+). В дерново-дуговой почве в фазы всходов; кущения и цветения риса содержание обменного Ип варьировало от 30 до 140 иг/кг (горизонт 0-20 см), для чернозёма южного - от 0,5 до 160 мг/кг. Максимальные величины содержания обменного мп были присущи самому верхнему слою (0-1 см) в фазу цветения риса - до 300 мг/кг, 60-80% от валового содержания марханца находилось в доступной для 1 растений форме. На неорошаемых почвах уровни обменного ш не--значительнн (от 0,5 до 50 мг/кг). Накопление элементов переменной валентности свойственно верхним горизонтам профиля почв при ОБИ ниже 370 мв (Костенков, 1980) и зона переходов т»3*

350-450 мв (Орлов и др., 1970). Оптимальная концентрация для риса 1000-1500 мг/яг почвы (Николаева и др., 1984), избыток его может быть токсичен, недостаток вызывает хлороз риса (Eat;-el. Deb, 1932). Избыток или недостаток марганца в рисовых почвах встречается редко (More et al., 1981). Близкие к представленным данные были получены для темно-каштановых и вавтаново--луговых почв (Кириенко, 1985). При рН 6-8 и ОВП 300-200 мв значительная доля itn превращается в водорастворимые и обменные формы соединений (Gotoh, Patrick, 19843 Poatwimperuma, 1969)> растворимость марганца падает с увеличением рН или повышением

ОВД, низкие величины рН ыогут привести к появлении токсичных концентраций Pe2+ (tatrick, Henderson, 1931; Sanders, 19ВЭ).

Определение суммарной восстанавливающей способности почв аппликационным методом (Востров, 1970) показало, что верхний слой почв, граничащий с водой, представлен окисленной плёнкой в несколько мы, ниже находился резко восстановленный слов мощно- -стью 12-25 с»,.затем гетерогенный и далее - окисленный слой. Дифференциация почвенного профиля происходит при затоплении за счёт низкой скорости диффузии молекулярного кислорода по сравнению с газообразным, превышения химико-биологических потребностей над его поступлением (Howeber, 1972; Gambrell, Patrick, 1978), фотосинтетической деятельности микроорганизмов (Patrick, Dedaune, 1Э72). Окисленные зоны могут служить химическим барьером миграции восстановленных соединений, в том числе железа, и марганца, что, возможно, и является основанием снижения их содержания вниз по почвенному пробила. Неоднородность почвы по степени окисленвости мояет быть одной из причин, обеспечиаасщих функционирование при затоплении различных физиологических групп бактерий - аэробных, факультативно- и облигатно-анаэробных.

2. Влияние бантери}} на физико-химические свойства почв, мобилизацию железа и марганца -Ори инкубировании проб чернозёма южного и перегнойно-глее-ВОЙ ПОЧВЫ ивокулированной культурой Bacillus «р. I/I происходило увеличение рН (до 8,3-8,8) и снижение ОШ (табл. I)., Наиболее существенное снижение ОШ (до 67 и 17 ив) характерно для нестерильных почв, сульфатредуцирущих бактерий, а также обли-гатно-аааэробных Clostridium ер. шт. 2/2 и факультативно-анаэробных Bacillus ар. шт. 5/1. Снижение ОВП происходит, очевлдаи,

за счёт восстановления неорганических редояс-сястем (ропаалрл-гшоа, 1967. 1968) тг!о1с, 19во), продуктов жизнедеятельности бактерий, таких как органические кислоты, перекиси, сероводород (Аристовская, 1965; Еидев, 1984). Увеличение рН, по~ввдимому, объясняется'накоплением щелочных продуктов анаэробного распада белков: протеолитическая активность известка для бактерии рода <Цоа^101ив (Емнев, «ухаметдинов, 1983, 1ЭВ4),. вмШ«а (Гусев, Ыинеева, 1985) и других гетеротрофов. В результате расщепления белков этими микроорганизмами выделяются аммиак, углекислота* сероводород. В случае сульфатредуцирулцих бактерий подщедачква-кие может происходить за счёт образования *»он «з Иа2504 с участием 7*(он>з и органического вещества (В1оо*?1еЫ, 1969; Роп-патрегита, 1972). В почвах янокулированных минроорганиэиами наблюдали увеличение подвижности соединения жежоаа (табл. 2). Наибольшей активность» отличались культура Веяц1гвгош»ои1ия ер. ах. 1В, Певи1ГоЪ. ГЦщ1п1в шт. 1г, Ва«Шш «р.. шт.5/1, С1ов*г1-<Ншп ер.шт.3/3. Превышение над контролен содержания железа в

