Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 9
1.1. Токсичность почв и роль микроорганизмов в токсикозе почв 9
1.2. Фитотоксические метаболиты почвенных сапрофитных микроорганизмов и их действие на растения 16
Экспериментальная часть 30
2. Объекты и методы исследований 30
3. Разработка и усовершенствование методов количественного учета фитотоксичных форм почвенных микроорганизмов 40
3.1. Метод прямого внесения суспензии хлореллы на общепринятые питательные среды 40
3.2. Метод определения фитотоксической активности почвенной микрофлоры 45
4. Токсичность почвы при бессменном выращивании овощных культур и в севообороте 49
5. Содержание фитотоксичных форм микроорганизмов при выращивании овощных культур в севообороте и бессменно 60
6. Таксономическая структура микроскопических грибов-продуцентов фитотоксических веществ 71
7. Химическая природа и фитотоксические свойства веществ, продуцируемых некоторыми почвенными грибами родов Aspergillus,Fusarium и Penicillium 86
- з -
7.1. Изучение природы фитотоксических веществ 86
7.2. Чувствительность сортообразцов огурцов и кукурузы к фитотоксическому действию почвенных сапрофитных грибов ИЗ
7.3. Механизм действия выделенных фитотоксических веществ на злектрофизиологические параметры плазматических мембран клеток 121
Заключение 129
Выводы 133
Литература 135
Приложение 164
- Токсичность почв и роль микроорганизмов в токсикозе почв
- Объекты и методы исследований
- Метод прямого внесения суспензии хлореллы на общепринятые питательные среды
- Токсичность почвы при бессменном выращивании овощных культур и в севообороте
- Содержание фитотоксичных форм микроорганизмов при выращивании овощных культур в севообороте и бессменно
Введение к работе
В основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года, утвержденных ХХУТ съездом КПСС, намечено увеличить за пятилетие среднегодовое производство овощей на 13$ и довести до 29,4 млн. тонн.
Азербайджанская ССР является одним из крупных производителей овощей и исторически сложившейся зоной товарного овощеводства нашей страны» В связи с исключительно благоприятными поч-венно-климатическими условиями для развития раннего овощеводства она приобрела значение и как пвсесоюзннй огород". По данным М.Г.Аскерова (1980), около 60$ всего закупаемого количества овощей республика поставляет в общесоюзный фонд.
В целях более полного удовлетворения потребности населения в овощной продукции, а перерабатывающей промышленности в сырье, в республике каждый год возрастает производство различных овощей.
Решение проблемы снабжения населения нашей страны овощами по физиологически обоснованным нормам питания вызывает необходимость резкого увеличения их производства, расширения ассортимента и повышения эффективности производства. Основная роль в решении этой проблемы принадлежит г осуществлению рационального размещения, установлению оптимальной концентрации и специализации овощных культур в структуре посевных площадей.
Особо ответственные задачи перед овощеводством республики стоят в связисвыдвинутой на майском Пленуме ЦК КПСС (1982 г.) Продовольственной программой. Производство овощной продукции к концу 11-ой пятилетки в республике будет доведено до миллиона - 5 -тонн. Решение этой напряженной задачи немыслимо без внедрения в производство новейших достижений науки, поиска скрытых или ещё не используемых резервов, что должно будет вывести овощеводство республики на новые рубежи, превратив его ещё в более высокоинтенсивную и высокодоходную отрасль экономики.
Одним из таких резервов, ещё далеко не полностью используемых в овощеводстве республики, является повышение культуры земледелия. В целях рационального использования земельных ресурсов для сохранения и повышения плодородия почв и урожая необходима разработка, создание и внедрение научно-обоснованных схем овощных севооборотов.
Необходимо отметить, что часто в зонах интенсивного овощеводства в связи с узкой специализацией некоторые овощные культуры, выгодные для хозяйства, выращиваются бессменно, нарушая важнейшее агротехническое мероприятие - возделывание культур в севообороте. При бессменном выращивании сельскохозяйственных культур, в том числе и овощных, наблюдается значительное снижение их урожая (Ранков, Сурлеков, 1969; Суряеков, Ранков, 1971; Воробьев, 1973; Бахрамов, Страшкина, 1979).
