Перенос микроорганизмов в почве и его количественное описание

Девин, Борис Александрович

Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему
Перенос микроорганизмов в почве и его количественное описание
ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Перенос микроорганизмов в почве и его количественное описание"

На правах рукописи

ДЕВИН БОРИС АЛЕКСАНДРОВИЧ

ПЕРЕНОС МИКРООРГАНИЗМОВ В ПОЧВЕ И ЕГО КОЛИЧЕСТВЕННОЕ

ОПИСАНИЕ

Специальность 06.01.03 - агропочвоведение, агрофизика 03.00.07 - микробиология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва - 2004

Работа выполнена

на кафедре физики и мелиорации почв факультета почвоведения Московского государственного университета им. М.В.Ломоносова

Научные руководители: доктор биологических наук Шеин Е.В.

доктор биологических наук Полянская Л.М.

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук Фрид А.С.

кандидат биологических наук Головченко А.В.

Ведущая организация: Институт физико-химических и биологических

проблем почвоведения РАН

Защита состоится 2004 года в 15 ч 30 мин в ауд. М-2 на

заседании диссертационного совета К 501.001.04 МГУ им. М.В. Ломоносова.

Адрес диссертационного совета: 119992, Москва, ГСП-2, Ленинские горы, МГУ, факультет почвоведения, Ученый совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ. Автореферат разослан

2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, к.б.н

Л.Г.Богатырев

Актуальность темы. Последние декады минувшего столетия ознаменовались повышенным интересом к проблеме массо- и энергопереноса в почве. Отдельное место в этих исследованиях занимает изучение переноса микроорганизмов в почве и их судьбы в связи с этим Переносом. Первые работы по этой теме были проведены в 1950-х гг., и к настоящему времени исследование этого вопроса стало одним из приоритетных направлений почвенно-физических и почвенно-микробиологических исследований. К настоящему времени здесь сложились следующие направления исследований: 1) прогнозирование загрязнения вирусами и патогенными бактериями грунтовых вод, в том числе и при орошении сельскохозяйственных земель сточными водами; 2) изучение возможностей, связанных с разложением микроорганизмами загрязняющих веществ, в частности - биологическая очистка почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами; 3) предупреждение поражения сельскохозяйственных культур фитопатогенами; 4) влияние различных химических соединений, в особенности поверхностно-активных веществ, на скорость и характер переноса микроорганизмов в поровом пространстве почв. Основная трудность при изучении переноса микроорганизмов в почве состоит в том, что микроорганизмы являются, как справедливо отметили Маршал и Биттон, «живыми коллоидами» (Bitton and Marshall, 1980). Это означает, что, вследствие ряда присущих им специфических процессов и свойств (прежде всего, размножения и отмирания, а также интенсивной сорбции, собственного передвижения, оседания из потока влаги под действием гравитации и т.д.), характер переноса микроорганизмов в поровом пространстве почвы будет сильно отличаться от внутрипочвенной миграции растворенных химических соединений, традиционно изучаемой физикой почв. Перечисленные факторы, а также огромное разнообразие форм микроорганизмов усложняют и количественное описание их переноса: имеющиеся математические модели, в том числе и описывающие транспорт коллоидов, применимы лишь для отдельных видов микроорганизмов и для модельных сред.

Цель работы: Изучение переноса микроорганизмов в почве на примере бактерий родов Arthrobacter и Aquaspirillum и его количественное описание с помощью физико-химических методов, традиционно применяемых в почвоведении. Задачи исследования:

1. Экспериментальное изучение миграции микроорганизмов с помощью «выходных кривых»;

2. Описание процессов микробного транспорта с помощью физико-химических методов по «выходным кривым»;

3. Качественное и количественное описание специфики переноса

микроорганизмов в почве (кластеризация, хемотаксис, и др); РОС. НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

4. Изучение процессов сорбции микроорганизмов на различных субстратах;

5. Качественная и количественная оценка пространственного распределения микроорганизмов в почве в ходе их переноса.

Научная новизна. Разработан лабораторный метод исследования миграции микроорганизмов в почве на основе метода «выходных кривых», позволяющий производить количественную оценку физико-химических параметров переноса.

Для оценки сорбции микроорганизмов в почве апробирован модифицированный метод центрифугирования почвенных паст, позволяющий исключить недоучет бактериальных клеток вследствие их осаждения из надосадочной жидкости.

Показано, что на способность микроорганизмов сорбироваться оказывают влияние как физико-химические свойства почв, так и свойства самих микроорганизмов. Распределение сорбированных микроорганизмов характеризуется высокой пространственной неоднородностью.

Практическая значимость. Результаты исследования переноса микроорганизмов в почве могут быть использованы при строительстве и эксплуатации очистных сооружений и систем орошения сточными водами, а также для прогноза эффекта и оптимизации внесения микроорганизмов в почву в целях биологической очистки. Апробация работы. Результаты работы доложены на заседании кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова (ноябрь 2003). Промежуточные результаты и отдельные части работы были представлены на Докучаевских молодежных чтениях «Почва. Экология. Общество» (Санкт-Петербург, 1999), III съезде Докучаевского общества почвоведов (Суздаль, 2000), Докучаевских молодежных чтениях «Методологические проблемы современного почвоведения» (Санкт-Петербург, 2001), VIII Международной конференции студентов и аспирантов «Ломоносов-2001» (Москва, 2001), Международном симпозиуме «Функции почв в биосферно-геосферных системах» (Москва, 2001), Всероссийской конференции «Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации» (Москва, 2003).

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ №№01-04-48066, 04-04-49606, 03-04-48620, 03-04-48679 и 03-04-06703 (мас) и гранта NATO «Pathogenic Bacteria Breakthrough in Soils as Affected by Physical Heterogeneity».

Публикации: По теме диссертации опубликованы 3 статьи, 8 тезисов, 1 доклад в сборнике.

Объем и структура работы:

Диссертационная работа изложена на страницах, включает «ГУ рисунков, О таблиц; состоит из введения, ^ глав, выводов, списка ли1ерагуры из наименований и приложения.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА О ПЕРЕНОСЕ МИКРООРГАНИЗМОВ В

ПОЧВЕ

В первой главе работы дан обзор современных представлений о переносе микроорганизмов (прежде всего, бактерий и вирусов) в поровом пространстве почвы, а также проблемы математического моделирования этого явления. Показано, что большинство существующих математических моделей основано на фундаментальном конвективно-дисперсионном уравнении массопереноса (Мельникова и др., 1968; Пачепский, 1990, 1992; Jury et al, 1991). В качестве дополнительных параметров в данное уравнение вводят хемотаксис, ориентированный по градиенту концентрации различных соединений (как аттрактантов, так и токсических соединений) в растворе, размножение и отмирание микроорганизмов, вклад хищников и ряд других. В последнее время делались попытки описания переноса микроорганизмов в не насыщенной влагой почве. В этом случае важную роль начинают играть поверхности раздела «жидкость-газ», на которых концентрируется значительное количество микроорганизмов. В целом следует отметить, что экспериментальных данных и попыток количественного описания весьма немного, и они носят достаточно разрозненный характер.

ГЛАВА 2 . ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 2.1. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В качестве объектов данного исследования были выбраны лабораторные культуры бактерий двух родов: Arthrobacter и Aquaspirillum, выращенные на универсальной среде следующего состава: пептон - 2 г, глюкоза - 1 г, дрожжевой экстракт - 1 г, гидролизат казеина — 1 г, агар - 20 г, водопроводная вода - 1 л. Культура Aquaspirillum была любезно предоставлена вед.н.с. кафедры биологии почв Т.Г. Добровольской.

Перенос бактерий изучали в следующих субстратах и почвенных образцах:

1. Кварцевом песке с размером частиц 1-0.05 мм, отмытом от пленок органического вещества и полуторных окислов раствором КгОгСЬи концентрированной НС1;

2. Горизонте дерново-слабоподзолистой слабооглеенной супесчаной почвы на флювиогляциальных отложениях, подстилаемых мореной (отобраны на опытном поле ВНИПТИОУ, Владимирская обл.);

3. Горизонте Ana* торфяной хорошо окультуренной почве на осоково-гипновых низинных торфах сильной степени разложенности (отобраны с глубины 0-20 см на опытом участке Торфо-болотной опытной станции РАСХН, Дмитровский р-н Московской обл.)

4. Осоково-сфагновом верховом торфе слабой степени разложенности (отобран на южной окраине Васюганского болотного массива, на базе стационара "Плотниково" Института микробиологии РАН (пос. Плотникове, Бакчарский р-н Томской обл.)).

