Роль живых организмов в развитии сложного компоста

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 631.879.42

роль живых организмов в развитии сложного компоста

Белюченко Иван Степанович

д.б.н., профессор

ФГБОУ «Кубанский государственный аграрный университет», Краснодар, Россия

Формирование сложного компоста идет за счет комплексирования соединений минеральных и органических коллоидов, создания новых круговоротов биогенов, усиления ферментативной активности органического вещества, дыхания живых организмов, возникновения газообразных соединений, особенно азотных, расширения экологических ниш. Численность микробных сообществ оценивает уровень трансформации органического вещества, активность системы жизнеобеспечения живых организмов. Внесение в почву сложного компоста расширяет возможности экологических ниш

Ключевые слова: СЛОЖНЫЙ КОМПОСТ, СООБЩЕСТВА МИКРООРГАНИЗМОВ, КРУГОВОРОТЫ БИОГЕНОВ, ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ НИШИ

UDC 631.879.42

IMPORTANCE OF MICROORGANISMS IN THE FORMATION OF COMPOUND COMPOST

Belyuchenko Ivan Stepanovich

Dr.Sci.Biol., professor

Kuban State Agrarian University, Krasnodar, Russia

Formation of the compound compost is due to compounds of mineral and organic colloids, creating new cycles biogens, enhancing the enzymatic activity of organic matter, respiration of living organisms, the occurrence of gaseous compounds, especially nitrogen, expanding ecological niches. Number of microbial communities evaluates the level transformation of organic matter, the activity life-support systems of living organisms. Introduction of complex compost to the soil enhances of possibilities of ecological niches

Keywords: COMPOUND COMPOST, MICROBIAL COMMUNITIES, CYCLE OF BIOGENIC, ECOLOGICAL NICHES

Введение

сложный компост организм биоген

В сложных (поликомпонентных) компостах всегда формируются сообщества микроорганизмов с самыми разными трофическими функциями. При компоновке различных отходов не все виды микроорганизмов способны обеспечивать изначально систему устойчивости и равновесия в смеси и потому их сообщества на начальном этапе разрознены и не взаимосвязаны в единую систему [1]. Однако к концу третьей-четвертой недели взаимодействие живых организмов ведет к их объединению в функциональные системы по использованию в основном органического вещества в качестве энергетического ресурса и его трансформации в гумус (глинисто-гумусовый комплекс) и другие соединения: органические кислоты, аминокислоты, ферменты, ауксины, а также в простые органические вещества: СО2, Н2О и т.д. Правильное объединение различных отходов при формировании сложного компоста (например, щелочная среда свиного навоза и кислая среда фосфогипса) благодаря микробиоценозам ускоряет и усиливает развитие органоминерального комплекса на основе физических и химических реакций органических и минеральных составляющих: навоза (подстилочного и жидкого), куриного помета, осадков сточных вод, дефеката, галита, фосфогипса и других компонентов [2, 31].

Сущность формирования сложных компостов заключается в развитии микробиологических процессов по разложению органических веществ, комплексированию соединений минеральных и органических коллоидов, созданию агрегатов размером до 2,0 мм, формированию новых круговоротов биогенов, усилению дыхания и образованию субстрата за 1,0-1,5 месяца в теплый период года. Эти процессы осуществляются живыми организмами, главным образом одноклеточными - протистами. Сюда относятся прокариоты (группа низших протистов): бактерии, включая цианобактерии (сине-зеленые водоросли), заметно отличающиеся по строению клеток от других организмов, а также высшие протисты, по строению сходные с растительными и животными клетками и включающие водоросли, грибы, простейшие и ряд других форм.

В сложном компосте параллельно ускоряются и другие химические реакции, минерализующие отмершие организмы животных и растений, превращая их в неорганические соединения, в составе которых видное место занимают такие элементы, как азот, сера, углерод, фосфор и некоторые другие. Важное место в динамике азота в сложном компосте занимает аммиак, образующийся при гниении органических веществ и их разложении под влиянием уреазоактивных анаэробных бактерий, активность которых усиливается при повышении температуры.

В сложном компосте видное место занимает и аммоний, образующийся при разложении белков и аминокислот и под влиянием бактерий Nitrosomonas и Nitrobacter окисляется до нитратов и нитритов; значительная часть азотных соединений при отсутствии кислорода в результате денитрификации теряется в атмосфере. В массе сложного компоста относительно свободно функционируют свободноживущие бактерии, выполняющие важную роль в круговороте азота.

При включении фосфогипса в сложный компост в сочетании с навозом свиней и КРС, куриным пометом, осадками сточных вод и другими органическими отходами регистрируется прохождение реакции CaSO4 + СО2 + NH3 (навоз) > СаСО3 + (NH4)2SO4. При создании благоприятных условий указанная химическая реакция протекает достаточно интенсивно и количество доступного растениям азота увеличивается [11, 31, 32, 33]. Кроме того, частичное обновление свежим растительным материалом снижает денитрификацию и замедляет процесс разрушения органического вещества сложного компоста и газообразные потери азота.

Для поддержания активности сложного компоста микроорганизмы осуществляют наиважнейшую работу по поддержанию круговорота углерода - от начала формирования до наступления его «созревания». Минерализуя органический углерод, представленный в компосте в виде различных остатков органических соединений, микроорганизмы нарушают его равновесие. Почвенные живые организмы своей работой - постоянной минерализацией органического вещества - возвращают в атмосферу углерод в основном в форме СО2. Объективно работа, выполняемая фотосинтезирующими растениями, примерно равна работе выполняемой бактериями и грибами, определяющими кооперацию в круговороте углерода (растения синтезируют, а бактерии и грибы минерализуют органические вещества отмерших растений и животных). Формирование органических и минеральных коллоидов в ППК почвы с внесением в неё сложного компоста существенно сокращает их вымывание в грунтовые воды [17].

