Stability of microbiological activity of the sod-podsolic soil when applying diatomite and zeolite.pdf Введение Почва как четырехфазная динамическая система функционирует в единстве физических, химических и биологических процессов почвенного про- Устойчивость микробиологической активности 27 филя [1, 2]. При отсутствии систематического наблюдения за изменением микробиологических и биохимических показателей почвенного покрова, например, в условиях агроэкосистем нашей страны, ряд отечественных и зарубежных фундаментальных работ [3-6] указывает на приоритетность мониторинга данных параметров как при оценке устойчивости агроландшафтов, так и при анализе геохимической стабильности почвенного тела в условиях естественных и техногенных преобразований. Основной причиной служит эволюционно сложившееся функционирование почвенной системы через узкую микробиотическую нишу, поскольку оборот поступающей мертвой зоо- и фитомассы напрямую сопряжен с биохимией педобиоты, метаболизм почвенных микроорганизмов участвует во всех элементарных почвеннобиотических процессах, а их масса составляет до 85% от всей находящейся в ней живой биомассы и до 5% органического вещества почвы. С одной стороны, это динамический приток органогенных компонентов в почву, который должен подвергаться оптимальной для каждого почвенного типа минерализации с оттоком и резервацией стабильных гумусовых веществ, с другой - это физико-химическое взаимодействие почвенного раствора с органоминеральной и коллоидной частями каждого почвенного горизонта и последующим элювиально-иллювиальным переносом, сорбцией и отложением продуктов редокс-трансформации. При этом в экологически устойчивом почвенном теле зона гомеостаза микробного сообщества, инициированного определенным воздействием на почву, не должна превышать естественную буферную емкость конкретной гетеротрофной микробиоты. В связи с этим в современной научной литературе [1, 3] под стабильным функционированием почвенного покрова сельскохозяйственных ландшафтов понимается оптимизированная сопряженность физико-химических и микробиологических процессов почвенного профиля, которая во многом индивидуально устанавливает свойства эффективного плодородия пахотного горизонта и оптимально высокую продуктивность агрофитоценозов. Вопрос об устойчивости микробиоты почвенного покрова как таковой, так и к различным воздействиям в научной литературе обсуждается сравнительно давно [7-16]. Кроме того, среди данных исследований показаны результаты [9, 10, 16], которые подчеркивают положительное влияние почвообитающих и иных микроорганизмов на устойчивость сельскохозяйственных культур к неблагополучным явлениям. Однако в настоящее время нет единого методологического подхода к оценке устойчивости почвы как естественноисторического природного образования. Эффективность применения в агроэкосистемах кремнийсодержащих природных материалов в качестве удобрений, мелиорантов и почвенных кондиционеров также рассматривается уже длительное время [17, 18]. Опоки, диатомиты, трепелы, цеолиты и различные глины способны оказывать положительное влияние на физико-химические и агрохимические свойства почв, оптимизируя их структурное состояние и кислотно-основной режим, 28 А.В. Козлов, А.Х. Куликова, О.В. Селицкая, И.