Минеральные удобрения как фактор воздействия на видовой состав почвенных микроорганизмов и устойчивость микробных систем почв к удобрениям
Для характеристики состояния почвы при использовании минеральных удобрений важны как показатели численности разных физиологических групп микроорганизмов, так и анализ их видового состава.
Влияние минеральных удобрений может мало или совсем не сказаться на количестве микробов различных эколого-трофических группировок, но при этом существенно изменять их видовой состав. Знание изменений в видовом составе почвенных микроорганизмов и их физиологических особенностей (способность к образованию токсинов, стимуляторов роста, антибиотиков к фитопатогенов и др.) позволяет предполагать возможные экологические последствия применения удобрений. Следует отметить, что диагностика вида у прокариот чрезвычайно сложна и трудоемка. Этим объясняется факт малочисленности работ по изучению влияния минеральных удобрений на качественный состав почвенных бактерий и актиномицетов. По мнению многих исследователей, минеральные удобрения существенно влияют на видовой состав спорообразующих бактерий и особенно бактерий рода Bacillus. Большие изменения в составе бактериального сообщества почв происходят при внесении полного минерального удобрения в почвы рисовников: исчезают микроорганизмы родов Brevibacterium, Moraxella, Alcaligenes, Enterobacteriaceae. В то же время видовой состав бактерий рода Pseudomonas, доминирующих в этой почве, не меняется.
Значительно больше работ выполнено по изучению влияния минеральных удобрений на микроскопические грибы, видовую принадлежность которых установить проще. На карбонатных почвах Ротамстедской опытной станции на вариантах с NPK было выявлено возрастание обилия грибов рода Trichoderma, Cephalosporium, Sporotrichum, Cladosporium и др. Из почв опытных полей Миссурийского университета, в течение 20 лет получавших NPK, выделялось больше грибов Acremonium, Alternaria, Cladosporium, Fusarium по сравнению с контролем. В литературе имеются данные о том, что изменения в составе почвенных микромицетов происходят и при однократном внесении удобрений. Изучение сравнительной характеристики действия различных минеральных удобрений на видовой состав почвенных микроскопических грибов показало, что различные удобрения оказывают неодинаковой действие на одни и те же виды микромицетов.
Для установления взаимосвязи дозы удобрения с изменением в составе и функционировании микробной системы почв перспективным методом является метод инициированного микробного сообщества (Гузев с соавт., 1980). При его использовании не происходит нарушения структуры и функционирования комплекса почвенных микромицетов. Сущность метода заключается в детальном изучении амилолитической группировки микроорганизмов непосредственно в почве, в условиях естественной конкуренции за субстрат (крахмал и его производные). Для этого с помощью сканирующей электронной микроскопии в сочетании с классическими методами микробиологии изучаются состав и структура микробного сообщества, развитие которого инициировано субстратом на поверхности почвенной пластинки. Определяют истинное доминирование и соотношение отдельных групп и видов микроорганизмов, скорость разложения крахмала и его заселенность, взаимоотношения между отдельными популяциями микроорганизмов и беспозвоночными животными в сообществе.
Важное преимущество метода - возможность установить микробную токсичность исследуемой почвы по отношению к растениям и беспозвоночным животным.
При посевах на питательные среды выявляется потенциальный пул микроорганизмов, включающий многие виды, напротив, в инициированном амилолитическом микробном сообществе, представляющем конкретное проявление этого пула при заданных условиях, мы имеем порядка 10 видов, с небольшим числом доминантов. Это позволяет детально выявить структуру сообществ и четко фиксировать ее изменения.
Используя метод инициированного микробного сообщества были исследованы три типа почв зонально-генетического ряда - дерново-подзолистой, выщелоченного чернозема и типичного серозема. Образцы почв отбирали с контрольных (неудобренных) вариантов длительных полевых опытов с удобрениями. Удобрения в возрастающих концентрациях вносили в увлажненную до 60% от полной влагоемкости почву и изготавливали почвенные пластинки в чашках Петри. Для инициации развития микробного сообщества на поверхности почвы создавали тонкий слой крахмала. Почвенные пластинки инкубировали при постоянной влажности и температуре 250.
Анализ воздействия минерального азота на состав и структуру активно функционирующих сообществ позволил выделить четыре типа реакции микробной системы почвы. Так, при внесении в дерново-подзолистую почву азотных удобрений в дозах до 100 кг/га состав и структура инициированного микробного сообщества остаются неизменными, рис. 27.
