Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Состояние и биогенная трансформация соединений железа в лугово-черноземной почве рисовых полей

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Автореферат диссертации по теме "Состояние и биогенная трансформация соединений железа в лугово-черноземной почве рисовых полей"

МОСКОВСКАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ имени К. А. ТИМИРЯЗЕВА

На правах рукописи

ВАНЬКОВА Анна Андреевна

УДК 633,18 : 631.461.72 : 631.445.4

СОСТОЯНИЕ И БИОГЕННАЯ ТРАНСФОРМАЦИЯ СОЕДИНЕНИЙ ЖЕЛЕЗА В ЛУГОВО-ЧЕРНОЗЕМНОЙ ПОЧВЕ РИСОВЫХ ПОЛЕЙ

Специальность: 03.00.07 — Микробиология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МОСКВА 1991

. Работа выполнена на кафедре микробиологии Московской ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени сельскохозяйственной академии имени К. А. Тимирязева.

Научный руководитель — кандидат биологических наук, доцент О. Д. Сидоренко.

Официальные оппоненты: "доктор биологических наук В. С. Гузев; кандидат биологических наук Н. П. Покровский.

Ведущее учреждение—Всесоюзный научно-исследовательский институт сельскохозяйственной биотехнологии ВАСХНИЛ. ,

Защита состоится «Д » . . . . . 1991 г.

в ъ/Цт час. на заседании специализированного совета К-120.35.06 в Московской сельскохозяйственной академии имени К. А. Тимирязева.

Адрес: 127550, Москва, ул. Тимирязевская, 49. Сектор защиты диссертаций ТСХА.

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА.

Автореферат разослан «Л » . . 1991 г.

Ученый секретарь специализированного совета — кандидат биологических наук

Л. В. Мосина

ОЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИМ РАБОТЫ

Актуальность теш. Рис - древнейшая продовольственная культура является незаменимым пищевым продуктом для двух третей населения Земного иара, потребность в котором в настоящее время полностью не удовлетворяется,, Высокие урожаи риса можно получить только на окультуренных почвах, уровень плодородия которых определяется юс физико-химическими свойствами и биологической активностью.

В условия?: периодического затопления и высушивания в почва:» рисовых полей формируется контрастный окислительно-восстановительный (OB) реним (Кауричев и др., 1982; Костенков,1987). Направленность ОВ-процессов в значительной степени влияет на почвообразование, форму и подвижность питательных элементов в почве, их доступность для растений» Основная неорганическая ОВ-система в рисовниках - система F^* (Ponnanperuna,

1981), поэтому оценка состояния соединений железа в почве под рисом и прикорневой зоне растений имеет первостепенное значение.

Важная роль в трансформации железа в затопленных почвах принадлежит микроорганизмам. Условия избыточного увлажнения благоприятствуют интенсивному развитию сблигатко- и факультативно-анаэробных бактерий, использующих элементы с переменной валентностью, в частности железо, в качестве акцепторов электронов при разложении органического вещества (Дуда и др.,1976; Аристовская, 1980; Илялетдинов, 1984; Сидоренко и др., 1990). В настоящее время установлено, что наиболее представительными среди железоредуцирующих микроорганизмов в почвах рисовых полей ЯВЛЯЮТСЯ бактерии рода Bacillus, Clostridium П Desulfoto-

таси1ш1 (Мишустин и др., 1974; оъъои, 1968). Дана количественная оценка процесса восстановления железа, определены масштабы и механизм мобилизации этого элемента микроорганизмами (Плеханова, 1986; Зайцева и др., 1989).

Однако, состав и численность бактерий, принимающих участие в процессе окисления железа в рисовых почвах, изучены крайне недостаточно. Отсутствуют сведения относительно количественных аспектов биологического окисления железа-и его механизма, не ясна роль железоокисляющих бактерий в почвах рисовых полей, характер их влияния на растения. •

Изучение процессов биологической трансформации железа в рисовых почвах необходимо для разработки биотехнологических приемов регулирования состояния соединений этого элемента в системе "почва-растение", которые позволили бы целенаправленно и эффективно влиять на плодородие почвы и урожай.

Цель и задачи исследований. Цель работы - изучение распространения и свойств железоокисляющих микроорганизмов и выяснение их роли в лугово-черноземной почве рисовых полей.

Для достижения намеченной цели были поставлены следующие задачи:

- оценить состояние соединений железа в системе "почва-растение" ;

- изучить распространение железоокисляющих бактерий в почве под рисом;

- выделить из почвы чистые культуры железоокисляющих микроорганизмов и изучить их морфологические и физиологические свойства;

- дать количественную оценку биологического окисления железа, выяснить механизм этого процесса;

- определить влияние железоокислягадах бактерий на подвижность железа в почве и рост растений риса;

- установить взаимосвязь ОВ-состояния, подви:кности железа в почве с активностью железоокисляющих бактерий.

