Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Пространственная дифференциация микробиологических показателей и процессов корневого поглощения на агрегатном уровне почв

ВАК РФ 03.02.13, Почвоведение

Автореферат диссертации по теме "Пространственная дифференциация микробиологических показателей и процессов корневого поглощения на агрегатном уровне почв"

На правI ~ копией

005061528

щ

Мустафа Исмаил Умер

Пространственная дифференциация микробиологических показателей и процессов корневого поглощения на агрегатном

уровне почв

Специальности 03.02.13 - почвоведение 03.02.03 - микробиология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

13 Ш ¿013

Москва-2013

005061528

Работа выполнена на кафедре микробиологии и иммунологии и кафедре агрономической, биологической химии и радиологии факультета почвоведения, агрохимии и экологии Российского государственного аграрного университета - МСХА имени К.А. Тимирязева

Научные руководители: доктор биологических наук, профессор

Алексей Дмитриевич Фокин; кандидат биологических наук, доцент Анна Андреевна Ванькова

Официальные оппоненты: Ларешин Вячеслав Григорьевич,

доктор биологических наук, профессор кафедры почвоведения, земледелия и земельного кадастра ФГБОУ ВПО «Российский университет дружбы народов»; Якушев Андрей Владимирович, кандидат биологических наук, младший научный сотрудник кафедры биологии почв факультета почвоведения Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

Ведущая организация: Почвенный институт имени В.В. Докучаева РАСХН

Защита состоится 16 сентября 2013 г. в 14 часов 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 220.043.02 при Российском государственном аграрном университете - МСХА имени К.А. Тимирязева по адресу: 127550, Москва, ул.Прянишникова,15(тел./факс:8(499)976-24-92), dissovet@timacad.ru

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной библиотеке РГАУ -МСХА имени КА. Тимирязева.

Автореферат разослан «ЗУ» мая 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Игнатьева С.Л

Общая характеристика работы

Актуальность. Почва - уникальное по гетерогенности природное образование. Эта гетерогенность проявляется на различных уровнях структурной организации почв - от элементного и вещественного до почвенно-профильного и территориального, она распространяется как на биотическую, так и косную часть почвы.

Подавляющая часть почвенных исследований традиционно связана с гетерогенностью почв на профильном уровне.

Существенно менее изучены вопросы дифференциации почв на других уровнях структурной организации, в частности, на агрегатном. В данной области основное внимание уделялось исследованию агрегатного и микроагрегатного составов почв, а также устойчивости почвенных агрегатов к воздействию факторов, приводящих к их разрушению. Исследования в данном направлении имеют исключительно важное значение для понимания и практического использования механизмов, определяющих формирование благоприятных для растений физических условий корнеобитаемого слоя почвы и её устойчивости.

Однако гетерогенность почв на агрегатном уровне проявляется еще и в различиях состава, свойств и процессов на поверхности и внутри почвенных агрегатов. На это обстоятельство обратил внимание еще В.Р. Вильяме (1939), указывая на неизбежные различия окислительно-восстановительных условий в различных частях агрегата, что, в свою очередь, приводит к различиям в составе и численности микрофлоры, условий разложения органического вещества, формирования режимов и запасов элементов питания для растений, и другим свойствам и процессам. В последующем изучение отдельных сторон этой проблемы получило определенное развитие [Н.А. Качинский (1958), Н.А. Красильников (1958), Е.В. Шеин (2005), Horn R. (1987), Kayser А.Т. et al. (1994)].

Особая роль почвенных агрегатов проявляется в условиях аэральных загрязнений почв, поскольку первичное взаимодействие и закрепление токсичных веществ происходит на поверхности агрегатов, что существенно влияет на их поведение в экосистемах и загрязнение биопродукции (А.Д. Фокин и др., 2003).

Однако нельзя не признать, что исследования в данном направлении имели отрывочный, несистемный характер.

Итак, актуальность работы обусловлена недостаточной изученностью роли поверхности почвенных агрегатов и внутрипедной массы почвы в формировании важнейших биологических свойств почвы, определяющих её биопродуктивность, условия трансформации органических остатков,

л i

i i

поступление элементов минерального питания и загрязняющих веществ в растения.

Цель исследования - сопоставить численность, состав и активность микроорганизмов на поверхности и внутри почвенных агрегатов дерново-подзолистой и темно-серой лесной почв, а также оценить интенсивность поглощения корнями растений элементов, локализованных на поверхности и внутри почвенных агрегатов, на примере 90Бг.

Задачи:

1. Определить микробиологическую активность на поверхности и внутри почвенных агрегатов.

2. Изучить биоразнообразие поверхностной и внутрипедной массы

почв.

3. Дать экологическую оценку степени устойчивости микробного сообщества на поверхности и внутри почвенных агрегатов.

4. Апробировать различные методы получения агрегатов с различным типом локализации меченых веществ (на поверхности агрегата, внутри агрегата и с равномерным распределением метки по всему объёму агрегата).

5. Провести вегетационные опыты с мечеными агрегатами для

90с

количественной оценки поглощения аг, локализованного в различных частях агрегата.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Микробиологическая активность на поверхности и внутри агрегатов дерново-подзолистой и темно-серой лесной почв различается. Метаболическая активность микроорганизмов на поверхности агрегатов выше, чем во внутрипедной массе.

2. В структуре микробного комплекса обеих почв преобладают бактерии. Численность их в основном не отличается по зонам агрегатов. Численность грибов на поверхности агрегатов выше, чем во внутренней их части. Видовое разнообразие бактерий и грибов различается по зонам агрегатов.

3. Микробный ценоз внутренней части почвенных агрегатов характеризуется более стабильным состоянием и устойчивостью по сравнению с поверхностью.

4. Разработанный метод получения почвенных агрегатов с различной локализацией изотопно-меченых веществ в пространстве агрегата может быть использован для изучения дифференциации корневого питания на агрегатном уровне.

5. Поглощение ^Бг с поверхности почвенных агрегатов происходит в 2 - 3 раза интенсивнее, чем поглощение из внутрипедного пространства.

Научная новизна. Впервые показана микробиологическая дифференциация дерново-подзолистой и темно-серой лесной почв Владимирской области на агрегатном уровне. Впервые для оценки микробиологической активности поверхностной и внутрипедной массы почвы использованной показатели субстрат-индуцированного и базального дыхания.