При формировании сложного компоста относительно мало минерального углерода (около 1%) уходит в атмосферу в форме метана и образуется в недоступных для кислорода воздуха местах, в основном в нижней его части, когда перемешивания отходов не практикуется. При образовании метана в случае отсутствия кислорода принимают участие клостридии (Clostridium pasteurianum). Основная роль в органической пище у живых организмов принадлежит сахарам, которые в форме полимеров преобладают в процессах минерализации в природе (до 60-70%); в форме мономеров являются предпочтительными для питания основной части микроорганизмов.

Содержание серы содержится (до 1%) в сухом веществе организмов приходится на серосодержащие аминокислоты - гомоцистеин, метионин и цистеин. Основная часть сероводорода в природе образуются при диссимиляционном восстановлении сульфатов в результате активности сульфатредуцирующих бактерий и при отсутствии молекулярного кислорода в нижних частях объемов сложных компостов до серы и сульфата фототрофными анаэробными бактериями. При наличии О2 сероводород окисляется серобактериями до сульфата. Для синтеза серосодержащих аминокислот растения и некоторые микроорганизмы получают серу путем ассимиляционной сульфатредукции, а животные получают с пищей восстановленные соединения серы.

Соединения фосфора в сложном компосте представлены свободными ионами ортофосфорной кислоты Н3РО4 в достаточно низкой концентрации с образованием малорастворимых соединений, поскольку основная часть их находится в комплексах с тяжелыми металлами. Фосфаты необходимо в сложном компосте перевести в растворимую форму. Концентрация полуторных окислов, особенно железа, алюминия и других, относительно низкая в почве и особенно в водоемах, и фосфаты остаются в свободной форме, провоцируя эвтрофикацию речных систем и массовое размножениепрежде всего азотфиксирующих цианобактерий. В почве образуются нерастворимые соли фосфатов и чаще всего растворимые фосфаты, наиболее доступные растениям.

Сообщества живых организмов и сложный компост

Ферментативная активность сложного компоста, разложение в нем органического вещества и усиление дыхания живых организмов приводят к образованию газообразных веществ, особенно азотных (аммиака и других соединений), которые легко инфильтруются в грунтовые воды, а в форме молекулярного азота переходят в атмосферу. В связи с этим численность сообществ живых организмов (бактерии, грибы, актиномицеты, одноклеточные водоросли и др.) в сложных компостах, с одной стороны, указывает на их буферность и реально оценивает уровень трансформации органического вещества, а с другой - на интенсивность комплексирования органических и минеральных соединений, формирование активной системы жизнеобеспечения живых организмов, а также объединение всей совокупности физических, химических и биологических особенностей сложного компоста с включением отходов отдельных производств в единую систему высокого плодородия верхнего слоя почвы [13, 14, 16, 19].

Развитие сложного компоста достигает максимума при достижении способности сохранять экологическое неравновесие или близкое к нему состояние в процессе минимального варьирования внешних условий, что достигается нарастанием в целом высокой биологической активности. Реальная активность сложного компоста в процессе его развития оценивается степенью возможности улучшения почвы при его внесении в её верхний слой [21]. Условия развития сложного компоста в каждом сезоне года различны, и поэтому наиболее благоприятный вариант активности трудно определить без оценки его биологической активности, которую логично определять по содержанию и составу в нем органического вещества, кислотному показателю и многообразию видового и популяционного состава микробоценозов [20].

Общее содержание микробных клеток, по которому можно оценить их биомассу, представляет собой значительное отклонение от минимума, свойственного конкретному сложному компосту (например, минимум, который он способен энергетически обеспечить в самый неблагоприятный период). Мощность сложного компоста не определяется колебаниями температуры, влажности и варьированием органического вещества, а связана с его составом и свойственными ему физическими и химическими характеристиками, которые складываются в процессе его формирования и определяют серьезные изменения за весьма короткий срок в летний период (с апреля до ноября) за счет самых различных реакций в зависимости от загрязнений, сопутствующих технологическим процессам т.д. [17, 18]

Благоприятное развитие биомассы микробных клеток обусловлено трудными для учета факторами среды (выпадением дождей, отсутствием засухи, количеством органического вещества, реальным варьированием температуры, количеством солнечного света и т.д.). Минимальный пул клеток складывается при минимально установленном числе их показателей. В зерновой зоне края для контроля за созреванием сложного компоста можно использовать время отбора проб и их анализа за семи - десятидневный срок при ежегодных оценках развития сообщества живых организмов. Повышение биологической активности сложных компостов происходит благодаря активному развитию бактерий, грибов, актиномицетов, одноклеточных водорослей и других представителей живых организмов.

По мере формирования и созревания сложного компоста стабилизируется разложение органического вещества при снижении интенсивности процессов нитрификации и денитрификации. Система сложного компоста в силу координирования складывающихся в нем различных процессов достигает высокого взаимодействия различных её составляющих, включая и развитие сообщества живых организмов, активизация которых связана со снижением потерь различных веществ и в первую очередь органических. В сложном компосте живые организмы приурочены в основном к макроорганизмам (в основном к живым), представляющим для них основной источник энергии, и лишь некоторые виды способны использовать в качестве энергетического материала минеральные субстраты [25, 26, 27].

