Почвенная микробиология / Іутинська Г.О. Ґрунтова мікробіологія

Антагоністами ауксинів є такі сполуки, як нафтилфтапамінова кис­ лота, її солі, 2,3.5-трийодбензойна кислота. Ці речовини блокують транспорт ауксина по рослині.

Антистресову дію, близьку до цитокінінів, виявляють синтетичні аналоги ряду зеатина (кінетин, 6-бензиламінопурин), а також тидиазурон (дропп), який відноситься до ряду дифенілсечовини. Аналоги цитокінінів використовують при вирощуванні калусних рослин, для формування крони садженців. Дропп застосовують як дефоліант бавовника.

До синтетичних речовин, які мають загальностимулюючу дію на ро­ слини відноситься N-оксид 2,6-диметилпіридину, який отримав товарну назву івін. На сучасному етапі в інституті біоорганічної хім ії та нафтохі­ мії НАН України під керівництвом С.П. Пономарекка модифіковані варі­ анти цього препарату, які отримані шляхом приєднання до івіну лротонодонорів. Практичне застосування мав комплекс івіну з янтарною кис­ лотою, який отримав назву потейтин. Він активізує ріст картоплі, підви­ щує ЇЇ стійкість до захворювань та до фунгіцидів. Перспективними ви­ явились також комплекси Івіну з яблучною кислотою, нітрат івіну, ком­ плекс івіну з адіпіновою кислотою та ін. Вплив синтетичного препарату івіну подібний до д ії фітогормонів; він підвищує інтенсивність транскри­ пції клітинного геному та активізує синтез РНК і білків. Останнє було встановлено з використанням мічених попередників синтезу РНК і білив - 14С-урацилу та 14С-амінокислот, які включались у синтез білків уже в перші 2 -4 гадини після обробки рослин.

Синтетичні регулятори росту рослин більш дешеві, ніж природні. Тхне виробництво не потребує використання рослинної сировини. Вони мають невисоку норму витрат (декілька грамів на гектар), не акумулю­ ються в рослинах. Проте для синтетичних РРР важливим є питання про їх токсико-гігієнічну безпечність.

Згідно зі списком агрохімікатів і пестицидів, дозволених Держхімкомісією до використання в Україні, зареєстровано декілька вітчизня­ них стимуляторів росту рослин, таких як івін, вмістім С, потейтин, зеастимулін, агростимулін, бетастимулін, триман-1, фумар, гумісол, вермистим.

Вплив регуляторів р о с т у рослин на мікроорганізми вивчали у двох аспектах. Першим і найбільш вивченим є дослідження їх впливу на окремі промислово цінні штами з метою підвищення виходу їх біомаси або стимуляції фізіологічної активності. Другий, менш досліджений, але дуже важливий аспект - вивчення впливу рістрегулюючих речовин на формування і функціонування мікробних ценозів ф унту та взаємовідно­ сини мікроорганізмів і рослин.

229

При вивченні дії РРР на окремі культури мікроорганізмів було пока­ зано, що специфіка їх впливу значною мірою залежить від концентрації цих сполук та умов культивування (температура, pH, наявність пожив­ них речовин та ін.). Відомо, що високі концентрації РРР впливають на мікроорганізми негативно, а оптимальні - позитивно. Проте у кожному

випадку постає питання, які саме концентрацій РРР для даного штаму мікроорганізму є оптимальними. Так, для Azatobacter chroococcum най­

кращим стимулятором виявився гетероауксин у концентрації М О Л/л, а для Azotobacter vinetandii- гіберелін у концентрації 1*10'* г/л. За присут­ ності індоліл-З-оцтовоі кислоти у продуцента протеаз Bacillus subtilis підсилювалось накопичення біомаси та активізувався біосинтез фер­ менту. Сучасні українські РРР вмістим С І еней у концентраціях 1-Ю4 і Т К Г ° г/л сприяли підвищенню питомої швидкості росту і накопиченню біомаси Bacillus megaterium, а також на 20-30% підвищували її фосфатазну активність, що є важливим з огляду на те, що ця культура є осно­ вою фосфобактерину і застосовується для поліпшення фосфорного жив­ лення рослин.