Впервые отработана методика получения агрегатов с поверхностной и внутрипедной дифференциацией веществ путём нанесения почвенной суспензии на поверхность агрегата.

Впервые показано, что в условиях вегетационного опыта интенсивность корневого поглощения 90 S г, локализованного на поверхности агрегата, в 2 - 3 раза превосходит поглощение радионуклида из внутрипедной массы.

Практическая значимость. Результаты работы дополняют современные представления о распределении и активности микроорганизмов в почвенном агрегате. Полученные данные могут послужить основой для создания базы данных и разработки критериев экологической оценки микробиологических показателей состояния почв, которые будут полезны для целей диагностики при проведении мониторинга почвенных экосистем.

Показана неэффективность фиторемедиации почв, загрязнённых 90Sr, для очистки их от радионуклида. Разработана универсальная диаграмма, позволяющая оценить, при каких значениях коэффициентов накопления любых веществ и урожая надземной фитомассы фиторемедиация может быть эффективной.

Высокий уровень агрегированности почвенной массы и устойчивость агрегатов в условиях аэральных загрязнений благоприятствуют поступлению загрязняющих веществ в растения. Полное переагрегирование почвенной массы в 2 - 3 раза снижает поступление 90Sr в растительную биопродукцию.

Апробация и публикация результатов исследований. Материалы исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры микробиологии и иммунологии факультета почвоведения, агрохимии и экологии РГАУ-МСХА им. К.А.Тимирязева (2011,2012,2013), Международной научной конференции молодых ученых и специалистов РГАУ-МСХА 01 - 02 июня 2011 г., 8-ом Международном почвенном конгрессе «Land dégradation and challenges in sustainable soil management» (Cesma, Измир, Турция, 2012). По материалам диссертации опубликовано 3 работы, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 124 страницах, иллюстрирована 39 рисунками, содержит 10 таблиц. Работа состоит из

введения, 5 глав, выводов и списка использованной литературы, содержащего 91 источник, из них 43 источника на иностранном языке.

Благодарности. Выражаю глубокую признательность научным руководителям профессору А.Д. Фокину и доценту A.A. Ваньковой за руководство исследованиями, всестороннюю помощь и поддержку. Благодарен сотрудникам кафедры микробиологии и иммунологии, особенно J1.B. Самохину, О.В. Колесникову, студентке А.И. Батмановой за помощь в проведении исследований. Признателен сотрудникам кафедры агрономической, биологической химии и радиологии за внимание, ценные советы и доброжелательные замечания.

Основное содержание работы Глава 1. Объекты и методы

Объектами исследования служили воздушно-сухие агрегаты размером 10 - 20 мм двух типов почв - дерново-подзолистой и темно-серой лесной (Владимирская область). Разделение поверхностной (ПОВ) и внутрипедной массы (ВПМ) проводили методом прямого соскабливания поверхностного слоя (~ 2 мм) почвенных агрегатов (Таргульян, 1974; Horn, 1987). Полученные образцы почв (ш ~ 200 г) измельчали и просеивали через сито (d пор - 1 мм). Инициацию микробного сообщества проводили увлажнением почвенных образцов до 60 % ПВ и инкубацией в термостате при t 22 °С в течение 5 суток.

Изучение активности микроорганизмов проводили методом газовой хроматографии по интенсивности выделения почвой СОг («дыхание» почвы) на хроматографе «Кристалл-5000-2» (Россия). В образцах почв определяли субстрат-индуцированное дыхание (СИД), базальное дыхание (БД), рассчитывали микробную биомассу (СМШ1) и микробный метаболический коэффициент (Qr). (Anderson, Domsch, 1978; Domsch et al., 1979; Ананьева 2003).

Изучение численности и состава микроорганизмов проводили методом питательных пластин (метод Коха) (Теппер и др., 2004). Для выявления сапротрофных аэробных и факультативно-анаэробных бактерий использовали мясо-пептонный агар (МПА), грибов - среду Чапека. Для учета численности бактерий использовали разведения 10"5 и 10"6, грибов - 10"3 и 10"4. Температура инкубации + 28 "С. Подсчет колоний бактерий проводили на 4 день, грибов - на 8-ой. Химические свойства почвы определяли следующими методами: рНн2о - потенциометрически на иономере И - 160 (почва: н2о = 1 : 2,5), обменный калий - по Кирсанову (1 н ацетатом аммония pH 7,0), фосфор - методом Труога - Мейера (Truog, Meyer, 1929). Микробиологические и химические исследования проводили в три срока:

весной (25.05.2011), летом (28.08.2011) и осенью (21.11.2011). Радиометрические измерения '"Sr проводили на счётчиках Гейгера-Мюллера типа СТС-13.Статистический анализ данных сделан в Excel (2003).

Глава 2. Микробиологическая активность на поверхности и внутри почвенных агрегатов

Метод определения субстрат-индуцированного дыхания (СИД) является простым, быстрым и экономичным методом определения С микробной биомассы в почвах и органических остатках. Он основан на том, что начальная скорость продукции С02 микроорганизмами в ответ на внесение в почву легкодоступного энергетического субстрата пропорциональна их массе (Carter et al., 2008). В качестве легкодоступного субстрата использовали глюкозу как самый распространенный в природных полимерах мономер, превышающий количество других Сахаров на два прядка (Lynch, 1976; Щербакова, 1983). Основным источником глюкозы в почве является растительный опад, на 70 - 80 % состоящий из целлюлозы. Этот полисахарид в почве утилизируется микроорганизмами в вйде глюкозы, образующейся в результате внеклеточной ферментативной деполимеризации целлюлозным комплексом (Готтшалк, 1982). Поэтому потребление глюкозы рассматривается как модель минерализации органического опада почвенными микроорганизмами. Потребление глюкозы микроорганизмами почвы in situ за время, в течение которого не происходит роста и размножения клеток (несколько часов), положено в основу определения содержания микробного углерода (биомассы) в почве. При температуре, равной 22 + -0,5 °С, выделение 1 мл С02 в час соответствует 40 мг углерода микробной биомассы почв (Ананьева, 2003).

