Содержание к диссертации
Введение 4
Глава 1. Методологические аспекты изучения структуры микробных сообществ почв 12
1.1.Современные представления о пространственно-функциональной структуре почвенного микробного сообщества 12
1.2.Природно-климатические условия района исследований 23
1.3. Объекты, методы и условия проведения исследований 37
Глава 2. Исследование зависимостей между кислотными свойствами и структурой микробных сообществ почв 48
2.1. Факторы почвенной кислотности 48
2.2. Механизмы адаптации микроорганизмов к кислотности и повышенному содержанию алюминия 63
2.3. Численность, биомасса и профильное распределение микроорганизмов в зависимости от кислотных свойств почвы 80
2.4. Распространение в почвах алюмотолерантных популяций микроорганизмов 106
2.5. Влияние кислотности и алюминия на состояние почвенных микробных сообществ 113
Глава 3. Микробные сообщества ризосферы сельскохозяйственных растений 122
3.1. Ризосфера как среда обитания почвенных микроорганизмов 123
3.2.Микробно-растительные взаимодействия в условиях эдафического стресса 138
З.З.Эдафические и биотические факторы бактериального заселения корней озимой ржи 145
3.4. Особенности формирования микромицетных комплексов кислой дерново-подзолистой почвы в посевах озимой ржи 152
3.5. Численность и структура биомассы микроорганизмов в ризосфере ячменя 166
3.6. Экологическая структура бактериальных комплексов прикорневой зоны контрастных по кислотоустойчивое™ сортов ячменя 175
3.7. Кислотность почвы и бобово-ризобиальные симбиотические системы 196
Глава 4. Видовая и сортовая специфичность комплексов актиномицетов в прикорневой зоне сельскохозяйственных растений... 216
4.1. Изучение факторов заселения актиномицетами ризосферы ячменя.. 219
4.2. Физиологическая структура комплексов актиномицетов, ассоциированных с корнями ячменя 228
4.3. Антифунгальный потенциал актиномицетов из ризосферы ячменя... 238
4.4. Комплексы актиномицетов в прикорневой зоне клевера лугового на кислой почве 244
4.5. Комплекс актиномицетов в ризосфере озимой ржи на дерново- подзолистой почве 257
Глава 5. Микроорганизмы как фактор трансформации органического вещества осушенных торфяников 269
5.1. Экологические аспекты осушения и хозяйственного освоения торфяных почв 269
5.2. Биологическая активность торфяных почв в зависимости от сроков и способов их хозяйственного использования 280
5.3. Микробный компонент нарушенных добычей торфа биогеоценозов при самозарастании и рекультивации 295
Глава 6. Актиномицетные комплексы естественных и нарушенных биогеоценозов и агроэкосистем 317
6.1. Актиномицеты в зональных почвах средней и южной тайги 317
6.2. Численность и таксономическое разнообразие актиномицетов в торфяниках южнотаежной подзоны 325
6.3. Пространственно-функциональная структура актиномицетных комплексов в биогеоценозах на осушенных торфяниках 334
6.4. Сукцессионные изменения актиномицетов в осушенных торфяных почвах 341
6.5. Экологическая оценка состояния комплексов актиномицетов при хемогенных нагрузках 343
Выводы 357
Список литературы 360
Введение к работе
Актуальность проблемы. Формирование почвенного микробного сообщества тесно связано с происхождением и свойствами почв и биогеоценозов в целом. Это дает возможность использовать микробные комплексы для характеристики биологических особенностей естественных экосистем и агроценозов. Особый интерес микробные сообщества представляют в связи с проблемой устойчивости почвенной экосистемы: её способности поддерживать плодородие, продуктивность, биогеохимический круговорот (Звягинцев и др., 1992; Добровольский, Никитин, 2000).
Хозяйственное освоение земельных ресурсов сопровождается резким изменением потока энергии, увеличением незамкнутости круговорота веществ в освоенных почвах. Преобразование среды обитания микробных сообществ влечет за собой перестройки в его структуре, ослабление адаптационных механизмов, распад исторически сложившихся комплексов. Анализ и обобщение всего имеющегося материала о состоянии земельных угодий и почвенного покрова территории России показал, что сохранение сложившейся на сегодняшний день обстановки создает угрозу национальной безопасности государства (Снакин и др., 1993; Комов, Лойко, Жиров, 1994). Важное место в решении задач биологизации сельскохозяйственного производства принадлежит почвенной микробиологии, поскольку микроорганизмы являются основным фактором почвообразовательного процесса, питания растений и фитосанитарного состояния почвы.
