Мікробіологічна деструкція органічної речовини в агроценозах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Мікробіологічна деструкція органічної речовини в агроценозах

Л.М. Токмакова, А.О. Трепач, кандидати сільськогосподарських наук, Інститут сільськогосподарської мікробіології та агропромислового виробництва НААН

Мета. Дослідити мікробіологічні процеси трансформації соломи за інтродукції в агроценози мікроорганізмів -- продуцентів целюлазних ферментних комплексів, які відіграють важливу роль у біодеструкції свіжої органічної речовини. Методи. Польові -- проведення польового досліду, мікробіологічні -- встановлення чисельності целюлозолітичних бактерій, біохімічні -- визначення целюлазної, пероксидазної та поліфенолоксидазної активності ґрунту, статистичні -- обробка отриманих даних спрямована на виявлення відмінностей між відповідними показниками та оцінкою достовірності таких відмінностей. Результати. В умовах тривалого польового досліду на чорноземі вилугуваному (короткоротаційна сівозміна: пшениця озима -- гречка -- люпин) досліджено мікробіологічні процеси, які відбуваються за мінералізації 4 т/га соломи.

Установлено, що впродовж вегетаційного періоду гречки в ґрунті (1-й рік після внесення соломи пшениці озимої) та люпину (2-й рік після внесення органічних решток) збільшується чисельність целюлозолітичних мікроорганізмів. В агроценозах гречки у варіанті з використанням Microbacterium sp. 6634 їх кількість становила 25,6 млн/г ґрунту при значенні на контролі 10,9 млн/г ґрунту. Досліджувані зразки ґрунту з агроценозів люпину також характеризуються значною чисельністю целюлозоруйнівних мікроорганізмів (17,7 млн/г ґрунту за дії Bacillus sp. 6658) порівняно з контрольним варіантом (9 млн/г ґрунту). За дії бактерій-деструкторів органічної речовини зростала ферментативна активність ґрунту: целюлазна, пероксидазна та поліфенолоксидазна. Активність целюлази за використання Bacillus sp. 6658 та Pseudomonas sp. 6650 зросла в 1,5 раза.

За впливу інтродукованих в агроценози мікроорганізмів постерігалося зростання біохімічного коефіцієнта накопичення гумусу за Муромцевим. Висновки. Інтродукція в агроценози бактерій -- представників родів Bacillus, Microbacterium, Pseudomonas сприяє розвитку в чорноземі вилугуваному мікроорганізмів із целюлозолітичними властивостями та підвищенню целюлазної, пероксидазної і поліфенолоксидазної активності, що є передумовою для посилення процесів мінералізації соломи. Підсилення інтенсивності розкладання свіжої органічної речовини за внесення рослинних решток підтверджується показниками біохімічного коефіцієнта накопичення гумусу за Муромцевим. Досліджувані бактерії є перспективними як біоагенти мікробних препаратів для оптимізації процесів мінералізації - іммобілізації за використання побічної продукції рослинництва.

Ключові слова: целюлозоруйнівні бактерії, трансформація органічних решток, ферменти, чорнозем вилугуваний, пшениця озима, гречка, люпин.

Microbiological destruction of organic substance in agrocenoses

Tokmakova L. Trepach A., Institute of Agricultural Microbiology and Agroindustrial Production of NAAS

Goal. To study the microbiological processes of straw transformation during introduction into agrocenoses of microorganisms -- producers of cellulase enzyme complexes, which play an important role in the biodegradation of fresh organic matter. Methods. Field -- to carry out field experiment, microbiological -- to determine the quantity of cellulosolytic bacteria, biochemical -- to determine the cellulase, peroxidase, and polyphenol oxidase activity of the soil, statistical -- to identify differences between relevant indicators and assessment of the reliability of such differences.

Results. In the conditions of a long-term field experiment on leached chornozem (short-term crop rotation: winter wheat -- buckwheat -- lupine), microbiological processes that occur during the mineralization of 4 t/ha of straw were studied. It was found that during the growing season buckwheat in the soil (the 1-st year after the introduction of winter wheat straw) and lupine (the 2-nd year after the introduction of organic residues) increased the number of cellulosolytic microorganisms. In buckwheat agrocenoses in the variant with Microbacterium sp. 6634 their quantity amounted to 25.6 million/g of soil with a value of 10.9 million/g of soil under control.