Полученные результаты показали, что динамика СИД и БД в изучаемых почвах имеет общий характер: возрастание эмиссии С02 в летний период и закономерное снижение к осени (Рис.1). Весной СИД внутри почвенных агрегатов немного выше, чем на поверхности в обеих почвах. Максимальные значения этого показателя приходятся на летний период. В дерново-подзолистой почве наибольшее значение в этот период отмечено на поверхности агрегатов (32,03 мкг С - С02 / г почвы • час), по сравнению с внутренней частью (25,91 мкг С - С02/ г почвы • час), а в темно-серой лесной почве - внутри агрегатов (34,06 мкг С - С02 / г почвы • час), по сравнению с поверхностью (25 мкг С - С02 / г почвы • час). Осенью значения СИД достоверно выше на поверхности почвенных агрегатов обеих почв. Базальное дыхание (БД) определяли как среднее потребление кислорода без добавления глюкозы, т.е. реальное (актуальное) дыхание почвы. Этот показатель часто используется в качестве критерия оценки почвенного плодородия, так как он

отражает доступность органического вещества для почвенных микроорганизмов, поскольку весь углерод, теряемый почвой с дыханием, должен проходить через микробный пул (Witter, 1996).

а)

Рис. 1. Динамика субстрат-индуцированного (СИД) и базального (БД) дыхания на поверхности (ПВ) и внутри почвенных агрегатов (ВПМ) дерново-подзолистой (а) и темно-серой лесной (б) почв.

Значения БД оказались выше на поверхности почвенных агрегатов обеих почв во все сроки наблюдения. Максимальные значения показателя (6,31 мкг С - СС>2 / г почвы ■ час и 5,92 мкг С - С02 / г почвы • час) отмечены летом на поверхности агрегатов дерново-подзолистой и темно-серой лесной почв соответственно, минимальные - осенью (0,29 мкг С - С02 / г почвы • час и 0,30 мкг С - ССЬ / г почвы • час) внутри агрегатов дерново-подзолистой и темно-серой лесной почв соответственно. Таким образом, активность микробного сообщества почвы выше на поверхности почвенных агрегатов.

а)

б)

Рис. 2. Микробная биомасса (Смик) внутри и на поверхности почвенных агрегатов дерново-подзолистой (а) и темно-серой лесной (б) почв.

Микробная биомасса почвы (Смик) - это наиболее подвижная фракция органического вещества почвы, способная быстро реагировать на изменения состояния почвы и коррелирующая с микробиологической активностью (Chander et al., 2001; Brookes, 2005). В ненарушенных почвах существует достоверная линейная зависимость между содержанием органического вещества и объемом почвенной микробной биомассы. Углерод почвенной микробной биомассы составляет 1 - 4 % от общего органического углерода, что зависит от типа почвы, ее обработки, а также климатических условий (McGrath et al., 1995). Соотношение углерода микробной биомассы и общего органического углерода почвы может служить показателем

функционирования почвенной экосистемы ШаЫт, 1997). Полученные значения микробной биомассы имеют такую же закономерность изменения в почвенном агрегате и посезонно, как и показатель микробиологической активности - СИД. (Рис.2). Микробной биомасса в обеих почвах увеличивается в летний период и снижается к осени. Максимальные значения данного показателя 2352 мкг С - СОг / г почвьгчас и 2501 мкг С -СОг / г почвы-час отмечены в летний период на поверхности агрегатов дерново-подзолистой и внутри агрегатов темно-серой лесной почвы соответственно.

Интегральным показателем состояния и устойчивости микробного сообщества почвы может служить микробный метаболический коэффициент (Он), который в наших исследованиях рассчитан как отношение БД и СИД. Этот показатель является универсальным индикатором нарушения экологического равновесия системы и наглядно отражает способность микробного сообщества преодолевать внешние воздействия (Благодатская и др., 2001).

Рис. 3. Изменение микробного метаболического коэффициента (<3Г) внутри и на поверхности почвенных агрегатов дерново-подзолистой и темно-серой лесной почв.

Полученные данные показывают, что значение микробного метаболического коэффициента весной и летом выше на поверхности почвенных агрегатов по сравнению с внутрипедной частью (Рис.3). Особенно контрастны показатели летом, когда (¿г на поверхности агрегатов в несколько

раз выше, чем внутри. Это объясняется тем, что микроорганизмы, обитающие на поверхности агрегатов находятся в более активном состоянии и обменные процессы идут более энергично. Микробное сообщество, обитающее внутри агрегатов, защищено от внешних воздействий, приток питательных веществ и кислорода затруднен, вследствие чего микроорганизмы менее активны. Возможно, часть микроорганизмов находится в покоящемся состоянии. Микробное сообщество внутренней части агрегатов характеризуется более стабильным состоянием и устойчивостью по сравнению с поверхностью. Осенью различия значений Qr по зонам агрегатов не существенны.

Глава 3. Распределение микроорганизмов в почвенных агрегатах

Почвенный агрегат представляет собой микрокосм ассоциативно сосуществующих групп микроорганизмов, которые формируют закономерные эколого-трофические связи, образуя внутриагрегатный почвенный ценоз (Elliot et al., 1980). Состав и количество микроорганизмов почвы зависит от многих факторов: влажности, температуры, кислотности, содержания органического вещества и др.

Численность микроорганизмов является косвенным показателем микробиологической активности почвы. По численности микроорганизмов различных эколого-трофических групп можно судить о характере и направленности происходящих в почве микробиологических процессов -минерализации, азотфиксации, нитрификации и др.

Результаты анализа сезонной динамики численности бактерий на поверхности и внутри агрегатов изучаемых почв показало, что временная динамика более выражена, чем пространственная (рис. 4 а, б). Число бактерий возрастает летом и осенью, что связано с более благоприятным тепловым режимом и увеличением количества органических веществ. Существенные отличия по зонам агрегатов отмечены для дерново-подзолистой почвы осенью (4,20 млн КОЕ / г - ВПМ, 9,29 млн КОЕ / г - ПВ), для темно-серой лесной почвы летом (22,0 млн КОЕ / г - ВПМ, 9,33 млн КОЕ /г-ПВ).

