Введение к работе
Актуальность проблемы. Охрана почв а всемерное повышение их плодородия являются в настоящее время проблемами общегосударственного .значения. Решение их связано с разработкой к внедрением научно-обоснованных систем земледелия.
В аридных зонах необходимым условием получения высоких урожаев сельскохозяйственных'культур является орошение. Однако интенсивный вынос с урожаем питательных элементов оказывает существенное влияние на гумусное оостояние и.плодородие почв.
Устойчивость почвы как .системы, уровень ее плодородия во многом зависят от сбалансированности процессов синтеза а деструкции почвенного органического вещества и отдельных его компонентов. ' Активным компонентом органического вещества почва являются углеводы. Они являются структурными единицами периферических цепей и даже ядерных компонентов гумусовых соединений /Кононова, 1963;Драгу-иов, Высоцкая, 1953; їіаіє et el., 1975» Hayes, 1984 /. Кроме того, углеводы участвуют в образовании водопрочной структуры почвы, выполняют вакные трофические и знергетические функции. Следова- . телъно, вопросы трансформации углеволовтесао связаны о проблемами плодородия почвы и экологической устойчивости агроценозОВ. .
Основной источник углеводов, попадающих в почву - это растительные остатки, в составе которых преобладают полисахарицн: целлюлоза, крахмал, пектин, гешцеллюлоэа. Их биохимические превра--. щения в почве тесно связаны с жизнедеятельностью микроорганизмов, синтезом ими вторичных микробных метаболитов,' в том числе и экэо-полясахаридов. . ' ,
Изучению разложения растительных полисахаридов посвящено . большое количество работ. В то же время, сведения о трансформации микробных полисахаридов в почве немногочисленны и противоре-
І цш>дл"::гдЕ каучлдя
сеи,ексї*з; Q :rct ma _ акідецня
IT І. и,- Tn hiu«4m,
чивы. По данным Іукерта о еоавт. /Gucker-t etal.,-1977 А Ласвка и Кофановой /Lasik, Kofaaova, 1971 / кислые и нейтральные экзопо-лясахариды разлагаются в почве в течение 10-20 аут, в работах Мартина /Martin, 1971/t Чезира, о соавт. /M.Cheahir», 1979 / показано, что я в более поздние сроки (0-90 сут) в почве можно обнаружить внесенные полисахариды. -
Однако экологическая роль микробных полисахаридов в почве остается до настоящего времени невыясненной. В частности, нет сведений об их синтезе.и накоплении, влиянии на'микробные сообщества, взаимодействии о гумусовыми,веществами, не определена специфика трансформации гликололимеров в почвах, интенсивно используемых.; в" сельском хозяйстве. Поэтому изучение экологической роли микробных . полисахаридов, процесса их трансформации,в почве важно для выяснения теоретических аспектов формирования почвенного плодородия, что приобретает особую актуальность в связи с обострившейся про-' блемой сохранения земель.
Цель И Задачи исп^ят[Орани-я-Иа.т.п ияіпиг ш*л.ігйлґпіяиіт№ ґіц.іга-'.
изучение микрофлоры интенсивно возделываемых почв и основных закономерностей трансформации в них гликополимеров. В связи с по- -ставленной целью в задачи исследований входило;.
- изучение микрофлоры и минерализационных процеосов в почвах при
,^ нх интенсивном сельскохозяйственном использовании;
-исследование качественного состава гумуса и углеводного фонда
почв разных типов;
- изучение синтеза экэололисахаридов естественными ассоциациями
почвенных микроорганизмов;
изучение процессов дэструкции разных полисахаридов микрофлорой "и почвенными ферментами;.
исследование качественных изменений гумуса и расчет баланса ор-- .
-з-.
гааяческого углерода при обогащении почвы углеводами;
- определение биоэнергетических характеристик трансформации
полисахаридов в почве. . - :
Основные положения, котрше выносятся на.'э.ащиту. Интеасжв-вая система земледелия оказывает существенное влияние на микрофлору игумусаое состояние почв. В ыикробкш: сообществах длительно орошаемых почв активизируется развитие микрофлоры, участвующей в минерализациокных процессах, увеличивается доля олиго-трофяых и педотрофных микроорганизмов; возрастает численность микроорганизмов-деструкторов углеводных биополимеров. При орошении возрастает степень гумификации органического вещества почв, уменьшается обогащеняость отдельных груші, гумуса углеводными компонентами. В длительно орошаемых почвах при бессменном возделывания озимой пшеницы и под затопляемой культурой риса в составе гумусовых соединений увеличивается доля фульвоклслот, возрастает подвижность органического вещества.