Научная новизна работы. Впервые оценено состояние соединений железа в "живой" системе: "лугово-черноземная почЕа-рис" во взаимосвязи с ее ОВ-состоянием и активностью железоокисляющих бактерий. Из почвы под рисом выделено II штаммов микроорганизмов, окисляющих железо, ранее не известных, 8 из которых идентифицированы как микоплазмоподобные организмы; изучены их морфологические и физиологические свойства. Для выделения и культивирования желе-зоокисляющих бактерий впервые использована питательная среда, приготовленная на основе отвара сена. Выявлена комплексообразую-щая способность изучаемых бактерий по отношению к железу, определено их влияние на подвижность поливалентных катионов и фосфатов в почвах, а также на рост растений риса.

Практическое значение работы. Полученные данные о состоянии соединений железа в изучаемой почве, о взаимосвязи ОВ-услозий, подвижности соединений железа с активностью окисляющих и восстанавливающих железо микроорганизмов могут служить теоретической основой для разработки приемов регулирования плодородия почв рисовых полей. Рекомендована питательная среда для выделения, культивирования и максимального учета в почве микоплазмоподобных желе зоокисляюцих микроорганизмов. Результаты исследования чистых культур железоокисляющих бактерий могут быть использованы в курсе почвенной микробиологии.

Апробация работы и публикации. Основные положения диссертационной работы были доложены на конференциях молодых ученых ТСХЛ по секции биотехнологии (Москва, 1987,1988 гг.), на ВсессшкоП

конференции молодых ученых и специалистов (Краснодар, 1989) и на совещании "Микоплазмоз люцерны" (Саратов, 1990).

По материалам диссертации опубликовано 8 работ.

Объем и структура работы. Содержание диссертации изложено на fSb страницах машинописного текста. Работа состоит из введения, обзора литературы, 6 глав экспериментальной части, основных выводов, списка использованной литературы, включающего ¿^наименований, в том числе 1И- зарубежных. В тексте помещено таблиц и 13 рисунков.

Автор выражает искреннюю признательность и глубокую благодарность доктору с.-х.наук, проф.В.И.Савичу; доктору биол.наук, ст.науч.сотр.Г.А.Дубининой; канд.биол.наук, ст.ripen.П.И.Иванову за ценные консультации и помощь в работе; завлабораторией электронной микроскопии ВНИИСХБ, доктору биол.наук В.А.Кадыкову И зав.отделами ВНИИ риса канд.с.-х.наук В.Ф.Шащенко и канд.биол. наук А.Г.Ладатко за предоставленную возможность выполнить отдельные разделы диссертации.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДУ ИССЛЕДОВАНИЙ

Объект исследования - лугово-черноземная почва стационара ВНИИ риса Краснодарского края,, используемая под бессменные посевы риса с затоплением; ввделенные из этой почвы железоокисляющие бактерии.

Оценку изменений физико-химических свойств почвы при длительном выращивании риса в условиях затопления проводили в сравнении с целинным участком. рН и окислительно-восстановительный потенциал (Еа) измеряли по слоях почвенного профиля в сезонной динамике потенциоыетрически (электроды сравнения - хлорсеребря-ные, измерительные - стеклянные и платиновые). Повторность 54 -

кратная. Содержание в почве положительно и отрицательно заряженных водорастворимых соединений Ре и Са определяли методом химической автографии на основе электролиза. Подвижные соединения катионов по слоям пахотного горизонта и в прикорневой зоне растений - методом химической автографии на основе ионитовьсс мембран (Савич и др.„ 1984). Определение в фильтрате Ре, Кп, Са, Ие проводили на атомно-абсорбционном спектрофотометре фирмы Регкхп-Е1тег 503 (Швеция). Повторность 10-кратная, Фракционный состав соединений ионов Са, Ре, Кп изучали методом конкурирующего комп-лексообразования (Савич и др., 1980).

* Морфологию железоокисляющих бактерий изучали на живых и фиксированных клетках с помощью микроскопа МШ-Х с фазово-конт-растной насадкой. Капсулы окрашивали методом Бурри. жгутики -путем серебрения по Морозову. Ультраструктуру бактерий изучали методом просвечивающей электронной микроскопии (Уикли, 1975). Культуральные свойства и ферментативную активность микроорганиз- . мов изучали общепринятыми методами {Методы общей бактериологии. 1984)„ Отношение бактерий к кислороду устанавливали по характеру роста в полужидкой среде Тияера. Использование углеводов бактериями определяли спектрофотсметрически на К5К-2, Активность окисления железа изучаемыми штаммами определяли по остаточному количеству в среде через 20 дней после их внесения. Измерения проводили колориметрически с Ь - ь -дигагридилом.

Комплексообразующую способность определяли по изменению эффективной растворимости гидроокиси железа в присутствии бактерий лри концентрации Ю3 и 10° клеток/мл. Водорастворимое железо определяли на атомно-абсорбционном спектрофотометре. ИК-спектры биомассы чистых культур железоокисляющих бактерий снимали с использованием КЗг -техники.