Многочисленные работы отечественных и зарубежных исследователей свидетельствуют о том, что снижение урожая сельскохозяйственных растений при возделывании их в условиях монокультуры в значительной мере определяется накоплением в почве под этими растениями фитотоксической микрофлоры и продуктов её метаболизма (Красильников, I95I-I960; Мирчинк, 1957-1978; Берестецкий, 1969-1980; Vancura, Catska, 1979). Обитающие в почве многочисленные сапрофитные микроорганизмы способны непосредственно в почве образовывать и накапливать различные биологически актив- ные вещества, в том числе и фитотоксины. Многообразие в действии этих высокотоксичных продуктов обмена микроорганизмов на физиологические и биохимические процессы растений в итоге отрицательно влияет прямым или косвенным путем на их продуктивность.
Имеется многочисленная литература, посвященная изучению фи-тотоксичной микрофлоры под зерновыми, кормовыми, а также техническими культурами при выращивании их бессменно и в севообороте. Однако, практически отсутствуют сведения о токсичности почв, о содержании и таксономической структуре фитотоксичных форм микроорганизмов и их роли в урожайности овощных культур, возделываемых бессменно и в севообороте.
Весьма ограничены литературные данные об избирательности и механизмах действия фитотоксичных веществ. Сравнительно мало изучена химическая природа и физиологическая активность фитоток-сических метаболитов, продуцируемых почвенными микроорганизмами.
На основе вышеизложенного, основным направлением наших исследований явилось изучение токсичности почвы, количества и видового состава фитотоксичных микроорганизмов при бессменном выращивании овощных культур и в севообороте, выявление некоторых токсичных продуктов их обмена и определение физиологической активности, избирательности и механизма их действия.
В задачу исследований входило:
Разработать и усовершенствовать методы количественного учета фитотоксичных форм почвенных микроорганизмов;
Изучить токсичность почвы и содержание фитотоксичных форм микроорганизмов под различными овощными культурами (огурцы, томаты, лук репчатый, морковь) при выращивании их бессменно и в севообороте;
3. Установить таксономическую структуру и доминирующие формы токсинообразующих микроорганизмов и изучить их роль в снижении урожайности возделываемых культур;
4« Определить химическую природу и физиологическую активность некоторых токсичных метаболитов, продуцируемых доминирующими формами фитотоксических почвенных микроорганизмов;
Изучить чувствительность сортообразцов огурцов и кукурузы к фитоксическому действию почвенных микроскопических грибов;
Изучить механизм действия некоторых из выделенных фитотоксических веществ на клеточном уровне.
Впервые изучена токсичность почвы, количество, видовой состав и распространение фитотоксичных форм микроорганизмов под ведущими овощными культурами, выращиваемыми в севообороте и бессменно на серо-бурых почвах Апшерона. Установлено, что бессменное возделывание овощных культур приводит к увеличению токсичности почв и повышению количества фитотоксичных форм почвенных микроорганизмов. Показано, что это связано с биологическими свойствами выращиваемых культур и может быть причиной снижения их урожая.
Изучена природа и физиологическая активность фитотоксических веществ, образуемых доминирующими микроскопическими грибами Aspergillus ochraceus, A.clavaims, A.niger, Fusarium oxysporum И Penicillium urticae.
Выявлены относительно устойчивые и чувствительные сорто-образцы огурцов и кукурузы к фитотоксическому действию сапрофитных микроскопических грибов.
Впервые показан механизм действия фитотоксических веществ j - 8 -медленна, фузариевой, лимонной и 6-метилсалициловой кислот на электрофизиологические параметры плазматических мембран клеток.
Разработаны и усовершенствованы методы количественной оценки содержания фитотоксичных форм микроорганизмов в почве, отличающиеся от существующих большей точностью, быстротой и простотой.
Но теме диссертации опубликовано 10 и сдано в печать 2 научные работы.
