WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


 

На правах рукописи

назарько
Марина Дмитриевна

теоретическое и экспериментальное обоснование использования микробиологических показателей почв для оценки состояния экосистем краснодарского края

03.00.07 – микробиология

Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
доктора биологических наук

Ставрополь – 2008

Работа выполнена в ГОУ ВПО
«Кубанский государственный технологический университет»,

ГОУ ВПО «Ставропольский государственный университет».

       

Официальные оппоненты:        доктор биологических наук, профессор

       Дмитриев Анатолий Федорович;

       доктор биологических наук, профессор

       Майский Виктор Григорьевич;

       доктор сельскохозяйственных наук,

       профессор, академик РАСХН

       Петрова Людмила Николаевна.

Ведущая организация:        ГОУ ВПО «Кубанский

       государственный университет».

Защита диссертации состоится ________________________________ 2008 г. в _____ часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.256.09 в Ставропольском государственном университете по адресу: 355009, г. Ставрополь, ул. Пушкина, 1, корп. 2, комн. 506.

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке Ставропольского государственного университета.

Автореферат разослан ________________________________ 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета        Ржепаковский И.В.

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1



Актуальность проблемы. Современный этап развития общества характеризуется интенсивным вмешательством человека в природные процессы, что приводит к нарушению естественного функционирования экосистем. Оценить антропогенное воздействие можно по многим показателям, в том числе и по реакции почвенных микроорганизмов. Это обусловлено их обилием, сложной структурой образуемых сообществ, ролью и значением в почвообразовательных процессах и высокой чувствительностью к различным факторам, как локально действующим экологическим, имеющим место в природе, так и антропогенным.

Изучение изменения равновесного состояния в сообществах почвенных микроорганизмов – актуальная проблема современности. В этом плане важны разработка критериев, по которым можно было бы оценить степень воздействия антропогенных факторов. В этих условиях разрушение микробоценозов можно считать индикатором изменения структуры экосистемы в целом.

Перспективность биодиагностических методов при оценке состояния почвенного покрова показана в работах М.С. Гилярова (1965), Е.Н. Мишустина (1966), Л. Локс Ори (1977), Д.Г. Звягинцева (1992, 1994, 1999), А. Кёллер (1982), Дж. Бернат (1984), В.Г. Добровольского (1985, 1990), Ф.Х. Хазиева (1976, 1982, 2005), Ю.Г. Гельцера (1986), Л.О. Карпачевского (1972, 1987), И.П. Бабьевой (1989), М.В. Горленко (1994), А.В. Головченко (2007) и других.

К сожалению, в настоящее время биологические методы оценки состояния почв используются все еще недостаточно, хотя они незаменимы там, где требуется интегральная оценка состояния экосистемы.

В Краснодарском крае помимо влияния современных технологий интенсивного земледелия – применения минеральных удобрений и пестицидов, существует также проблема нефтяного загрязнения, негативно изменяющего физико-химические и биологические свойства почвы. В связи с этим актуальным является разработка способов, ускоряющих природные процессы микробной деградации углеводородов, а также использование биодеградабельных, экологически безопасных смазочных добавок к буровым растворам.

Актуальность темы подтверждается ее соответствием НТП Минобразования России «Научные исследования высшей школы по технологии живых систем», а также положениям Федерального закона России «Об охране окружающей среды» статьи 70 «Научные исследования в области охраны окружающей среды» (2001 г.) и Краснодарской краевой целевой программы «Об обеспечении плодородия земель сельскохозяйственного назначения на территории Краснодарского края» (2004 г.), среди целей и задач которой разработка показателей оценки негативного воздействия хозяйственной деятельности на окружающую среду и обоснование методов по сохранению и реабилитации природного потенциала России. Часть исследований по теме диссертации выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ) и Департамента сельского хозяйства и перерабатывающей промышленности Краснодарского края (грант № 060496604).

1.2 Цель работы и основные задачи исследования. Целью исследования являлось изучение закономерностей изменения микрофлоры почв экосистем Краснодарского края в условиях интенсивного антропогенного воздействия.

Поставленная цель обусловила необходимость решения следующих задач:

– изучить структуру и функционирование сообществ микроорганизмов пахотных горизонтов и профилей почв Краснодарского края;

– провести сравнительный анализ микрофлоры профилей различных подтипов черноземов агроэкосистем;

– провести классификацию районов Краснодарского края по комплексу микробиологических и агрохимических показателей их почв;

– разработать математическую модель для описания механизмов функционирования почвенных микробных комплексов и прогноза показателей качества выращиваемого зерна;

– сопоставить микробные комплексы почв антропогенных экосистем с таковыми природных биотопов, выявить закономерные изменения в ходе сукцессий и разработать показатели комплексной оценки для диагностики их состояния;

– сравнить биологическую активность чернозема выщелоченного, типичного и обыкновенного в природных и агроэкосистемах с учетом способов возделывания сельскохозяйственных культур и степени окультуренности почв;

– охарактеризовать количественный и качественный состав микробных комплексов почвы и ризосферы в совместных и чистых посевах сои и сорго;

– выяснить роль микробиологического фактора в токсичности окультуренной почвы и предложить рекомендации по ее снижению;

– оценить степень нарушения состава микрофлоры и агрохимических характеристик почвы, подвергающейся ежегодному сжиганию стерневых остатков и сорной растительности;

– экспериментально отобрать экологически безопасные, биодеградабельные добавки к буровым растворам, а также создать комбинированный биосорбент из вторичного растительного сырья и разработать на его основе способ восстановления почв, подвергшихся нефтезагрязнениям.

1.3 Научная концепция. Научная концепция работы заключается в теоретическом и экспериментальном обосновании использования комплекса микробиологических показателей почв для оценки состояния и уровня поврежденности экосистем Краснодарского края.

1.4 Научная новизна. Впервые установлено, что степной, рисовой и горной почвенным зонам Краснодарского края соответствуют характерные комбинации соотношений и численности эколого-трофических и систематических групп микроорганизмов, изменяющиеся под влиянием антропогенных воздействий. Впервые для оценки состояния разных типов экосистем исследованного региона сформирован комплекс наиболее информативных микробиологических и агрохимических показателей почв.

На основании проведенных экспериментальных исследований и их теоретических обобщений сформулировано ключевое положение о возможности направленного восстановления почвы путем модификации ее ферментативной активности, связанной с внесением иммобилизованных на углеродном сорбенте микроорганизмов, дефицитных для конкретной экосистемы, подвергшейся антропогенному воздействию, включая загрязнения почвы нефтью и нефтепродуктами, позволяющее решить важную народнохозяйственную задачу восстановления плодородия почв.

1.5 Практическая ценность работы. Рекомендованы методы диагностики состояния почв по выявленным наиболее информативным микробиологическим и биохимическим показателям, позволившим количественно оценить интенсивность и направленность эколого-биохимических процессов, формирующих химический состав почв агроландшафтных систем Краснодарского края, а также технологическое качество выращиваемого зерна. Численный анализ полученных экспериментальных данных выполнен программой для ЭВМ (Свидетельство об официальной регистрации программы № 2006613141).

Разработаны рекомендации, обеспечивающие в условиях Краснодарского края сбалансированное течение микробиологических процессов в почвах, реализованные в производственной деятельности опытно-семеноводческого хозяйства ОНО ОСХ «Березанское» Краснодарского края.

Рекомендована для применения в бурении на нефть и газ наиболее экологически безопасная смазочная добавка СПРИНТ.

Для ускоренной биоремедиации почв, подвергшихся загрязнению нефтью и нефтепродуктами, разработан комбинированный биосорбент, полевые испытания которого показали его эффективность, предотвращенный экологический ущерб землям сельскохозяйственного назначения составил свыше 110 тысяч рублей на гектар (в ценах 1999 г.). Решением жюри X Международного салона промышленной собственности изобретение «Комбинированный сорбент для сбора и утилизации разливов нефти и нефтепродуктов» награждено золотой медалью и дипломом «Архимед2007», а также дипломом Федеральной службы по Интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам и бронзовой медалью VII Московского международного салона инноваций и инвестиций за разработку «Применение разработанных сорбентов для сбора нефти и нефтепродуктов». На способ получения сорбента и его применение получены положительные решения на выдачу патентов РФ.

Теоретические и прикладные положения диссертации использованы в учебном процессе при разработке образовательных программ по специальностям 280202 – Инженерная защита окружающей среды, 240403 – Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов, 340100 – Управление качеством, включая учебно-методическое обеспечение дисциплин специализаций «Основы микробиологии и биотехнологии», «Основы биотехнологии» и «Концепции современного естествознания» КубГТУ.