Анализ структуры почвенных микробных сообществ необходим для поиска принципов природопользования в условиях нарастающего экологического кризиса, прогноза последствий деградации почв в результате их хозяйственного использования (Левич, 1994; Соколов и др., 1998). Для экологического регламентирования структурно-функциональных отклонений микробиоты и принятия мер по улучшению экологической ситуации необходимо учитывать региональную специфику пространственно-временной организации почвенных микробных сообществ. По сравнению с изученностью микробиоты почв Северо-Западной части России (Аристовская, 1965 и 1980; Загуральская, 1993; Евдокимова, Мозговая, 2000), центральных и южных регионов Европейской части страны (Мишустин, 1966 а и б), Сибири и Дальнего Востока (Загуральская, 1967; Клевенская, Наплекова, Гантимурова, 1970), сведения о микробных сообществах почв Европейского Северо-Востока ограничены лишь фототрофным компонентом почвенной биоты, представленным водорослями (Штина, 1997) и цианобактериями (Панкратова, 1981; Домрачева, 1998).
Европейский Северо-Восток характеризуется своеобразием природно-климатических условий. Основную часть (более 80%) здесь занимают почвы подзолистого и дерново-подзолистого типов. Они бедны элементами питания, бесструктурны и обладают повышенной кислотностью, которая является их характерным генетическим признаком и тесно связана с типом почвообразования, составом гумуса, культурой земледелия. Резкое сокращение объемов известкования и возрастание темпов техногенного загрязнения земель сельскохозяйственного назначения способствуют тенденции дальнейшего закислення этих почв и обусловливают необходимость углубленного исследования эффектов воздействия кислотных компонентов на живые организмы.
Цель работы - изучить основные закономерности пространственного распределения и структуры сообществ гетеротрофных микроорганизмов в кислых естественных и агроестественных почвах Европейского Северо-Востока.
Задачи исследования:
1. Изучение основных структурных характеристик гетеротрофных микробных сообществ, с учетом профильного распределения, численности и биомассы отдельных популяций и сообщества в целом, в зависимости от кислотных свойств почв.
2. Выявление характера связи между кислотными свойствами и структурой бактериальных комплексов в почвенном профиле.
3. Выяснение роли эдафического и биотического факторов в формировании ризосферных микробных комплексов сельскохозяйственных растений в условиях кислых дерново-подзолистых почв.
4. Исследование процессов формирования микробных сообществ выработанных торфяников при естественном зарастании и рекультивации.
5. Сравнительная характеристика биогенности и биологической активности эутрофных торфяных почв при различных сроках и способах их хозяйственного использования.
6. Исследование численности и таксономической структуры актиномицетных комплексов естественных и нарушенных биогеоценозов и агроэкосистем.
Место проведения работы. Работа выполнена в Зональном НИИ сельского хозяйства Северо-Востока им. Н.В.Рудницкого и является частью плановых тематик лабораторий института (1994-2003 гг.). Выражаю глубокую признательность директору института, академику РАСХН В.А.Сысуеву за предоставленную возможность и оказанное содействие при проведении исследований.
Сердечно благодарю за совместную работу своего учителя, профессора кафедры биологии почв факультета почвоведения МГУ Г.М.Зенову, ведущего научного сотрудника этой кафедры докт.биол.наук Л.М.Полянскую, чл.-корр. РАСХН Н.А.Родину, докт. техн. наук Ф.Ф.Мухамадъярова, докторов с.-х. наук Г.А. Баталову, Л.И.Кедрову, кандидатов с.-х.наук Т.К.Шешегову, М.И.Тумасову, И.А.Устюжанина, И.Н.Щенникову и весь коллектив лаборатории генетики НИИСХ Северо-Востока.
Считаю своим долгом отметить, что эта диссертация никогда не была бы выполнена вне постоянного творческого сотрудничества со своим мужем и ближайшим сотрудником, канд. биол. наук. А.А.Широких и благодарю его за это.
Особую благодарность приношу заведующему кафедрой биологии почв МГУ профессору Д.Г.Звягинцеву и сотрудникам этой кафедры за внимание, ценные советы и поддержку.