Развитие сложных компостов и их физиологическая и химическая активность определяются микробиологическими механизмами регуляции. В органических отходах, особенно в осадках сточных вод, полуперепревшем навозе, в отходах переработки овощей, фруктов, сахарной свеклы и другой продукции растениеводства, формируется группа микроорганизмов, которые в запасе не имеют всех необходимых им элементов питания, и это сдерживает и весьма существенно развитие их популяций. Среди лимитирующих факторов в развитии живых организмов (бактерий, грибов, актиномицетов, одноклеточных водорослей и др.) в сложном компосте проявляется нехватка органического вещества и особенно разнообразия их биологического состава (углеводов, белков, ферментов и т.д.), а в минеральной структуре - калия, серы, фосфора, марганца. Для развития микроорганизмов в сложном компосте не достает влаги в летний период, тепла - зимой, а также питательных веществ - во всех случаях нехватки каких-либо соединений, органических или минеральных [3, 5, 6].

В период «созревания» сложного компоста его развитие поддерживается нарастанием числа видов живых организмов и численности их популяций, нарабатывающих энергетическую массу. В полевых условиях масса живых организмов в сложном компосте колеблется в весьма широких пределах. Например, в 1 г сложного компоста на основе свиного навоза содержится от 200 до 1000 млн бактериальных клеток; кроме того, насчитывается значительное обилие грибных гифов, клеток актиномицетов, а также одноклеточных водорослей, организмов микро- и мезофауны. На 1 м3 сложного компоста приходится до 40-60 кг массы живых организмов [27, 28].

Мезофауна и развитие сложного компоста

Важным фактором почвообразования является активность почвенных животных. В посевах кукурузы через полгода после внесения сложного компоста отмечено увеличение популяций дождевых червей с 37.5 до 300 особей/м3 в июле 2008 г. Дождевые черви нередко выступают доминантами на изучаемой территории и выполняют весьма важную работу при выполнении второго этапа трансформации отчужденной массы по перемешиванию и разрушению органического вещества на пути его трансформации в гумус. Отмечается увеличение в почве энхитреидов после внесения сложного компоста на сахарной свекле, после озимой пшеницы увеличились популяции кивсяков и т.д.[54].

Объективно почвообразование немыслимо без живых организмов, особенно мезофауны, которая выполняет очень большую работу по измельчению органической массы и постепенному её трансформированию в гумус, представляющей органоминеральный комплекс коллоидного типа. В случае сокращения численности живых организмов, в основном мезофауны (дождевые черви, энхитреиды), почва постепенно омертвляется, теряется органическое вещество, падает урожайность растений, снижается его качество, снижается численность микроорганизмов, идет накопление токсинов, вредителей, болезней, усиливаются эрозионные процессы, чему способствует непродуманное использование химических веществ (удобрений, пестицидов). Почвенная мезофауна - очень важный фактор почвообразования и влияет на все свойства почвенного плодородия: структуру почвы, её плотность, существенно улучшая физические, химические и биологические свойства. Особый интерес в этом плане представляют кивсяки, дождевые черви, энхитреиды и другие беспозвоночные организмы (табл. 1).

Таблица 1. Содержание некоторых представителей мезофауны (шт./м2)

в летний период ( полевой опыт 2008-2012 гг.)

В первый год после внесения сложного компоста обозначились личиночные стадии жужелиц, щелкунов и других видов. Начиная со второго года (2009 г.) в почве под озимой пшеницей заметно увеличилось количество популяций кивсяков и дождевых червей; энхитреиды заметно сократили свою численность. Популяции всех представителей мезофауны сократились в посевах озимой пшеницы после выращивания кукурузы на зерно. Еще сильнее сократились популяции изучаемой мезофауны при посеве подсолнечника после озимой пшеницы.

Численный состав дождевых червей и энхитреидов в течение годичной вегетации - ноябрь 2008 г. - апрель 2009 г.- июль 2009 г. - заметно варьирует. Так, при внесении сложного компоста в ноябре 2008 г. популяции дождевых червей составили 30 и энхитреидов 97 особей на 1 м2, а на контроле их количество варьировало в пределах 24 (дождевые черви) и 23 (энхитреиды) особей. В конце марта и до июня у обоих видов численность популяций сократилось, что, очевидно, явилось результатом пестицидных обработок. В посевах на сахарной свекле внесение сложного компоста способствовало нарастанию популяций дождевых червей на посевах озимой пшеницы, высеянной по сахарной свёкле.

В полевых опытах в ОАО «Заветы Ильича» Ленинградского района Краснодарского края было установлено, что численность представителей почвенной мезофауны, особенно кивсяков, дождевых червей и энхитреидов, даже на пятом году выращивания кукурузы на зерно превышала на 75-250% контрольный вариант [12].

В 2011 г. изучали влияние органического вещества (полуперепревший навоз КРС) и сложного компоста, внесенных осенью 2010 г., по сравнению с минеральными удобрениями (табл. 2.). Внесение сложного компоста благоприятно сказалось на урожайности зерна кукурузы (до 95 ц/га) в сравнении с контролем (70 ц/га).

Таблица 2. Численность почвенной мезофауны (шт/м2)в посевах кукурузы (2011 г.) в период её уборки на зерно

Изучение в различных вариантах опыта количества нор мышевидных грызунов в посевах озимой пшеницы по кукурузе и сахарной свёкле показало, что сложный компост в осенний период роста злака снизил их количество до 12-19 шт., а на фоне минеральных удобрений доходит до 80 шт./га; в весенний период число нор с внесением сложного компоста составило 5-10 на 1 га, а на контроле превысило 80. Вполне допустимо, что подкисление серой молодых растений вызывает неприятие этого корма мышами. Большой интерес представляет аналогичное действие сложного компоста на сокращение числа семей мышевидных грызунов и на второй год посева озимой пшеницы.

