сотрудник с 01.01.2007 по настоящее время
Красноярск, Красноярский край, Россия
Россия
сотрудник с 01.01.1993 по 01.01.2026
Красноярск г.
Цель исследования – оценка структуры микробных сообществ агрочерноземов Красноярской лесостепи на опытных полях учхоза «Миндерлинское» ФГБОУ ВО Красноярский ГАУ и Мининского полевого стационара КрасНИИСХ ФИЦ КНЦ СО РАН. Исследование почвенной микрофлоры проводили в вегетационный период 2020 г. Анализ микробиологических показателей образцов почвы проводили общепринятыми методами. Оценивали количественные показатели эколого-трофических групп микроорганизмов: копиотрофов – на мясопептонном агаре, прототрофов – на крахмало-аммиачном агаре, олиготрофов – на почвенном агаре, азотфиксаторов и олигонитрофилов – на агаре Эшби. Рассчитывали коэффициенты минерализации и олиготрофности. Численность почвенных микромицетов определяли на картофельно-декстрозном агаре. Посев почвенных суспензий производили в трехкратной повторности из разведений до 106. Идентификацию микромицетов проводили на основании морфологических признаков. Идентификацию чистых культур доминирующих бактерий проводили методом времяпролетной масс-спектрометрии с использованием масс-спектрометра MALDI-TOF MS Microflex. Установлены высокие значения коэффициентов минерализации и олиготрофности для почв учхоза «Миндерлинское» – 1,85±0,05 и 0,94±0,02 и низкие значения для почв Мининского стационара – 2,30±0,01 и 0,82±0,03 соответственно. Выделены и идентифицированы виды бактерий, доминирующие в течение полевого сезона в районах с различными агрохимическими характеристиками почвы. Установлены различия в таксономическом составе микробных сообществ в районах исследования: в почвах учхоза «Миндерлинское» преобладали виды рода Bacillus (B. simplex, B. marisflavi и B. pumilus), в почвах Мининского полевого стационара доминировали Pseudomonas mandelii, Bacillus safensis, Rhodococcus erythropolis, Arthrobacter polychromogenes и Arthrobacter parietis. Присутствие в микробных популяциях видов, описанных ранее как деструкторы полиароматических углеводородов, полигидроксиалканоатов и других органических соединений, указывает на высокий деградационный потенциал агрогенных почв. Среди популяции микромицетов во всех почвенных пробах в течение полевого сезона доминировали виды рода Penicillium. Показано, что почвы учхоза «Миндерлинское» обладают высоким уровнем суппрессивности, благодаря большой популяции грибов рода Trichoderma, сдерживающей развитие фитопатогенных микромицетов Alternaria и Fusarium.
почвенные микроорганизмы, агроценозы, динамика численности, структура микробных сообществ, фитопатогенные грибы, бактерии-деструкторы.
Введение. Агроэкосистемы испытывают значительный антропогенный прессинг, негативно отражающийся на плодородии почв и состоянии почвенной биоты. Микробные сообщества почвы играют ключевую роль в функционировании агроэкосистем, оказывая влияние на качество почвы, доступность питательных веществ и развитие растений, а также осуществляют трансформацию пестицидов и иных поллютантов, инактивируя их или используя в качестве питательных субстратов. Между тем избыточные концентрации пестицидов в агрогенных почвах могут оказывать негативное воздействие на микроорганизмы, снижая их ферментативную активность, что в сочетании со слабой биодеградируемостью пестицидов может представлять серьезный риск для окружающей среды и здоровья человека
[1–3]. Несмотря на высокую специфичность современных пестицидов, невозможно полностью избежать отрицательного воздействия на нецелевые объекты, так как механизмы действия этих препаратов основаны на нарушении биосинтетических процессов и затрагивают важные клеточные функции [4, 5]. Длительное применение агрохимикатов приводит к значительному снижению численности и видового разнообразия почвенных микроорганизмов [6], а это в свою очередь нарушает процессы почвообразования, снижает продуктивность почвы и ее деградационный потенциал не только в отношении пестицидов, но и в отношении разнообразных полимерных материалов, которые широко применяются в сельском хозяйстве в качестве укрывного и мульчирующего материала, тары и упаковки, полива и орошения, основы для депонирования удобрений и пестицидов и т. д. [7, 8].
