Ecological status assessment of microbic population from cespitose-podsolic soil basic saprothrophic microbic pool at the Inzensky field diatomite biochemical destruction

Full Text

Введение

Изучение состояния эколого-трофического статуса почвенно-биотического комплекса (ПБК) в условиях воздействия на почвы со стороны различных агротехнических приемов и применения удобрений является ключевой задачей при решении вопросов о степени и направленности трансформации вещества в почвенном теле. В том числе и в условиях внесения в почвы нетрадиционных удобрительных веществ, которым в настоящее время уделяется особое внимание. В частности, к таковым относят природные высококремнистые породы [1–3], которые обладают самыми разными положительными свойствами, но при этом их взаимодействие с твердой фазой почвы и особенно с ее «живой» составляющей пока остается наименее изученным аспектом. Так, было установлено, что некоторые из таких материалов способны изменять направленность трансформации как относительно простых органических веществ [4], так и сложных предгумусовых матриц [5; 6]. В данном случае весьма значимым остается выявление потенциальной способности сапротрофных микроорганизмов к деструкции вещества кремнийсодержащих материалов и, как следствие, отслеживание изменений в экологическом статусе данной микробиоты.

Цель исследования

Целью настоящего исследования явилась оценка потенциальных изменений в бактериальной популяции основных сапротрофов, выделенных из дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы Нижегородской области, при биохимической деструкции диатомовой породы Инзенского месторождения.

Объекты исследования

Объектами исследования явились диатомит Инзенского месторождения (Ульяновская обл.) и две группы сапротрофных микроорганизмов, выделенных из дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы.

Диатомиты представляют собой аморфные кремнийсодержащие породы органического генеза, сформированные из остатков диатомовых водорослей. Диатомиты обладают рядом различных свойств, питательность и каталитическая способность из которых являются наиболее значимыми с точки зрения агрономического почвоведения. Некоторые свойства Инзенской диатомитовой породы отражены в таблице 1 в виде химического состава [7].

 

Таблица 1 – Обобщенный химический состав диатомита Инзенского месторождения

Порода	ИЕ*	Элемент в оксидной форме (на абс.-сух. вещество)
		SiO₂	P₂O₅	K₂O	CaO	MgO
Диатомит	80
– валовая форма, %		83,1	0,05	1,25	0,52	0,48
– подвижная форма, мг/кг		12200	37	350	10	39

Примечание. * – ионообменная емкость, мг-экв./100 г.

 

Материалы и методика исследований

Биохимическое взаимодействие диатомита с бактериальными культурами сапротрофных групп микроорганизмов изучали в серии моделируемых лабораторных экспериментов, проведенных в 2017 году на базе научно-образовательного центра «Биотехнология» и лабораторного комплекса «Эколого-аналитическая лаборатория мониторинга и защиты окружающей среды» Мининского университета.

Накопительную культуру общего комплекса сапротрофных бактерий получали путем засева жидкого варианта стерильного глюкозо-пептонно-дрожжевого агара (ГПДА с разбавлением рецептурного количества агар-агара в 10 раз), а культуру аммонифицирующих бактерий – жидкого варианта стерильного мясопептонного агара (МПА) навеской подготовленной почвы и культивирования бактериальных биомасс в термостате в течение 7 суток при температуре +25…+27°С [8–10].

Затем производили засев испытуемых пород полученными бактериальными комплексами. Опыты ставили в стерильных конических колбах на 100 мл, в которые асептически помещали по 40 мл селективной жидкой питательной среды и по 1,000 ± 0,001 г высушенной кремнийсодержащей породы, после чего полученную систему асептически засевали по 10 мл суспензии 7-ми суточной накопительной культуры выращенных бактериальных комплексов.

Засеянные колбы помещали в термостат и культивировали при +25…+27°С в течение 30 суток; 2 раза в сутки содержимое колб встряхивали в течение 1-го часа на шейкере. Через определенные интервалы времени (на 1, 3, 5, 7, 10, 12, 15, 20, 25 и 30 день культивирования) производили определения микробиологических и биохимических показателей содержимого колб. В системе «порода–культура» определяли численность живых клеток и протеазную ферментативную активность; повторность в опытах четырехкратная.

Определение протеазной активности бактериальной суспензии обеих питательных сред проводили по прописям определения ферментативной активности почвы с переложением методик на чистую биомассу бактерий (культуральную жидкость) без гомогенизирования бактериальных клеток классическим нингидриновым спектрофотометрическим методом по Галстяну и Арутюнян [11].

Численность бактериальных комплексов в культуральных жидкостях систем «порода–культура» определяли с помощью обычной световой и люминесцентной микроскопии с акридином оранжевым [12] на микроскопе «БиоТех-330-LED2-Tr».

Математическую обработку полученных данных проводили методом вариационного анализа по Б.А. Доспехову [13] с использованием программного пакета Microsoft Office Excel.

