Файл: Реферат Выпускная магистерская диссертация по теме Формирование микробных сообществ под культурами сосны обыкновенной ( Pinus silvestris L.) в почвогрунтах Бородинского угольного разреза и их участие в процессе почвообразования.doc
Добавлен: 07.11.2023
Просмотров: 71
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
СОДЕРЖАНИЕ
1.1 Рекультивация нарушенных земель
1.2 Характеристика Бородинского угольного разреза
1.3 Роль микроорганизмов в процессах почвообразования. Их влияние на
1.4 Ферментативная активность почв
1.4.1 Ферментативная активность техногенно-поверхностных
образований (ТПО). Характеристика почвенных ферментов
2.2 Методы микробиологического анализа фоновой почвы и почвогрунтов
2.2.1 Микробиологические методы
2.2.2 Определение ферментативной активности
Глава 3. Результаты исследований
3.1. Химическая оценка исследуемых участков почвогрунтов (№16 и №19) и фоновой почвы
3.2 Микробиологические характеристики почвогрунтов и фоновой почвы в 2014 г.
3.3 Микробиологические характеристики почвогрунтов и фоновой почвы в 2015 г.
пытались соотнести с исходными названиями, например, евторофы (сапротрофы) – олиготрофы; гидролитики – диссипотрофы (микрофлора рассеяния) и др.
В.С. Гузевым было предложено представление о функционировании микробных сообществ почв как о триаде: гидролитики – копиотрофы – олиготрофы. Гидролитики выделяют в среду внеклеточные гидролитические ферменты и осуществляют процесс гидролиза полимеров. Копиотрофы не образуют гидролаз, но с большой скоростью потребляют растворимые соединения при их высокой концентрации в среде. Олиготрофы используют мономерные соединения в условиях их низкой концентрации в среде и являются основными утилизаторами органических веществ на конечных стадиях их превращения. Выделение этих трех функциональных групп позволило представить микробную систему почв как саморегулирующуюся биологическую систему, обеспечивающую разложение органического вещества в почве [27].
Почвенные микроорганизмы занимают все более важное место в научных исследованиях, поскольку являются важной составной частью техногенного биоценоза, как один из факторов почвообразования и методов биологической рекультивации.
При биологической рекультивации нарушенных земель основной задачей является создание на них почвенного горизонта [28]. Развитие биоты на обнаженных и рекультивированных породах имеет сукцессионный характер. Огромную роль в почвообразовании играет микробная колонизация, приводящая к химической деградации органических веществ с образованием гуминовых кислот и стабильных органо-минеральных комплексов [29, 30].
Развитию почвенных экосистем способствует развитие ассоциированных с растениями микробных сообществ, которые повторяют сукцессионные процессы, происходящие в растительных сообществах наземных экосистем
[Ошибка! Закладка не определена.].
Показатели микробиологической активности коррелируют с сукцессиями микроорганизмов и являются достаточно надежным индикатором свойств почвы, так как основные изменения, происходящие в грунтосмесях, обусловлены биохимическими процессами.
В состав почвенной микрофлоры входят микроорганизмы с различными требованиями к источникам энергии. Количественное соотношение между ними зависит от экологических условий, в которых складывается тот или иной микробный ценоз.
Установлено, что специфика развития и функционирования микробоценозов в техногенных ландшафтах определяется возрастом отвалов, физико-химическими свойствами отвальных материалов и сукцессий растительности. Растительные сообщества выполняют роль регуляторов эдафона (влажность, температура, реакция среды) и поставляют органический опад, служащий источником энергии и питания многих групп микроорганизмов. Необходимо отметить, что породы, отсыпанные в отвалы, изначально имеют различную характеристику микробиоценозов.
Известно, что связь микробного биоразнообразия со свойствами почвы в пределах ее генетических горизонтов обуславливается, главным образом, общими закономерностями в вертикальной стратификации микробных сообществ в почвенном профиле и распределении поступающих в почву растительных остатков [31, 32].
Хорошая почва всегда содержит достаточное количество органических и минеральных веществ, часто имеет необходимую влажность и реакцию почвенного раствора, достаточно снабжена кислородом и защищает микроорганизмы от губительного влияния прямых солнечных лучей.
Развитие микроорганизмов в почве теснейшим образом связано с органическим веществом. Чем богаче почва растительными остатками, тем больше содержится в ней микробов (табл.1).
Таблица 1 – Количество микроорганизмов в почвах по данным Мишустина Е.Н. (1960 г.).