Живые организмы в «созревающих» сложных компостах в основном гетеротрофы, и значительная часть получаемой ими энергии при минерализации органического вещества расходуется на поддержание их биомассы (табл. 3). Осуществляя в сложном компосте процессы трансформации органических веществ, особенно свежего материала, живые организмы используют на свой рост и размножение до трети и больше энергетического материала [17, 22, 23].

Таблица 3. Численность популяций основных групп мезофауны в почве перед внесением полуперепревшего навоза и сложного компоста

Особенности развития сложного компоста. Формирование сложного компоста идет в любой период года, но особенно активно этот процесс проходит в летний сезон, когда для его развития необходимо периодически пополняли биоты потребность в свежем растительном материале. С этой целью при перемешивании сложного компоста в очередной срок (примерно через месяц) в массу сырья сложного компоста добавляется относительно свежая растительная масса, обогащенная белками, ферментами, витаминами и другими активными веществами, включая свежие отходы зеленой кукурузы, зеленой массы трав, смёт использованных кормов, очистки зерна и других отходов, пригодных для использования в этот период из расчета 3-5 т/га. При нехватке относительно свежих кормов живые организмы используют органическую массу сложного компоста и значительная часть микроорганизмов переходит в покой из-за нехватки свежего корма. В первый год подготовки сложного компоста следует иметь в виду вероятность такой ситуации. В последующие годы такой необходимости нет, поскольку объединение сложного компоста и верхнего слоя почвы поддерживает необходимый уровень различных веществ и его стабильность для энергетического обеспечения жизнедеятельности живых организмов.

Анализируя структуру сложного компоста, следует обратить внимание на то, что его живые организмы обладают определенным запасом органического вещества, которое на первых порах развития смеси расходуется в достаточной степени живыми организмами и достигает определенного уровня минерализации. Верхний слой почвы обычно отличается рассеянным распределением органического вещества и широким варьированием численности видов и популяций различных организмов. При запоздании с внесением в почву сложного компоста из растительного материала органическое вещество в нем расходуется, а микроорганизмы усваивают рассеянные вещества и используют минеральные ресурсы, а затем в силу обстоятельств переходят в состояние покоя.

Весьма важно определить активность микробного пула, который для почвы считается определяющим показателем её гомеостатичности, что выражается в поддержании определенного постоянства видового состава и численности их популяций. Является ли это свойство постоянным для сложного компоста, требует изучения. Для каждого типа отхода (дефеката, свиного навоза, птичьего помета и т.д.) характерно свойственное ему содержание растворимых органических (белки, сахара, аминокислоты, витамины, ферменты и др.) и неорганических соединений (аммиака, аммония, нитратов, подвижного фосфора и других), а также уровень рН и расхождение этих показателей по географическим зонам.

При добавлении в сложный компост растительных отходов (солома, стебли кукурузы, шляпки подсолнечника или отходы сахарной свеклы и др.) в их систему включаются микроорганизмы, которые при благоприятных условиях (влага, температура, питательные вещества) доводят постепенно состояние всего субстрата до равновесного уровня [15]. Передвижение живых организмов в разных направлениях от места концентрации существенно затрудняется адсорбцией их различными почвенными частицами, особенно органическими веществами и глиной. Кроме того, мелкие поры между частицами почвы также вызывают затруднения в их передвижении. В отдельных местах возникают условия либо аэробные, либо анаэробные с резко меняющимися температурами, увлажнением, значениями рН и т.д. [24, 34, 35]. Сообщества живых организмов при разных условиях формирования сложного компоста должны иметь широкий спектр популяций, осуществляющих аммонификацию, нитрификацию, азотфиксацию, а также трансформировать органические и минеральные вещества, разлагать целлюлозу и другие труднодоступные соединения [29, 30].

Передвижение различных живых организмов в сложном компосте

сложный компост организм биоген

Живые организмы в сложных компостах свободно мигрируют по определенным направлениям. Например, при наличии легкоразлагающихся органических веществ в сложном компосте отличаются быстрым нарастанием своих популяций и их значительным экологическим разнообразием. Сформированный сложный компост выделяется огромным разнообразием многих видов организмов, включая в первую очередь бактерии и грибы, способные продуцировать различные активизирующие разложение соединения: аминокислоты, витамины, ферменты и другие вещества [36, 43].

Сложные компосты при их подготовке в буртах в определенной степени дублируют процессы развития микроорганизмов верхнего слоя почвы и нередко являются благоприятной средой для расширения в нем экологических ниш и разнообразия популяций живых организмов. В процессе компостирования в условиях достаточной обеспеченности пищей количество клеток (популяций) живых организмов в сложном компосте достигает значительной величины, но их видовой набор обычно снижается; при развитии в менее благоприятных условиях численность клеток микроорганизмов уменьшается, но их видовой состав весьма значителен, и при изменении условий они заметно активизируют процессы минерализации органического вещества [38].

С началом формирования сложного компоста в нем преобладают доступные органические вещества, трансформация которых протекает быстро, а с завершением этого процесса значительная часть живых организмов переходит в покоящееся состояние в виде спор бактерий, грибов, актиномицетов, и одноклеточных водорослей. Образование комплекса органических и минеральных отходов, составляющих основу сложного компоста, сдерживается развитием микроорганизмов, поскольку в отходы обычно не поступает свежих растительных материалов. На различных стадиях преобразования отходов в них формируется относительно много органических соединений, включая сахара, органические кислоты и другие питательные соединения, которые поддерживают жизнедеятельность живых организмов в течение всего периода развития сложного компоста, особенно в случае отсутствия свежего растительного материала [39, 46].