Существующая проблема загрязнения почв неразрушаемыми пластиками ведет к необходимости перехода на биодеградируемые материалы, трансформирующиеся в почве под действием микроорганизмов в безопасные вещества, нетоксичные для биоты. В качестве альтернативы рассматривается целый ряд биополимеров – полилактид, целлюлоза, агароза, крахмал, хитозан, полигликолид, полигидроксиалканоаты и пр. [9–12]. Среди широкого спектра биополимеров полигидроксиалканоаты (ПГА) обладают рядом преимуществ – способны к полной деградации в почве под действием микробных ферментов, не угнетают развитие почвенной биоты и растений, совместимы со многими агропрепаратами. Также ПГА оказывают селективное действие на почвенную микрофлору в сторону увеличения видового разнообразия бактерий – деструкторов, обладающих способностью к биодеградации труднодоступных органических соединений (углеводородов, ксенобиотиков), и усиливают таким образом биодеградационный потенциал почв [12].
Высокая антропогенная нагрузка на агроэкосистемы может негативно повлиять на структуру микробного сообщества, поэтому важно учитывать этот фактор при оценке метаболического потенциала агрогенных почв.
Цель исследования: оценка структуры микробных сообществ агрочерноземов Красноярской лесостепи на опытных полях учхоза «Миндерлинское» ФГБОУ ВО Красноярский ГАУ и Мининского полевого стационара КрасНИИСХ ФИЦ КНЦ СО РАН.
Объект и методы исследования. Исследование почвенной микрофлоры проводили в вегетационный период 2020 г. на опытных участках учхоза «Миндерлинское» ФГБОУ ВО «Красноярский государственный аграрный университет» (п. Борск, Сухобузимский район, Красноярский край) и Мининского полевого стационара Красноярского НИИСХ ФИЦ КНЦ СО РАН (д. Минино, Емельяновский район, Красноярский край). Агрохимические показатели почвы исследуемых участков представлены в таблице 1. Вегетационный сезон 2020 г. характеризовался как теплый, с высокой среднесуточной температурой в начале вегетационного периода (табл. 2).
Таблица 1
Характеристика почвы в районах исследования (0–20 см)
|
Показатель |
Учхоз «Миндерлинское» |
Мининский стационар |
|
Тип почвы |
Чернозем выщелоченный, среднемощный, легкоглинистый |
Чернозем обыкновенный, маломощный, среднесуглинистый |
|
Содержание гумуса |
6,6–7,2 |
8,4–8,7 |
|
рНH2O |
6,9–7,5 |
7,1–7,8 |
|
Сумма поглощенных оснований, моль/100 г |
51,5–63,5 |
40,0–45,5 |
|
Азот нитратный, мг/кг |
4,5–4,9 |
7,6–19,3 |
|
Подвижный фосфор, мг/кг |
161,3–190,3 |
49–53 |
|
Обменный калий, мг/кг |
270,3–311,7 |
214,0–269,0 |
|
Запасы продуктивной влаги, мм |
43,8 |
32,3 |
Таблица 2
Показатели температуры и количества осадков
вегетационного сезона 2020 г.
|
Месяц |
Средняя температура воздуха, °С |
Среднемноголетние показатели температуры воздуха, °С |
Сумма осадков за месяц, мм |
Среднемноголетний уровень осадков, мм |
|
Мининский стационар |
||||
|
Май |
14,0 |
9,8 |
93 |
37,4 |
|
Июнь |
15,7 |
18,0 |
94 |
63 |
|
Июль |
18,2 |
19,0 |
111,3 |
76 |
|
Август |
18,1 |
15,7 |
76,9 |
67 |
|
Учхоз «Миндерлинское» |
||||
|
Май |
14,0 |
8,0 |
52,0 |
32,0 |
|
Июнь |
16,3 |
15,2 |
103,0 |
44,0 |
|
Июль |
19,6 |
18,4 |
58,0 |
69,0 |
|
Август |
18,1 |
14,9 |
52,0 |
62,0 |
Количество осадков в д. Минино с мая по август значительно превышало среднемноголетние показатели. По данным метеостанции «Сухобузимское», максимальная влагообеспеченность была отмечена в мае-июне, тогда как в июле и августе сумма осадков составила 84 % от нормы.