В 1 г дерново-подзолистых почв содержится около 500 млн. бактерий, в 1 г каштановых—1 —1,5 млрд.; в черноземах, отличающихся высоким содержанием органического вещества, количество микроорганизмов достигает 2—3 млрд. в 1 г почвы, а в хорошо окультуренных черноземах микроорганизмов значительно больше.
Несмотря на ничтожно малый размер микробов, общий вес их в почвах достигает значительной величины. Так, если принять в среднем размеры клеток равными 1 х 2 микрона и количество их в 1 г почвы 5 млрд., то в 25сантиметровом слое 1 га почвы живой вес микробов составит около 1—3 т.
Особенно богаты микроорганизмами культурные, хорошо обрабатываемые и удобряемые навозом почвы.
Вся эта масса микробов в почвенной толще распределена неравномерно. Наиболее богаты микроорганизмами поверхностные горизонты до глубины 25—35 см; по мере углубления число микробов становится все меньше и меньше, а на значительной глубине они встречаются в ничтожном количестве. Большое влияние на распределение микрофлоры в почвенной среде оказывает корневая система растений. Корни постоянно выделяют во внешнюю среду различного рода органические соединения, служащие хорошим источником питания для микроорганизмов; в прикорневой зоне растений обычно имеются благоприятные условия для микроорганизмов. Эта зона называется ризосферой. В ризосфере, как показывают многие исследования, число микробов в десятки и сотни, а иногда и в тысячи раз больше, чем вне зоны корней. Микробы покрывают корневую систему растений почти сплошным слоем [33].
Обильная микрофлора в ризосфере, а также и во всей почвенной толще играет большую роль в развитии почвенного плодородия. Микроорганизмы могут интенсивно развиваться только при определенных температурных условиях при соответствующих влажности и реакции среды.
Наиболее энергично разложение совершается чаще всего в первую половину лета, когда тепловые условия и влажность находятся в наиболее благоприятном сочетании. В жаркие летние месяцы, когда почва сильно пересыхает, жизнедеятельность микроорганизмов снижается, и процесс разложения сводится к минимуму. Разложение замедляется также по мере уменьшения тепла в осенний период, а с наступлением морозов этот процесс совсем прекращается [33].
С жизнедеятельностью микроорганизмов связаны разложение отмерших растений и животных и превращение их в перегной, или гумус, процессы минерализации органического вещества, фиксации атмосферного азота, процессы аммонификации, нитрификации, денитрификации и процессы синтеза сложных органических соединений.
Необходимо отметить, что накопление аммиака в почве и дальнейший процесс его окисления или нитрификации имеют место в том случае, когда отношение С к N в разлагающемся материале меньше 20:1; при отношении С к N больше 20:1 весь образующийся аммиак перехватывается микроорганизмами, разлагающими безазотистые органические вещества, и используется ими для построения белка своей плазмы. Наличие в почве большого количества неразложившегося органического вещества, богатого углеводами (например, соломы), тормозит накопление аммиака в почве [34].
Большое значение имеют микроорганизмы в разрушении и синтезе минералов, а также в регулировании окислительно-восстановительных условий в почве. При разложении растительных остатков микроорганизмами в почве накапливаются лигнин, воски, смолы, и другие относительно устойчивые вещества [35].
Наряду с бактериями большое участие в почвообразовательных процессах принимают грибы, которые являются гетеротрофными сапрофитными организмами, питающимися готовым органическим веществом.
С жизнедеятельностью грибной микрофлоры в почве связаны многообразные процессы разложения клетчатки, жиров, лигнина, белков и других органических соединений. Они хорошо развиваются как в нейтральной, так и в кислой среде, поэтому разложение древесных остатков в лесу, отличающихся кислой реакцией, происходит главным образом под влиянием грибной микрофлоры.
В разложении клетчатки наибольшее участие принимают грибы из родов Trichoderma, Aspergillus, Fusarium и другие; из грибов, разлагающих пектин, могут быть названы Mucor stolonifer, Aspergillus niger, Cladosporium и другие; многие плесени (Oidium lactis, разные виды Aspergillus и Penicillium) энергично разлагают жиры,
Углеводороды с открытой цепью, а также углеводороды ароматического ряда под влиянием ряда грибов окисляются до СО2 и Н2О; многими плесневыми и несовершенными грибами вызывается аммонификация белков. Особенно большую роль играют грибы в образовании и разложении перегнойных веществ, составляющих наиболее существенную часть почвы [33].