5. Горизонтах А^,, АгВ и 0( дерново-слабоподзолистой легкосуглинистой почвы на двучленных отложениях (отобраны на опытном поле Ивановского НИИСХ (с. Богородское, Ивановская обл.). По гранулометрическому составу горизонт представлял собой легкий суглинок, - средний суглинок, - оглиненный песок.

Некоторые свойства перечисленных почв и субстратов представлены в табл. 1.

Таблица 1.

Некоторые свойства объектов исследования

Объекты исследования Плотность твердой фазы, г/см3 Содержание углерода, % Физический песок, % Физическая глина, % Коэффициент фильтрации, см/сут

Песок отмытый 2,66 - 100,0 0 37500

Осоково-гипновый торф 1,62 15,47 - - 258

Осоково-сфагновый торф 1,81 45,13 - - 400

Дерново-слабоподзолистая супесчаная почва на флювиогляциальных отложениях (горизонт апах) 2,58 0,85 88,0 12,0 628

Дерново-слабоподзолистая легкосуглинистая почва на двучленных отложениях апах 2,55 0,86 71,8 28,2 55

а2в 2,60 0,18 70,2 29,8 23

d, 2,66 не определяли 83,2 16,8 688

Образцы первых четырех субстратов перед проведением эксперимента стерилизовали автоклавированием в трехкратной повторности. В этих условиях

подавляющее большинство бактерий, обитающих в почве, погибает, тем самым устраняется их влияние на конечные результаты эксперимента. В то же время при таких условиях стерилизации разрушались почвенные агрегаты. Поэтому образцы дерново-слабоподзолистой почвы не стерилизовали, приближая тем самым условия проведения эксперимента к природным. Для оценки вклада бактерий, обитавших в данной почве, в общую картину переноса, параллельно с основными опытами ставили контрольные эксперименты, в ходе которых на поверхность почвенных колонок подавали дистиллированную воду.

2.2. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ 2.2.1. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Перенос микроорганизмов в почве изучали с помощью метода почвенных колонок. Согласно Д.Л. Пинскому, данный метод можно условно отнести к группе динамических методов (Пинский, 1997). Адсорбцию микробных клеток на поверхности почвы исследовали при помощи метода центрифугирования (метод равновесия).

Колоночный эксперимент проводили по методике, широко используемой для описания переноса ионов в почве (Пачепский, 1990; Шеин и др., 2000) в модифицированном варианте. Образцы песка насыпали в колонки высотой 10 см и диаметром 4,5 см, образцы дерново-слабоподзолистой почвы, осоково-гипнового и осоково-сфагнового торфов - в колонки высотой 10 см и диаметром 2,2 см, а образцы горизонтов Ащх» АгВ и О] дерново-слабоподзолистой почвы на двучленных отложениях - в колонки высотой 15 см и диаметром 5 см. В колонках с осоково-сфагновым торфом поток влаги, равный в полевых условиях 300-500 см/сут, моделировали с помощью водоотводных пластиковых трубок диаметром 2-3 мм. В начале эксперимента на поверхность почвы с постоянным напором подавали стерильную дистиллированную воду, и рассчитывали коэффициент фильтрации. После установления постоянного напора и скорости фильтрации воды в колонке, влаге давали профильтроваться до поверхности почвы, после чего подавали суспензию бактерий (10 мл для песчаных колонок, 30 мл для колонок с дерново-подзолистой почвой и торфами, 150 мл для колонок с образцами дерново-слабоподзолистой почвы). Затем, по окончании фильтрации суспензий через почвенные колонки, на поверхность почвы снова подавали стерильную дистиллированную воду и промывали колонки до устойчивого исчезновения опалесценции фильтрата. В целях сравнения характера переноса микроорганизмов и растворенных веществ в колонках с песком и осоково-гипновым торфом были

проведены эксперименты по переносу иона хлора, широко применяемого в исследованиях явлений переноса веществ в качестве иона-метки.

Нами была сделана попытка аппроксимировать полученные в динамических экспериментах данные с помощью моделей, традиционно применяемых в физике почв для количественного описания переноса растворенных соединений. Для этого была использована программа CFITIM (автор - М. ван Генухтен (van Genuchten, 1981) в модификации Е.В.Мироненко (ИФХиБПП, г. Пущино)), в которой учитываются следующие модели поведения растворенных веществ в почве:

1) линейной равновесной сорбции;

2) «застойных» и «проточных» зон порового пространства почв (переток влаги происходит только в «проточных» зонах);

3) «отрицательной адсорбции» (отталкивания ионов от одноименно заряженных поверхностей почвенных частиц);

4) сорбционных центров двух типов (центры первого типа сорбируют мгновенно, центры второго типа - в соответствии с уравнением кинетической реакции первого порядка);

5) кинетической сорбции (частный случай модели с сорбционными центрами двух типов, когда первый тип центров отсутствует).

Сорбцию микробных клеток на поверхности почвы исследовали при помощи метода равновесного центрифугирования. Этот метод применяется в физике почв для определения т.н. «нерастворяющего объема» почвенной влаги, а также для определения ОГХ почв (Пачепский, 1990; Шеин и др., 2000). Кроме того, метод центрифугирования может применяться и в микробиологии почв для определения адгезии (сорбции) микроорганизмов на поверхности почвенных частиц (Звягинцев и др., 1971). В данной работе было использовано сочетание этих разновидностей метода. К навескам почвы добавляли суспензию бактерий до образования почвенной пасты. Пасты выдерживались в течение 1 часа для полного контакта микроорганизмов с поверхностью почвенных частиц, после чего переносились в специальные центрифужные пробирки с отсеком для стока влаги, и центрифугировались на приборе ЦЛС-3 в течение 20 мин при скорости вращения 6000 об/мин; таким образом, величина давления, с которой суспензия микроорганизмов вытеснялась из почвенной пасты, составляла примерно 6,5 атм. Применение таких стаканчиков вызвано тем, что бактерии довольно быстро подвергаются седиментации даже в нормальных условиях. Данная же конструкция обеспечивает параллельную фильтрацию микробной суспензии, а, следовательно, более полное разграничение твердой и жидкой фаз

2.2.2. МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В отобранных в ходе обоих экспериментов порциях фильтрата был проведен количественный учет содержания бактериальных клеток. Для этого применялся метод люминесцентной микроскопии в падающем (отраженном) свете - один из наиболее эффективных методов прямого количественного учета микроорганизмов в почве (Методы почвенной микробиологии и биохимии, 1991). Препараты готовили обычным способом и окрашивали флуорохромным красителем акридином оранжевым.

Метод люминесцентной микроскопии можно применять не только для исследования микробных препаратов, но и для изучения живых микроорганизмов непосредственно в почве. Так, Д.Г.Звягинцевым был предложен способ изучения микроорганизмов на поверхности небольших почвенных монолитов (Методы почвенной микробиологии и биохимии, 1991). В данной работе этот способ был опробован для получения качественной картины пространственного распределения бактерий в почвенных колонках после проведения фильтрационного эксперимента. Для этого отбирали срезы верхней, средней и нижней частей колонок с горизонтом дерново-слабоподзолистой почвы и осоково-сфагнового торфа. На поверхность срезов помещали каплю раствора акридина оранжевого, накрывали покровным стеклом и через 10 мин рассматривали под микроскопом, а затем фотографировали.

Для определения остаточного содержания бактерий в почве использовали обработку почвенной суспензии (соотношение почва-вода - 1:100) ультразвуком на установке УЗДН-1 в течение 1 мин, после чего также приготовляли препараты на стеклах (Методы почвенной микробиологии и биохимии, 1991).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ ГЛАВА 3. ПЕРЕНОС МИКРООРГАНИЗМОВ В ПОЧВЕННЫХ КОЛОНКАХ

В самом начале обработки полученных результатов встал вопрос об их количественной интерпретации. Подсчет числа микробных клеток проводился на 10 -20 полях зрения в каждом препарате. Поскольку на каждом предметном стекле было сделано по 3 препарата, численность бактерий характеризовалась 30-60 значениями. Для того, чтобы охарактеризовать концентрацию бактерий в порциях фильтрата одним параметром, было проведено исследование распределения значений концентрации микроорганизмов в порциях фильтрата на нормальность с использованием критерия Уилка - Шапиро (анализ выполнен в пакете программ STATISTICA) Было установлено, что распределение в большинстве случаев не

является нормальным. Поэтому в качестве параметра, который отражал бы концентрацию бактерий, была выбрана медиана.

