Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

Институт химии и проблем устойчивого развития

Кафедра ЮНЕСКО «Зелёная химия для устойчивого развития»

Отчет

о прохождении

учебной практики

(практика по получению первичных профессиональных умений и навыков, в том числе первичных умений и навыков научно-исследовательской деятельности)

по направлению подготовки 05.03.06 Экология и природопользование

Место проведения практики	Деревня Прислон, Тверская область
Период проведения практики	14 июля – 6 августа

Оценка _________________________

Основные замечания _________________________

Руководитель практики
Директор биологического отделения «Летней школы» Студентка группы ПР -21 Новикова П. М.	Копылова В. С.

Оглавление

Введение………………………………………….........................……………………2

1. Теоретическая часть…………….…………………………………...……………4

1.1 История проекта TBI…………………………………………………………….4

1.2 Актуальность проекта…………………………………………………………...4

1.3 Методы исследования……………………………………………………………5

2. Практическая часть……………………………….………………………………7

3. Обсуждение результатов…………………………………………………………14

4. Выводы……………………………………………………………………………..16

Список использованной литературы…………………………………………..…18

Приложения...………………………………………………………………………...19

Введение

Я проходила летнюю научно-производственную практику в Кимрском районе Тверской области на территории студенческой базы отдыха «Волга», там я находилась в рамках посещения экологического направления биологического отделения свободного образовательного проекта «Летняя школа». Территория лагеря находится в долине реки Волги в районе первой и второй террасы.

Во время моего пребывания на «Летней школе» я прослушала курс лекций по почвоведению, общей экологии и геоботанике и сдала по этим дисциплинам зачеты. [см. Приложение 3]

Целью моей практики являлось осуществление проекта по изучению скорости разложения органического вещества в почве и факторах, которые влияют на скорость разложения. Для приобретения знаний по данному вопросу, я изучала такие дисциплины, как почвоведение, геоботаника и общая экология. В рамках изучения почвоведения я описала три почвенных разреза в долине реки Волга, изучила микроорганизменный состав почвы, так же мной была изучено разнообразие орнитофауны данного района. [см. Приложение 1, 2]

1. Теоретическая часть

1.1 История проекта tbi

Мой проект осуществлялся в рамках исследования Tea Bag Index(TBI): в 2010 году группа исследователей из Нидерландов, Австрии и Швеции в рамках проекта TBI разработала методику составления карт биологической активности почв. Проект TBI и составление этих карт помогает ученым отслеживать глобальный цикл углерода в экосистеме, который оказывает серьезное влияние на климат планеты. Методика TBI заключается в том, чтобы закапывать не заваренные чайные пакетики на 3 месяца, а потом их извлекать и сравнивать процент разложения органического вещества, тем самым определяя ферментативную способность почвы. Так как группа европейских ученых не может самостоятельно составить карту биологической активности почв по всему миру, то они предложили людям всего мира присоединиться к их исследованию, а затем отправить результаты в Объединенный Научно-Исследовательский Европейский центр почвенных данных (JOINT RESEARCH CENTRE EUROPEAN SOIL DATA CENTRE (ESDAC)).

1.2 Актуальность проекта

Актуальность моего проекта состояла в том, что разложение – один из самых важных процессов на земле, благодаря которым осуществляется круговорот веществ в природе. Разложение или биодеградация — один из основных механизмов уничтожения отходов деятельности человека в природе: как отходов, собственно, жизнедеятельности, так и промышленных отходов. В большей или меньшей степени биодеградации подвержены почти все органические и многие неорганические загрязнители, за исключением разве что радиоактивных веществ. Именно биодеградация является основным механизмом самовосстановления/сопротивления экосистем антропогенным воздействиям.

Благодаря биоразложению замыкаются круговороты элементов в природе. Редуценты(также деструкторы), организмы(бактерии и грибы), разрушающие отмершие останки живых существ или органического вещества, превращая их в неорганические и простейшие органические вещества. Редуценты возвращают минеральные вещества обратно в почву и воду, делая их доступными для продуцентов, замыкая биотический круговорот.