1.6 Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены: на Всесоюзной конференции «Защита древесины и целюлозосодержащих материалов от биоповреждений» (г. Рига, 1989); на Всесоюзной научно-технической конференции «Химия, технология и применение целлюлозы и ее производных» (г. Суздаль, 1990); на IV Всесоюзной конференции «Биоповреждения» (г. Н.Новгород, 1991); на научной конференции «Биоповреждения в промышленности» (г. Пенза, 1993); на Всероссийской конференции «Экологические проблемы биодеградации промышленных, строительных материалов и отходов производств» (г. Пенза, 1998); на VIII Всероссийском Конгрессе «Экология и здоровье человека» по теме: «Актуальные проблемы экологии человека» (г. Самара, 2002); на Всероссийском научно-техническом семинаре: «Экологическая безопасность России от техногенных аварий и катастроф» (г. Пенза, 2004); на Международной научной конференции: «Инновации в науке и образовании 2005» (г. Калининград, 2005); на VI Общероссийской научной конференции «Успехи современного естествознания» (г. Сочи, 2005); на научной конференции Российской академии естествознания с международным участием «Экологический мониторинг» (г. Иркутск, 2005); на Международной научно-практической конференции «Наука и инновации 2005» (г. Днепропетровск, 2005); на II Международной научно-практической конференции «Научный потенциал мира 2005» (г. Днепропетровск, 2005); на научной конференции с международным участием: «Современные наукоемкие технологии» (Канарские острова, о. Тенерифе, 2005); на VIII Международной научно-практической конференции «Экология и жизнь» (г. Пенза, 2005); на Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Инновационные технологии в создании продуктов питания нового поколения» (г. Краснодар, 2005); на IV Международной конференции «Мониторинг окружающей среды» (Италия, Римини, 2006); на международной научно-практической конференции «Перспективные нано и биотехнологии в производстве продуктов функционального назначения» (г. Краснодар, 2007).

1.7 Публикации результатов работы. По материалам диссертации опубликованы 47 научных работ, в том числе 2 монографии. Получены 1 свидетельство о регистрации программы для ЭВМ и 2 положительных решения на выдачу патентов РФ.

1.8 Структура и объем работы. Диссертационная работа включает: введение, аналитический обзор, материалы и методы исследований, результаты исследований и их обсуждение, заключение и практические рекомендации, выводы, библиографический список и приложения. Основной текст диссертации изложен на 323 страницах компьютерного текста, содержит 109 таблиц (включая приложения) и 20 рисунков. Список литературы включает 445 наименований, в том числе 38 – иностранных авторов.

2. Основное содержание работы

2.1 Введение. Даны представления о возможности использования информации об изменениях в комплексе почвенных микроорганизмов, как неотъемлемой части биогеоценозов, для диагностики состояния экосистем, подвергшихся антропогенному воздействию, обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, задачи и ее научная концепция.

2.2 Аналитический обзор литературы. Приведен анализ современного состояния изученности эколого-агрохимических характеристик и микрофлоры почв, обобщены представления о почвах природных и окультуренных экосистем. Выполнен критический обзор методов системно-экологического анализа микробиологической и биохимической активности почв для диагностики и определения их устойчивости к антропогенным воздействиям.

2.3 Методическая часть. Объектом исследований являлась микрофлора почв природных и агроэкосистем Краснодарского края.

Комплексные мониторинговые исследования вели на стационарном полевом полигоне Ленинградского района Краснодарского края общей площадью 450 га. Пробы почвы отбирали методом линейной трансекты с размещением точек на расстоянии 500 м друг от друга и размещением трансект в продольном и поперечном направлениях к розе ветров по профилю из верхнего почвенного горизонта с глубины 0-20 см, в отдельных точках – по почвенному разрезу послойно через каждые 20 см до глубины 200 см.

Взаимоотношения между сельскохозяйственными культурами в совместном и чистом посевах сои и сорго и микробным комплексом почвы изучали на полях ОНО ОСХ «Березанское» Кореновского района Краснодарского края. Наблюдения в полевых опытах проводили по методикам ВНИИМКа (1993). Отбор проб вели в соответствии с требованиями ГОСТа 17.44.0284.

Численность почвенных микроорганизмов определяли прямым микроскопическим методом и посевом из разведений почвенной суспензии на плотные и жидкие питательные среды; активность почвенных ферментов фосфатазы, дегидрогеназ, инвертазы, уреазы, каталазы и протеаз, а также дыхание, токсичность, аммонифицирующую, нитрифицирующую, целюлозоразрушающую способность и содержание свободных аминокислот определяли общепринятыми методами для почв (Звягинцев Д.Г., 1980; Сэги Й., 1983; Теппер Е.З., Шильникова В.К., Переверзева Г.И., 1987; Методы общей бактериологии, 1988; Андреюк Е.И., Иутинская Г.А., Дульгеров А.Н., 1988; Бабьева И.П., Зенова Г.М., 1989; Хазиев Ф.Х., 1990; Методы почвенной микробиологии и биохимии, 1991).

Микробные сообщества характеризовали с использованием коэффициентов сукцессии (Звягинцев, 1987), минерализации, олиготрофности и педотрофности (Андреюк Е.И., Иутинская Г.А., Дульгеров А.Н., 1988; Енкина О.В., Коробский Н.Ф., 1999), показателя пространственной встречаемости видов (Мирчинк Т.Г., 1988), частоты встречаемости микроорганизмов (Миркин Б.М., Розенберг Г.С., 1983), сходству различных групп микроорганизмов с помощью коэффициента Джакарта (Одум О., 1975).

Содержание общего, аммиачного и нитратного азота, гумуса, рН водной вытяжки почвенного раствора определяли общепринятыми для почв методами (Минеев В.Г., Дурынина Е.П., Гомонова Н.Ф., 1989; Минеев В.Г., Ремпе Е.Х., 1990), содержание тяжелых металлов методом атомно-адсорбционной спектроскопии, содержание пестицидов – хроматографическим методом.

Концентрацию смазочных добавок нефти, СМАД-1 и СПРИНТа в почве до и после их деградации определяли на хроматографе Хром-5 .

Анализ достоверности данных вели стандартными биометрическими методами (Доспехов Б.А., 1979; Лакин Г.Ф., 1990), а также методами многомерного статистического анализа, включая дисперсионный, кластерный и дискриминантный (Клекка У.Р., 1989; Олдендерфер М.С., Блэшфилд С.К., 1989; Тюрин В.В., Морев И.А., Волчков Ю.А., 2002). Все вычисления выполнены с использованием программ STATISTICA и STATGRAPHICS.

Исследовано около 4000 почвенных проб, изучено 8 эколого-трофических групп микроорганизмов, идентифицировано более 30 родов микроорганизмов.

3. Основные результаты исследований

3.1 Микрофлора почв и ее распределение в экосистемах степной, рисовой и горной зонах Краснодарского края. Установлено, что определенной почвенной зоне соответствуют характерные комбинации соотношений и численности специфических групп микроорганизмов, окультуривание почвы приводит к изменению в их составе доминирующих форм (таблица 1).

Таблица 1.

Количественный и качественный состав микробоценозов и агрохимические показатели пахотных горизонтов почв степной, рисовой и горной зон
Краснодарского края

Микробиологические
и агрохимические показатели

Зона

степная

рисовая

предгорная и горная

Коэффициент сукцессии

2008000

8009000

3009300

Коэффициент минерализации

0,22,5

1,74,6

0,53,1

Аммонифицирующие микроорганизмы, млн клеток/г АСП*

280

584

368

Аминоавтотрофные микроорганизмы, млн клеток/г АСП

1116

20100

1100

Гумусоразлагающие микроорганизмы, млн клеток/г АСП

0,21,7

0,22,8

0,11,8

Азотфиксирующие, %

1098

480

1094

Целлюлозоразлагающие, %

6098

6298

5098

Актиномицеты, тыс. клеток/г АСП

205000

109000

14000

Дрожжи, тыс. КОЕ/г АСП

0200

020

050

Микромицеты, тыс. КОЕ/г АСП

1800

0500

0600

Гумус, %

3,14

2,85

3,03

Валовый азот, %

0,27

0,23

0,24

Запасы гумуса, %

83,74

70,19

76,96

Примечание. *АСП – абсолютно-сухая почва

На основании микробиологических исследований особо выделяются почвы рисовой зоны низким содержанием гумуса и валового азота в сочетании с высоким количеством гумусоразлагающих микроорганизмов по отношению к другим функциональным группам.

Проведенный однофакторный дисперсионный анализ с фактором «зональность» показал, что для подавляющего большинства микробиологических признаков наблюдаются достоверные различия между исследуемыми зонами, доля факторной в общей изменчивости показателей достаточно высока. Она варьировала в случаях достоверных эффектов от 20,4% для коэффициента сукцессии и до 81,9% для гумусоразлагающих микроорганизмов.

Последующий дискриминантный анализ показал, что сравниваемые экосистемы различаются статистически достоверно. О различии свидетельствует распределение точек отдельных проб в пространстве двух дискриминантных функций, представленное на рисунке 1, где четко разделяются три «облака» точек, соответствующие экосистемам разных почвенных зон, при этом областей перекрывания зон нет.

Рис. 1. Распределение проб микрофлоры почв из трех зон* Краснодарского края в пространстве первой и второй дискриминантных функций.

* G_1:1 степная зона, G_2:2 – рисовая зона, G_3:3 – горная зона.

Проверка «значимости» исследованных признаков в рамках дискриминантного анализа приведена ниже (таблица 2).

Как следует из таблицы 2, из семи учтенных признаков только шесть оказались информативными: численность гумусоразлагающих, азотфиксирующих, аммонифицирующих, аминоавтотрофных микроорганизмов и коэффициенты сукцессии и минерализации.

Таблица 2.