Результаты колоночного эксперимента отражены на «выходных кривых» микроорганизмов, построенных в координатах «относительная концентрация бактерий - такты (число смен порового раствора)».

В целом можно выделить ряд общих особенностей этих кривых. Все они имеют достаточно сложную форму, с двумя и более пиками, первый из которых регистрируется до первой смены порового раствора (в случае с переносом ЛдиаяртНыш в осоково-сфагновом торфе (рис. 1 г)), или непосредственно после первой смены порового раствора. Это указывает на одновременное протекание процессов отталкивания микроорганизмов от отрицательно заряженных почвенных частиц («отрицательную адсорбцию») с одной стороны, и прикрепления микробных клеток с различной силой к поверхности частиц субстрата, а также «застревания» в почвенных порах - с другой. О таком ходе переноса бактерий свидетельствуют и «выходные кривые» иона хлора. Пик выхода из колонок с песком и осоково-гипновым торфом (рис. 1 а-в) приходится на участок вблизи первой смены порового раствора, что свидетельствует о его отрицательной сорбции на поверхности почвенных частиц. В случае переноса Лг1кгоЬае1ег в песке и дерново-подзолистой почве (рис. 1 а-б), а также ЛдиаяртНиш в осоково-гипновом торфе (рис 1 в) пик относительной концентрации оказывается сильно размытым. Такой характер «выходных кривых» может свидетельствовать о довольно слабой сорбции бактерий на данных субстратах. О силе сорбции свидетельствует и высота пиков на участке отмывки от микроорганизмов (область после первого такта). По всей видимости, наиболее сильно сорбируются бактерии рода ЛдиахртИиш на песке (рис. 1 а), а также Лг1кгоЬае1ег на осоково-сфагновом торфе (рис. 1 г).

Довольно часто максимальное значение С/Со превышает 1. Этот факт, а также пульсирующий характер выходных кривых, говорит о том, что переносятся не отдельные клетки бактерий, а их скопления.

Рис. 1. «Выходные кривые» бактерий родов Arthrobacter и Aquaspinllum и иона СГ в песке (а), горизонте Ащцдерново-слабоподзолистой почвы (б), осоково-гипновом торфе (в) и осоково-сфагновом торфе (г)

«Выходные кривые» Arthrobacter и Aquaspirillum для дерново-слабоподзолистой почвы на двучленных отложениях дают более детальное представление о характере переноса данных бактерий в почве. Нами был проведен опыт, позволяющий оценить влияние фильтрационных свойств почвы на характер переноса бактерий. Для этого были использованы три почвенных колонки с горизонтом в одной из которых К4=18 см/сут(рь= 1,1 г/см3), во второй - около 58, а в третьей - 47 см/сут (плотность почвы в двух последних колонках составляла около 0,98 г/см3) (рис. 2а). В колонки вносили по 100 мл суспензии Arthrobacter (численность бактерий составляла 6x10" клеток/мл). Как видно из графика, вынос бактерий незначителен. На выходных кривых представлено несколько пиков относительной концентрации. В то же время, в случае наименьшего значения Кф концентрация бактерий на выходе значительно снижается, а ее максимальные величины приходятся на более поздние моменты времени. Это указывает на активное протекание процесса застревания микробных клеток в тонких порах; помимо этого, меньшая скорость фильтрации дает бактериям большую возможность сорбироваться на поверхности почвенных частиц. Сравнительный анализ выходных кривых Arthrobacter и Aquaspirillum показывает, что подвижные бактерии (Aquaspirillum) выходят быстрее и в большем количестве по сравнению с неподвижными (Arthrobacter) (рис. 2б-г). В то же время довольно низкие концентрации бактерий обоих родов в пахотном слое могут указывать на протекание процессов сорбции. В ходе динамического эксперимента с горизонтом наблюдалось снижение фильтрации в 1.5-2 раза. Вероятно, именно этот фактор вызвал снижение концентрации выходящей суспензии микроорганизмов в конце эксперимента (рис. 2а-б).

Перенос бактерий в песке носит гораздо более интенсивный характер. Основная масса Aquaspirillum выносится с током влаги еще до первой смены порового раствора (при этом значения относительной концентрации превышают 1), и лишь незначительная их часть сорбируется на частицах песка или застревает в поровом пространстве (рис. За). Несколько иначе выглядят выходные кривые Arthrobacter: хотя суммарное количество вымываемых бактерий увеличивается по сравнению с максимальные значения не достигают 1, кроме того, доля бактерий этого вида, вынесенная из колонок при промывке дистиллированной водой, оказывается значительно больше по сравнению с Aquaspirillum (рис 36). Если основная масса Aquaspirillum (до 65%) была перенесена с током влаги в первой части эксперимента, а по окончании промывки почвенных колонок чистой водой общее содержание оставшихся в почве бактерий составило около 5%, то в случае Arthrobacter по окончании первой части опыта в почве осталось более 50% от внесенного количества бактерий, а в конце эксперимента - более 20%.

Рис 2 «Выходные кривые» бактерий родов АНИгоЬаЫег (а, в) и Aquaspirtllum (б, г) в горизонте А^ дерново-слабоподзолистой

почвы на двучленных отложениях

0,0 0,5 1,0 1,3 2,0

такты

Рис. 3. «Выходные кривые» бактерий родов Лг1кгоЬас1ег(а) и Aquaspirillum (б) в горизонте дерново-слабоподзолистой почвы на двучленных отложениях.

Отдельно коснемся выходных кривых для горизонта А2В (рис. 4). В ходе эксперимента оказалось, что значения коэффициента фильтрации сильно снижаются во времени, также как и высота почвы в колонке. Замеры высоты показали, что после первого этапа (внесения бактериальной суспензии) почва осела на 2 см, что составило 13,3% от исходной высоты, а после окончания второго (промывки колонок дистиллированной водой) - еще на 0,5 см; таким образом, общая осадка составила примерно 16,7% от исходной высоты почвы. Значения коэффициента фильтрации падали соответственно с 23 см/сут в начале опыта до 11 см/сут в конце первого этапа и до 3,31 см/сут - в конце опыта. Таким образом, структура данного горизонта оказалась неустойчивой к воде, что сказалось на характере транспорта бактерий обоих родов - их выход из колонок был незначительным, а максимумы относительной концентрации пришлись на последние такты. Осадка почвы в ходе эксперимента является серьезной методической проблемой, поскольку все существующие модели работают с горизонтами почвы фиксированной высоты.

Подводя итог, следует отметить, что в ходе переноса микроорганизмов в почве, чье строение подобно исследованной нами почве, горизонты с худшими фильтрационными характеристиками (в данном случае в несколько меньшей степени - будут служить барьером на пути миграции микробных клеток.

0,12 0,10 0,08

^ 0,06 0,04 0,02 0,00

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 такты

Рис. 4. «Выходные кривые» бактерий рода Лдиа8рт11ит в горизонте А^Вдерново-слабоподзолистой почвы на двучленных отложениях.

Для обработки данных колоночных экспериментов в программе CFITIM «выходные кривые» делили на две части: участок до первой смены порового раствора (первого такта), отвечающий за насыщение почвы микроорганизмами и участок, описывающий отмывку почвы от микробных клеток. Расчет производили по участку "выходной кривой" после первой смены порового раствора. Следует отметить, что модели «отрицательной адсорбции» и «застойных» и «проточных» зон оказались неприемлемыми: первая ввиду несоответствия начальных условий и реально переносимых объектов (модель основана на том, что перенос ионов осуществляется в одноименно заряженном поровом пространстве, в то время как микроорганизмы несут на себе мозаичный заряд); вторая - вследствие однородности субстратов. Последняя модель была разработана для структурных почв (прежде всего, черноземов), в которых проточная зона ассоциируется с межагрегатным поровым пространством, а застойная - с внутриагрегатным. Такого разделения в объектах исследования не было.

Данные, представленные в табл. 2, говорят о том, что наиболее пригодными для описания переноса микроорганизмов моделями являются модель с сорбционными центрами 2-х типов и ее частный случай - модель кинетической сорбции. В случае переноса ЛдиахртИит в осоково-гипновом торфе модель кинетической сорбции не работала вообще, а модели сорбционных центров двух типов и линейной равновесной адсорбции давали значения параметров, лишенные физического смысла (серая

Таблица 2.