До этого территория деревни Прислон, расположенной в Тверской области, не исследовалась в рамках проекта TBI, поэтому я решила внести свой вклад в работу европейских ученых.

В рамках осуществления своего проекта были поставлены следующие задачи: составить геоморфологическое описание в местах заложения чайных пакетиков, сравнить интенсивность разложения органического вещества(чая) в зависимости от растительности на данной территории, сравнить интенсивность разложения органического вещества в зависимости от микроорганизменного состава на данной территории.

1.3 Методы исследования

При геоботанических исследованиях основным объектом изучения является фитоценоз. Фитоценоз - растительное сообщество, существующее в пределах одного биотопа(относительно однородный по абиотическим факторам среды участок геопространства (суши или водоёма), занятый определённым биоценозом). В рамках геоботанического описания изучалось видовое разнообразие растений на участках заложения пакетиков.

Геоморфологическое описание – описание почвенного разреза с развернутыми характеристиками каждого почвенного горизонта. Почвенный разрез — вертикальная стенка почвенной ямы (шурфа), по которой описывается почва, исследуются почвенные горизонты. Почвенные горизонты образуются при формировании почв. Они составляют почвенный профиль — вертикальный разрез почвы:

A0 — лесная подстилка. «Органогенный горизонт», сложенный из неразложившегося полностью опада.

Ad — дернина, густо пронизан живыми корнями растений, если потянуть руками за стебли травянистых растений, то её слой отделяется от остальной части почвы.

А1 — перегнойный, или гумусовый горизонт, образуется при накоплении остатков растений и животных и преобразовании их в гумус. Окраска перегнойного горизонта тёмная. К низу он светлеет, так как содержание гумуса в нём уменьшается.

А2 — горизонт вымывания, элювиальный горизонт. Он залегает под перегнойным. Его можно определить по смене тёмной окраски на светлую.

В — горизонт вмывания, иллювиальный горизонт. Он наиболее плотный, обогащённый частицами, внесёнными из вышележащих горизонтов.

С — материнская порода.

Микроорганизменный состав почвы определялся при помощи посева на питательную среду(мясопептонный агар, который предварительно растопили на водяной бане). Посев — один из стационарных методов культивирования микроорганизмов на питательных средах, применяемый для культуральной диагностики в разных областях биологии и медицины. Посевы «газоном» производят на плотную питательную среду в чашке Петри. Для этого, приоткрыв левой рукой крышку, петлёй или пипеткой наносят посевной материал на поверхность питательного агара. После инкубации посева появляется равномерный сплошной рост бактерий с разделением их на колонии. Идентификацию выделенных бактериальных культур проводят путём изучения морфологии бактерий, их культуральных, биохимических и других признаков, присущих каждому виду.

Колония — это видимое изолированное скопление представителей одного вида микроорганизмов, образующееся при размножении одной колониеобразующей единицы (КОЕ) на плотной питательной среде (на поверхности или в глубине её). Колонии бактерий разных видов отличаются друг от друга по своей морфологии, цвету и другим культуральным признакам.

Род микроорганизмов определялся по методу Грама. Метод Грама — метод окраски микроорганизмов для исследования, позволяющий дифференцировать бактерии по биохимическим свойствам их клеточной стенки. Грамположительные кокковые и спороносные формы бактерий, они окрашиваются в сине-фиолетовый (синий) цвет. Грамотрицательные - в основном неспороносные бактерии, они окрашиваются в красный или розовый цвет.

Практическая часть

В апреле 2019 были закопаны в почву на глубину примерно 8 см не заваренные чайные пакетики на разные участки, отличающиеся растительным составом и наличием антропогенного влияния. На каждом участке было закопано по 10 пакетиков, которые были помещены в специальную тару.

Рис. 1. Чайные пакетики после извлечения из почвы

После того, как образцы были извлечены из почвы, с них сняли внешнюю тару, что позволило освободиться от прилипшей грязи и комков почвы. После того, как пакетики высохли и из них испарилась лишняя влага, они были взвешены на точных весах. Для исследования скорости разложения органического вещества в почве, необходимо сделать геоморфологическое и ботаническое описание каждого участка заложения чая, чтобы понять, какие факторы влияют на скорость разложения.

