Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ 14
1.1 Роль микроорганизмов в экологических функциях почвы в природных экосистемах 14
1.2 Развитие представлений о строении и функционировании микробного сообщества почвы 19
1.3 Экологические особенности мицелиальных почвенных микроорганизмов 28
1.4 Почвенная биотехнология — основа биологизации сельского хозяйства 37
1.4.1 Роль монокультур и севооборота в биодинамике почвы 40
1.4.2 Влияние агротехнических мероприятий на структуру и функционирование микробного сообщества почвы 52
1.5 Влияние техногенного воздействия на микробное сообщество почвы 52
1.5.1 Реакция микроорганизмов на загрязнение почвы ксенобиотиками 52
1.5.2 Нарушение микробного сообщества почвы в урбанэкосистемах 63
1.6 Почвенные микромицеты - основные агенты биодеградации биополимеров в природе и их использование в промышленной биотехнологии 71
1.6.1 Биоконверсия целлюлозы микроорганизмами: субстраты, ферменты и продуценты 72
1.62 Перспективные направления получения высокоактивных продуцентов целлюлаз для промышленной биотехнологии 82
ГЛАВА II. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ 93
2.1 Почвенно-климатическая характеристика района исследования 93
2.2 Экологическое зонирование г. Воронежа 96
2.3 Условия проведения полевых исследований 107
2.3.1 Характеристика гидротермических условий в годы исследований 107
2.3.2 Характеристика полевых опытов 108
2.3.3 Микрополевые опыты 110
2.3.4 Мониторинг почвы в зоне влияния автомагистрали "Дон" 110
2.3.5 Мониторинг урбаноземов г.Воронежа 111
2.3.6 Отбор и анализ почвенных образцов 111
2.3.7 Определение состава ППК 112
2.3.8 Определение численности эколого-трофических групп микроорганизмов 112
2.3.9 Определение биологической активности почвы 113
2.3.10 Определение видовой структуры комплекса грибов и секционной структуры актиномицетов 114
2.4 Модельные эксперименты 115
2.4.1 Определение эколого-физиологических характеристик чистых культур почвенных микроорганизмов 115
2.4.2 Оценка типов взаимоотношений почвенных микроорганизмов 116
2.4.3 Изучение фитотоксических свойств чистых культур микромицетов 117
2.4.4 Оценка почвенного фитотоксикоза и характеристик взаимодействия фитотоксинов с почвой 118
2.4.5 Опыты по разложению растительных остатков в почве 119
2.4.6 Определение активности гидролаз 119
2.4.7 Биосинтез ферментов и других метаболитов в периодических и непрерывных условиях роста микроорганизмов 121
2.4.8 Изучение регуляции биосинтеза ферментов микроорганизмами в неростовых условиях 122
2,5 Статистическая обработка результатов 123
ГЛАВА III. СТРУКТУРА И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ МИКРОБНОГО СООБЩЕСТВА ЧЕРНОЗЕМА В ПРИРОДНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ 124
3.1 Биодинамика, эколого-трофическая структура и потенциальная биологическая активность чернозема 124
3.2 Таксономическая структура мицелиальных микроорганизмов 132
3.3 Аутэкологические характеристики микромицетов чернозема 141
3.4 Гидролитическая активность микромицетов чернозема 146
3.5 Фитотоксические свойства микромицетов чернозема 148
3.6 Антибиотические свойства микромицетов чернозема 155
3.6.1 Регуляция синтеза токсинов микромицетами 165
ГЛАВА IV. ВЛИЯНИЕ РАСТЕНИЙ НА БИОДИНАМИКУ ЧЕРНОЗЕМА В АГРОЭКОСИСТЕМАХ 170
4.1 Влияние прижизненных корневых выделений и корневого опада растений на эколого-трофическую структуру микробного сообщества чернозема 170
4.2 Влияние растений на формирование видовой структуры мицелиальных форм микроорганизмов и фитотоксические свойства почвы 174
4.3 Сукцессии микробного пула чернозема и развитие фитотоксикоза при разложении разнокачественных растительных остатков 183
4.4 Влияние многолетних монофитоценозов, парных чередований
культур и севооборота на биодинамику чернозема 194
4.5 Перестройка видовой и экологической структуры комплекса микромицетов и фитотоксикоз почвы в многолетних агрофито ценозах 202
4.6 Функционирование системы почва - микроорганизмы - растения -животные - человек на примере агрофитоценозов чернозема 212
ГЛАВА V. МИКРОБНЫЙ КОМПЛЕКС ЧЕРНОЗЕМА КАК ПАРАМЕТР СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ 220
5.1 Влияние окультуривания на микрофлору чернозема 220
5.2 Влияние многолетнего внесения минеральных удобрений и мелиорантов на состав почвенно-поглощающего комплекса
и микробное сообщество чернозема 228
5.3 Биодинамика чернозема разного уровня удобренности при разложении растительных остатков 242
5.4 Сукцессия микрофлоры чернозема при локальном способе внесения азотных удобрений и ингибиторов нитрификации 250
5.5 Применение нетрадиционных органических удобрений на черноземе 261
5.6 Оценка устойчивости микробного комплекса чернозема в агроэкосистемах и выбор параметров микробиомониторинга 263
ГЛАВА VI. БИОДИНАМИКА ТЕХНОГЕННО-ИЗМЕНЕННОГО ЧЕРНОЗЕМА 268
6.1 Микробиомониторинг чернозема при воздействии авто- и авиатранспорта на почву 268