В почвах юга Украины широко распространены микроорганизмы, продуцирующие экзополисахариды. Наиболее выоокой потенциальной' способностью к синтезу внеклеточных полисахаридов характеризуются микробные ассоциации тешо-каттановой почвы. Микробные доли-' сахариди, наряду.с растительными подвергаются деструкции поч- \ веяными микроорганизмами и ферментами, взаимодействуют о гуму- ' совыми соединениями* Утилизация гликопояимеров в почве сопро— вождаетея увеличением численности и биомассы микроорганизмов, *; повышением их метаболической активности, усилением минералвэа-циоаных процессов. Микробные полисахариды оказывают влияние на -ферментный потенциал почвы, способствуют синтезу специфичных, карбогидраэ. Благодаря относительной устойчивости этих биополимеров к микробному разложению, способности к адсорбции н кома-
лексообразована» они участвуют в стабилизация запасов почвенных углеводов, создают биопротекторный эффект.по отношению к гумино-вым кислотам. Микробные полисахариды способствуют закреплению энергии в биомассе микроорганизмов и гумусовых соединениях почвы.
Научная новизна.Получены данные о специфике развития микрофлоры и состоянии органического вещества основных типов почв юга -. Украины, испытывающих интенсивное антропогенное воздействие,Впер- вые.с помощью множественного регрессионного анализа-описана заве- . .симость. между численностью микроорганизмов основных эколого-трсфи-ческнх групп, количеством и качественным составом- гумуса. . . . Впервые получена количественная характеристика процессов синтеза и деструкции в почве полисахаридов микробного происхождения. Изучены кинетические и стехиометрхческне показатели роста микроорганизмов в почве при потреблении различных углеводных субстратов.. Получены новые данные об активности ферментативного разложения микробных полисахаридов в почве. Разработана новая методика определения активности разложения микробных полисахаридов почвенными ферментами, выявлены карбогидразы бактериального глюкана.глю-комвннана и ианнана, определены их кинетические, константы.
Получены новые.данные об изменениях, происходящих в гумусе.
почвы и ее углеводном фонде при трансформации микробных полисаха
ридов. Значительно расширены представления об экологической роли
микробных полисахаридов в почве, в частности, описано новое свой
ство этих биополимеров - способность взаимодействовать о алифати-г
ческими цепочками гумнновых кислот и тем самым создавать биопро- .
текторннй эффект, играющий суиественную роль в формировании поло
жительного гумусового баланса почвы. ;-"'
Впервые получены данные, характеризующие энергетику процесса трансформации гликополимеров в почве.
-.-5-/
Практическая значимося, работу. Результаты исследований были, использованы для научного обоснования практических рекомендаций, . направленных на сохранение и повышение плодородия почв в условиях интенсивного сельскохозяйственного производства, В чаотвости, была разработаны "Рекомендация но режиму орошения еедьокохозяйст- : венных культур о учетом микробиологического состояния почв Украины" и "Методические рекомендации во основный приемам освоения -Нижкеднепровских песков.под орошаемое кормопроизводство".
Экономический эффект их внедрения в хозяйствах южной зоны ,. . составил I шт. 4S тыс. руб.(І384-І9В7 гг.),
Материалы диссертации могут быть использованы в биогеоцеко-
логин при моделировании круговорота углерода. . ,. \
В практику микробиологических исследований рекомендована методика определения активности в почве гдцролаз микробных полисахаридов.
