Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы 13
1.1 .Микробно - растительные взаимодействия. Ризосфера — среда обитания микроорганизмов
1.2. Возможность применения почвенных микроорганизмов и биопрепаратов на их основе для повышения продуктивности сельскохозяйственных растений
1.3. Биологическая активность почв при нефтяном загрязнении 34
1.4. Рост и развитие растений на нефтезагрязненных почвах 41
1.5. Биопрепараты для рекультивации нефтезагрязненных почв 44
Глава 2. Материалы и методы исследований 51
2.1. Характеристика районов исследования 51
2.1.1. Метеорологические условия вегетационного периода 52
2.2. Постановка полевых и лабораторных экспериментов
2.2.1. Лабораторные исследования 55
2.2.2. Полевые исследования 56
2.2.3. Характеристика нефти, использованной в работе 57
2.2.4. Характеристика биопрепарата, использованного в работе 58
2.3. Методы исследований 59
2.3.1. Методика отбора почвенных проб 5 9
2.3.2. Методика определения содержания остаточных нефтепродуктов 60
2.3.3. Методы определения ферментативной активности почвы 60
2.3.4. Методы посева и учета почвенных микроорганизмов 61
2.3.5. Методы изучения структуры комплекса микромицетов 63
2.3.6. Методика определения содержания хлорофилла в растительном сырье
2.3.7. Методы исследования микотрофности корневой системы растений
2.3.8. Спектрофлуориметрический способ определения содержания 66
бенз(а)пирена в растениях
2.3.9. Методика определения тяжелых металлов в растительном сырье 66
2.3.10. Методика определения тяжелых металлов в почве 67
2.3.11. Определение содержания аскорбиновой кислоты в растительной ткани...
2.3.12. Определение содержания рибофлавина в растениях 68
2.3.13. Определение содержания пероксидаз и полифенолоксидаз в растениях
2.3.14. Определение содержания белка в зерне с реактивом Фолина 70
2.3.15. Определение содержания Сахаров в корнеплодах сахарной свеклы
2.3.16. Расчет экономической эффективности приемов применения биопрепарата
2.3.17. Статистическая обработка результатов 71
Глава 3. Влияние обработки семян и растений сахарной свеклы биопрепаратом «Метаболит» на биологическую активность чернозема выщелоченного, физиологические показатели роста и продуктивность растений и устойчивость в условиях нефтяного загрязнения
3.1. Биологическая активность чернозема выщелоченного 72
3.1.1. Микробные комплексы ризосферы и эдафосферы растений сахарной свеклы
3.1.2. Ферментативная активность чернозема выщелоченного под посевами сахарной свеклы
3.2. Биологическая активность чернозема выщелоченного, загрязненного нефтью, при обработке семян и растений сахарной свеклы биопрепа
ратом
3.2.1. Микробные комплексы ризосферы и эдафосферы растений сахарной свеклы в условиях нефтяного загрязнения
3.2.2. Интенсивность микоризации корня сахарной свеклы при обработке биопрепаратом в условиях ннефтяного загрязнения
3.2.3. Ферментативная активность чернозема выщелоченного, загрязненного нефтью, при обработке биопрепаратом «Метаболит»
3.3. Комплексы микроскопических грибов в черноземе выщелоченном 83
3.3.1. Численность микроскопических грибов в под посевами сахарной 83 свеклы при обработке биопрепаратом семян и растений
3.3.2. Численность микроскопических грибов под посевами сахарной свеклы при загрязнении чернозема нефтью
3.3.3. Видовое разнообразие микромицетов в ризосфере и филлосфере сахарной свеклы при обработке биопрепаратом
3.3.4. Видовое разнообразие микромицетов в ризосфере сахарной свеклы, выращенной на нефтезагрязненном черноземе
3.4. Морфофизиологические показатели и продуктивность сахарной свеклы
3.4.1. Морфологические показатели роста и развития растений сахарной свеклы при обработке семян и посевов биопрепаратом
3.4.2. Динамика накопления надземной и подземной массы растениями сахарной свеклы при обработке биопрепаратом «Метаболит» и загрязнения чернозема нефтью
3.4.3. Влияние обработки семян и растений биопрепаратом «Метаболит» на формирование ассимиляционной поверхности
3.4.4. Площадь листовой поверхности растений сахарной свеклы в условиях нефтяного загрязнения чернозема
3.4.5. Содержание хлорофилла в листьях сахарной свеклы при обработке биопрепаратом и загрязнении чернозема нефтью
3.4.6. Содержание аскорбиновой кислоты в листьях и корнеплодах сахарной свеклы при обработке биопрепаратом и загрязнении чернозема нефтью
3.4.7. Накопление сахарозы и урожайность сахарной свеклы при обработке семян и растений биопрепаратом и загрязнении нефтью чернозема
3.5. Содержание токсикантов в растениях и черноземе выщелоченном под посевами сахарной свеклы при загрязнении нефтью
