Оценка микробиологических показателей агрочерноземов опытных хозяйств Красноярской лесостепи

Svetlana V. Prudnikova

Siberian Federal University, Institute of Fundamental Biology and Biotechnology, Professor at the Basic Department of Biotechnology, Doctor of Biological Sciences, Krasnoyarsk, Russia

Nadezhda V. Streltsova

Siberian Federal University, Institute of Fundamental Biology and Biotechnology, Assistant at the Basic Department of Biotechnology, Krasnoyarsk, Russia

Vasily N. Romanov

Krasnoyarsk Research Institute of Agriculture - a separate subdivision of the Federal Research Center "Krasnoyarsk Scientific Center of the Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences", Chief Researcher at the Department of Agricultural Technologies, Doctor of Agricultural Sciences, Krasnoyarsk, Russia

Natalia L. Kurachenko

Krasnoyarsk State Agrarian University, Professor at the Department of Soil Science and Agrochemistry, Doctor of Biological Sciences, Professor, Krasnoyarsk, Russia

Введение. Агроэкосистемы испытывают значительный антропогенный прессинг, негативно отражающийся на плодородии почв и состоянии почвенной биоты. Микробные сообщества почвы играют ключевую роль в функционировании агроэкосистем, оказывая влияние на качество почвы, доступность питательных веществ и развитие растений, а также осуществляют трансформацию пестицидов и иных поллютантов, инактивируя их или используя в качестве питательных субстратов. Между тем избыточные концентрации пестицидов в агрогенных почвах могут оказывать негативное воздействие на микроорганизмы, снижая их ферментативную активность, что в сочетании со слабой биодеградируемостью пестицидов может представлять серьезный риск для окружающей среды и здоровья человека [1–3]. Несмотря на высокую специфичность современных пестицидов, невозможно полностью избежать отрицательного воздействия на нецелевые объекты, так как механизмы действия этих препаратов основаны на нарушении биосинтетических процессов и затрагивают важные клеточные функции [4, 5]. Длительное применение агрохимикатов приводит к значительному снижению численности и видового разнообразия почвенных микроорганизмов [6], а это в свою очередь нарушает процессы почвообразования, снижает продуктивность почвы и ее деграда-ционный потенциал не только в отношении пестицидов, но и в отношении разнообразных полимерных материалов, которые широко применяются в сельском хозяйстве в качестве укрывного и мульчирующего материала, тары и упаковки, полива и орошения, основы для депонирования удобрений и пестицидов и т. д. [7, 8].

Существующая проблема загрязнения почв неразрушаемыми пластиками ведет к необходимости перехода на биодеградируемые материалы, трансформирующиеся в почве под действием микроорганизмов в безопасные вещества, нетоксичные для биоты. В качестве альтер- нативы рассматривается целый ряд биополимеров – полилактид, целлюлоза, агароза, крахмал, хитозан, полигликолид, полигидроксиалка-ноаты и пр. [9–12]. Среди широкого спектра биополимеров полигидроксиалканоаты (ПГА) обладают рядом преимуществ – способны к полной деградации в почве под действием микробных ферментов, не угнетают развитие почвенной биоты и растений, совместимы со многими агропрепаратами. Также ПГА оказывают селективное действие на почвенную микрофлору в сторону увеличения видового разнообразия бактерий – деструкторов, обладающих способностью к биодеградации труднодоступных органических соединений (углеводородов, ксенобиотиков), и усиливают таким образом биоде-градационный потенциал почв [12].

Высокая антропогенная нагрузка на агроэкосистемы может негативно повлиять на структуру микробного сообщества, поэтому важно учитывать этот фактор при оценке метаболического потенциала агрогенных почв.

Цель исследования : оценка структуры микробных сообществ агрочерноземов Красноярской лесостепи на опытных полях учхоза «Мин-дерлинское» ФГБОУ ВО Красноярский ГАУ и Мининского полевого стационара КрасНИИСХ ФИЦ КНЦ СО РАН.

Объект и методы исследования. Исследование почвенной микрофлоры проводили в вегетационный период 2020 г. на опытных участках учхоза «Миндерлинское» ФГБОУ ВО «Красноярский государственный аграрный университет» (п. Борск, Сухобузимский район, Красноярский край) и Мининского полевого стационара Красноярского НИИСХ ФИЦ КНЦ СО РАН (д. Минино, Емельяновский район, Красноярский край). Агрохимические показатели почвы исследуемых участков представлены в таблице 1. Вегетационный сезон 2020 г. характеризовался как теплый, с высокой среднесуточной температурой в начале вегетационного периода (табл. 2).