6.1.1 Нарушение структуры микробного сообщества почвы в зоне влияния Воронежского аэропорта 268
6.1.2 Оценка структурных и функциональных нарушений микробного
сообщества чернозема в зоне влияния автомагистрали "Дон" 272
6.2 Биомониторинг почвы в урбанэкосистемах на примере г. Воронежа 281
6.2.1 Биодинамика, биологическая активность и эколого-трофическая структура микробного сообщества почвы различных городских зон 281
6.2.2 Оценка нарушения видовой структуры мицелиальных микроорганизмов урбаноземов 296
6.2.3 Фитотоксические свойства почвы в урбанэкосистемах 314
6.3 Реакция микробного сообщества чернозема на уровень техногенного воздействия и выбор параметров микробиомониторинга 317
ГЛАВА VII. МИКРОФЛОРА ЧЕРНОЗЕМА - ГЕНОФОНД ПРОДУЦЕНТОВ ФЕРМЕНТОВ ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ 325
7.1 Скрининг микромицетов чернозема - продуцентов целлюлаз 325
7.2 Оптимизация культивирования Aspergillus terreus 331
7.2.1 Влияние компонентов питательной среды и условий культивирования на биосинтез целлюлаз A.terreus 332
7.2.2 Динамика роста и продуктивности культуры 334
7.3 Механизмы регуляции и секреции целлюлаз у A.terreus 338
7.3.1 Биосинтез целлюлаз A.terreus в ростовых условиях 338
7.3.2 Индукция целлюлаз и ингибиторный анализ процесса в неростовых условиях 346
7.3.3 Механизмы секреции целлюлаз у A. terreus 350
7.4 Модель регуляции биосинтеза целлюлаз микромицетами чернозема и критерии оценки продуцентов ферментов 355
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 359
ВЫВОДЫ 373
ЛИТЕРАТУРА 377
ПРИЛОЖЕНИЯ 423
- Роль микроорганизмов в экологических функциях почвы в природных экосистемах
- Почвенно-климатическая характеристика района исследования
- Биодинамика, эколого-трофическая структура и потенциальная биологическая активность чернозема
Введение к работе
Актуальность работы. Современный этап экологических исследований почвенной микрофлоры характеризуется изучением почвенных микроорганизмов (МО) с позиций системного подхода как звена биогеоценозов, участвующего в процессах превращения вещества и энергии. Ставятся задачи вскрыть причины и направленность сукцессионных изменений почвенной микрофлоры, трофические и иные связи МО друг с другом в процессе использования субстрата, а также взаимоотношения почвенных МО с другими компонентами биогеоценозов (растениями, животными).
Существенное место в экологических исследованиях занимают работы по изучению гетеротрофного блока почвенной микрофлоры и интенсивности минерализации МО органических веществ в почве, в первую очередь растительного опада, как в целом, так и его компонентов. Важный вопрос почвенной экологии составляет изучение синтеза и распада гумусовых веществ и роли МО в этом процессе. Изучение структуры микробного сообщества (МСО) и почвенной биодинамики, в которой отражаются эдафические условия и состояние системы почва - МО - растения приобретает все большее значение в связи с биологизацией сельского хозяйства и развитием почвенной биотехнологии.
Изучение микрофлоры почвы как показателя почвенных условий (микробио-мониторинг почвы) важно в антропогенных экосистемах, где начинается сукцессия почвенных МО, определяемая видом и степенью антропогенной нагрузки. Данные о структуре МСО почвы разрознены, исследуют биодинамику разных групп МО в разных природных зонах, не учитывая последействие факторов. Большинство работ выполнено на дерново-подзолистых почвах, считается, что черноземы как высокобуферные почвы значительно более устойчивы к антропогенной нагрузке. Количественные критерии для оценки нарушений структуры МСО и сравнения естественных и антропогенно измененных почв используются, в основном, в модельных экспериментах.
Необходимо установить зоны гомеостаза почв разных типов в естественных условиях, оценить биоразнообразие и устойчивость почвы в различных экосистемах, выяснить направленность сукцессии МСО почвы при действии разных стрессоров, разработать меры по поддержанию плодородия. До сих пор нет четких представлений о механизмах происходящих сукцессии МСО почвы в антропогенных экосистемах и их
7 экологическом значении. В работах ряда авторов установлены однотипные перестройки МСО почвы в различных антропогенных экосистемах, значительно возрастает и сходство антропогенно-измененных почв разных типов. Непонятной остается причина резкого роста фитотоксичности почвы при антропогенном воздействии.
Специальный и новый вопрос представляет изучение продукции почвенными МО биологически-активных веществ (антибиотиков, токсинов, ферментов). Регуляция биосинтеза вторичных метаболитов изучается в чистых культурах МО, их влияние структуру МСО почвы, развитие растений и здоровье человека практически не исследованы.
Почва обладает наибольшим генофондом МО, выделение из почвы новых перспективных продуцентов биологически-активных веществ (ферментных препаратов, средств защиты растений) актуально для промышленной биотехнологии.