Защищаемые положения.
1. Кислотность почвы и связанная с нею токсичность ионов алюминия являются одним из ведущих экологических факторов, определяющих профильное распределение численности и биомассы прокариотных и эукариотных микроорганизмов в зональных дерново-подзолистых и агродерново-подзолистых почвах. В зависимости от концентрации ионов ИҐ и АГ+ в одной и той же почве могут складываться микробные сообщества разной степени зрелости. Этапы бактериальной сукцессии в различных горизонтах определяются преимущественно кислотными свойствами почвы, а количественное распределение бактерий по профилю дерново-подзолистой почвы в равной мере зависит от её кислотных свойств и содержания в почве органического вещества.
В пространственно-временной организации микробного сообщества торфяной почвы кислотность и алюминий не играют столь существенной роли, как в зональных почвах, что связано с качественно иной природой кислотности в торфах.
2. Значительная часть микробного комплекса почв дерново-подзолистого типа с низкими значениями рН представлена популяциями алюмотолерантных микроорганизмов. Развитие микробной сукцессии в присутствии токсических ионов свидетельствует о существовании в микробных популяциях специфических реакций адаптации к стрессу, что подтверждает существование экологической изменчивости микроорганизмов в различных условиях существования.
3. В условиях эдафического стресса повышается значимость микробно-растительных взаимодействий. Активно селектируемые из почвы корнями растений бактерии, обладают фитостимулирующими и антифунгальными свойствами при отклонении эдафических условий от оптимума чаще, чем бактерии, активно колонизирующие корни растений в условиях эдафического оптимума. В последнем случае в комплексе увеличивается относительная доля ризобактерий с фитоингибируюшей активностью.
4. Реакция ассоциированных с корнями растений микробных комплексов на эдафический стресс, обусловленный токсическими ионами НҐ и А13+, заключается в перераспределении плотности бактерий в системе ризосфера-ризоплана. В ризосфере под воздействием стресса общее количество бактерий снижается, а в ризоплане, напротив, возрастает за счет активного хемотаксиса и увеличения адсорбции бактериальных клеток корнями растений. Выраженность реакции прокариот на стресс варьирует в зависимости от генетически детерминированных различий в корневой экскреции растения-хозяина.
Несмотря на специфичность ризосферы и ризопланы, как местообитаний микроорганизмов, в том и другом микробном комплексе при стрессе возрастает численность алюмотолерантной популяции бактерий, экологическая роль которой связана с ограничением подвижности ионов алюминия при изменении рН, обусловленном метаболизмом адсорбированных и иммобилизованных на поверхности корня бактериальных клеток, что повышает адаптивность растения-хозяина к стрессу.
5. Комплексы ризосферных микроорганизмов различных видов и сортов сельскохозяйственных растений специфичны по своей экологической и таксономической структуре. Метаболическая совместимость между растением и бактериями обусловлена особенностями состава корневых выделений, который контролируется генетически. Существует определенная связь между видовой и сортовой специфичностью микробного комплекса ризопланы и способностью растений кондиционировать экохимическую среду в зоне корней.
Научная новизна. Для кислых зональных почв Европейского Северо-Востока впервые доказана сопряженность параметров почвенной кислотности и содержания основных компонентов микробной биомассы, изменяющихся в пределах почвенного профиля по генетическим горизонтам. Установлено, что зональные почвы обладают значительным пулом кислотоустойчивых (105-10б КОЕУг) и алюмотолерантных (10 -105 КОЕ/г) микроорганизмов, адаптированных к условиям местообитания. От почвенной кислотности и содержания в почве обменного алюминия существенно зависят сукцессионные изменения в бактериальном комплексе, т.е. в одной и той же почве могут складываться микробные сообщества разной степени зрелости.
Реакция на кислотный стресс бактериального комплекса прикорневой зоны растений заключается в снижении численности в ризосферной почве при одновременном увеличении плотности бактерий на поверхности корней. Возрастание количества адсорбированных корнями бактериальных клеток в алюмокислой среде впервые рассматривается как проявление совместной адаптации бактерий и растения к эдафическому стрессу.
Бактерии, активно колонизирующие корни при отклонении эдафических факторов от оптимальных значений, чаще обладают потенциалом положительных эффектов воздействия на растения, чем бактерии, колонизирующие корни в условиях, отвечающих физиологическому оптимуму роста растений.