Параметры переноса микроорганизмов в почве

Параметры

О, см2/сут Ка, мл/г а, сут"1 р

Модели I II III I II III

£ Песок - 2,05x103 - - 90,86 - 0,55 6,00x10"4

3 С §■ Дерново-слабоподзолистая почва (горизонт Аш,) - - 5,16*104 - - 110,46 0,06 -

3 о- Осоково-гипновый торф 3,41 0,98 - -ода 4,00х10-4 - 51,80 т826,3

Осоково-сфагновый торф - - 2,26x104 - - 447,45 0,06 -

Песок 75,44 - - 96,26 - - - -

о а •о о Дерново-слабоподзолистая почва (горизонт Ашх) 154,70 124,71 - 9,77 110,63 - 0,58 0,09

-с С Осоково-гипновый торф - 15,53 - - 2,41x10" - 0,14 0,10

Осоково-сфагновый торф - - 43,62 - - 883,29 3,71 -

Примечание Параметры. D - коэффициент конвективной диффузии [см2/сут], Кд - коэффициент распределения [мл/г], а -скорость обмена жидких фаз [сут"1], Р - доля сорбционных центров первого типа Модели I — линейной равновесной сорбции, II — сорбционных центров двух типов, Ш - кинетической сорбции Серой штриховкой отмечены значения параметров, не имеющие физического смысла

штриховка в табл. 2). Значения коэффициента конвективной диффузии свидетельствуют о вкладе органов передвижения микроорганизмов в общую картину их транспорта - величины D для Aquaspinllum значительно выше, чем у АИкгоЬа^ег. В то же время, большие значения К<1 говорят о том, что данные модели не учитывают специфические процессы застревания микробных клеток в почвенных порах, их оседание на почвенные частицы под действием сил гравитации в ходе переноса с током влаги и др. Таким образом, следующим шагом для более точного прогнозного моделирования переноса микроорганизмов в почве должно стать более строгое описание процессов поглощения и, в частности, сорбции микроорганизмов.

ГЛАВА 4. СОРБЦИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ НА ПОВЕРХНОСТИ ПОЧВЕННЫХ ЧАСТИЦ

По результатам равновесного эксперимента были построены изотермы сорбции бактерий. На каждой диаграмме отображена линия равной избирательности, или предпочтения, которой соответствует значение коэффициента селективности, равное единице (Пинский, 1997). Таким образом, эта линия показывает, к какой из фаз микроорганизмы имеют большее сродство (рис. 5).

Изотермы сорбции на горизонте А,,,,, дерново-слабоподзолистой почвы и осоково-сфагнового торфа оказались схожими для обоих родов бактерий: изотермы на пахотном слое приурочены к области с а изотермы сорбции на осоково-

сфагновом торфе - к участку с причем наблюдается сильная сорбция

Аг1ИгоЬас1ег на этом субстрате. Сорбция бактерий на осоково-гипновом торфе заметно различается: если изотерма сорбции Aquaspinllum на данном субстрате занимает практически то же положение, что и на осоково-сфагновом торфе, то изотерма сорбции Аг1ИгоЬа&ег оказывается ниже линии предпочтения. В случае песка изотерма сорбции Aquaspinllum делится линией предпочтения на две части: та часть изотермы, которая соответствует относительно низким значениям исходной концентрации микробной суспензии, лежит ниже данной линии, а участок кривой, соответствующий высокой концентрации внесенной суспензии, оказывается в области большего сродства бактерий данного вида к твердой фазе субстрата В отличие от Aquaspinllum значительная часть изотермы сорбции AJthroЬacter находится вблизи линии равной избирательности.

Рис 5 Изотермы сорбции бактерий родов Arthrobacter (а) и Aquaspinllum (б) в различных почвенных объектах

Перераспределение микроорганизмов между фазами почвы можно охарактеризовать и с помощью коэффициента распределения Kj Для получения значений этого параметра была проведена аппроксимация изотерм сорбции различными уравнениями (табл 3) Было обнаружено, что в основном изотермы могут быть описаны уравнением вида Данное выражение, по

сути, является частным случаем уравнения Фрейндлиха С^К^С, (где С, -концентрация вещества на поверхности адсорбента [моль/г], - коэффициент распределения вещества между фазами [моль/г], - концентрация вещества в растворе [моль/мл]), применимым только в ограниченной области Сравнение расчетных и экспериментально полученных изотерм по показало, что в

большинстве случаев параметр Kj значимо отличался от 0 Исключение составили изотермы сорбции бактерий обоих родов на песке и осоково-гипновом торфе за счет

специфики объёма выборок. Поскольку изотермы сорбции бактерий в осоково-сфагновом торфе имеют сложный вид, необходимо получать значения коэффициента распределения для каждого участка этих кривых (кусочно-линейная аппроксимация).

Таблица 3.

Значения коэффициента распределения для различных почвенных объектов

Песок Дерново-слабоподзолистая почва (горизонт Ащх) Осоково-гипновый торф Осоково-сфагно-вый торф

АгЛгоЬас1ег 0,45 0,25 0,29 5,27*/166,11**

АциаБртИит 2,88 0,24 2,76 4,95

Примечание * - значение К^ получено для нижней части изотермы; ** - значение К<1 получено для верхней части изотермы.

Таким образом, полученные данные свидетельствуют о различии в характере сорбции грамположительных и грамотрицательных бактерий на различных субстратах, что в целом, подтверждает результаты некоторых исследований (Е1$епЬещ, 1918; Богопольский, 1933, Новогрудский, 1936 (цит по: Звягинцев, 1973)). По-видимому, на характер сорбции микроорганизмов различных групп будут оказывать влияние в первую очередь свойства сорбента (в частности, доля сорбционных центров, на которых происходит мгновенная сорбция микроорганизмов) и индивидуальные свойства конкретного микроорганизма (общий заряд поверхности, наличие органов передвижения, возможно, биологические особенности того или иного вида микроорганизмов).

Следует отметить, что значения полученные в динамическом и равновесном экспериментах, различаются на 1-2 порядка. Мы полагаем, что в прогнозных целях правильнее использовать данные динамических экспериментов Результаты статических экспериментов могут служить качественной характеристикой для сравнения сорбции микроорганизмов на различных субстратах

ГЛАВА 5. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ В ПОЧВЕ

Исследование срезов колонок с дерново-слабоподзолистой почвой свидетельствует о том, что после интенсивной промывки остаются лишь клетки, наиболее сильно сорбированные на поверхности почвенных частиц С глубиной

количество бактерий увеличивается. На поверхности среза они распределены неравномерно, что, видимо, связано с селективностью их сорбции на почвенных частицах. Значительная часть клеток обнаружена на стенках пор, что говорит о преимущественном переносе микроорганизмов по крупным магистральным порам и, возможно, об образовании бактериальными клетками кластерных структур (типа «гроздьев») в процессе их переноса в поровом пространстве почв. Не удалось исследовать срезы торфа, поскольку его собственное свечение перекрывало свечение микробных клеток.

Рис. 6. Профильное распределение бактерий в почвенных колонках (горизонты Ац^ и дерново-слабоподзолистой почвы на двучленных отложениях).

Количественная оценка пространственного распределения бактерий была проведена с помощью обработки ультразвуком образцов почвы, отобранных из колонок по окончании эксперимента. Профильные диаграммы для бактерий обоих родов, полученные для горизонтов дерново-слабоподзолистой почвы на

двучленных отложениях (рис. 6), подтверждают полученную ранее качественную картину: основная часть оставшихся в почве микробных клеток приходится на среднюю и нижнюю часть профиля колонок. В образцах горизонта Ю) обнаружено практически полное отсутствие бактерий в верхней части профиля. Данные диаграммы подтверждают сделанные ранее выводы о различиях в переносе подвижных и неподвижных бактерий: суммарное содержание ЛдиаяртНыш значительно меньше по сравнению с Л]1кгоЬа&вг, кроме того, их накопление в нижней части колонки происходит интенсивнее. В случае такого неравномерного распределения применение традиционных моделей переноса веществ оказывается

затруднительным, поскольку одно из заложенных в них условий состоит в том, что сорбированные вещества распределяются в профиле почвы равномерно и окончательно. Возможно, однако, что бактерии не были вымыты из колонок до конца, поскольку значительная их концентрация наблюдалась в выходящих порциях фильтрата. Тем не менее, визуальный анализ почвенных срезов показал, что даже после 8-10-тактной промывки колонок с бактериями чистой водой в почве остается некоторое количество микроорганизмов, распределенных неравномерно по профилю.

Отметим, что полученные таким способом результаты носят усредненный характер и не отражают всех особенностей пространственного распределения микроорганизмов. Данный метод можно применять параллельно с качественной оценкой, например, анализом фотоизображений.