Стосовно впливу гіберелінів на мікроорганізми у дослідників немає єдиної думки. Різні автори наводять дані як про відсутність їх впливу на мікроорганізми, так і про стимулюючу або пригнічуючу дію залежно від концентрації препарату та виду мікроорганізму. Показана відсутність впливу гіберелінів на ріст і фізіологічну активність дріжджів

Saccharomyces cerevisiae, гриба Penicillium expausum. Під час вивчення впливу різних концентрацій гібереліну на Pseudomonas aeruginosa було визначено, що у розведенні 1-Ю'10 г/л вік справляв стимулюючий ефект,

уконцентраціях від 1-Ю'3 до 1 -10“* г/л-пригнічую чий.

І.Мішке досліджувала вплив цитокінінів на мікроорганізми різної таксономічної належності - представників родів Pseudomonas,

Erwinia, Brevibacterium, Saccharomyces, Candida. Вона встановила, що реакція мікроорганізмів на внесення у поживне середовище цито­ кінінів неоднакова: у деяких мікроорганізмів вона відсутня, у інших спостерігається чітко виражена стимуляція, ступінь якої залежить від концентрації, складу середовища і ф ізіологічного стану культури. По­ зитивний ефект виявлявся у прискоренні росту клітин та уповільненні їх старіння.

Стосовно впливу РРР на мікробні угруповання ґрунту даних у літе­ ратурі небагато. Г.О. Іутинською зі співавт. вивчався вплив на природні асоціації ґрунтових мікроорганізмів рістстимулюючих препаратів - івіну, емістиму С, агростимуліну. Встановлено, що зазначені РРР активізують ріст природних асоціацій ґрунтових мікроорганізмів та їх біохімічну акти­ вність, ініціюють синтез мікроорганізмами біологічно активних сполук.

230

стимулюють продукування антимікробних речовин до фітопатогенних бактерій і підвищують резистентність мікробних угруповань до несприят­ ливих змін факторів навколишнього середовища.

Проводилося вивчення д ії природних і синтетичних РРР на актив­ ність асоціативної азотфіксації. Фітогормони у концентраціях, які стиму­ люють розвиток рослин, також підвищують активність фіксування азоту асоціативними мікроорганізмами. Показано, що сполуки ауксинової та цитокінінової д ії підвищують активність асоціативної фіксації азоту.

Вивчаючи дію синтетичного аналогу фітогормонів ауксиновоцитокінінової д ії - триману, В.Волкогон зі співавт. показали, що цей пре­ парат не впливав безпосередньо на культуру Azospirillum brasilense та її азотфіксуючу здатність, у той же час активізував процеси фіксування азоту шляхом д ії на рослину. Механізм д ії триману на процес асоціати­ вної азотфіксації зводиться до таких основних моментів:

-збільшення кореневої системи, а відтак - місця існування для заселення азотфіксаторами;

-індукція синтезу азотасиміляторних ферментів рослини, що мо­ же привести до більш швидкого зниження концентрації зв'язаних форм азоту у кореневій зоні до оптимальних показників, які не гальмують син­ тез нітрогенази в клітинах діазотрофів;

-активізація хпоропласгогенезу підвищує фотосинтез у рослин та вміст фотоасимілянтів, завдяки чому покращується забезпечення діазо­

трофів енергетичними ресурсами.

Відмічений позитивний вплив РРР на симбіотичну азотфіксацію за умов застосування оптимальних концентрацій препаратів. При замочу­ ванні насіння гороху в 0,0005%-ному розчині гетероауксину кількість ко­ реневих бульбочок збільшувалась на 30-40% . Дослідженнями А.Ф. Антипчук зі співавт. було показано, що обробка насіння сої емістимом С та івіном також активізує ті бульбочкові бактерії, які існують у ґрунті сапротрофно, внаслідок чого значно підвищується продуктивність симбіозу, утвореного бобовими рослинами з популяціями бульбочкових бактерій, внесених у ґрунт з попередніми інокупяціями насіння сої. Особливо це набуває значення за умов, копи немає можливості провести бактериза­ цію живими культурами мікроорганізмів або погодні умови (низька воло­ гість ґрунту, несприятливий температурний режим) перешкоджають ефективному розмноженню бактерій на коренях рослин.