Результаты оценки роли показателей микрофлоры почв в разделении
степной, рисовой и горной экосистем

Микробиологические
показатели

Критерий лямбда

F-включения

Вероятность нольгипотезы о значимости признака

Гумусоразлагающие

0,035

8,42*

0,00

Азотфиксирующие

0,045

15,08*

0,00

Коэффициент сукцессии

0,038

9,99*

0,00

Аммонифицирующие

0,037

6,75*

0,01

Коэффициент минерализации

0,036

7,26*

0,00

Аминоавтотрофные

0,034

5,29*

0,01

Целлюлозоразлагающие

0,021

2,46

0,11

Примечание. Знак * справа от значения F-включения указывает на достоверность различий средних





Для окончательного решения вопроса о достоверности выявленных различий экосистем исследованных почвенных зон были вычислены расстояния Махаланобиса между центрами сравниваемых групп (таблица 3).

Таблица 3.

Расстояния Махаланобиса (усл. ед.) между зонами

Зона

Степная

Рисовая

Предгорная и
горная

Степная

30,18

37,31

Рисовая

0,00

70,32

Горная

0,00

0,00

Как следует из значений, все три зоны различаются статистически достоверно. Наибольшими отличиями обладает рисовая от горной зоны (70 усл. ед против 30 и 37 усл. ед., полученных при сравнении степной и рисовой зоны и степной и горной зонами соответственно).

Исследования показали, что почвы степной, рисовой и горной зон различаются также качественным составом представителей доминирующих микроорганизмов.

Наиболее разнообразный качественный состав доминирующей микрофлоры обнаружен в степной зоне и представлен следующими родами Agrobacterium, Azospirillum, Cellvibrio, Pseudomonas, Cytophaga, Nitrobacter, Flavobacterium, Xanthomonas, Bacillus, Clostridium, Micrococcus, Cellulomonas, Corynebacterium, Agromyces, Rhodococcus, Nocardia, Oerskovia, Nocardiopsis, Acthinopolyspora, Streptomyces, Streptoverticillium, Lipomyces, Candida, Oidiodendron, Eupenicillium, Verticillium, Penicillium, Alternaria, Monacrosporium, Aspergillus, Talaromyces, Trichotecium.

В горной зоне обнаружены представители родов: Bacillus, Clostridium, Micrococcus, Cellulomonas, Corynebacterium, Arthrobacter, Agromyces, Rhodococcus, Nocardia, Oerskovia, Nocardiopsis, Nadsonia, Acthinopolyspora, Streptomyces, Streptoverticillium, Lipomyces, Filobasidiella, Oidiodendron, Eupenicillium, Verticillium, Alternaria, Monacrosporium, Penicillium, Aspergillus, Talaromyces, Trichoderma, Trichotecium.

Менее разнообразен доминирующий состав микрофлоры рисовой зоны, где обнаружены в основном представители родов Cellvibrio, Миксобактерии, Pseudomonas, Nitrobacter, Bacillus, Clostridium, Micrococcus, Lipomyces, Filobasidiella, Oidiodendron, Verticillium, Monacrosporium, Aspergillus.

При анализе вертикально-ярусного распределения микроорганизмов в окультуренных почвенных профилях степной, рисовой и горной зон Краснодарского края установлена смена таксономического состава микробных сообществ при переходе от пахотного слоя к глубинным почвенным ярусам. Методом однофакторного дисперсионного анализа обнаружены различия микрофлоры между горизонтами почв по пяти показателям из семи учтенных: коэффициентам сукцессии и минерализации, численности аммонифицирующих, аминоавтотрофных и целлюлозоразрушающих микроорганизмов. Доля различий между горизонтами для показателей с установленным эффектом фактора была высока и варьировала от 33,2% для коэффициента минерализации до 82,8% для целлюлозоразрушающих микроорганизмов.

Разрезание иерархического кластерного дендрита по уровню сходства в 35 усл. ед. привело к разделению почвенных горизонтов экосистем на три кластера (рисунок 2).

Рис. 2. Кластеризация горизонтов окультуренных почв степной, рисовой
и горной экосистем Краснодарского края по комплексу
микробиологических показателей.

В первый из них (нумерация на рисунке 2 слева направо) вошли два нижних горизонта (180-200 и 160–180 см), где выявлялись наименьшие различия признаков. Во второй самый многочисленный кластер вошло пять средних горизонтов с 140-160 см по 60-80 см, и третий кластер образовали три верхние горизонта.

Вертикально-ярусный анализ микрофлоры позволил выявить ряд закономерностей в пространственной организации и экологических функциях микробных комплексов.

Оценку сходства и различия микрофлоры профилей разных типов почв Краснодарского края вели с использованием также кластерного анализа (рисунок 3).

Рис. 3. Кластеризация горизонтов разных типов* почв по комплексу
микробиологических показателей.

*Степная зона: 1 – чернозем типичный сверхмощный малогумусный агроценоза; 2 чернозем типичный сверхмощный слабогумусный агроценоза; 3, 4 – чернозем выщелоченный сверхмощный малогумусный агроценоза; 5 – чернозем обыкновенный сверхмощный малогумусный агроценоза; рисовая зона: 6 – рисовый аллювиальный луговой насыщенный среднемощный малогумусный агроценоза; 7 рисовый аллювиальный луговой насыщенный среднемощный малогумусный луга; 8, 9 рисовый аллювиальный луговой насыщенный среднемощный малогумусный рисового чека; горная зона: 10 – луговой аллювиальный насыщенный среднемощный слабогумусный агроценоза.

Разрезание кластерного иерархического дендрита по уровню сходства (евклидову расстоянию) 50 усл. ед. привело к выделению пяти кластеров. В первый и второй кластеры (нумерация на рисунке 3 слева направо) попало по одному типу почв: луговой аллювиальный насыщенный среднемощный слабогумусный горной зоны и чернозем обыкновенный сверхмощный малогумусный степной зоны. В третий кластер попали типы почв чернозема выщелоченного сверхмощного малогумусного степной зоны, в четвертый  - рисовый аллювиальный луговой насыщенный среднемощный малогумусный рисовых чеков и луга рисовой зоны, в пятый - чернозем типичный сверхмощный малогумусный и слабогумусный агроценозов степной зоны.

Характер межкластерных различий оценивали путем сравнения средних значений микробиологических показателей (таблица 4).

Как следует из таблицы 4, первый кластер характеризуется максимальными значениями коэффициентов сукцессии и относительной плотности азотфиксирующей микрофлоры и минимальной численностью гумусоразлагающих, аминоавтотрофных и общим количеством микроорганизмов. Почвы кластера два отличаются максимальным общим количеством и численностью гумусоразлагающих микроорганизмов и минимальными значениями коэффициента минерализации, относительной плотности азотфиксирующей и целлюлозоразлагающей микрофлоры. В кластерах третьем и пятом значения показателей близки к средним. Четвертый кластер имеет максимум по значениям коэффициента минерализации и численности аммонифицирующих, аминоавтотрофных и целлюлозоразлагающих микроорганизмов.

Таблица 4.

Средние значения микробиологических показателей
для разных кластеров типов почв

Кластер

Общее количество микроорганизмов, млрд клеток/г АСП

Коэффициент сукцессии

Коэффи-циент минерализации

Аммонифицирующие, млн клеток/г АСП

Амино-автотрофные, млн клеток/г

Азотфиксирующие, %

Целюлозоразлагающие, %

Гумусоразлагающие, тыс. клеток/г АСП

1

90,83

22 156,67

3,68

17,83

25,33

89,67

54,33

235,83

2

266,10

9 793,97

1,27

38,30

49,80

2,60

50,80

6 827,00

3

101,30

5 395,16

2,33

5,91

87,72

20,59

53,36

4 251,61

4

197,33

12 078,31

4,21

92,09

182,46

54,39

97,24

5 419,36

5

160,10

4 954,79

3,55

83,05

171,50

11,20

52,50

3 843,00

Как следует из таблицы 4, первый кластер характеризуется максимальными значениями коэффициентов сукцессии и относительной плотности азотфиксирующей микрофлоры, и минимальной численностью гумусоразлагающих, аминоавтотрофных и общим количеством микроорганизмов. Почвы кластера два отличаются максимальным общим количеством и численностью гумусоразлагающих микроорганизмов и минимальными значениями коэффициента минерализации, относительной плотности азотфиксирующей и целлюлозоразлагающей микрофлоры. В кластерах третьем и пятом значения показателей близки к средним. Четвертый кластер имеет максимум по значениям коэффициента минерализации и численности аммонифицирующих, аминоавтотрофных и целлюлозоразлагающих микроорганизмов.

В ходе дальнейших исследований на основании сравнения экосистем северных районов Краснодарского края (степной и рисовой зон) по комплексу из четырнадцати микробиологических и эколого-агрохимических показателей почв с использованием кластерного анализа было выделено четыре кластера районов. В первый из них (нумерация на рисунке 4 слева направо) вошли три района: Славянский (20), Красноармейский (19) и Приморско-Ахтарский (9). Второй кластер образовали пять районов: Кореновский (14), Белоглинский (17), Усть-Лабинский (7), Динской (6) и Новопокровский (5). В третий кластер вошли два района: Калининский (12) и Староминской (3). Остальные исследованные районы края образовали самый многочисленный четвертый кластер. Там оказались: Кущевский (4), Брюховецкий (11), Тбилисский (8), Щербиновский (2), Выселковский (15), Ленинградский (10), Кавказский (18), Тимашевский (13), Тихорецкий (16) и Ейский (1) районы (рисунок 4).