Результаты проведенной работы доложены на научной конференции пМикробиологические процессы в почвах и урожайность сельскохозяйственных культур" (г.Вильнюс, 1978), пУ конференции по низшим растениям Закавказья" (г.Баку, 1979), конференциях молодых ученых ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии (г.Ленинград, 1978, 1979).
Диссертация рассмотрена и рекомендована к защите лабораторией севооборотов и окультуривания почв Азербайджанского НИИ овощеводства (г.Баку) и лабораторией взаимоотношений почвенных микроорганизмов и растений Всесоюзного НИИ сельскохозяйственной микробиологии (г.Ленинград).
Полученные результаты исследований используются в овощеводстве при построении научно-обоснованных схем овощных севооборотов, на основе подбора предшественников и чередования культур.
Разработанные и усовершенствованные методы количественного учета фитотоксичных форм почвенных микроорганизмов применяются в микробиологических исследованиях Крымского сельскохозяйственного института им. М.И.Калинина (г.Симферополь), Украинского ордена Ленина НИИ растениеводства, селекции и генетики им. В.Я. Юрьева (г.Харьков), Всесоюзного НИИ комбикормовой промышленное- - 9 -ти (г.Воронеж), Мордовского Государственного Университета им. Н.П.Огарева (г.Саранск), Микробиологического института ЧСАН (г.Прага).
Токсичность почв и роль микроорганизмов в токсикозе почв
Многолетнее бессменное возделывание большинства сельскохозяйственных культур, в том числе и овощных, как известно, приводит к ощутимому снижению их урожая (Ранков, Сурлеков, 1969; Петренко и др., 1971; Сурлеков, Ранков, 1971; Воробьев, 1973; Бахрамов, Страшкіша, 1979).
Одной из причин снижения плодородия почв под бессменными культурами может быть накопление различных токсических веществ, отрицательно действующих на растения. Это явление, получившее название птоксикоз почвы" или «утомление почвы", известно давно ( wpriidge,I698, цит. по А.М.Гродзинскому, 1965; Pienk, 1795; Uslar, 1852, цит. по Н.А.Красильникову, 1958) и до настоящего времени привлекает внимание исследователей из многих стран (Кра-сильников, 1958; Мирчинк, 1963; Берестецкий, 1971 a; Grossbard, 1952; Smyk, 1974 И др.).
Снижение продуктивности сельскохозяйственных культур может обуславливаться рядом абиотических и биотических факторов. Одной из абиотических причин снижения урожая при бессменных посевах, по мнению ряда исследователей, является недостаток минеральных питательных веществ как макро-, так и микроэлементов (Коссович, 1905; Прянишников, 1913; Воробьева, Щепетильникова, 1936; Kobernuss, 1951).
В работах Е.Я.Суманова, ИЛ.Артюхова (1971), А.А.Фейзулла - 10 -ева и др. (1979) подчеркивается, что неправильное проведение предусмотренных агротехнических мероприятий, таких как вспашка, культивация, орошение и т.д., изменяя структуру почв прямым или косвенным путем, может способствовать образованию и накоплению неблагоприятных для растений веществ. По данным О.Д.Сидоренко (1978) мульчирование почвы соломой также увеличивает токсичность почвы.
Немаловажное значение в повышении токсичности почвы имеет количественный и качественный состав вносимых минеральных удобрений. При этом дозы их должны быть применены с учетом типа почвы, так как при одинаковых фонах вносимых удобрений в некоторых типах почв наблюдалось сравнительное увеличение токсичности. Дерново-подзолистые и подзолистые песчаные почвы при этом проявляют относительно большую токсичность (Красильников, I960; Калмыкова, 1974). Необходимо отметить, что повышенные дозы применяемых минеральных удобрений проявляют нежелательное последствие. Наблюдается увеличение кислотности почв со слабо выраженной буферностью. Подкисление почвы также производит токсичный эффект. В результате увеличения кислотности почвенный раствор может обогащаться ионами металлов, которые способны угнетать растения и полезную микрофяору (Рыбалкина, 1938; Громыко, I960; Авакян, 1973).