3.5.1. Содержание остаточных нефтепродуктов в черноземе под посевами сахарной свеклы
3.5.2. Накопление бенз(а)пирена в растениях сахарной свеклы, выращенной на нефтезагрязненном черноземе
3.5.3. Содержание тяжелых металлов в растениях сахарной свеклы и черноземе в условиях загрязнения нефтью
3.6. Экономическая оценка применения биопрепарата 113
Глава 4. Влияние обработки семян и растений яровой пшеницы биопрепаратом «Метаболит» на биологическую активность чернозема выщелоченного, физиологические показатели роста и продуктивность растений и устойчивость в условиях нефтяного загрязнения
4.1. Биологическая активность чернозема выщелоченного в ризосфере и эдафосфере яровой пшеницы, семена и растения, которых обработаны биопрепаратом
4.1.1. Численность микроорганизмов и интенсивность микоризации подпосевами яровой пшеницы
4.1.2. Ферментативная активность чернозема выщелоченного в ризосфере и эдафосфере яровой пшеницы
4.2. Биологическая активность нефтезагрязненного чернозема под посевами яровой пшеницы при обработке семян и растений биопрепаратом
4.2.1. Комплексы микроорганизмов ризосферы и эдафосферы растений яровой пшеницы в условиях нефтяного загрязнения
4.2.2. Активность ферментов нефтезагрязненного чернозема под посевами яровой пшеницы при обработке семян и растений биопрепаратом
4.3. Комплексы микроскопических грибов под посевами яровой пшеницы при обработке биопрепаратом и в условиях нефтяного загрязнения чернозема
4.4. Рост, развитие и продуктивность растений яровой пшеницы при обработке семян и посевов биопрепаратом
4.4.1. Влияние обработки семян биопрепаратом на показатели роста яровой пшеницы
4.4.2. Влияние обработки семян и посевов яровой пшеницы биопрепаратом на ее продуктивность
4.5. Влияние обработки биопрепаратом на морфофизиологичекие показатели роста, развития и продуктивность яровой пшеницы, выращенной в условиях нефтяного загрязнения чернозема
4.5.1. Морфологические показатели роста и развития растений пшеницы 135 после загрязнения чернозема нефтью
4.5.2. Содержание хлорофилла в листьях растений яровой пшеницы 138
4.5.3. Содержание аскорбиновой кислоты в листьях яровой пшеницы 139
4.5.4. Содержание рибофлавина в растениях яровой пшеницы 141
4.5.5. Активность оксидаз при выращивании растений яровой пшеницы на черноземе, загрязненном нефтью
4.5.6. Продуктивность яровой пшеницы в условиях нефтяного загрязнения чернозема и при обработке биопрепаратом
4.5.7. Содержание остаточных нефтепродуктов в черноземе под посевами яровой пшеницы
4.6. Экономическая оценка применения биопрепарата 149
Заключение 150
Рекомендации производству 156
Выводы 157
Список литературы
- Возможность применения почвенных микроорганизмов и биопрепаратов на их основе для повышения продуктивности сельскохозяйственных растений
- Характеристика биопрепарата, использованного в работе
- Микробные комплексы ризосферы и эдафосферы растений сахарной свеклы в условиях нефтяного загрязнения
- Численность микроорганизмов и интенсивность микоризации подпосевами яровой пшеницы
Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время проблемам экологизации агро-производства уделяется большое внимание, т.к. во всем мире возрос интерес к производству экологически безопасной и чистой растительной продукции, не содержащей тяжелых металлов, радионуклидов, пестицидов, микотокси-нов и других токсических поллютантов.
Одной из технологий экологизации земледелия является применение микробных препаратов. Новые биопрепараты, созданные на основе живых микроорганизмов или их метаболитов, обладают ростстимулирующими свойствами, имеют антистрессовую и иммуномодулирующую активность, в том числе повышают устойчивость растений к фитопатогенной инфекции, влиянию других негативных антропогенных факторов (Гельцер, 1990; Ba-shan, 1998; Логинов, 2005; Мелентьев, 2007; Белимов и др., 2010). Обработка растений биологическими препаратами на основе штаммов симбиотических микроорганизмов, обладающих комплексом свойств, способствующих повышению микробного разнообразия ризосферы, является перспективным способом повышения урожайности сельскохозяйственных культур (Тихонович, Круглов, 2005).
Кроме того, ризосферные микроорганизмы или их метаболиты, являющиеся основой биопрепаратов, способны повышать устойчивость сельскохозяйственных растений к влиянию таких антропогенных факторов, как тяжелые металлы (Белимов, 2008; Шабаев, Мальцева, 2010), засоление (Sara-vanakumar et al, 2007; Egamberdieva, 2009) и др.