В сложном компосте обычно образуется определенный запас энергетических ресурсов для обеспечения живых организмов, включая различные органические вещества. При благоприятных условиях развития сложные компосты перерабатывают за весьма короткое летнее время столько органических веществ, сколько при естественных условиях их не поступает в почву за год. Весьма активная трансформация органического вещества характерна для отходов щелочного типа (например, свиной навоз или куриный помет в контакте с кислой средой фосфогипса, золы или других минеральных материалов, обогащенных кальцием, серой, фосфором, кремнием, а также многими микроэлементами).

Высокая активность органических и минеральных коллоидов в составе сложного компоста характерна при их смешивании в условиях хорошего увлажнения (60-75%) и высокой температуры (27-32°С); при низких показателях указанных факторов ферментативная активность сложного компоста резко снижается. Кроме того, разобщенность субстрата и органических веществ сложного компоста не менее важна при развитии процессов, если они содержат минеральные соединения кремния, алюминия, железа, свинца и ряда других элементов. Поэтому обязательным условием формирования сложного компоста еще в самом начале его образования является тщательное перемешивание всех составных частей с целью равномерного распределения органических и минеральных соединений, а также формирования его поглощающего комплекса при достаточном обеспечении водой - от 40 до 55% [39, 40].

Влияние условий среды на развитие сложного компоста. Микробиологический анализ почв, отобранных с изучаемых полей под различными сельскохозяйственными культурами, выявил, что доминирующее положение при внесении подготовленного сложного компоста занимает прокариотный комплекс, который значительно превышает численность микроскопических грибов [42]. Общая численность бактерий в почвах при выращивании сельхозкультур варьирует в широких пределах (от 4 до 73 млн клеток), среди бактерий наблюдается доминирование аммонифицирующих микроорганизмов (табл. 4).

Таблица 4. Изменение численности эколого-трофических групп микроорганизмов в год внесения в почву сложного компоста

Результаты полевых исследований показали, что при внесении сложного компоста в первый год на полях с сельскохозяйственными культурами наблюдается увеличение численности микробного сообщества. Живые организмы чутко реагируют на изменения условий среды: так, снижение рН до 6,8-7,1 и улучшение аэрации способствует активизации развития бактерий и грибов и приводит к увеличению их численности. Установлено, что фосфогипс в количестве 7 т/га, включаемый в состав сложного компоста, снижает количество и титр нитрифицирующих микроорганизмов, которые выделяются высокой численностью в почвах под пшеницей [41].

Микробные сообщества и развитие сложного компоста

Основную роль в развитии сложного компоста играет прокариотный комплекс, численность которого существенно превышает другие группы микробных сообществ (табл. 5).

Таблица 5. Численность микроорганизмов эколого-трофических групп

Преобладают аммонифицирующие и амилолитические группы организмов - число клеток доходит до 275 млн. Большую роль в круговороте органических и минеральных веществ играют микробы-редуценты. На олиготрофные микроорганизмы приходится до 50% общей численности микробного сообщества; из них были наиболее представлены Penicillium (до 40%), Trichoderma (до 20%), Aspergillus (до 10%) и Fusarium (до 10%). Высокий уровень летнего развития почвенных сообществ микроорганизмов объясняется тем, что эта группа способна хорошо развиваться при относительно низкой влажности и высокой температуре. Осенью их численность понижается, что, скорее всего, вызвано повышением влажности в почвах и снижением температуры; зимой, очевидно, это связано с низкой температурой почвы.

Увеличение численности актиномицетов, прежде всего у представителей рода Streptomyces, свойственно также актиномицетам в полях, куда внесли сложный компост; особенно активно актиномицеты увеличивают свои популяции в летний период. Важной таксономической группой микроорганизмов в сложном компосте являются актиномицеты, которым принадлежит значительная роль в круговороте минеральных элементов, осуществляющим в трофической цепи функции микробов-редуцентов (табл. 5). Было установлено, что на голодном агаре численность и видовое разнообразие актиномицетов, выделенных из крахмально-аммиачного агара, были значительно выше контроля. В исследуемых образцах широкое распространение имели представители таких родов, как Streptomyces, Nocardia, Nocardiopsis, Micromonospora, относительно редко встречались представители рода Streptosporаngium [37].

Таблица 5. Численность микроорганизмов на крахмально-аммиачном и голодном агаре

При изучении таксономического разнообразия живых организмов в вариантах с использованием сложного компоста в посевах пшеницы было установлено наличие представителей таких родов, как Streptomyces, Micromonospora, Nocardia и др. Наиболее многочисленным в исследуемых сложных компостах оказался род Streptomyces, входящий в состав микробного комплекса, осуществляющего процесс разложения сложных органических веществ и характеризующегося достаточно широким видовым спектром. Анализ полученных данных показал, что наиболее часто встречались актиномицеты, относящиеся к секции Cinereus, реже выделялись серии Chromogenes, Violaceus, Aurens [26, 35].

Необходимо отметить еще одну весьма важную группу живых организмов - это плесневые и дрожжевые грибы, занимающие по численности и биомассе значительное место среди других организмов. Наибольшая встречаемость этих грибов отмечается в вариантах, где много органического вещества на стадии минерализации, поскольку именно эта группа организмов участвует в минерализации органических остатков благодаря наличию в их выделениях разнообразных гидролитических ферментов. Грибы весьма активно участвуют в превращениях многих соединений азота и способствуют улучшению структуры субстрата через агрегацию его частиц [4].