Рис. 2. Участок 40, противопожарная траншея в смешанном лесу

Рис. 3. Почвенный разрез на участке 40

Из-за антропогенного влияния на участке 40 отсутствует верхний слой почвы. На этом участке присутствуют такие живые формы, как: мох дикранум, небольшие грибы, в основном поганки, вербейник, кислица, папоротник щитовник.

Из-за антропогенного воздействия на участке 40 отсутствуют горизонты A2(элювиальный горизонт) и В(иллювиальный), а почва представлена только горизонтами А0(лесная подстилка) и С(материнская порода). Лесная подстилка состоит соснового опада, редкими растениями, опавшей сосновой корой; материнская порода на данной территории представлена речным песком.

После просушки я взвесила пакетики и сопоставила данные с начальной массой пакетиков (тара + сухое вещество).

№ пакетика	масса чая до эксперимента	масса чая после просушки
203	1,83	1,48
204	1,84	1,63
205	1,87	1,47
206	1,87	1,10
207	1,87	1,60
208	1,88	1,57
209	1,98	1,64
210	1,90	1,30
211	1,83	1,40

№ пакетика	масса чая до эксперимента	масса чая после просушки
203	1,83	1,48
204	1,84	1,63
205	1,87	1,47
206	1,87	1,10
207	1,87	1,60
208	1,88	1,57
209	1,98	1,64
210	1,90	1,30
211	1,83	1,40
212	1,87	1,36

Таблица 1. Масса чая до эксперимента и после просушки на участке 40

На данном участке содержимое пакетика разложилось на 17,1%.

Сделав посев почвы на микроорганизмы с данного участка и применив метод окрашивания по Граму, я выяснила, что в образце почвы содержатся колонии грамположительных бацилл и актинобактерий.

Рис.4 Колонии актинобактерий и бацилл после окрашивания по Граму

Следующая точка заложения пакетиков располагалась в смешанном лесу, недалеко от предыдущей, но здесь не наблюдается антропогенного влияния.

Рис. 5 Участок 41

Рис.6 Почвенный разрез на участке 41

На участке образовалась небольшая поляна из-за упавшего много лет назад дерева, которое активно разлагается. Живые формы здесь представлены мхом сфагнумом, кислицей, рябиной, осокой, папоротником щитовником, несколькими видами жуков и пауков.

Так как антропогенного влияния здесь не обнаружено, в почвенном разрезе можно четко выделить три горизонта. В горизонте А0 можно выделить еловый опад, кислицу, мох сфагнум; горизонт А ярко выражен, мощный гумусовый слой, большое количество корней; граница между горизонтами неявная, горизонт В – подзол, в нем можно заметить немногочисленные корни.

Таблица 2. Масса чая до эксперимента и после просушки на участке 40

№ пакетика	Масса чая до эксперимента	масса чая после просушки
193	1,85	1,45
194	1,92	1,28
195	1,95	1,42
196	1,83	1,37
197	1,94	1,52
198	1,90	1,50
199	1,84	1,57
200	1,83	1,54
201	1,82	1,70
202	1,90	1,47

На участке 41 содержимое пакетика разложилось на 20,5%.

После окрашивания по методу Грама, я выяснила, что бактерии почвы участка 41 это в основном грамположительные актинобактерии. На участке 41 микроорганизменный состав в основном представлен колониями актинобактерий.

Рис. 7 Лесная подстилка на участке 42

На участке 42, в сосновом лесу, нет антропогенного влияния, есть несколько поваленных деревьев. Из растений присутствуют сосна обыкновенная, недотрога и папоротник щитовник.

На почвенном разрезе хорошо выделяются только горизонты А0 и А, лесная подстилка состоит из мха сфагнума, кислицы и соснового опада, горизонт А – рыхлый песчаник, горизонт В – подзол достаточно рыхлый.

Образцы были вымыты из почвы, у 217 образца была разорвана тара, у 213 разорвана тара, надорван сам пакетик и нарушена целостность содержимого, 221 образец пропал.