ВЫВОДЫ:

1. Предложена и апробирована методика изучения переноса микроорганизмов в почвах, основанная на получении «выходных кривых» микроорганизмов и позволяющая производить количественную оценку физико-химических параметров переноса. Анализ «выходных кривых» показал, что перенос микроорганизмов в почве, наряду с физико-химическими процессами (гидродинамической дисперсией и сорбцией) включает ряд специфических процессов: отталкивание микробных клеток от поверхности почвенных частиц («отрицательная адсорбция») для ряда почвенных объектов, а также застревание микроорганизмов в почвенных порах, собственное передвижение в токе влаги, кластеризация.

2. Расчет параметров переноса микроорганизмов в колоночных экспериментах по «выходным кривым» традиционными математическими моделями переноса веществ в почве показал возможность использования моделей кинетической сорбции при условии учета вышеуказанных специфических процессов.

3. Исследование сорбции микроорганизмов в равновесных и кинетических экспериментах показало, что сорбция выше в динамических экспериментах (коэффициент распределения в 10 - 100 раз больше, чем в равновесных). Это связано с тем, что параметры, полученные в динамическом эксперименте, реально отражают такие процессы, как застревание клеток микроорганизмов в почвенных порах, а также их специфическую сорбцию на поверхности почвенных частиц.

так и физико-химические свойства почв Гидродинамические свойства и водоустойчивость почвенной структуры оказывают существенное влияние на форму «выходных кривых» микроорганизмов' для слабопроницаемого горизонта АгВ дерново-слабоподзолистой почвы «выходная кривая» не имела характерного пика вследствие особенностей его фильтрационных свойств в рамках проведенного эксперимента

5. Визуальная оценка распределения микроорганизмов в почве выявила избирательный характер сорбции микроорганизмов на частицах почвы, образование ими кластерных структур и пленок, приводящее к пульсирующему характеру их переноса в почве.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ РАБОТ

1. Девин Б.А. Перенос микроорганизмов в почве // Тез. докл. Докучаевских молодежных чтений'99 «Почва. Экология. Общество» (Soil. Ecology. Society) 1-4 марта 1999 СПб, 1999, с. 156.

2 Девин Б А. Исследование переноса микроорганизмов в почве // Тез докл. III съезда Докучаевского общества почвоведов (11-15 июля 2000, Суздаль) М,

1 2000, кн. 1.,с. 181.

3 Поздняков А И, Паников Н С, Шеин Е.В, Девин Б А., Назарова Т.В Исследование содержания пузырьковых парниковых газов в болотных экосистемах Западной Сибири // Тез докл. Национальной конференции с международным участием «Эмиссия и сток парниковых газов на территории Северной Евразии». - Пушино, ПНЦ, 2000. с 217.

4 Девин Б А. Применение параметров моделей конвективно-дисперсионного переноса для описания миграции микроорганизмов в почве // Тез докл. Докучаевских молодежных чтений 2001 «Методологические проблемы современного почвоведения», Санкт-Петербург, 27 февраля - 2 марта 2001 г. СПб,2001,стр 27.

5. Девин Б А., Назарова Т.В Исследования выделения парниковых газов из болот Западной Сибири. // Материалы Докучаевских молодежных чтений'2000 «Почва и биоразнообразие» (1-4 марта 2000 г., Санкт-Петербург). В сб.: Тез. докл Докучаевских молодежных чтений'2001 «Методологические проблемы современного почвоведения» (27 февраля - 2 марта 2001 г., Санкт-Петербург) - СПб, Изд-во СПбГУ, 2001 г. - с. 116 - 117.

6. Девин Б А. Проблема описания переноса микроорганизмов в почве с помощью физико-химических подходов // Тез докл. VIII международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2001»,

секция «Почвоведение» (10-13 апреля 2001). М.: МГУ, ф-т почвоведения, 2001, с. 35.

7. Девин Б.А., Шеин Е.В., Полянская Л.М. Физико-химические процессы взаимодействий почвы и микроорганизмов и их экологическая значимость // Функции почв в биосферно-геосферных системах: Материалы международного симпозиума: Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова, 27-30 августа 2001. М.: МАКС Пресс, 2001, с. 194.

8. Шеин Е.В., Полянская Л.М., Девин Б.А. Перенос микроорганизмов в почве: физико-химический подход и математическое описание // «Почвоведение», 2002,№5,с.564-573.

9. Девин Б.А. Применение параметров конвективно-дисперсионного переноса для описания миграции микроорганизмов в почве // Материалы по изучению русских почв. Вып. 3 (30): Сб. науч. докл. СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2002, с.74-77.

10.Поздняков А.И., Шеин Е.В., Паников Н.С., Девин Б.А., Назарова Т.В. Локализация парниковых газов в торфяной толще болот Западной Сибири // «Почвоведение», 2003, №6, с.697-700.

11.Девин Б.А. и др. Физические аспекты переноса бактерий в почвенных колонках. В сб.: «Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации. Труды Всероссийской конференции». М.: МГУ, факультет почвоведения, 2003, с.219-221.

12. Девин Б.А., Шеин Е.В., Полянская Л.М. Перенос микроорганизмов в почве и его количественное описание./В сб.: Труды Института почвоведения МГУ-РАН "Географическое разнообразие почв. Почва и биота". - М.: Изд-во ИП МГУ-РАН, 2003.-с. 128-147.

Отпечатано на ризографе в ОНТИ ГЕОХИ РАН Тираж 100 экз.

- 16159

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Девин, Борис Александрович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА О ПЕРЕНОСЕ

МИКРООРГАНИЗМОВ В ПОЧВЕ.

1.1. Массоперенос растворенных веществ в почве и его математическое описание.

1.2. Понятие о «выходных кривых» растворенных веществ.

1.3. Факторы, влияющие на перенос микроорганизмов в почве

1.3.1. Физические факторы.

Конвекция.

Застревание.

Влажность почвы.

Седиментация и «перехват» микроорганизмов почвенными частицами.

1.3.2. Химические факторы.

Ионная сила почвенного раствора. рН почвенного раствора.

Поверхностно-активные вещества.

1.3.3. Биологические факторы

Размер и форма клеток микроорганизмов.

Хемотаксис и собственная подвижность микроорганизмов.

1.3.4. Адсорбция микроорганизмов в почве.

1.4. Математическое описание переноса микроорганизмов в почве

Введение Диссертация по сельскому хозяйству, на тему "Перенос микроорганизмов в почве и его количественное описание"

1) Прогнозирование загрязнения вирусами и патогенными бактериями грунтовых вод, в том числе и при орошении сельскохозяйственных земель сточными водами (Corapcioglu and Haridas, 1985; Craun, 1985; Matthess and Pekdeger, 1981; White, 1985).

2) Изучение возможностей, связанных с разложением микроорганизмами загрязняющих веществ, в частности - биологическая очистка почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами (Jenneman et al., 1985; Lappin-Scott et al, 1988; Updegraff and Wren, 1954).

3) Предупреждение поражения сельскохозяйственных культур фитопатогенами (Alexander, 1994; Natsch et al, 1996; Parke et al, 1986).

4) Влияние различных химических соединений, в особенности поверхностно-активных веществ (ПАВ), на скорость и характер переноса микроорганизмов в поровом пространстве почв (Bai et al, 1997; Gannon et al, 1991b; Powelson and Mills, 1998; van Schie and Fletcher, 1999 и др.).

Основная трудность при изучении переноса микроорганизмов в почве состоит в том, что микроорганизмы являются, как справедливо отметили Маршал и Биттон, «живыми коллоидами» (Bitton and Marshall, 1980). Это означает, что, вследствие ряда присущих им специфических процессов и свойств (прежде всего, размножения и отмирания, а также интенсивной сорбции, собственного передвижения, оседания из потока влаги под действием гравитации и т.д.), характер переноса микроорганизмов в поровом пространстве почвы будет сильно отличаться от внутрипочвенной миграции растворенных химических соединений, традиционно изучаемой физикой почв.

Перечисленные факторы, а также огромное разнообразие форм микроорганизмов усложняют и количественное описание их переноса: имеющиеся математические модели, в том числе и описывающие транспорт коллоидов, применимы лишь для отдельных видов микроорганизмов и для модельных сред - стеклянных шариков, хорошо отсортированного песка и т.п.

Цель работы: изучение переноса микроорганизмов в почве на примере бактерий родов Arthrobacter и Aquaspirillum и его количественное описание с помощью физико-химических методов, традиционно применяемых в почвоведении.