Большое распространение в почвах имеют актиномицеты, или лучистые грибы (Actynomycetes), представляющие собой переходную форму между бактериями и грибами.
Роль актиномицетов в почвообразовательных процессах весьма значительна. Они принимают активное участие в разложении безазотистых и азотистых органических веществ, в том числе и наиболее стойких соединений, входящих в состав почвенного перегноя, или гумуса [36].
Отмечено, что взаимодействие беспозвоночных и микроорганизмов ускоряет трансформацию органического вещества, поступающего с древесным опадом и травяным покровом, делая его более сложным и комплексным, что приводит к образованию спорадического органо-минерального горизонта (1-1,5 см) [15].
Все биологические процессы, связанные с превращением веществ и энергии в почве, осуществляются с помощью ферментов, играющих важную роль в мобилизации элементов питания растений. Кроме того, ферменты обуславливают интенсивность и направленность наиболее важных биохимических процессов, связанных с синтезом и распадом гумуса, гидролизом органических соединений и окислительно-восстановительным режимом почвы.
Формирование и функционирование ферментативной активности почвы - сложный и многофакторный процесс. Согласно системно-экологической концепции он представляет собой единство экологически обусловленных процессов поступления, стабилизации и проявления активности ферментов в почве [37]. Эти три звена определены как блоки продуцирования, иммобилизации и действия ферментов [38].
Ферменты в почве - это продукты метаболизма почвенного биоценоза, но мнения о вкладе различных компонентов в их накоплении противоречивы. Ряд исследователей [39, 40] считает, что основная роль в обогащении почвы ферментами принадлежит корневым выделениям растений, другие [41] - почвенным животным, большинство же [42, 43, 44, 45, 46] придерживаются мнения о том, что ферментативный пул в почве состоит из внутриклеточных и внеклеточных ферментов, преимущественно микробного происхождения.
Почвенные ферменты участвуют при распаде растительных, животных и микробных остатков, а также синтезе гумуса. В результате ферментативных процессов питательные вещества из трудно усвояемых соединений переходят в легко доступные формы для растений и микроорганизмов. Ферменты отличаются исключительно высокой активностью, строгой специфичностью действия и большой зависимостью от различных условий внешней среды. Последняя особенность имеет большое значение в регулировании их активности в почве. Ферментативная активность почв по Д. Г. Звягинцеву [44] складывается из:
а) внеклеточных иммобилизованных ферментов;
б) внеклеточных свободных ферментов;
в) внутриклеточных ферментов мертвых клеток;
г) внутриклеточных и внеклеточных ферментов, образованных в
искусственных условиях эксперимента и не характерных для данной почвы.
Установлено, что каждый фермент действует лишь на вполне определенное вещество или сходную группу веществ и вполне определенный тип химической связи. Это вызвано их строгой специфичностью.
В.С. Гузевым было предложено представление о функционировании микробных сообществ почв как о триаде: гидролитики – копиотрофы – олиготрофы. Гидролитики выделяют в среду внеклеточные гидролитические ферменты и осуществляют процесс гидролиза полимеров. Копиотрофы не образуют гидролаз, но с большой скоростью потребляют растворимые соединения при их высокой концентрации в среде. Олиготрофы используют мономерные соединения в условиях их низкой концентрации в среде и являются основными утилизаторами органических веществ на конечных стадиях их превращения. Выделение этих трех функциональных групп позволило представить микробную систему почв как саморегулирующуюся биологическую систему, обеспечивающую разложение органического вещества в почве [27].
Почвенные микроорганизмы занимают все более важное место в научных исследованиях, поскольку являются важной составной частью техногенного биоценоза, как один из факторов почвообразования и методов биологической рекультивации.
При биологической рекультивации нарушенных земель основной задачей является создание на них почвенного горизонта [28]. Развитие биоты на обнаженных и рекультивированных породах имеет сукцессионный характер. Огромную роль в почвообразовании играет микробная колонизация, приводящая к химической деградации органических веществ с образованием гуминовых кислот и стабильных органо-минеральных комплексов [29, 30].
Развитию почвенных экосистем способствует развитие ассоциированных с растениями микробных сообществ, которые повторяют сукцессионные процессы, происходящие в растительных сообществах наземных экосистем
[Ошибка! Закладка не определена.].