Таблица 3. Масса чая до эксперимента и после просушки на участке 42

№ пакетика	Масса чая до эксперимента	Масса чая после просушки
213	1,22	0,38
214	1,96	1,24
215	1,91	0,94
216	1,90	0,97
217	1,93	1,04
218	1,80	0,96
219	1,96	1,02
220	1,89	1,16
221	0	0
222	1,92	1,16

Красным в таблице отмечены вышеупомянутые образцы, целостность которых была нарушена. Процент разложения на данном участке составил 37,4 %.

После анализа посева почвы на микроорганизмы, я выяснила, что на данном участке в почве присутствуют колонии актинобактерий и стрептококков.

Рис. 8 Почвенный разрез на участке 43

Последний, 43 участок представляет собой небольшую поляну в сосновом лесу, поросшую папоротником щитовником. Здесь есть несколько пней и пакет мусора, влияние человека очевидно. Кроме сосен и папоротника на участке растут кислица, земляника, мятлик и осока.

На почвенном разрезе отчетливо видно горизонты А0 – опавшие сосновые иголки, кора, мох сфагнум; горизонт А – хорошо выраженный гумусовый горизонт с немного численными корнями; горизонт В – есть небольшие корни, суглинок легкий.

На данном участке в почве присутствуют колонии актинобактерий.

Таблица 4. Масса чая до эксперимента и после просушки на участке 43

№ пакетика	Масса чая до эксперимента	Масса чая после просушки
223	1,84	1,44
224	1,88	1,52
225	1,76	1,50
226	1,90	1,36
227	1,92	1,70
228	1,81	1,78
229	1,88	1,57
230	1,83	1,74
231	1,79	1,65
232	1,85	1,68

Разложение на данном участке составило 13,6%.

Обсуждение результатов

Разложение органического вещества в почве происходит под действием ферментов, выделяемых организмами-деструкторами, то есть бактериями и грибами. В состав чая в пакетиках входят: целлюлоза, белки, жиры, хлорофилл, пигменты, пектины, крахмал, полифенолы, сахара, минеральные вещества, кофеин. На данной таблице представлены компоненты чая, ферменты, которые их разлагают их, а также бактерии, которые их вырабатывают. Ниже приведено уравнение аэробного разложения глюкозы, до которой ферментная система целлюлазного комплекса разлагает целлюлозу.

Таблица 5. Компоненты чая в пакетиках и ферменты, которые их разлагают

Компонент состава чая	Ферменты, необходимые для его разложения	Бактерии, вырабатывающие эти ферменты
Целлюлоза	Целлюлаза	Актинобактерии
Белки	Протеаза, липопротеиназа	Актинобактерии, стрептококки
Пектины	Пектаза, пектиназа	- Содержатся в растениях в виде сложного комплекса(протопектин)
Крахмал	Амилаза, амилопектин	Актинобактерии
Углеводы	Амилаза, гексокиназа, инвертаза	Актинобактерии, бациллы
Кофеин	-	-
Полифенолы	Полифенолоксидаза, Пероксидаза	- (содержится в самом чайном листе)
Аминокислоты	Дезаминаза	Актинобактерии

На диаграмме представлены проценты разложения органического вещества по участкам:

Таблица 6. Количество разложившегося вещества на участках

На участке 42 наблюдается наибольший процент разложения органического вещества.

После анализа растительного состава, почвенного строения и микроорганизменного разнообразия всех участков, выяснилось, что на скорость разложения влияют несколько факторов.

Участки отличались друг от друга наличием антропогенного влияния и набором растительности. Участки 40 и 41 оба находились в смешанном лесу, на участке 40 была вырыта противопожарная траншея. Участки 42 и 43 находились в сосновом лесу, на участке 43 заметно влияние человека. Почва на всех участках мало отличается микроорганизменным составом(так как они не были расположены далеко друг от друга), в каждой пробе я находила колонии актинобактерий, только на участке 40 присутствуют бациллы, а на участке 42 – стрептококки. Возможно, микроорганизмы, отличные от преобладающих актинобактерий, были занесены человеком или животными.