Таблица 1

Показатель	Учхоз «Миндерлинское»	Мининский стационар
Тип почвы	Чернозем выщелоченный, среднемощный, легкоглинистый	Чернозем обыкновенный, маломощный, среднесуглинистый
Содержание гумуса	6,6–7,2	8,4–8,7
рН H2O	6,9–7,5	7,1–7,8
Сумма поглощенных оснований, моль/100 г	51,5–63,5	40,0–45,5
Азот нитратный, мг/кг	4,5–4,9	7,6–19,3
Подвижный фосфор, мг/кг	161,3–190,3	49–53
Обменный калий, мг/кг	270,3–311,7	214,0–269,0
Запасы продуктивной влаги, мм	43,8	32,3

Таблица 2

Месяц	Средняя температура воздуха, °С	Среднемноголетние показатели температуры воздуха, °С	Сумма осадков за месяц, мм	Среднемноголетний уровень осадков, мм
Мининский стационар
Май	14,0	9,8	93	37,4
Июнь	15,7	18,0	94	63
Июль	18,2	19,0	111,3	76
Август	18,1	15,7	76,9	67
Учхоз «Миндерлинское»
Май	14,0	8,0	52,0	32,0
Июнь	16,3	15,2	103,0	44,0
Июль	19,6	18,4	58,0	69,0
Август	18,1	14,9	52,0	62,0

Характеристика почвы в районах исследования (0–20 см)

Показатели температуры и количества осадков вегетационного сезона 2020 г.

Количество осадков в д. Минино с мая по август значительно превышало среднемноголетние показатели. По данным метеостанции «Су-хобузимское», максимальная влагообеспечен-ность была отмечена в мае-июне, тогда как в июле и августе сумма осадков составила 84 % от нормы.

Анализ микробиологических показателей образцов почвы проводили общепринятыми методами [13]. Оценивали количественные показатели эколого-трофических групп микроорганизмов: копиотрофов – на мясопептонном агаре; прототрофов – на крахмало-аммиачном агаре;

олиготрофов – на почвенном агаре; азотфикса-торов и олигонитрофилов – на агаре Эшби. Рассчитывали коэффициенты минерализации и олиготрофности. Численность почвенных мик-ромицетов определяли на картофельно-декстрозном агаре. Посев почвенных суспензий производили в трехкратной повторности из разведений до 106. Идентификацию микромицетов проводили на основании морфологических признаков [14]. Идентификацию чистых культур доминирующих бактерий проводили методом вре-мяпролетной масс-спектрометрии с использованием масс-спектрометра MALDI-TOF MS Mic- roflex (Bruker Daltonics, Германия). Статистический анализ проводили с использованием пакетов программ Excel MS Office 2019, R версия 4.0.3 и RStudio версия 1.3.1093.

Результаты исследования и их обсуждение. Исследование микрофлоры почвы на опытных участках, проведенное в начале вегетационного периода (18–19 мая), выявило отличия в количестве и соотношении эколого-трофических групп микроорганизмов. Так, в почве Мининского стационара численность копиотрофов была в 18,8 раза выше, а микромицетов – в 6 раз выше, чем в почве учхоза «Миндерлинское» (табл. 3), в то же время коэффициенты минерализации и олиготрофности не превышали 1,0 ед., что в совокупности с низкой численностью азотфиксато-ров указывало на незавершенность процессов минерализации и высокое содержание доступных форм азота. Коэффициенты минерализации и олиготрофности в почве учхоза «Миндерлин-ское» были высокими и составили в среднем 1,85 и 2,30 ед. соответственно, что свидетельствовало о низком содержании доступных форм азота в почве. Такие показатели согласуются с данными о химическом составе почв обследуемых участков (см. табл. 1).

Таблица 3

Показатель	Район исследования
	Учхоз «Миндерлинское»	Мининский стационар
Численность бактерий, 106 КОЕ в 1 г почвы:
копиотрофы	12,0±2,4	225,6±31,2
прототрофы	22,2±4,5	212,4±25,8
олиготрофы	27,6±5,4	186,6±30,6
азотфиксаторы	4,0±0,9	2,2±0,5
Численность микромицетов, 103 КОЕ в 1 г почвы	49,2 ± 7,2	297,0±66,0
Коэффициент минерализации, ед.	1,85±0,05	0,94±0,02
Коэффициент олиготрофности, ед.	2,30±0,01	0,82±0,03