Рис. 4. Кластеризация пахотных горизонтов почв северных районов
Краснодарского края по комплексу микробиологических
и агрохимических показателей.

Доказательство существования межкластерных различий было выполнено с использованием дискриминантного анализа. На рисунке 5 «облака точек» районов из разных кластеров четко отделены друг от друга и не образуют областей перекрывания.

Наиболее информативными показателями, играющими наибольшую роль в межкластерных различиях, являются численность гумусоразлагающих микроорганизмов и микромицетов. В районах рисовой зоны использование минеральных удобрений сопряжено с ускоренным разложением гумуса и усилением развития автохтонной, в том числе гумусоразлагающей микрофлоры. Поэтому при оценке состояния почв рисовой и степной зон края определяющими являются показатели численности гумусоразлагающих микроорганизмов и микромицетов.

В северных районах Краснодарского края в результате антропогенных воздействий – интенсивных технологий земледелия установлено изменение состава почвенных микромицетов.

В черноземах различных подтипов обнаружены представители родов: Mucor, Penicillium, Aspergillus, Alternaria, Verticillium, Fusarium, Cladosporium, Moniliella, среди которых микромицеты с выраженными фитопатогенными свойствами. В основном здесь доминируют беспигментные формы над темноокрашенными, принимающими участие в образовании гумуса. По-видимому, это обусловлено конкуренцией, которую не выдерживают пигментированные формы. Преобладание беспигментных форм над темноокрашенными в агроландшафтах привело к снижению содержания гумуса.

Рис. 5. Распределение четырех кластеров северных районов Краснодарского края по комплексу микробиологических и агрохимических показателей в пространстве первой и второй дискриминантных функций.

Межкластерные различия для северных районов края установлены по шести агроэкономическим показателям из десяти учтенных. Дискриминантный анализ распределения по агроэкономическим показателям групп районов свидетельствует, что здесь кластеры образуют незначительные области перекрывания (рисунок 6).

Рис. 6. Распределение четырех кластеров районов по комплексу микробиологических и агроэкономических показателей в пространстве первой и второй дискриминантных функций.

Полученные экспериментальные данные позволяют заключить, что выявленные различия районов по комплексу микробиологических и агрохимических показателей подтверждаются агроэкономическими показателями сравниваемых районов.

Оценка зависимости показателей, характеризующих технологическое качество зерна пшеницы, выращенной в Ленинградском районе (2000 г.), от микробиологических и агрохимических характеристик почвы, была выполнена на основе построения прогностических уравнений, позволяющих получать прогноз значения того или иного показателя. Для этой цели была использована модель множественной регрессии, где в качестве зависимой переменной поочередно выступали содержание белка, зольность и клейковина зерна пшеницы, а в качестве независимых переменных – агрохимические или микробиологические характеристики почвы.

Уравнение множественной регрессии, описывающей зависимость содержания белка в зерне пшеницы от агрохимических характеристик почвы, имеет следующий вид:

Б = – 383,7 · N + 0,17 · Р + 78,96,

где Б – содержание белка в зерне пшеницы, %; N – содержание общего азота, %; Р – содержание Р2О5,, мг/100 г почвы.

Качество прогноза, отраженное в значении коэффициента множественной детерминации, составляет 96,1 %.

Уравнение множественной регрессии, описывающей зависимость содержания белка в зерне пшеницы от микробиологических характеристик почвы, имеет вид:

Б = – 4,607 · Ом – 0,087 · Аф + 0,119 · Аа + 4,466 · Г – 0,805 · Аз + 47,690,

где Б – содержание белка в зерне, %; Ом – общее количество микроорганизмов в почве, клеток/г АСП; Аф – численность аммонифицирующих микроорганизмов, клеток/г АСП; Аа – численность аминоавтотрофных микроорганизмов, клеток/г АСП; Г – численность гумусоразлагающих микроорганизмов, клеток/г АСП; Аз – относительная плотность азотфиксирующей микрофлоры, %.

Коэффициент множественной детерминации, характеризующий качество прогноза, составляет 99,7%. Аналогичные по структуре уравнения были получены для определения зольности и клейковины зерна пшеницы. На основании уравнений регрессии, оперируя микробиологическими и агрохимическими показателями почв, можно прогнозировать качество зерна.

Выполненная в ходе исследования комплексная экологическая оценка состояния окультуренных почв разных типов степной, рисовой и горной зон Краснодарского края: полей пшеницы, подсолнечника и бобовых методом однофакторного дисперсионного анализа установила различия только для трех признаков из тринадцати, принятых к учету микробиологических и агрохимических показателей: количество актиномицетов, содержание и запасы гумуса.

Аналогичные анализы, выполненные с фактором «природная экосистема» для лесополос и трех природных экосистем: прибрежная зона, луг и балка, выявили различия уже по семи показателям: численности аммонифицирующих, аминоавтотрофных, гумусоразлагающих, азотфиксирующих, целлюлозоразлагающих, стрептомицетов и коэффициенту минерализации.

Проведение дисперсионного анализа для всех исследованных экосистем одновременно позволило обнаружить комплекс информативных признаков, куда вошли шесть показателей: содержание гумуса, запасы гумуса, общий азот, численность аммонифицирующих, аминоавтотрофных и азотфиксирующих микроорганизмов. Оказалось, что информативный комплекс образовали те характеристики, по которым различались агроценозы, с одной стороны, и природные экосистемы и лесополосы, с другой.

Анализ распределения центров экосистем, представленных на рисунке 7, показывает специфическую группировку агроценозов, лесополос и природных экосистем.

Рис. 7. Распределение центров агроценозов, лесополос и природных
экосистем степной, рисовой и горной зон в пространстве
дискриминантных функций.

Как следует из полученных данных, по значению первой, наиболее информативной дискриминантной функции, агроценозы располагаются в области отрицательных, а лесополосы и природные экосистемы в области положительных чисел, т.е. по средним значениям признаков и системе их связей агроценозы и природные экосистемы существенно различаются.

Отдельно от остальных групп располагается луговая природная экосистема. Поскольку степень антропогенного и природного воздействия здесь минимальна, данная экосистема была выбрана в качестве эталона, и по степени удаления от нее оценивали степень нарушений микробиологических и агрохимических показателей почв в остальных группах.

Количественно сходство или различие между центрами групп оценивали по расстояниям Махаланобиса (таблица 5).

Таблица 5.

Расстояния Махаланобиса (усл. ед.) между центрами агроценозов,
лесополос и природных экосистем

Система

1*

2*

3*

4*

5*

6*

7*

1* Поле пшеницы

2,24

0,62

2,12

1,53

1,19

1,92

2* Поле подсолнечника

0,00

0,67

2,32

1,53

1,11

1,93

3* Поле бобовых

0,00

0,00

0,76

0,27

0,71

0,51

4* Лесополоса

0,00

0,00

0,00

0,22

0,83

0,50

5* Прибрежная зона

0,00

0,00

0,22

0,38

0,60

0,22

6* Луг

0,00

0,00

0,01

0,01

0,03

1,09

7* Балка

0,00

0,00

0,13

0,15

0,65

0,01

Примечание. Знак * - указывает на идентичность названия ячейки таблицы.

Расстояния всех групп до луговой экосистемы оказались статистически достоверными. Наиболее удаленными из агроценозов были поле подсолнечника и поле пшеницы, из природных экосистем – балка. Очевидно, техногенизация агроценозов, особенно полей пшеницы и подсолнечника, существенно усиливает накопление загрязнителей в ее блоках, особенно в почве и тем самым влияет на состав и функционирование микробных сообществ. Балки задерживают переносимые с воздушной пылью и атмосферными осадками с поверхности полей почвенные частицы и различные загрязнители – пестициды, тяжелые металлы и другие, и их почвенный покров приобретает черты сходства почв полей севооборота.

Относительно ближе к лугу оказались экосистемы: лесополоса, прибрежная зона и поле бобовых. Это подтверждает известное положение, что выращивание бобовых культур на полях севооборота улучшает агрохимические свойства почвы и обеспечивает необходимое микробное разнообразие и устойчивость агроценоза.

3.2 Микробиологическая и биохимическая активность почв природных и окультуренных экосистем. Исследования активности ферментов почв антропогенных (пашня) и естественных (целина, многолетние залежи) ландшафтов показали, что почвы, находящиеся под луговой растительностью и долголетней залежью, характеризуются более высокой активностью гидролитических ферментов; при сельскохозяйственном использовании, особенно при распашке, она снижается (таблица 6).

Повышенная ферментативная активность залежных почв объясняется более высоким содержанием корневой массы в единице объема этой почвы. С другой стороны жесткие конкурентные взаимоотношения почвенной микрофлоры в условиях природных ландшафтов ведут к усилению деятельности ферментных систем микроорганизмов и корневой системы растений.

Таблица 6.

