Введение
Анализ современного состояния мирового агропромышленного комплекса показывает, что во многих странах мира приоритет отдан развитию пастбищного животноводства [1,2]. Однако в настоящее время, наблюдается устойчивая тенденция к деградации пастбищных земель, что связано с нерегулируемым выпасом скота и отсутствием контроля над состоянием пастбищ. Большая часть пастбищ серьезно нарушена, исчезли ценные кормовые травы, почвы сильно истощены, потери гумуса в них составляют 25-30% [3]. Ветровой эрозии подвержены 60% пастбищных земель, более 50% почв в той или иной степени засолены, 26% составляют пастбища, где изменения приобрели необратимый характер, то есть их самовосстановление невозможно или требует крупные вложения и длительный заповедный режим [4,5]. Все эти негативные процессы вызывают обеднение биоразнообразия, снижение продуктивности природных пастбищных экосистем и, как следствие, ухудшение кормовой базы пастбищного животноводства [6-7]. Такое неудовлетворительное состояние пастбищ выдвигает насущную проблему — восстановление и повышение их продуктивности.
Одним из наиболее перспективных решений является использование ЭМ-технологии (технология эффективных микроорганизмов) [8-9]. Это направление основывается на использовании восстановительного потенциала микроорганизмов, являющихся главным экологическим фактором почвообразования. При биологическом или органическом земледелии решающим становится поддержание почвы в биологически активном состоянии, обеспечивающем ее плодородие [10]. Биологизация почвенного земледелия состоит во внесении в почву ассоциации эффективных микроорганизмов (ЭМ-микроорганизмы). В состав ЭМ-ассоциаций входят разные группы микроорганизмов, такие как азотфиксирующие, фосфатмобилизующие, целлюлолитические, силикатные и другие. Состав ассоциаций должен соответствовать нормальному микробиоценозу здоровой плодородной почвы. При внесении ЭМ-ассоциаций в истощенную почву происходит ее обогащение легкодоступными элементами питания за счет повышения активности почвенных процессов, почва становится более плодородной [11]. При этом не применяются минеральные удобрения, пестициды и другие химические средства защиты растений и продукция становится экологически чистой, полностью безопасной для человека и сельскохозяйственных животных [12].
В настоящее время, создание и применение ЭМ-ассоциаций имеет большое практическое значения для восстановления почвенного плодородия деградированных и истощенных земель, а исследования в этом направлении весьма актуальны.
Целью исследования явилось проведение подбора штаммов агрономически ценных микроорганизмов, исследование их биологической совместимости, создание ЭМ-ассоциаций и изучение их влияния на растения, присутствующие в пастбищном травостое, и биологическую активность деградированных почв.
Материалы и методы исследования
Объектами исследований служили штаммы свободноживущих азотфиксирующих, целлюлолитических и фосфатмобилизирующих бактерий, выделенные из естественных, антропогенно ненарушенных почв пастбищ Алматинской области Казахстана. Культивирование микроорганизмов проводили на жидких средах (среда Эшби, №79, Гетчинсона, Муромцева, NBRIP и МПБ) на качалке при скорости 180 об/мин и на твердых питательных средах Эшби, №79, Гетчинсона и МПА. Температура культивирования микроорганизмов варьировала в пределах от 250 до 300С в зависимости от физиологической группы бактерий.
Для изучения характера взаимоотношений между штаммами применяли метод перпендикулярных штрихов [13].
В модельных лабораторных опытах по изучению влияния ЭМ-ассоциаций на биологическую активность почв использовали почву деградированных пастбищ, собранную в Илийском районе, в к/х «Бабаева Аккумис». Для постановки опытов в вегетационные сосуды (250 мл) с почвой вносили определенное количество клеточной суспензии с титром клеток не менее 108-109 кл/мл. В качестве контроля использовали почву без внесения ассоциаций.
Для определения дегидрогеназной активности 1 г почвы помещали в пробирку, добавляли 0,1 г CaCО3, 1 мл 0,1 М раствора глюкозы и 1 мл 1% раствора трифенилтетразолия хлористого (ТТХ). Образовавшийся формазан экстрагировали 50 мл этанола и фильтровали. Дегидрогеназную активность выражали в единицах оптической плотности. Оптическую плотность определяли на цифровом фотоэлектроколориметре AP-101 («Apel», Япония) при длине волны 460 нм [14].
Активность уреазы определяли методом определения аммиака, образуемого при распаде мочевины, и выражали мг NH2 в грамме почвы за сутки [14].
Для определения каталазной активности измельченную почву (1г) вносили в сосуд объемом 100 мл, добавляли 0,5 г СаСО3. Осторожно помещали на дно сосуда емкость с 5 мл 3% раствора перекиси водорода. Склянку плотно закрывали пробкой с трубкой, соединенной с бюреткой и сообщающейся с грушей. Бюретку и грушу заполняли водой. Сосуд с перекисью опрокидывали и взбалтывали в течение 1 минуты. Каталазную активность выражали в мл О2, выделившегося за одну минуту на грамм почвы [14].
Дыхательную активность почвы определяли весовым методом Изермейера и выражали в г поглощенного СО2 [15].
