Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,686

СТРУКТУРА БАКТЕРИАЛЬНОГО СООБЩЕСТВА СВЕТЛО-СЕРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВ В УСЛОВИЯХ РАЗЛИЧНЫХ ФИТОЦЕНОЗОВ

Козлов А.В. 1 Уромова И.П. 1
1 ФГБОУ ВО «Нижегородский государственный педагогический университет им. Козьмы Минина»
В работе рассмотрены результаты исследований изменения структуры бактериального сообщества светло-серой лесной легкосуглинистой почвы, слагающей различные фитоценозы Богородского района Нижегородской области. В качестве объектов исследования были выбраны типичный однолетний агроценоз озимой пшеницы, травянистая залежь (7 лет) как переходный фитоценоз, фитоценоз естественного луга и многолетний (15 лет) агрофитоценоз Козлятника Восточного (Galéga orientális Lam.). Бактериальное сообщество почвы оценивалось на основе общей численности бактерий-сапротрофов, вырастающих на МПА, и родовой (видовой) структуры микробиоценоза. Исследования показали, что длительное выращивание Козлятника Восточного как «консервирующей» культуры способствует увеличению численность как общего бактериального пула почвы, так и его разнообразия. Метод консервации залежных земель позволяет сохранить микробиологическое сообщество в оптимально качественном и количественном соотношении и, как следствие, повысить естественное плодородие, экологическую пластичность светло-серой лесной почвы и сформировать ее биогеоценотическую устойчивость.
бактериальное сообщество почвы
светло-серая лесная почва
залежные земли
Козлятник Восточный
1. Ананьева Н.Д. Оценка устойчивости микробных комплексов почв к природным и антропогенным воздействиям / Н.Д. Ананьева, Е.В. Благодатская, Т.С. Демкина // Почвоведение. – 2002. – № 5. – С. 580–587.
2. Гузнов Г.Я. Сравнительная продуктивность козлятника восточного и люцерны посевной в условиях Нижегородской области Г.Я. Гузнов, М.А. Гаревская, И.И. Ивашин // Современные проблемы оптимизации минерального питания растений. – Н.Новгород: НГСХА, 1998. – С. 186–189.
3. Добровольская Т.Г. Физикохимия и биология торфа. Методы оценки численности и разнообразия бактериальных и актиномицетных комплексов торфяных почв / Т.Г. Добровольская, А.В. Головченко, Л.В. Лысак, Г.М. Зенова. – Томск: Изд-во Томского ГПУ, 2010. – 97 с.
4. Добровольский Г.В. Экология почв / Г.В. Добровольский, Е.Д. Никитин. – М.: Издательство Московского университета, 2012. – 412 с.
5. Егоров Н.С. Влияние продуктов метаболизма на характер популяционных взаимодействий в искусственных экосистемах / Н.С. Егоров, Н.С. Ландау // Экологическая роль микробных метаболитов. – М.: Изд-во МГУ, 1986. – С. 178–200.
6. Емцев В.Т. Микробиология / В.Т. Емцев, Е.Н. Мишустин. – М.: Дрофа, 2006. – 444 с.
7. Естественное восстановление микробиологических свойств дерново-подзолистой почвы в условиях залежи [Сазонов С.Н. и др.] // Почвоведение. – 2005. – № 5. – С. 575–580.
8. Заварзин Г.А. Введение в природоведческую микробиологию / Г.А. Заварзин, Н.Н. Колотилова. – М.: Книж. Дом «Университет», 2001. – 256 с.
9. Звягинцев Д.Г. Биология почв / Д.Г. Звягинцев, И.П. Бабьева, Г.М. Зенова. – М.: Изд-во МГУ, 2005. – 445 с.
10. Зенова Г.М. Роль метаболитов во взаимодействиях микроорганизмов в ассоциациях природных экосистем / Г.М. Зенова // Экологическая роль микробных метаболитов. – М.: Изд-во МГУ, 1986. – С. 166–177.
11. Методы почвенной микробиологии и биохимии / Под ред. Д.Г. Звягинцева. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 1980. – 224 с.
12. Кирюшин В.И. Агрономическое почвоведение. – М.: КолосС, 2010. – 687 с.
13. Козлов А.В. Лабораторно-инструментальные методы исследований в экологии объектов окружающей среды. – Н. Новгород: НГПУ им. К. Минина, 2016. – 89 с.
14. Кутузова А.А. Как не допустить превращения залежи в бросовые земли / А.А. Кутузова, Д.М. Тебердиев, Д.Н. Лебедев // Земледелие. – 2008. – № 1. – С. 2–3.
15. Лысак Л.В. Методы оценки и бактериального разнообразия почв и идентификации почвенных бактерий / Л.В. Лысак, Т.Г. Добровольская, И.Н. Скворцова. – М.: МАКС Пресс, 2003. – 120 с.
16. Марфенина О.Е. Микробиологические аспекты охраны почв. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 1991. – 120 с.
17. Муха В.Д. Естественно-антропогенная эволюция почв (общие закономерности и зональные особенности). – М.: КолосС, 2004. – 271 с.
18. Определитель бактерий Берджи. В 2–х т. Т. 1 и Т. 2. / Под ред. Г.А. Заварзина. – М.: Мир, 1997. – 801 с.
19. Полянская, Л.М. Особенности изменения структуры микробной биомассы почв в условиях залежи / Л.М. Полянская, Н.И. Суханова, К.В. Чакмазян, Д.Г. Звягинцев // Почвоведение. – 2012. – № 7. – С. 792–798.
20. Полянская Л.М. Содержание и структура микробной биомассы как показатель экологического состояния почв / Л.М. Полянская, Д.Г. Звягинцев // Почвоведение. – 2005. – № 6. – С. 706–714.
21. Практикум по микробиологии / Под ред. А.И. Нетрусова. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 608 с.
22. Скворцов В.И. Достоинства Козлятника Восточного / В.И. Скворцов // Земледелие. – 1997. – № 2. – С. 16–17.
23. Структурно-функциональное разнообразие бактериальных комплексов различных типов почв [Семионова Н.А. и др.] // Почвоведение. – 2002. – № 4. – С. 453–464.
24. Теппер Е.З. Практикум по микробиологии / Е.З. Теппер, В.К. Шильникова, Г.И. Переверзева. – М.: Дрофа, 2004. – 256 с.
25. Шеметов И.И. Влияние многолетних растений на показатели плодородия светло-серых лесных почв Предбайкалья: автореф. дис. … канд. с.-х. наук: 06.01.03 / Шеметов Игорь Иванович – Улан-Удэ, 2007. – 19 с.
26. Экология микроорганизмов / Под ред. А.И. Нетрусова. – М.: Изд-во «Юрайт», 2015. – 268 с.