Аяробапия работы. Основные положения диссертация была доложены на Республиканском симпозиуме "Микробные сообщества и их функционирование в почве" /Чернигов, 1979/, Республиканской конференции "Структура и функции микробных сообществ почв о различной-антропогенной нагрузкой" /Чернигов, І98І/, Республиканском семинаре "Методические вопроси экологии почвенных микроорганизмов" Алев, І983/, УІ съезде Украинского микробиологического общества. Донецк, I984/, Всесоюзном семинаре "Закономерности роста микроорганизмов Лощино, .1983/, Всесоюзной научно-практической конференции "Ос-' ; вовные направления исследований, обеспечивающих повышение эффак- \ тквности использования орошаемых земель" /Херсон, 1984/, П Всесоюзной научной конференции "Результаты и перспективы научных исследований микробных полисахаридов" /Ленинград, 1984/, Республиканской конференции "Пути повышения эффективности факторов ин-
тенсифакашл сельскохозяйственного производства ТЇІорейкішкео, , 1986/, Всесоюзной конференции "Биосинтез вторичных метаболитов" /ЇІущнно* 1937/, Ш Всесоюзной конференции "Биодинамика почв" /Таллин, 1988/, УП Международном симпозиуме "Гумус и растение" /Прага, ЧССР, 1983/, Международном симпозиуме "Взаимоотношения между микроорганизмами и растениями в почве" Дибида ,ЧССР ,198?/. .
Публикации. По теме диссертации опубликовано 53 работы, в . том числе 2 монографии (в соавторстве): "Освоение малопродуктивных песчаных почв" Диев, 1986/ и "Почвенные микроорганизмы и интенсивное землепользование" /Киев, 1988/.
СТРУДТТР% И, 9faeM га^УТЧ- Диссертация состоит из введения, обзора литературы, Є глав экспериментальных- исследований, обсуж- дения результатов, выводов, списка литературы и приложения. Работа изложена на ^-Зо" страницах машинописного текста, содержит таблиц и 4$ рисунков. Список литературы включает S2.i наименований, в том числе 4ЪО работ иностранных авторов.
„. материалы и метода исслежшний ".
На начальных етапах работы мы считали необходимым дать общую характеристику и изучить основные закономерности изменении микрофлоры я органического вещества почв в условиях интенсивной системы земледелия. В связи с этим были проведены исследования земель о'различной антропогенной нагрузкой - залежных, окультуренных, неорошаемых и окультуренных орошаемых. Изучались основные типы почв юга Украины: темно-каштановая среднесуглинистая,слабое олон-цеватая, солонец степной глубокий солончаковатнй в дерновая слаборазвитая песчаная почва.
Общо? содержание органического углерода определяли по Б.А.Никитину Д972/, групповой состав гумуса изучали но М.М.Кононовой и
Н.П.Бельчиковой /І96І/, количество углеводов в почве а распределение их по основным группам органического вещества исследовали по методу А.А.Юхнина, Е.М.Заславского, Я.М.Аммосовой /1973/. Выделение я очистку препаратов гуминовнх кислот проводили по Д.С.Ор-' лову, Л.А,Гришиной /1981/. Элементный состав гуминовнх кислот определяли на анализаторе "Гевлет Паккард** q поаяедушай графостати-ческой обработкой по Ван-Кревелену /І95І/. Инфракрасные спектры Гумилевых кислот снимала на ив-го с использованием таблеток бро- . миетого калия. Идентификацию полос'поглощения проводили до Д.С.Орлову /1974/ и Л.Беллаш /1963/. Численность и биомассу микроорганизмов определяли на основания данных прямого подсчета клеток /Виноградекий, 1952/; предварительно почвенную суспензию обрабатывали по методу Д, Г. Звягинцева /1969/. Сухую массу бактерий рассчитывали ПО: формуле С.Норданда о соавторамя / Borland et ai.,. 1937/., '. Суммарную длину гиф микромицетов и их биомассу определяли по методу Г. І'.Мирчшк /1972/.
Численность микроорганизмов отдельных экологе—трофических групп учитывали методом посева почвенной суспензии на плотные ой- . тательнне'среда. Для характеристики соотношений численности микроорганизмов отдельных эхолого-трофических групп рассчитывали коэффициент минерализации и иммобилизации по Е.Н.Мишустнну /1975/, индеко педотрофности по Д.И.Пикитвну, Э.С.Никитиной /19?8/,коэффи-циент олиготрофности по Т,А.Ариотовской /1965/. Стабильность час-'.' денности микробных популяций определяли по коэффициенту флуктуа- Г ". ции Аиттекер, 1980/. Дня экологического анализа таксономической <\. структуры микробных сообщеотв почвы использовали показатели доминирования / Siwpaoh, 1949/, видового разнообразия / Uarsalef.1968/. . сходства видового состава и его шровкенностя /Shanaon. Heaver, . 1963/.