Ферментативная активность и некоторые агрохимические свойства
пахотного горизонта (0-20 см) черноземов Краснодарского края

Вид почв

Гумус, %

Общий азот, %

рН почвы

Протеиназы, мг тирозина

Уреаза, мг NH3

Фосфатаза, мг фенолфталеина

Дегидрогеназы мг формазана

Каталаза, мл О2

Выщелоченный чернозем

Пашня

4,2

0,21

8,2

0,46

0,35

3,05

0,10

6,7

Целина

4,7

0,24

7,2

0,50

0,57

5,06

0,13

6,5

Типичный чернозем

Пашня

4,1

0,19

7,9

0,56

0,41

2,24

0,08

12,0

Залежь

4,6

0,27

7,2

0,60

0,60

3,50

0,09

10,5

Обыкновенный чернозем

Пашня

4,0

0,19

8,2

0,59

0,58

2,53

0,10

13,4

Залежь

4,4

0,27

7,8

0,75

0,71

4,85

0,13

15,2

В зависимости от характера и степени дальнейшего использования почв антропогенных ландшафтов активность биохимических процессов изменяется. В хорошо окультуренных пахотных почвах улучшается водно-воздушный режим и повышается активность оксидоредуктаз. По ферментативным показателям высокоокультуренные почвы, согласно нашим данным, приближаются к целинным и даже превосходят их.

В слабоокультуренных почвах, наоборот, активность понижена. Таким образом, ферментный уровень жизнедеятельности микроорганизмов является одним из важных, поддающихся контролю показателей состояния экосистемы и антропогенного воздействия на почву.

Активность и состав микробных сообществ чернозема обыкновенного изучали при бессменном способе возделывания сельскохозяйственных культур в сравнении с возделыванием в севообороте. Полученные результаты показали, что при чередовании культур под кукурузой и озимой пшеницей преобладают микроорганизмы, участвующие в распаде легкогидролизуемого органического вещества, в основном растительных остатков, тогда как при бессменном возделывании – микроорганизмы, участвующие в разложении труднодоступных соединений.

Сравнение ферментативной и биологической активности почв под бессменными культурами: озимой пшеницы, кукурузы, люцерны, подсолнечника, а также паром и залежью показало, что численность микроорганизмов подвергалась большим колебаниям. Биологическая активность почвы, определяемая по сумме микробиологических и биохимических показателей, под бессменными культурами была ниже на 7-30% по сравнению с залежью, а ферментативные процессы протекали интенсивнее в почве залежи.

Установлено, что длительное выращивание полевых культур на одних и тех же участках снижает активность биологических процессов и приводит к формированию особых микробных ассоциаций. Под культурами сплошного посева активизируются процессы разложения органического вещества растительных остатков. Под пропашными культурами усиливаются процессы деструкции органического вещества самой почвы. Это подтверждает отрицательное влияние выращивания однотипных культур на почву, снизить которое можно путем чередования их при севооборотах или при внесении удобрений.

Положительное действие минеральных и органических удобрений на биологические свойства почвы оценивали, сравнивая уровни ее биологической активности. Анализ с использованием t-критерия Стьюдента показал, что в большинстве случаев парных сравнений установлен достоверный эффект внесения удобрений, для большинства показателей большие значения обнаружены при севообороте, чем на бессменном паре (таблица 7).

Таблица 7.

Оценка достоверности различий при сравнении биологической активности бессменного пара и севооборота при разных системах удобрений

Вариант

Пар

Севооборот

t-критерий

t-критерий

Без удобрений

54±5,10

51±1,30

Навоз 20 т/га

68±2,51

2,41*

72±3,91

3,62*

Навоз 10 т/га + N50P25K60

74±1,02

3,65*

76±1,01

12,54*

N100P50K120

68±1,25

5,25*

80±3,50

6,58*

Примечание. Знак * справа от значения критерия Стьюдента указывает на достоверность различий средних значений показателей

Высокие показатели биологической активности были выявлены также в почве пара на неудобренных участках. В связи с этим в условиях Краснодарского края целесообразно содержать пары при внесении небольших доз азотнофосфорнокалиевых удобрений.

Взаимоотношения между сельскохозяйственными культурами и микробным комплексом почвы изучали в чистых и совместных посевах двух культур сои и сорго. Совместное возделывание сои и сорго положительно сказывалось на развитии почвенной и ризосферной микрофлоры культур и на образовании клубеньков на корнях сои (таблица 8).

В результате попарного сравнения процента клубеньков на боковых корнях сои обнаружено, что достоверно различия выявляются только при сравнении чистого посева сои и посева сои в междурядьях сорго (t = 2,29; p<0,05).

Результаты исследований свидетельствуют также о более разнообразном количественном и качественном составе микрофлоры почвы и ризосферы совместных посевов по сравнению с чистыми, что можно объяснить большим разнообразием корневых выделений в почву. Обнаружено снижение численности условно патогенных микромицетов в почве и ризосфере растений, возделываемых совместно.

Таблица 8.

Результаты сравнения относительной частоты клубеньков
на главном и боковых корнях сои

Вариант посева

Процент клубеньков

t-критерий

на главном корне

на боковых корнях

Соя

46,4

53,6

1,96*

Соя и сорго чередующимися рядами

44,0

56,0

3,39*

Сорго в междурядьях сои

39,4

60,6

6,54*

Соя в междурядьях сорго

38,7

61,3

7,09*

При размещении сои в междурядьях сорго был получен более высокий урожай сухой массы (11,08 т/га без применения органических удобрений, с применением органических удобрений – 12,36 т/га) и зерна (3,27 т/га без применения органических удобрений, с применением органических удобрений – 3,5 т/га).

Полученные данные показывают, что совместные посевы сои в междурядьях сорго не только выгодны с экономических позиций, но и повышают плодородие почвы в результате увеличения численности клубеньков на корнях сои, а также улучшают фитосанитарное состояние почвы.

3.3. Действие антропогенных факторов на микрофлору черноземов Краснодарского края. Токсичность окультуренной почвы под всходами пшеницы в разные фазы ее вегетации существенно различается. В фазу кущения пшеницы прослеживалась тенденция снижения токсичности, через месяц в фазу выхода в трубку, после внесения минеральных удобрений токсичность почвы возрастала. Произошло изменение биологических свойств почвы – снизилась численность аммонифицирующих бактерий; увеличилось содержание микроорганизмов, использующих минеральный азот; произошел сдвиг в микробоценозе в целом. К концу вегетации пшеницы токсичность почвы вновь снизилась, сопровождаясь восстановлением микробоценоза почвы. Возможно, снижение токсичности связано не только с восстановлением численности различных групп почвенной микрофлоры и их участием в разложении токсических веществ в почве, но и с поступлением этих веществ в растения.

Можно было предположить, что токсичность почвы после уборки урожая, еще больше снизится в результате парования почвы в течение осеннезимнего сезона и начала весны. Однако исследование почвы перед посевом следующей культуры показало, что токсичность не только не снизилась, а, напротив, повысилась.

В дальнейшем исследовали способность преобладающих по численности сапрофитных грибов и актиномицетов продуцировать фитотоксичные вещества. Было установлено, что из шести выделенных культур фитотоксичностью обладали три из рода Penicillium (50%) и две из рода Fusarium (40%). Наибольшая способность к синтезу фитотоксичных веществ была установлена у актиномицетов – из девяти выделенных культур фитотоксичностью обладали семь.

Полученные данные свидетельствуют о том, что в почве севооборота в результате применения разных систем удобрений и защиты растений происходит перестройка микробоценоза (таблица 9).

Таблица 9.

Воздействие системы удобрений и химических средств защиты
на микрофлору почвы в разные фазы развития растений пшеницы, %

Система удобрений

Вариант

Всходы

Восковая спелость зерна

бактерии

актиномицеты

микромицеты

бактерии

актиномицеты

микромицеты

Органоминеральная

NPK+ навоз

86

9

5

96

3

1

NPK+навоз+гербициды

75

16

9

94

4

2

NPK+навоз+
гербициды, фунгициды

72

20

8

91

4

5

Минеральная

NPK

69

23

8

92

6

2

NPK+гербициды

51

37

12

90

6

4

NPK+гербициды,
фунгициды

50

40

10

86

9

5

Увеличение содержания в микробном сообществе актиномицетов и микромицетов свидетельствует об усилении токсичности почвы. При внесении комплекса пестицидов, особенно на фоне минеральной системы удобрений, токсичность почвы становится очень высокой. Образование токсинов в почве служит доказательством их определяющей экологической роли, так как, образуясь в почве, они влияют на свойства и формирование микробных ценозов. Кроме того, токсины, образующиеся в почве, неизбежно поступают из нее в растение, что может в конечном итоге привести к значительным изменениям качества урожая.

Нередко в агроэкосистемах практикуют сжигание стерни и сорной растительности. Анализ последствий сжигания показал отрицательное влияние на микрофлору, подтвердив немногочисленные литературные данные.

Сжигание стерни привело к обеднению почвенных популяций микроорганизмов, а также к перераспределению и смене таксономической и функциональной структуры микробных сообществ, в изменении которых выявлены сезонные ритмы.