хвороб, ш кідників і бур’янів

До нинішнього часу основним засобом боротьби проти захворю­ вань рослин, їх шкідників та бур'янів залишаються хімічні препарати -

231

пестициди. На сьогодні кількість пестицидів є настільки великою, що існує потреба у їх класифікації. Пестициди поділяють на групи за об'єктами застосування, за способами проникнення до організму шкід­ ників, за хімічною будовою.

За об'єктами застосування серед пестицидів виділяють: інсектици­ ди - для боротьби зі шкідливими комахами, акарициди - з кліщами, нематодоциди - з нематодами, родентициди - з гризунами, фунгіциди - з фітопатогенними грибами, бактерициди - з бактеріями, вірусоциди - з вірусами, гербіциди - для боротьби з бур’янами. До комплексних препа­ ратів відносять речовини, які використовують для боротьби з різними шкідливими організмами, - інсектоакарициди, інсектофунгіциди.

За способами проникнення до організму шкідників розрізняють такі групи: кишкові, що діють при проникненні через рот та кишечник; контакт­ ні - через шкіру, фуміганти - через органи дихання.

У класифікації за хімічним складом виділяють групи пестицидів за­ лежно від певних елементів, функціональних груп або радикалів, що вхсдять у ці сполуки, наприклад, мідь- і сірковмісні, хлорорганічні, фос­ форорганічні, галогенопохідні циклічних вуглеводнів, похідні нарбамінової кислоти, фенолу, фталіміду, хлоровані терпени, триазини, феноксикислоти, дитіокарбамати, гетероциклічні сполуки та ін.

Потрапляючи у ґрунт, пестициди включаються у фізико-хімічні і біо­ логічні процеси, швидкість перебігу яких зумовлена комплексом абіоти­ чних і біотичних факторів. До перших належать температура, вологість, випаровування, міграція, сорбційно-десорбційні процеси та інші.

Встановлено три головні шляхи міграції пестицидів у фунті: проник­ нення всередину агрегатів, дифузія всередині мікрочасточок та транс­ портування І сорбція в мікропорах. У ґрунті пестициди підлягають дії фізичних і хімічних факторів, внаслідок чого їх вміст може зменшува­ тись, наприклад, при гідролізі, фотолізі, випаровуванні.

Найважливішу роль у процесах сорбції хімікатів у фунті відіграє орга­ нічна речовина: показники сорбційної ємності різних ґрунтів по відношенню до пестицідів пропорційні вмістові в них органічних речовин.

Літературні дані щодо впливу засобів хімічного захисту рослин на ґрунтову мікробіоту свідчать про те. що специфіка їх д ії залежить від багатьох факторів як об’єктивного, так і суб'єктивного характеру. Зокре­ ма, слід враховувати фунтово-кліматичні умови, погодні умови року, особливості агротехніки вирощування культур, дозування препаратів, тривалість Тхзастосування по роках та багато інших.

Вивчення д ії пестицідів має такі два важливих аспекти: 1 - вплив цих сполук на мікробну клітину й угруповання мікроорганізмів; 2 - трансформація мікроорганізмами внесених сполук.

232

Дані вивчення впливу пестицидів на мііфобну клітину свідчать, що ці сполуки викликають різні ушкодження клітинних мембран і порушують їх проникність, а також знижують активність таких ферментів як АТФаза, цитохромоксидаза, нітрогеназа.

Дуже важливим є здатність деяких пестицидів та продуктів їх трансформації викликати мутаційні зміни в геномі мікроорганізмів. Ряд пестицидів - атразин, симазин, політриазин, семерон є генетично не­ безпечними для фунтових мікроорганізмів. Ґрунт, який систематично обробляється гербіцидами (лінуроном, атразином, апіроксом, ацетазином), характеризується мутагенним фоном, що у 10-20 разів перевищує частоту спонтанних мутацій тест-мікроорганізмів.

Значна кількість дослідників вважає, що в цілому мікробні угрупо­ вання фунту здатні витримувати засоби хімічного захисту рослин у ре­ комендованих виробництву дозах. У більшості випадків при застосуван­ ні засобів хімічного захисту рослин можливе тимчасове пригнічення чи­ сельності певних видів або фул мікроорганізмів із наступним її віднов­ ленням. Багаторічне внесення гербіцидів спричиняє зменшення накопи­ чення мікробної біомаси та збіднення видового різноманіття бактерій І грибів.