Повторность опытов была 5-ти кратная. Статистическую достоверность полученных результатов определяли по коэффициенту Стьюдента для доверительной вероятности р<0,01.
Результаты исследования и их обсуждение
Для восстановления нормальной микрофлоры деградированных пастбищ необходимо создание эффективных ассоциаций агрономически ценных микроорганизмов (ЭМ-ассоциаций), в состав которых должны входить представители разных таксономических групп микроорганизмов. Из высокопродуктивных почв пастбищ Алматинской области Казахстана были выделены азотфиксирующие, целлюлолитические и фосфатмобилизующие бактерии. На их основе создана коллекция агрономически ценных микроорганизмов.
С целью создания ЭМ-ассоциаций из коллекции были отобраны штаммы. Критерием отбора служила их высокая биологическая активность и наличие производственно-ценных показателей, таких как высокая скорость роста, повышенное накопление биомассы и популяционная устойчивость. Поскольку отобранные штаммы относятся к разным физиологическим группам среди них возможно наличие антагонистических взаимоотношений, поэтому была изучена их биосовместимость. Для определения характера взаимоотношений между штаммами применяли метод перпендикулярных штрихов.
В результате проведенной работы было отобрано девять культур, характеризующихся отсутствием антагонизма по отношению друг к другу. Кроме отсутствия антагонизма, штаммы характеризовались высокой азотфиксирующей, целлюлазной, фосфатмобилизующей активностью и высокими производственно-ценными показателями. Из отобранных штаммов бактерий были созданы различные сочетания, в общей сложности 84 варианта ассоциаций. В состав ЭМ-ассоциаций входили азотфиксаторы, фосфатмобилизаторы и целлюлолитические бактерий.
При создании ЭМ-ассоциаций очень важно подобрать ассоциации, характеризующиеся способностью активировать биологические процессы почвы и повышать ее плодородие. Показателем, реально отображающим экологическое состояние почвы, является ее биологическая активность, рассматриваемая как совокупность процессов, катализируемых ферментами почвенной биоты.
С целью отбора перспективных ЭМ-ассоциаций в лабораторных условиях были проведены модельные опыты по изучению их влияния на биологическую активность почв. Для постановки опытов в вегетационные сосуды вносили определенное количество почвы. Активность микробных ферментов почвы (каталаза, дегидрогеназа, уреаза), а также интенсивность почвенного дыхания исследовали в динамике, через 7, 14 и 28 суток после внесения ассоциаций.
Установлено, что при внесении ЭМ-ассоциаций в почву значительно активируются биологическая активность почвы, что свидетельствует о значительной интенсификации процессов разложения органических соединений микроорганизмами.
Из 84 исследованных ассоциаций отобрано четыре наиболее эффективные: ассоциация №1 (21(8)+Ф7А+Azp24), ассоциация №2 (82+ Ф12+Azp22), ассоциация №3 (21(8)+Ф12+Azp22) и ассоциация №4 (82+Ф7А+Azp24). В состав этих ассоциаций входили целлюлолитические бактерии рода Bacillus (штаммы 21(8) и 82), штаммы Ф12 и Ф7А, относящиеся к фосфатмобилизующим бактериям вида Bacillus megatherium и штаммы рода Azotobacter (штаммы Azp22 и Azp24), являющиеся свободноживущими азотфиксаторами. Данные по влиянию этих ассоциаций на активность почвенных ферментов и дыхание почвы представлены в таблице 1.
Таблица 1.
Динамика изменения ферментативной активности и почвенного дыхания при внесении ЭМ-ассоциаций в почву
| Наименование теста | Результаты постановки реакции | ||||||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | По данным Берджи | |
| Цитрат Симмонса | + | + | + | + | + | + | + | + | + | — | — | — | +,- |
| Мочевина (уреаза) | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — |
| Сероводород | — | + | — | + | — | — | + | + | + | + | + | + | +, — |
| Подвижность | — | — | — | — | — | — | + | + | + | — | — | — | +,- |
| Индол | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — |
| Глюкоза | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + |
| Арабиноза | + | + | + | — | + | + | + | + | — | + | + | + | +, (+) |
| Лактоза | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — |
| Маннит | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + |
| Сорбит | — | + | — | + | — | — | + | + | + | + | + | — | +,- |
| Сахароза | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — | — |
| Лизин | + | + | + | + | + | + | — | — | + | + | + | + | +,- |
| Орнитин | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + |
| β-галактозидаза | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + | + |
Из данных таблицы 1 видно, что исходная почва характеризуется крайне низкой активностью почвенных ферментов. Внесение в почву ЭМ-ассоциаций значительно активизирует почвенные процессы. Так, через 7 суток после внесения ассоциаций в почву активность дегидрогеназы возросла в 3,2-3,5 раз, через 14 суток в 3,7-4,3 раза, а через 28 суток в 6,2-7,0 раз. Изучение динамики изменения ферментов каталазы и уреазы показало, что активность каталазы через 28 суток превышала таковую в контроле в 4-4,6 раз, а уреазы в 4,5-5 раз.