Я весна в лето в осень

16 -,

й в 14 -

I а 12 -

В к 10 -

й 8 -

о б -

и 4 -

1 г - п

пов впм

пов впм

Рис. 4. Динамика численности бактерий на поверхности и внутри агрегатов дерново-подзолистой (а) и темно-серой лесной (б) почв

Численность грибов во все сроки наблюдения оказалась выше на поверхности агрегатов обеих почв (рис. 5 а, б). Максимальные значения отмечены летом на поверхности агрегатов темно-серой лесной почвы (0,49 млн КОЕ / г), минимальные - летом внутри агрегатов дерново-подзолистой почвы (0,04 млн КОЕ/г). Полученные результаты соотносятся с литературными данными (Степанов, 2009). Высокая численность микромицетов на поверхности почвенных агрегатов объясняется ее большей аэрируемостью. Как известно, грибы являются основными деструкторами органических веществ в аэробных условиях и поэтому их биомасса выше на поверхности почвенных агрегатов (Заварзин, 2003). В сезонной динамике микромицетов прослеживается в основном общая закономерность: увеличение численности летом и снижение осенью.

В результате качественного анализа микроорганизмов были выделены и описаны их доминирующие формы на поверхности и внутри почвенных агрегатов.

■ весна

■ лето и осень

пов

впм

пов

впм

Рис. 5. Динамика численности грибов на. поверхности и внутри почвенных агрегатов дерново-подзолистой (а) и темно-серой лесной (б) почв.

г г« Ж

ШИШИЯшЛ а

Ш t> ■■ "

\ яма - * >

N •

I «I» • )

к i аянш' * -. ■

ö Щ # f л. Ш 1 -

Л/ *

mmm ж

б

Рис. 6. Бактерии на поверхности агрегатов дерново-подзолистой почвы: а - Bacillus sp 1, х 1600, б - Bacillus sp. 2, х 1600.

На поверхности агрегатов дерново-подзолистой почвы во все сроки наблюдения преобладали бактерии рода Bacillus (рис. 6 а и б). Благодаря способности образовывать споры они сохраняют жизнеспособность при самых неблагоприятных условиях: выдерживают резкие колебания температуры, отсутствие влаги, действие различных химических соединений.

Во внутренней части агрегатов дерново-подзолистой почвы весной и летом также доминировали бациллы, но другие виды - Bacillus megaterium (рис. 7 б) и Bacillus mycoides (рис. 7 а) соответственно. Осенью преобладали актиномицеты (рис. 9 б).

а б

Рис. 7. Бактерии во внутренней части агрегатов дерново-подзолистой почвы:а -Bacillus mycoides х 1600; б - Bacillus megaterium, х 1600.

Различия по зонам агрегатов отмечены и в составе микромицетов. На поверхности агрегатов дерново-подзолистой почвы весной доминирует Pénicillium chrysogenum, летом - p. Trichoderma.

Внутри агрегатов в этой же почве весной преобладали грибы р. Trichoderma и р. Fusarium (рис. 8 а), летом - Aspergillus flams (рис. 8 б).

а б

Рис. 8. Грибы во внутренней части агрегатов дерново-подзолистой почвы: а -Fusarium sp., х 1600, б-Aspergillus flavus, х 1600.

а б

Рис. 9. Бактерии внутри агрегатов темно-серой лесной почвы: а - АпИгоЬасГег 5р. 2, х 1600; б - 31гер1отусе.1 ¡р. 3, х 1600.

На поверхности агрегатов темно-серой лесной почвы среди бактерий доминировали актиномицеты и представители р. АпкгоЬаМег.

Коринеподобные бактерии рода АпкгоЬаШг - представители автохтонных бактерий, доминирующих в почвах, в которых легкоразлагаемые органические соединения уже разрушены и основной фракцией органического вещества является гумус. Бактерии этого рода

относятся к группе олиготрофов, устойчивы к неблагоприятным условиям среды.

Внутри агрегатов темно-серой лесной почвы весной и осенью доминирующее положение занимают также актиномицеты (рис. 9 б), а летом - Arthrobacter sp. 2 (рис. 9 а), Однако виды бактерий, выявленные внутри агрегатов, иные, чем на поверхности. Из микромицетов на поверхности почвенных агрегатов во все сроки наблюдения доминировал Aspergillus niger, а внутри - Aspergillus flavus.

Глава 4. Методические подходы к дифференцированной оценке корневого поглощения веществ, локализованных на поверхности почвенных агрегатов и во внутрипедном пространстве

Раздельный учет поступления веществ, локализованных на поверхности и внутри почвенных агрегатов, возможен только с использованием изотопно-индикаторного метода, если будет найден способ получения почвенных агрегатов с различной локализацией меченого элемента: а) с равномерным распределением метки во всем объеме агрегата тотальное мечение, (ТОТ); б) только на поверхности агрегата (ПОВ); в) только во внутрипедной массе (ВН). Первые два типа мечения были использованы ранее (Фокин, 2008). Методика получения агрегатов с локализацией меченого вещества только во внутрипедной массе разработана и использована нами впервые. Суть метода состоит в нанесении почвенной суспензии на поверхность тотально-меченого воздушно-сухого агрегата с последующим высушиванием образовавшихся агрегатов.

С целью визуализации полученных результатов при отработке данной методики были получены агрегаты с внутрипедной массой из темно-серой лесной почвы (практически черного цвета), которые были покрыты сверху суспензией, приготовленной из дерново-подзолистой почвы того же гранулометрического состава, что и темно-серая лесная почва. Полученная поверхностная пленка резко отличалась по цвету от внутрипедной массы, что иллюстрирует фото (рис. 10), на котором показаны полученные агрегаты, расколотые после их приготовления. Используя такие агрегаты, можно было измерить толщину образующейся поверхностной плёнки под микроскопом, которая лежала в пределах 0,3 - 0,6 мм.

Рис. 10. Почвенные агрегаты (7-10 мм) темно-серой лесной почвы, покрытые оболочкой из дерново-подзолистой почвы.

Выбор меченого элемента, поступающего в растение, пал на радионуклид осколочного происхождения - 908г. Данный выбор обусловлен следующими обстоятельствами:

1) поведение данного радионуклида в системе почва - растение продолжает оставаться актуальным в связи с его высокой радиотоксичностью;

2) результаты, полученные со 908г, можно экстраполировать с известным приближением на другие, биологически значимые элементы;

3) простота радиометрических измерений 908г, которые проводились на счётчиках Гейгера-Мюллера типа СТС-13.