Из почвы несжигаемого участка было выделено 24 вида бактерий, 7 видов актиномицетов, 2 вида дрожжей и 5 видов микроскопических грибов, наиболее часто встречающихся в разное время года. Общими были 32 вида, 6 – встретились только в двух сезонах. Из 38 видов микроорганизмов 17 имели высокую частоту встречаемости хотя бы в одном из времен года. Типичными, наиболее часто встречающимися являются следующие рода микроорганизмов: Pseudomonas, Nitrobacter, Bacillus, Nocardia, Paracoccus, Micrococcus, Arthrobacter, Oidiodendron, Alternaria.

Сравнительный анализ состава всех встречающихся микроорганизмов на участках с использованием коэффициента Джакарта показал в основном малое сходство в парах всех изученных времен года (таблица 10).

Таблица 10.

Сравнительный анализ сезонного соответствия основных групп
микроорганизмов в почвах несжигаемого и сжигаемого участков

Микроорганизмы

Несжигаемый участок

Сжигаемый участок

Коэффициент сходства Джакарта * по сезонам:

весна

лето

лето

осень

весна

осень

весна

лето

лето

осень

весна

осень

Бактерии

0,63

0,61

0,51

0,45

0,60

0,45

Актиномицеты

0,44

0,53

0,64

0,33

0,67

0,53

Дрожжи

0,20

0,67

0,40

0,25

0,17

0,60

Микромицеты

0,41

0,21

0,21

0,26

0,34

0,20

Примечание. * < 0,20 – нет соответствия; 0,20 0,65 – малое соответствие; 0,65 большое соответствие; 1 – полное соответствие.

Большее соответствие обнаружено летом и осенью на сжигаемом участке у актиномицетного комплекса (0,67), на несжигаемом участке у дрожжей (0,67).

В связи с этим представлялось важным исследовать изменения микробных сообществ в ходе сукцессий и проверить сходство основных групп микроорганизмов несжигаемого и сжигаемого участков в разные времена года (таблица 11).

Таблица 11.

Сравнительный анализ сезонного сходства основных групп микроорганизмов на участках почвы несжигаемой и сжигаемой стерни

Микроорганизмы

Коэффициент сходства Джакарта

весна

лето

осень

Бактерии

0,76

0,75

0,79

Актиномицеты

0,58

0,71

0,68

Микромицеты

0,45

0,53

0,35

Как оказалось, большее соответствие обнаружено в бактериальном комплексе (0,75 0,79). В то же время, хотя доминирующий состав бактерий разных участков оказался схожим, выявились различия в соотношениях. В результате сжигания стерни в бактериальном сообществе увеличилась доля содержания бацилл, которые обладали устойчивостью и к нагреванию, и к токсическим веществам. Увеличилось также содержание артробактерий, их клетки способны сохранять жизнеспособность при многих неблагоприятных условиях. Преобладание бацилл сохранялось и весной. К весне и, особенно, к лету другие представители бактериального комплекса увеличивали свою численность в микробной популяции возможно, благодаря высокой скорости роста, интенсивности метаболизма и высокой конкурентоспособности.

В актиномицетном комплексе большое соответствие наблюдалось летом и осенью (до сжигания стерни), малое – весной. В результате сжигания стерни вместе с микроорганизмами уничтожался и органический субстрат их питания, но наибольшему отрицательному воздействию подверглись микромицеты.

Полученные данные свидетельствую, что популяции разных микроорганизмов занимают в почве агроэкосистемы место, соответствующее их типу физиологической организации и функциям, а в результате ежегодного сжигания стерневых остатков в микробном сообществе происходит перераспределение доминирующих форм микроорганизмов, развитие наиболее устойчивых популяций бактерий и снижение доли содержания почвенных грибов, с появлением новых термотолерантных видов. Запахивание растительных остатков благоприятствует развитию сапрофитной микрофлоры и поддержанию в почве более высоких уровней гумуса и азота.

В настоящее время в Краснодарском крае особую остроту приобрела проблема нефтяного загрязнения природной среды в связи с интенсивным развитием нефтедобывающих и нефтеперерабатывающих предприятий, нефтетерминалов, нефтепроводов, появлением множества машинно-тракторных парков, бензозаправочных станций. Перспективными способами снижения неблагоприятного воздействия являются применение при добыче нефти экологически чистых смазочных добавок к буровым растворам, а также создание эффективных и доступных способов биоремедиации нефтезагрязненных почв, основанных на использовании углеводородокисляющих культур микроорганизмов в сочетании с различными носителями и обработками, стимулирующими их активность. Изучение способности почвенной микрофлоры разрушать применяемые в настоящее время при бурении нефтескважин смазочные добавки (нефть, СМАД-1 и СПРИНТ) вели с целью отбора экологически чистых, легко разрушающихся в природной среде.

Как показали исследования в лабораторных и полевых условиях, внесение смазочных добавок в почву приводило к быстрому увеличению численности бактерий. За 20 суток инкубации концентрация гетеротрофных бактерий в почве, содержащей добавки СПРИНТ, СМАД-1 и нефть, увеличивалась с 4,6 · 107 клеток в 1 г абсолютно сухой почвы (АСП) до, соответственно, 5,3 · 109, 1,0 · 109 и 2,5 · 109 клеток в 1 г АСП. Одновременно концентрация углеводородокисляющих бактерий, осуществляющих биодеградацию, за тот же промежуток времени возросла с 1,7· 106 клеток в 1 г АСП до, соответственно, 2,4 · 109, 4,2 · 108 и 6,4 · 108 клеток в 1 г АСП.

С наибольшей скоростью микроорганизмы утилизировали СПРИНТ, остаточная концентрация которого в почве через 50 суток снизилась практически до 1% от исходной. Концентрация СМАД-1 за тот же промежуток времени понизилась до 54%, а содержание нефти – до 52%. Через 80 суток содержание СМАД-1 и нефти понизилось, соответственно, до 40 и 47%, а смазка СПРИНТ была разрушена полностью (рисунок 8).

Ксд, %

Рис. 8. Деструкция СПРИНТ (1), СМАД-1 (2) и нефти (3) в почве. Концентрация смазочной добавки (Ксд) выражена в % к исходному содержанию.

Полученные результаты позволили квалифицировать смазочную добавку СПРИНТ как наиболее экологически безопасную.

В ходе дальнейших исследований нами разработан способ восстановления нефтезагрязненных почв с использованием комбинированного биосорбента – химически модифицированной плодовой оболочки семян подсолнечника с иммобилизованными на ней нефтеокисляющими микроорганизмами препарата «Деворойл». Способ включает серию последовательных операций: добавление смеси чистой почвы и песка, биосорбента, удобрений, увлажнение и рыхление.

Динамика очистки почв от нефтепродуктов в лабораторных условиях приведена на рисунке 9.

Использование разработанной интенсивной технологии биоремедиации позволило снизить содержание нефтепродуктов в очищаемом почвогрунте на 98,6 % за шесть месяцев в условиях полевого эксперимента.

Теоретически обоснованный в результате проведенных экспериментальных исследований новый подход при изучении конкретной экосистемы послужил основанием для создания объективных критериев оценки природного состояния и антропогенного повреждения экосистем по комплексу почвенных микроорганизмов как основного показателя общего состояния экосистемы. Актуальность разработанного подхода особенно существенна для Краснодарского края в связи с наличием интенсивных технологий земледелия, высоким загрязнением его экосистем нефтью и нефтепродуктами, тяжелыми металлами, пестицидами и другими ксенобиотиками.

Рис. 9. Динамика очистки почв от нефтепродуктов.

1 естественное очищение почвы под действием аборигенной микрофлоры;

2 применение сорбента на основе плодовой оболочки семян подсолнечника;

3 применение сорбента на основе плодовой оболочки семян с иммобилизацией на его поверхности ассоциата нефтеокисляющих микроорганизмов препарата «Деворойл».

Разработанный метод оценки экологических последствий антропогенного использования почв экосистем на основе исследования степени изменения микробиологической и биохимической активности почв рекомендуется использовать при совершенствовании комплекса природоохранных мероприятий, а также при экологическом нормировании загрязнения почв и разработке методов их восстановления, включая нефтезагрязнения; при уточнении классификации почв экосистем и их сравнении при проведении экологической экспертизы, паспортизации территории или хозяйственного объекта и их кадастровой оценке; при экологическом контроле и оценке общего антропогенного воздействия на экосистемы.

ВЫВОДЫ

1. Большое разнообразие доминирующих форм микроорганизмов обнаружено в пахотных горизонтах почв степной зоны до 32 родов, меньше в горной зоне – около 20 родов и рисовой – 15 родов. Микробоценозы горной зоны отличаются наибольшими показателями коэффициента сукцессии и микробного пула. Микробоценозы рисовой зоны – наибольшими показателями коэффициента минерализации и высокой численностью гумусоразлагающих микроорганизмов.

Наибольшие отличия по микробиологическим показателям обнаружены при сравнении рисовой и горной зон (70 усл. ед.), меньше у степной и горной (37 усл. ед.), а также степной и рисовой зонами (30 усл. ед.).

В почвенных горизонтах 0-60 см, 60-160 см и 160-200 см выявлены закономерности в пространственной организации и экологических функциях микробных комплексов гидролитиков, копиотрофов и олиготрофов соответственно.