П. Уромова а также фосфорное и кремниевое питание культурных растений, что в итоге положительно сказывается на их урожайности и качестве получаемой продукции [19-21]. Кроме того, ряд таких материалов способен проявлять сорбционные свойства в отношении ионов многих тяжелых металлов и алюминия, остаточных количеств пестицидов и полициклических ароматических углеводородов, мышьяка и других экотоксикантов. Данные показатели предусматривают широкие возможности использования кремниевых пород в агроэкосистемах. Однако к настоящему времени в недостаточной степени накоплено сведений, описывающих поведение микробиоты почвы при ее взаимодействии с веществом кремниевых материалов. Кроме того, устойчивость таких значимых аспектов, как углеродный и азотный циклы биохимического превращения вещества в почве, при применении высококремнистых пород не рассматривалась. Ранее [22, 23] изучены микробиотические отклики гетеротрофных прокариот L-отбора (на примере целлюлозосапротрофных бактерий), а также бактерий R- и K-стратегий (олиготрофы и представители бактериального автохтонного микробионаселения) на вещество природных кремнийсодержащих материалов в условиях полевого опыта. Цель данного исследования - оценка состояния базисных микробных участников L-отбора стратегии выживания (аммонифицирующая и амилолитическая консорции) в сопряжении с гидролазной ферментативной активностью дерново-подзолистой почвы под действием высоких доз диатомовой и цеолитовой пород с последующей оценкой стабильности рассматриваемой части микробиоты. Материалы и методики исследования Полевые исследования проведены в период 2015-2017 гг. на опытном участке картофелеводческого предприятия Борского муниципального района Нижегородской области ООО «Элитхоз» (56°31'13.00"N 44°06'57.37"E). Объекты исследования - диатомит из Инзенского месторождения (Ульяновская область) и цеолит из Хотынецкого месторождения (Орловская область). Диатомиты входят в опал-кристобалитовую группу и представляют собой осадочную породу органогенного генеза, которая состоит из остатков панцирей диатомовых водорослей. Отличительными особенностями материала являются его биогенное происхождение, наличие нанопористой структуры и высокое содержание аморфного (неокристаллизованного) кремнезема - до 50%. Диатомиты обладают рядом различных свойств, питательность и каталитическая способности которых являются наиболее значимыми с точки зрения агрономического почвоведения. В валовом составе диатомитов Инзенского месторождения в среднем содержится (%): SiO2 - 83,1, CaO - 0,52, MgO - 0,48, Р2О5 - 0,05, К2О - 1,25. Катионообменный комплекс породы включает (мг/кг) обменные соединения кальция (Са2+) - 10, магния (Mg2+) -39 и фосфора (PO43-) - 37 [23]. Отличительной особенностью рассматрива- Устойчивость микробиологической активности 29 емого диатомита является очень высокое содержание аморфного кремния (SiO2) - 12 200 мг/кг и калия (K+) - 350 мг/кг, что определяет высокую емкость катионного обмена (ЕКО), которая, по данным разных авторов, может достигать 80-100 мг-экв./100 г породы. Такие свойства материала изначально могут определять ее высокую доступность к биоразложению почвенными микроорганизмами. Данные свойства определяют выраженные ионообменные способности материала и его доступность к микробиологической минерализации. Цеолиты - осадочные полигидратированные каркасные алюмосиликаты преимущественно гидротермального экзогенного происхождения, в составе которых доминируют клиноптилолит, опал-кристобалит, гидрослюды, кальцит, каолинит и другие минералы. Цеолит Хотынецкого месторождения сложен более, чем на 37%, клиноптилолитом, а также в своем составе содержит свыше 15% опал-кристобалита, около 11% гидрослюд, 10% тонкозернистого кварца и 8-10% монтмориллонита [24]. В валовом составе цеолитовой породы в среднем содержится (%): SiO2 - 56,6, CaO - 13,3, MgO - 1,90, Р2О5 - 0,23, К2О - 1,82, Na2O - 0,23, SO3 - 0,13, Al2O3 - 10,41, FeO + Fe2O3 - 3,87 и другие элементы. Катионообменный комплекс породы включает (мг-экв./100 г) очень большое содержание обменных соединений кремния (SiO32-) - 900, высокое содержание магния (Mg2+) - 160 и еще больше кальция (Ca2+) - 480, а также достаточно высокое содержание обменных соединений фосфора (до 26) и калия (до 25), что характеризует высокую питательную ценность