Анаэробные бактерии учитывали в жидких средах методом предельных разведений: железоредуцирующие - на среде Бромфильда (1954), маслянокислые,- на среде Виноградского (1952). Дня учета железоокисляющих бактерий впервые использовали агаризованнуго питательную среду на основе отвара сена. Повторность 3-5-кратная.

В качестве субстрата для стерильного модельного опыта с растениями риса использовали песок, пропитанный минеральной средой с УеСЛ^ (Ельцов, 1972). Проклюнувшиеся семена высаживали в сосуды, вносили суспензию чистой культуры С1ое4;г1<ишп раз1еиг1а-тш (10 кЛеток/г субстрата) и создавали условия избыточного увлажнения. Через 7 дней по фону -0,6 мг/100 г абс.сухого субстрата в сосуды вносили по вариантам: чистые культуры (Ю^ клеток/г субстрата) железоокисляющих бактерий (Йаммы З'и !<?), С1.раа1еиг1апиш и естественную ассоциацию почйенных микроорганизмов. Повторность 3-кратная. Природное сообцествсь-б.актерий вцделяли из почвы фильтрацией (фильтры с 0 пор 2,5 и ;0,25 мкм). Через 10 и 20 дней в субстрате определяли рН, еь потенциометри-чески, содержание общего железа -в кислотной вытяжке на атомно-абсорбционном спектрофотометре, - колориметрически с 1-1 -дипиридилом.

При изучении влияния бактерий, окисляющих и восстанавливающих железо, н&'подвшйость поливалентных катионов и фосфатов в образцы почв локально вносили по вариантам: 1- I г КН^РО^} 2 -I г КН^, 'I мл суспензии Cl.paвtвuгian^ш (10 клеток/мл); 3 - I г КН^РО^, I мл суспензии железоокисляющего штамма 7 (10^ клеток/ыл). Через 10 дней в зоне внесения реагентов последовательно в водной и кислотной вытяжках определяли Са, Ге, Мп на атомно-абсорбционном спектрофотометре, Р;^ - колориметрически по Троугу. Повторность 8-кратная.

- б -

Изучение концентрационных и электрохимических полей в почве проводили в условиях модельного опыта. В центр почвенных образцов (60^ ПВ) весом 100 г вносил!! по вариантам: I - I г СаСО^; 2 - I г Пп02; 3-7-1 мл суспензии бактерий (10° клеток/мл; штаммы железоокисляющих бактерий 3,5,7,9, cl.pasteuriEmum). Через 15 дней определяли рН, Eh, содержание водо- и кислотораство-римых Са, Fe, Кп в центре образца, а также на расстоянии 2 и 4 см от него по четырем направлениям.

Математическую обработку результатов провод»®! методом дисперсионного анализа при 95% уровне значимости (Доспехов, 1985).

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Изменение физико-химических свойств дугово-черноземной почвы при длительном вырадцивании риса в условиях затопления. Возделывание риса при затоплении приводит я существенным изменениям свойств почвы. Снижение почвенного плодородия и падение урожайности риса наблюдается при бессменной культуре уже на 4-5 год его возделывания на вновь освоенных площадях (Кауричев и др., 1981; Андреева, 1983; Байменова, 1983), Одним из путей повышения урожайности риса в условиях затопления является регулирование окислительно-восстановительного (03) состояния почвы, поскольку оно в значительной степени определяет направленность почвообразовательного процесса и условия питания растений (Савич, 1984; Орлов, 1985; Алешин, 1986), Проведенные нами полевые и лабораторные исследования направлены на получение наиболее полной комплексной оценки ОВ-состояния лугово-черноземной почвы под рисом в естественной обстановке и "живой" системы "почва-растение".

Результаты изучения динамики ОЗП в почве показывают, что эта величина подвержена значительный изменениям в течение веге-

тации риса. Минимальные значения ОВП наблюдаются в период затопления в фазы трубкования и выметывания-цветения. Отдельные слои пахотного горизонта и вода, которой залита почва, отличаются по ОВ-состоянию. Наиболее высокие величины ОВП характерны для воды и слоя почвы 20-30 см, самые низкие на глубине 0-10 или 10-20 см, где расположена основная масса корней растений и интенсивнее протекает микробиологическая деятельность. Полученные данные указывают на возможность передвижения ионов в почве под рисом за счет разности ОВП между ее слоями.

Использование лугово-черноземной почвы под культуру риса приводит к изменению подвижности соединений железа (табл.1).