С

вытяжке Таима свидетельствует о способности большинства исследованных микроорганизмов к мобилизации аморфных и окриетадлизо-ваиных форм соединений железа, возможно, в даже железа из кристаллических решеток минералов (Арястовская, 1ЭВО; кшеь* огго», 1983). Мобилизация железа оказалась специфической в количественной отношении для различных культур бактерий и зависит о« свойств почв, в частности, от степени окристаллизованносхш оксидов и гидроксидов. Инокуляция бактериями приводит к увеличение количества двухвалентного железа а почвах, составляющего значительную часть его подвижных форм, а также в увеличению подвижности трёхвалентного железа. ' "

Таблща 2. Ыобжджзащи различил форы железа прі жийкудщп образцов I почв мікроорганізмам!,(кг/кг, 'а« 3).

П о ч в а Чернозем тіні П в р є г а о а я о-г л в е в а а

Варіант хкхубіровадія І 2 3 4 5 І 2 3 4 5

Воздушно-сухдя почва 0,5 180 350 185 9130 1,0 200 1580 540 12440

Контроль отеральщй 1,7 290 390 230 10700 2,2 330., 1845 1280 16720 .

Контроль наотернльннЗ 2,5 870 ІОТ4 658 13420 4,0 1240 4400 2780. 23660'

CloatridluM ар. пгг, 2/2 1,6 480 826 396 ЛЗОО 1,6 580 2200 1830 2ІЗІ0

Clogt ridium ар.шт. З/З 2,1 430 640 566 10640 і 4,9 600 3100 1660 -19580

і Clostridium ер, ти.А/1 2,1 480 712 430 9870 4,5 510 2570 1340 Ї86І0

СІ.ре сtino fe rraentansmi.15 2,1 450 660 5Ю ІСГ760 4,5 790 2950 Г750 22680

Bacillus роїшшха ПГЕ.бб 1,5 440 1015 590 9960 2,6 835 2650 1610 21230

Bacillus ер, BT. 5Д 2,1 700 1340 880 шоо 4,7 850 2280 1890 2IIS0

Bacillus sp. ЩТ. I/l 1,4 410 528 380 9190 3,3 640 2040 1420 20150

Deaulfotomaeulum вр.щі.Ів 27,0 830 1690 1290 ІІ400 26,0 850 3440 2280 2ІІ20

Deaulfot. rumíale ШТ.Ir.15,0 810 1390 1030 11260 9,5 720 2880 2040 20700

Ойозн, Вытяжл: I - ыщт, 2 - ацвтатно-аымонжйная, 3 +F»3+ в ОД н HjSC^i. 4 - г*2+ в 0,1 в B2SO4 , 5 - вытяжка Таыыа о облучением почвенной оуопенэи ультрафіолетом*

н

Мобилизация марганца культурами микроорганизмов проявлялась в увеличении подвижности его форм от водорастворимых до окислов и гидроокислов. Наиболее активными были бактерия Cloat-riiiuM »р. жт. 2/2, Вас t Hue вр. ШТ. 5/1, Deaulfоtenaculum «p. шт. X в (табл. 5).

Увеличение подвижности химических элементов s эатаплввае- . них почвах происходит под влиянием микроорганизмов, в частности, Bacillus, PeeuiomonAfl, Clostridium, обладающих редуктазной активностью (Аристовская, 1980; Ottow, I97ij Эрлгос, 1981). Для этого необходим контакт' металлов с клетками (еьшсЬ, otto*, 1983). Восстановление происходит также при использовании их в качестве акцепторов электронов при разложении органического вещества (Patrick, 1930} Дубинина, Балашова, 1985). Большое значение длк увеличения подвижности железа и марганца имеет образование ме-таллоорганичесвих комплексов и хелатов. Комплексы образуются за счёт функциональных групп органических соединений почв, включая клетки микроорганизмов И ИХ метаболитов (Shlodo, Kuwatauka, 1977; Идялетдннов и др., 1976; Илялетдйяов, 1984). Этим и объясняются, вероятно, приведенные данные но подвижности железа и марганца при наблюдаемых величинах рН и ОВЯ. Очевидно,состоя-- ние этих элементов в анаеробних условиях определяется деятельностью анаэробных бактерий.