Разрабатывая научные основы почвоведения, Василий Васильевич Докучаев отмечал огромную роль живых организмов, в частности микроорганизмов, в формировании почвы. В свое время академик Вернадский дал определение почве, которое только подчеркивает умозаключения Докучаева – «Почва есть биокостное тело (постоянное и неподвижное), которое характеризуется неразрывным комплексом неживых веществ (как минеральных, так и органических), корней растений и живых существ (прокариот, простейших, червей и многих других)» [6].

Действительно, все почвы на Земле образовались из выходящих на дневную поверхность весьма разнообразных горных пород, и от этапа выветривания минералов до формирования зрелой почвы роль микроорганизмов в биогеохимических почвенных процессах очевидна и очень многогранна. Поэтому многие авторы [4, 8, 9, 12, 17] считают, что изучение процесса эволюции почвы без участия микробиоты было бы неполноценным и, как следствие, не давало бы неточную картину о свойствах почвенного тела как биогеохимической «пленки» замыкания Большого геологического и Малого биологического круговоротов вещества на планете, так и основного средства сельскохозяйственного производства.

В настоящее время развитие почв продолжается и дальше. Так, в современных экономических условиях нашей страны значительная часть почвенного покрова развивается по типу необоснованного и нерационального выведения его из сельскохозяйственного пользования, то есть по типу забрасывания [1, 7, 14, 16].

Ограниченность материальных ресурсов в большинстве сельскохозяйственных предприятий Нижегородской области приводит к изменениям в структуре сельхозугодий, в частности к увеличению площади неиспользуемой пашни. В сложившихся условиях возрастает опасность зарастания ее сорной растительностью, кустарником и мелколесьем. На пашне эти процессы происходят более ускоренными темпами, чем на лугах. Повторное освоение таких площадей под угодья может привести к резкому увеличению затрат, так как потребуются различные культуртехнические мероприятия для уничтожения древесно-кустарниковой растительности [12, 23].

Предотвращения деградации подобных сельскохозяйственных угодий можно добиться путем их вовлечения в пастбищные земли, а также путем полного выведения их из структуры посевных площадей и долговременного засева многолетними травами с высокой биологической продуктивностью. В настоящий момент этот способ имеет актуальное значение.

Многолетние бобовые травы дают ценные корма для сельскохозяйственных животных, повышают плодородие почвы и являются одними из лучших предшественников полевых культур, особенно для зерновых колосовых видов [2, 19, 23, 25].

Цель исследования. Целью исследования настоящей работы явилась оценка структуры бактериального сообщества светло-серых лесных почв при сукцессионном переходе от агроценоза через залежные земли к фитоценозам с естественными сообществами растений. В качестве исследования альтернативы использования земель, выведенных из структуры посевных площадей, явилось изучение бактериальной микрофлоры почвы в условиях длительного выращивания Козлятника Восточного (Galega orientalis Lam.) [22]. В связи с этим единой ключевой задачей исследования стало изучение изменений в численности микробиоты различных трофических уровней в почвах различного сельскохозяйственного использования.