Объекты и методы исследований
Объектом исследований служили образцы серо-бурой карбонатной легкосуглинистой почвы, отобранной из-под различных видов овощных культур, выращиваемых в четырехпольном овощном севообороте и бессменно.
Исследования велись в стационарных опытах Азербайджанского НИИ овощеводства на Апшероне в условиях орошения.
Опыты были заложены в 1975 г. старшим научным сотрудником лаборатории севооборотов Л.В.Страшкиной с целью разработки и совершенствования отдельных звеньев севооборотов для выявления оптимальных вариантов чередования овощных культур.
Микробиологические анализы почвы проводили в лаборатории взаимоотношений почвенных микроорганизмов и растений Всесоюзного научно-исследовательского института сельскохозяйственной микробиологии в течение 1977-1979 гг.
Характеристика опытной почвы: содержание гумуса в пахотном горизонте - 0,69-0,64$, общего азота - 0,12-0,095$, валового фосфора - 0,12-0,097$. Валового калия в этих почвах содержится довольно значительное количество - 2,1-1,2$, обменного калия сравнительно мало - 19-13 мг на 100 г почвы (Мусаев, 1973).
В бессменной культуре и в севообороте во время исследований возделывали, сь следующие овощные культуры районированных на Ап-шероне сортов: огурцы - Бирючекутский 193, лук репчатый - Говсан-ский, морковь - Шантенэ, томаты - Маяк 12/20-4 (сорт среднеранг-ний).
Площадь опытной делянки под каждой культурой в полях севооборота и в бессменной культуре составляла 200 м% Повторность опытов четырехкратная.
Опыты закладывались по уравнительному посеву по следующей схеме звеньев севооборота в :
1977 г. - огурцы, лук, томаты, морковь;
1978 г. - лук, томаты, морковь, огурцы;
1979 г. - томаты, морковь, огурцы, лук.
Культуры на опытном участке были расположены в шахматном порядке.
Количество ежегодно вносимых органических и минеральных удобрений (в ц/га): под огурцы - перегной (перед посевом в лунку) - 200-300, суперфосфат - 4, аммиачная селитра - I; под репчатый лук - перегной - 300-400, суперфосфат - 4, аммиачная селитра - 32 -2, хлористый калий - 2; под морковь - перегной - 50-100, суперфосфат - 3, аммиачная селитра - I; под томаты - перегной - 100-200, суперфосфат - 5-6, аммиачная селитра - 2-3, хлористый калий - 2-3,
Количество вносимых удобрений, а также уход и агротехнические мероприятия во время вегетации как в севообороте, так и при бессменной культуре возделывания были одинаковы.
Почвенные образцы отбирали 3 раза в течение вегетационного периода из ризосферы и в междурядьях растений: из горизонта 0-20 и 20-40 см под каждой культурой, выращиваемой бессменно и в севообороте.
Отбор почвенных образцов проводили общепринятыми в микробиологии методами (Красильников, 1966; Егоров, 1976).
Токсичность почвы определяли методом почвенных пластинок по энергии прорастания семян редиса (Гродзинский, 1965) и выражали в условных единицах кумарина (УЖ).
Метод прямого внесения суспензии хлореллы на общепринятые питательные среды
В настоящее время установлено (Мирчинк, 1957; Красильников, I960; Берестецкий, 1969), что основной причиной почвоутомления является деятельность почвенных сапрофитных микроорганизмов, обладающих фитотоксическими свойствами. В связи с этим большое значение имеет разработка практически удобных и простых методов количественного учета и первичного отбора фитотоксической почвенной микрофлоры.
Ранее (Зольникова, 1979) был разработан чашечный метод количественного учета фитотоксичных форм микроорганизмов в почве, основанный на возможности совместного культивирования хлореллы и исследуемых микроорганизмов на плотных питательных средах. Однако, с теоретической и практической точек зрения, предложенный метод не был лишен недостатков .В частности, заливка чашек с общепринятыми в микробиологии средами вторым агаризованным слоем (среда ігМи Хата) с суспензией клеток хлореллы часто приводит к смыву или ингибированию колоний, развивающихся на этих средах, а также к излишним затратам времени и труда. Кроме того, второй слой, рассчитанный на интенсивное развитие хлореллы, содержит наряду с другими компонентами глюкозу и пептон, соответственно из расчета 10 и 5 г/л, что в свою очередь может сказаться при учете почвенной микрофлоры (бактерии, актиномицеты, грибы), развивающейся на общепринятых плотных питательных средах (МЛА, КАА, среда Чапека).