Однако в литературе отсутствуют данные об эффективности применения микроорганизмов–симбионтов или их метаболитов при выращивании сельскохозяйственных растений на нефтезагрязненных почвах. Показано, что эктомикоризные и бактериальные ассоциации ускоряют деградацию в почве некоторых ксенобиотиков (Meharg, Cairney, 2000).
Цель данной работы – оценка влияния биопрепарата «Метаболит», полученного на основе ассоциативных микромицетов облепихи, относящихся к числу грибов-ассоциантов Scopulariopsis acremonium, на биологическую активность чернозема выщелоченного и продуктивность сельскохозяйственных культур, а также его стресспротекторного и детоксицирующего эффекта в условиях нефтяного загрязнения.
Задачи исследований
-
Установить закономерности воздействия нефтяного загрязнения на биологические свойства чернозема выщелоченного под посевами сахарной свеклы и яровой пшеницы: численность и активность микроорганизмов, структуру почвенных микоценозов, фитотоксичность, ферментативную активность и физиолого-биохимическое состояние и продуктивность растений.
-
Исследовать влияние биопрепарата «Метаболит» на микробиологические и ферментативные процессы в черноземе выщелоченном под посевами сахарной свеклы и яровой пшеницы и оценить эффективность его
применения для нормализации фитосанитарного состояния посевов в условиях нефтяного загрязнения.
-
Изучить антистрессовый эффект биопрепарата «Метаболит» для растений сахарной свеклы и яровой пшеницы в условиях нефтяного загрязнения.
-
Оценить возможность использования биопрепарата «Метаболит» для ускорения разложения нефти под посевами растений.
Научная новизна. Впервые показано, что использование биопрепарата «Метаболит», представляющего собой биологически активные вещества гриба-ассоцианта, выделенного из корней облепихи, для обработки семян растений сахарной свеклы, является эффективным приемом, оказывающим стимулирующее действие на биологическую активность чернозема выщелоченного, микотрофность корней, урожайность и продуктивность растений. Обработка семян и растений биопрепаратом «Метаболит» снижает численность и видовое разнообразие фитопатогенных микромицетов в ризосфере сахарной свеклы и яровой пшеницы.
Показано положительное влияние биопрепарата «Метаболит» на биологическую активность чернозема выщелоченного, продуктивность яровой пшеницы и сахарной свеклы в условиях нефтяного загрязнения. Применение биопрепарата способствует нормализации численности микроорганизмов и ферментативной активности в ризосфере сахарной свеклы на нефтеза-грязненных почвах. Получены новые данные по детоксицирующему и стресспротекторному действию биопрепарата «Метаболит» при воздействии нефти на растения сахарной свеклы и яровой пшеницы.
Практическая значимость диссертации заключается в решении одной из задач прикладной экологии – сохранении и повышении плодородия почв и регуляции продукционных процессов, обеспечивающих получение высоких урожаев за счет использования микробного препарата в условиях нефтяного загрязнения.
Полученные результаты исследований могут быть использованы при выборе методов активации микробоценозов почвы и повышения урожайности сельскохозяйственных культур. Биопрепарат «Метаболит» был предложен для внедрения в практику восстановления плодородия нефтезагрязнен-ных почв. Результаты исследований могут быть использованы в учебном процессе в рамках дисциплин «Рекультивация нарушенных земель», «Биология почв», «Экология почв» и др.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Биологическая активность выщелоченного чернозема и урожайность сахарной свеклы и яровой пшеницы возрастают при обработке семян и растений биопрепаратом «Метаболит», а численность фитопатогенных форм микромицетов снижается.
-
Применение «Метаболита» для обработки семян и посевов сахарной свеклы и яровой пшеницы восстанавливает структуру микробного комплек-
са ризосферы растений и способствует нормализации физиолого- биохимических показателей в условиях нефтяного загрязнения почвы.
Личное участие автора. Автор провела аналитический обзор литературы, принимала непосредственное участие в закладке лабораторных и полевых опытов, обработке полученных экспериментальных данных, анализе и обобщении результатов исследований.