Материалы и методы исследования

Объектом исследования являются светло-серые лесные легкосуглинистые почвы Богородского района Нижегородской области (СПК «Буревестник»), сформированные на лессовидных суглинках. Для исследования в 2015 году были отобраны образцы почв, занятых различными растительными сообществами:

• посевы озимой пшеницы (типичный однолетний агроценоз);

• травянистая залежь возраста примерно 7 лет (переходный фитоценоз);

• естественный луг (естественный луговый фитоценоз);

• посевы Козлятника Восточного 15-летнего возраста (многолетний агрофитоценоз).

Почва отбиралась в осеннее время 2015 года с глубины пахотного горизонта (15–20 см) каждого ценоза; все варианты были отобраны в четырехкратной повторности.

Определение численности бактерий проводилось по методу Р. Коха, в основе которого лежит принцип – каждая выросшая на питательной среде колония является потомством одной клетки или иной единицы микроскопической жизни.

Почвенная суспензия, разведенная в степени 1:10000, высевалась в чашки Петри на твердую питательную среду поверхностным способом. В качестве среды был использован мясопептонный агар (МПА). Инкубация микроорганизмов проводилась в термостате при температуре +37,7С в течение 10 дней. Затем на основе морфологических, культуральных и биохимических признаков [3, 11, 13, 15, 18, 21, 24] колоний микроорганизмов определялся родовой и видовой состав микрофлоры, подсчитывалось число колоний и пересчитывалось в число колониеобразующих единиц (КОЕ) на 1 г абсолютно-сухой почвы. Анализ почвы проводился в первые 3 дня после отбора проб при их естественной влажности.

Результаты исследования и их обсуждение

Результаты исследования представлены в таблице 1, на основе которых можно определить некоторые закономерности.

Так, в почве под посевами озимой пшеницы были выявлены бациллы вида subtilis, а также бактерии рода Micrococcus и Mycobacterium. Все они являются типичными сапротрофными микроорганизмами, но между их экологическими функциями имеются различия. Бациллы вида subtilis участвуют в разложении азотсодержащего органического вещества, но большее предпочтение в питании отдают минеральным формам азота. То есть они могут участвовать в микробиологических трофических цепях как в роли аммонификаторов, так и в роли нитрификаторов.

Бактерии рода Micrococcus являются жесткими всесторонними деструкторами, разлагающими преимущественно безазотистое органическое вещество (например, целлюлозу и лигнин), а Микобактерии помимо аналогичной функции еще участвуют в минерализации гумусовых веществ. Можно сказать, что в почве под посевами озимой культуры происходит разложение органических остатков культурных растений, минерализация гумуса и, возможно, разложение минерального азота из внесенных удобрений [26].

В почве под травянистой залежью число бацилл вида subtilis, а также бактерий рода Micrococcus увеличивалось. Это может быть связано с тем, что в первые годы не включенный по каким-либо причинам участок в структуру посевных площадей начинает зарастать преимущественно злаковыми сорняками, как менее требовательными к условиям питания и более устойчивыми к негативным факторам внешней среды. Таковыми являются куриное просо, пырей ползучий и другие. Растительные остатки этих растений бедны азотистыми органическими соединениями и богаты клетчаткой. По-видимому, это и обуславливает активное развитие бактерий рода Micrococcus.

Состав бактериальной микрофлоры в светло-серых лесных почвах различных фитоценозов

Род и вид бактерий

Растительное сообщество (M ± m*),

тыс. КОЕ / 1 г абс.-сух. почвы

Посевы озимых зерновых

Залежь

травянистая

Луговый

фитоценоз

Козлятник

восточный

Род Bacillus:

– B. subtilis

376,6 ± 3,3

2503,9 ± 30,6

61,9 ± 1,8

485,2 ± 4,0

– B. mesentericus

–**

24,4 ± 1,1

– B. cereus

1247,4 ± 20,4

21,6 ± 1,9

– B. mycoides

36,5 ± 1,5

Род Pseudomonas

120,9 ± 2,7

Род Flavobacterium

63,6 ± 3,6

36,3 ± 1,6

Род Micrococcus

140,2 ± 3,0

626,6 ± 5,2

61,9 ± 1,3

Род Mycobacterium

123,1 ± 2,4

Неидентифицированные роды сапротрофов

200,4 ± 3,3

101,0 ± 2,1

390,8 ± 9,6

1893,9 ± 37,8

* – M – среднее, m – ошибка среднего; ** – микроорганизм не был обнаружен.