Целью работы являлось изучение структуры и биодинамики микробного сообщества чернозема в природных и антропогенных экосистемах лесостепной зоны Европейской части России.
Основные направления исследовании:
Характеристика и выявление зональных особенностей эколого-трофической и таксономической структуры и динамики микробного сообщества чернозема в природных экосистемах.
Оценка нарушения биодинамики микробного сообщества чернозема в антропогенных экосистемах с разными типами и уровнями агро- и техногенной нагрузки и их экологических последствий.
Выяснение направленности сукцессии микробное сообщество чернозема в различных экосистемах на основе изучения аутэкологических характеристик экоти-пов почвенных микроорганизмов и их синэкологических связей.
Выбор информативных параметров и оптимальных сроков микробиомони-торинга черноземных почв для сельскохозяйственной биотехнологии и охраны окружающей среды и здоровья людей.
Оценка генофонда микромицетов чернозема-продуцентов гидролаз и скрининг активных штаммов для промышленной биотехнологии.
Научная новизна. Впервые проведены комплексные исследования биодинамики МСО чернозема выщелоченного лесостепной зоны Европейской части России
8 в природных и антропогенных экосистем. Показана перспективность микробиомо-ниторинга высокобуферньгх черноземов, т.к. нарушения МСО пропорциональны типу и уровню антропогенной нагрузки.
Установлены нарушения МСО чернозема под влиянием техногенной нагрузки, которые хорошо коррелируют с накоплением поллютантов, при этом чувствительность микробиомониторинга значительно превышает ПДК. При агроэкологиче-ском микробиомониторинге изменение МСО как быстрый ответ на нарушение почвенного гомеостаза позволяет диагностировать неблагоприятные тенденции раньше, чем они проявляются в изменении физико-химических свойств.
Выявлены информативные параметры для микробиомониторинга чернозема: нарушение эколого-трофической и таксономической структуры, показатели биологической активности почвы, индикаторные виды мицелиальных МО для разных типов антропогенной нагрузки.
На основе количественных синэкологических критериев и моделей рангового распределения видов по обилию выявлены особенности структуры комплексов мик-ромицетов и актиномицетов чернозема в разных типах экосистем. Оценены изменения МСО в полевых условиях и сделаны обобщения об их соответствии предложенным для модельных экспериментов адаптивным зонам реакции МСО на стрессовые воздействия. Обнаружено усиление информационных функций почвы в антропогенных экосистемах, что проявляется в разнообразных эффектах действия нескольких экологических стрессоров на МСО.
Исследованы механизмы грибных сукцессии в черноземе различных экосистем на основе изучения аутэкологических характеристик экотипов и их синэкологических связей. Впервые выявлен феномен усиления специфического "метаболического регулирования" структуры МСО почвы в антропогенных экосистемах, основанный на стимуляции биосинтеза токсинов грибами в условиях лимитирования и/или ингибирования скорости роста, что приводит к доминированию видов с широким спектром антибиотического, фунгицидного, фито- и зоотоксического действия.
Для чернозема выявлены различные причины развития фитотоксикоза: развитие фитопатогенов, накопление микотоксинов и аллелопатически-активных веществ растений, токсичных ксенобиотиков и продуктов деградации гумуса.
В почве г. Воронежа обнаружено нарушение эколого-географической зональности распределения видов грибов. Непосредственно в урбаноземах показана возможность интродукции более южных ксерофильных и термотолерантных токсигенных видов. Впервые показано, что не только в мегаполисах, но и в техногенно-измененных почвах крупного промышленного центра ЦЧЗ происходит накопление токсигенных, условно-патогенных и аллергенных видов грибов, что представляет санитарно-гигиеническую опасность для здоровья людей.
Разработана концепция взаимодействия системы почва - МО — растения — животные — человек в антропогенных экосистемах
Впервые на основе направленного скрининга МО чернозема выделены мик-ромицеты-продуценты гидролитических ферментов. Показано, что аборигенные штаммы микромицетов чернозема могут использоваться в промышленной биотехнологии. Приоритет подтвержден тремя авторскими свидетельствами. На основании изучения механизмов регуляции синтеза и секреции ферментов продуктивность культур повышена до уровня лучших зарубежных продуцентов.
Практическая значимость работы. Исследования нарушений МСО чернозема лесостепной зоны в антропогенных экосистемах имеют большое значение для решения региональных экологических проблем, сохранения биоразнообразия почвенной микрофлоры, рационального природопользования, охраны природы и здоровья людей. Наиболее простые, дешевые и информативные показатели могут использоваться для мониторинга почв Центрального Черноземья. Данные микробиомони-торинга почв могут использоваться для картирования, оценки и отчуждения разных категорий земель.
Агроэкологический микробиомониторинг может использоваться при разработке агрономических и агротехнических мероприятий (научно-обоснованных для зоны севооборотов, мелиорации, новых способов внесения минеральных удобрений, применение нетрадиционных органических удобрений). Полученные в работе данные необходимо учитывать в сельскохозяйственной биотехнологии при разработке альтернативных приемов биологизации земледелия. Результаты микробиомонито-ринга урбаноземов позволяют рекомендовать мероприятия по озеленению городов.