Задачи исследования:

1. Описание процессов микробного транспорта с помощью физико-химических методов по т.н. «выходным кривым».

2. Качественное и количественное описание специфики переноса микроорганизмов в почве (кластеризация, хемотаксис, и др.).

3. Изучение процессов сорбции микроорганизмов на различных субстратах.

4. Качественная и количественная оценка пространственного распределения микроорганизмов в почве в ходе их переноса.

Научная новизна. Разработан лабораторный метод исследования миграции микроорганизмов в почве, позволяющий производить количественную оценку физико-химических параметров переноса.

Для оценки сорбции микроорганизмов в почве опробован модифицированный метод центрифугирования почвенных паст, позволяющий исключить недоучет бактериальных клеток вследствие их осаждения из надосадочной жидкости.

Показано, что на способность микроорганизмов сорбироваться оказывают влияние как физико-химические свойства почв, так и свойства самих микроорганизмов.

Результаты работы доложены на заседании кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова (ноябрь 2003). Промежуточные результаты и отдельные части работы были представлены на Докучаевских молодежных чтениях'99 «Почва. Экология. Общество» (Санкт-Петербург, 1999), III съезде Докучаевского общества почвоведов (Суздаль, 2000), Докучаевских молодежных чтениях'2001 «Методологические проблемы современного почвоведения» (Санкт-Петербург., 2001), VIII Международной конференции студентов и аспирантов «Ломоносов-2001» (Москва, 2001), Международном симпозиуме «Функции почв в биосферно-геосферных системах» (Москва, 2001), Всероссийской конференции «Фундаментальные физические исследования в почвоведении и мелиорации» (Москва, 2003), IV съезде Докучаевского общества почвоведов (Новосибирск, 2004).

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ №№01-04-48066, 04-0449606, 03-04-48620, 03-04-48679 и 03-04-06703 (мае) и гранта NATO «Pathogenic Bacteria Breakthrough in Soils as Affected by Physical Heterogeneity».

Публикации: По теме диссертации опубликованы 2 статьи, 8 тезисов, 1 доклад в сборнике, 1 статья и 1 тезисы доклада находятся в печати. Объем и структура работы:

Диссертационная работа изложена настраницах, включает рисунков, таблиц; состоит из введения,глав, выводов, списка литературы из наименований и приложения

Заключение Диссертация по теме "Агропочвоведение и агрофизика", Девин, Борис Александрович

ВЫВОДЫ:

4. Экспериментально установлен значительный вклад сорбционных процессов при переносе микроорганизмов в почве. На способность микроорганизмов сорбироваться оказывают влияние как свойства конкретных микроорганизмов, так и физико-химические свойства почв. Гидродинамические свойства и водоустойчивость почвенной структуры оказывают существенное влияние на форму «выходных кривых» микроорганизмов: для слабопроницаемого горизонта А2В дерново-слабоподзолистой почвы «выходная кривая» не имела характерного пика вследствие особенностей его фильтрационных свойств в рамках проведенного эксперимента.

БЛАГОДАРНОСТИ

Автор выражает искреннюю признательность к.б.н., вед.н.с. кафедры биологии почв факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова Т.Г. Добровольскую за предоставленные культуры бактерий рода Aquaspirillum, а также членов временных трудовых коллективов, работавших по проектам РФФИ, и сотрудников кафедры физики и мелиорации почв факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова - к.б.н. Умарову А.Б., Хайдапову Д.Д., Губера А.К., Архангельскую Т.А., Кириченко А.В., Бутылкину М.А., Дембовецкого А.В., Фаустову Е.В. за совместную работу и обсуждение ее результатов. Отдельную благодарность хочется выразить д.б.н. Смагину А.В. за неоднократное обсуждение методики проведения экспериментов и предоставление оборудования. Автор благодарит д.б.н. Я.А. Пачепского и д-ра биологии Д.Р. Шелтона, которые предоставили ему уникальную возможность участия в проекте «Pathogenic Bacteria Breakthrough in Soils as Affected by Physical Heterogeneity», а также доступ к зарубежным литературным данным по проблеме переноса микроорганизмов в почве.

М.Р. Полянскому! автор обязан первоначальным редактированием текста диссертации.

Заключение

Изучение пространственного распределения микроорганизмов в почве необходимо для выявления преимущественных путей их миграции. Обнаружено, что распределение бактерий в пространстве происходит неравномерно, что, вероятно, вызвано как неоднородностью почвы, так и мозаичным зарядом поверхности бактериальных клеток. Перенос осуществляется преимущественно по крупным порам. На поверхности почвенных частиц обнаружены скопления бактериальных клеток, что подтверждает сделанный нами ранее вывод о сложном характере сорбции бактерий в почве. При постоянном напоре воды такие скопления могут отрываться от частиц почвы, что приводит к пульсации численности бактерий на выходе из почвы. Специфика сорбционных процессов, а также сложная геометрия порового пространства почв, приводит к неравномерному распределению микроорганизмов в профиле почвы.

В заключение стоит отметить, что для адекватного описания переноса и судьбы микроорганизмов в природных условиях необходимо дальнейшее развитие методов прямого учета микробов. В случае прямого микроскопического учета микроорганизмов в почве наиболее важной проблемой оказывается фиксация почвенных срезов или монолитов различными полимерами. Одна из трудностей здесь состоит в том, что большинство полимеров имеет собственное свечение. (Методы почвенной микробиологии и биохимии, 1991).

В природных условиях случае важно отличать микроорганизмы-интродуценты от естественной микрофлоры почв. В этой связи используются такие методы, как мечение вносимых в почву микроорганизмов стабильными изотопами, в частности, 13С (Holben and Ostrom, 2000), или же различными флуорохромами, а также использование высокоселективных питательных сред для непрямого учета микроорганизмов (Fuller et al, 2000). Недостатками этих методик является негативное влияние на физиологию клеток, недоучет некультивируемых микроорганизмов, а в случае изотопного мечения - их переучет, который, в свою очередь, является результатом включения меченого клеточного материала в жизненный цикл обитающих в почве хищных организмов.

Библиография Диссертация по сельскому хозяйству, кандидата биологических наук, Девин, Борис Александрович, Москва

1. Апарин Б.Ф. Географические основы рационального использования почв. -СПб., «Наука», 1992. 96 с.

2. Барбер С.А. Биологическая доступность питательных веществ в почве. Механистический подход/ Пер. с англ. Ю.А. Мазеля: под ред. и с предисл. Э.Е. Хавкина М.: Агропромиздат, 1988. 376 с.

3. Возможности современных и будущих фундаментальных исследований в почвоведении. -М.: ГЕОС, 2000. 138 с.

4. Добровольский Г.В., Никитин Е.Д. Экологические функции почв. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1986. - 261 с.

5. Звягинцев Д.Г. Взаимодействие микроорганизмов с твердыми поверхностями. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1973. 175 с.

6. Звягинцев Д.Г. Почва и микроорганизмы. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1987. -256 с.

7. Звягинцев Д.Г., Перцовская А.Ф., Яхнин В.Д., Авербах Э.И. Определение величины адгезии клеток микроорганизмов к твердым поверхностям // Микробиология, 1971, вып. 6, стр. 1024-1028.

8. Квасников Е.И., Писарчук Е.Н. Артробактер в природе и производстве. Киев: Наукова думка, 1980. 220 с.

9. Ковалев Н.Г., Поздняков А.И., Мусекаев Д.А., Позднякова Л.А. Торф, торфяные почвы, удобрения. М.: Изд-во ВНИИМЗ, 1998. - 239 с.

10. Ю.Кокотов Ю.А., Золотарев П.П., Елькин Г.Э. Теоретические основы ионного обмена. Л.: Наука Л. О., 1986. 280 с.11 .Корсунекая Л.П. Гидродинамические и физические свойства почв: Автореф. дисс. канд. биол. наук. М., 1997. - 16 с.

11. Кошелева Н.Е. Моделирование почвенных и ландшафтно-геохимических процессов: Учебное пособие. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1997. 109 с.

12. Лебедев А.Ф. Почвенные и грунтовые воды. М.-Л., Изд-во АН СССР, 1936.

13. Мельникова М.К., Заманмурад X., Фрид А.С. Радиоизотопное исследование конвективного и диффузионного передвижения солей в слоистых почвах при наличии градиента влажности // Почвоведение, 1968, №3, с. 40-50.

14. Методы почвенной микробиологии и биохимии: Учеб. пособие. /Под ред. Д.Г.Звягинцева. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1991. - 304 с.