В результате ряда экспериментов нами усовершенствована эта методика. Сущность её заключается в следующем.
Навеску почвы суспендировали в стерильном 0Д#-ном растворе пирофосфата- натрия, встряхивали в течение 10 мин. на качалке и готовили обычные для микробиологического анализа микрофлоры почв серийные разведения. По I мл соответствующих разведений почвенной суспензии вносили глубинно в чашки Петри и заливали расплавленной и охлажденной до 40-45С используемой питательной средой (МПА, среда Чапека , КАА и др.). Непосредственно перед разливкой в охлажденную питательную среду вносили взвесь клеток хлореллы (примерно: смыв с 2-3 пятидневных косячков на 0,5 л среды Чапека и МПА и с 5-6 - на 0,5 л КАА). При учете микроскопических грибов в среду Чапека для освобождения от бактериальной флоры вносили биомицин (из расчета 20 ед/мл питательной среды). Охлажденные чашки выставляли в термостат с температурой 26С. После суточного инкубирования чашки с МПА переносили в светотеплицу с той же температурой. Через двое суток туда же выставляли чашки со средой Чапека и КАА и выращивали в течение ещё 3-5 суток.
Результаты учитывали для бактерий - по истечении 4-5, грибной флоры - 5-6, микрофлоры, развивающейся на КАА - 6-7 суток. Повторность пятикратная. Микроорганизмы-продуценты фитотоксичес-ких веществ легко определялись на общем зеленом фоне зонами отсутствия роста хлореллы.
Во всех случаях подсчитывали общее количество выросших на указанных средах колоний и число колоний, образующих зоны инги-бирования роста тест-культуры. Последние изолировали для дальнейшего изучения.
Как биоиндикатор нами была использована бактериологически чистая зеленая водоросль Chloreiia vulgaris L. штамм 157, полученная из коллекции Биологического института ЛУ.
Состав среды для культивирования хлореллы на косячках (г/л): кшу- 5,0; КН2Р0 - 0,3; MgS04 . 7 Н20 - 0,3; пептон -2,5; глюкоза - 10,0; агар - 20,0; раствор микроэлементов - I мл; рН - 6,5; стерилизовать при I атм.
Раствор микроэлементов (Громов, 1965) в г/л: znSO 7 н 0 0,022; MnSO - 1,81; CuSO .5 Н20 - 0,079; яаВсу & Н20 - 2,63; (ЫН4)6М07 024 -Ц- Н20 - 1.0; PeSO . 7Н20- 9,3; 0аС12 - 1.2; Со(1Т05)2 -Н20 - 0,02; ЕДТА (трилон Б) - 10,0.
Для сравнительной оценки ранее разработанного метода скрининга- и предлагаемого нами была исследована фитотоксическая микрофлора 6 типов почв, отобранных под различными сельскохозяйственными культурами в разных зонах Советского Союза: краснозем (Грузинская ССР), чернозем южный (Краснодарский край), серо-бурая (Азербайджанская ССР), чернозем (Украинская ССР), типичный серозем (Узбекская ССР) и дерново-подзолистая (Ленинградская обл.)»
В табл. I приведены данные по общему количеству и содержанию фитотоксических форм основных групп микроорганизмов (бактерии, актиномицеты и грибы) в этих почвах, полученные двумя вышеупомянутыми методами.