Анализ микробиологических показателей образцов почвы проводили общепринятыми методами [13]. Оценивали количественные показатели эколого-трофических групп микроорганизмов: копиотрофов – на мясопептонном агаре; прототрофов – на крахмало-аммиачном агаре; олиготрофов – на почвенном агаре; азотфиксаторов и олигонитрофилов – на агаре Эшби. Рассчитывали коэффициенты минерализации и олиготрофности. Численность почвенных микромицетов определяли на картофельно-декстрозном агаре. Посев почвенных суспензий производили в трехкратной повторности из разведений до 106. Идентификацию микромицетов проводили на основании морфологических признаков [14]. Идентификацию чистых культур доминирующих бактерий проводили методом времяпролетной масс-спектрометрии с использованием масс-спектрометра MALDI-TOF MS Microflex (Bruker Daltonics, Германия). Статистический анализ проводили с использованием пакетов программ Excel MS Office 2019, R версия 4.0.3 и RStudio версия 1.3.1093.
Результаты исследования и их обсуждение. Исследование микрофлоры почвы на опытных участках, проведенное в начале вегетационного периода (18–19 мая), выявило отличия в количестве и соотношении эколого-трофических групп микроорганизмов. Так, в почве Мининского стационара численность копиотрофов была в 18,8 раза выше, а микромицетов – в 6 раз выше, чем в почве учхоза «Миндерлинское» (табл. 3), в то же время коэффициенты минерализации и олиготрофности не превышали 1,0 ед., что в совокупности с низкой численностью азотфиксаторов указывало на незавершенность процессов минерализации и высокое содержание доступных форм азота. Коэффициенты минерализации и олиготрофности в почве учхоза «Миндерлинское» были высокими и составили в среднем 1,85 и 2,30 ед. соответственно, что свидетельствовало о низком содержании доступных форм азота в почве. Такие показатели согласуются с данными о химическом составе почв обследуемых участков (см. табл. 1).
Таблица 3
Микробиологические показатели почвы опытных участков
|
Показатель |
Район исследования |
|
|
Учхоз «Миндерлинское» |
Мининский стационар |
|
|
Численность бактерий, 106 КОЕ в |
|
|
|
копиотрофы |
12,0±2,4 |
225,6±31,2 |
|
прототрофы |
22,2±4,5 |
212,4±25,8 |
|
олиготрофы |
27,6±5,4 |
186,6±30,6 |
|
азотфиксаторы |
4,0±0,9 |
2,2±0,5 |
|
Численность микромицетов, 103 КОЕ в |
49,2±7,2 |
297,0±66,0 |
|
Коэффициент минерализации, ед. |
1,85±0,05 |
0,94±0,02 |
|
Коэффициент олиготрофности, ед. |
2,30±0,01 |
0,82±0,03 |
В течение вегетационного периода 2020 г. характер флуктуаций численности микроорганизмов на обоих участках в разные месяцы отличался (рис. 1). На Мининском стационаре максимум численности бактериального и грибного сообществ приходился на начало августа, тогда как в почвах учхоза «Миндерлинское» максимум численности бактерий отмечали в конце августа (рис. 1, а), а микромицетов – в конце июня (рис. 1, б). Анализ выявил положительную корреляцию между численностью микромицетов и количеством осадков: коэффициенты корреляции составили 0,7 и 0,9 на участках Мининского стационара и учхоза «Миндерлинское» соответственно. При сравнительном анализе выявлены отличия и в таксономическом составе микробных сообществ. В почвенных образцах учхоза «Миндерлинское» доминировали грамположительные палочки – 76,2 %, из которых чаще всего встречались Bacillus simplex (23,8 %) и Bacillus pumilus (14,3 %). Среди грамотрицательных палочек преобладали Pseudomonas kilonensis (14,3 %). В почвах Мининского стационара грамположительные бактерии были также представлены преимущественно видами рода Bacillus (B. pumilus – 20,5 % и B. safensis – 19,3 %), однако доля грамотрицательных бактерий увеличилась до 45,5 %, в том числе Pseudomonas mandelii (28,4 %). Высокая частота встречаемости видов Bacillus simplex и Pseudomonas spp., среди которых выявляют бактерии – деструкторы полигидроксиалканоатов, указывает на потенциальную способность аборигенной микрофлоры опытных участков к трансформации биополимеров этого класса.
