Влияние разных способов стерилизации на биологическую активность почв

Для изучения биохимических  свойств почвы были использованы следующие методы:

1. А.Ш.Галстяна (1978) для определения активности каталазы, которая катализирует реакцию разложения перекиси водорода с образованием воды и молекулярного кислорода. Каталаза широко распространена в клетках живых организмов, высокую каталазную активность проявляют также почвы. Роль каталазы заключается в том, что она разрушает ядовитую для организмов перекись водорода.
2. А.Ш.Галстяна (1982) для определения активности дегидрогеназы, которая катализирует окислительно-восстановительные реакции путем дегидрирования органических веществ.

Комплексное исследование микробоценозапочв включало определение численности жизнеспособных микроорганизмов различных эколого-трофических групп методом посева соответствующих разведений (2;3;5) на элективные среды: бактерий - на мясо-пептонномагаре, микромицетов - на среде Чапека.

 

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

1. Влияние физических и химических факторов стерилизации на численность почвенных микроорганизмов

 

Одним из основных почвенных  компонентов, реагирующих на температурное  воздействие, являются микробоценозы, что проявляется в изменении  структуры и функциональной активности (Сорокин, 1983).

Температура может влиять на почвенные микробные популяции  и видовой состав в зависимости  от интенсивности, максимальных температур, от типа почвы и увлажнения, а  так же продолжительности воздействия.

Влияние прогревания среды  на микроорганизмы многосторонне, особенно в такой гетерогенной среде как  почва. Обычно, при прогревании почвы  количество микроорганизмов в ней  в первое время уменьшается. Незначительные различия в популяции почвенных  микроорганизмов до и сразу после  прогревания могут быть объяснены  относительно низкими температурами  почвы.

Температура свыше 127°С стерилизует  почву, а воздействие 70°С убивает  неспорообразующие грибы и некоторые  бактерии, актиномицетов, но практически  не влияет на спорообразующие бактерии и грибы (Bacillusspp., Clostridium.

Большое значение при этом имеет влага: увлажнение почвы оказывает  благоприятное действие на повторный  засев и увеличение популяций  микроорганизмов.

На скорость восстановления микробоценозов почв после воздействия  высоких температур влияет удаление или сокращение источников органики, изменение качественного состава  органических субстратов, физико-химических и гидротермических свойств почв (Fritze, Pietikainen, 1993; Pietikainen, Fritze, 1993, 1995; Nearly, 1999; Certini, 2005).

Деструкция органического  вещества усиливается при повышении  температуры (Schnitzereta, 1991).

Термическая обработка при  свыше 105°С (термошок) приводит соответственно к среднему и сильному нарушению устойчивости микробного сообщества почвы. При термошоке необратимо теряется 41% микробной биомассы.

Исследованиями Е.В. Благодатской с соавторами (2002) показано, что в  микробном сообществе, сформировавшемся после термического шока, может превалировать  г-стратегия, характерная для менее устойчивых местообитаний.

При изменении экологической  ситуации смена доминирующей экологической  стратегии микробного сообщества почвы  является механизмом адаптации почвенных  микроорганизмов к новым условиям. Воздействие высоких температур почв приводит к разрушению микробных  клеток и высвобождению из них  органических веществ (Ананьева и др., 1997; Благодатская и др., 2002; Лебедянцев, 1960; Bottner, 1985; Cortez, 1989; vanGinkeletal., 1994).

Все исследуемые способы стерилизации однозначно оказали ингибирующий эффект на численность почвенных микроорганизмов чернозема обыкновенного.

По степени ингибирования  почвенных микроорганизмов исследуемые  способы стерилизации можно расположить  в следующем ряду: t180⁰C>хлороформ>антибиотики>тиндализация (рис.1).