3. Накопление железа и марганца в бактериальных клетках и культуральнш: средах . Мобилизация и восстановление железа и марганца, способствующие увеличению их подвижности, происходят или в результате контакта о бактериальными клетками, или без него - через вое--становительную и коиплекоооразующую способность метаболитов*

/

Тайюща 3, Ыосялжзация разлита <^орм марганца прк кнокулядаи образцов почв мжкроорганжзмаыж кг/кг; и = 3 .

Почва Чернозем изн! Перегнойно-гле^увая

Бар«ант жихуйвровашш I 2 3 4 5 I 2 . 3 4 5

Воздушнснсухая почва од 180 ■ 210 244 390 ОД 159 230 240 " 310

Контроль стериьшй 3,0 210 ;ззо 360 460 2,8 200 320 325 465

Контроль нестерильный 3,7 390 440 480 620 3,6 235 410 410 620

С1ов1;г141шп яр. шт. 2/2 6,5 280 380 480. 500 3,8 250 470 470 620

С1о8^1<11ш ар, шт. 3/3 4,3 230 330 390 480 3,3 210 405- 410 570

саовгт1<111ш ер. шт. 4/1 4,4 220 350 .400 .520 3,3 220 410 390 565

а.рво^^мГехте^вия ШТ. 15 3,3 220 330 400 510 3,4 245 ; 430 420 600

В. ро1ушуха шт.66 3,1 210 320 395 490 3,0 225 385 375 600

ВасШиа вр» шт. 5Д 4,5 260 360 450 530 5,8 230 490 495 620

БаоШив ер. ШТ. 1/1 1,6 220 320 390 510 1.8 240 405 405 580

1>еэи1Го1;ощаси1ш ар* шт*1в 4,2 290 360 400 570 3,8 250 420 410 605

Цеви^ой. гша1п1е ШтЛг 5,0 280 350 380 550 3,4 220 395 370 540

Обозн. Вытяга: I водная, 2 - I н сн,соонн4 + 0,2? гвдрохгаоа», 3 - щвтатвс-льыошса-ная 1Й 4,8, 4 - 0,1 я н2зо4 , 5- 0,1 в лн^он'нсь в 0,01 к азотной молоте.

что и предполагает наличие пряной и косвенной мобилизации. Культуры бактерий обладает высокой способность» х извлечение железа и марганца из почв, содержание их в бактериальной касса было в ? раз для железа и в 50 для марганца suae среднего содержания .'по Бовеиу (Ковальский, 1974 (табл. 4). Очевидно, что элементы, обнаруженные в бактериальной массе, могли не только поглощаться ИЛИ сорбироваться клетками (Vwikateewerlj, SMtry, 1570» Torn-&ъ*п*» Edwards, I972t Ховрычев, 1973), ко и частично транспортироваться с внзкоыолехулярвымя органическими соединениями, способными диффундировать через диализную■плёнку. Известно, что внзкомолевулярная фракция органических веществ имеет большое значение в связывании металлов (Илнлетдинов и др., 1976).

Наибольшие количества железа обнаружены в клетках бактерия рода cloetridiua, а марганца в факультативно-анаэробных и аэробных рода Btciiltt«. Из перегнойко-глеевой почвы, где выше содержание как валовых, так и подвижных форм соединений железа и марганца, извлекалось большее количество этих элементов.по сравнении с чернозёмом южным. Это подчёркивает экологическую обусловленность поглощения и аккумуляции элементов клетками бактерий (Детунова, Ковальский, 1974). Бактериальные клетки на 50-60% состоят на белков (stoutb&mer, 1973)* Сродство белков к металлам облегчает первоначальные процессы сорбции н поглощения их клетками, известна также роль белков микробной оболочки в транспорте металлов (jack, Kustry, 1979)* В результате вуньтивмрования бактерии на искусственной ореде Берги и почвенной вытяжке было обнаружено значительное снижение содержания в них железа и марганца. Очевидно, что снижение исходного содержания железа н марганца в средах связано о жизнедеятельностью бактерий* Do умень-

Таблица 4. Содержание железа г марганца в клетках микроорганизмов { мг/100 г сухого веса).

Почва

Перегяойво-глеевая Чернозем южный

Мвкроорган.изны F» Ни Fe. Ma

Clostridium ер. шт. 2/2 460 HO 372 87 .