2. В результате кластерного анализа микробиологических показателей выделено пять кластеров профилей разных типов почв агроэкосистем: 1 - луговой аллювиальный насыщенный среднемощный слабогумусный горной зоны; 2 - чернозем обыкновенный сверхмощный малогумусный степной зоны; 3 - чернозем выщелоченный сверхмощный малогумусный степной зоны; 4 -рисовый аллювиальный луговой насыщенный среднемощный малогумусный рисовых чеков и луга рисовой зоны; 5 - чернозем типичный сверхмощный малогумусный и слабогумусный степной зоны.

3. Методом кластерного анализа сравнения микробиологических и экологоагрохимических показателей почв экосистем Краснодарского края выделено четыре кластера районов.

Объективным качественным и количественным показателем глубины антропогенных воздействий на экосистемы, ведущих к снижению содержания в почвах гумуса, является увеличение количества и видового разнообразия беспигментных форм микромицетов.

4. Получены уравнения множественной регрессии, описывающие зависимость показателей качества выращенного зерна от микробиологических и агрохимических характеристик почвы. Качество прогноза, оцениваемое по коэффициенту множественной детерминации от 96,1 до 99,7%.

5. Комплекс информативных показателей экологической оценки состояния почв Краснодарского края включает для: агроценозов – численность актиномицетов, содержание и запасы гумуса; природных экосистем – численность аммонифицирующих, аминоавтотрофных, гумусоразлагающих, азотфиксирующих, целлюлозоразлагающих, стрептомицетов и коэффициент минерализации; природных экосистем и агроценозов – содержание и запасы гумуса, общий азот, численность аммонифицирующих, аминоавтотрофных и азотфиксирующих микроорганизмов.

6. Высокая активность гидролитических ферментов характерна для черноземов выщелоченного, типичного и обыкновенного, находящихся под луговой растительностью и долголетней залежью. При распашке гидролитическая активность снижается, но одновременно возрастает активность ферментов оксидоредуктаз. В почве под культурами сплошного посева активизируются процессы разложения органического вещества растительных остатков, а под пропашными культурами – процессы деструкции органического вещества почвы. Установлена высокая биохимическая активность микрофлоры почв пара.

7. Положительному преобразованию и восстановлению микрофлоры почв способствует совместное возделывание сорго в междурядьях сои. Установлено, что в совместных посевах увеличивается общая численность и разнообразие состава микроорганизмов по сравнению с чистыми посевами, снижается содержание условно патогенных микромицетов в почве и ризосфере растений, что является достоверным фактором улучшения фитосанитарного состояния почв. Экспериментально подтверждено, что совместные посевы сорго в междурядьях сои, кроме того, формируют большие урожаи, чем чистые посевы.

8. Экспериментально установлены высокие уровни токсичности почв при внесении в посевы и почву классического комплекса пестицидов в сочетании с минеральными удобрениями, хотя к концу вегетации пшеницы токсичность почвы снижается, в течение зимнего периода она возрастает изза увеличения численности токсинообразующих актиномицетов (78% в актиномицетном комплексе), микромицетов (83% в микромицетном комплексе) и спорообразующих бактерий.

9. Под действием одного из применяемых в практике антропогенных воздействий – сжигания стерни и сорной растительности в микробном сообществе почвы происходит необратимое перераспределение доминирующих микроорганизмов, преимущественное развитие получают термофильные популяции бактерий представителей родов Bacillus и Arthrobacter, снижается в целом численность и появляются новые термотолерантные виды микромицетов рода Aspergillus, усиливается микробиологическая активность минерализационных процессов.

10. Сравнительное изучение смазочных добавок к буровым растворам показало, что только добавка СПРИНТ полностью утилизируется нефтеокисляющими микроорганизмами почвы за 80 суток. В результате выполненных исследований разработан комбинированный биосорбент и предложен способ восстановления с его помощью нефтезагрязненных почв. Степень очистки почвы при первоначальной концентрации нефти 300 г/кг составила 98% на 70е сутки полевого эксперимента, предотвращенный экологический ущерб землям сельскохозяйственного назначения составил свыше 110 тыс. руб. на каждый гектар.