Впервые привлечено внимание к необходимости комплексного экологического и санитарно-гигиенического мониторинга техногенно-измененного чернозема, а
10 также контроля растительной продукции, выращенной на почвах с высокой техногенной нагрузкой, в связи с возможным поступлением микотоксинов в организм человека. Накопление условно-патогенных и аллергенных видов грибов в почве урба-нэкосистем опасно для городского населения с пониженным иммунным статусом, особенно для людей с хроническими заболеваниями, на фоне нерациональной анти-биотико-, иммуно- и химиотерапии.
Полученные в работе данные о видовом составе и ходе сукцессии мицелиаль-ных МО чернозема в различных экосистемах позволяют проводить целенаправленный поиск штаммов конкретных экологических групп для промышленной биотехнологии. Изучение гидролитической активности изолятов позволило предложить ряд продуцентов ферментных препаратов. Изучение аутэкологических свойств изолятов и синэкологических взаимодействий МО друг с другом и с растениями выявило ряд видов, перспективных для создания микробных препаратов - средств защиты растений от фитопатогенов.
Реализация результатов. Проведена оценка зоны отчуждения из сельскохозяйственного использования почвы вблизи автомагистрали федерального значения "Дон" (А4) в зависимости типа придорожных экосистем, элементов рельефа, интенсивности движения автотранспорта. Оценены категории земель г. Воронежа по степени нарушенности МСО урбаноземов и выделены санитарно-опасные зоны.
Создана коллекция почвенных МО, которая включает изоляты из различных эколого-трофических групп, продуценты целлюлаз, протеаз, амилаз, микотоксинов, антибиотиков, фунгицидов. Культуры из коллекции используются в учебном процессе и в научной работе на кафедре биологии растений и микробиологии ВГПУ.
Получены 3 авторских свидетельства на штаммы грибов-продуцентов отдельных компонентов целлюлаз, сбалансированного комплекса целлюлаз, микробной биомассы и ферментов на целлюлозных отходах. Продуценты внедрены в производство в секторе биосинтеза ферментов Института биохимии и физиологии микроорганизмов РАН.
Результаты исследований используются в учебном процессе в курсах "Микробиология", "Биотехнология", "Биологические основы сельского хозяйства" на естественно-географическом факультете ВГПУ.
Основные защищаемые положения.
В природных экосистемах микробное сообщество чернозема лесостепи характеризуется высоким биоразнообразием и устойчивостью, напряженными мине-рализационно-иммобилизационными процессами, активной фиксацией азота, что определяет высокое плодородие почвы. Основным механизмом микробных сукцессии являются трофические взаимодействия.
В антропогенных экосистемах микробное сообщество чернозема находится в стрессовом состоянии: на фоне повышения биогенности снижается эффективность катаболизма микроорганизмов, азотфиксирующая активность, иммобилизация азота в микробной биомассе, возрастает фитотоксикоз почвы, усиливается дегумифика-ция. Это ведет к нарушению циклов превращения биогенных элементов и прогрессивной деградации почвы.
В черноземе антропогенных экосистем снижается биоразнообразие мице-лиальных почвенных микроорганизмов; в условиях агрогенной нагрузки изменения комплексов актиномицетов и микромицетов обратимы и соответствуют адаптивной зоне "стресса", в условиях техногенной нагрузки наблюдается необратимый переход комплекса микромицетов в адаптивную зону "резистентности".
4. В антропогенных экосистемах при действии нескольких экологических
стрессоров усиливается проявление информационной функции почвы (сигнальной,
регуляторной, "памяти").
5. Впервые на примере грибных сукцессии разработана концепция, объяс
няющая биодинамику микробного сообщества в почве антропогенных экосистем:
усиление «метаболического регулирования» путем биосинтеза токсинов в условиях
лимитирования и/или ингибирования роста, что ведет к доминированию медленно
растущих токсигенных видов с широким спектром антибиотического, фунгицидно-
го, фито- и зоотоксического действия.
6. В почве урбанэкосистем накапливаются виды с токсигенными, условно-
патогенными и аллергенными свойствами, что представляет собой санитарно-
гигиеническую опасность и требует комплексного экологического мониторинга для
охраны окружающей среды и здоровья людей.
7. Определены оптимальные сроки и информативные параметры микробио-мониторинга чернозема. Выявлены индикаторные виды грибов и актиномицетов для разных типов антропогенной нагрузки.
8. Богатый генофонд микрофлоры чернозема включает высокоактивные продуценты внеклеточных гидролитических ферментов. Активность целлюлоз выделенных путем направленного скрининга экотипов микромицетов чернозема в оптимизированных условиях синтеза и секреции не уступает лучшим зарубежным штаммам.