Таблица I

Фракционный состав соединений Ре, Мп, Са в лугово-черноземной почве

Вариант

Ион

Вытеснено в % .от £ подвижных фракций-__

1н КаС1

1н ИаСХ + 0,1н ЭДГА

1н МаС1+ 0,1н

эда +■ 1%

х мг/100 г

Целина (0-20 см)

Са2+ 76,5 23,5 0 614

Уеп+ 0,3 34,0 65,7 400

Мпп+ 1.1 95,4 3,5 102

Рис +ЫРК. Са' ч-сидераты (0-20 см)

Са2+ 86,4 0 13,6 375

Уеп+ 0,3 93,6 6,1 611

Мпп+ 2,3 89,3 8,4. 52

Как видно из таблицы I, ионы Ее и Мп связаны в почвах значительно более прочно, чем ионы Са. В почве под рисом по сравнению с целиной наблюдается более высокое содержание подвижных соединений Се и низкое - подвижных форм Са и Ип. В ней больше доля соединений железа, вытесняемых из твердой фазы при наличии

в десорбенте окислителя, и меньше соединений Ре, вытесняемых в присутствии восстановителя. Очевидно, соединения железа в почве под рисом в естественных условиях восстановлены и частично элюи-рованы. Особенности фракционного состава соединений Ре, Мп, Са указывают на обогащение верхних слоев почвы Ре и выщелачивание Са. Ту же тенденцию подтверждают данные, полученные методом химической автографии на основе электролиза (табл.2). Так, исполь-

Таблица 2

Содержание подвижных соединений Ре и Са в лугово-черно-земной почве по данным химической автографии на основе электролиза, мкг/ ^ ( J = 10 мА, п = 10)

Соединения Са Соединения Ре

Вариант Р%2О положительно заряженные отрицательно заряженные положительно заряженные отрицательно заряженные Са:Ре

Целина 7.41 (0-20 см) +0,05 18,50 +1*00 16,20 +1,10 0.49 +0,02 0.69 +6,10 29,4

Рис+ ЙРК -¡•сидераты <0-00 см) 5.63 +6,09 4.00 +6,17 3.84 +6,21 0.76 +6,66 0.85 +0,08 4,9

зование почвы под рис приводит к снижению рН, вымыванию Са, накоплению Ре и сужению соотношения Са:Ре.

Методом химической автографии на основе иокитових мембран установлена неоднородность химического состава почвенного профиля. Показано, что в слое 0-5 см пахотного горизонта соотношение Ре:Са шире, чем в слов 30-40 см, что обусловлено, очевидно, вымыванием Са в нижележащие слои. Анализ подвижных форм соединений катионов в живой системе "почва-растение" показал, что в корневой (1,5 см от корня) и прикорневой (1,5-3 см от кор::я) зонах растений риса содержание подвижного железа больше, а Са - значительно меньше, чем в "падксрнсвсй" Зоне. Корневая оспа боп'.гш

растений обогащена Се и обеднена Са по сравнению с корневой зоной здоровых растений.

Распространение яелезоокисляющих микроорганизмов в лугово-черноземной почве под рисом. Контрастный ОВ-режим в почвах рисовых полей, обусловленный чередованием периодов затопления и просушивания, определяет жизнедеятельность почвенных микроорганизмов. Благодаря длительному пребыванию под слоем воды в рисов-никах создаются условия для развития облцгатно- и факультативно-анаэробных бактерий (Дуда и др., 1976; Плеханова, 1986; Сидоренкс И др., 1990). В то же время, неоднократно отмечалось преобладание в затопленных почвах аэробных и факультативно-аэробных микроорганизмов (Чулаков, 1957; Востров, 1970; такеа, 1956). Численность бактерий, окисляющих железо в почвах под рисом, не превышает нескольких десятков тысяч в I г почвы. Однако, успех количественного определения той или иной группы микроорганизмов зависит от совершенства используемой питательной среды.

Для учета железоокисляющих микроорганизмов в почве нами впервые была использована агаризованная питательная среда на основе отвара злакового сена с щавелевокислым железом (П) (70 ыг/л) и витамином В^ (5 мкг/л), рекомендованная Г.А.Дубининой. Проведено изучение 5 известных питательных сред для железоокисляющих микроорганизмов, содержащих минеральную и органическую форму железа, в сравнении с предлагаемой средой на основе отвара сена. Полученные результаты показывают, что из почвы под рисом жедезоокисляющие бактерии выделяются только на средах с органическими соединениями железа. Предлагаемая нами среда позволяет максимально учитывать бактерии данной группы. Используя для изучения численности железоокисляющих микроорганизмов рекомендуемую среду, в почве под рисом было выявлено их большее со- 10 -

Динамика численности железоокисляющих микроорганизмов в лугово-черноземной почве, млн/г абс.сухой почвы

Вариант Глубина взятия образца, см Сроки отбора образцов почвы

до посева всходы кущение цветение после уборки

Целина 0-10 2,5 3,7 2,9 4,9 3,6

10-20 1,8 2,1 2,5 3,0 3,2

Рис+ ирк 0-10 8,5 10,0 12,4 19,8 13,2

+сидераты 10-20 12,1 16,4 22,1 25,7 15,8

держание по сравнению с целиной (табл.3). Колебания численности на целинном участке в течение летнего сезона незначительны, что можно объяснить относительно стабильными физико-химическими условиями. Наблюдается некоторое увеличение количества бактерий в верхнем (0-10 см) слое целинной почвы. В почве под рисом численность железоокисляющих бактерий достигает максимальных значений в фазы кущения а цветения, несмотря на анаэробные условия, преобладающие в этот период в связи с длительным затоплением. В слое 10-20 см, где расположена основная масса корней риса, складывается наиболее благоприятная обстановка для развития изучаемых микроорганизмов, что, вероятно, связано с высоким содержанием в почва восстановленных соединений железа, а также постоянным подтоком кислорода и эксудатов, выделяемых корнями растений. Выявленные особенности динамики численности железоокисляющих бактерий в течение вегетации риса и характер их распространения в почве указывают на возможность существования взаимосвязи кезду жизнедеятельностью изучаемых микроорганизмов и развитием растений.