Clostridium ар* шт.' З/З 500 120 390 71

Clostridium »p, шт. 4/Х 430 120 - —

Cl.pectlftoferaeiitana ШТ .15 ЭТО eo 337 79

Bacillus polymyia ШТ.66 '380 110 350 "72

Bacillus ар. шт. 5/1 430 140 300 eo

Bacillus sp. шт. I/I 330 160 280 103

Пршечакие. Содержание железа и марганца в бактериальных клетках по Бовеяу 45 и 3 мг/100 г сухого веса соответственно»

7* в клетках бактерий

8 7 6

5

4

3

$

о

о

аО О о О О

, ыв в клетках бактерій

2,0 . п

1,5 ••

1.0

Ре

к

хл*

ОІ

І о

Що

2 4 6 '8 10 в средах 12 3 4 "5'всредах

Рис. 2. Содержание железа и марганца в бактериальна* клетках

я культуральных средах мг/I г белка . Обоэн. х - Clostridium äp. тт. 2/2, тт. 3/3, • - ci. pectiao- , ferraeatana шт. 15, О - Bacillus ар. шт. 5/1,В. polymyia шт. 66, о - Bacillus вр. тт. I/I, £ - "Demiilf otomaculum яр. шт. Ia, Deaulfot. runisia' шт. Іг.

; « . веннв накопления железа бактеряи расположились следующим образом: облхгахно-аназробные > факультативно-анаэробные >- аэробные, . для марганца картина была обратной.

Разделение выраженных культур на клетки и питательные средн позволило проаналиаировать^расаределение в них железа и марганца (о приведением данных.на единицу белка) и произвести, .

I г

таким образом,количественное.сопоставление возможностей прямой я косвенной мобилизации (рис! 2). Наибольшие количества железа

г

обнаружены для бактерий родов Cloetridium в Deeulfotonaoulum, а

( i

марганца для рода в»о.И1ая.|

Сравнение бактериальных сред по количеству в них железа и марганца лок&аывает»что среды облягатво-аназробных Сакерий характеризуются минимальными количествами железа я марганца -8 и 0,4 мг/г белка бактерий, среды факультативно-анаэробных -18 и 1,3, аэробных -|lfi и;0,5 соответстврнно.в средах сульфат-редуцируюоих бактерий железо и марганец обнаружила в количествах 6 мг/г. бедка при использовании почвенной вытяжки. Характер распределения железа и марганца в средах не завиоел от состава среды, очевидно, он определяется в основном продуктами метаболизма. i

flcmn^FHfl компонент 'бактериальных клеток в обоих вариантах инкубирования содержал от 0,25 до 1,2 мг/г белка. Содержание марганца в липвднои компоненте клеток было ниже аналитических возможностей метода. Накопление железа в хипидной части клеток может объясняться взаимодействием элементов о отрицательными зарядам ливидов (Дубинина, Балашова, 1985), функциональными группами жирных кислот н продуктов их окисления (перекисей, альдегидов, кетояов) (йяялетдинов, 1984).

Белковый компонент бактериальных клеток и сред отличается высоким содержанием железа, здесь наргавец| не обнаружен. Связь металлов с белками чаще имеет физико-химичесауп основу и достаточно хорошо известна (Илялетдинов и др., ^976; ааек, ы1а*г7, 1979; пеПапйв, 1982). В,белковой части клеток железо обнаруживается в количестве 0,5-4 мг/г белка, сред|- 0,1-0,35. По накоплению железа бактерии можно расположить: облигатво-анаэробные> . ^факультативно-анаэробные» аэробные. Для|сред большие количества железа характерны для факультативно-анаэробных бактерий. Сульфатредуцирующие бактерии характеризуются максимальный содержанием железа в белковой части клеток и Ъред (3,5 и 1,5 иг/г).