материала для фитоценозов и почвенной микробиоты. Такие свойства цеолита изначально могут определять его податливость к биохимической деструкции почвообитающими микроорганизмами и, как следствие, влияние на химические свойства почвы. За счет полиминерального состава цеолиты имеют ряд отличительных свойств, в частности, такие как сорбционная активность, нейтральная реакция и высокая катионообменность. В микрополевом опыте породы вносили однократно в пахотный горизонт в летний сезон 2014 г. при закладке опыта и разбивке участка на делянки. Схема опыта включала вариант без использования удобрений (Контроль, Control), а также варианты с внесением в почву высоких доз диатомита и цеолита - из расчета 3 т/га (Диатомит-1 (Diatomite-1) и Цеолит-1 (Zeolite-1)), 6 т/га (Диатомит-2 (Diatomite-2) и Цеолит-2 (Zeolite-2)) и 12 т/га (Диатомит-3 (Diatomite-3) и Цеолит-3 (Zeolite-3)). Опытное поле сложено дерново-подзолистой среднедерновой неглубокоо-подзоленной неоглеенной легкосуглинистой почвой, сформированной на покровном суглинке; по [25] - тип дерново-элювозем типичный AY-EL-BT-D (C) (по WRB - Retisols). На момент закладки опыта почва характеризовалась среднекислой реакцией (рНKCl 4,8 ед. рН), гидролитической кислотностью НГ 2,83 мг-экв./100 г, средним содержанием обменных соединений кальция (5,10 мг-экв./100 г) и магния (1,17 мг-экв./100 г), средней степенью насыщен- 30 А.В. Козлов, А.Х. Куликова, О.В. Селицкая, И.П. Уромова ности почвы основаниями (VS 69%), низким содержанием гумуса (1,21%), средней обеспеченностью подвижными соединениями фосфора (86 мг/кг) и калия (110 мг/кг) - по Кирсанову, а также средним уровнем дефицита в балансе актуальных (16 мг/кг) и потенциальных (213 мг/кг) соединений кремния - по Матыченкову. В годы исследования выращивали зерновые культуры, сорта которых районированы по Волго-Вятскому региону: озимая пшеница сорта Московская 39 (2015 г.), ячмень сорта Велес (2016 г.) и горох посевной сорта Чиш-минский 95 (2017 г.). Агротехника выращивания культур - общепринятая для микрополевых экспериментов, все работы проводили вручную. Учетная площадь делянки - 1 м2, расположение делянок рендомизированное, повторность в опыте - четырехкратная. Образцы почвы отбирали в дни уборки урожая культур: точечные - методом конверта из пяти точек с делянки, соединяя их в один объединенный образец. Отбор проводили из гумусо-аккумулятивного (пахотного) горизонта, поскольку именно в этой части почвенного профиля сосредоточена основная часть сапротрофных микроорганизмов, отвечающих за превращение вещества углеродного и азотного циклов [26]. Далее почвенные образцы доставляли в лабораторию, отбирали посторонние включения и просеивали через сито с диаметром ячеек в 5 мм. Затем проводили подготовку образцов к анализам по методике В.Д. Мухи и Л.И. Васильевой с определением инактивированного и мобилизированно-го количества микроорганизмов [27]. Объединенный образец высушивали естественным путем в тени, затем разделяли на две части, одну из которых оставляли (инактивированный образец), а другую увлажняли до 60% от КВ и помещали в термостат на инкубацию в течение 12 суток при +28°С (моби-лизированный образец). Далее численность микроорганизмов определяли дважды - в инактивированной и мобилизированной почве методом Коха с разведением почвы по Пастеру [28] на мясопептонном (МПА, BEA) и крахмало-аммиачном (КАА, Inorganic Salt Starch Agar) агарах. Состав МПА, г/л среды: гидролизат панкреатический - 12; пептон ферментативный - 12, натрий хлористый - 6, агар-агар - 15. Состав КАА, г/л среды: крахмал - 10, сульфат аммония - 2, гидроортофосфат калия - 1, хлорид натрия - 1, сульфат магния - 1, карбонат кальция - 3, агар-агар - 20. Ферментативную активность определяли из свежих образцов. Активность протеолитических ферментов