Морфологические и физиологические особенности железоокис-лякщих бактерий, выделенных из лугоро-черноземной почвы под рисом. Результаты определения численности железоокисляющих бактерий в почве под рисом показывают, что в количественном отношении эта группа микроорганизмов вполне, сопоставима с группами бактерий, традиционно изучаемыми в затопленных почвах: железоредуци-рующими, сульфатредуцирующими, маслянокислыми, ацетонобутиловы-ми (Лимарь, 1982; Гуро, 1987). Это дает основание предполагать, что железоокисляющие микроорганизмы играют существенную роль в почвах рисовых полей. Однако, имеющиеся к'настоящему времени сведения о морфологических и физиологических свойствах этих бактерий немногочисленны (Щапова, 1976; Тен Хан Мун, 1977; Сидоренко и др., 1979; Hirsch, 1974).

Железоокисляющие микроорганизмы вцделйли из лугово-черно-земной почвы рисовых полей на рекомендованной нами агаризован-ной среде. Колонии бактерий определяли по ярко-синему окрашиванию в результате качественной реакции на Ее^+ с Кц/$е(си)^/. Выделено II штаммов келезоокисляющих бактерий. Изучены их морфологические, физиологические и культуральные свойства .(табл.4). Вцделенные чистые культуры идентифицированы согласно определителю Берги (Bergey's, 1989). Штаммы 1-5 и 7-9 отнесены к роду siderococcus. Систематическое положение штаммов 6, 10 и II окончательно не установлено. При изучении ультраструктуры клеток штаммов 1-5 и 7-9 установлено отсутствие у них клеточной стенки, полиморфизм. На поверхности агаризованнызс сред указанные штамш бактерий образуют точечные колонии, напоминающие "яичницу-глазунью". Морфологические особенности штаммов 1-5 и 7-9, отнесенных к роду Siderococcus, свидетельствуют об их значительном сходстве с микоплазмами. В настоящее время таксо-

Таблица 4

Морфо-физиологические признаки вдавленных штаммов железоокисляших бактерий.

Признаки № штамма

I 2 3 4 5 6 \ 7 | 8 9 10 II

Размеры клеток, 0,8х 0,8х 0,8х 0,5Х 0,5х 0,3х 0,бх 0,5х 0,5х 1,5Х 1|8 2,5 2,5 и 2,0 2,0 0^5 2^0 и г,0 1,в 2,5

мкм

Подвижность

Окраска по Граму

Разжижение желатины

Рост на ШБ

более

более

Вариабельные Вариабельные Вариабел ьные

Сл) I

Помутнение. Осадок Поверх ностн. пленка

Помутнение, осадок

Изменение окраски лакмусового

молока + + + + + + + - + --

Коагуляция

молока - - - - - - - -

Образование н2б - - - - - - - - .-

Образование

каталазы + + + + + - + + + +

Гидролиз

крахмала - --------- + -

Отношение к Аэроб, Аэроб, Аэроб, Аэроб, Аэроб, Аэроб Аэроб, Аэроб, Аэроб, Микро- Аэроб,

кислороду микроаэрофил микро- микроаэрофил аэро» ьшкро-

аэро- фил аэрофил фил

комическое положение рода ¡зхйегососсиз пересматривается (Дубинина, 1977; Балашова и др., 1989). Микроорганизмы этого рода, а также представителей р. Metaliogeni.ua и р-ваШопеНа предложено отнести к сапротрофным микоплазмам и объединить их в отдельный порядок класса МоШс^ее. Таким образом, выделенные из почвы рисовых полей железоокисляющие бактерии, штаммы 1-5 и 7-9, можно определить как микоплазмоподобные.

Полученные чистые культуры бактерий переводят записные соединения железа в окисные. Анализ содержания в питательной среде через 20 дней культивирования показывает, что окисление железа штаммами идет с различной интенсивностью. Наиболее активна культура 10, которая за указанный промежуток времени окисляет около 10 мг/л.закисной формы железа (табл.5). Установлено, что процесс окисления железа изучаемыми микроорганизмами не сопровождается значительными изменениями кислотности (рН) и окислительно-восстановительного потенциала (ЕЬ) в среде. Некоторое подщелачивание среды наблюдается при культивировании штаммов 2, 7-10 и небольшое увеличение еь под воздействием штамма I. Степень окисленности среды (гН2) несколько возрастает при развитии штаммов I, 2, 7-10.