Обоснованность выводов и достоверность результатов работы обеспечены большим объемом лабораторных и полевых экспериментов с применением современных методов. Результаты обработаны математически.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены на Международных и Всероссийских конференциях: «Студент и аграрная наука» (Уфа, 2008), «Инновационные подходы к естественно- научным исследованиям и образованию» (Казань, 2009), «Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития» (Киров, 2009), «Проблемы экологии Южного Урала» (Оренбург, 2009), «Природоохранные биотехнологии в XXI веке» (Казань, 2010), «Научные проблемы использования и охраны природных ресурсов России» (Самара, 2010), «Проблемы и перспективы изучения естественных и антропогенных экосистем Урала и прилегающих регионов» (Стерлитамак, 2010), «Адаптация биологических систем к естественным и экстремальным факторам среды» (Челябинск, 2010), «Актуальные аспекты современной микробиологии» (Москва, 2010), «Современные проблемы экологии» (Москва, 2010), «Безопасность жизнедеятельности: проблемы и пути их решения» (Уфа, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, выводов, списка литературы, включающего 395 источника, в том числе 161 на иностранных языках, и приложения. Работа изложена на 217 страницах машинописного текста, иллюстрирована 24 рисунками и содержит 24 таблицы и 12 таблиц в приложении.
Возможность применения почвенных микроорганизмов и биопрепаратов на их основе для повышения продуктивности сельскохозяйственных растений
Устойчивость состава биоценозов и популяций видов в едином комплексе биотических элементов определяется их совместной коэволюцией, где имеет место все разнообразие их взаимоотношений. Не составляют исключения в этом отношении и биоценозы почв, представленные множеством видов различных организмов, для которых почва является единым материнским лоном с трофическими, регуляторными и другими функциями (Ковда, 1981).
В настоящее время экологически ориентированное управление агро-экосистемами с обедненным биоразнообразием и значительными затратами антропогенной энергии направлено на раскрытие полного биологического потенциала ее природных компонентов - растений и микроорганизмов. Согласно современным представлениям растение выступает организатором целостного сообщества микроорганизмов, выполняющих множество функций для растений. Микробные компоненты системы способствуют повышению экологической самодостаточности растительного организма, повышая устойчивость системы к биотическим и абиотическим стрессовым факторам окружающей среды. Для поддержания этого консорциума растение предоставляет множество ниш (поверхность органов, ткани и клетки) и отдает микроорганизмам часть своих ресурсов (Тихонович, Проворов, 2007).
Ассоциированные с растением бактерии в естественных и искусственных экосистемах играют ключевую роль в приспособлении растений к изменяющимся условиям среды (Hallman et al., 1997; Sturz, Novak, 2000). Они мо гут оказывать благоприятное воздействие на здоровье сельскохозяйственных культур, урожай и качество почвы (Kloepper et al., 1989; Sturz, Nowak, 2000), способны перестраивать метаболизм растительной клетки так, что растение эффективнее приспосабливается к стрессу, быстрее реагирует на изменяющиеся условия среды (Conrath et al., 2002; Welbaum et al., 2004).
Микроорганизмы, находящиеся в ассоциации с растительным организмом, могут быть разделены по пространственному местоположению на экто-фиты, обитающие на поверхности растений, и эндофиты, населяющие внутренние растительные ткани. В свою очередь эктофиты могут являться филло-сферными, находясь на листьях, ризосферными, обитая в прикорневой зоне растений, и ризоплановыми, населяя непосредственно поверхность корня.
Ризосфера является активно изменяющейся средой, где взаимодействуют микроорганизмы, корни растений и абиотические компоненты почвы (Лабутова, 2009).
Ризосфера является одним из немногих мест в почве, где вероятен быстрый рост микроорганизмов за счет постоянного притока корневых выделений, используемых бактериями для роста и метаболизма (Barber, Lynch, 1977). Л. Гильтнер впервые ввел понятие ризосфера - зона почвы, находящаяся в непосредственной сфере влияния корневой системы и обладающая специфическими свойствами (Hiltner, 1904). Дж. Линч в 1990г. классифицировал зоны ризосферы: эндоризосфера — поверхностные клеточные слои внутри самого корня, ризоплана — внешняя поверхность корня, экторизосфе-ра - зона почвы, окружающая корень (Lynch, 1990). Протяженность ризо-сферной зоны в радиальном направлении составляет 390-640мкм от поверхности корня (Ortas, 1997).
Концентрация микроорганизмов в прикорневой зоне превышает концентрацию в основной массе почвы. Коэффициент ризосферного эффекта представляет собой отношение численности микроорганизмов в корневой зоне к количеству микроорганизмов, обитающих вне влияния корней (Katz nelson, 1964; Кожевин, 1989). Коэффициент ризосферного эффекта для раз личных видов растений варьирует от 2 до 200 (Riviere, Chalvingae, 1971).
На структуру формирующегося комплекса ризосферной микробиоты оказывает влияние не только вид растения (Wieland et al., 2001; Berg et al., 2002; da Mota et al., 2002; Schmalenberger, Tebbe, 2002), но и его физиологическое состояние (Vrany et al., 1962), а также агроэкологические условия, в которых это растение произрастает (van Elsas et al., 1986). Это - тип почвы (Красильников, 1958; Wieland et al., 2001), влажность почвы (Умаров, 1986; Cook et al., 1986), температура (Yang, Crowley, 2000), кислотность почвы (Климашевский, 1988), осмотическое давление среды (Polonenko et al., 1984), применяемые удобрения (Берестецкий, 1978), условия аэрации (Trolldenier, Hecge - Buchhotz, 1984).