определяли спектрофотометрически нингидриновым методом по Галстяну и Арутюнян при помощи спектрофотометра ПЭ-5400 ВИ (ООО «Экросхим», Россия), активность инвертазных ферментов - гравиметрическим методом по Купревичу и Щербаковой с реактивом Феллинга [29] при помощи сухожарового шкафа ГП-40 СПУ (ОАО «Смоленское СКТБ СПУ», Россия). Также в свежих почвенных образцах определяли интенсивность выделения СО2 почвой газометрическим методом по Галстяну (CDT), общую биомассу микроор- Устойчивость микробиологической активности 31 ганизмов оценивали по углероду микробной массы, определенному реги-дратационным методом по Благодатскому (CBIOMASS). Аналитическая часть исследования выполнена на базе лабораторного комплекса «Эколого-аналитическая лаборатория мониторинга и защиты окружающей среды» и научно-образовательного центра «Биотехнология» Мининского университета (г. Нижний Новгород, Россия) в период 2014-2017 гг. Устойчивость почвенной микробиоты оценивали по методике В.Д. Мухи и Л.И. Васильевой [27], рассчитывая коэффициент минерализации (CM) как показатель, характеризующий интенсивность микробного разложения органического вещества в почве, степень N-микробиологической устойчивости (DMSN) активности аммонифицирующих (DMSBEA) и амилолитических (DMSSAA) групп микробиоты, а также коэффициент интенсивности микробной трансформации N-содержащих органических веществ (IMTN) -как показатели, описывающие стабильность сапротрофного микробного пула почвы. Кроме того, рассчитывался коэффициент микробиологической окультуренности почвы (DMCN) как условный показатель, отражающий характер ее микробного насыщения, свойственного для типичного культурного почвообразования (агропедогенеза). Математическую обработку полученных данных проводили методами вариационной статистики [30] (среднее арифметическое, клонение, коэффициент вариации и критерий Фишера) с программного пакета Microsoft Office Excel 2007. стандартное от-использованием Результаты исследования и обсуждение биохимическом Жизнедеятельность микроорганизмов, участвующих в упрощении органических веществ, является одним из ключевых процессов генезиса почвенного профиля, который, в свою очередь, формирует его естественную геохимическую устойчивость [31]. При этом микробные ассоциации L-стратегии жизнеобеспечения (экологический отбор нестабильных условий) здесь проявляют определяющую роль, поскольку их представители содержатся в почвах в небольших количествах, но массово и активно реагируют на свежее органическое вещество. Численность данных микроорганизмов является индикатором ремиссии всего микробного пула в экстремальных условиях. Согласно многолетним исследованиям [27] оценка состояния стабильности почвенной микробиоты возможна при его двухфазном анализе. Фаза инактивированного состояния характеризует способность почвы к сохранению определенной микробной ниши (микробиологическая устойчивость), в то время как мобилизированная фаза описывает потенциальную микробиологическую активность в почве, т.е. наиболее возможный биохимический «запас» исследуемой микробной консорции. Поскольку в настоящем исследовании взаимодействие диатомита и цеолита в почве сопряжено исключительно с ее естественными органическими компо- 32 А.В. Козлов, А.Х. Куликова, О.В. Селицкая, И.