1

Кис лото растворима я аракдид бактериальных клетон и сред содержит, в основном, низкомолекулярные промежуточные продукты обмена веществ - сахара, органичеокие кислот», аминокислоты,

нуклеозиДы, эфиры фосфорной кислоты, витамины, коферменты, оли-

1

гопептиды (Митрука, 1978). В'нислоторастворимой фракции возток бактерий железо и марганец обнаруживали в значительном количестве-до 5ОД от общего содержания железа в клетках, В аналогичной фракции культуральных сред содержание железа и марганца составляло до 90$ от оставшегося в средах, после культивирования бактерий. количества этих элементов. Наибольиее содержание железа, в этой фракции клеток было характерно для бактерий родов с1овФ-г141ип и 1)вви1Гог<иаасц1ш». Максимальное количество марганца было для бактерий Вас 111«а ар. ШТ. 5Д И шт. 1/1 И Пваи1ГогонАси1шп ер. шт. 1в. Низкомолекулярная фракция культуральных сред характеризуется наибольшим содержанием железа и марганца при культивировании бактерий рода ВмШаа, С1. рео*1пс*«гтег1г&па ОТ. 15 на среде Берги. Для почвенной вытяжки оно высоко и для сульфат-

редуцирующих бактерий. Марганец в больших концентрациях содержался в средах, инкубируемых'с в. poiymyie шт. 66.

Исследование основных продуктов метаболизма бактерид.

При исследовании газообразной фазы было обнаружено, что наиболее интенсивно выделялся бактериями Cl. pectioofeitnentems шт. 15, Clostridium ер. от. 3/3 и в. polymyia шт. 66. Аэробные Baeillue-шт. 1/1 продуцировала Н^ в минимальных'количествах. Факультативно-анаэробные и сульфатредуцирующие бактерии-занимали промежуточное положение. Максимальное количество С02 выделяли бактерии рода Clostridium (до 80 II/г белка), для остальных культур характерно менее интенсивное выделение СО^ - 5-9 U/r белка. Б составе продуктов метаболизма бактерий рода Clostridium были обнаружены ацетон, этанол, бутанол, масляная и уксусная кислоты, которые являются характерными продуктами иаслянокисло-го брожения (Мишустин, Емцев, 1974; Готтшталх, 1982). Отношение кислот к спиртам было максимальным для бактерий Clostridium ар, шт.* 3/3 И Deaulfotomaculum ер. ШТ. 1в, 1г. Для С1. pectlnofermeatane шт. 15 и бактерий рода Bacillus (кроме шт. 5/1) свойственно низкое отношение кислот к спиртам, увеличивается доля зтанояа.

Результаты исследования ИК-спектров питательных сред подтверждают возможности бактерий к образовании, за счёт продуктов метаболизма, металлорганических комплексов, их дальнейшего транспорта и, таким образом, увеличения подвижности железа и марганца. Среды практически всех штаммов содержали СООН-группы органических кислот, С=С связи ароматических соединений, 0*0 группы хинонов, С-Н связи нетильных и нетиленовых групп, спиртовые группы.

■ Оч-евидно, возможности, прямой и косвенной мобилизаций железа н марганца характерными бактериями почв рисовых полей, сопоставимы в количественном отношении. Высокая способность клеток к извлечению, элементов, из почв с последующей их сорбцией или включением в свой метаболизм, несомненно, является важным моментом мобилизации. Однако,' наличие в почвенной среде продукте* распада органических веществ, продуктов метаболизма бактерий, продуктов распада бактериальных клеток, особенно, низкомолекулярных, указывает на то, что масштабы косвенной мобилизации элементов"также весьма значимы. Прямая и косвенная мобилизация железа и марганца неотрывно связана с их восстановлением за счёт использования редокс-систем этих элементов в качестве акцепторов электронов при окислении органических веществ, прямого ферментативного восстановления, восстазовления продуктами метаболизма, образования метадлорганических комплексов. Гетерогенность физико-химического режима почв рисовых полей при затоплении влияет на развитие и функциональное состояние различных физиологических групп бактерий. Возможности этих групп в мобилизации широкого набора форм соединений железа и марганца, включая элементы кристаллических решеток минералов', допускают их ступенчатое'вовлечекие в метаболизм системы. Масштабы мобилизации и её количественная сторона определяют доступность, подвижность, миграцию железа, марганца и элементов питания для растений, а также оказывают серьёзное влияяие на формирование почв, их качества и плодородия."

Основные выводы

I. В затопляемых почвах рисовых полей сопряженно с изменением физико-химических свойств почв (снижением ОВП, изменением

рН, увеличением подвижности железа и марганца) в 7-8 раз возрастает численность анаэробных бактерий. В анаэробных условиях состояние железа,и марганца определяется деятельностью анаэробных микроорганизмов. ,

2.:По снижению активности к восстановлению и мобилизации железа и марганца исследованные бактерии почв рисовых полей составляют ряд: сульфатредуцирующие бактерии, клостридии, факультативно-анаэробные бактерии, аэробные бактерии. Способность бактерий к мобилизации железа и марганца зависит от свойств почв.