В стрессовых условиях более чем в оптимальных условиях почвенной кислотности, выражена видовая и сортовая специфичность ассоциированных с корнями комплексов микроорганизмов. Ответная реакция на стресс, проявляющаяся в изменении экологической структуры бактериального комплекса ризопланы, связана с особенностями корневой экскреции и может характеризовать адаптивный потенциал растений к токсичности алюминия в кислых почвах.
Впервые показана специфичность ризосферных комплексов акгиномицетов. Комплексы различных видов и сортов растений различаются как по структуре доминирования, так и по частоте встречаемости в них представителей, способных утилизировать отдельные компоненты корневых выделений, и актиномицетов, оказывающих угнетающее и стимулирующее действие на другие почвенные микроорганизмы. Выявлена антифунгальная активность широкого круга актиномицетных изолятов из ризосферы растений на кислой почве.
Практическая значимость работы. Обнаруженные закономерности в пространственно-временной организации микробных сообществ кислых почв Европейского Северо-Востока позволяют оценить современное состояние микробных сообществ, прогнозировать развитие почв при антропогенном воздействии и в естественном состоянии, являются эколого-почвенной основой для разработки принципов организации землепользования в регионе.
Данные по биомассе почвенных микроорганизмов могут быть использованы для оценки их роли в круговороте органических веществ и энергии в региональных агроэкосистемах, для расчетов содержания питательных элементов, иммобилизованных в их биомассе.
Информация, полученная при мониторинге микробного комплекса осушенных и выработанных торфяников, использована для оптимизации хозяйственного освоения торфяных почв и разработки способов рекультивации нарушенных торфодобычей земель.
Исследования актиномицетного состава почвы и сопряженных с нею субстратов являются основанием к направленному поиску и выделению биотехнологически ценных культур мицелиальных пркариот. Экологические характеристики структуры актиномицетных комплексов могут использоваться для индикации нарушений в решении проблем охраны окружающей среды. Различную способность растений концентрировать на корнях актиномицеты с антифунгальными свойствами предложено использовать в селекции новых сортов на устойчивость к почвенным инфекциям.
Выявленные закономерности взаимодействия "генотип-среда" на уровне реакции микроорганизмов в прикорневой зоне сельскохозяйственных растений представляют интерес для селекции в качестве биологического теста, характеризующего адаптивный потенциал растений к эдафическому и биотическому стрессам.
Апробация работы. Материалы диссертации были доложены и представлены на 111 и IV Всесоюзных конференциях "Микроорганизмы в сельском хозяйстве" (Москва, 1986; Пущино, 1992), 111 Всесоюзном симпозиуме "Биодинамика почв" (Таллин, 1988), 4-й конференции молодых ученых (Пущино, 1989), Всесоюзной конференции "Торф в народном хозяйстве" (Томск, 1991), 9-м и 10-м Международных конгрессах по торфу (Уппсала, 1992; Бремен, 1996), на совместном заседании кафедры биологии почв факультета почвоведения МГУ и 111 комиссии (Биология почв) Российского общества почвоведов (1993), совещании "Ландшафтный подход в мелиорации и вопросы землеустройства" (Тверь, 1993), Международной конференции "Генезис, эволюция и роль болот в биосферных процессах" (Минск, 1994), Всероссийской конференции "Сельскохозяйственная микробиология в 19-21 веках" (С.-Петербург, 2001), сессиях Вятского регионального отделения РАЕН (Киров, 2001, 2004), 3-м Международном специализированном семинаре "Биология, медицина, экология" (Киров, 2002), Международной конференции "Озимая рожь: селекция, семеноводство, технологии и переработка" (Киров, 2003), на годичных отчетных сессиях НИИСХ С-В РАСХН 1994-1996, 1999-2003 гг.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 73 работы.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав и выводов. Она включает 359 страниц машинописного текста, 68 рисунков, 51 таблицу. Список литературы включает 713 работ, из которых 317 на иностранных языках.
Автору принадлежат: составление программ исследований, сбор значительной части полевого материала и выполнение основной части экспериментальных работ, обобщение полученной информации и выводы работы. В работе использованы материалы, полученные лично автором, а также материалы работ, выполненных под его руководством или при непосредственном участии.