Список основных научных работ, опубликованных по теме диссертации

  1. Назарько, М.Д. Микробиоценозы почв различных ландшафтов края / М.Д. Назарько, И.С. Белюченко // Экологические проблемы Кубани. – Краснодар: Изд-во КубГАУ. – 2000. – № 6. – С. 39–73.
  2. Назарько, М.Д. Взаимоотношения между полевыми культурами и микробным комплексом почвы / М.Д. Назарько, И.С. Белюченко // Экологические проблемы Кубани. – Краснодар: Изд-во КубГАУ. – 2000. – № 7. – С. 71–88.
  3. Белюченко, И.С. Фоновая оценка состояния микробиоценозов в почвах природных и агроландшафтных экосистем северных районов Кубани / И.С. Белюченко, М.Д. Назарько // Экологические проблемы Кубани. – Краснодар: Изд-во КубГАУ. – 2000. – № 8. – С. 29–76.
  4. Белюченко, И.С. Микробиоценозы почв агроландшафта / И.С. Белюченко, М.Д. Назарько, В.Н. Гукалов, М.Ю. Донец и др. // Экологические проблемы Кубани. – Краснодар: Изд-во КубГАУ. – 2001. – № 9. – С. 14–194.
  5. Назарько, М.Д. Почвенная микрофлора Крымского района / М.Д. Назарько, И.С. Белюченко // Экологические проблемы Кубани. – Краснодар: Изд-во КубГАУ. – 2001. – № 13. – С. 62–66.
  6. Назарько, М.Д. Микробиологические методы снижения техногенных нагрузок на окружающую среду при бурении нефтяных и газовых скважин / М.Д. Назарько // Экология и здоровье человека: Труды VIII Всерос. конгресса. – Самара, 2002. – С. 158–159.
  7. Назарько, М.Д. Почвенная микрофлора Анапского района / М.Д. Назарько, И.С. Белюченко // Экологические проблемы Кубани. – Краснодар: Изд-во КубГАУ. – 2002. – № 14. – С. 51–55.
  8. Назарько, М.Д. Почвенная микрофлора Темрюкского района / М.Д. Назарько, И.С. Белюченко // Экологические проблемы Кубани. – Краснодар: Изд-во КубГАУ. – 2002. – № 15. – С. 99–107.
  9. Назарько, М.Д. Микробиологическая характеристика почвенных разрезов Темрюкского района / М.Д. Назарько // Экологические проблемы Кубани. – Краснодар: Изд-во КубГАУ. – 2002. – № 15. – С. 107–108.
  10. Назарько, М.Д. Микрофлора почв Ленинградского района / М.Д. Назарько, И.С. Белюченко, В.Н. Гукалов // Экологические проблемы Кубани. – Краснодар: Изд-во КубГАУ. – 2002. – № 16. – С. 68–73.
  11. Назарько, М.Д. Влияние почвенной микрофлоры на экологию злаковых и бобовых растений в совместных посевах / М.Д. Назарько, В.Г. Щербаков // Изв. вузов. Пищевая технология. – 2004. – № 2–3. – С. 119–121.
  12. Назарько, М.Д. Перспективы использования микроорганизмов для биодеградации нефтяных загрязнений / М.Д. Назарько, В.Г. Щербаков, А.В. Александрова // Изв. вузов. Пищевая технология. – 2004. – № 4. – С. 89–91.
  13. Назарько, М.Д. Биологическое влияние сжигания стерневых остатков на вертикально-ярусное распределение микроорганизмов и экологические показатели почвы / М.Д. Назарько // Изв. вузов. Пищевая технология. – 2004. – № 5–6. – С. 110–114.
  14. Сапрыкина, Н.В. Предотвращенный экологический ущерб при ликвидации нефтезагрязнений на поверхности почвы / Н.В. Сапрыкина, А.В. Александрова, С.Ю. Ксандопуло, М.Д. Назарько // Экологическая безопасность регионов России от техногенных аварий и катастроф: Сб. материалов Всеросс. науч.-техн. семинара. – Пенза, 2004. – С. 90–92.
  15. Назарько, М.Д. Прогнозирование плодородия природных и окультуренных почв Кубани в условиях интенсивного антропогенного воздействия / М.Д. Назарько; Ред. журн. «Изв. вузов. Пищевая технология». – Краснодар, 2005. – 333 с.: ил. – Библиогр. 401 назв. – Рус. – Деп. в ВИНИТИ 17.10.2005, № 1328В2005.
  16. Назарько, М.Д. Экологическая оценка влияния сжигания стерни на микрофлору и химические показатели почвы / М.Д. Назарько, В.Г. Щербаков // Изв. вузов. Пищевая технология. – 2005. – № 1. – С. 98–101.
  17. Назарько, М.Д. Действие интенсивного окультуривания на биохимические показатели плодородия почвы / М.Д. Назарько, В.Г. Лобанов // Изв. вузов. Пищевая технология. – 2005. – № 4. – С. 59–61.
  18. Назарько, М.Д. Комплексная экологическая оценка состояния окультуренных почв разных типов использования / М.Д. Назарько, В.Г. Лобанов // Изв. вузов. Пищевая технология. – 2005. – № 5–6. – С. 109–111.
  19. Назарько, М.Д. Биохимическая активность и состав почвенной микрофлоры Кубани в условиях интенсивного земледелия / М.Д. Назарько, В.Г. Лобанов // Успехи современного естествознания: Материалы VI Общеросс. науч. конф. с междунар. участием / Успехи современного естествознания. – Сочи, 2005. – № 11. – С. 50.
  20. Назарько, М.Д. Биохимические и микробиологические аспекты загрязнения чернозема обыкновенного минеральными удобрениями и пестицидами / М.Д. Назарько, В.Г. Щербаков // Успехи современного естествознания: Материалы VI Общеросс. науч. конф. с междунар. участием/ Успехи современного естествознания. – Сочи, 2005. – № 11. – С. 71.
  21. Назарько, М.Д. Изменение свойств чернозема и его микробиоценоза в результате сжигания стерни и растительных остатков / М.Д. Назарько, В.Г. Лобанов // Экология и жизнь: Сб. статей VIII Междунар. науч.-практ. конф. – Пенза, 2005. – С. 30–32.
  22. Назарько, М.Д. Биологическая активность почвы как показатель экологического состояния агроценоза / М.Д. Назарько, В.Г. Щербаков // Экология и жизнь: Сб. статей VIII Междунар. науч.-практ. конф. – Пенза, 2005. – С. 32–34.
  23. Назарько, М.Д. Антропогенные изменения структуры комплекса почвенных микромицетов / М.Д. Назарько, В.Г. Щербаков // Экология и жизнь: Сб. статей VIII Междунар. науч.-практ. конф. – Пенза, 2005. – С. 72–74.
  24. Назарько, М.Д. Фоновая оценка состояния микофлоры почв в окультуренных и природных экосистемах северных районов Кубани / М.Д. Назарько, В.Г. Лобанов // Экологический мониторинг: Материалы науч. конф./ Успехи современного естествознания. – Иркутск, 2005. – № 9. – С. 63–64.
  25. Назарько, М.Д. Влияние окультуривания почвы северных районов Кубани на состав микромицетов / М.Д. Назарько, В.Г. Щербаков // Научный потенциал мира 2005: Материалы II Междунар. науч.-практ. конф. Том I. – Днепропетровск: Наука и мир, 2005. – С. 15–17.
  26. Назарько, М.Д. Биотические взаимоотношения в совместных посевах полевых культур и микрофлоры почвы / М.Д. Назарько, В.Г. Лобанов, В.Г. Щербаков // Наука и инновации 2005: Материалы Междунар. науч.-практ. конф. Том II. – Днепропетровск: Наука и мир, 2005. – С. 43–45.
  27. Назарько, М.Д. Влияние агрохимических мероприятий и бессменного способа возделывания сельскохозяйственных культур на состав и активность микробных сообществ Кубани / М.Д. Назарько, В.Г. Лобанов // Инновации в науке и образовании – 2005: Материалы Междунар. науч. конф. –Ч. I. – Калининград: КГТУ, 2005. – С. 163–164.
  28. Назарько, М.Д. Микробиологические аспекты влияния интенсивного окультуривания почв в северных районах Кубани / М.Д. Назарько, В.Г. Щербаков // Инновации в науке и образовании – 2005: Материалы Междунар. науч. конф. –Ч. I. – Калининград: КГТУ, 2005. – С. 161–162.
  29. Назарько, М.Д. Микробиологические аспекты токсичности окультуренных черноземов Кубани / М.Д. Назарько, В.Г. Щербаков, В.Г. Лобанов // Инновационные технологии в создании продуктов питания нового поколения: Сб. материалов Всеросс. науч.-практ. конф. с междунар. участием. – Краснодар: КубГТУ, 2005. – С. 215–216.
  30. Назарько, М.Д. Состав микомицетов – потенциально возможных продуцентов микотоксинов в почвах северных районов Краснодарского края и пути снижения загрязнения ими / М.Д. Назарько, В.Г. Лобанов, В.Г. Щербаков // Инновационные технологии в создании продуктов питания нового поколения: Сб. материалов Всеросс. науч.-практ. конф. с междунар. участием. – Краснодар: КубГТУ, 2005. – С. 224–227.
  31. Назарько, М.Д. Микробиологические процессы в черноземах Кубани при разных системах обработки / М.Д. Назарько, В.Г. Щербаков, В.Г. Лобанов // Современные наукоемкие технологии: Материалы науч. конф. с междунар. участием/ Современные наукоемкие технологии. Канарские острова (о. Тенерифе), 2005. – № 10. – С. 99.
  32. Назарько, М.Д. Биохимические и микробиологические аспекты окультуривания почв в зональных системах земледелия Краснодарского края: монография / М.Д. Назарько, В.Г. Лобанов, В.Г. Щербаков; Кубан. гос. унт. – Краснодар: Изд-во КубГТУ, 2006. – 214 с. – 8 SBN 5833302331.
  33. Назарько, М.Д. Состояние почвенной микрофлоры в агроландшафтах степной, рисовой и горной зон Кубани / М.Д. Назарько, В.Г. Лобанов // Изв. вузов. Пищевая технология. – 2006. – № 1. – С. 116–118.
  34. Назарько, М.Д. Роль микробиологического фактора в токсичности окультуренной почвы / М.Д. Назарько // Изв. вузов. Пищевая технология. – 2006. – № 4. – С. 116–118.
  35. Назарько, М.Д. Микофлора окультуренных и природных экосистем северных районов Кубани / М.Д. Назарько, В.Г. Лобанов // Изв. вузов. Пищевая технология. – 2006. – № 5. – С. 77–79.
  36. Назарько, М.Д. Влияние сжигания растительных остатков в окультуренных почвах на ее биологические и химические показатели / М.Д. Назарько, В.Г. Лобанов // Изв. вузов. Пищевая технология. – 2006. – № 6. – С. 94–95.
  37. Назарько, М.Д. Математический анализ экологоэкономических последствий окультуривания почв Кубани / М.Д. Назарько, В.Г. Щербаков, И.И. Назарько // Изв. вузов. Пищевая технология. – 2006. – № 6. – С. 85–88.
  38. Назарько, М.Д. Сорбент для очистки почв от нефтяных загрязнений / М.Д. Назарько, К.Н. Романова, С.Ю. Ксандопуло и др. // Экологический мониторинг: Материалы науч. конф. с междунар. участием/ Фундаментальные исследования. – Кемер (Турция), 2006. – № 11. – С. 96–97.
  39. Назарько, М.Д. Способ восстановления нефтезагрязненных почв и грунтов / М.Д. Назарько, К.Н. Романова, С.Ю. Ксандопуло и др. // Мониторинг окружающей среды: Материалы IV Междунар. науч. конф./ Фундаментальные исследования. – Римини, 2006. – № 8. – С. 32–33.
  40. Назарько, М.Д. Разработка способов восстановления нефтезагрязненных почв с использованием комбинированных сорбентов / М.Д. Назарько, К.Н. Романова, С.Ю. Ксандопуло и др. // Вклад фундаментальных исследований в развитие современной инновационной экономики Краснодарского края: Сб. тез. конф. грантодержателей регионального конкурса Рос. фонда фундамент. исследований и Администрации Краснодарского края «Юг-России». – Краснодар, 2006. – С. 156–157.
  41. Назарько, М.Д. Трансфер современных технологий при анализе экологических систем / М.Д. Назарько // Перспективные нано и биотехнологии в производстве продуктов функционального назначения: Сб. материалов Междунар. науч.-практ. конф. – Краснодар, 2007. – С. 187.
  42. Назарько, М.Д. Трансферные технологии восстановления нефтезагрязненных почв и почвогрунтов / М.Д. Назарько, К.Н. Романова, А.В. Александрова // Вклад фундаментальных исследований в развитие современной инновационной экономики Краснодарского края: Сб. тез. конф. грантодержателей регионального конкурса Росс. фонда фундамент. исследований и Администрации Краснодарского края «Юг-России». – Краснодар, 2007. – С. 163–164.
  43. Назарько, М.Д. Исследование возможности биоремедиации нефтезагрязненных почв с использованием комбинированных сорбентов / М.Д. Назарько, В.Г. Щербаков, В.Г. Лобанов, А.В. Александрова, К.Н. Романова // Наука Кубани. – 2007. – № 3. – С. 23–26.
  44. Назарько, М.Д. Влияние состава микрофлоры на экологическое равновесие почв Кубани / М.Д. Назарько, В.Г. Лобанов // Изв. вузов. Пищевая технология. – 2007. –  № 1. – С. 92–93.
  45. Назарько, М.Д. Биодеградация микроорганизмами смазочных добавок к буровым растворам / М.Д. Назарько, В.Г. Щербаков, В.Г. Лобанов // Изв. вузов. Пищевая технология. – 2007. – № 2. – С. 86–88.
  46. Назарько, М.Д. Изменение состава почвенных микромицетов при интенсивном антропогенном воздействии в северных районах Кубани / М.Д. Назарько // Изв. вузов. Пищевая технология. – 2007. – № 4. – С. 110–111.
  47. Назарько, М.Д. Трансфер технологий в решении проблемы восстановления нефтезагрязненных почв / М.Д. Назарько, К.Н. Романова, В.Г. Щербаков, В.Г. Лобанов, С.Ю. Ксандопуло, А.В. Сапрыкина, А.В. Александрова // Изв. вузов. Пищевая технология. – 2007. – № 5–6. – С. 97–99.





© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.