При этом наблюдается возрастание общей микробной биомассы микроорганизмов в сообществе и скорости разложения крахмала. Этот диапазон доз удобрений (зона гомеостаза) является важным показателем, характеризующим устойчивость микробиоты к данной антропогенной нагрузке.
Рис. 27., Влияние минерального азота на структуру инициированного микробного сообщества дерново-подзолистой почвы:
А – доминирующие виды; Б – часто встречающиеся виды; В – редко встречающиеся виды.
1-Oidiodendron griseum; 2 – Chaetomium sp.; 3 – Streptomyces sp. гр. griseus; 4 – Monilia geophila; 5 – Penecillium janthinellum; 6 – Giliocladium catenulatum; 7 – P. lanosum; 8 – Mycogone nigra; 9 – Coniothyrium sp.; 10 – P. vermiculatum; 11 – P. funiculosum; 12 – Oidiodendron flavum; 13 – Aspergillus niger; 14 – A. ustus; 15 – Streptomyces spp.
Дальнейшее увеличение доз минерального азота приводит к стрессовой реакции микробной системы - доминирующие в сообществе контрольной почвы микроорганизмы Chaetomium sp., Streptomyces sp. гр. griseus, Oidiodendron griseum, Monilia geophila постепенно исчезают, а некоторые редко встречающиеся виды - Penecillium funiculosum, P. janthinellum, P. lanosum, Giliocladium catenulatum - становятся доминантами и часто встречающимися организмами. При дозах более 600 кг/га наблюдается проявление микробного токсикоза почвы. Микроорганизмы сообщества ингибируют прорастание семян и развитие проростков и в свою очередь не потребляются беспозвоночными животными - нематодами отряда Tylenchidae и клещами Tyrophagus putrescentiae. При таком уровне внесения азота доминирующее положение в сообществе занимают микроскопические грибы Penecillium funiculosum, P. janthinellum, P. vermiculatum. Вышеперечисленные виды пенициллов известны как сильные токсинообразователи. Все это дает основание полагать, что изменения, происходящие в микробной системе почвы под действием минерального азота, обусловливают проявление микробного токсикоза почвы. При концентрации нитрата аммония в почве от 1 до 7% состав микробного сообщества коренным образом меняется, что характеризует зону резистентности микробной системы.
Появляются грибы, не свойственные дерново-подзолистым почвам, устойчивые к таким экстремальным условиям - Aspergillus ustus, Penicillium puberulum и актиномицеты рода Streptomyces, которые заменяют все другие виды. При больших концентрациях нитрата аммония рост и развитие микроорганизмов сообщества прекращается, что определяет зону репрессии микробной системы почвы.
Следует отметить, что изменение состава и структуры амилолитического микробного сообщества не связано с различиями в кислотности почвы.
Эксперименты с использованием соломы (характерного для почвенных микроорганизмов субстрата, основным компонентом которого является целлюлоза), подтвердили наличие тех же четырех типов реакций микробной системы в зависимости от концентрации азота в почве. По мере увеличения дозы азота в целлюлозолитическом сообществе, которое по видовому составу заметно отличается от амилолитического микробного сообщества, также появляются грибы рода Penicillium, что свидетельствует о реальности образования токсинов в полевых условиях при удобрении почв. При высоких концентрациях нитрата аммония в почве целлюлозолитическое и амилолитическое сообщество обнаружили большое сходство по видовому составу.
Таким образом, для оценки отрицательного действия высоких доз азотных удобрений на микробную систему почвы могут быть использованы величина зоны гомеостаза и доза, вызывающая микробный токсикоз.
При изучении изменений в микробной системе выщелоченного чернозема и типичного серозема под действием минерального азота было также обнаружено проявление микробного токсикоза. Видовой состав и структура амилолитического микробного сообщества этих почв существенно различаются, однако во всех почвах характер изменений в сообществах сходен - выявляется зона гомеостаза микробной системы, а дальнейшее увеличение вносимых доз азотного удобрения приводит к микробному токсикозу. При этом если микробная токсичность дерново-подзолистой почвы обусловлена доминированием в сообществе грибов Р. funiculosum, Р. vermiculatum, Р. purpurogenum, то в выщелоченном черноземе еще и Aspergillus ustus; в типичном сероземе она связана с грибами Stachybotrys alternans, Aspergillus ustus.
