Введение к работе
Актуальность работы. Функционирование системы почва - микробное сообщество – растения определяет напряженность круговоротов биогенных элементов в экосистемах. Состав и структура микробного сообщества (МСО) и биологическая активность почвы предлагаются в качестве информативных параметров ранней биоиндикации для оценки уровня загрязнения, развития почвоутомления, так как микроорганизмы обладают высокой чувствительностью.
Регуляцию функционирования системы почва - микробное сообщество - растения традиционно объясняют трофическими связями компонентов (Мирчинк, 1988; Звягинцев и др.,2003). Эдификаторами являются растения, чьи прижизненные ризодепозиты достигают 30-40% от общего объема фотоассимилятов (Умаров,1986). Это корневые экссудаты (сахара, органические и аминокислоты, спирты, гормоны, витамины), полисахаридные слизи (муцигель), слущивающиеся клетки растущего корня, летучие органические вещества. Состав ризодепозитов значительно варьирует у растений разных семейств и определяет состав и структуру почвенного МСО. Биодинамика почвенной микрофлоры при разложении растительных остатков также зависит от состава растительных биополимеров.
Другим механизмом регуляции системы являются «метаболические» связи с помощью биологически-активных вторичных метаболитов (Одум, 1986; Лукнер, 1989). По нашему предположению, «метаболическая» регуляция может быть наиболее выражена у лекарственных растений. Они накапливают биологически-активные вещества (БАВ): гормоны, алкалоиды, гликозиды, эфирные масла, дубильные вещества, фенолы, флавоноиды и т.д. Выделение БАВ в составе ризодепозитов в период вегетации может оказывать влияние на состав и структуру МСО и биологическую активность почвы. Неизвестно, влияют ли БАВ на процесс разложения растительной биомассы лекарственных растений
Представляет также интерес изучить обратное влияние МСО на растения. Ряд авторов связывают рост фитотоксической активности почвы при антропогенных воздействиях с развитием микробного токсикоза (Билай, 1984; Свистова, 2005).
Практически неясна роль третьего компонента системы – почвы. Имеются разрозненные данные о влиянии растений на состояние почвенно-поглощающего комплекса (ППК), о чувствительности МСО к кислотности почвы.
Целью работы являлось изучение влияния вторичных метаболитов лекарственных растений различных семейств на состав микробного сообщества и биологическую активность чернозема выщелоченного.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
-
Изучить динамику МСО и биологической активности чернозема выщелоченного под монокультурами лекарственных растений разных семейств в течение сезона вегетации;
-
Изучить биодинамику чернозема выщелоченного в процессе компостирования мортмассы лекарственных растений разных семейств;
-
Оценить влияние лекарственных растений в период вегетации и в процессе разложения мортмассы на видовой состав и структуру комплекса микромицетов чернозема выщелоченного;
-
Оценить влияние выращивания лекарственных растений в монокультуре на состояние почвенно-поглощающего комплекса чернозема;
-
Выявить роль «метаболических» связей в функционировании системы почва – микробное сообщество – лекарственные растения;
-
Предложить информативные параметры биоиндикации чернозема выщелоченного при разработке севооборотов лекарственных растений.
Объект исследования. Объектом исследования являлось микробное сообщество чернозема выщелоченного под монокультурами лекарственных растений разных семейств. Предмет исследования – трофические и метаболические связи в системе почва – микробное сообщество - растения.
Научная новизна работы. Впервые показано определяющее влияние БАВ лекарственных растений на состав и структуру МСО чернозема выщелоченного в период вегетации. Обнаружен значительный фунгицидный эффект и изменение таксономической структуры МСО, нарушения трофической структуры не выявлено.
Впервые определены видовой состав и структура комплекса микромицетов чернозема под лекарственными растениями. Установлено изменение состава и снижение биоразнообразия комплекса почвенных грибов за счет элиминации случайных видов и «концентрации доминирования» нескольких типичных видов. Определены чувствительные, устойчивые и индикаторные виды, впервые обнаружено проникновение в состав комплекса типичных грибов под монокультурами растений нехарактерных для контроля видов. Пределы гомеостаза МСО превышены и соответствуют адаптивной зоне «резистентности».