Выявленные особенности физико-химических условий среды при окислении железа изучаемыми бактериями позволяют предположить, что одним из возможных механизмов этого процесса является комп-лексообразование. Оценка ИК-спектров сухой биомассы чистых культур железоокисляющих бактерий, выращенных на питательной среде с 10 и 100 мг/я лимоннокислого железа (П), показала способность бактерий образовывать металлоорганические комплексы. При большей концентрации железа в среде доля свободных карбоксильных, спиртовых и фенольных функциональных групп в биомассе

Влияние железоокисляющих бактерий на содержание закисного железа, рН и ЕЬ в питательной среде (на 20 сутки культивирования)

№ штамма Содержание п 2+ в среде РН Eh, мВ гН„

мг/л % к контролю по ХСЭ с.

Контроль (без инокуляции) 16,50 7 „97 279 25,2

I 12,83 77,8 7,96 305 26,1

2 19,33 117,2 8,38 287 26,3

3 11,33 68,7 7,78 278 24,8

4 14,0 84,8 8,16 265 25,2

5 10,58 64,1 7,90 267 24,7

6 11,66 70,7 7,85 269 24,7

7 15,83 95,9 8,46 266 25,8

8 10,41 63,1 8,40 267 25,7

9 8,66 52,5 8,53 265 25,9

10 6,58 39,9 8,39 - 263 25,5

II 13,58 82,3 7,84 261 24,4

НСР 3,02 0,41 17,66

00 1,03 0,14 6,03

бактерий сокращается, что свидетельствует об их возможной заб-локированности катионом металла.

Способность штаммов к комплексообразованию подтверждают данные изменения эффективной растворимости труднорастворимой гидроокиси железа Ее(0Н)д под действием микроорганизмов. Штаммы I, 2, 4 и 5 обладают комгшексообразующей способностью по отношению к железу. При внесении в среду штаммов 3,6,7,10 и II отмечена лишь тенденция к увеличению содержания растворимого железа. 'Увеличение растворимости гидроокиси железа под действием штаммов

1,2,5,7 и II не связано с изменением рН и ЕЬ в среде. Для штаммов 3, 4, 6 и 10 установлена прямая зависимость между значениями рН, еь и растворимостью Ре(ОН)д. Влияние указанных штаммов микроорганизмов на подвижность железа в среде может быть обусловлено как выделением кислых продуктов обмена, так и процессами комплексообразования клеток бактерий и их метаболитов с железом.

Влияние келезоокисляющих и железоредуцирующих микроорганизмов на рост растений риса. В условиях стерильного модельного опыта изучены масштабы биологической трансформации железа, изменение физико-химических показателей среды под действием желе-зоокисляющих и железоредуцирующих микроорганизмов и их влияние на рост растений риса. Проведено сравнительное исследование активности естественной ассоциации бактерий, вццеленной из почвы под рисом, и чистых культур окисляющих (штаммы 3 и 10) и редуцирующих (С1ое1;г1си.иЕ pasteuгxaruшl) железо микроорганизмов.

Результаты химического анализа субстрата показали, что в вариантах с внесение;/, железоокисляющих штаммов 3, 10 и естественной ассоциации микроорганизмов наблюдается тенденция к умень шению доли восстановленного железа (табл.6). Минимальное содержание закисного железа в субстрате отмечено при развитии штамма 10, что, очевидно, обусловлено его высокой окисляющей активностью. В контроле и при внесении С1.раз1еиг1апиа практически все железо в субстрате представлено восстановленной формой, свидетельствующей о развитии процессов редукции в этих вариантах.

Полученные данные показали возрастание окислительно-восстановительного потенциала (ЕЬ) и степени окисленности среды (хН^) при развитии ж.елепоокисляюиг.гс бактерий и природного сооб-

Влияние микроорганизмов на содержание восстановленного железа, рН и ЕЬ в субстрате { ь ~ 20 дней)

Вариант Ре2+,мгД00 г абс.сухого субстрата Ре2+, % от общего Ре вн Ы1,В гН2

Контроль 1,45 89,5 7,6. 0,21 22,2

Железоокисляющие

микроорганизмы:

штамм 3 1,38 59,2 7,7 0,32 26,0

штамм 10 0,22 10,0 7,0 0,48 29,9

Зеле з оредуцирующие

микроорганизмы:

СЗ.ОБ'Ь^сЦш!