Наиболее чувствительными  к действию исследуемых факторов оказались бактерии. При этом нагревание почвы при 180⁰C в течение 3-х часов подавляло численность бактерий значительнее, чем фумигация хлороформом и антибиотиками, которые в свою очередь оказали наиболее сильный подавляющий эффект на численность грибов чернозема обыкновенного.

Таким образом, термические  факторы наиболее эффективны в отношении  бактерий, а фумигация хлороформом  и антибиотиками в отношении  грибов чернозема обыкновенного.

 

Рис.1. Влияние разных способов стерилизации на численность почвенных микроорганизмов чернозема обыкновенного

 

При исследовании влияния  термической обработки и фумигации  хлороформом на численность микроорганизмов каштановой почвы, установлено ингибирование всех исследуемых образцов (рис.2). Нагревание почвы при 180⁰C в течение 3-х часов подавляло численность бактерий и грибов значительнее, нежели действие хлороформа. Так же как и в черноземе обыкновенном, хлороформ оказался наиболее эффективен в отношении грибов, а термическая обработка в отношении бактерий.

 Исследуемые способы  стерилизации оказали наиболее  сильное подавляющее воздействие  на микрофлору каштановой почвы,  нежели чернозема обыкновенного,  что в свою очередь обусловлено  свойствами самих почв. Экологически каштановые почвы абсолютные поглотители и накопители загрязняющих веществ (тяжелые металлы, радионуклиды, пестициды и другие) при суглинистом и глинистом гранулометрическом составе, так как глубина промачивания является барьером, препятствующим миграции веществ в ландшафтной среде (Вальков, Казеев, Колесников, 2008).

 

Рис.2. Влияние термической обработки и фумигации хлороформом на численность почвенных микроорганизмов каштановой почвы

 

При помощи качественной идентификации  установили, что разнообразие штаммов уменьшается в ряду нестерильная почва - стерилизация парами хлороформа - стерилизация температурой. И если пары хлороформа незначительно понижали разнообразие, то воздействие температуры выдерживал только род Micrococcus (табл.1).

Подобная закономерность выявлена и при изучении грибов. В варианте чернозема, подверженном температурному воздействию, обнаружен только р.Mucor, в то время как в таком же образце каштановой почвы р. Trichoderma (табл.2).

В почве  М.Х. Оразовой (1996) в ходе микробной  сукцессии обнаружено 42 вида микромицетов (при однократном анализе удалось  выделить всего 17 видов). В первую очередь  это представители родов Penicillium, Fuzarium, Mucor, Trichoderma. В начале сукцессии доминируют P. nigricans, P. simplicissimum, F. solani. В ходе сукцессии возрастает численность быстрорастущих видов. Т. coningii, Т. harsianum. В ризосфере гороха и ячменя выделено 32 вида грибов. В ризосфере и ризоплане по сравнению с почвой снижается видовое разнообразие грибов, особенно рода Penicillium, и возрастает доля грибов рода Fuzarium.

Таблица 1

Качественная идентификация  микроорганизмовчернозема обыкновенного, подверженного термической обработке и фумигации хлороформом

	Контроль	t 1800С	Хлороформ
Бактерии	Bacillus sp.* Bacillus mycoides* Pseudomonas Cytophaga* Micrococcus	Micrococcus* Bacillus sp. (2 штамма)	Bacillus sp. Pseudomonas Micrococcus*
	Примечания
	большинство бациллярных  форм	выражена пигментация  колоний кокков, бациллы в минимальном  количестве	большинство кокков
Грибы	Aspergillus * Penicillum Mucor Trichoderma	Mucor*	Mycogone* Penicillum
	Примечания (пигменты)
	черный *, оранжевый *, белый, серый	желтый *, зеленый	зеленый *, черный

*Доминантный род

Таблица 2

Качественная идентификация  микроорганизмов каштановой почвы, подверженной термической обработке и фумигации хлороформом

