Микробиологическая активность и фитотоксичность лугово-черноземной почвы в условиях применения йода

Для России проблема йодного дефицита чрезвычайно актуальна, так как более 70% территории страны имеют недостаток йода в воде, почве и продуктах питания местного происхождения [1]. К йододефицитным регионам относят и Омскую область [2]. Одним из перспективных способов решения проблемы недостатка микроэлементов в почве, растениях, соответственно в пище животных и человека, является их применение в сельскохозяйственном производстве, в частности, агрохимический метод [3].

В то же время действие йода на химический состав и микробиологическую активность почвы в южной лесостепи Омской области изучено недостаточно, кроме того, физиологическая роль, а также механизмы его взаимодействия в почве все еще до конца не известны.

В связи с этим нами была поставлена цель исследований – оценить влияние йода на микробиологическую активность и фитотоксичность лугово-черноземной почвы, выявить оптимальные и токсичные дозы микроэлемента.

Объекты и методы

Для решения поставленной цели проведены лабораторные опыты с 21-дневным компостированием лугово-черноземной почвы в условиях применения микроэлемента в дозах от 1 до 27 кг/га. Йод вносили в почву в виде иодида калия. Исследования проведены в 2013–2015 гг.

Подсчитывали численность микроорганизмов в почвенных образцах в ФГБНУ «Сибирский научно-исследовательский институт сельского хозяйства». Путем высева на твердые питательные среды устанавливали численность почвенных микроорганизмов: бактерий, утилизирующих органические соединения азота на мясо-пептонном агаре (МПА); микроорганизмов, потребляющих минеральный азот на крахмало-аммиачном агаре (КАА); олигонитрофилов на среде Мишустиной; фосфатмобилизующих бактерий на среде Муромцева-Герретсена. Водный выщелоченный агар с добавлением двойной соли фосфорной кислоты использовали для нитрификаторов, подкисленную среду Чапека – для грибов. Посев осуществлялся методом последовательных разведений.

Для оценки фитотоксичности почвы в условиях применения йода нами проведены лабораторные исследования по определению воздействия различных концентраций йода на всхожесть, энергию прорастания, интенсивность начального роста семян. В исследованиях

для определения суммарной токсичности почвы использованы семена редиса красного с белым кончиком согласно методике В.Г.Минеева и соавторов [4]. По окончании исследования полученные данные обрабатывали статистически.

Результаты и обсуждение

Микроорганизмы в почве образуют сложный биоценоз, в котором различные их группы находятся между собой в сложных отношениях. Дополнительное внесение микроэлементов в почву способно повлиять на состояние микробного сообщества. Влияние избыточных количеств химических элементов на состояние почвенной биоты может выражаться в перераспределении сообщества. В условиях проведенного эксперимента установлены зависимости между дозой вносимого йода и содержанием ряда агрономически важных микроорганизмов почвы (рис. 1).

Рис. 1. Численность микроорганизмов при применении йода в форме иодида калия

Согласно данным, представленным на рис. 1, можно сделать вывод о неоднозначном влиянии йода на численность микроорганизмов. Установлено: йод в форме иодида калия способствует увеличению количества бактерий, утилизирующих органические соединения азота на МПА. Оптимальная доза микроэлемента – 21 кг/га. В среднем за годы исследования численность этой группы микроорганизмов в данном варианте увеличилась в 6,5 раз по сравнению с контролем. Численность микроорганизмов составляет 193,6 млн КОЕ/г, при содержании на контроле 29,8 млн КОЕ/г. С увеличением дозы йода его стимулирующее действие снижается, однако даже при самой высокой дозе в опыте (27 кг/га) численность микроорганизмов, растущих на МПА, превышает уровень контроля в 3,5 раза.

Аналогичная тенденция установлена при оценке влияния йода на количество микроорганизмов, потребляющих минеральный азот на КАА. Наибольшая численность отмечена в варианте с применением йода в дозе 21 кг/га (в среднем за годы исследования 104,6 млн КОЕ/г), что превышает уровень контроля в 2,8 раз.