Відносно стійкими до дм пестицидів вважаються органогетеротрофні, педотрофні, оліготрофні, целолозоруйнівні мікроорганізми, більш чутливими є нітрифікуючі, віпьножитні азотфіксуючі та бульбочкові бак­ терії.

На прикладі бульбочкових бактерій гороху було показано, що дала­ пон і хлорацетат натрію у дозі 0,1 ммоль стимулюють, 1 ммоль - не ді­ ють, а 10 ммоль - пригнічують розвиток цих мікроорганізмів. Виявлена видова та штамова чутливість ризобій до дії засобів хімічного захисту рослин. У дозах, які негативно впливають на ріст ризобій, гербіциди та протравники призводять до послаблення вірулентності, зменшення кіль­ кості утворених бульбочок і розмірів зон бактероїдів; спостерігається також зниження нітрогеназної активності І вмісту легоглобіну. ЦІ виснов­ ки одержані в дослідах з горохом, квасолею, люпином, люцерною, ко­ нюшиною та соєю.

За даними Ю.В. Круглова, пестициди одного класу діють по-різному залежно від хімічної структури аналогів. Так, негативний вплив гербіци­ дів на процеси нітрифікації та дихання ґрунту посилюється при переході від карбаматів до тіота дитіокарбаматів.

Відмічено, що тривале (більш як 5 років) внесення гербіцидів спри­ яє збільшенню кількості гуматрозкладаючих нокардій, крім того, за ра­

233

хунок випадіння бур’янів зменшується кількість кореневих залишків. Все це призводить до збіднення запасів органічної речовини фунту. Вміст гумусу за умов застосування пестицидів зменшується на 9-18% порів­ няно з контролем (без їх застосування).

Не менш важливим аспектом взаємодії мікроорганізмів і пестицидів є трансформація цих сполук мікроорганізмами-деструкторами. Пес­ тициди є ксенобіотиками, тобто такими сполуками, хімічна структура і характер зв’язків у молекулах яких не мають аналогів серед природних речовин. Незважаючи на те, що пестициди є екзотичними субстратами для мікроорганізмів, Існують численні приклади їх біодеструкції. За да­ ними М.С. Соколова та Р.Р. Олейникова гербіцид 2,4-Д розкладають бак­ терії - представники родів Flavobacterium, Nocerdia, симазин - гриби родів Aspergillus, Pénicillium, Trichoderma, Fusarium, a також бактерії ро­ дів Arthmbacter, Flavobacterium. Виділені культури грибів Asparg0us alliaceus, Pénicillium funiculosum, які є активними деструкторами арилоксифеноксипропіонових гербіцидів. Описана також здатність представни­ ків роду Pseudomonas розкладати пестицид іпрадин, представників ро­ дів Flavobacterium та Arthrobacter- інсектициди.

Н Д . Ананьєвою зі співр. було показано, що чим більший вміст мікро­ бної біомаси у ф унті, тим швидче відбувається деструкція внесених пе­ стицидів. Тобто мікроорганізми відіфають визначальну роль у очищенні фунту від цих забруднень.

Повна деструкція пестициду однією, навіть активною культурою практично не відбувається. Всі ензими, необхідні для деструкції ксенобіотиків, навряд чи синтезуються одним видом мікроорганізмів, а для ефективного розкладу цих сполук необхідні мікробні уфуповання, що характеризуються ріноманітним видовим складом. Г.К. Скрябин, Л.О. Го­ ловиьова пояснюють це тим, що на різних стадіях деструкції беруть участь різні групи мікроорганізмів, у результаті чого мікроорганізми одного виду починають процес, а після цього трансформовану моле­ кулу пестициду атакують мікроорганізми іншого виду. Таким чином, при руйнуванні пестицидів у ф унті спостерігаються зміни в кількісному та якісному складі мікробних уфуповань, тобто сукцесія. Встановлено, зокрема, що представники родів Pseudomonas, Agrobacterium, Nitrococcus здатні використовувати пестицид делапон як джерело вуг­ лецю.