Показатели микробиологической активности коррелируют с сукцессиями микроорганизмов и являются достаточно надежным индикатором свойств почвы, так как основные изменения, происходящие в грунтосмесях, обусловлены биохимическими процессами.
В состав почвенной микрофлоры входят микроорганизмы с различными требованиями к источникам энергии. Количественное соотношение между ними зависит от экологических условий, в которых складывается тот или иной микробный ценоз.
Установлено, что специфика развития и функционирования микробоценозов в техногенных ландшафтах определяется возрастом отвалов, физико-химическими свойствами отвальных материалов и сукцессий растительности. Растительные сообщества выполняют роль регуляторов эдафона (влажность, температура, реакция среды) и поставляют органический опад, служащий источником энергии и питания многих групп микроорганизмов. Необходимо отметить, что породы, отсыпанные в отвалы, изначально имеют различную характеристику микробиоценозов.
Известно, что связь микробного биоразнообразия со свойствами почвы в пределах ее генетических горизонтов обуславливается, главным образом, общими закономерностями в вертикальной стратификации микробных сообществ в почвенном профиле и распределении поступающих в почву растительных остатков [31, 32].
Хорошая почва всегда содержит достаточное количество органических и минеральных веществ, часто имеет необходимую влажность и реакцию почвенного раствора, достаточно снабжена кислородом и защищает микроорганизмы от губительного влияния прямых солнечных лучей.
Развитие микроорганизмов в почве теснейшим образом связано с органическим веществом. Чем богаче почва растительными остатками, тем больше содержится в ней микробов (табл.1).
Таблица 1 – Количество микроорганизмов в почвах по данным Мишустина Е.Н. (1960 г.).
В 1 г дерново-подзолистых почв содержится около 500 млн. бактерий, в 1 г каштановых—1 —1,5 млрд.; в черноземах, отличающихся высоким содержанием органического вещества, количество микроорганизмов достигает 2—3 млрд. в 1 г почвы, а в хорошо окультуренных черноземах микроорганизмов значительно больше.
Несмотря на ничтожно малый размер микробов, общий вес их в почвах достигает значительной величины. Так, если принять в среднем размеры клеток равными 1 х 2 микрона и количество их в 1 г почвы 5 млрд., то в 25сантиметровом слое 1 га почвы живой вес микробов составит около 1—3 т.
Особенно богаты микроорганизмами культурные, хорошо обрабатываемые и удобряемые навозом почвы.
Вся эта масса микробов в почвенной толще распределена неравномерно. Наиболее богаты микроорганизмами поверхностные горизонты до глубины 25—35 см; по мере углубления число микробов становится все меньше и меньше, а на значительной глубине они встречаются в ничтожном количестве. Большое влияние на распределение микрофлоры в почвенной среде оказывает корневая система растений. Корни постоянно выделяют во внешнюю среду различного рода органические соединения, служащие хорошим источником питания для микроорганизмов; в прикорневой зоне растений обычно имеются благоприятные условия для микроорганизмов. Эта зона называется ризосферой. В ризосфере, как показывают многие исследования, число микробов в десятки и сотни, а иногда и в тысячи раз больше, чем вне зоны корней. Микробы покрывают корневую систему растений почти сплошным слоем [33].
Обильная микрофлора в ризосфере, а также и во всей почвенной толще играет большую роль в развитии почвенного плодородия. Микроорганизмы могут интенсивно развиваться только при определенных температурных условиях при соответствующих влажности и реакции среды.
Наиболее энергично разложение совершается чаще всего в первую половину лета, когда тепловые условия и влажность находятся в наиболее благоприятном сочетании. В жаркие летние месяцы, когда почва сильно пересыхает, жизнедеятельность микроорганизмов снижается, и процесс разложения сводится к минимуму. Разложение замедляется также по мере уменьшения тепла в осенний период, а с наступлением морозов этот процесс совсем прекращается [33].
С жизнедеятельностью микроорганизмов связаны разложение отмерших растений и животных и превращение их в перегной, или гумус, процессы минерализации органического вещества, фиксации атмосферного азота, процессы аммонификации, нитрификации, денитрификации и процессы синтеза сложных органических соединений.
Необходимо отметить, что накопление аммиака в почве и дальнейший процесс его окисления или нитрификации имеют место в том случае, когда отношение С к N в разлагающемся материале меньше 20:1; при отношении С к N больше 20:1 весь образующийся аммиак перехватывается микроорганизмами, разлагающими безазотистые органические вещества, и используется ими для построения белка своей плазмы. Наличие в почве большого количества неразложившегося органического вещества, богатого углеводами (например, соломы), тормозит накопление аммиака в почве [34].