Рис. 1. Динамика численности почвенных бактерий (а) и микромицетов (б)
за вегетационный период 2020 г.
Среди микромицетов на обоих участках были идентифицированы типичные представители. В почвах учхоза «Миндерлинское» доминировали виды рода Penicillium (27,5 %), Trichoderma (17,6 %) и Fusarium 15,7 %. В почвах Мининского стационара на первом месте также был Penicillium (42,6 %), доля видов Trichoderma была незначительная – всего 2,1 %, но на втором месте по численности были виды рода Fusarium (21,3 %), которые в совокупности с представителями рода Alternaria составляли высокий инфекционный фон почвы, достигающий 27,7 %.
Анализ таксономического разнообразия доминирующих представителей микроорганизмов в течение вегетационного периода, проведенный методом главных компонент, показал, что области значений частоты встречаемости разных видов формируют отдельные кластеры, соответствующие двум районам исследования. Такое распределение указывает на достоверные различия в соотношении разных таксонов в почвах обследуемых участков опытных полей (рис. 2). В бактериальном сообществе первые две главные компоненты объясняют 64,34 % дисперсии. Наибольший вклад в первую компоненту вносят виды рода Bacillus (B. simplex, B. marisflavi и B. pumilus), ассоциированные с областью, соответствующей учхозу «Миндерлинское», а противоположный кластер формируют виды P. mandelii, B. safensis, Rhodococcus erythropolis, Arthrobacter polychromogenes и Arthrobacter parietis, распределившиеся в области Мининского стационара (рис. 2, а). Во вторую компоненту вносят наибольший вклад виды Micrococcus luteus, Streptomyces avidinii и Streptomyces badius, одинаково представленные на обоих участках.
Рис. 2. Анализ главных компонент соотношения доминирующих бактерий (а)
и микромицетов (б) в агрочерноземах опытных участков
В сообществе микромицетов первые две компоненты объясняют 65,58 % дисперсии. Большинство таксонов вносят относительно высокий вклад (0,61–0,93) в первую компоненту, за исключением родов Penicillium, Mucor и Mortierella, которые выявляются в большинстве почвенных проб обоих обследуемых участков (см. рис. 2, б). Представители родов Verticillium, Fusarium и Alternaria, проявляющие фитопатогенные свойства, распределились в области Мининского стационара, что может указывать на слабую супрессивность почв, обусловленную небольшой долей естественных видов-антагонистов из рода Trichoderma в сообществе микромицетов, по сравнению с почвой учхоза «Миндерлинское». В то же время в почвах Мининского стационара в течение вегетационного периода обнаруживались виды бактерий R. erythropolis, A. polychromogenes, P. mandelii, обладающие высоким катаболическим потенциалом и участвующие в биоремедиации почв и биотрансформации сложных органических соединений [12].
Выводы. Микробиологический анализ почвы опытных полей учхоза «Миндерлинское» и Мининского стационара, проведенный в течение вегетационного сезона 2020 г., выявил различия в численности микроорганизмов, связанные как с агрохимическими свойствами почвы, так и с погодными условиями сезона.
Почвы учхоза «Миндерлинское» обладают хорошими супрессивными свойствами, благодаря присутствию в популяции большой доли грибов-антагонистов из рода Trichoderma и низкому инфекционному фону фитопатогенных грибов Fusarium и Alternaria. Различия в таксономическом составе почвенных бактерий указывают на высокий потенциал почв Мининского стационара к деградации сложных органических соединений, в том числе полигидроксиалканоатов, так как среди бактерий, обнаруженных в образцах почвы (Bacillus safensis Rhodococcus erythropolis, Arthrobacter polychromogenes, Pseudomonas mandelii), есть виды, ранее описанные как ПГА-деструкторы, а также способные к биотрансформации ароматических углеводородов и ксенобиотиков.