3. Касштабы мобилизации - от водорастворимых форм-соединений до элементов, связанных с кристаллическими решётками минералов» позволяют предположить существование ступенчатого механизма мобилизации из ближнего и дальнего резервов в доступные формы с последовательным■участием различных физиологических групп бактерий.

4. Бактериальные клетки извлекают железо и марганец из "почв в очень больших количествах - 300-500 мг/100 г и 60-160 мгДООг сухой массы, соответственно. Показано, что при культивировании бактерий в питательных средах железо в основном обнаруживается в белковой и каслоторастворимой фракциях клеток и сред, меньше - в липвдной. Марганец содержится лишь в кислоторастворимой фракции клеток и сред* Порученные данные дает основание говорить о сопоставимости, в количественном отношении, прямой и косвенной мобилизации железа и марганца бактериями.

5. Исследованные бактерии располагаются в ряд по снижению интенсивности выделения Нг и С02: облигатжо-анаэробные клостридии, факультативно-анаэробные и сульфатредуцируодие бактерии,

аэробные бактерии. Продукты ыаслкновислого брожения наиболее характерны для культур с1ов*г1(11«т ер. 2/2, шт. 3/3. Наибольшая величина отношения кислот к спиртам характерна для сульфатреду-цируюдих бактерий. Для С1. ресг±по? епвепЪапв шт..15 характерно высокое содержание бутирата и бутанола в средах, а для в. ро1у-туха шт. 66 - этанола.

6. в культуральных средах бактерий обнаружены СООН-группы органических кислот, С=0 и ин группы белков и полипептидов, С=С связи ароматических соединений, 00 группы карбонильных соединений и хинонов, С-Н связи метильных и.метиленовых групп, а также спиртовые группы, что указывает на наличие соединения, выделяемых в среду клетками, которые, вероятно, взаимодействуют с соединениями■железа - и марганца.

7. Направленность физико-химических и микробиологических процессов в затапливаемых почвах рисовых полей указывает на возможное накопление.в них значительных количеств продуктов метаболизма анаэробных бактерий (ацетат,- бутират и др.),:а также токсичных количеств подвижных форм железа и марганца.

* По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Роль анаэробных микроорганизмов в мобилизации и редукции железа, марганца и серы, а также в других почвенных восстановительных процессах при.культуре риса. В сб. "Химия почв рисовых полей", М., "Наука", 1976, с44-74 (соавт. В.И.Дуда, А.И.Обухов, Н.И.Чернова, Н.Ц.Чернов).

2. Бактериальная мобилизация марганца в почвах рисовых полей. "Биол. науки", (Рукопись деп. в ВИНИТИ № 7827-84. Деп.) 10.12.84,; 16 с. (соавт.-А.И.Обухов, В.И.Дуда).- /<

3. О мобилизации железа анаэробными микроорганизмами почв рисовых полей. "Севьскохоз. биология"» 1985, 16 I, с.87-90 (соав*. А.И.Обухов, В.И.Дуда).'/

Бактерии почв рисовых полей в мобилизации железа и марганца. Тез. УП съезда Всесоюзного микробиологического общества вып. 6 "Экология, геохимическая деятельность микроорганизмов и охрана окружающей среды". Алма-Ата, "Наука", 1985, с.Н9.

5. Применение атомно-абсорбиионной спевтрофот ометрии в поч-венно-микробиологичееких исследованиях. Тез. 7П областной жгаф "Применение Ьпектрадъных методов исследования в народной хозяй стве", Тамбов, 1985, с. 37 (соавг. А.М.Обухов).

6. Атомно-абсорбционное определение-некоторых элементов в микроорганизмах. "Библ. науки", 1986, К 9, с- ЮЭ-нг (соавт. й.К.Обухов). ' ,

Ишшсаю к нечлти

П-59122 Зермвт ©0*90/16.

Усл. пвч. м. Уч.-иад. л.

-Т*реж0О Зжаз Н, _

орава* 'Знак Почвтв'аддмвльств» Мосивсмрго тетерев««. 10500Э, Кос*«,, уч. Геривы,. 5/7. Типограф»* орлем "Зшк Почета', вадвтвльства МГУ. 119899. Массы. Лвшгаоне горн.