Результаты исследований

I. Биологическая активность дерново-подзолистой почвы

Активность процессов микробной трансформации азота и углерода

Показатели активности микробиологических процессов цикла азота (азотфиксация и денитрификация) и углерода (дыхание и метаногенез) используются для целей нормирования разнообразных токсикантов, включая и тяжелые металлы (Умаров, 1986). В наших исследованиях удалось выяснить, что применение возрастающего количества традиционных и нетрадиционных органических удобрений способствовало усилению процессов азотфиксации в оба срока исследований (рис. 1). По данным микрополевого опыта, проведенного в ЦОС ВИУА, тяжелые металлы, вносимые в почву с ОСВ, не оказывают угнетающего воздействия на активность азотфиксации, что можно объяснить тем, что содержание этих элементов в почве находится в пределах их ПДК. Вероятно, они адсорбируются органическим веществом почвы и связываются фосфором. Кроме того, увеличение содержания доступного фосфора при внесении компостов стимулирует азотфиксацию. Нитрогеназная активность в образцах почв при внесении компоста I выше, чем компоста II, что может быть связано с меньшим содержанием тяжелых металлов в свежих осадках.

Рис.1. Активность азотфиксации в дерново-подзолистой почве, при

внесении осадков сточных вод и навоза (микрополевой опыт).

Активность азотфиксации на участках агромониторинга была выше в группе почв с внесением осадков сточных вод (рис. 2), что можно объяснить высоким содержанием органического вещества и подвижного фосфора в этих почвах.

Рис.2. Активность азотфиксации в дерново-подзолистой почве на

участках агромониторинга.

Денитрификация в почве во всех вариантах микрополевого опыта в разные сроки исследования достоверно не отличалась от контроля (рис.3). Процесс денитрификации не зависел от качества вносимых компостов и наличия в них тяжелых металлов. Можно отметить тенденцию к нарастанию активности данного процесса с увеличением дозы вносимых компостов.

Рис. 3. Активность денитрификации в дерново-подзолистой почв, при

внесении органических удобрений (микрополевой опыт).

Кроме того внесение компостов на основе ОСВ не оказало влияния на конечные продукты денитрификации: во всех вариантах опыта денитрификация проходила до образования молекулярного азота. Это может быть связано с одинаковым количеством нитратов в почве (от 24,6 до 29,5 мгN-NО₃/кг) и устойчивым соотношением С:N.

В образцах почв с участков агроэкологического мониторинга применение осадков так же не влияло на общие газообразные потери азота в процессе денитрификации (рис. 4).

Рис.4. Активность денитрификации в дерново-подзолистой почве на участках

агроэкологического мониторинга.

Однако следует отметить, некоторое увеличение доли закиси азота в газообразных продуктах денитрификации в почвах вариантов группы А (рис.5). Известно, что тяжелые металлы не оказывают заметного влияния на процесс восстановления нитратов, но снижают активность редуктазы закиси азота (Умаров и др., 2007), вследствие чего происходит увеличение доли закиси азота в конечных продуктах денитрификации.

Рис.5. Соотношение закиси азота и молекулярного азота в конечных

продуктах денитрификации в дерново-подзолистой почве на участках

агроэкологического мониторинга.

При изучении влияния ОСВ и навоза на активность выделения углекислого газа достоверные изменения (рис. 6) наблюдались в вариантах с внесением органических удобрений в дозах 35 т/га.

Рис. 6. Эмиссия углекислого газа из дерново-подзолистой почвы при

внесении осадков сточных вод и навоза (микрополевой опыт).

Активность эмиссии углекислого газа в образцах дерново-подзолистой почвы с компостами была выше по сравнению с вариантами, где вносили навоз, так как навоз КРС содержит солому, которая разлагается медленнее, чем органическое вещество ОСВ.

Измерение дыхания в образцах дерново-подзолистой почвы с участков агроэкологического мониторинга показало, что внесение осадков сточных вод существенно не влияло на этот показатель биологической активности почв (рис. 7).

Рис.7. Эмиссия углекислого газа из дерново-подзолистой почвы на

участках агроэкологического мониторинга.

Эмиссия метана в опытных вариантах микрополевого опыта существенно не отличалась от контроля (рис.8). Только в вариантах с компостом I и навозом в дозах 10 т/га эмиссия метана была несколько ниже, чем в контрольной почве.

Рис.8. Эмиссия метана из дерново-подзолистой почвы при внесении

органических удобрений (микрополевой опыт).