Апробация работы. Результаты исследований представлены на Всесоюзных конференциях: "Биоконверсия растительного сырья" (Рига, 1982), "Химия и биохимия углеводов" (Пущино, 1982), "Термофильные микроорганизмы в природе и практике народного хозяйства" (Москва, 1983), VIII съезде ВМО (Алма-Ата, 1985), "Состояние и перспективы мало- и безотходной технологии использования вторичных ресурсов" (Тбилиси, 1985), "Биодинамика почв" (Таллинн, 1988), "Биосинтез ферментов микроорганизмами" (Ташкент, 1988), VIII съезде почвоведов (Новосибирск, 1989), "Микроорганизмы - стимуляторы и ингибиторы роста растений и животных" (Ташкент, 1989), "Фитонциды. Бактериальные болезни растений" (Львов, 1990), "Применение ингибиторов нитрификации для повышения эффективности азотных удобрений" (Самарканд, 1990), "Биология почв антропогенных ландшафтов" (Днеп-ропетровск, 1991), на Всероссийских конференциях: "Интенсивное земледелие и охрана окружающей среды" (Волгоград, 1988), "Микроорганизмы почвы и земледелие" (С.-Петербург, 1998), "Сельскохозяйственная микробиология в 19-21 вв." (С.Петербург, 2001), на Международных конференциях: III симпозиум соцстран по биотехнологии (Братислава, 1982), советско-финском симпозиуме "Bioconversion of plant raw materials by microorganisms" (Хельсинки, 1983),"Проблемы сельскохозяйственного производства и пути их решения" (Белгород, 1999), "Экология и жизнь -2000" (Великий Новгород, 2000), "Проблемы изучения и охраны биоразиообразия и природных ландшафтов Европы" (Пенза, 2001), "Человек и окружающая природная среда - проблемы взаимодействия (Пенза, 2001), "Приспособления организмов к действию экстремальных экологических факторов" (Белгород, 2002), "Теория и методы экономической оценки, оптимизации и воспроизводства земельных ресурсов (Киев, 2002), XI International Society for Molecular Plant - Microbe Interaction" (St.-
13 Peterburg, 2003), "Модели и технологии оптимизации земледелия" (Курск, 2003), "Современные проблемы загрязнения почв" (Москва, 2004), "Благополучная среда обитания - залог здоровья населения" (Воронеж, 2004), "Региональные гигиенические проблемы и стратегия охраны здоровья населения" (Ст, Оскол, 2004), "Черноземы Центральной России: генезис, география, эволюция" (Воронеж, 2004), VII ме-ждунар. чтениях памяти В.В. Станчинского (Смоленск, 2004).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 94 научные работы, в том числе 1 монография, 27 статей в центральной печати, 30 статей в межвузовских сборниках и материалах Международных, Всесоюзных и Всероссийских конференций, 5 статей в иностранных изданиях. По материалам диссертации получены 3 авторских свидетельства. Остальные публикации - тезисы съездов микробиологического общества, общества почвоведов, конференций разного уровня.
Личный вклад автора заключается в формулировании проблемы, постановке целей и задач работы, выборе методов исследования, выполнении экспериментальной работы, обобщении и интерпретации полученных результатов, подготовке научных публикаций. Автор участвовал в сборе основной части полевого материала. Основу работы составляют материалы более чем 25-летних исследований автора. В работе участвовали аспиранты и студенты, проводившие исследования под руководством автора. Все работы, выполненные совместно с другими специалистами, опубликованы.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 479 страницах текста, иллюстрирована 149 таблицами, 54 рисунками, содержит 84 приложения. Диссертация состоит их введения, главы "Состояние проблемы", главы "Объекты и методы исследования", пяти экспериментальных глав, заключения и выводов. Список литературы включает 840 работ, в том числе 290 на иностранных языках.
Роль микроорганизмов в экологических функциях почвы в природных экосистемах
Для одних групп МО почва является тем местообитанием (жилищем), где они активно функционируют и размножаются. Это характерные обитатели почвенного яруса биогеоценоза (БГЦ): бациллы, стрептомицеты, артробактер, липомицеты, грибы (представлены комплексом разнообразных типично почвенных видов, чаще всего это несовершенные грибы класса Deuteromycetes).
Для других групп МО почва является временным убежищем, где они переживают неблагоприятные условия в анабиозе, в то время как истинными их эконишами являются живые растения (филлоплана и ризоплана) и их отмершие части, либо кишечник и экскременты почвенных животных и другие субстраты. Примерами могут служить все фитопатогенные бактерии и грибы, а также МО, патогенные для человека и животных [169, 172].
В создании опорной функции почвы и ее структуры также участвуют МО. Микробные полимеры, гифы грибов участвуют в формировании водопрочных агрегатов [30, 298]. Образование гумусовых веществ, определяющих почвенную структуру, также происходит при существенном участии темноокрашенных микроскопических грибов семейства Dematiaceae [45, 165, 339].
Функция почвы как депо семян, микробных зачатков, личинок животных и т.д. крайне важна. Почва является самым богатым природным субстратом по микробному генофонду. Пул почвенных МО отличается не только огромной численностью, но и наибольшим разнообразием. До 60-90 % биомассы Земли представлено МО, населяющими главным образом почву. Численность МО в почве по сравнению с другими природными средами (вода, илы, воздух) выше на несколько порядков: количество бактерий в 1 г почвы достигает нескольких миллиардов клеток, а общая длина гиф грибов равняется нескольким тысячам метров на 1 г почвы; суммарная биомасса может составлять несколько десятков тонн на 1 гектаре [174, 403-405]. Соотношение бактерий и грибов зависит от типа почвы: в дерново-подзолистой почве доля бактерий составляет до 10 % от общей микробной биомассы, в черноземах - до 50% [342, 397].