Наиболее широко в разных вариантах распространены представители следующих родов: Penicillium, Trichoderma, Aspergillus, Fusarium, Rhizopus, Cladosporium, Alternaria. Среди дрожжевых грибов наиболее часто встречаются представители родов Lypomyces и Candida. Обычно они отмечены в бактериально-дрожжевом комплексе азотфиксирующих микроорганизмов. При внесении в почву сложного компоста также наблюдается увеличение численности микроскопических грибов. В вариантах сельхозкультур наиболее часто встречаются микромицеты таких родов, как Peniculium и Aspergillus. Следует отметить, что на полях озимой пшеницы в варианте со сложным компостом грибы рода Fusarium практически не встречаются [13, 14, 17].

Многообразие сложного компоста

Живые организмы в сложном компосте осуществляют весьма сложные биохимические процессы распада трудноразлагаемых органических веществ (кочерыжки кукурузы, её корни, стебли, однолетние побеги кустарников и т.д.) за счет взаимодействия различных по экологической природе группировок: молочнокислые, фотосинтезирующие и азотфиксирующие, а также ферментирующие бактерии, грибы, дрожжи, почвенные актиномицеты, одноклеточные водоросли. Большинство указанных групп в меньшем или большем соотношении встречаются практически во всех органических отходах; их мало в простых растительных остатках (например, солома ячменя), но много концентрируется во всех видах навоза, осадках сточных вод и в других многокомпонентных составляющих. Азотфиксация ведется разнообразными прокариотными микроорганизмами: автотрофными и гетерофными бактериями, различными фотосинтезирующими бактериями, клубеньковыми бактериями, азотобактером, клостридиумом и т.д. [17, 22].

В сложном компосте микроорганизмы по своей функциональной роли можно разделить на азотфиксаторы, нитрификаторы, денитрификаторы, аммонификаторы, целлюлозолитические, пектинолитические и другие трофические группы. Нитрификация органических соединений осуществляется весьма существенной группой хемолитотрофных бактерий, а гетеротрофная нитрификация выполняется рядом гетеротрофных бактерий и грибов. Гидролиз труднорастворимых фосфатов фосфогипса и других соединений в сложном компосте выполняется разными группами микроорганизмов, которые осуществляют также окисление и восстановление железа и марганца [16, 26].

Различные группы микроорганизмов выполняют очень важные процессы в сложном компосте. Так, к группе основных азотфиксаторов относится Azotobacter, а среди денитрификаторов выделяется Ps. denitrificans и ряд других видов. Аналогичные процессы свойственны и другим микроорганизмам с учетом условий среды их обитания. При отсутствии связанного азота микроорганизмы осуществляют азотфиксацию из органического вещества, в котором при недостатке кислорода и наличии связанного азота усиливается денитрификация [29].

Многие физиологические реакции бактерий отличаются высокой активностью. Для своего роста бактерии используют белки, выступают в роли аммонификаторов; в других случаях они могут выступать в качестве нитрификаторов и денитрификаторов, что указывает на полифункциональность многих экологических групп микроорганизмов. Определенное сходство в этом плане свойственно и грибам, и актиномицетам.

Многие процессы разложения органических веществ микроорганизмами в сложном компосте дублируются, что ускоряет минерализацию органических соединений. При усилении кислотной основы сложного компоста ускоряется процесс разложения пестицидов, фенолов и других загрязнителей, оказывающих влияние на характер равновесности смеси. Дублирование основных процессов разложения (нитрификация и денитрификация), образование ряда других веществ (ферментов, витаминов и т.д.) в сложном компосте осуществляется различными экологическими группами микроорганизмов, способными занимать сходные экологические ниши, различающиеся в пространстве и времени, в аэробных и анаэробных условиях, при высокой и низкой температурах [30].

Разложение органических веществ различными группами живых организмов связано с образованием в сложном компосте СО2 в результате прохождения в нем автотрофного и гетеротрофного процессов: микроорганизмы разрушают одни и формируют другие органические вещества (например, типа белков, сахаров и других соединений при разложении целлюлозы, пектинов и др.). В случае развития процессов азотфиксации или денитрификации в сложном компосте происходит окисление и восстановление соединений азота, и параллельно с ними окисляются и восстанавливаются отдельные химические элементы с переменной валентностью - марганец, железо, сера и т.д. Разные процессы в сложном компосте совершаются как специальными группами живых организмов, так и случайными, что составляет основу важного свойства этих экологических групп выполнять роль стабилизирующего фактора в течение весьма короткого промежутка времени: при формировании новых условий развития (за 4-6 месяцев) образуются новые экологические ниши, возникают новые соединения органического и органоминерального комплексов [35, 36].

В начале образования сложного компоста могут формироваться участки с различным содержанием отдельных элементов (фосфора, кальция, серы и др.), включая и органические соединения. Использование в сложном компосте отходов типа осадков сточных вод, куриного помета, свиного навоза, фосфогипса и некоторых других будет расширять его экологические ниши и способствовать увеличению как численности популяций отдельных организмов, так и их видового разнообразия [7, 8, 9, 10].

Формирование сложных компостов в зависимости от природно-хозяйственных условий способствует развитию различных сообществ живых организмов. Естественно, что во всех отходах встречаются весьма активные живые организмы, осуществляющие фиксацию азота, такие как клубеньковые бактерии, азотобактер, некоторые актиномицеты; их определение осуществляется из расчета минимум сотен тысяч клеток на 1 г образующегося сложного компоста. Для выявления клеток микроорганизмов не всегда мы можем отбирать и анализировать пробы субстрата, особенно на начальных стадиях формирования сложного компоста. Оценка наличия в сложном компосте тех или иных микроорганизмов, учитывая сезонные колебания погоды, адсорбцию почвенными частицами, сукцессионные колебания их состава и обилия, весьма сложна и требует отбора значительного количества образцов, повторения анализа при проращивании их на различных средах, более тщательного исследования в разных типах субстратов [19, 20].

В сложных компостах, отличающихся определенным разбросом условий физических, химических и биологических составляющих, количество любых живых организмов, свойственных данной географической или физической территории, в расчете на 1 г субстрата будет различным. Внедрение в сложный компост органических отходов привносит в него различные виды живых организмов, поскольку далеко не все его экологические ниши заняты, и именно с этим обстоятельством связаны различия в интенсивности минерализации. Иными словами, сложный компост формирует определенную емкость органических веществ, представляющих среду обитания для конкретных групп живых организмов [21].

Таким образом, сложный компост формирует собой многовариантный гранулометрически и химически органоминеральный субстрат и поэтому в связи с этим не представляет собой равновесной среды обитания. Именно многообразие структурированности сложного компоста позволяет анализировать его как субстрат, различающийся условиями формирования сообществ живых организмов, которые найдут свои экологические ниши во множестве возможных сочетаний органических, органоминеральных и минеральных частиц. Живые организмы в сложном компосте осваивают каждую частицу органического вещества, и их размеры и формы позволяют адаптироваться к самым разным условиям среды. Отличаясь высокой скоростью размножения и различными сроками перехода к покою при неблагоприятных условиях, живые организмы способны быстро осваивать органические вещества, составляя отдельные микроколонии из клеток разных видов, которые могут развиваться относительно изолированно.

Большое значение в круговороте отдельных элементов и веществ имеют те популяции живых организмов, которые отличаются высокой активностью. Например, при изучении сложного компоста в его субстрате были выделены актиномицеты, чья активность связывается с распадом гумусовых веществ и частично с азотным балансом [21]. Численность актиномицетов в компосте варьирует весьма широко и зависит от соотношения отходов (табл. 6)

Таблица 6. Доля наиболее распространенных актиномицетов в сложном компосте, %

При исследовании сложных компостов, в которых значительное место занимают отходы злаков, включая отходы от очистки их семян, численность актиномицетов по подсчетам основных родовых комплексов была средней. При значительном участии свиного навоза общая доля актиномицетов составила также 92%, но с заметным увеличением представителей рода Streptomyces. В сложном компосте, где органическая масса была представлена полуперепревшим навозом КРС, доля родовых комплексов актиномицетов была относительно более выровненной [16].

Исходя из полученных данных можно заключить, что нет необходимости изучать все виды актиномицетов. Объективно в сложном компосте следует изучать доминирующие виды организмов, определяющие развитие отдельных процессов. Мы часто принимаем условный критерий численности живых организмов (например, на 1 г сложного компоста приходится около 1 млн бактериальных клеток). Для грибов и актиномицетов принимаются другие экологические критерии с учетом их численности и размерности, а также особенностей их метаболизма. Обычно их численность составляет порядка 10 000 клеток на 1 г сложного компоста [20].

Весьма важные для развития микроорганизмов биологически активные вещества (аминокислоты, антибиотики, стимуляторы и ингибиторы роста, витамины, токсины и т.д.) требуют серьезных исследований. Первое место занимают газообразные вещества, которые отличаются быстрым перемещением и влиянием на газообмен. Изучение функциональной роли микроорганизмов в строении сложных компостов получило еще недостаточное развитие, хотя оно имеет важное практическое и теоретическое значение. Сдерживание минерализации органического вещества и трансформации минерального азота, а также другие проблемы в процессе развития сложного компоста возникают именно по мере превращения сложных соединений, формирующихся при объединении многих отходов в общий субстрат. Проанализировав основные процессы, прохождение которых немыслимо без микроорганизмов, следует отметить в первую очередь переработку ряда отходов и их превращение в источник энергии для различных организмов и дальнейшей их трансформации [5].

Сложный компост по своему составу представляет собой трехфазную систему, способную к созданию среды обитания для различных групп организмов, в том числе для бактерий, грибов, актиномицетов, микро- и мезофауны и других таксонов. Субстрат сложного компоста по сути аналогичен высокопродуктивной почве; отличается от неё определенными улучшенными условиями для жизни отдельных родов, видов и популяций живых организмов, образующих микроколонии, составленные различными таксонами. Развитие колоний микроорганизмов в разных типах сложных компостов имеет важное значение, поскольку активирование их развития по времени и в пространстве в силу повышенной концентрации органического вещества и широкого спектра органических соединений: аминокислоты, белки, крахмал, липиды, нуклеиновые кислоты, ферменты, антибиотики, витамины, целлюлоза, лигнин, хитин, как и направленность важных процессов (аммонификация, азотфиксация, гидролиз органофосфатов, трансформация многих органических и минеральных веществ) находятся в тесной взаимосвязи [17].

Поверхность субстрата сложного компоста отличается значительным физическим, химическим и биологическим разнообразием и потому способствует сосуществованию различных по функциям популяций живых организмов, которые в сложном компосте находят десятки разнообразных новых экологических ниш, различающихся своим химизмом, составом, содержанием питательных веществ и также реакцией среды. Многие виды живых организмов в сложном компосте находят вполне удобные экологические ниши для своего функционирования и размножения; сюда входят бактерии, грибы, одноклеточные водоросли и актиномицеты. В сложных компостах встречаются виды микроорганизмов, пребывающие в нем временно, особенно фитопатогены ризо- и филлопланы, которые способны осваивать растительные остатки [14].