Глава 5. Дифференцированная оценка поглощения 908г с поверхности агрегатов и из внутрипедного пространства почвы На рис. 11 показана динамика выноса 90Бг на каждый срок наблюдений в расчете на 3 срезанных растения и динамика суммарного выноса на все срезанные к данному сроку растения (кумулятивная кривая). Все различия по всем срокам для вариантов с поверхностной (ПОВ) и виутрипедной (ВН)

^ 90 о

локализацией »г очень существенны и статистически достоверны, а

80 п 60

И

V у

н 40 Н 8 в

20 0

0

--• — ТОТ

—«—пов

• -0--ВН

О....."

2 4 6

Недели

10

Недели

Рис. 11. Динамика перехода 908г в надземную массу гороха: а - на три растения по каждому сроку отбора; б - на все растения, срезанные на каждый срок (3, 6, 9 и 12 растений по срокам, «кумулятивная кривая»).

Для количественной оценки соотношения поглощения радионуклида с поверхности агрегата и из внутрипедной массы мы использовали величину «показателя кратности» Пк, который равен соотношению количества радионуклида, поглощаемого из разных позиций агрегата по всем срокам наблюдения. В свою очередь, по полученным значениям Пк были рассчитаны

значения (в %) поступления 908г, локализованного на поверхности и внутри агрегата (рис. 12).

Данные рисунка показывают, что на протяжении всего эксперимента преобладало поглощение стронция-90, локализованного на поверхности агрегата. При этом очень близкие результаты получены при расчетах как по «концентрационным» (а), так и по «кумулятивным» (б) кривым. В течение первых двух недель выращивания практически на 80 % стронций-90 поглощался с поверхности агрегатов и только на 20 % - из внутрипедного пространства. В конце опыта, длившегося восемь недель, доля участия поверхности агрегатов в поглощении стронция-90 снизилась до 60 - 70 % и, соответственно, возросла доля участия внутрипедного пространства до 30 -40 %.

100

Сроки, недели

I Поглощение с поверхности агрегата

I Поглощение из

внутрипедной массы

А. По трем растениям на каждый срок.

2 4 6

Сроки, недели

I Поглощение с поверхности агрегата

1 Поглощение из

внутрипедной массы

Б. По сумме растений на каждый срок.

Рис. 12. Соотношение (%) поступления 903г с поверхности агрегатов и из внутрипедной массы, рассчитанные по «показателям кратности» Пк.

Полученные данные позволяют оценить также величину коэффициента поступления (Кп) стронция-90 в растения в процентах от общего количества радионуклида в сосуде. Этот коэффициент аналогичен величине коэффициента использования, широко применяющегося в агрохимии для элементов минерального питания.

Таблица 1

Динамика коэффициента поступления 903г в зависимости от локализации радионуклида в пространстве агрегата (размер 7-10 мм) Расчет выполнен на всю срезанную к данному сроку биомассу, % от содержания в почве

Вариант Сроки выращивания, недели

2 4 6 8

ТОТ 0,28 0,73 1,2 2,20

пов 0,40 1,07 1,77 3,03

вн 0,12 0,41 0,67 1,43

Полученные данные показывают, что поступление 908г в биомассу растений по сравнению с его общим содержанием в почве невелико и в конце опыта не превышало единиц процента от общего содержания радионуклида в почве.

По полученным данным были также рассчитаны коэффициенты накопления радионуклида надземными органами гороха (табл. 2).

Таблица 2

Динамика коэффициентов накопления 908г надземными органами

гороха, Кн = —

ш

Вариант Сроки отбора, недели

2 4 6 8

ТОТ 3,6 2,6 2,7 4,1

пов 4,6 3,3 3,7 5,0

вн 1,6 1,7 1,6 2,5

В соответствии с ранее полученными данными, максимальное накопление стронция-90 в биомассе гороха наблюдалось в варианте с поверхностной локализацией радионуклида. Наивысшее значение коэффициента накопления составляло 5, что, в первом приближении, соответствует литературным данным. Из полученных результатов следует важный практический вывод, согласно которому при разрушении первичных градиентов концентрации стронция-90, формирующихся при поглощении аэральных загрязнений, уровень загрязнения биопродукции может быть снижен от 2 до 3 раз. Это означает, что при первичном загрязнении почв целесообразно использовать такие приёмы, которые способствовали бы ускоренному переагрегированию почвенной массы.

О 200 400 600 800 1000 ¡200

Кн * Б, т/га

Рис.13. Диаграмма зависимости фиторемидиационного эффекта (Эф, % выноса надземной биомассой за год) от произведения коэффициента накопления Кн на годовую продуктивность надземной воздушно-сухой биомассы Б, т/га.

В связи с часто обсуждаемой проблемой очищения загрязненных почв, в частности, от 908г, была выполнена оценка эффективности фиторемидиации в зависимости от произведения величин коэффициента накопления загрязнителя и биопродуктивности надземной фитомассы растений (рис.13).

Данные зависимости имеют линейный характер. Выполненные на основании балансовых расчетов оценки, отраженные на рис. 13, свидетельствуют, что высокая эффективность фиторемидиации, например, вынос растениями 25 % загрязнителя из слоя почвы 0-20 см, достигается

крайне редко при высоких, часто нереальных значениях коэффициентов накопления и биопродуктивности, например, при Кн, равном 100 и урожае надземной воздушно-сухой биомассы - 10 т на га (или Кн = 200 и биопродуктивности - 5 т/га). Из этого следует, что сам факт накопления любого загрязнения растениями недостаточен для принятия рекомендаций по фиторемидиационной очистке почв. Необходимы соответствующие количественные обоснования.

ВЫВОДЫ

1. Выявлена микробиологическая дифференциация дерново-подзолистой и темно-серой лесной почв на агрегатном уровне. Субстрат-индуцированное, базальное дыхание и микробная биомасса достоверно различаются на поверхности и внутри агрегатов. Максимальные значения СИД и Смих, равные 32,03 мкг С - С02 / г почвы-час и 2352 мкг С - С02 / г почвы соответственно, отмечены летом в дерново-подзолистой почве на поверхности агрегатов, а в темно-серой лесной почве - внутри (34,06 мкг С -С02 / г почвы-час и 2501 мкг С - С02 / г почвы соответственно). Сезонная динамика показателей принципиально не различается для исследуемых объектов.