Минеральный калий оказывает близкое к азоту действие на инициированные микробные сообщества дерново-подзолистой почвы, выщелоченного чернозема и типичного серозема. При внесении возрастающих количеств минерального калия установлены те же четыре типа реакций микробной системы и проявление микробного токсикоза. Показано, что применение небольших доз калийных удобрений не приводит к существенным изменениям структуры и состава амилолитических микробных сообществ. Это соответствует гомеостазу микробной системы почв к воздействию данного реагента. При увеличении доз калия происходит перераспределение степени доминирования микроорганизмов в сообществе, активизация токсинообразующих микромицетов. Наряду с общностью в действии азота и калия на микроорганизмы сообщества обнаружены и определенные отличия: минеральный азот стимулирует развитие грибов родов Penicillium, Gliocladium, Coniothyrium, Chaetomium, а калий кроме Penicillium и Coniothyrium - микромицетов Stachybolrys alternans, рис. 28.
Иной характер действия на инициированные микробные сообщества почв отмечали при использовании фосфорных удобрений. Практически ни один из доминирующих и часто встречающихся микроорганизмов не подавлялся в большом диапазоне доз фосфора, внесенного виде однозамещенного фосфата кальция, рис. 29.
На всех почвах фосфорные удобрения стимулировали рост и активность бактерий рода Bacillus и некоторых грибов. Существенных изменений структуры и состава микробных сообществ и проявления токсичности даже при очень высоких дозах фосфора не наблюдали, рис. 29.
Рис. 28. Влияние минерального калия на структуру инициированного микробного сообщества дерново-подзолистой почвы:
А – доминирующие виды; Б – часто встречающиеся виды; В – редко встречающиеся виды.
1 – Chaetomium sp.; 2 – Monilia geophila; 3 – Streptomyces sp. гр. griseus; 4 – Penecillium janthinellum; 5 - Stachybolrys alternans; 6 – Coniothyrium sp.; 7 – P. lanosum; 8 - Oidiodendron griseum; 9 – P. vermiculatum; 10 – P. funiculosum; 11 – Aspergillus niger; 12 – A. ustus; 13 – Streptomyces spp.
Рис. 29. Влияние минерального фосфора на структуру инициированного микробного сообщества дерново-подзолистой почвы:
А – доминирующие виды; Б – часто встречающиеся виды; В – редко встречающиеся виды.
1 – Chaetomium sp.; 2 – P. lanosum; 3 – Penecillium janthinellum; 4 - Oidiodendron griseum; 5 – Monilia geophila; 6 - Streptomyces sp. гр. griseus; 7 - P. vermiculatum; 8 - Coniothyrium sp.; 9 - P. funiculosum; 10 - Giliocladium catenulatum; 11 - Aspergillus ustus; 12 - A. niger; 13 – Bacillus spp.
Значительно более слабое воздействие фосфорных удобрений на активно функционирующие микроорганизмы сообществ по сравнению с азотом и калием, по-видимому, связано с их низкой растворимостью и способностью большинства почвенных микроорганизмов развиваться на трудно растворимых минеральных фосфатах.
При внесении возрастающих доз полного минерального удобрения, как и при раздельном применении азотного и калийного, в лабораторных экспериментах было выявлено четыре типа реакции микробной системы на этот реагент и проявление микробного токсикоза во всех изученных почвах, Однако дозы NPK, обусловливающие токсикоз, значительно выше, чем выявленные для азота и калия. Под влиянием полного минерального удобрения в составе активно функционирующего сообщества наряду с пенициллами возрастает доля грибов родов Coniothyrium, Gymnoascus, Chaetomium, Fusarium nivale и некоторых других, развитие которых не стимулировалось при внесении только азота, калия или фосфора.
Таким образом, непосредственно в почвенных условиях показано, что при возрастающих нагрузках минеральных удобрений происходят закономерные изменения структуры и состава микробных сообществ почв и потенциально возможно проявление микробного токсикоза. Выявлены микроорганизмы, которые способны вызывать микробную токсичность изученных почв при внесении азотного, калийного и полного минерального удобрений. Показано, что в удобряемой дерново-подзолистой почве микробный токсикоз может быть связан с возрастанием количества грибов Р. funiсulosum, Р. purpurogenum, Р. vermiculatum, Р. janthinellum, в выщелоченном черноземе наряду с пенициллами - Aspergillus ustus, Fusarium oxysporum, в типичном сероземе - Aspergillus ustus, Slachybotrys alternans. Эти данные отражают общее представление о содержании фитотоксичных микромицетов родов Penicillium, Fusarium, Aspergillus в почвах зонального ряда.