При изучении метаногенеза в образцах с участков агромониторинга в группе объектов А, в которые вносили высокие дозы ОСВ, наблюдалось заметное увеличение эмиссии метана по сравнению с участками группы В, где осадки не применяли (рис. 9).

Рис. 9. Эмиссия метана из дерново-подзолистой почвы на участках

агроэкологического мониторинга.

Показатели микробиологической трансформации азота и углерода - интегральные характеристики активности всех основных групп почвенных микроорганизмов. С целью более подробного изучения влияния осадков сточных вод на биологическую активность почв, анализировали структуру микробного комплекса сапротрофных бактерий.

Структура микробного комплекса сапротрофных бактерий дерново-подзолистой почвы

В структуре микробного комплекса всех исследованных почв доминировали представители 6 родов бактерий. Потенциальными доминантами (>25-30%) были коринеподобные бактерии и бактерии рода Bacillus - типичные представители почв агроценозов. Минорным компонентом (<5%) были бактерии родов Spirillum, Flexibacter, группы Flavobacterium-Cytophaga. В посевах из образцов почв, взятых с варианта опыта с внесением 35 т/га навоза, потенциальными доминантами были стрептомицеты и споровые бактерии; коринеподобные бактерии входили в группу среднего обилия (5-25%) (табл. 3).

В почвах на участках агроэкологического мониторинга также определяли численность и структуру комплекса сапротрофных бактерий. Имеющиеся результаты показали значительную разницу в численности микроорганизмов (табл. 4). Так, в образцах почвы из Балашихинского района (вариант А1), где вносили высокие дозы ОСВ, численность сапротрофных микроорганизмов была на порядок ниже, чем в почвах из группы объектов В.

Таблица 3.

Таксономический состав бактериального комплекса дерново-подзолистой почвы, при внесении компостов 1, 2 и навоза в микрополевом опыте.

Образец	Доминанты	Среднее обилие	Минорные компоненты
Контроль	Arthrobacter Rhodococcus Bacillus	не обнаружено	Spirillum Flexibacter Flavobacterium- Cytophaga
Компост I 10т/га	Arthrobacter Rhodococcus Bacillus	не обнаружено	Spirillum Flexibacter Flavobacterium- Cytophaga
Компост I 35т/га	Arthrobacter Rhodococcus Bacillus	не обнаружено	Spirillum Flexibacter Flavobacterium- Cytophaga
Компост II 10т/га	Arthrobacter Rhodococcus Bacillus	не обнаружено	Spirillum Flexibacter Flavobacterium- Cytophaga
Компост II 35т/га	Arthrobacter Rhodococcus Bacillus	не обнаружено	Spirillum Flexibacter Flavobacterium- Cytophaga
Навоз 10т/га	Arthrobacter Rhodococcus Bacillus	не обнаружено	Spirillum Flexibacter Flavobacterium- Cytophaga
Навоз 35т/га	Bacillus Streptomyces	Arthrobacter Rhodococcus	Spirillum Flexibacter Flavobacterium- Cytophaga

Таблица 4.

Численность микроорганизмов (на ГПД-среде) в дерново-подзолистой почве на участках агроэкологического мониторинга, сентябрь 2000г.

Район, вариант опыта	Балашихинский, (А1)	Каширский, (В1)	Чеховский, (В2)	Домодедовский, (В4)
Численность микроорганизмов, млн.КОЕ/г почвы	1,8±0,15	31,0±3,3	20,0±1,8	8,0±0,78

Таксономический состав сапротрофных бактерий в почвах на участках агроэкологического мониторинга существенно различался. Выделяли не менее 13 родов бактерий (табл. 5).

Таблица 5.

Таксономический состав бактериального комплекса почв с участков агроэкологического мониторинга (ГЦАС «Московский»).

Район, вариант опыта	Доминанты	Субдоминанты	Среднее обилие	Минорные компоненты
Балашихинский район, (А1)	не обнаружено	не обнаружено	Arthrobacter Rhodococcus Bacillus Spirillum Streptomyces Flavobacterium Cytophaga Cellulomonas	Flexibacter Xanthomonas Caulobacter Promicromonospora Myxococcus
Домодедовский район, (В4)	Streptomyces Bacillus	не обнаружено	Arthrobacter Rhodococcus Spirillum	Cellulomonas
Каширский район, (В1)	Arthrobacter	Rhodococcus	Bacillus Streptomyces Cellulomonas	Spirillum Flavobacterium Cytophaga Micrococcus
Чеховский район, (В2)	Arthrobacter	Streptomyces	Rhodococcus Bacillus	Spirillum Flavobacterium Cytophaga Alcaligenes Xanthomonas Micrococcus