2. В структуре микробного комплекса обеих почв преобладают бактерии. Численность их в основном существенно не отличается по зонам агрегатов. Временная динамика более выражена, чем пространственная. Численность грибов на поверхности агрегатов в 1,5-7 раз выше, чем во внутрипедной массе в обеих почвах.

3. Выявлены различия в составе микробного сообщества. В составе бактериального комплекса дерново-подзолистой почвы доминируют представители р. Bacillus, причем поверхность почвенных агрегатов отличается их большим видовым разнообразием. В темно-серой лесной почве преобладают бактерии p. Arthrobacter и актиномицеты. Большее видовое разнообразие выявлено во внутренней части агрегатов. В составе комплекса микромицетов на поверхности дерново-подзолистой почвы преобладают грибы p. Pénicillium и p. Trichoderma, а внутри - р. Fusarium и Aspergillus flavus. В темно-серой лесной почве - на поверхности Aspergillus niger, а внутри - Aspergillus flavus.

4. Интегральная оценка микробного сообщества, сделанная на основании расчета микробного метаболического коэффициента Qr, показала, что микробиологическая активность на поверхности агрегатов выше, чем во внутрипедной массе. Особенно значительные различия наблюдались в летний период, в частности, для дерново-подзолистой почвы они составили около 80 %, а для темно-серой лесной - около 400 %. Это дает основание

предполагать, что на поверхности агрегатов формируются более благоприятные условия для корневого питания растений. Микробный ценоз внутренней части агрегатов характеризуется более стабильным состоянием и устойчивостью.

5. Апробированы известные и разработан новый метод получения почвенных агрегатов с дифференцированной локализацией меченных веществ на поверхности агрегатов и во внутрипедном пространстве. Меченые агрегаты готовятся путём нанесения почвенной суспензии на поверхность воздушно-сухих агрегатов.

6. Экспериментально в условиях вегетационного опыта с горохом

90о

показано двух-трех кратное преимущественное поглощение Sr, локализованного на поверхности почвенных агрегатов по сравнению с поглощением радионуклида из внутрипедной массы.

7. Показана неэффективность фиторемедиации почв, загрязнённых 90Sr, для очистки их от радионуклида. Разработана универсальная диаграмма, позволяющая оценить, при каких значениях коэффициентов накопления любых веществ и урожая надземной фитомассы фиторемедиация. может быть эффективной.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Умер Мустафа Исмаил, Ванькова А. А. Микробиологическая активность на поверхности и внутри почвенных агрегатов // Известия ТСХА. 2011. №6. С. 78-83.

Л- Mustafa I. Umer, Shayma M. Rajab. Corrélation between aggregate stability

and microbiological activity in two russian soil types. "Корреляция между агрегатной устойчивостью и микробиологической активностью почвы" // Eurasian journal of soil science. 2012. № 1. P. 45 - 50.

3. Mustafa Ismail Umer. Impacts of Fukoshima nucleic disaster in agriculture. "Авария атомной станций фукусима в японии и ее негативные последствия для сельского хозяйства" // Сб. «международной научной конференции молодых ученых и специалистов: сборник статей. Том 2». М.: Изд-во РГАУ-МСХА. 01 - 02 июня 2011г. С. 259.

Отпечатано с готового оригинал-макета

Формат 60х84'/|6. Усл. печ. л. 1,4. Тираж 100 экз. Заказ 262.

Издательство РГАУ - МСХА 127550, Москва, ул. Тимирязевская, 44 Тел.: (499) 977-00-12, 977-26-90, 977-40-64

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Мустафа Исмаил Умер, Москва

ФГБОУ ВПО Российский государственный аграрный университет - МСХА

имени К. А. Тимирязева

I

На правах рукописи

04201360831

МУ СТАФА ИСМАИЛ УМЕР

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ И ПРОЦЕССОВ КОРНЕВОГО ПОГЛОЩЕНИЯ НА АГРЕГАТНОМ УРОВНЕ ПОЧВ

Специальность: 03.02.13 - почвоведение 03.02.03 - микробиология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научные руководители: доктор биологических наук, профессор Фокин А.Д; кандидат биологических наук, доцент ВаньковаА.А.

Москва - 2013

Введение

Оглавление

5

ГЛАВА 1 Обзор литературы.............................................................8

1.1. Структура почвы...............................................................................................8

1.1.1 Понятие о структуре и агрегатном составе почв.....................................8

1.1.2 Эволюция теории структурообразования..........................................4.........11

1.2. Структура почвенных агрегатов.....................................................................12

1.2.1 Факторы образования агрегатов....................................................................12

1.2.2 Роль микроорганизмов в оструктуривании почвы.......................................15

1.3. Физико-химические свойства агрегатов........................................................18

1.3.1 Распределение воды и водопрочность агрегатов........................................18

1.3.2 Распределение газов........................................................................................21

1.3.3 Распределение радионуклидов.......................................................................23

1.3.4 Окислительно-восстановительный потенциал.............................................26

1.4. Распределение микроорганизмов в почвенных

агрегатах....................................................................................................................27

1.4.1 Специфика почвы как среды обитания микроорганизмов...........................27

1.4.2Природа явления адгезии (адсорбции) микроорганизмов............................28

1.4.3Модели распределения микроорганизмов в почвенных агрегатах...........30

1.5. Влияние микробиологического разнообразия почв на устойчивость экосистем...................................................................................................................34

ГЛАВА 2 Объекты и методы исследований......................................................37

2.1 Объекты исследований.....................................................................................37

2.2 Методы исследований......................................................................................41

2.2.1 Методы химического анализа почвы, агрегатной устойчивости и

радиометрических измерений.........*.................................................................42

2.2.2Микробиологический анализ почвы посевом на питательные ||

2.2.3 Определение биологической активности почвы методом газовой хроматографии.......................................................................................................44

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ................................................................46

ГЛАВА 3 Результаты химических, агрегатных и микробиологических исследований.........................................................................................................46

3.1. Химические свойства почв на поверхности и внутри агрегатов...........................................................................................................46