.-8-
При исследовании трансформации полисахаридов нами характеризовались как синтетические, так и деструкционные процессы.Что касается синтетических процессов, то наш учитывалось количество микроорганизмов, продуцирующих внеклеточные .'полисахариды, а также определялась потенциальная сносовность к накоплению экао-полисахаридов естественными ассоциациями почвенных микроорганизмов.-Методика исследовании описана в опубликованной Вами работе-/Андреюк и др., 1984/. Влияние, отдельных компонентов среды на
. продуцирование внеклеточных полисахаридов определяли методом
планирования эксперимента. *
Изучение деструкции полисахаридов проводили в лабораторных-
' условиях в жидких средах в в почве. Для исследований были отобраны внеклеточные полисахариды, продуцируемые почвенными микроорганизмами > - глюкак, глюкогалактан, глюкомавнан в манная; для орав-пения .использовались крахмал и сахароза. Молекулярную массу по-.
. лисахаридов определяли методами гель-хроматографии /Детерман, І970/ и аналитического центрифугирования /Elies, 1961 A MoRoca-;
\;харидный состав гидролиэатов полисахаридов изучали с помощью га-.зожидкостной хроматографии их ацетатов полиолов по общепринятой методике /Захарова, Косенко^ 1983/..- ,
В жидких средах были.определены основные кинетические.и стехиометрические.характеристики роста естественных ассоциаций почвенных микроорганизмов при потреблении различных углеводов в условиях периодического культивирования. Для этогс ередні ;С0ДЄР-? жащие исследуемые полисахариды в качестве источника углеродного питания, засевали суспензиями исследуемых почв и изучали рост - развивающихся естественных ассоциация микроорганизмов.-Такие ассоциации рассматривались нами как единая функционирующая сиоте-ха, поведение которой описывается обобщекнкми показателями роста
и потребления субстрата. Показатели роста аосоциаций расочнты-аая» по формулам, предложенным для чистых культур микроорганизмов /ЇІерт, 1978/.
Трансформацию полисахаридов изучали непосредственно в почве в моделышх системах. Почву, обогащенную исследуемыми углеводами, инкубировали в стационарных условиях (в керамических сосудах при 25.влажности 80Ї от наименьшей влагоемкости) я при проточном культивировании в приборе Я.иацуры и Ф.Кукца /wac-ига, Кипе, 1961 /, модифицированном нами для изучения трансформации* бяонолимеров.
В процессе инкубирования почвы с внесеними углеводами про-, водили ежесуточный учет численности микроорганизмов, содержания углеводов, интенсивности выделения диоксида углерода (сорбцией его щелочью). Специфику микрофлора, развивающейся на исследуемых углеводных субстратах, леследовали о помощью растровое электронной микроскопии методом инициированного микробного сообщества /Іузев И соавт., 1980/.
Активность разложения микробных полисахаридов почвенными ферментами определяли по методикам, впервые разработанным наш для этих субстратов /Путинская с соавт., 1989/. Активность*экэо-карбогидраэ определяли по количеству, редуцирующих сахаров,обра- ".' зовавашхея в ферментационной смеси за 24 часа в 1 г почвы; ак- ' : тивиость эндокарбогидраз учитывали' по изменению.вязкости ферментационной смеси. Расчеты кинетических констант почвенных фврмен-1.' сев проводили ко методикам^ .приведенным в руководстве Э.Корнипн -' Боудена /І979/.
При определении энергии, связанной в микробной шосе, использовали значения удельной.теплоты сгорания масса микроорганизмов различных гругат /Хаусом, I95Q/. Теплоту сгорания полиса-
сахарвдов и гут.іуоовнх кислот определяли на калориметре 3-08 (М. Теплоту сгорания гуминовых кислот рассчитывали также на основании их элементного состава по формуле, предложенной С.А.Алиевым /1973/.
При математической обработке данных использовали следующие методы: регрессионного» дисперсионного /Дмитриев, 1372/,, множественного регрессионного пошагового анализов /Себер,1980/. Расчеты выполняли на ЭВМ СМ-4, "Мир-2", МК-54.