	Контроль	t 1800С	Хлороформ
Бактерии	Bacillus sp. Bacillus mycoides Pseudomonas* Cytophaga Micrococcus	Micrococcus (2 штамма)	Bacillus sp. Bacillus mycoides Pseudomonas* Cytophaga Micrococcus
	Примечания
	большинство псевдомонад	выражена пигментация  колоний кокков	большинство псевдомонад, характерно угнетение общего количества
Грибы	Aspergillus Penicillum * Mucor	Trichoderma	Mucor
	Примечания (пигменты)
	черный, белый	желтый, зеленый	желтый, белый

*Доминантный род

2. Влияние физических и химических факторов стерилизации на ферментативную активность почв

 

Обеспеченность растений доступными питательными веществами в  значительной степени связана с  ферментативной активностью почв. В  почвенных исследованиях достаточное  внимание уделяется катализаторам  многих процессов трансформации  органических и минеральных веществ. Такие ферменты как уреаза, дегидрогеназа, каталаза, фосфатаза, инвертаза способны сохранять устойчивость в случае, когда окружающие условия неблагоприятны для жизнедеятельности растений и микроорганизмов (Корягин и  др., 2001).

 Многие почвенные ферменты  обладают большой термоустойчивостью и разрушаются лишь при температурах, превышающих 100°С.

Инвертазы, каталазы, уреазы проявляют относительную термоустойчивость  при нагревании почвы при 100°С. Активность фосфатазы и дегидрогеназы менее  устойчива, по сравнению с инвертазой, каталазой и уреазой, к действию нагревания. Каталаза обладает высокойтермостабильностью, активность дегидрогеназы и уреазы возрастает после 3-х часового нагревания образцов из некоторых горизонтов профиля.

Таким образом, высокие температуры  изменяют органическое вещество почв, количество микробной биомассы и  устойчивость микробных сообществ, ферментативная активность относительно устойчива при нагревании почвы  до 100°С, но полностью инактивируются и денатурируются при более высоких  температурах.

Исследована устойчивость ферментов  класса гидролаз к действию разных способов стерилизации. По степени  ингибирования каталазной активности чернозема, способы стерилизации располагаются  в ряду: t180⁰C> антибиотики > тиндализация> хлороформ.

Таким образом температура  и антибиотики оказали наибольшее влияние на активность каталазы, чем  пары хлороформа (рис.3).

Рис. 3. Влияние разных способов стерилизации на каталазную активность чернозема обыкновенного

 

По степени ингибирования дегидрогеназной активности чернозема, способы стерилизации располагаются в ряду: t180⁰C> тиндализация> хлороформ> антибиотики. Дегидрогеназа оказалась менее устойчива к действию всех исследуемых способов стерилизации, нежели каталаза (рис.3,4).

 

Рис. 4. Влияние разных способов стерилизации на дегидрогеназную активность чернозема обыкновенного

При исследовании устойчивости ферментов каштановой почвы установлено, что активность каталазы подавляется  в меньшей степени парами хлороформа, чем воздействием температуры. Такая же тенденция наметилась и при исследовании активности дегидрогеназы (рис.5).

 

Рис. 5. Влияние разных способов стерилизации на ферментативную активность каштановой почвы

3. Влияние стерилизации на рост и развитие растений

 

Наиболее эффективными в  отношении микроорганизмов и  ферментов оказались температура 180⁰С и фумигация хлороформом. Образцы почв, стерилизованные данными способами, были засажены озимой пшеницей (сорт «Зерногрядка 11), для исследования влияния стерилизации на рост и развитие растений, а так же биологической активности почв.

После окончания вегетации  была измерена средняя высота растений (см) и фитомасса надземной части (г). У растений, произраставших на каштановой почве максимальные показатели были выше, чем на черноземе (рис.6,7). Так же был замечен самозасевмикромицетов в почвенные образцы с растениями, которые подвергались стерилизации. Влажность почв варьировала от 8 до 34%. Реакция среды в черноземе была слабощелочной, а в каштановой почве слабокислой.