В ризосфере активнее размножаются грамотрицательные неспорообра-зующие палочки, а грамположительные спорообразующие бациллы более многочисленны в удаленной от корней почве — эдафосфере (Riviere, Chalvig-nae, 1971). В ризоплане и примыкающей к ней зоне ризосферы микробное разнообразие существенно выше, чем в более удаленной от корней почве (Foster, Rovira, 1976; Tarn et al., 2001). В ризосферных популяциях происходит интенсификация рекомбинационных процессов, приводящих к повышению биоразнообразия ризобактерий (Лукин, Прозоров, 1994; van Elsas et al., 1988). Основную часть микроорганизмов ризосферы составляют гетеротро-фы, утилизирующие корневые выделения растений (Nehl et al., 1997). Поэтому непосредственные взаимодействия микроорганизмов через выделения антибиотиков, сигнальных веществ и других экзометаболитов происходит на фоне межвидовой конкуренции за ресурсы, что является одним из основных факторов, влияющих на выживание микроорганизмов в ризосфере (Белимов с соавт., 1999; Ikeda et al., 1998). В условии конкурентных взаимоотношений в почве доминирующую роль играют популяции, обладающие возможностью роста в ризосфере (Звягинцев и др., 1982), они оказываются более активными и размножаются быстрее, чем бактерии из более отдаленной почвы (Rovira, 1956).
Характеристика биопрепарата, использованного в работе
Агрометеорологические условия за годы проведения опытов были различными, что способствовало объективной оценке изучаемого материала. Погодные условия приводятся по данным метеостанции Уфа-Дема.
Погодные условия 2007 г. Средняя температура воздуха в течение всего периода вегетации была близка к среднемноголетним величинам этих показателей. Общее количество осадков за период вегетации составило 226 мм, при среднемноголетней величине (380 мм), однако распределение их наблюдалось крайне неравномерно.
Средняя за апрель температура воздуха была близка к норме и составила 3,5-5,0С.
Май характеризовался достаточным увлажнением (сумма осадков — 31 мм). В целом средняя за месяц температура воздуха колебалась от 11,5 до 15,5С, что выше нормы на 1-2 С. Переход среднесуточных температур воздуха через 10С в 1-й декаде мая.
Июнь был холоднее нормы на 1-2С и среднемесячная температура воздуха составила 13,0-17,0С. Сумма осадков за месяц составила 71 мм, что на 22% выше среднемноголетней. В июле среднесуточная температура воздуха была на уровне среднемно-голетней и составила 19,6С. Сумма осадков за месяц составила 54 мм (средне-многолетняя 60 мм).
Август характеризовался повышенной температурой воздуха и недостатком влаги (средняя температура воздуха составила 21,5С, обильные осадки наблюдались лишь в последнюю неделю месяца). Сумма осадков за месяц составило 30 мм.
В целом вегетационный период 2007 г. был благоприятен для роста, развития и формирования урожая, изучаемых культур.
Переход среднесуточных температур воздуха через 15С осуществился в 3-й декаде августа - 2-й декаде сентября (норма — 3 декада августа), переход через 10С - 3-й декаде сентября — 1-й декаде октября (норма — 2-3 декада сентября), переход через 5С — во 2 декаде октября (норма — 1 декада октября). Осенний переход среднесуточных температур воздуха через 0С произошел во 3-й декаде октября, что соответствовало норме. Погодные условия 2008 г. Средняя за апрель температура воздуха составила 12,8С. Первая декада мая отличалась неустойчивым характером погоды. Средняя температура воздуха колебалась в пределах 10-14С. Во второй декаде мая сохранился неустойчивый характер погоды. Средняя температура воздуха составила 20-21,1С. Последняя декада мая была дождливой. Средняя температура воздуха колебалась от 18 до 19,9С.
В целом средняя за месяц май температура воздуха колебалась от 19,2 до 21,1 С. За месяц выпавшее количество осадков составило 32,5 мм, что благоприятно повлияло на весеннее отрастание озимых зерновых. В целом июнь был достаточно теплым, среднемесячная температура воздуха составила 23,1 С. Сумма осадков за месяц составила 29,1 мм. В течение первой декады июля продолжал удерживаться неустойчивый характер погоды, когда жаркие солнечные дни сменялись прохладными и пасмурными с кратковременными дождями. Среднесуточная температура воздуха колебалась в пределах 24-25,5С. Вторая декада июля была теплее. Среднесуточная температура воздуха составляла около 30,0С. Выпадение осадков в течение декады практически не отмечалось. В третьей декаде июля стояла теплая погода с осадками различной интенсивности. Средняя температура воздуха за декаду составила 27,4С. Сумма осадков за месяц составила 13,8 мм.