15. Носов В.В. Влияние содержания и состава глинистого материала на калийное состояние дерново-подзолистых почв: Автореф. дисс. . канд. биол. наук. М.: Изд-во МГУ, 1997. - 17 с.

16. Определитель бактерий Берджи. В 2-х т. Пер. с англ. / Под ред. Дж. Хоулта, Н. Крига, П. Смита, Дж. Стейли, С. Уилльямса. М.: Мир, 1997. - 432 с.

17. Пачепский Я. А. Математическое моделирование физико-химических процессов в почвах. М.: Наука, 1990. 188 с.

18. Пачепский Я.А. Математические модели процессов в мелиорируемых почвах. М.: Изд-во МГУ, 1992. 85 с.

19. Пинский Д.Л. Ионообменные процессы в почвах. Пущино, ОНТИ ПНЦ РАН, 1997.-166 с.

20. Смагин А.В., Садовникова Н.Б., Хайдапова Д.Д., Шевченко Е.М. Экологическая оценка биофизического состояния почв. М.: МГУ, ф-т почвоведения, 1999. - 48 с.

21. Спозито Г. Термодинамика почвенных растворов. JL: Гидрометеоиздат, 1984.-240 с.

22. Сысуев В.В. Моделирование процессов в ландшафтно-геохимических системах. М.: Наука, 1986. 301 с.

23. Фрид А.С, Граковский В.Г. Диффузия 137Cs в почвах // Почвоведение, 1988, №2, с. 78-86.

24. Храмов А.А, Валуцкий В.И. Лесные и болотные фитоценозы Восточного Васюганья. Новосибирск: Наука, 1977. — 223 с.

25. Шеин Е.В, Карпачевский. JI.O. Толковый словарь по физике почв. М.: ГЕОС, 2003. - 126 с.

26. Alexander М. Biodegradation andbioremediation. San Diego: Academic Press, 1994.- 302 p.

27. Allison D.G, Evans D.J, Brown M.R.W, Gilbert P. Possible involvement of the division cycle in dispersal of Escherichia coli from biofilms // J. Bacterid., 1990, Vol. 172, p. 1667-1669.

28. Bai G., Brusseau M.L., Miller R.M. Influence of rhamnolipid biosurfactant on the transport of bacteria through a sandy soil // Applied and Environ. Microbiol., 1997, Vol. 63, p. 1866-1873.

29. Bales R.C., Li S., Yeh T.C.J., Lenczewski M.E., Gerba C.P. Bacteriophage and microsphere transport in saturated porous media: Forced-gradient experiment at Borden, Ontario // Water Resour. Res., 1997, Vol. 33, p. 639-648.

30. Baveye P., Valocchi A.J. An evaluation of mathematical models of the transport of biologically reacting s olutes in saturated soils and aquifers // Water Resour. Res., 1989, Vol. 25, p. 1413-1421.

31. Baygents J.C., Glynn J.R., Albinger O. Variation of surface charge density in monoclonal bacterial populations: Implications for transport through porous media // Envrion. Sci. and Tech., 1998, Vol. 32, p. 1596-1603.

32. Bazin M.J., Saunders P.T., Prosser J.I. Models of microbial interactions in the soil // CRC Critical Rev. Microbiol., 1976, Vol. 4, p. 463-498.

33. Bengtsson G. Growth and metabolic flexibility in groundwater bacteria // Microbial Ecology, 1989, Vol. 18, p. 235-248.

34. Bitton В., Gerba C.P. Groundwater pollution microbiology. New York, J. Wiley & Sons, 1984.

35. Bitton G., Marshall K.C. Adsorption of microorganisms to surfaces. New York: Wiley-Interscience, 1980.

36. Butler, R.G., Orlob, G.T., McGauhey P.H. Underground movement of bacterial and chemical pollutants // J. Amer. Water Works Assoc., 1954, Vol. 46, p. 97-111.

37. Bryers, J.D. Modeling biofilms accumulation./ In: Bazin M.J., Prosser J.I. (eds.) "Physiological Models in Microbiology (Vol. 2)." CRC Press, Boca Raton. Fla., 1988.-p. 109-144.

38. Camesano T.A., Logan B.E. Influence of fluid velocity and cell concentration on the transport of motile and nonmotile bacteria in porous media // Environ. Sci. and Tech., 1998, Vol. 32, p. 1699-1708.

39. Camper A.K., Hayes J.T., Sturman P.J., Jones W.L., Cunningham A.B. Effects of motility and adsorption rate coefficient on transport of bacteria through saturated porous media // Applied and Environ. Sci., 1993, Vol. 59, p. 3455-3462.

40. Characklis W.G., Marshall K.C. Biofilms. New York: Wiley-Interscience, 1990.

41. Chen Y.M., Abriola L.M., Alvarez P.J.J., Anid P.J., Vogel T.M. Modeling transport and b iodegradation of benzene and toluene in sandy aquifer material: Comparisons with experimental measures // Water Resour. Res., 1992, Vol. 28, p. 1833-1847.

42. Chen K.C., Ford R.M., Cummings P.T. Mathematical models for motile bacterial transport in cylindrical tubes // J. Theor. Biol., 1998, Vol. 195, p. 481-504.

43. Corapcioglu M.Y., Haridas A. Transport and fate of microorganisms in porous media: A theoretical investigation // J. Hydrol., 1984. Vol. 72, p. 149-169.

44. Corapcioglu M.Y., Haridas A. Microbial transport in soils and groundwater: A numerical model // Adv. Water Resour., 1985, Vol. 8, p. 188-200.

45. Crane S.R., Moore J.A. Bacterial pollution of groundwater: A review // Water, Ari and Soil Pollut., 1984, Vol. 22, p. 67-83.

46. Craun G.F. A summary of waterborne illness transmitted through contaminated groundwater // J. Environ. Health, 1985. Vol. 48, p. 122-127.

47. Dahlquist, F.W., Lovely, P., Koshland, D.E. Quantitative analysis of bacterial migration in chemotaxis // Nature New Biol., 1972, Vol. 236, p. 120-123.

48. Fletcher M. (ed.). Bacterial adhesion: Molecular and Ecological Diversity. New York, Wiley-Liss, 1996. - 350 p.

49. Fontes D.E., Mills A.L., Hornberger G.M., Herman J.S. Physical and chemical factors influencing transport of microorganisms through porous media // Applied and Environ. Microbiol., 1991, Vol. 57, p. 2473-2481.

50. Fried, J.J. Groundwater pollution. New York: Elsevier, 1975.

51. Gannon J., Tan Y., Baveye P., Alexander M. Effect of sodium chloride and transport of bacteria in a saturated aquifer material // Applied and Environ. Microbiol., 1991a, Vol. 57, p. 2497-2501.

52. Gannon J.T, Mingelgrin U., Alexander M., Wagenet R.J. Bacterial transport through homogenous soil // Soil Biol. And Biochem., 1991b, Vol. 23, p. 11551160.

53. Gerba C.P, Wallis С., Melnik J.L. Fate of wastewater bacteria and viruses in soil //J. Irrig. Drain. Div. Proc. Am. Soc. Civ. Eng., 1975, Vol. 101, p. 157-174.

54. Gilbert P., Evans D.J., Evans E, Duguid I.G., Brown M.R.W. Surface characteristics and adhesion of Escherichia coli and Staphylococcus epidermidis II J. Applied Bacteriol., 1991, Vol. 71, p. 72-77.

55. Gomez-Suarez C., Busscher H.J., van der Mei H.C. Analysis of bacterial detachment from substratum surfaces by the passage of air-liquid interfaces // Appl. Environ. Microbiol., 2001, Vol. 67, p. 2531-2537.

56. Gross M.J, Logan B.E. Influence of different chemical treatments on transport of Alcaligenes paradoxus in porous media // Applied and Environ. Microbiol., 1995, Vol. 61, p. 1750-1756.

57. Herzig J.P, Leclerc D.M, LeGolf P. Flow of suspensions through porous media -application to deep filtration // Industrial and Engineering Chemistry, 1970, Vol. 62, p. 8-35.

58. Hamdi Y.A. Vertical movement of Rhizobia in soil // Zbl. Bakt. Abt. II, 1974, Vol. 129, p. 373-377.

59. Harvey R.W, Garabedian S.P. Use of colloidal filtration theory in modeling movement of bacteria through a contaminated sandy aquifer // Environ. Sci. and Tech, 1991, Vol. 24, p. 178-185.