Большое значение имеют микроорганизмы в разрушении и синтезе минералов, а также в регулировании окислительно-восстановительных условий в почве. При разложении растительных остатков микроорганизмами в почве накапливаются лигнин, воски, смолы, и другие относительно устойчивые вещества [35].
Наряду с бактериями большое участие в почвообразовательных процессах принимают грибы, которые являются гетеротрофными сапрофитными организмами, питающимися готовым органическим веществом.
С жизнедеятельностью грибной микрофлоры в почве связаны многообразные процессы разложения клетчатки, жиров, лигнина, белков и других органических соединений. Они хорошо развиваются как в нейтральной, так и в кислой среде, поэтому разложение древесных остатков в лесу, отличающихся кислой реакцией, происходит главным образом под влиянием грибной микрофлоры.
В разложении клетчатки наибольшее участие принимают грибы из родов Trichoderma, Aspergillus, Fusarium и другие; из грибов, разлагающих пектин, могут быть названы Mucor stolonifer, Aspergillus niger, Cladosporium и другие; многие плесени (Oidium lactis, разные виды Aspergillus и Penicillium) энергично разлагают жиры,
Углеводороды с открытой цепью, а также углеводороды ароматического ряда под влиянием ряда грибов окисляются до СО2 и Н2О; многими плесневыми и несовершенными грибами вызывается аммонификация белков. Особенно большую роль играют грибы в образовании и разложении перегнойных веществ, составляющих наиболее существенную часть почвы [33].
Большое распространение в почвах имеют актиномицеты, или лучистые грибы (Actynomycetes), представляющие собой переходную форму между бактериями и грибами.
Роль актиномицетов в почвообразовательных процессах весьма значительна. Они принимают активное участие в разложении безазотистых и азотистых органических веществ, в том числе и наиболее стойких соединений, входящих в состав почвенного перегноя, или гумуса [36].
Отмечено, что взаимодействие беспозвоночных и микроорганизмов ускоряет трансформацию органического вещества, поступающего с древесным опадом и травяным покровом, делая его более сложным и комплексным, что приводит к образованию спорадического органо-минерального горизонта (1-1,5 см) [15].
1.4 Ферментативная активность почв
Все биологические процессы, связанные с превращением веществ и энергии в почве, осуществляются с помощью ферментов, играющих важную роль в мобилизации элементов питания растений. Кроме того, ферменты обуславливают интенсивность и направленность наиболее важных биохимических процессов, связанных с синтезом и распадом гумуса, гидролизом органических соединений и окислительно-восстановительным режимом почвы.
Формирование и функционирование ферментативной активности почвы - сложный и многофакторный процесс. Согласно системно-экологической концепции он представляет собой единство экологически обусловленных процессов поступления, стабилизации и проявления активности ферментов в почве [37]. Эти три звена определены как блоки продуцирования, иммобилизации и действия ферментов [38].
Ферменты в почве - это продукты метаболизма почвенного биоценоза, но мнения о вкладе различных компонентов в их накоплении противоречивы. Ряд исследователей [39, 40] считает, что основная роль в обогащении почвы ферментами принадлежит корневым выделениям растений, другие [41] - почвенным животным, большинство же [42, 43, 44, 45, 46] придерживаются мнения о том, что ферментативный пул в почве состоит из внутриклеточных и внеклеточных ферментов, преимущественно микробного происхождения.
Почвенные ферменты участвуют при распаде растительных, животных и микробных остатков, а также синтезе гумуса. В результате ферментативных процессов питательные вещества из трудно усвояемых соединений переходят в легко доступные формы для растений и микроорганизмов. Ферменты отличаются исключительно высокой активностью, строгой специфичностью действия и большой зависимостью от различных условий внешней среды. Последняя особенность имеет большое значение в регулировании их активности в почве. Ферментативная активность почв по Д. Г. Звягинцеву [44] складывается из:
а) внеклеточных иммобилизованных ферментов;
б) внеклеточных свободных ферментов;
в) внутриклеточных ферментов мертвых клеток;
г) внутриклеточных и внеклеточных ферментов, образованных в
искусственных условиях эксперимента и не характерных для данной почвы.
Установлено, что каждый фермент действует лишь на вполне определенное вещество или сходную группу веществ и вполне определенный тип химической связи. Это вызвано их строгой специфичностью.