Средняя за август 2008 года температура воздуха была в пределах 25,6С, что было теплее по сравнению с прошлым 2007 годом. Сумма осадков за месяц составила 46,5 мм.
Переход среднесуточных температур воздуха через 15С осуществился в I-II декадах сентября (норма — 3 декада августа), переход через 10С - 1-й декаде октября (норма - 2-3 декада сентября). В сентябре сумма осадков составила 41 мм.
Погодные условия 2009 г. 2009 год был менее благоприятным, остро засушливым, дефицит влаги сопровождался повышенной температурой воздуха и низкой его влажностью.
Сумма осадков за май составила 47,2 мм. Наибольший недобор атмосферных осадков наблюдался в июне (месячная сумма осадков составила 8,2 мм), что отрицательно сказалось на цветении и наливе яровых ранних и поздних культур.
В течение первой декады июля продолжал удерживаться неустойчивый характер погоды, когда жаркие солнечные дни сменялись прохладными и пасмурными с кратковременными дождями. В третьей декаде теплая погода сменилась прохладной (ГТК = 0,9) Среднесуточная температура воздуха колебалась в пределах 27,7С. Во второй декаде июля среднесуточная температура воздуха составляла около 31,0С. Выпадение осадков в течение декады практически не отмечалось. В третьей декаде июля стояла теплая погода с осадками различной интенсивности. Средняя температура воздуха за декаду составила 28,4С. За июль с осадками выпало 41,4 мм воды. Средняя за август температура воздуха была в пределах 26,2С, что было теплее по сравнению с прошлым 2008 годом. Сумма выпавших осадков за месяц август составила 89,2 мм. Очень теплый сентябрь теплее нормы на 2-3С. Осень выдалась продолжительная теплая до конца ноября. Погодные условия 2010 г.
В условиях 2010 года основным лимитирующим фактором в формировании урожая сельскохозяйственных культур явилось отсутствие влаги. Вегетационный период 2010г. характеризовался острой засухой на протяжении всего роста растений: среднемесячная температура воздуха в мае — августе была на 3,7- 5,4С выше среднемноголетних значений, при этом осадков выпало в мае 55%) от нормы, июне- 8,8%, июле 7,9%. В первой декаде августа осадков не было, во второй - 22,6% от нормы, в 3 декаде выпало в 2,6 раза больше нормы, что не оказало существенного влияния на формирование урожая.
Микробные комплексы ризосферы и эдафосферы растений сахарной свеклы в условиях нефтяного загрязнения
Критерием эффективности детоксицирующей активности биопрепарата служило содержание хлорофилла в листьях свеклы, поскольку рост растения и его биологическая продуктивность - результат фотосинтетической деятельности листа, от которой зависит продуктивность растения.
Изолированное воздействие экзометаболитами ассоциативного гриба организмов облепихи активизировало биосинтез хлорофилла а и b (табл.10). Проведенные исследования показали, что внесение нефти в чернозем вызывало угнетение процессов фотосинтеза в листьях свеклы, в первую оче редь хлорофилла а (рис.6). Не исключено, что основной причиной снижения содержания хлорофилла в листьях являлось токсическое действие серы и ухудшение воздушного режима почвы.
Спектральные характеристики экстрактов пигментов листьев сахарной свеклы при совместном действии нефти и метаболита. 1. Контроль (без биопрепаратов и нефтяного загрязнения, фоновая почва); 2. Обработка семян и растений сахарной свеклы биопрепаратом; 3. Загрязненная нефтью почва; 4. Обработка семян и растений биопрепаратом + загрязнение почвы нефтью. Обработка семян и растений биопрепаратом, вызывало активизацию процесса фотосинтеза в листьях сахарной свеклы при выращивании на черноземе, загрязненном нефтью.
Очевидно, что метаболиты ассоциативной культуры гриба улучшают минеральный обмен в ризосфере свеклы. Известно, что свекла чрезвычайно чувствительна к дефициту железа (Morales et al., 1991). С нашей точки зрения ключевым моментом при воздействии нефти на почву является возрастание содержания серы в почве, поскольку образцы башкирской нефти богаты сернистыми соединениями.