Также доза 21 кг/га наиболее благоприятна для роста численности микроорганизмов олигонитрофилов (их количество превышает контрольный уровень в 5,3 раза, составляя 351,6 млн КОЕ/г) и бактерий-нитрификаторов. В целом можно сделать вывод о стиму- лирующем влиянии йода относительно численности микроорганимов, участвующих в азотном обмене.

Установлена прямая зависимость между дозами йода, внесенного в луговочерноземную почву в форме иодида калия, и количеством фосфатмобилизующих бактерий (уравнение (1).

y = 11,59x + 50,41, r = 0,83. (1)

Наибольшее количество фосфатмобилизующих бактерий отмечено в эксперименте при максимальной дозе йода – 27 кг/га – 488,4 млн КОЕ/га, это выше уровня контроля в 5,8 раз.

Исследования показали, что уровень адаптации у разных физиологических групп организмов неодинаков: одни виды реагировали положительно на значительные количества микроэлемента, численность некоторых бактерий снижалась, у отдельных микроорганизмов синергетические отношения с йодом сменялись антагонизмом.

Целлюлозоразрушающие микроорганизмы – физиологическая группа бактерий, включающая представителей разных таксонов. Их общее свойство – способность к ферментативному расщеплению целлюлозы. Исходя из установленной нами зависимости между дозами йода и численностью данной группы микроорганизмов, можно сделать вывод об угнетающем действии микроэлемента (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость между дозами йода и численностью целлюлозоразрушающих микроорганизмов

Максимальное снижение численности микроорганизмов отмечено при дозе 27 кг/га. Численность целлюлозоразрушающих микроорганизмов составила 10 тыс. КОЕ/г, при уровне на контроле 86,1 тыс. КОЕ/г.

По мнению В.В. Ковальского, важен вопрос: каким образом микроорганизмы адаптируются к повышенному содержанию микроэлемента и при какой его концентрации в почве адаптационные механизмы уже не работают. Так, максимальная численность грибов отмечается при внесении йода в почву в дозе 18 кг/га. С увеличением концентрации количество грибов снижается, однако и при максимальных дозах превышается уровень контроля. Зависимость между численностью этой группы организмов и дозами йода выражается уравнением (2).

y = –0,22x2 + 6,55x + 36,2, R² = 0,62 (2)

Все сказанное позволяет сделать вывод: реакция микробного сообщества на применение йода неоднозначна и зависит от дозы и вида микроорганизма.

На рис. 3 представлена общая численность микроорганизмов в лугово-черноземной почве в зависимости от количества вносимого микроэлемента.

Рис. 3 . Общая численность микроорганизмов

Согласно данным, представленным на рис. 3, йод оказал стимулирующее влияние на общую численность микроорганизмов. Оптимальна доза микроэлемента 21 кг/га.

Для оценки влияния йода на растительный организм использовали биотестирование – один из основных методов биологического анализа на организменном и популяционном уровнях организации [4, 5].

Проведенные исследования показывают, что в небольших дозах йод в основном оказывает стимулирующее влияние на начальные показатели роста и развития редиса, с повышением дозы оно снижается. В то же время йод не оказывает значимого токсического действия на всхожесть и энергию прорастания семян редиса. Не отмечено зависимости между концентрацией микроэлемента в почве и высотой ростка редиса (рис. 4).

Рис. 4 . Высота ростка (в среднем за 2013–2014 гг.)

По данным проводимых исследований установлено: дозы йода от 1 до 18 кг/га в основном оказали стимулирующее влияние на длину корня, однако свыше 21 кг/га наблюдался токсический эффект: уменьшение этого показателя в среднем на 20–30% (рис. 5).

Рис. 5 . Длина корня (средняя за 2013–2014 гг.)

Выводы

Подводя итог следует сказать о том, что йодсодержащие удобрения оказывают значительное влияние на биологическую активность лугово-черноземной почвы. В основном йод оказывает стимулирующие действие на численность почвенных микроорганизмов, не проявляя значимого токсического эффекта. В то же время применение его повышенных доз может стать причиной негативного воздействия микроэлемента на рост и развитие растений.