pasteuгianш 1,94 87,0 7,6 0,23 22,9

Естественная

ассоциация 0,55 35,3 7,1 0,41

микроорганизмов 27,9

НСР0,05 0,1 0,03

щества микроорганизмов. При этом в вариантах с внесением штамма 10 и естественной ассоциации бактерий наблюдалось подкисление среды (рН). Значения рН, еь и гН2 при внесении Cl.pasteuri8num практически не изменились по сравнению с контрольным вариантом. Изменения физико-химических показателей субстрата, в основном, соответствовали динамике численности микроорганизмов в течение проведения опыта. Количество микроорганизмов в вариантах с внесением С1.pasteuгianuш и штамма 3 железоокисляющих бактерий уменьшилось через 20 дней на I и 2 порядка соответственно. Численность бактерий штамма 10 изменилась незначительно по сравнению с исходным количеством клеток, внесенным при инокуляции, и к концу опыта составила 0,8>10 кл/г абс. сух.субстрата. Соотношение железоредуцирукйих и железоокисляющих бактерий в составе

природной ассоциации микроорганизмов в течение опыта менялось. Так, через 20 дней отмечено преобладание железоокисляющих бактерий. Значительное сокращение численности железоредукторов в составе естественного сообщества микроорганизмов и чистой культуры С1.раБ£еиг1апиш к концу опыта обусловлено, очевидно, отсутствием в субстрате достаточного количества органического вещества, необходимого для развития бактерий.

Инокуляция микроорганизмами повлияла на развитие растений риса. Полученные данные по массе сухого вещества проростков риса показали, что в I декаду опыта растения лучше развивались в варианте с внесением чистой культуры С1.раз1еигаапшп. Железо-окисляющие микроорганизмы не оказали влияния на рост риса. Через 20 дней наибольшая масса проростков отмечена при инокуляции естественной ассоциацией бактерий. Если в контроле биомасса составила 0,10 г, то яри внесении штаммов 3, 10, Cl.pasteuгia-пиш и природного сообщества микроорганизмов - 0,15, 0,12, 0,15 и 0,17 г соответственно при ШР 0,004.

Биотехнологическле приемы регулирования почвенного плодородия. Фосфатный режим почв в значительной степени определяет урожай сельскохозяйственных культур. Однако, внесение фосфорных удобрений в почвы богатые подвижными полуторными окислами не приводит, как правило, к существенному увеличению концентрации водорастворимых доступных растению фосфатов ввиду образования преимущественно труднорастворимых фосфатов трехвалентного железа. Можно предположить, что внесение в почву железоредуцирующих бактерий или активизация их деятельности приведет к восстановлению окисного железа, образованию более растворимых фосфатов двухвалентного железа, к увеличению содержания водорастворимых фосфатов.

В условиях модельного опыта изучено изменение подвижности поливалентных катионов и фосфатов в дерново-подзолистой и луго-во-черкозеыной почвах при внесении в ню: только фосфатов в виде КНЗД и фосфатов с железоокисляющими и железоредуцирующдаи ¡¿йкроорганизмами (табл.7). Полученные результаты показывают, что, внесение в почву одновременно с фосфатами железоредуцирую-иих микроорганизмов приводит в большинстве случаев к увеличению ^подвижности Ре и мп, сужению соотношения форм (Са+Мд):(ге+мп), увеличению содержания водорастворимых фосфатов. Внесение желе-зоокисляющих мигфоорганизмов неоднозначно влияет на подвижность Ре и Мп и снижает содержание водорастворимых фосфатов.

Таблица 7

Изменение подвижности соединений Ре, Кп и в почвах при внесении редуцирующее (КМ.) и окисляющих (ОХ) железо микроорганизмов (в мг/л по сравнению с вариантом внесения

КТО

Вариант Почва Десор-бент Ре Мп Са+Мк Ее+Мп Р2°5

+ЕЕй Дерново-подзо- Н2° +1,0 +0,4 -2,1 +29,9

листая

НС1 -3,7 -5,6 - +13,0

+СК «2° +0,4 +0,1 -2,7 -2,3

НИ -24,2 -12,7 +1,2 ■»3,1

+ЕЕй Лугово-черно- Н20 +3,0 +2,9 -21,0 +11,6

земная

НС1 +24,5 +108,4 -2,7 +25,6

+СК н2о +13,1 -0,4 -22,5 -3,7

НС1 +43,8 -56,0 -1,3 +1,6

Предполагается, что процессы в почве и системе "почва-растение" обусловлены взаимодействием магнитных, электрических, концентрационных и биологических полей, обладающих определен- 19 -

ной конфигурацией и напряженностью (Савич и др., 1989). Изучена возможность передвижения Fe и Ип в почве к зоне их осаждения при искусственном создании центров кристаллизации. Так, внесение СаСОз в дерново-подзолистую и лугово-черноземную почвы привело к увеличению рН в зоне реакции по сравнению с остальной массой почвы и выпадению Ре и Ип в осадок, о чем свидетельствует уменьшение содержания водорастворимых форм этих соединений. Возникающая, таким образом, разность концентрационных потенциалов Ре и Мп между центром внесения СаСО^ и остальной массой почвы вызывает сегрегацию, то есть стягивание соединений к центру кристаллизации. Подобный эффект достигается и при введении в почву окислителя в вцце НпО за счет увеличения Eh в среде. Внесение железоокисляющих и железоредуцирующих микроорганизмов приводит к увеличению содержания водорастворимых форм соединений железа в 3 к б раз соответственно. Значения рН и Eh остаются при этом практически без изменений. Таким образом, показана возможность регулирования существующих в поч^е полей путем создания центров кристаллизации при изменении рН, Eh и микробиологической активности.