Токсичность почвы при бессменном выращивании овощных культур и в севообороте
Работами ряда исследователей к настоящему времени установлено (Мирчинк, 1957; Красильников, 1958; Берестецкий, 1971 б), что снижение урожайности сельскохозяйственных культур при возделывании их в условиях монокультуры в значительной мере определяется накоплением под этими растениями фитотоксическои микро - 50 -флоры. В процессе жизнедеятельности эти микроорганизмы способны к биосинтезу высокотоксических продуктов метаболизма (Берестец-кий, Боровков, 1979), которые, накапливаясь в почве, приводят к уменьшению её плодородия и увеличению токсичности почвы Имеющаяся по этому вопросу литература касается в основном зерновых, некоторых кормовых и технических культур (Калмыкова, 1974; Над-керничныи, 1976; Кононюк, 1980 и др.). Токсичность почвы при бессменном возделывании овощных культур не изучена.
В связи с этим, в течение вегетационных периодов 1977-1979 гг. в условиях стационарных опытов нами было проведено изучение токсичности почв при бессменном выращивании овощных культур и в севообороте.
Анализ данных, приведенных на рис. I, показывает, что при бессменном выращивании огурцов на протяжении всего вегетационного периода токсичность почвы значительно выше, чем в севообороте. Это наблюдается как в ризосфере, так и в междурядьях растений на глубине 0-20 и 20-40 см.
В начале вегетации при выращивании огурцов как в монокультуре, так и в севообороте токсичность почвы сравнительно невысокая» К середине вегетации в ризосфере и в междурядьях огурцов на глубине 0-20 см она достигает максимального значения, что совпадает с наиболее сильным развитием растений и происходящими в них биохимическими процессами. Токсичность почвы в междурядьях на глубине 20-40 см увеличивается по мере роста растений, что может быть связано с увеличением биомассы корневой системы, а также с корневыми выделениями, которые способны влиять и на накопление фитотоксической микрофлоры.
Содержание фитотоксичных форм микроорганизмов при выращивании овощных культур в севообороте и бессменно
Учитывая важную роль микроорганизмов в обуславливании токсикоза почв (Красильников, I95I-I960; Мирчинк, 1957-1978; Берес-тецкий, 1969-1980), нами впервые проведено исследование содержания фитотоксичных форм сапрофитных микроорганизмов при бессменном выращивании овощных культур и в условиях севооборотаІ БЫЛО установлено, что при выращивании огурцов и лука репчатого бессменно в почве, независимо от места и глубины отбора образцов, увеличивается содержание бактерии с фитотоксичными свойствами (табл.7), составляя в севообороте под огурцами 1,7-3,0$, а при бессменном выращивании - 2,8-5,7$; в почве под репчатым луком оно соответственно составило 1,8-3,5 и 4,0-5,8$ от общего коли -61-чества бактерий.
Аналогичная картина наблюдается при выращивании томатов и моркови в севообороте и бессменно (табл.8). В почве севооборота под томатами содержание фитотоксичных бактерий составило 4,9-5,7$, а при бессменном возделывании 6,0-6,8$, в почве под морковью соответственно 4,0-5,6 и 4,4-10,3$ от общего количества бактерий. Необходимо отметить, что увеличение содержания фитотоксичных бактерий более выражено в ризосфере моркови и томатов при бессменном их выращивании.
Было также проведено изучение содержания в почве фитотоксичных форм актиномвдетов и других микроорганизмов, развивающихся на крахмало-аммиачном агаре (КАА) при бессменном выращивании овощных культур и в условиях их чередования. Как видно из данных табл.9, при возделывании огурцов в севообороте и бессменно в содержании фитотоксичных форм микроорганизмов, развивающихся на этой среде, существенной разницы не наблюдается.
Выращивание репчатого лука бессменно приводит к увеличению содержания фитотоксичных актиномвдетов и других микроорганизмов, развивающихся на КАА (табл.9). Так, в севообороте этот показатель составил 1,2-3,2$, а в бессменной культуре - 3,6-5,5$.
Изучение содержания фитотоксичных форм микроорганизмов, развивающихся на среде КАА, в почве под томатами показало, что при бессменном возделывании этой культуры в ризосфере и в междурядьях на глубине 20-40 см этих микроорганизмов относительно меньше, чем в севообороте (табл.10).
Похожие диссертации на Микроорганизмы как фактор токсичности почв при бессменном выращивании овощных культур