Развитие бацилл, скорее всего, связано с тем, что активно разрастающиеся сорные растения выносят очень много зольных элементов, которые высвобождаются при минерализации гумусовых веществ почвы. Можно сказать, что в первые годы зарастания пашни сорняками разложение органического вещества почвы не замедляется, а наоборот – усиливается. Отсутствие Микобактерий обусловлено повышением числа более устойчивых микроорганизмов-конкурентов рода Micrococcus.

В почве под луговым сообществом трав в большом количестве были обнаружены бациллы вида cereus. Их экологическая функция направлена преимущественно на разложение азотсодержащего органического вещества. Также здесь были обнаружены представители рода Flavobacterium, которые помимо минерализации полисахаридов, разлагают и сложные азотистые соединения неспецифической природы [23].

Содержание B. subtilis и Micrococcus уменьшалось по сравнению с залежными землями. Скорее всего, такие изменения в видовом разнообразии и количестве микроорганизмов происходят, потому что луговое сообщество трав представлено уже не только злаками, но и другими семействами, в том числе сложноцветными и бобовыми. Растительные остатки растений этих семейств более богаты азотом и зольными элементами, чем опад сорных растений. К тому же в лугах изначально накапливается гораздо большее количество растительного опада по сравнению с растительностью агроценозов, так как отсутствует отчуждение органического вещества с урожаем. Поэтому процессы трансформации, сохранения и накопления минерального азота замедляются, что подтверждается снижением числа B. subtilis, а интенсивность разложения белков усиливается за счет бацилл вида cereus. Уменьшение числа бактерий рода Micrococcus, по-видимому, обусловлено появлением сильных конкурентов – Флавобактерий [5].

Из всего вышесказанного следует, что забрасывать какой-либо участок пашни без применения агротехнических элементов его консервации нецелесообразно – земля «простаивает» время, в течение которого происходит длительное восстановление качества этих почв. К тому же выведение участка земли из структуры посевных площадей без дальнейшей работы с ним приводит к ухудшению фитосанитарного состояния за счет активного развития сорных растений. Поэтому в подобных случаях рекомендуется применять один из методов быстрого восстановления пашни после ряда лет экстенсивного земледелия, которым является метод консервации земель. Он подразумевает сохранение почвы под посевами каких-либо многолетних (лучше – бобовых) трав с мощной вегетативной массой и большим проективным покрытием поверхности, во время которого происходит восстановление структуры почвы, ее физико-химических свойств, а также восстановление нормального микробиологического сообщества.

Подтверждением чему в нашем примере явилось многолетнее выращивание Козлятника Восточного. Во-первых, увеличение числа родов микроорганизмов, выполняющих равноценные экологические функции, в целом уже говорит о более благополучном состоянии среды, по сравнению с другими вариантами. Так, здесь бациллы видов cereus и mycoides отвечают за аммонификацию белковых и других органических азотсодержащих веществ растительных остатков Козлятника. Бациллы видов subtilis и mesentericus помимо аналогичной функции выполняют функцию трансформации минеральных форм азота, а бактерии родов Pseudomonas и Flavobacterium, как одни из наиболее жестких всесторонних деструкторов, проводят разложение многих органических веществ почвы, в том числе разложение лигнина, хитина, углеводородов, углеводов, гумуса и нерастворимых фосфатов почвы. К тому же на корнях Козлятника, как бобового растения, начинают развиваться ассоциативные азотфиксаторы, которые образуют клубеньки с запасаемым в них минеральным азотом. Этот факт приводит к обогащению почвы одним и важнейших биогенных элементов [10].

Количество неидентифицированных бактерий-сапротрофов в почве под Козлятником Восточным также оказалось в максимальном количестве по сравнению с другими вариантами исследования. Данный факт также подтверждает с одной стороны оптимизацию условий для развития сапротрофного пула микробиоты в прикорневой массе, а с другой стороны – его стремление сформировать свое количество, оптимальное для данной почвенной разности в благополучных условиях [20].

Заключение

Продолжительное (15 лет) выращивание Козлятника Восточного на одном и том же месте как «консервирующей» культуры показало, что оно, несомненно, увеличивает численность общего микробного пула почвы и его разнообразие. Применение метода консервации залежных земель позволяет сохранить микробиологическое сообщество в оптимально качественном и количественном соотношении и, как следствие, повышает естественное плодородие и экологическую пластичность светло-серой лесной почвы и формирует ее биогеоценотическую устойчивость.


Библиографическая ссылка

Козлов А.В., Уромова И.П. СТРУКТУРА БАКТЕРИАЛЬНОГО СООБЩЕСТВА СВЕТЛО-СЕРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВ В УСЛОВИЯХ РАЗЛИЧНЫХ ФИТОЦЕНОЗОВ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2016. – № 11-3. – С. 473-476;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=10521 (дата обращения: 25.06.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252