Структура сложного компоста

«Зрелый» сложный компост напоминает собой почвоподобное образование, сильно обогащенное органическим веществом (до 20% и выше) с нейтральной реакцией раствора (рН 6,8-7,2), включением значительного количества полуторных окислов, активно сцепляющих друг с другом различные минеральные и органические частицы. В создании подобного почве образования в системе сложного компоста активно участвуют живые организмы, где продукты их жизнедеятельности выполняют цементирующую роль в объединении множества мелких частиц. Например, многие виды бактерий, одноклеточных водорослей и грибов образуют слизи пептидного и углеводного состава и вместе с глинистыми частицами формируют водопрочные образования размером до 1-2 мм. Большую роль в этом выполняют микроскопические грибы и некоторые виды одноклеточных водорослей, которые заметно влияют на оструктуривание субстрата сложного компоста через выделение полисахаридов, склеивающих различные минеральные и органические частицы, укрепляя их механически своими гифами. В основном такая работа выполняется в верхнем слое субстрата от 0 до 10-15 см с перемешиванием сложного компоста каждые 20-25 дней в теплый период года, что ускоряет образование его почвоподобных структур при активном развитии грибов и одноклеточных водорослей [19, 21, 22].

Активную роль в формировании почвоподобных структур в сложном компосте выполняют мелкие одноклеточные водоросли на кислых субстратах (например, фосфогипс и др.), где они, выделяя слизистые вещества, объединяют частицы органоминеральной природы; своими нитями они связывают и уплотняют их, делая такие объединения достаточно устойчивыми к воде. Некоторые живые организмы выделяют весьма активные вещества, разрушающие комковатую структуру сложного компоста и не способствуют её укреплению. В итоге сложные компосты являются хранилищем различных видов живых организмов в определенных условиях и представляют собой широкий спектр их сообществ. Учитывая эти обстоятельства, из такой коллекции можно отбирать пробы субстрата и изучать наиболее ценные виды микроорганизмов: бактерий, грибов и водорослей для сравнения с природными объектами, какими являются ненарушенные территории [27].

Микроорганизмы, особенно бактерии и микроскопические грибы, способствуют трансформации питательных веществ и протеканию окислительно-восстановительных процессов при формировании сложного компоста. Влияние микроорганизмов на подстилающие слои в сложном компосте осуществляются вначале через органические вещества, которые являются результатом разложения растительных остатков, а также при распаде минералов вследствие экстракции из них фосфора, кремния, железа, марганца и других элементов [28, 29].

Биологические образования в сложном компосте (микроорганизмы, растительные и животные организмы) в процессе разложения органических веществ освобождают прежде всего органический углерод и азот, а затем серу, фосфор и кальций, осуществляя весьма важную системную функцию - накопление наиболее ценных и основополагающих для строительства организма питательных веществ. Особое значение имеют микроорганизмы ризопланы, которые концентрируются на поверхности живых корней, поставляют легкодоступные макроэлементы и многие активные вещества, включая ферменты, ауксины, витамины и другие соединения. Например, в сложном компосте, особенно в его гумусе, азота содержится больше в живых организмах (например, в бактериях) и он находится в форме структурных органических веществ, распадающихся относительно медленно [29].

Фиксация атмосферного молекулярного азота прокариотными организмами в сложном компосте является весьма важным источником его накопления после внесения в почву. Такое обеспечение растений азотом имеет системное значение, и потому проблема его биологической роли с использованием сложного компоста является весьма важной. Азотфиксирующие бактерии - симбиотические и несимбиотические - в сложном компосте развиваются с различной интенсивностью. Несимбиотические бактерии также зависят от комплексных отходов, поскольку получают от них доступный органический углерод, и их роль в фиксации азота весьма значительная [28].

Фосфором обеспечивают эукариотные живые организмы, включая и грибы, формирующие с внесением сложного компоста в почву на корнях растений микоризу. Микоризные растения способны утилизировать труднодоступные соединения фосфора, а не образующие микоризы растения не обеспечены этим элементом. Грибы-микоризообразователи с внесением сложного компоста поставляют для растений из почвы не только кальций и фосфор, но и азот, серу, калий и многие микроэлементы - марганец, медь, цинк, кобальт. Микроорганизмы сложного компоста разнообразят таким образом для растений «рацион» питательных веществ в почве [30, 34].

Сложный компост и проблемы почвоутомления

Большое влияние на развитие живых организмов в сложном компосте оказывают витамины, ферменты, стимуляторы роста и другие биологически активные вещества. Случаи утомления почв, как следствие токсикоза при частом выращивании одной и той же культуры (например, картофеля, подсолнечника и т.д.) связаны с накоплением в почве грибов-токсинообразователей, относящихся к сапротрофам. В простых органических отходах микотоксины выделяются мелкими микроскопическими грибами, представляющими опасность для живых организмов, включая и человека. Использование в таких случаях сложного компоста для удобрения почв действие микотоксинов сглаживает, или их проявление полностью снимается [29].

Токсичность грибов в системе сложного компоста проявляется часто в задержке прорастания семян. Определенную роль играют фитогормоны, которые при низких концентрациях в сложном компосте оказывают влияние на регуляцию отдельных физиологических процессов, например, роста бактерий. К этой группе относится этилен, который производится некоторыми грибами, в частности дрожжевыми. Микроскопические эукариоты, как источники органического углерода, являются важнейшими продуцентами этилена на средах с гуматами и фульвокислотами. Сапротрофы способны выделять также другие газообразные вещества, оказывающие токсическое воздействие на растения и их микробные сообщества [2,34].