Почву можно рассматривать как генофонд всего микромира [128, 129]. Недаром при поисках МО-продуцентов различных ценных для человека веществ (антибиотиков, ферментов, витаминов, аминокислот) в большинстве случаев обращаются к почве как наиболее надежному источнику разнообразных микробов [143]. Ранее поиск МО с заданными свойствами производился непродуктивно: либо методом массовой проверки коллекционных штаммов, либо случайным выделением из разных субстратов большого количества новых изолятов [322, 324]. В последние годы разработаны методы выделения МО из почвы на определенных этапах микробной сукцессии [264 422,523], что позволяет целенаправлено отбирать изоляты с заранее заданными свойствами и экологической стратегией, исходя из задачи исследователя.
Функции почвы, обусловленные ее физико-химическими и химическими свойствами, определяются содержанием и запасами гумуса и элементов минерального питания, влагоемкостью, щелочно-кислотными и окислительно-восстановительными условиями, активностью почвенных ферментов и т.д. К ним относятся следующие: депо влаги и элементов питания, сорбция веществ и микроорганизмов, стимуляция и ингибирование биохимических процессов.
Адгезия почвенными частицами МО обнаружена и исследована в работах [167, 169, 404, 407, 527]. Адгезия повышает устойчивость МО к неблагоприятным факторам среды, помогает удерживаться в почвенном профиле. Для протекания процессов разложения таких нерастворимых биополимеров, как целлюлоза, лигнин, гумус, адгезия МО на этих субстратах является необходимым условием.
МО определяют и важнейшую биогеоценотическую функцию почвы - обеспечивать плодородие, т.е. быть источником питательных веществ для растений. Практически все питательные вещества, усваиваемые корнями растений, освобождаются либо в процессе разложения растительных, животных и микробных остатков, либо в результате окислительно-восстановительных процессов, либо переводятся из недоступной формы в доступную МО [16]. Основной путь снабжения растений азотом состоит в фиксации атмосферного азота прокариотами, который поступает в растения непосредственно (при наличии бактерий-симбионтов) или после минерализации мортмассы бактерий-несимбиотических фиксаторов азота. В снабжении растений фосфором основную роль играет группа эукариотных микроорганизмов (гри-бов-микоризообразователей) [45, 77, 339, 360].
Функция почвы как регулятора биохимических процессов определяется метаболитами, имеющими растительное или микробное происхождение. Это ферменты, антибиотики, фитонциды, токсины, витамины, стимуляторы роста растений, оказывающие влияние как на питание растений, так и на межмикробные взаимодействия [170, 295]. Роль ингибиторов биохимических процессов выполняют этилен, абс-цизовая кислота и различные токсины, а стимуляторов - ауксины, цитокинины, образуемые как бактериями, так и грибами.
Информационные функции почвы в последние годы привлекают все большее внимание в экологии: сигнал для ряда сезонных и других биологических процессов, регуляция численности, состава и структуры биоценозов, пусковой механизм сукцессии, память БГЦ.
Регуляция структуры биоценозов может осуществляться непосредственно через водно-воздушный, температурный и пищевой режим или опосредованно через влияние почвенных МО и их метаболитов на формирование и состояние как фито-, так и микробоценозов. Пул микробных метаболитов, накапливающийся в почвах в значительных количествах, во многом определяет тип положительных или отрицательных взаимодействий, которые складываются между разными группами МО, между растениями и микробами, регулируют численность и состав микробоценозов, а через них влияют и на состояние фитоценозов.
Почвенно-климатическая характеристика района исследования
Воронежская область расположена на юго-западе европейской части России между 4934 и 5206 северной широты и 3809 и 4255 восточной долготы на территории Среднерусской возвышенности, Окско-Донской равнины и Калачской возвышенности. Площадь ее составляет около 52,5 тыс. км2 [333].
В рельефе области хорошо обособлены три крупные зоны: Среднерусская возвышенность (Правобережная часть Дона), Калачская возвышенность (Юго-восточная часть, область междуречья Дона и Хопра) и Окско-Донская низменная равнина (Северная часть, Левобережье Дона). Район исследований находится на территории Среднерусской возвышенности.
Кристаллические породы центральной части Русской платформы (Воронежская антеклиза) образована гранитами, кварцитами и другими минералами. Кора их выветривания представлена каолином, месторождениями железных руд отрогов КМА. Осадочные породы представлены известняками, глинами, песчаниками и песками, мощность которых возрастает в северо-восточном направлении.
С девонскими отложениями связаны подземные воды, на севере области они залегают неглубоко. Среди юрских отложений наиболее важны огнеупорные глины. Отложения мелового периода (мело-мергельные породы) распространены на территории области с юга, снижая свою толщу к северу. Четвертичные ледниковые морены оставили песчаные отложения вдоль левобережья Дона. К числу наиболее молодых относят покровные суглинки, на них сформировались наиболее плодородные почвы области [535].
Главная водная артерия области - Дон. Это одна из крупнейших рек европейской России, длина Дона 1967 км. Дон несет свои воды плавно (падение русла реки не превышает 10 см на 1 км) по извилистому руслу в широкой долине с крутым правым и террасированным левым склонами. Русло реки извилистое и во многих местах прижато к правому склону долины, в строении которого на севере области до широты г. Воронежа принимают участие известняки, от Воронежа до южной границы области -мело-мергельные породы [333].