Как известно, сера является эссенциальным элементом, оказывающим существенное влияние на развитие корнеплодов. Сера необходима для синтеза биотина, тиамина, коэнзима А, глутатиона и других коферментов. Сахарная свекла относится к культурам особенно чувствительным к дефициту серы (Kastori et al., 2000). Дефицит серы вызывает резкое снижение скорости и квантового выхода фотосинтеза в результате снижения эффективности реакций фотосистемы П. В исследованиях Н. Терри (Terry, 1976) показана практически линейная зависимость между содержанием серы в листьях сахарной свеклы и активностью фотосинтеза. Наличие серы в почве предопределяет устойчивость Beta vulgaris к токсическому действию кадмия (Popovic, 1996).
Положительное действие серы на метаболизм растения потенцируется активизацией деятельности симбиотических микроорганизмов, также нуждающихся в сере. Следует отметить, что положительное действие симбионтов на качество сахарной свеклы наблюдается и при действии других микроорганизмов (Крафт, 2004).
Содержание аскорбиновой кислоты в листьях и корнеплодах сахарной свеклы при сочетанием воздействии биопрепарата и нефти
Одним из веществ, занимающих доминирующее положение во внутриклеточной и внеклеточной антиоксидантной защите, является аскорбиновая кислота. Антиоксидантная система участвует в процессах нейтрализации продуктов окислительного стресса. Следовательно, показатель уровня содержания аскорбиновой кислоты можно использовать для оценки физиологического состояния растений, выращенных на загрязненных поллютантами почвах. При обработке растений сахарной свеклы биопрепаратом «Метаболит» не наблюдалось достоверных различий в содержании аскорбиновой кислоты в листьях и корнеплодах сахарной свеклы (табл. 11). При загрязнении почвы нефтью содержание аскорбиновой кислоты увеличилось как в листьях, так и в корнеплодах. Сходные данные получены Р.А. Афанасьевым с соавт. (2006) при изучении влияния нефтяного загрязнения почвы на рост и развитие редиса и картофеля. Ухудшение условий минерального питания, наблюдаемое в условиях нефтяного загрязнения, вызывает в качестве защитной реакции повышение содержания витамина С в листьях и корнеплодах сахарной свеклы. При обработке биопрепаратом в листьях и корнеплодах сахарной свеклы, выращенный на нефтезагрязненной почве, содержание аскорбиновой кислоты превышало фоновый уровень. Таким образом, в условиях техногене-за наблюдалось накопление аскорбиновой кислоты и, следовательно, происходила интенсификация окислительно-восстановительных процессов, что в свою очередь, способствовало поддержке жизнедеятельности растений в экологически неблагоприятных условиях. При обработке семян и растений сахарной свеклы биопрепаратом содержание витамина С в этих культурах на загрязненном черноземе падало, особенно в листьях.
Обработка семян и посевов сахарной свеклы биопрепаратом, как видно из результатов исследований, приведенных в 3.4.1- 3.4.6. внесла значительные изменения в физиологические процессы и формирование габитуса растения, что отразилось на конечной продуктивности культуры. Данные таблицы 12 показывают, что, применение биопрепарата «Метаболит» во все годы наблюдений (2007- 2010г.г) способствовало как увеличению сахаристости корнеплодов, так и повышению урожайности сахарной свеклы и выхода сахара. Так, например, урожайность корнеплодов увеличилась, в среднем, на 10% в сравнении с контрольным вариантом с одновременным увеличением сахаристости. Погодные условия 2010 г отличались крайне низким содержание влаги. Обработка биопрепаратом несколько увеличивала урожайность сахарной свеклы.
Полученные данные согласуются с результатами А.А. Клинцаре (1975), установившим, что продукты метаболизма Pseudobacterium lacticum 392 активизируют биохимические процессы в прорастающих семенах сахарной свеклы. Автором показано, что физиологически активные соединения, находящиеся в продуктах метаболизма этой бактериальной культуры, ускоряют ферментативные и стимулируют ростовые процессы, за счет чего увеличивается масса корней и надземных органов, что, в конечном итоге, приводит к увеличению урожая растений сахарной свеклы. Аналогичным образом, биопрепарат Вермистим, состоящий из комплекса биологически активных веществ и почвенных микроорганизмов, при обработке семян и посевов сахарной свеклы давал прибавку урожая при увеличении сахаристости корнеплодов (Винаров и др., 2006).
Численность микроорганизмов и интенсивность микоризации подпосевами яровой пшеницы
Повышение урожайности сельскохозяйственных культур применением интенсивных технологий, то есть внесением минеральных удобрений, пестицидов и стимуляторов роста позволяет получить сиюминутную практическую пользу в виде дополнительного продукта, но осуществляется это при обострении экологических проблем, а именно деградации и загрязнении почв. Минеральные удобрения и пестициды являются источником загрязнения почвы тяжелыми металлами и другими, устойчивыми к разложению пол-лютантами (Шерстобоева, Глобенко, 2010).