Можлива деструкція пестицидів як неростових субстратів шляхом комвтаболізму. За Л.О. Головльовою, кометаболізм - це феномен дегра­ дації або біатрансформацн хсенобіотиків мікроорганізмами за умов при­ сутності ростових субстратів, які можуть легко засвоюватись. Тобто ви­

234

користання додаткових субстратів забезпечує мікроорганізми енергією, кофакторами, ефекторами, окиснювачами, які необхідні для деградації пестицидів.

За наявності у середовищі двох субстратів - ростового і косубстрату мікроорганізми здатні здійснювати перетворення широкого кола речо­ вин: ароматичних вуглеводнів та їх похідних, алкілпіридинів, феноксиалканових кислот та інш. Як ростові субстрати при кометаболізмі пестицидів можуть бути використані вуглеводи, спирти, органічні кислоти та ін.

У процесі деструкції ксенобіотиків мікроорганізми здійснюють ряд ензиматичних перетворень: гідроліз ефірних зв'язків, відокремлення алкільних груп, гідроскилювання ароматичного ядра, відновлення нітрогруп та ін. Руйнування і мінералізація ксенобіотиків має ряд відповідних метаболічних послідовностей. На рис, 12.4 представлені основні етапи мікробної деструкції гербіцидів нового покоління зеллеку та Ілоксану, які є похідними арилоксифеноксипропЬнової кислоти. Деструкція ЇХ почи­ нається з гідролізу ефірного зв'язку двоядерних молекул з утворенням кислої форми гербіцидів. Подальша трансформація відбувається шля­ хом декарбоксилювання, ароматичного гідроксилювання, часткової дегалогенізацїї, можливе також відщеплення ацильної частини з розривом двоядерної структури молекул. Важливу роль у деструкції пестицидів відіграють оксидази широкої субстратної специфічності.

При розкладанні зазначених гербіцидів утворюється від двох до чо­ тирьох стабільних продуктів деградації - галогенізовані гетероциклічні фенольні структури, які перевищують рівень персистентності і токсичності вихідних гербіцидів. Встановлено, що при деструкції хлорфенолів також можуть утворюватись проміжні продукти - хлоранізоли І поліхпордибенздіоксини, які більш токсичні, ніж пестициди, з яких вони утворились.

Проміжні продукти можуть накопичуватись у середовищі за умов, коли відсутні необхідні кофактори, ферменти або додаткові джерела енергії. Вони отруюють мікроорганізми і можуть зовсім перервати про­ цеси очищення середовища від ксенобіотиків. Так, симтриазинові гербі­ циди (атразин, симазин, прометрин) у перші 3 місяці після їх внесення у ґрунт руйнуються на 70-75% , проте повної деструкції препаратів не від­ бувається. Залишкова їх кількість (3-6% ) виявляється і через рік після застосування. При багаторазовому їх внесенні у фунті накопичуються продукти деструкції, в основному, це деалкіловані молекули, які збері­ гають гетероциклічне триазинове кільце. Вони характеризуються незна­ чною гербіцидною дією, але негативно впливають на розвиток фунтової мікробіоти.

235

Рис. 12.4. Схема мнробноїтрансформаціїгербіцидів зелпвкутаілоксану (за А. Міху, 1998р.)

236

У ґрунті пестициди та продукти їх деградації можуть взаємодіяти з гумусовими сполуками і входити до їх складу, що підвищує стабільність цих небезпечних забруднень.

При тривалому застосуванні пестицидів відбувається перебудова мікробних угруповань із переважним розвитком мікроорганізмів, стійких до внесених сполук і здатних до утилізації цих речовин і їх аналогів. Це підштовхує виробників пестицидів на пошуки нових, ще більш токсичних препаратів. Тому ідея захисту рослин шляхом застосування штучно си­ нтезованих токсичних сполук є тактично, екологічно й економічно недо­ цільною. Більшу перспективу мають екологічно нешкідливі біологічні методи (див. розділ 10.1).

12.2. Техногенне забруднення ґрунтів

Прогресуюче насичення біосфери полютантами викликає велике занепокоєння і вимагає особливої уваги. Мігруючи в оточуючому сере­ довищі, шкідливі речовини негативно впливають на важливі структурнофункціональні блоки екосистем, акумулюються у ґрунтах, рослинах, в організмах тварин і людини.