The studied soil samples from lupine agrocenoses were also characterized by a significant number of cellulose-destructive microorganisms (17.7 million/g of soil under the action of Bacillus sp. 6658) compared to the control variant (9 million/g of soil). Under the action of bacterial destructors of organic matter, they observed increased enzymatic activity of soil (cellulase, peroxidase, and polyphenol oxidase). Cellulase activity at the use of Bacillus sp. 6658 and Pseudomonas sp. 6650 increased 1.5 times. Under the influence of microorganisms introduced into agrocenoses, an increase in the biochemical coefficient of humus accumulation according to Muromtsev's methodology was observed.

Conclusions. Introduction into the agrocenosis of bacteria -- members of the genera Bacillus, Microbacterium, Pseudomonas promoted the development of leached chornozem microorganisms with cellulosolytic properties and increased cellulase, peroxidase, and polyphenol oxidase activity, which was a prerequisite for strengthening the mineralization of straw. The increase in the intensity of decomposition of fresh organic matter with the introduction of plant residues was confirmed by indicators of the biochemical coefficient of humus accumulation according to Muromtsev's methodology. The studied bacteria are promising as bioagents of microbial preparations to optimize the processes of mineralization-immobilization using plant by-products.

Key words: cellulose-destructing bacteria, transformation of organic residues, enzymes, leached chornozem, winter wheat, buckwheat, lupine.

Рослинні залишки сільськогосподарських культур -- найважливіший ресурс відтворення органічної речовини і збереження функціональних властивостей ґрунтів в агроценозах, ключовий будівельний блок для стійкості сільськогосподарського виробництва. Вони є основним джерелом вуглецю та інших органічних речовин, які активно трансформуються ґрунтовими мікроорганізмами. Тому поширене внесення соломи як біологічного удобрення та енергетичного матеріалу, який бере участь у процесах ґрунтоутворення [1,2]. У сучасному аграрному виробництві у світі на першому плані стосовно розв'язання проблеми підвищення родючості ґрунтів технології, які забезпечують повернення поживних речовин у ґрунт за допомогою заорювання рослинних решток і використання біодеструкторів, створених на основі мікроорганізмів, здатних продукувати ферменти, що руйнують лігнін, целюлозу, клітковину, білки рослинних решток [3 - 6]. Тому нині в багатьох країнах проводять дослідження, спрямовані на створення умов для підсилення процесів мінералізації-гуміфікації рослинних решток.

Аналіз останніх досліджень і публікацій

Ґрунтові процеси перетворення органічних і неорганічних сполук пов'язані з життєздатністю мікроорганізмів. Активність мікробіологічних процесів у ґрунті залежить від чисельності різних трофічних груп мікроорганізмів і специфіки функціональних зв'язків між ними [7]. Визначення видової різноманітності, чисельності та активності мікроорганізмів ґрунту важливе під час дослідження особливостей деструкції органічної речовини, оскільки розкладання рослинних і тваринних решток, вивільнення та зв'язування елементів живлення відбувається за впливу мікроорганізмів [8, 9]. Зміни в чисельності мікроорганізмів окремих еколого-трофічних груп є індикатором перебігу процесів розкладання органічної речовини ґрунту. Основні показники мікробіологічної активності -- ґрунтове «дихання» і ферментативна активність, чисельність і біомаса мікроорганізмів [10, 11].

Дослідження мікробіологічних процесів трансформації органічних речовин у ґрунті, створення умов для підсилення процесів мінералізації свіжої органічної речовини, які сприятимуть підвищенню родючості ґрунтів, є актуальними.

Мета досліджень -- вивчити мікробіологічні процеси трансформації рослинних решток соломи за інтродукції в агроценози мікроорганізмів -- продуцентів целюлазних ферментних комплексів.

Матеріали та методи досліджень

Дослідження проводили в польових умовах 2016-2020 рр. у короткоротаційній сівозміні (соя, 2015 р.) -- пшениця озима -- гречка -- люпин) на базі дослідного поля Інституту сільськогосподарської мікробіології та агропромислового виробництва НААН відповідно до загальноприйнятих методик [12]. Після збирання врожаю солому пшениці озимої сорту Поліська 90 (попередньо подрібнену та рівномірно розподілену на поверхні поля) обприскували суспензіями мікроорганізмів і заробляли в ґрунт дискуванням. Дослідження особливостей процесів мінералізації - гуміфікації в ґрунті проводили в 1-й рік після застосування решток соломи (за вирощування гречки сорту Ювілейна) та у 2-й (люпину сорту Щедрий).

Варіанти досліду: 1. Без унесення рослинних решток, контроль. 2. Солома, 4 т/га -- фон. 3. Фон + Bacillus sp. 6605. 4. Фон + Microbacterium sp. 6634. 5. Фон + Pseudomonas sp. 6650. 6. Фон + Bacillus sp. 6658.

Штами бактерій нами було селекціоновано раніше за ознакою високої целюлозолітичної активності. Дизайн польового досліду передбачав його розміщення не лише в часі, а й у просторі, що дало змогу досліджувати інтенсивність деструкції органічної речовини в 1- і 2-й роки після її внесення не одноразово, а системно, тому отримані результати є 3-річними.

Площа дослідної ділянки -- 50,4 м², повторність досліду -- 3-разова.

Ґрунтові зразки відбирали в основні фази органогенезу гречки та люпину: гілкування, цвітіння, достигання плодів. У динаміці проводили облік чисельності бактерій-амоніфікаторів при висіванні ґрунтових розведень на м'ясо-пептонний агар (МПА) та кількості мікроорганізмів, здатних використовувати мінеральні форми азоту на крохмально-аміачному агарі (КАА) [13], целюлозоруйнівні бактерії підраховували на середовищі Гетчинсона-Клейптона [14], целюлазну активність ґрунту визначали за методом Кислициної, пероксидазну та поліфенолоксидазну активність -- за Карягіною та Михайловською [15], коефіцієнт мінералізації та іммобілізації Мішустіна розраховували за співвідношенням кількості мікроорганізмів, які засвоюють мінеральний та органічний азот [16], біохімічний коефіцієнт накопичення гумусу за Муромцевим визначали за співвідношенням показників поліфенолоксидазної активності ґрунту і пероксидазної активності [17].

Статистичну обробку отриманих даних проводили за допомогою комп'ютерних програм Microsoft Excel та Origin 8. Різницю середніх показників вважали вірогідною за рівня значущості Р<0,05.

Результати досліджень

Функціонально й анатомічно невід'ємним компонентом ґрунту є біотична складова, яку розглядають у цілісності взаємодій і впливів, що дає змогу отримати інтегральну оцінку біологічного стану ґрунту. Важливим показником функціонування ґрунту є діяльність мікроорганізмів, які здійснюють безперервний процес трансформації органічної речовини [18].

Результати проведених мікробіологічних досліджень ґрунту під посівами гречки у фазі цвітіння показали, що чисельність мікроорганізмів, які засвоюють азот органічних сполук, варіювала з 10,1 млн/г ґрунту (у контрольному варіанті без соломи) до 25,6 млн/г ґрунту за дії Bacillus sp. 6605. Чисельність амілолітичної мікрофлори, яка бере участь у розкладанні безазотистих сполук у ґрунті і забезпечує іммобілізацію азоту, була дещо більшою -- 16,1 млн/г ґрунту на контролі та 31,6 млн/г ґрунту у варіанті солома + Bacillus sp. 6658. Коефіцієнт мінералізації - іммобілізації в ґрунті контрольного варіанта без унесення соломи пшениці озимої був у межах 1,2 - 1,5 - 1,2 упродовж вегетаційного періоду гречки.

Процеси мінералізації - іммобілізації інтенсивніше відбувалися за дії активних штамів целюлозоруйнівних мікроорганізмів (К_м.=1,5 - 2,2 - 2,4). В умовах агроценозів значення коефіцієнта Мішустіна показує темпи біохімічної трансформації органічної речовини в ґрунті.

Чисельність целюлозоруйнівних бактерій у ґрунті була найвищою за інтродукції в агроценози Microbacterium sp. 6634 і становила 25,6 млн/г ґрунту при значенні на контролі 10,9 млн/г ґрунту, що свідчить про активні процеси деструкції органічної речовини (рис. 1).

Рис. 1. Чисельність целюлозолітичних бактерій у ризосферному ґрунті рослин гречки сорту Ювілейна: біла -- фаза гілкування; сіра -- цвітіння; синя -- достигання плодів (для рис. 1, 2)