П. Уромова нентами и в том числе с гумусом, необходимой оказывается оценка вариабельности в количестве сапротрофов L-стратегии в инактивированном и мобили-зированном состояниях, возникающей под действием изучаемых материалов. Данные табл. 1 отражают изменения численности аммонифицирующих и амилолитических микроорганизмов в почве, происходящие под действием исследуемых материалов в течение 3 лет. Прежде всего нужно отметить стабильное увеличение численности аммонифицирующих и уменьшение численности амилолитических микроорганизмов в почве по годам исследований, происходившее под действием изучаемых материалов. Причем данные изменения происходили как при инактивации почвы, так и при ее мобилизации. Выявлено, что на вариантах с применением диатомита количество аммонификаторов в инактивированной почве возрастает. Рост числа данных бактерий продолжался до 2-го года, а максимальная эффективность в отношении показателя прослеживалась на вариантах с внесением в почву 6 т/га породы - до 31%, 46% и 43% соответственно по годам исследования. Аналогичная, но менее активная закономерность отражалась и в мобилизированных образцах. При этом активность показателя сохранялась до 3-го года исследования. В среднем за время проведения эксперимента численность инактивированных аммонификаторов максимально возрастала до 42%, а мобилизированных - до 13%. Таблица 1 [Table 1] Численность аммонифицирующих и амилолитических микроорганизмов в дерново-подзолистой почве из инактивированных (верхнее значение) и мобилизированных (нижнее значение) образцов в зависимости от вида и дозы высококремнистой породы [Number of ammonifying and amylolytic microorganisms in the sod-podsolic soil from inactivated (the top value) and mobilized (the lower value) samples depending on the type and dose of high-siliceous rock] Вариант Динамика численности по годам исследования [Number dynamics by years of research] В среднем за 3 года [Variant] 2015 2016 2017 [Average for 3 years] m ± SD V m ± SD V m ± SD V Аммонифицирующие микроорганизм^! (МПА) х 107 КОЕ/г почвы [Ammonifying microorganisms (BEA) х 107 CFU/g of soil] Control 1,24±0,10 16 2,18±0,09 9 3,36±0,06 4 2,26 4,83±0,10 4 7,64±0,11 3 9,85±0,04 1 7,44 Diatomite-I 1,56±0,04 5 2,94±0,06 4 3,98±0,11 6 2,83 5,12±0,07 3 7,8>9±02.7 7 11,03±0,07 1 8,01 Diatomite-2 1,63±0,07 9 3,18±0,06 4 4,80±0,11 5 3,20 5,24±0,09 4 8,38±0,13 3 11,68±0,08 1 8,43 Diatomite-3 1,59±0,08 11 3,07±0,06 4 4,62±0,09 4 3,09 5,19±0,11 4 8,32±0,13 3 11,46±0,17 3 8,32 Ff (Ft = 3,86) 5,83 / 3,58 37,76 / 7,89 120,35 / 50,08 - Zeolite-1 1,34±0,07 10 2,44±0,14 11 3,44±0,05 3 2,41 4,96±0,15 6 7,92±0,26 7 9,92±0,22 4 7,60 Zeolite-2 1,39±0,03 5 2,60±0,18 14 3,67±0,05 3 2,55 5,03±0,19 8 8,00±0,09 2 10,19±0,33 6 7,74 Устойчивость микробиологической активности 33 Окончание табл. 1 [Table 1 (end)] Вариант [Variant] Динамика численности по годам исследования [Number dvnamics bv vears of research] В среднем за 3 года [Average for 3 years] 2015 2016 2017 m ± SD V m ± SD V m ± SD V Zeolite-3 1,42±0,06 8 2,47±0,10 8 3,89±0,07 4 2,59 5,13±0,13 5 8,14±0,31 8 10,31±0,13 3 7,86 Ff (Ft = 3,86) 1,65 / 0,71 1,31 / 1,09 19,42 / 1,36 - Амилолитические микроорганизм^! (КАА) х 107 КОЕ/г почвы [Amvlolvtic microorganisms (Inorganic Salt Starch Agar) х 107 CFU/g of soil] Control 1,38±0,03 5 2,33±0,11 9 4,66±0,08 4 2,79 4,92±0,12 5 7,86±0,19 5 8,80±0,16 4 7,19 Diatomite-1 1,01±0,03 6 2,08±0,04 4 4,41±0,08 4 2,50 4,11±0,15 7 7,14±0,11 3 8,24±0,14 4 6,50 Diatomite-2 0,82±0,05 14 1,51±0,04 5 3,19±0,09 5 1,84 3,86±0,14 7 6,69±0,36 11 7,39±0,07 2 5,98 Diatomite-3 0,87±0,06 15 1,67±0,09 11 2,85±0,08 6 1,80 4,02±0,15 7 6,84±0,24 7 7,21±0,17 5 6,02 Ff (Ft = 3,86) 26,40 / 12,47 29,48 / 6,56 117,69 / 21,95 - Zeolite-1 1,04±0,07 13 2,26±0,05 5 4,57±0,03 2 2,62 4,30±0,19 9 7,50±0,20 5 8,62±0,09 2 6,81 Zeolite-2 1,01±0,09 19 2,18±0,07 7 4,43±0,04 2 2,54 4,20±0,16 8 7,32±0,18 5 8,54±0,09 2 6,69 Zeolite-3 0,93±0,07 16 2,01±0,08 8 4,39±0,08 4 2,44 4,18±0,08 4 7,22±0,16 5 8,48±0,09 2 6,63 Ff (Ft = 3,86) 7,16 / 5,05 4,77 / 2,00 3,54 / 1,65 - Примечание. Здесь и далее: m ± SD - средняя арифметическая ± стандартное отклонение; V - коэффициент вариации (%); Ff - расчетный критерий Фишера в сравнении вариантов при статистическом уровне значимости p

Скачать электронную версию публикации