Климат Воронежской области умеренно-континентальный, с хорошо выраженными сезонами года. Область находится под влиянием воздушных потоков Атлантического океана, Европейско-Азиатского материка и Арктики. Летом со стороны Средиземного моря проникает тропический воздух, вызывая заметное повышение температуры. Весной юго-восточные ветры пустынь Средней Азии часто имеют характер суховеев. Циклоны с Атлантического океана приносят зимой обильные снегопады, а летом дожди. Холодный воздух Арктики в зимний период формирует ясную морозную погоду.
Суммы активных температур (за период со среднесуточной температурой выше 10 С составляет 2500-3000. Самым теплым, со среднемесячной температурой +19,6 — +21,8, является июль. Наиболее холодный месяц январь, средняя температура -8,5 10,5С. Абсолютный максимум температур воздуха в июле 43, абсолютный минимум 41С в январе [333].
Атмосферные осадки на территории области распределены неравномерно. Годовая сумма осадков уменьшается в направлении с северо-запада на юго-восток от 600-650 мм до 450 мм и менее. Наибольшее количество осадков выпадает в летний период, что свидетельствует о континентальном типе годового хода осадков. За теплый период (апрель-октябрь) выпадает 300-350 мм осадков, больше всего в июле (в г. Воронеже до 72 мм) в виде летних гроз. Около 1/3 осадков приходится на холодный период года (минимум 20-25 мм - на февраль). Снежный покров лежит около четырех месяцев, глубина его составляет от 25 см в северных районах до 10 см на юге. Колебания годовой суммы осадков наиболее выражены на юго-востоке области, где в период засух количество осадков резко сокращается (до 270 мм). Суммарная величина испарения для большей части области превосходит 400 мм. Коэффициент увлажнения в лесостепной зоне положительный и близок к 1,0, на юге в степной зоне отрицательный и составляет около 0,7. В целом климатические условия является благоприятным для развития земледелия, продолжительность вегетационного периода около 190 дней [333].
Почвы - важнейшее природное богатство Воронежской области. Около 80 % территории занимают черноземы и лугово-черноземные почвы [534, 536]. Черноземы - почвы открытых травянистых степей, где процессы выноса ослаблены из-за сухого летнего периода. Сплошное глубокое промывание почвы наблюдается только ранней весной и поздней осенью. Накоплению гумуса способствует карбонатность лёссовидных суглинков, подстилающих почву. Присутствие кальция закрепляет гумус в черноземах, затрудняет его вынос.
При движении с севера на юг меняются условия увлажнения, характер растительности и свойства чернозема. На севере и северо-западе области распространены выщелоченные черноземы, имеющие признаки вымывания, выражающиеся в том, что горизонт накопления карбонатов расположен ниже гумусового, в материнской породе. В северной половине области преобладают типичные черноземы с мощностью гумусового горизонта 70-90 см и содержанием гумуса в пахотном слое 7-8 %. В южной части области они замещаются черноземами обыкновенными с меньшими мощностью гумусового горизонта и содержанием гумуса, а на самом юге - южными черноземами [534],
В лесах и на полях, недавно освободившихся из-под леса, распространены серые лесные почвы. Содержание гумуса в темно-серых лесных почвах юга достигает 7-10 %. На надпойменных террасах встречаются массивы песчаных гумусированных почв с низким плодородием. Среди аллювиальных (пойменных) почв и в местах неглубокого залегания грунтовых вод наиболее плодородны луговые почвы с содержанием гумуса 4-6 % и наибольшей мощностью гумусового горизонта. Отдельными пятнами на территории области встречаются засоленые почвы: солоди, солонцы и солончаки [534-537].
В Воронежской области различают следующие типы местности: пойменный, надпойменно-террасовый, склоновый, плакорный, междуречный недренированный, останцово-водораздельный. Для правобережья реки Дон характерен склоновый или приречный тип местности с общим уклоном поверхности более 3. Много оврагов и балок, часть которых, занятых лесом, выделяют в особый тип урочищ байрачных лесов. Характерны урочища нагорных дубрав и березняков, . Распространен плакорный тип местности, представленный плоскими водораздельными равнинами, он занимает свыше 40 % общей площади области. Здесь фоновым урочищем являются остатки черноземных целинных степей, сейчас сплошь распаханные [333].
По ландшафтным зонам в Воронежской области выделяют лесостепную и степную зоны. Район наших исследований относится к подзоне типичной лесостепи. В составе лесостепей преобладают на серых лесных почвах дубравы, на песках - со 96 сновые боры, на типичных и выщелоченных черноземах - луговые степи со сплошным задернением почвы. На обыкновенных и южных черноземах распространены типчаково-ковыльные степи [333, 536].