60. Harvey, R.W, Kinner N.E, Bunn, A, McaDonald D, Metge D. Transport behavior of groundwater protozoa and protozoan-size microspheres in sandy aquifer sediments // Appl. Environ. Microbiol, 1995, Vol. 61, p. 209-217.

61. Hendry MJ, Lawrence J.R, Maloszewski P. Effects of velocity on the transport of two bacteria through saturated sand // Groundwater, 1999, Vol. 37 (1), p. 103112.

62. Holben W.E, Ostrom P.H. Monitoring bacterial transport by stable isotope enrichment of cells // Appl. Environ. Microbiol, 2000, Vol. 66, p. 4935-4939.

63. Jackson A, Roy D, Breitenbeck G. Transport of a bacterial suspension through a soil matrix using water and an anionic surfactant // Water Research, 1994, Vol. 28, p. 943-949.

64. Jenneman G.E., Knapp R.M., Mclnerey M.J., Menzie D.E., Revus D.E. Experimental studies of in-situ microbial enhanced oil recovery // Soc. Pet. Environ., 1984. Vol. 24, p. 33-37.

65. Johnson, W.P., Logan B.E. Enhanced transport of bacteria in porous media by sediment-phase and aqueous-phase natural organic matter // Water Research, 1996, Vol. 30, p. 923-931.

66. Jury W.A., Gardner W.R., Gardner W.H. Soil physics. New York: John Wiley & Sons, Inc., 1991.

67. Kesley J.W., Alexander M. Effect of flow rate and path length on p-nitrophenol biodegradation during transport in soil// Soil Sci. Soc. Am. J., 1995. Vol. 59. P. 113-117.

68. Kinoshita Т., Bales R.C., Yahya M.T. Bacterial transport in a porous medium: retention of Bacillus and Pseudomonas on silica surfaces // Water Research, 1993, Vol. 27, p. 1295-1301.

69. Kirkham D. and Powers W.L. Advances in soil physics. New York: Wiley-Interscience, 1972.

70. Krone, R.B., Orlob, G.T., Hodgkinson, C. Movement of coliform bacteria through porous media // Sewage and Industrial Wastes, 1958, Vol. 30, p. 1-13.

71. Lappin-Scott H.M., Cusack F., Costerton J.W. Nutrient resuscitation and growth of starved cells in sandstone cores: A novel approach to enhanced oil recovery // Applied and Environ. Microbiol., 1988, Vol. 54, p. 1373-1382.

72. Li, Q., Logan B.E. Enhancing bacterial transport for bioaugmentation of aquifers using low ionic strength solutions and surfactants // Water Research, 1999, Vol. 33, p. 1090-1100.

73. Marshall K.C. Advances in microbial ecology. New York: Plenum Press, 1982.

74. Matthess G., Pekdeger A. Concepts of a survival and transport model of pathogenic bacteria and viruses in groundwater // Sci. Total. Environ., 1981. Vol. 21. P. 149-159.

75. Mills, A.L., Herman J.S., Homberger G.M., DeJesus Т.Н. Effect of solution ionic strength and iron coatings on mineral grains on sorption of bacterial cells to quartz sand // Appl. Environ. Microbiol., 1994, Vol. 60, p. 3300-3306.

76. Molz F.J, Widdowson M.A., Benefield L.D. Simulation of microbial growth dynamics coupled to nutrient and oxygen transport in porous media // Water Resour. Res., 1986, Vol. 22, p. 1207-1216.

77. Morisaki, H., Kasahara Y., Hattori T. The cell-surface charge of fast-growing and slow-growing bacteria isolated from grassland soil //Journal of General and Applied Microbiology, 1993, Vol. 39, p. 65-74.

78. Mueller, R.F. Bacterial transport and colonization in low nutrient environments // Water Research, 1996, Vol. 30, p. 2681-2690.

79. Murphy E.M., Ginn T.R. Modeling microbial processes in porous media // Hydrogeol. J., 2000, Vol. 8, p. 142-158.

80. Newby D.T., Pepper I.L., Maier R.M. Microbial transport. In: Environmental Microbiology. San Diego, Academic Press, 1999. P. 145-173.

81. Nielsen D.R., Biggar J.W. Miscible displacement: III. Theoretical considerations // Soil Sci. Soc. Am. Proc., 1962. Vol. 26. P. 216-221.91.0'Melia C.R., Stumm W. Theory of water filtration // J. Am. Water Works Assoc., 1967, Vol. 59, p. 1393-1412.

82. Peterson T.C., Ward R.C. Development of a bacterial transport model for coarse soils // Water Resour. Bulletin, 1989, Vol. 25, p. 349-357.

83. Powelson D .К., Mills A .L. В acterial enrichment at the gas-water interface оf a laboratory apparatus // Appl. Environ. Microbiol., 1996, Vol. 62, p. 2593-2597.

84. Powelson D.K., Mills A.L. Water saturation and surfactant effects on bacterial transport in sand columns // Soil Science, 1998, Vol. 163, p. 694-704.

85. Reddy H.L., Ford R.M. Analysis of biodegradation and bacterial transport: Comparison of models with kinetic and equilibrium bacterial adsorption // J. Contaminant Hydrol., 1996, Vol. 22, p. 271-287.

86. Reynolds P.J., Sharma P., Jenneman G.E., Mclnerey M.J. Mechanisms of microbial movement in subsurface materials // Applied and Environ. Microbiol., 1989, Vol. 55, p. 2280-2286.

87. Rittmann B.E. The effect of shear stress on biofilms loss rate // Biotechnol. Bioeng., 1982, Vol. 24, p. 501-506.

88. Schafer A., Ustohal P., Harms H., Stauffer F., Dracos Т., Zehnder A.J.B. Transport of bacteria in unsaturated p orous media //J. Contam. Hydrol., 1998, Vol. 33, p. 149-169.

89. Smith M.S., Thomas G.W., White R.E., Ritonga D. Transport of Escherichia coli through intact and disturbed soil columns // J. Environ. Qual., 1984, Vol. 14, p. 87-91.

90. Speitel G.E., DiGiano F.A. Biofilm shearing under dynamic conditions // J. Environ. Eng., Am. Soc. Civ. Eng., 1987, Vol. 113, p. 464-475.

91. Story S.P., Amy P.S., Bishop C.W., Colwell F.S. Bacterial transport in volcanic tuff cores under saturated flow conditions // Geomicrobiol. J., 1995, Vol. 13, p. 249-264.

92. Sykes J.F., Soyupak S., Farquhar G.J. Modeling of leachate organic migration and attenuation in groundwaters b elow s anitary 1 andfills / / Water Resour. Res., 1982, Vol. 18,135-145.

93. Tan Y., Bond W.J., Rovira A.D., Brisbane P.G., Griffin D.M. Movement through soil of a biological control agent, Pseudomonas fluorescens // Soil Biol. Biochem., 1991. Vol. 23. P. 821-825.

94. Tan Y., Gannon J.G., Baveye P., Alexander M. Transport of bacteria in a saturated aquifer sand // Water Resour. Res., 1994. Vol. 30, p. 3243-3252.

95. Taylor S.W. and Jaffe P.R. Substrate and biomass transport in a porous medium// Water Resour. Res., 1990a, Vol. 26, p. 2181-2194.

96. Taylor S.W. and Jaffe P.R. Biofilm growth and the related changes in the physical properties of a porous medium. 3. Dispersivity and model verification // Water Resour. Res., 1990b, Vol. 26, p. 2171-2181.

97. Vilker V.L., Burge W.D. Adsorption mass transfer model for virus transport in soils // Water Res., 1980, Vol. 14, p. 783-790.

98. Weiss, Т.Н., Mills A.L., Hornberger G.M. Effect of bacterial cell shape on transport of bacteria in porous media // Environmental Science and Technology, 1995, Vol. 29, p. 1737-1740.

99. White E.R. The transport of chloride and non-diffusible solutes through soil // Irrigat. Sc., 1985. Vol. 6. No 1.

100. Yao K., Habibian M.T., O'Melia C.R. Water and wastewater filtration. Concepts and application // Environ. Sci. Technol., 1971, Vol. 5, p. 1105-1112.

101. Yates M.V., Yates S.R. Modeling microbial fate in the subsurface environment// Crc Crit. Rev. Environ. Control, 1988, Vol. 17, p. 307-344.

Информация о работе

Девин, Борис Александрович
кандидата биологических наук
Москва, 2004
ВАК 06.01.03

Диссертация

Перенос микроорганизмов в почве и его количественное описание - тема диссертации по сельскому хозяйству, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы