Биодинамика микробного сообщества почвы в антропогенных экосистемах лесостепи
Диссертация
Автор: Свистова, Ирина Дмитриевна
Название: Биодинамика микробного сообщества почвы в антропогенных экосистемах лесостепи
Справка: Свистова, Ирина Дмитриевна. Биодинамика микробного сообщества почвы в антропогенных экосистемах лесостепи : диссертация доктора биологических наук : 03.00.16 Воронеж, 2005 482 c. : 71 06-3/104
Объем: 482 стр.
Информация: Воронеж, 2005
Содержание:
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА I СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ
11 Роль микроорганизмов в экологических функциях почвы в природных экосистемах
12 Развитие представлений о строении и функционировании микробного сообщества почвы
13 Экологические особенности мицелиальных почвенных микроорганизмов
14 Почвенная биотехнология — основа биологизации сельского хозяйства
141 Роль монокультур и севооборота в биодинамике почвы
142 Влияние агротехнических мероприятий на структуру и функционирование микробного сообщества почвы
15 Влияние техногенного воздействия на микробное сообщество почвы
151 Реакция микроорганизмов на загрязнение почвы ксенобиотиками
152 Нарушение микробного сообщества почвы в урбанэкосистемах
16 Почвенные микромицеты - основные агенты биодеградации биополимеров в природе и их использование в промышленной биотехнологии
161 Биоконверсия целлюлозы микроорганизмами: субстраты, ферменты и продуценты
162 Перспективные направления получения высокоактивных продуцентов целлюлаз для промышленной биотехнологии
ГЛАВА И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ, УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА
ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
21 Почвенно-климатическая характеристика района исследования
22 Экологическое зонирование г Воронежа
23 Условия проведения полевых исследований
231 Характеристика гидротермических условий в годы исследований
232 Характеристика полевых опытов
233 Микрополевые опыты
234 Мониторинг почвы в зоне влияния автомагистрали "Дон"
235 Мониторинг урбаноземов гВоронежа
236 Отбор и анализ почвенных образцов
237 Определение состава ППК
238 Определение численности эколого-трофических групп микроорганизмов
239 Определение биологической активности почвы
2310 Определение видовой структуры комплекса грибов и секционной структуры актиномицетов
24 Модельные эксперименты
241 Определение эколого-физиологических характеристик чистых культур почвенных микроорганизмов
242 Оценка типов взаимоотношений почвенных микроорганизмов
243 Изучение фитотоксических свойств чистых культур микромицетов
244 Оценка почвенного фитотоксикоза и характеристик взаимодействия фитотоксинов с почвой ф 245 Опыты по разложению растительных остатков в почве
246 Определение активности гидролаз
247 Биосинтез ферментов и других метаболитов в периодических и непрерывных условиях роста микроорганизмов
248 Изучение регуляции биосинтеза ферментов микроорганизмами в неростовых условиях
25 Статистическая обработка результатов
ГЛАВА III СТРУКТУРА И ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ МИКРОБНОГО
СООБЩЕСТВА ЧЕРНОЗЕМА В ПРИРОДНЫХ ЭКОСИСТЕМАХ
31 Биодинамика, эколого-трофическая структура и потенциальная биологическая активность чернозема
32 Таксономическая структура мицелиальных микроорганизмов
33 Аутэкологические характеристики микромицетов чернозема
34 Гидролитическая активность микромицетов чернозема
35 Фитотоксические свойства микромицетов чернозема
36 Антибиотические свойства микромицетов чернозема
361 Регуляция синтеза токсинов микромицетами
ГЛАВА IV ВЛИЯНИЕ РАСТЕНИЙ НА БИОДИНАМИКУ ЧЕРНОЗЕМА
В АГРОЭКОСИСТЕМАХ
41 Влияние прижизненных корневых выделений и корневого опада растений на эколого-трофическую структуру микробного сообщества чернозема
42 Влияние растений на формирование видовой структуры мицелиальных форм микроорганизмов и фитотоксические свойства почвы
43 Сукцессии микробного пула чернозема и развитие фитотоксикоза при разложении разнокачественных растительных остатков
44 Влияние многолетних монофитоценозов, парных чередований культур и севооборота на биодинамику чернозема
45 Перестройка видовой и экологической структуры комплекса микромицетов и фитотоксикоз почвы в многолетних агрофитоценозах
46 Функционирование системы почва - микроорганизмы - растения ф животные - человек на примере агрофитоценозов чернозема
ГЛАВА V МИКРОБНЫЙ КОМПЛЕКС ЧЕРНОЗЕМА КАК ПАРАМЕТР
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ
51 Влияние окультуривания на микрофлору чернозема
52 Влияние многолетнего внесения минеральных удобрений и мелиорантов на состав почвенно-поглощающего комплекса
• и микробное сообщество чернозема
53 Биодинамика чернозема разного уровня удобренности при разложении растительных остатков
54 Сукцессия микрофлоры чернозема при локальном способе внесения азотных удобрений и ингибиторов нитрификации
55 Применение нетрадиционных органических удобрений на черноземе
56 Оценка устойчивости микробного комплекса чернозема в агроэкосистемах и выбор параметров микробиомониторинга,
ГЛАВА VI БИОДИНАМИКА ТЕХНОГЕННО-ИЗМЕНЕННОГО
ЧЕРНОЗЕМА
61 Микробиомониторинг чернозема при воздействии авто- и авиатранспорта на почву
611 Нарушение структуры микробного сообщества почвы в зоне влияния Воронежского аэропорта
612 Оценка структурных и функциональных нарушений микробного сообщества чернозема в зоне влияния автомагистрали "Дон"
62 Биомониторинг почвы в урбанэкосистемах на примере г Воронежа
621 Биодинамика, биологическая активность и эколого-трофическая структура микробного сообщества почвы различных городских зон
622 Оценка нарушения видовой структуры мицелиальных микроорганизмов урбаноземов
623 Фитотоксические свойства почвы в урбанэкосистемах
63 Реакция микробного сообщества чернозема на уровень техногенного воздействия и выбор параметров микробиомониторинга
ГЛАВА VII МИКРОФЛОРА ЧЕРНОЗЕМА - ГЕНОФОНД ПРОДУЦЕНТОВ
ФЕРМЕНТОВ ДЛЯ ПРОМЫШЛЕННОЙ БИОТЕХНОЛОГИИ
71 Скрининг микромицетов чернозема - продуцентов целлюлаз
72 Оптимизация культивирования Aspergillus terreus
721 Влияние компонентов питательной среды и условий культивирования на биосинтез целлюлаз Aterreus
722 Динамика роста и продуктивности культуры
73 Механизмы регуляции и секреции целлюлаз у Aterreus
731 Биосинтез целлюлаз Aterreus в ростовых условиях
732 Индукция целлюлаз и ингибиторный анализ процесса в неростовых условиях
733 Механизмы секреции целлюлаз у A terreus
74 Модель регуляции биосинтеза целлюлаз микромицетами чернозема и критерии оценки продуцентов ферментов
Введение:
Актуальность работы. Современный этап экологических исследований почвенной микрофлоры характеризуется изучением почвенных микроорганизмов (МО) с позиций системного подхода как звена биогеоценозов, участвующего в процессах превращения вещества и энергии. Ставятся задачи вскрыть причины и направленность сукцессионных изменений почвенной микрофлоры, трофические и иные связи МО друг с другом в процессе использования субстрата, а также взаимоотношения почвенных МО с другими компонентами биогеоценозов (растениями, животными).
Существенное место в экологических исследованиях занимают работы по изучению гетеротрофного блока почвенной микрофлоры и интенсивности минерализации МО органических веществ в почве, в первую очередь растительного опада, как в целом, так и его компонентов. Важный вопрос почвенной экологии составляет изучение синтеза и распада гумусовых веществ и роли МО в этом процессе. Изучение структуры микробного сообщества (МСО) и почвенной биодинамики, в которой отражаются эдафические условия и состояние системы почва - МО - растения приобретает все большее значение в связи с биологизацией сельского хозяйства и развитием почвенной биотехнологии.
Изучение микрофлоры почвы как показателя почвенных условий (микробио-мониторинг почвы) важно в антропогенных экосистемах, где начинается сукцессия почвенных МО, определяемая видом и степенью антропогенной нагрузки. Данные о структуре МСО почвы разрознены, исследуют биодинамику разных групп МО в разных природных зонах, не учитывая последействие факторов. Большинство работ выполнено на дерново-подзолистых почвах, считается, что черноземы как высокобуферные почвы значительно более устойчивы к антропогенной нагрузке. Количественные критерии для оценки нарушений структуры МСО и сравнения естественных и антропогенно измененных почв используются, в основном, в модельных экспериментах.
Необходимо установить зоны гомеостаза почв разных типов в естественных условиях, оценить биоразнообразие и устойчивость почвы в различных экосистемах, выяснить направленность сукцессий МСО почвы при действии разных стрессоров, разработать меры по поддержанию плодородия. До сих пор нет четких представлений о механизмах происходящих сукцессий МСО почвы в антропогенных экосистемах и их экологическом значении. В работах ряда авторов установлены однотипные перестройки МСО почвы в различных антропогенных экосистемах, значительно возрастает и сходство антропогенно-измененных почв разных типов. Непонятной остается причина резкого роста фитотоксичности почвы при антропогенном воздействии.
Специальный и новый вопрос представляет изучение продукции почвенными МО биологически-активных веществ (антибиотиков, токсинов, ферментов). Регуляция биосинтеза вторичных метаболитов изучается в чистых культурах МО, их влияние структуру МСО почвы, развитие растений и здоровье человека практически не исследованы.
Почва обладает наибольшим генофондом МО, выделение из почвы новых перспективных продуцентов биологически-активных веществ (ферментных препаратов, средств защиты растений) актуально для промышленной биотехнологии.
Целью работы являлось изучение структуры и биодинамики микробного сообщества чернозема в природных и антропогенных экосистемах лесостепной зоны Европейской части России.
Основные направления исследований:
1. Характеристика и выявление зональных особенностей эколого-трофической и таксономической структуры и динамики микробного сообщества чернозема в природных экосистемах.
2. Оценка нарушения биодинамики микробного сообщества чернозема в антропогенных экосистемах с разными типами и уровнями arpo- и техногенной нагрузки и их экологических последствий.
3. Выяснение направленности сукцессий микробное сообщество чернозема в различных экосистемах на основе изучения аутэкологических характеристик экоти-пов почвенных микроорганизмов и их синэкологических связей.
4. Выбор информативных параметров и оптимальных сроков микробиомони-торинга черноземных почв для сельскохозяйственной биотехнологии и охраны окружающей среды и здоровья людей.
5. Оценка генофонда микромицетов чернозема-продуцентов гидролаз и скрининг активных штаммов для промышленной биотехнологии.
Научная новизна. Впервые проведены комплексные исследования биодинамики МСО чернозема выщелоченного лесостепной зоны Европейской части России в природных и антропогенных экосистем. Показана перспективность микробиомо-ниторинга высокобуферных черноземов, т.к. нарушения МСО пропорциональны типу и уровню антропогенной нагрузки.
Установлены нарушения МСО чернозема под влиянием техногенной нагрузки, которые хорошо коррелируют с накоплением поллютантов, при этом чувствительность микробиомониторинга значительно превышает ПДК. При агроэкологиче-ском микробиомониторинге изменение МСО как быстрый ответ на нарушение почвенного гомеостаза позволяет диагностировать неблагоприятные тенденции раньше, чем они проявляются в изменении физико-химических свойств.
Выявлены информативные параметры для микробиомониторинга чернозема: нарушение эколого-трофической и таксономической структуры, показатели биологической активности почвы, индикаторные виды мицелиальных МО для разных типов антропогенной нагрузки.
На основе количественных синэкологических критериев и моделей рангового распределения видов по обилию выявлены особенности структуры комплексов мик-ромицетов и актиномицетов чернозема в разных типах экосистем. Оценены изменения МСО в полевых условиях и сделаны обобщения об их соответствии предложенным для модельных экспериментов адаптивным зонам реакции МСО на стрессовые воздействия. Обнаружено усиление информационных функций почвы в антропогенных экосистемах, что проявляется в разнообразных эффектах действия нескольких экологических стрессоров на МСО.
Исследованы механизмы грибных сукцессий в черноземе различных экосистем на основе изучения аутэкологических характеристик экотипов и их синэкологических связей. Впервые выявлен феномен усиления специфического "метаболического регулирования" структуры МСО почвы в антропогенных экосистемах, основанный на стимуляции биосинтеза токсинов грибами в условиях лимитирования и/или ингибирования скорости роста, что приводит к доминированию видов с широким спектром антибиотического, фунгицидного, фито- и зоотоксического действия.
Для чернозема выявлены различные причины развития фитотоксикоза: развитие фитопатогенов, накопление микотоксинов и аллелопатически-активных веществ растений, токсичных ксенобиотиков и продуктов деградации гумуса.
В почве г. Воронежа обнаружено нарушение эколого-географической зональности распределения видов грибов. Непосредственно в урбаноземах показана возможность интродукции более южных ксерофильных и термотолерантных токсиген-ных видов. Впервые показано, что не только в мегаполисах, но и в техногенно-измененных почвах крупного промышленного центра ЦЧЗ происходит накопление токсигенных, условно-патогенных и аллергенных видов грибов, что представляет санитарно-гигиеническую опасность для здоровья людей.
Разработана концепция взаимодействия системы почва - МО — растения — животные — человек в антропогенных экосистемах
Впервые на основе направленного скрининга МО чернозема выделены мик-ромицеты-продуценты гидролитических ферментов. Показано, что аборигенные штаммы микромицетов чернозема могут использоваться в промышленной биотехнологии. Приоритет подтвержден тремя авторскими свидетельствами. На основании изучения механизмов регуляции синтеза и секреции ферментов продуктивность культур повышена до уровня лучших зарубежных продуцентов.
Практическая значимость работы. Исследования нарушений МСО чернозема лесостепной зоны в антропогенных экосистемах имеют большое значение для решения региональных экологических проблем, сохранения биоразнообразия почвенной микрофлоры, рационального природопользования, охраны природы и здоровья людей. Наиболее простые, дешевые и информативные показатели могут использоваться для мониторинга почв Центрального Черноземья. Данные микробиомони-торинга почв могут использоваться для картирования, оценки и отчуждения разных категорий земель.
Агроэкологический микробиомониторинг может использоваться при разработке агрономических и агротехнических мероприятий (научно-обоснованных для зоны севооборотов, мелиорации, новых способов внесения минеральных удобрений, применение нетрадиционных органических удобрений). Полученные в работе данные необходимо учитывать в сельскохозяйственной биотехнологии при разработке альтернативных приемов биологизации земледелия. Результаты микробиомонито-ринга урбаноземов позволяют рекомендовать мероприятия по озеленению городов.
Впервые привлечено внимание к необходимости комплексного экологического и санитарно-гигиенического мониторинга техногенно-измененного чернозема, а также контроля растительной продукции, выращенной на почвах с высокой техногенной нагрузкой, в связи с возможным поступлением микотоксинов в организм человека. Накопление условно-патогенных и аллергенных видов грибов в почве урба-нэкосистем опасно для городского населения с пониженным иммунным статусом, особенно для людей с хроническими заболеваниями, на фоне нерациональной анти-биотико-, иммуно- и химиотерапии.
Полученные в работе данные о видовом составе и ходе сукцессий мицелиаль-ных МО чернозема в различных экосистемах позволяют проводить целенаправленный поиск штаммов конкретных экологических групп для промышленной биотехнологии. Изучение гидролитической активности изолятов позволило предложить ряд продуцентов ферментных препаратов. Изучение аутэкологических свойств изолятов и синэкологических взаимодействий МО друг с другом и с растениями выявило ряд видов, перспективных для создания микробных препаратов — средств защиты растений от фитопатогенов.
Реализация результатов. Проведена оценка зоны отчуждения из сельскохозяйственного использования почвы вблизи автомагистрали федерального значения "Дон" (А4) в зависимости типа придорожных экосистем, элементов рельефа, интенсивности движения автотранспорта. Оценены категории земель г. Воронежа по степени нарушенности МСО урбаноземов и выделены санитарно-опасные зоны.
Создана коллекция почвенных МО, которая включает изоляты из различных эколого-трофических групп, продуценты целлюлаз, протеаз, амилаз, микотоксинов, антибиотиков, фунгицидов. Культуры из коллекции используются в учебном процессе и в научной работе на кафедре биологии растений и микробиологии ВГПУ.
Получены 3 авторских свидетельства на штаммы грибов-продуцентов отдельных компонентов целлюлаз, сбалансированного комплекса целлюлаз, микробной биомассы и ферментов на целлюлозных отходах. Продуценты внедрены в производство в секторе биосинтеза ферментов Института биохимии и физиологии микроорганизмов РАН.
Результаты исследований используются в учебном процессе в курсах "Микробиология", "Биотехнология", "Биологические основы сельского хозяйства" на естественно-географическом факультете ВГПУ.
Основные защищаемые положения.
1. В природных экосистемах микробное сообщество чернозема лесостепи характеризуется высоким биоразнообразием и устойчивостью, напряженными мине-рализационно-иммобилизационными процессами, активной фиксацией азота, что определяет высокое плодородие почвы. Основным механизмом микробных сукцес-сий являются трофические взаимодействия.
2. В антропогенных экосистемах микробное сообщество чернозема находится в стрессовом состоянии: на фоне повышения биогенности снижается эффективность катаболизма микроорганизмов, азотфиксирующая активность, иммобилизация азота в микробной биомассе, возрастает фитотоксикоз почвы, усиливается дегумифика-ция. Это ведет к нарушению циклов превращения биогенных элементов и прогрессивной деградации почвы.
3. В черноземе антропогенных экосистем снижается биоразнообразие мице-лиальных почвенных микроорганизмов; в условиях агрогенной нагрузки изменения комплексов актиномицетов и микромицетов обратимы и соответствуют адаптивной зоне "стресса", в условиях техногенной нагрузки наблюдается необратимый переход комплекса микромицетов в адаптивную зону "резистентности".
4. В антропогенных экосистемах при действии нескольких экологических стрессоров усиливается проявление информационной функции почвы (сигнальной, регуляторной, "памяти").
5. Впервые на примере грибных сукцессий разработана концепция, объясняющая биодинамику микробного сообщества в почве антропогенных экосистем: усиление «метаболического регулирования» путем биосинтеза токсинов в условиях лимитирования и/или ингибирования роста, что ведет к доминированию медленно растущих токсигенных видов с широким спектром антибиотического, фунгицидно-го, фито- и зоотоксического действия.
6. В почве урбанэкосистем накапливаются виды с токсигенными, условно-патогенными и аллергенными свойствами, что представляет собой санитарно-гигиеническую опасность и требует комплексного экологического мониторинга для охраны окружающей среды и здоровья людей.
7. Определены оптимальные сроки и информативные параметры микробио-мониторинга чернозема. Выявлены индикаторные виды грибов и актиномицетов для разных типов антропогенной нагрузки.
8. Богатый генофонд микрофлоры чернозема включает высокоактивные продуценты внеклеточных гидролитических ферментов. Активность целлюлаз выделенных путем направленного скрининга экотипов микромицетов чернозема в оптимизированных условиях синтеза и секреции не уступает лучшим зарубежным штаммам.