Выводы

Таким образом, на скорость разложения в равной степени влияют несколько факторов:

- Микроорганизменный состав. Основная часть разложения органического вещества в почве приходится на ферментативную активность бактерий. На участке 42 присутствуют колонии стрептококков, которые выделяют такой фермент, как липопротеиназа (или протеиназа K – сериновая протеаза широкого спектра), который ускоряет разложение некоторых специфических белков, находящихся в составе самого чайного пакетика и его содержимого.

- Растительный состав. Наличие в лесной подстилке и почве значительного количества фенольных соединений способствует формированию высокого уровня полифенолксидазной активности.

- Целостность почвенного покрова. Наибольшей пероксидазной активностью обладают верхние подгоризонты лесной подстилки, что указывает на увеличение интенсивности процессов деструкции органических веществ, в состав которых входят органические соединения. Активность инвертазы в подстилке намного ниже, чем в минеральных слоях.

- Внешние (экзогенные) факторы. На динамику активности пероксидазы и полифенолксидазы, как и на динамику активности других энзимов(ферментов), влияют не только гидротермические условия года, но и «экологические факторы», например, наличие токсикантов. Весной, при избытке влажности и низких температурах лесной подстилки и почвы, активность пероксидазы на площадях, расположенных вблизи источника фторсодержащих загрязнений, значительно выше. По мере удаления от источника загрязнения происходит уменьшение активности пероксидазы, что связано с уменьшением концентрации подвижного фтор-иона, являющегося сильным окислителем н стимулирующего образование перекисных соединений в лесной подстилке, представляющих собой субстрат действия данного фермента. Активность других ферментов в лесной подстилке и почве снижается от весны к осени.

Исходя из результатов исследования и собранной мной информации, можно сделать следующие выводы:

На участке 42 наблюдается самый большой процент разложения чая, потому что этот участок находился в лесу с преобладанием сосны обыкновенной, в отличие от участков 40 и 41, расположенных в широколиственном смешанном лесу. Там разложение проходит активнее из-за фенольных соединений опада сосны.

Отличный от других участков микроорганизменный состав(наличие колоний стрептококков) участка 42 обеспечил более быстрое разложение упаковки чая и некоторых его сложных компонентов.

Отсутствие влияние человека – целостность почвы и лесной подстилки, отсутствие мусора и других атрибутов отдыха людей – обеспечивает более быстрое разложение нежели на участках с антропогенным влиянием, так как в лесной подстилке могут расти растения и грибы, ускоряющие разложение, а также в почве обитает большинство бактерий, выделяющих ферменты, разлагающие компоненты органического вещества, в данном случае чая. Потому на участке 41 процент разложения тоже достаточно высок.

Список использованной литературы:

1. Г.И. Антонов, И.Н. Бескоровайная, А.В. Климченко, Д.А. Семенякин. Ферментативная активность почв после первого приема выборочной рубки в сосняках Красноярской лесостепи//Вестник КрасГАУ, 2011, №7. с. 36

2. Л.А. Овсепян, И.Н. Курганова, А.С. Мостовая, В.О. Лопес де Гереню, В.И. Личко, Е.В. Благодатская, Я.В. Кузяков. Ферментативная активность пост-агрогенных серых лесных почв нагорной дубравы «Лес на ворскле»//, Известия Самарского научного центра Российской академии наук, 2017, т. 19, № 2, с. 13

3. Н.М. Шебалова, Л.И. Королева, Л.А. Коваленко. Ферментативная активность лесной подстилки и почвы как показатель характеристики состояния лесных почв// Электронный архив УГЛТУ, Уральский лесотехнический институт

4. Г.М.Зенова, А.Л.Степанов, А.А.Лихачева, Н.А.Манучарова. Практикум по биологии почв. - МГУ имени М.В. Ломоносова. Факультет почвоведения, кафедра биологии почв., 2002 – с. 15

5. Д. Г. Звягинцев, д.б.н., профессор, Г. М. Зенова, д.б.н., профессор, Т. А. Грачёва, к.б.н., м.н.с., А. И. Курапова, аспирант, М. С. Дуброва, аспирант. Теоретические проблемы экологии. - МГУ им. М.В. Ломоносова, 2011 – с. 13

Приложение 1.

Приложение 2.