Альтернативные агротехнологии, при которых используются биологические средства повышения продуктивности сельскохозяйственных культур, направлены на реализацию природного потенциала растительно-микробных взаимодействий. Они не оказывают химического прессинга на агроэкосисте-му, поэтому их применение более целесообразно с экологической точки зрения.
В комплексе природных и антропогенных факторов, которые влияют на формирование плодородия почвы, ведущая роль принадлежит биохимической деятельности микроорганизмов. Последние являются наиболее реактивной составляющей биогеоценозов, что обусловлено огромной поверхностью контакта со средой, разнообразием биохимических функций и высокой физиологической активностью. Они выступают в природе как мощные химические реагенты, которые способны необыкновенно быстро реагировать на антропогенные воздействия, трансформировать, аккумулировать и рассеивать химические вещества и т.д. Продукты жизнедеятельности микроорганизмов (экзометаболиты) содержат значительные количества физиологически активных веществ (в том числе фитогормонов, витаминов, аминокислот и т.д.), которые являются активными стимуляторами, воздействующими на рост и развитие растений и способствуют увеличению их продуктивности.
Среди микробов - ассоциантов большую роль играют микроскопические грибы. В данной работе представлены данные о влиянии предпосевной обработки семян и посевов растений двух сельскохозяйственных культур — сахарной свеклы {Beta vulgaris L., сорт Милан - техническая культура) и яровой пшеницы {Triticum aestivum L., сорт Жница - зерновая культура) биопрепаратом «Метаболит», представляющим культуральную жидкость гриба -ассоцианта Scopulariopsis acremonium (Delacr.) Vuill, выделенного из корней трехлетней облепихи. Обработка семян и посевов сахарной свеклы, в первую очередь, активизировала микробиологические и биохимические процессами в черноземе под растениями, увеличивала численность отдельных эколого-трофических групп микроорганизмов и ускоряла, тем самым, процессы трансформации сложных биополимеров в почве. Это, в конечном счете, улучшало питание данной культуры по макроэлементам. Активизация ферментативных процессов способствовала детоксикации различных ксенобиотиков, усилению процессов гумификации в почве. Под влиянием обработки биопрепаратом более чем в два раза увеличились как частота микоризной инфекции, так и интенсивность микоризации корня, что свидетельствует об улучшении фосфорного и водного режимов в черноземе под посевами.
Обработка семян растений сахарной свеклы увеличивала их всхожесть на 10%, вес 100 проростков в фазу 1-й пары настоящих листьев на 9,6%, длину проростков и массу, оказала выраженное стимулирующее действие на рост и развитие растений, активизировала корнеобразование и повышала их болезнеустойчивость и снижала распространенность болезни.
Так, например, после смыкания рядков в посевах сахарной свеклы патогенные грибы могут повреждать ее, поражая листья. Вред состоит в том, что листья отмирают и образуются новые. Преждевременные потери ассимиляционной площади и затраты запасных веществ корней для новообразования листьев вызывают снижение урожайности, но прежде всего снижение содержания сахара, ухудшение качества корнеплодов. Обработка семян и посевов сахарной свеклы биопрепаратом «Метаболит» снижала численность микроскопических грибов в ризосфере растений, меняла видовое разнообразие, при этом частота встречаемости патогенных для этой культуры микроскопических грибов снижалась. Схожая картина наблюдалась и в филлосфе-ре (на поверхности листьев), где «Метаболит» способствовал значительному уменьшению доли фитопатогенных грибов. Все выше сказанное улучшало фитосанитарное состояние посевов сахарной свеклы.
Очевидно, воздействуя через гормональный статус растений, препарат вызывал изменения в биохимических процессах, ускорял как проростание семян, так увеличивал массу корней, площадь фотосинтетической поверхности, повышал устойчивость растений, что и способствовало повышению урожайности корнеплодов и их сахаристости.
Использование биопрепарата «Метаболит» для обработки семян и растений яровой пшеницы так же оказался эффективным приемом, оказывающим стимулирующее действие на биологическую активность чернозема под посевами этой культуры, микотрофность корней, всхожесть семян, ассимиляционную поверхность листьев, урожайность и продуктивность, как и в случае сахарной свеклы. Аналогичным образом, обработка семян и посевов способствовала снижению численности и видового разнообразия патогенных микромицетов в ризосфере яровой пшеницы.
Очевидно, «Метаболит» восполняет дефицит важных биологически активных веществ у растений или влияет на доступность элементов питания для них. Например, известно (Гельцер, 1990), что при дополнительном внесении витаминов в почву содержание их в растениях увеличивается. Другим, не менее важным свойством, на наш взгляд, является способность проявлять эффект биоконтроля среды и подавлять рост грибов - фитопатогенов, что, в свою очередь служит одним из главных механизмов стимуляции роста растений