Результаты исследований и их обсуждение

Экологический статус сапротрофного микробного пула в почве заключается в L-отборе (или отборе неблагоприятных условий), который проявляется в виде массового размножения популяций микроорганизмов, обычно пребывающих в незначительных количествах, но способных резко увеличивать свою плотность населения при сезонных опадах траво- и древостоя, а также при внесении в почву различных органических удобрений. L-стратеги отличаются устойчивостью к стрессовым ситуациям и, как следствие, способностью к перенесению экстремальных условий существования. К таким микроорганизмам относится вся гидролитическая микрофлора, способная выделять аналогичные гидролазные экзоферменты [14].

Поэтому совместная оценка численности вышеупомянутых групп микробиоценоза из категории L-стратегов и гидролитической ферментативной активности почвы являются наиболее предпочтительными в изучении влияния последствий от применения удобрительных веществ на процессы преобразования органического вещества почвы и, в частности, при оценке дальнейшей значимости использования диатомита в качестве мелиоранта и микробиологического стабилизатора.

Данные рисунка 1 отражают состояние и динамику численности общих сапротрофов и аммонификаторов, выделенных из дерново-подзолистой почвы, при взаимодействии с диатомовой породой.

 

Рисунок 1 – Динамика численности живых клеток общего сапротрофного (ГПДА) и аммонифицирующего (МПА) бактериальных комплексов при биохимической деградации диатомита

 

Было выявлено, что чистая микробная биомасса обеих рассматриваемых культур способна расти и изменяться в численности на среде, обогащенной диатомовой породой. Пик наибольшего количества живых клеток пришелся на 10-й день культивирования систем «порода–культура»: 36,30 × 10⁹/1 мл общих сапротрофов и 4,75 × 10⁹/1 мл аммонифицирующих бактерий. Далее шел спад числа жизнеспособных клеток, который несколько различался по культурам. Так, если аммонификаторы достаточно резко погибали и на 30-й день культивирования достигли в числе 0,18 × 10⁹/1 мл, то общие сапротрофы вторую половину экспозиции культивирования сохраняли свое количество, только лишь к концу сократившись до 23,17 × 10⁹/1 мл.

Поскольку в структуру общих сапротрофов, выделенных из почвы на ГПДА, входят как непосредственно бактерии-гидролитики, так и копиотрофы и олиготрофы [14], можно предположить, что именно за счет бактериального разнообразия весь комплекс сохраняет свою устойчивость более продолжительное время.

Однако, несмотря на столь отзывчивую реакцию рассматриваемых групп бактерий на вещество диатомовой породы, активность их протеолитических ферментов в целом оказалась существенно низкой по уровню (рис. 2).

 

Рисунок 2 – Динамика протеазной ферментативной активности бактериальных суспензий сапротрофного (ГПДА) и аммонифицирующего (МПА) комплексов при биохимической деградации диатомита

 

Аналогично численности жизнеспособных клеток пик протеазной активности также пришелся на 10–15-й дни и также в существенной разнице различался между культуральными жидкостями: до 36,66 мкг глицина/1 мл/24 ч. по ГПДА-культуре и до 6,90 мкг глицина/1 мл/24 ч. по МПА-культуре.

Спад ферментативной активности при деградации диатомита происходил относительно степенно в условиях его взаимодействия с общим сапротрофным комплексом (до 19,97 мкг глицина/1 мл/24 ч.) и более резко – в системе «порода–культура» с аммонифицирующей бактериальной суспензией (до 1,13 мкг глицина/1 мл/24 ч.).

По-видимому, наличие положительной реакции в жизнеспособности сапротрофных бактерий и их ферментативной активности объясняется питательными и каталитическими свойствами диатомита, которые, в свою очередь, активизируют процессы минерализации органического вещества питательных сред наряду с материалом породы [2; 5].

Выводы

В результате проведенных исследований была установлена положительная реакция сапротрофного микробного пула, выделенного из дерново-подзолистой почвы Нижегородской области, на вещество диатомита Инзенского месторождения. На основе полученных данных можно предполагать, что экологический статус рассмотренных бактериальных популяций в самой почве активизируется при совместном взаимодействии диатомовой породы и почвенного органического вещества, что приведет к повышению устойчивости всего микробиоценоза L-стратегии выживания как начальной стадии микробиологической переработки органических компонентов в почвенном теле.

About the authors

Andrey Vladimirovich Kozlov

Minin Nizhny Novgorod State Pedagogical University

Email: a_v_kozlov@mail.ru

candidate of biological sciences, associate professor of Ecological Education and Rational Environmental Management Department

Russian Federation, Nizhny Novgorod

Alevtina Hristoforovna Kulikova

Ulyanovsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin

Email: agroec@yandex.ru

doctor of agricultural sciences, head of Soil Science, Agrochemistry and Agroecology Department

Russian Federation, Ulyanovsk

Irina Pavlovna Uromova

Minin Nizhny Novgorod State Pedagogical University

Author for correspondence.
Email: uromova2012@yandex.ru

doctor of agricultural sciences, professor of Biology, Chemistry and Biological and Chemical Education Department

Russian Federation, Nizhny Novgorod

References

Supplementary files