Апробация работы. Результаты исследований представлены на Всесоюзных конференциях: "Биоконверсия растительного сырья" (Рига, 1982), "Химия и биохимия углеводов" (Пущино, 1982), "Термофильные микроорганизмы в природе и практике народного хозяйства" (Москва, 1983), VIII съезде ВМО (Алма-Ата, 1985), "Состояние и перспективы мало- и безотходной технологии использования вторичных ресурсов" (Тбилиси, 1985), "Биодинамика почв" (Таллинн, 1988), "Биосинтез ферментов микроорганизмами" (Ташкент, 1988), VIII съезде почвоведов (Новосибирск, 1989), "Микроорганизмы - стимуляторы и ингибиторы роста растений и животных" (Ташкент, 1989), "Фитонциды. Бактериальные болезни растений" (Львов, 1990), "Применение ингибиторов нитрификации для повышения эффективности азотных удобрений" (Самарканд, 1990), "Биология почв антропогенных ландшафтов" (Днепропетровск, 1991), на Всероссийских конференциях: "Интенсивное земледелие и охрана окружающей среды" (Волгоград, 1988), "Микроорганизмы почвы и земледелие" (С.-Петербург, 1998), "Сельскохозяйственная микробиология в 19-21 вв." (С.Петербург, 2001), на Международных конференциях: III симпозиум соцстран по биотехнологии (Братислава, 1982), советско-финском симпозиуме "Byconversion of plant raw materials by microorganisms" (Хельсинки, 1983),"Проблемы сельскохозяйственного производства и пути их решения" (Белгород, 1999), "Экология и жизнь -2000" (Великий Новгород, 2000), "Проблемы изучения и охраны биоразнообразия и природных ландшафтов Европы" (Пенза, 2001), "Человек и окружающая природная среда - проблемы взаимодействия (Пенза, 2001), "Приспособления организмов к действию экстремальных экологических факторов" (Белгород, 2002), "Теория и методы экономической оценки, оптимизации и воспроизводства земельных ресурсов (Киев, 2002), XI International Society for Molecular Plant - Microbe Interaction" (St.
Ре1егЫщ*, 2003), "Модели и технологии оптимизации земледелия" (Курск, 2003), "Современные проблемы загрязнения почв" (Москва, 2004), "Благополучная среда обитания - залог здоровья населения" (Воронеж, 2004), "Региональные гигиенические проблемы и стратегия охраны здоровья населения" (Ст. Оскол, 2004), "Черноземы Центральной России: генезис, география, эволюция" (Воронеж, 2004), VII ме-ждунар. чтениях памяти В.В. Станчинского (Смоленск, 2004).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 94 научные работы, в том числе 1 монография, 27 статей в центральной печати, 30 статей в межвузовских сборниках и материалах Международных, Всесоюзных и Всероссийских конференций, 5 статей в иностранных изданиях. По материалам диссертации получены 3 авторских свидетельства. Остальные публикации - тезисы съездов микробиологического общества, общества почвоведов, конференций разного уровня.
Личный вклад автора заключается в формулировании проблемы, постановке целей и задач работы, выборе методов исследования, выполнении экспериментальной работы, обобщении и интерпретации полученных результатов, подготовке научных публикаций. Автор участвовал в сборе основной части полевого материала. Основу работы составляют материалы более чем 25-летних исследований автора. В работе участвовали аспиранты и студенты, проводившие исследования под руководством автора. Все работы, выполненные совместно с другими специалистами, опубликованы.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 479 страницах текста, иллюстрирована 149 таблицами, 54 рисунками, содержит 84 приложения. Диссертация состоит их введения, главы "Состояние проблемы", главы "Объекты и методы исследования", пяти экспериментальных глав, заключения и выводов. Список литературы включает 840 работ, в том числе 290 на иностранных языках.
|