Таким образом, наш объект изучения располагается в Западном Приворонежье на наиболее приподнятой (до 250 м) и расчлененной долинами, балками и оврагами части Среднерусской возвышенности. Эту территорию относят к Придонскому (правобережному) меловому району типичной лесостепи. Основными рельефобразующими породами здесь являются мел и мергель. Долины рек Воронежа, Девицы, Потудани и Ведуги широкие, водоразделы рек узкие. На плоских водоразделах и склонах междуречий развиты черноземы типичные и выщелоченные. Естественная растительность представлена небольшими байрачными и плакорными дубравами, островками степей и лугов. Лесами занято 7-8 % территории, полями - 60-80 %. Развитие получили ландшафты плакорного, склонового, надпойменно-террасового и пойменного типов местности. Наибольшую хозяйственную ценность представляет плакорный тип местности, на долю которого приходится около 50 % площади Западного Приворонежья.
Биодинамика, эколого-трофическая структура и потенциальная биологическая активность чернозема
Метод подсчета зачатков МО на плотных питательных средах использовался ранее для определения абсолютной численности так называемых "физиологических групп". Согласно современной теории строения МСО почвы (принципы дублирования и обратимости микробиологических процессов) реально таких изолированных групп в почве не существует. В то же время в ряде последних работ указывается на "новые возможности старого метода" [519, 521] - соотношение численности МО на различных питательных средах оказывается полезным для оценки экологической ситуации и отражает направленность процессов превращения веществ в почве в данный момент времени.
С этой позиции определяемая численность аммонификаторов (максимальный функциональный пул аммонификаторов) отражает потенциальную способность МСО почвы к минерализации органических азотсодержащих соединений евтрофной микрофлорой. Численность группы МО, выделяемых на средах с минеральными источниками азота, показывает потенциальную способность МСО почвы иммобилизовать азот в микробной биомассе. Численность разных групп олиготрофных МО характеризует напряженность процесса глубокой минерализации органики в бедных почвенных микрозонах. При этом в группу олигонитрофилов, кроме типичных оли-готрофов, входят также диазотрофы (азотфиксаторы), способные фиксировать молекулярный азот из воздуха. Численность автохтонной микрофлоры (педотрофы) отражает потенциальную способность МСО почвы к разрушению почвенного органического вещества. Относительные показатели эколого-трофической структуры (Кимм., Ко,-., Кпсд.) полезны для оценки соотношения процессов в почве экосистем в данный момент времени и направленности сукцессии МСО почвы.
Информативность указанных показателей эколого-трофической структуры МСО должна подтверждаться определением функциональной активности почвенной микрофлоры. Интенсивность эмиссии СО2 почвой является интегральным показателем уровня энергетического обмена почвенных МО. Рекомендуется определять не только субстрат-индуцированное дыхание - потенциальную возможность почвенной микрофлоры к утилизации легкометаболизируемого субстрата (глюкозы), но и минимальный (базальный) уровень активности нативной почвы, характеризующий состояние почвенной микрофлоры в естественных условиях. Микробный метаболический коэффициент qC02 (отношение базального дыхания к величине микробной биомассы, которая рассчитывается на основании субстрат-индуцированного дыхания) широко используется как показатель меры устойчивости МСО почвы к различным природным и антропогенным воздействиям [5, 56, 555]. Возрастание qC02 в стрессовых условиях указывает на более высокий экофизиологический статус МСО почвы [57, 60, 125,667], Потенциальная активность нитрогеназы характеризует максимальную способность почвы к азотфиксации в условиях полной обеспеченности энергетическим субстратом, а удельная активность (на 1 мкл С02) - долю диазотро-фов в общем МСО почвы.
Следует отметить, что для характеристики состояния МСО почвы важны не только относительные показатели, но и абсолютная численность и уровень минимальной и максимальной биологической активности почвенной микрофлоры.
Исследована сезонная биодинамика, эколого-трофическая и таксономическая структура МСО и биологическая активность чернозема выщелоченного лесостепной зоны в природных экосистемах вдали от городов и поселков, автотрасс и промышленных объектов. Климаграммы соответствующих лет наблюдений представлены в Приложениях А1-А4, характеристика точек отбора (фон) - в Приложениях А9-А10, сред-немноголетние данные по численности МО - на рисунке 3-1 и в Приложении Б1.
Весной после прогрева почвы (май) в черноземе природных ЭС в слое почвы 0-20 см высокая численность как евтрофной, так и олиготрофной группы почвенной микрофлоры (5-48 КОЕ/г) указывает на интенсивно протекающие процессы минерализации органических веществ и связывания азота в микробной биомассе. В слое 20-40 см численность указанных групп МО была в 2,2-3,6 раза ниже. Процесс иммобилизации азота снижает напряженность процессов нитри- и денитрификации, препятствует вымыванию растворимых нитратов из почвы, в дальнейшем запасенный в микробной биомассе азот значительно сильнее подвергается минерализации, чем азот почвы [409, 543]. Процесс микробной иммобилизации азота в почве можно рассматривать как положительный для ЭС в целом до тех пор, пока не нарушается азотное питание растений [464, 475].
Кимн. чернозема составлял 5,5-6,3, причем весной этот показатель для нижнего слоя 20-40 см превышал соответствующее значение для верхнего слоя (таблица 3-1). Коэффициенты олиготрофности чернозема весной были очень высокими (8,4-10,8), причем как потенциальный пул, так и доля олигонитрофилов в МСО (К01() были выше в верхнем слое почвы. Это указывает на активное протекание процессов глубокой минерализации органики и связывания азота в микробной биомассе почвы в холодные периоды года.