Впервые обнаружен рост фитотоксической активности чернозема, связанный с накоплением токсигенных видов грибов под лекарственными растениями.
Впервые обнаружен подщелачивающий эффект лекарственных растений, связанный с нарушением анионного обмена ППК чернозема выщелоченного.
Разработана схема усиления прямой и обратной «метаболической» регуляции в системе почва – микробное сообщество – лекарственные растения в период вегетации. Установлено, что ход микробной сукцессии при разложении растительной мортмассы, в основном, определяется трофическими связями.
Практическая значимость работы. Показана необходимость разработки научно-обоснованного севооборота лекарственных растений.
В качестве параметров микробиоиндикации чернозема выщелоченного в севооборотах лекарственных растений предложены следующие показатели: актуальная кислотность и фитотоксическая активность почвы, численность грибов и группа из 16 индикаторных видов микромицетов, нетипичных для данного типа почвы.
Данные работы используются в лекционных курсах «Экология», «Микробная экология», «Микробиоиндикация среды» и «Биологические основы сельского хозяйства», читаемых в Воронежском государственном педагогическом университете.
Положения, выносимые на защиту.
1. Модель усиления прямых «метаболических» связей в системе почва – микробное сообщество – лекарственные растения, основанная на изучении структуры микробного сообщества чернозема выщелоченного;
2. Модель усиления обратных «метаболических» связей в системе почва – микробное сообщество – лекарственные растения, основанная на изучении микробного фитотоксикоза чернозема выщелоченного;
3. Оценка состояния почвенно-поглощающего комплекса и роли почвы в регуляции системы почва – микробное сообщество – лекарственные растения;
4. Сравнительная оценка влияния вегетирующих лекарственных растений и их растительных остатков на микробное сообщество и биологическую активность почвы;
5. Параметры для микробиоиндикации чернозема выщелоченного при разработке севооборотов лекарственных растений.
Апробация работы. Результаты исследования обсуждались на научных конференциях разного уровня, в том числе молодежных конференциях: ВГПУ (2008), «Биология – наука 21 века» (Пущино, 2012), Воспроизводство, мониторинг и охрана природных, природно-антропогенных и антропогенных ландшафтов (Воронеж, 2012); Всероссийских конференциях «Современные биоаналитические системы, методы и технологии» (Пущино, 2009), «Новой школе – здоровые дети» (Воронеж, 2010), «Актуальные проблемы почвоведения, экологии и земледелия» (Курск, 2010), «Состояние и проблемы экосистем среднерусской лесостепи» (Воронеж, 2011), «Воспроизводство, мониторинг и охрана природных, природно-антропогенных и антропогенных ландшафтов» (Воронеж, 2012); Всероссийских конференциях с международным участием: «Принципы и способы сохранения биоразнообразия» (Йошкар - Ола, 2010), «Перспективы развития и проблемы современной ботаники» (Новосибирск, 2010), «Биоактивные вещества микроорганизмов: прошлое, настоящее, будущее» (Москва, 2011), «Современные проблемы микробиологии, иммунологии и биотехнологии» (Пермь, 2011), «Проблемы экологии и экологической безопасности Центрального Черноземья РФ» (Липецк, 2011).
Личный вклад автора заключается в анализе состояния проблемы, выполнении экспериментальных исследований, обработке и анализе результатов.
Обоснованность и достоверность результатов обеспечивается многолетними опытами на полевых стационарах, изучением сезонной динамики, использованием стандартных аналитических методов, большим количеством повторов экспериментов, применением методов математической статистики для обработки результатов.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе 4 статьи в центральной печати.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, выводов и списка литературы. Работа изложена на 128 страницах текста, включает 39 таблиц, 6 рисунков и 3 приложения. Список литературы включает 253 источника, из них 69 иностранных.
Благодарности. Выражаю признательность научному руководителю профессору Свистовой И.Д. за постоянную помощь и поддержку, а также доцентам ВГАУ Н.Н. Назаренко и К.Е. Стекольникову за помощь в выполнении ряда экспериментов и обсуждение результатов.