Микробиологические показатели почвы опытных участков

В течение вегетационного периода 2020 г. характер флуктуаций численности микроорганизмов на обоих участках в разные месяцы отличался (рис. 1). На Мининском стационаре максимум численности бактериального и грибного сообществ приходился на начало августа, тогда как в почвах учхоза «Миндерлинское» максимум численности бактерий отмечали в конце августа (рис. 1, а), а микромицетов – в конце июня (рис. 1, б). Анализ выявил положительную корреляцию между численностью мик-ромицетов и количеством осадков: коэффициенты корреляции составили 0,7 и 0,9 на участках Мининского стационара и учхоза «Мин-дерлинское» соответственно. При сравнительном анализе выявлены отличия и в таксономическом составе микробных сообществ. В почвенных образцах учхоза «Миндерлинское» до- минировали грамположительные палочки – 76,2 %, из которых чаще всего встречались Bacillus simplex (23,8 %) и Bacillus pumilus (14,3 %). Среди грамотрицательных палочек преобладали Pseudomonas kilonensis (14,3 %). В почвах Мининского стационара грамположи-тельные бактерии были также представлены преимущественно видами рода Bacillus (B. pumilus – 20,5 % и B. safensis – 19,3 %), однако доля грамотрицательных бактерий увеличилась до 45,5 %, в том числе Pseudomonas mandelii (28,4 %). Высокая частота встречаемости видов Bacillus simplex и Pseudomonas spp., среди которых выявляют бактерии – деструкторы полигидроксиалканоатов, указывает на потенциальную способность аборигенной микрофлоры опытных участков к трансформации биополимеров этого класса.

Рис. 1. Динамика численности почвенных бактерий (а) и микромицетов (б) за вегетационный период 2020 г.

Среди микромицетов на обоих участках были идентифицированы типичные представители. В почвах учхоза «Миндерлинское» доминировали виды рода Penicillium (27,5 %), Trichoderma (17,6 %) и Fusarium 15,7 %. В почвах Мининского стационара на первом месте также был Penicillium (42,6 %), доля видов Trichoderma была незначительная – всего 2,1 %, но на втором месте по численности были виды рода Fusarium (21,3 %), которые в совокупности с представителями рода Alternaria составляли высокий инфекционный фон почвы, достигающий 27,7 %.

Анализ таксономического разнообразия доминирующих представителей микроорганизмов в течение вегетационного периода, проведенный методом главных компонент, показал, что области значений частоты встречаемости разных видов формируют отдельные кластеры, соответствующие двум районам исследования.

Такое распределение указывает на достоверные различия в соотношении разных таксонов в почвах обследуемых участков опытных полей (рис. 2). В бактериальном сообществе первые две главные компоненты объясняют 64,34 % дисперсии. Наибольший вклад в первую компоненту вносят виды рода Bacillus ( B. simplex , B. marisflavi и B. pumilus ), ассоциированные с областью, соответствующей учхозу «Миндерлин-ское», а противоположный кластер формируют виды P. mandelii , B. safensis, Rhodococcus erythropolis, Arthrobacter polychromogenes и Arthrobacter parietis , распределившиеся в области Мининского стационара (рис. 2, а). Во вторую компоненту вносят наибольший вклад виды Micrococcus luteus , Streptomyces avidinii и Streptomyces badius , одинаково представленные на обоих участках.

Рис. 2. Анализ главных компонент соотношения доминирующих бактерий (а) и микромицетов (б) в агрочерноземах опытных участков

В сообществе микромицетов первые две компоненты объясняют 65,58 % дисперсии. Большинство таксонов вносят относительно высокий вклад (0,61–0,93) в первую компоненту, за исключением родов Penicillium, Mucor и Mortierella , которые выявляются в большинстве почвенных проб обоих обследуемых участков (см. рис. 2, б). Представители родов Verticillium, Fusarium и Alternaria , проявляющие фитопатогенные свойства, распределились в области Мининского стационара, что может указывать на слабую супрес-сивность почв, обусловленную небольшой долей естественных видов-антагонистов из рода Trichoderma в сообществе микромицетов, по сравнению с почвой учхоза «Миндерлинское». В то же время в почвах Мининского стационара в течение вегетационного периода обнаруживались виды бактерий R. erythropolis, A. polychromogenes, P. mandelii , обладающие высоким катаболическим потенциалом и участвующие в биоремедиации почв и биотрансформации сложных органических соединений [12].

Выводы. Микробиологический анализ почвы опытных полей учхоза «Миндерлинское» и Мининского стационара, проведенный в течение вегетационного сезона 2020 г., выявил различия в численности микроорганизмов, связанные как с агрохимическими свойствами почвы, так и с погодными условиями сезона.

Почвы учхоза «Миндерлинское» обладают хорошими супрессивными свойствами, благодаря присутствию в популяции большой доли грибов-антагонистов из рода Trichoderma и низкому инфекционному фону фитопатогенных грибов Fusarium и Alternaria . Различия в таксономическом составе почвенных бактерий указывают на высокий потенциал почв Мининского стационара к деградации сложных органических соединений, в том числе полигидроксиалканоа-тов, так как среди бактерий, обнаруженных в образцах почвы ( Bacillus safensis Rhodococcus erythropolis, Arthrobacter polychromogenes, Pseudomonas mandelii ), есть виды, ранее описанные как ПГА-деструкторы, а также способные к биотрансформации ароматических углеводородов и ксенобиотиков.