Для того щоб оцінити стан забруднення ґрунту, необхідно провести нормування вмісту полютантів. В основу нормування вмісту шкідливих речовин у ґрунті покладено принцип, що припускає додаткове надхо­ дження їх до ґрунту у кількостях, безпечних для живих організмів. Гра­ нично допустимою концентрацією (ГДК) шкідливої речовини у ґрунті вважають таку максимальну її кількість (виражену у мг на 1 кг фунту), що гарантує відсутність негативного прямого чи опосередкованого впливу на здоров'я людини та санітарні умови проживання населення. При оцінці безпеки надходження шкідливих речовин необхідно виходити з неприпустимості перевищення межі адаптаційних можливостей орга­ нізму І самоочищувапьної здатності фунту, тобто порогу безпечної дії. Під порогом безпечної д ії хімічних речовин розуміють таку їх кількість, яка ще не викликає деструктивних змін в організмі, але перевищення якої призводить до появи негативних функціональних наслідків. У різних країнах світу значення ГДК неоднакові. Для визначення інтенсивності впливу техногенних забруднень на біологічні об’єкти використовують загальну схему типу доза-відповідь. У токсикологічних дослідженнях виділяють такі критерії д ії токсикангів: порогові концентрації, при яких дія полютанту ще не проявляється; критичні (токсичні), при яких ток­ сичний вплив забруднення найбільш негативний, проте не призводить до загибелі організмів; петельний, який викликає загибель організмів.

237

Для характеристики останнього найчастіше використовують такий по­ казник, як ЬРю - доза токсиканта, що викликає загибель половини попу­ ляції.

12.2.1. Забруднення іонами важких металів

Важкі метали - це група хімічних елементів із густиною більше ніж 5 г/см3 або відносною атомною масою більшою за 40. Ряд важких мета­ лів' (Мп, Со, Си. 2п. Мо та ін.) давно відомі як мікроелементи, вони при­ сутні в мікрокількостях у ґрунтах і необхідні для нормальної життєдіяль­ ності рослин, тварин і людини. Відома позитивна роль цих металів в утворенні ряду біологічно активних речовин - ферментів, вітамінів, ан­ тибіотиків тощо. Доведено, що метали, входячи до складу багатьох фе­ рментів, є активаторами їх дії. Метали утворюють з ферментами різно­ манітні металорганічні з’єднання різної міцності, завдяки чому беруть участь у процесах переносу електронів, зв’язують фермент із субстра­ том, на який він діє, І таке інше. Метали відіграють важливу роль у вуг­ леводному обміні, процесах дихання, утворенні пігментів.

Виділяють групу металів, за якими закріпилось негативне поняття - “важкі", тобто токсичні. Це - ртуть (Нд), кадмій (Сф, свинець (РЬ), хром (Сг), цинк (1п), кобальт (Со) та Інші. їх іони відносять до найбільш не­ безпечних забруднень навколишнього середовища. Механізм токсичної дії важких металів може бути обумовлений антиметаболітною роллю, здатністю утворювати стабільні осади (хелати) з конструктивними мета­ болітами, можливістю каталізувати розпад життєво важливих метаболі­ тів, у результаті чого вони стають недоступними для клітини, здатністю заміщати структурно важливі елементи, що призводить до порушення ферментної чи клітинної функції.

Надмірне накопичення важких металів у ґрунтах порушує перебіг природних процесів і загрожує здоров’ю живих організмів.

Основними джерелами забруднення ґрунту важкими металами є аерозольні викиди в атмосферу промислових підприємств і автотранс­ порту у вигляді окислів та сульфідів, тверді відходи промисловості, стіч­ ні води підприємств і тваринницьких комплексів, рідкі і тверді ВІДХОДИ міст, мінеральні добрива, пестициди та інші хімічні препарати, а також самі родовища металів.

Глибина проникнення у ґрунт важких металів, які надходять із газо­ пиловими викидами промислових підприємств, на відстані від джерела забруднення 1-2 км досягає 25-45 см.

Примітка: тут І далітермін 'Важкіметали"вживаний урозуміннііонноїформи цього

металу.

238