ВЫВОДЫ

1. Длительное выращивание риса на лугово-черн'озешой почве з условиях затопления приводит к накоплению в верхнем горизонте и прикорневой соне растений подвижных форм железа и снижению содержания подвижного кальция.

2. Для выделения, культивирования и максимального учета почвенных железоокисляющих микроорганизмов рекомендована агари-зованная питательная среда на основе отвара злакового cena с закисной формой щавелевокислого железа к витамином Bj-g.

3. Численность железоокисляющих бактерий в лугово-черно-земной почве под рисом в 2 и более раз превосходит таковую в целинной почве и составляет 8-26-10 ¡теток в I г абс.сух.почвы. Максимальное количество микроорганизмов этой группы отмечено в слое 10-20 см в фазы кущения и цветения риса» Снижение ОВП в период затопления не подавляет развития железоокисляющих бактерий.

4. Из лугово-черноземной почвы рисовых полей выделено И штаммов бактерий, окисляющих закисное железо, 8 из которых идентифицировано как микоплазмоподобные микроорганизмы и отнесены к роду Бх<1егососсиз.

5. Установлено, что процесс окисления железа чистыми культурами железоокисляощих микроорганизмов не сопроволедается значительными изменениями рН и ОВП в среде их обитания. Сокращение доли свободных карбоксильных, спиртовых и фенольных групп з биомассе бактерий при увеличении концентрации железа в питательной среде, а также возрастание эффективной растворимости гидроокиси железа под действием железоокисляющих микроорганизмов указывают на их способность образовывать комплексы с железом как один из возможных механизмов окисления бактериями этого элемента.

6. Воздействие железоокисляющих и железоредуцирующих бактерий на рост ркса зависит от возраста растений. Нелезоокисдяюпдае микроорганизмы не оказывают влияния на проростки риса в течение первых Ю суток и стимулируют их развитие в последующие 10 дней. Яелезоредуцирующие бактерия благоприятно влияют на рост растений в течение всех 20 дней вегетации, особенно в первые 10 суток»

7. Выявлено, что внесение в почву железоредуцируюиюс микроорганизмов приводит к сужению соотношения подвижных форм (Са+

Kg):(ie+Kn) и увеличению подвижности фосфатов. Внесение в почву железоокислягащих бактерий снижает содержание водорастворимых фосфатов. Эффект в отношении подвижности Ре и Мп нестабилен.

8. Показана возможность изменения подвижности соединений железа в почве за счет создания центров осадкообразования при внесении СаСОд, мпо , железоокисляющих и желеэоредуцирующкх микроорганизмов.

Список опубликованных работ

1. Сидоренко О.Д., Ванькова A.A. Морфологические и кульгу-ральнке признаки выделенных из лугово-черноземной почвы рисовых полей микроорганизмов, окисляющих железо и марганец П Известия ТСХА. - 1968. - № 4. - С.57-60.

2. Савич В.И., Трубицина Е.В., Ванькова A.A. Свойства почв в условиях избыточного увлажнения и адаптации к ним растений // В сб.: Актуальные вопросы агрономического почвоведения. - ТСХА, 1983. - С.10-20.

3. Сидоренко О.Д., Ванькова A.A. Биогенная трансформация железа и изменение физико-химических показателей среды // В сб.: Биотехнология микроорганизмов в сельском хозяйстве. - ТСХА, 1989. - С.100-107.

4. Савич В.И., Ванькова A.A., Гущин В.П., Наумова Е.В. Электрохимические к концентрационные поля в почве и их регулирование II Известия ТСХА, 1989. - № 2. - С.63-71.

5. Ванькова A.A. Влияние железоредуцирующих и железоокисляющих микроорганизмов на подвижность поливалентных катионов и фосфатов в почвах J) Тез.докл.Всес.конф.молодых ученых и специалистов. Краснодар, 1989. - С.12»

6. Савич В.И., Трубицина Е.В., Докучаев B.C., Константи-

нова E.H., Ванькова A.A., Наумова E.B. Оценка состояния системы почва-растение по содержанию и соотношению положительно и отрицательно заряженных соединений элементов // Почвоведение, 1990. - № 9. - С.61-73.

7. Савич В.И., Сидоренко О.Д., Ванькова A.A. Влияние длительного возделывания риса на окислительно-восстановительный режим и состояние соединений Ca, Hg, Je и ми в лугово-чернозем-ной почве // Агрохимия, 1990. - № 2. - С.74-80.

8. Савич В.И., Ванькова A.A., Доберманн А.Д., Наумова Е.В. Определение микробиологической активности почвы физико-химическими методами // Известия ТСХА, 1990. - & 4. - С.51-62.