3.2. Характеристика агрегатной устойчивости исследуемых почв...............46

3.3. Микробиологическая активность на поверхности и внутри агрегатов..................................................................................................................51

3.4. Биоразнообразие микроорганизмов на поверхности и

внутри почвенных агрегатов...................................................................................55

3.4.1. Изучение численности микроорганизмов...................................................56

3.4.2. Структура микробного сообщества.............................................................59

3.4.3. Изучение качественного состава микробного сообщества...............................................................................................................61

3.5. Экологическая оценка степени устойчивости микробного сообщества внутри и на поверхности почвенных агрегатов................................................................................................................73

ГЛАВА 4 Методические подходы к дифференцированной оценке корневого поглощения веществ, локализованных на поверхности почвенных агрегатов и во внутрипедном пространстве..................................................................................77

4.1 Методика получения и характеристика почвенных агрегатов с различной

локализацией 908г в объёме агрегата.....................................................79

4.1.1. Получение агрегатов с тотальным равномерным распределением 908г в объёме агрегата...............................................................................79

4.1.2. Получение агрегатов с поверхностным распределением 908Г....................................................................:..........................80

4.1.3. Получение агрегатов с локализацией 908г во внутрипедном пространстве...................................................................................84

4.2 Методика радиометрических измерений............................................85

4.3 Методика вегетационных опытов......................................................88

ГЛАВА 5 Дифференцированная оценка поглощения 908г с поверхности

агрегатов и из внутреннего пространства почв....................................90

Выводы....................................................................................................................103

Список литературы...............................................................................................105

Приложения..................................................................................114

Введение

Актуальность. Почва - уникальное по гетерогенности природное образование. Эта гетерогенность проявляется на различных уровнях структурной организации почв - от элементного и вещественного до почвенно-профильного и территориального, она распространяется как на биотическую, так и косную часть почвы.

Подавляющая часть почвенных исследований традиционно связана с гетерогенностью почв на профильном уровне.

Существенно менее изучены вопросы дифференциации почв на других уровнях структурной организации, в частности, на агрегатном. В данной области основное внимание уделялось исследованию агрегатного и микроагрегатного составов почв, а также устойчивости почвенных агрегатов к воздействию факторов, приводящих к их разрушению. Исследования в данном направлении имеют исключительно важное значение для понимания и практического использования механизмов, определяющих формирование благоприятных для растений физических условий корнеобитаемого слоя почвы и её устойчивости.

Однако гетерогенность почв на агрегатном уровне проявляется еще и в различиях состава, свойств и процессов на поверхности и внутри почвенных агрегатов. На это обстоятельство обратил внимание еще В.Р. Вильяме (1939), указывая на неизбежные различия окислительно-восстановительных условий в различных частях агрегата, что, в свою очередь, приводит к различиям в составе и численности микрофлоры, условий разложения органического вещества, формирования режимов и запасов элементов питания для растений, и другим свойствам и процессам. В последующем изучении отдельных сторон этой проблемы получило определенное развитие [H.A. Качинский (1958), H.A. Красильников (1958), Е.В. Шеин (2005), Horn R. (1987), Kayser А.Т. at al. (1994)].

Особая роль почвенных агрегатов проявляется в условиях аэральных загрязнений почв, поскольку первичное взаимодействие и закрепление токсичных веществ происходит на поверхности агрегатов, что существенно влияет на их поведение в экосистемах и загрязнение биопродукции (А.Д. Фокин и др., 2003).

Однако нельзя не признать, что исследования в данном направлении нашли отрывочный, несистемный характер.

Итак, актуальность работы обусловлена недостаточной изученностью роли поверхности почвенных агрегатов и внутрипедной массы почвы в формировании важнейших биологических свойств почвы, определяющих её биопродуктивность, условия трансформации органических остатков, поступление элементов минерального питания и загрязняющих веществ в растения.

Цель исследования - сопоставить численность, состав и активность микроорганизмов на поверхности и внутри почвенных агрегатов дерново-подзолистой и темно-серой лесной почв, а также оценить интенсивность поглощения корнями растений элементов, локализованных на поверхности и внутри почвенных агрегатов, на примере 908г.

Задачи:

1. Определить микробиологическую активность на поверхности и внутри почвенных агрегатов.

2. Изучить биоразнообразие поверхностной и внутрипедной массы

почв.

3. Дать экологическую оценку степени устойчивости микробного сообщества на поверхности и внутри почвенных агрегатов.

4. Апробировать различные методы получения агрегатов с различным типом локализации меченых веществ (на поверхности агрегата, внутри агрегата и с равномерным распределением метки по всему объёму агрегата).

5. Провести вегетационные опыты с мечеными агрегатами для количественной оценки поглощения 908г, локализованного в различных частях агрегата.

Научная новизна. Впервые показана микробиологическая дифференциация дерново-подзолистой и темно-серой лесной почв Владимирской области на агрегатном уровне. Впервые для оценки микробиологической активности поверхностной и внутрипедной массы почвы использованной показатели субстрат-индуцированного и базального дыхания.

Впервые отработана методика получения агрегатов с поверхностной и внутрипедной дифференциацией веществ путём нанесения почвенной суспензии на поверхность агрегата.

Впервые показано, что в условиях вегетационного опыта интенсивность корневого поглощения 908г, локализованного на поверхности агрегата, в 2 - 3 раза превосходит поглощение радионуклида из внутрипедной массы.

Практическая значимость. Результаты работы дополняют современные представления о распределении микроорганизмов в почвенном агрегате. Полученные данные могут послужить основой для создания базы данных и разработки критериев экологической оценки микробиологических показателей состояния почв, которые будут полезны для целей диагностики при проведении мониторинга почвенных экосистем.

Показана неэффективность фиторемедиации почв, загрязнённых 908г, для очистки их от радионуклида. Разработана универсальная диаграмма, позволяющая оценить, при каких значениях коэффициентов накопления любых веществ и урожая надземной фитомассы фиторемедиация может быть эффективной.

Высокий уровень агрегированности почвенной массы и устойчивость агрегатов в условиях аэральных загрязнений благоприятствуют поступлению загрязняющих веществ в растения. Полное переагрегирование почвенной массы в 2 - 3 раза снижает поступление 908г в растительную биопродукцию.

ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Структура почвы 1.1.1 Понятие о структуре и агрегатном составе почв

Структура - один из главных морфологических признаков почвы, характеризующий форму и размер почвенных отдельностей (агрегатов) и оказывающий большое влияние на агрономические свойства и плодородие почв (Кауричев, 1975).

В России и в ряде европейских стран принято следующее определение структуры почвы: «Это форма и размер структурных отдельностей (макроагрегатов), на которые распадается почва». («Толковый словарь по почвоведению», 1975 г.). В словаре Американского общества почвоведов дается следующая характеристика структуры почвы: «Структура почвы характеризуется формой и степенью оформленности структурных отдельностей, или педов». Для морфологического описания почв С.А. Захаров разработал классификацию почвенных структур, в которую входят три типа (с подразделением на роды): кубовидная (глыбистая, комковатая, ореховатая, зернистая), призмовидная (столбчатовидная, столбчатая, призматическая), плитовидная (плитчатая, чешуйчатая). Роды делят на виды по размеру агрегатов.

Для агрономической оценки структуры Н.И. Саввинов предложил классификацию, согласно которой к агрономически ценным относят агрегаты размером от 0,25 до 10 мм, более крупные почвенные отдельности считают глыбистой частью почвы, а более мелкие - распыленной. Эти три рода подразделяют на виды (табл. 1).

Таблица 1

Агрономическая классификация почвенной структуры

(по Саввинову, 1951)

диаметр, мм

Род Виды Размер агрегатов

Глыбистая Крупные глыбы > 100

Средние 50...100

Мелкие 10...50

Комковатая Крупные комочки 3,0...10,0

Средние 1,0...3,0

Мелкие 0,5...1,0

Зернистые 0,25...0,5

Распыленная Микроструктурные 0,01...0,25

элементы

Пылевато-глинистые <0,01

частицы

По степени оформленности структурные отдельности (педы) разделяют на: бесструктурные, слабо- и плохооформленные, средне- и хорошооформленные и прочие структурные отдельности. Чем более прочные и крупные педы встречаются в почве, тем в большей мере этой почве свойственны трещины, крупные макропоры. Такая взаимосвязь размеров и формы педов с наличием в почве крупных проводящих путей также может быть использована при характеристике почв и введена в соответствующие уравнения почвенных процессов в виде числовых ранговых показателей. Это очень важно для количественного описания процессов, в которых структура играет весьма значительную роль - при движении воды в почве, при механических деформациях почв и во многих других процессах. Когда необходимо внести фактор структуры в количественное описание изучаемого процесса, то поступают именно так: вводят морфологическую характеристику в виде числового индекса (рангового показателя) в модели переноса влаги, деформации почв.

Структура - один из основных определяющих урожай факторов. Она оказывает влияние на растения не непосредственно, а через формирование водного, воздушного, питательного, теплового режимов. Хорошая структура обеспечивает благоприятный физический режим, который способствует повышению плодородия почвы. Это подтверждают результаты исследований известного украинского агрофизика В.В. Медведева (1988), в которых наиболее подробно представлено влияние структуры почвы на урожай растений. Результаты опыта показали, что в зависимости от агрегатного состава урожай может различаться в 9 раз. Это значит, изменяя агрегатный состав, можно значительно повысить продуктивность почвы.

Агрономическое значение структуры имеет несколько аспектов.

1. В структурных почвах складывается наиболее благоприятный водно-воздушный режим вследствие рационального сочетания капиллярной и некапиллярной пористости. Они отличаются большей водопроницаемостью и влагоемкостью. Наличие некапиллярных пор способствует уменьшению испарения влаги с поверхности. В структурной почве уменьшается интенсивность капиллярного поднятия растворов солей и, соответственно, опасность вторичного засоления по сравнению с бесструктурной почвой.

2. Достаточная аэрация при наличии доступной влаги способствует созданию лучших условий для активизации микробиологических процессов, предотвращения денитрификации, мобилизации питательных веществ.

3. Благодаря сокращению поверхностного стока на структурных почвах уменьшаются смыв и размыв, а структурные агрегаты размером более 1 мм устойчиво противостоят дефляции.

4. Агрономически ценная структура облегчает прорастание семян и распространение корней растений.

5. На структурных почвах уменьшаются энергетические затраты на механическую обработку, создаются возможности ее минимизации вплоть до отказа от основной обработки.

Процессы структурообразования в почвах протекают под влиянием физико-механических, физико-химических, химических и биологических факторов (Кирюшин, 2010).

1.1.2 Эволюция теории структурообразования

Первоначально основной теорией была коагуляционная теория структурообразования, сформулированная К.К. Гедройцем (1926). В ней предполагается, что минеральные глинистые частицы и органические почвенные коллоиды при взаимной коагуляции слипаются, формируя первичные микроагрегаты. Причем устойчивость этих микроагрегатов будет зависеть от катиона, который находится в почвенном поглощающем комплексе. Ионы кальция, железа, магния, алюминия обеспечивают наиболее быструю и устойчивую коагуляционную связь. Впоследствии эта теория не раз критиковалась. Выдвигались следующие справедливые аргументы:

1) коагуляция весьма затруднена в почвенной массе, где подвижность коллоидов по сравнению с суспензией сильно ограничена;

2) агрегаты крупнее 0,05 мм в процессе коагуляции образоваться не могут;

3) катион кальция далеко не всегда способствует улучшению или поддержанию устойчивой структуры, чему также имелись многочисленные подтверждения.

Следовательно, теория коагуляции не может объяснить формирования „макроагрегатов. Однако, она сыграла важную роль в развитии представлений о структуре почвы.

Коагуляционная теория нашла свое продолжение в идеях И.Н. Антипова-Каратаева с сотрудниками (1948), которые предложили следующую схему структурообразования. Первая стадия - простое «прилипание» минеральных коллоидов друг к другу. Затем (вторая стадия) - склеивание первичных образований минеральными аморфными «клеями» (гидраты полуторных окислов, кремнезем и проч.). Большое значение имеет состав минеральных

компонентов и заряд их поверхности. На третьей стадии происходит дополнительное склеивание частиц органическим веществом, причем наиболее прочная связь наблюдается при сорбции органических молекул на внутренних поверхностях смектитовых минералов. Эта теория позволила разработать определенные схемы анализа по