В образцах почв из районов группы В, где ОСВ не применяли, вне зависимости от природно-климатических условий, нами было отмечено преобладание грамположительных, а именно коринеподобных бактерий, бацилл, актиномицетов – типичных педобионтов. Так, в образце почвы Домодедовского района потенциальными доминантами были Streptomyces, Bacillus. В образцах почв Каширского и Чеховского районов - представители рода артробактер. В образцах почв Балашихинского района (вариант А1) потенциальных доминантов и субдоминантов не обнаружено. В равной степени были представлены Arthrobacter, Rhodococcus, Bacillus, Cytophaga, Spirillum. Очевидно, такое значительное изменение структуры комплекса сапротрофных бактерий в почве из Балашихинского района связано с длительным внесением ОСВ в дозах, во много раз превышающих рекомендуемые.

Оценка микробной биомассы в образцах дерново-подзолистой почвы микрополевого опыта показала, что в варианте с внесением компоста I в дозе 10 т/га микробная биомасса в 2 раза выше по сравнению с остальными образцами (рис. 10). Объяснить это можно высоким содержанием легкодоступного углерода и более низким, по сравнению с компостом II, содержанием тяжелых металлов.

Рис. 10. Содержание микробной биомассы в дерново-подзолистой почве

при внесении осадков сточных вод и навоза (микрополевой опыт).

При определении биомассы микроорганизмов кинетическим методом в образцах почв с участков агроэкологического мониторинга достоверных различий не обнаружено.

С целью определения влияния свойств почв на показатели ее биологической активности нами были рассчитаны коэффициенты корреляции между величинами активности азотфиксации, денитрификации, эмиссии СО₂ и характеристиками почвенных условий. Результаты корреляционного анализа показали, что нет прямой связи между интенсивностью этих процессов и почвенными показателями, в частности, содержанием тяжелых металлов. Можно полагать, что содержащиеся в различных осадках сточных вод тяжелые металлы в высоких концентрациях не оказывают влияния на основные показатели биологической активности дерново-подзолистой средне-суглинистой почвы: дыхание, метаногенез, активность азотфиксации и денитрификации. Однако внесение осадков в дозах, значительно превышающих рекомендуемые, приводит к сокращению численности и перестройке структуры комплекса сапротрофных почвенных микроорганизмов.

Функциональное разнообразие микробных сообществ дерново-подзолистой почвы

Для установления закономерностей изменения функциональных профилей микробных сообществ дерново-подзолистой почвы при внесении ОСВ использовали метод мультисубстратного тестирования (МСТ).

Согласно данным, полученным методом МСТ, внесение в дерново-подзолистую почву как традиционных удобрений (навоза КРС), так и компостов на основе ОСВ приводит к увеличению показателя выровненности (Е) потребления субстратов микробными сообществами почв. Высокие дозы (35 т/га) удобрений увеличивали также и разнообразие (индекс Шеннона (Н)) потребляемых субстратов по сравнению с контрольной почвой (рис.11).

Рис.11. Разделение образцов дерново-подзолистой почвы в пространстве

параметров функционального биоразнообразия при оценке суммарного

действия и последействия компостов и навоза (H- индекс Шеннона, Е-

выровненность).

Анализ устойчивости системы в отношении потребляемых субстратов по величине коэффициента (d) указывает на существенные различия почв с внесением компостов в максимальной дозе (d>1,2) от остальных образцов (d=0,62-0,71). Высокие значения этого показателя и его значительное отличие от величины в других образцах указывают на существенные изменения функциональной целостности микробной системы и определенном негативном влиянии компостов ОСВ в дозах 35 т/га.

Кластерный анализ данных МСТ выявил сходство контрольной почвы и почвы, в которую вносили 35 т/га навоза и резкое отличие почв этих вариантов от почв с внесением компостов I и II в дозах 10 и 35 т/га (рис.12).

Таким образом, внесение ОСВ в рекомендуемых дозах, согласно “Типовому технологическому регламенту использования осадков сточных вод в качестве органического удобрения” (Типовой технологический регламент..., 2000) не приводит к изменению процессов микробиологической трансформации азота и углерода и микробного комплекса сапротрофных бактерий дерново-подзолистой почвы.

Рис.12. Дендрограмма сходства (по Варду) микробных комплексов в

образцах дерново-подзолистой почвы (метод МСТ).

Однако, изучение спектра потребляемых субстратов микробными сообществами и расчет коэффициента устойчивости показали значительные негативные изменения целостности микробной системы в вариантах с внесением высоких доз компостов на основе осадков сточных вод.