1. Álvarez-Martín A., Hilton S.L., Bending G.D., Rodríguez-Cruz M.S., Sánchez-Martín M.J. Changes in activity and structure of the soil microbial community after application of azoxystrobin or pirimicarb and an organic amendment to an agricultural soil // Appl Soil Ecol. 2016. 106. P. 47–57. DOI: 10.1016/ j.apsoil.2016.05.005.
2. Baćmaga M., Wyszkowska J., Kucharski J. The biochemical activity of soil contaminated with fungicides // J Environ Sci Heal B. 2019. 54(4). P. 252–262. DOI:https://doi.org/10.1080/03601234. 2018.1553908.
3. Алексеева А.А., Фомина Н.В. Оценка воздействия фунгицидов на активность гидролитических почвенных ферментов // Вестник КрасГАУ. 2017. 3. С. 144–153.
4. Meena R.S., Kumar S., Datta R. et al. Impact of agrochemicals on soil microbiota and management: A review // Land. 2020. 9 (2). P. 34. DOI:https://doi.org/10.3390/land9020034.
5. Santísima-Trinidad A.B.L., del Mar Montiel-Rozas M., Diéz-Rojo M.Á., Pascual J.A., Ros M. Impact of foliar fungicides on target and non-target soil microbial communities in cucumber crops // Ecotox Environ Safe. 2018. 166. P. 78–85. DOI:https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2018. 09.074.
6. Baćmaga M., Kucharski J., Wyszkowska J. Microbiological and biochemical properties of soil polluted with a mixture of spiroxamine, tebuconazole, and triadimenol under the cultivation of Triticum aestivum L. // Environ Monit Assess. 2019. 191(7). P. 1–12. DOI: 10.1007/ s10661-019-7539-4.
7. Chen G., Cao L., Cao C. et al. Effective and sustained control of soil-borne plant diseases by biodegradable polyhydroxybutyrate mulch films embedded with fungicide of prothio-conazole // Molecules. 2021. 26 (3). P. 762. DOI:https://doi.org/10.3390/molecules26030762.
8. Алехина Р.А., Славкина В.Э., Лопатина Ю.А. Возможности применения биоразлагаемых полимерных материалов в аграрном секторе // Электротехнологии и электрооборудование в АПК. 2020. № 67 (2). С. 115–120. DOI:https://doi.org/10.22314/2658-4859-2020-67-2-115-120.
9. Rosseto M., Krein D.D., Balbé N.P., Dettmer A. Starch–gelatin film as an alternative to the use of plastics in agriculture: a review // Journal of the Science of Food and Agriculture. 2019. 99 (15). P. 6671–6679. DOI:https://doi.org/10.1002/jsfa.9944.
10. Liu B., Wang Y., Yang F., Wang X., Shen H., Cui H., Wu D. Construction of a controlled-release delivery system for pesticides using biodegradable PLA-based microcapsules // Colloid Surface B. 2016. 144. P. 38–45. DOI:https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2016.03.084.
11. Campos E.V.R., de Oliveira J.L., Fraceto L.F., Singh B. Polysaccharides as safer release systems for agrochemicals // Agron Sustain Dev. 2015. 35 (1). P. 47–66. DOI: 10.1007/ s13593-014-0263-0.
12. Prudnikova S., Streltsova N., Volova T. The effect of the pesticide delivery method on the microbial community of field soil // Environ Sci Pollut Res. 2021. 28 (7). P. 8681–8697. DOI:https://doi.org/10.1007/s11356-020-11228-7.
13. Методы почвенной микробиологии и биохимии / под ред. Д.Г. Звягинцева. М.: Изд-во МГУ, 1991. 302 с.
14. Watanabe T. Pictorial atlas of soil and seed fungi. 2nd edition. CRC Press. 2002. 504 p.