Одним из важных показателей жизнедеятельности микроорганизмов почвы является почвенное дыхание, которое является не только индикатором биохимических и биологических процессов, но и показателем плодородия почвы в целом. Установлено, что при внесении ЭМ-ассоциаций в почву почвенное дыхание значительно активировалось и превышало в 6-7 раз аналогичный показатель в контроле.
Выводы
Таким образом, из почв экологически ненарушенных естественных пастбищ Алматинской области Казахстана были выделены азотфиксирующие, целлюлолитические и фосфатмобилизирующие бактерии. С целью создания ЭМ-ассоциаций была изучена биологическая совместимость различных физиологических групп бактерий и отобрано девять штаммов с отсутствием антагонизма по отношению друг к другу. На основе этих штаммов создано 84 варианта ассоциаций. По результатам исследований их них отобрано четыре наиболее эффективные ЭМ-ассоциации.
Установлено, что внесение этих ЭМ-ассоциаций в почву положительно влияет на ее биологическую активность и приводит к активизации микробных процессов. При этом активность дегидрогеназы возрастает в 6,2-7,0 раз, каталазы и уреаза в 4,5-5 раз, а интенсивность почвенного дыхания — в 6-7 раз по сравнению с контролем. Эти показатели свидетельствуют об активизации микрофлоры и нормализации почвенных процессов. На основе созданных ЭМ-ассоциаций возможно восстановление плодородия почв деградированных пастбищ и повышение их продуктивности. В настоящее время, ЭМ-ассоциации проходят полевые испытания в к/х «Бабаева Аккумис» в Алматинской области.
Работа выполнена в рамках грантового проекта МОН РК «Разработка и внедрение комплексных агробиологических мероприятий по восстановлению и повышению продуктивности деградированных пастбищных земель Юго-востока Казахстана», ГР№0115РК01099, 2015-2017 гг.
- Список литературы
Иванов С. Истощение Ставропольских пастбищ. https://26.ru/text/ newsline/286285.html (дата обращения: 10. 08. 2016). - Kotlyarova E.G., Cherniavskih V.I., Dumacheva E.V. Ecologically Safe Architecture of Agrolandscape is basis for sustainable development // Sustainable Agriculture Research. 2013. Vol. 2. № 2. — Р. 11–24.
- Абсеитов А.К. Центральная Азия: концепции, методология и новые подходы // Матер. междунар. науч. конф. «Развитие сельскохозяйственных наук в Центральной Азии». Алматы: Дайк-Пресс, 2012. — С.21-25.
- Лебедь Л. В., Беленкова З.С. Методические указания по оценке и прогнозу урожайности природных кормовых угодий Казахстана. Алматы: Бастау, 2005. — 30 с.
- Кузьмин Т.В., Трешкин С. Е., Мамутов Н.К. Результаты опытного формирования естественной растительности на засоленных землях обсыхающего дна Аральского моря // Аридные экосистемы. 2006. Т.12. № 29. — С.27-40.
- Шамсутдинов З.Ш. Творческое наследие Нечаевой Н.Т. и разработка научных основ пастбищного хозяйства // Аридные экосистемы. 2000. Т.6. №11-12. — С.10-25.
- Щетников А.И., Зайченко О.А. Динамика и устойчивость степных геосистем // Аридные экосистемы. 2000. Т.6. №3. — С.65-74.
- Condor A.F., Gonzalez P.P., Lokare C. Effective Microorganisms: Myth or reality // Rev. Peru. Biol. 2007. Vol.14. № І2. — Р.315-319.
- Jamal T., Hasruman H., Anwer A. R., Saad M.S., Shariffuddin H.A. Effect of EM and fertilization on soil physical properties under sweet potato cultivation // Paper presented at the 14-th EM-Technology Conf. Saraburi, Thailand, 2013. — P. 295-302.
- Baset Mia M.A., Shamsuddin Z.H., Wahab Z., Marziah M. Effect of plant growth promoting rhizobacteria (PGPR) inoculation on growth and nitrogen incorporation of tissue-cultured maize plantlets under nitrogen-free hydroponics condition // Aust. J. Crop. Sci. 2010. Vol.4. №.2. — P.85-90.
- Mayer J., Scheid S., Widmer F., Fließbach A., Oberholzer H.R. How effective are “Effective microorganisms (EM)” Results from a field study in temperate climate // Appl. Soil Eco. 2010. Vol. 46(2). — P. 230-239.
- Gorski R, Kleiber T. Effect of effective microorganisms (EM) on nutrient content in substrate and development and yielding of roses (Rosa×hybrida) and gerbera (Gerbera jamesonii) // Ecol. Chem. Eng. 2010. Vol.17. — P. 506-512.
- Егоров Н.С. Практикум по микробиологии. М.: МГУ, 1976. — 307 с.
- Звягинцев Д. Г. Методы почвенной микробиологии и биохимии. М.: МГУ, 1991. — 304 с.
- Емцев В.Т., Мишустин Е.Н. М.: Дрофа, 2005. — 445 с.[schema type=»book» name=»ЭМ-АССОЦИАЦИИ, ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПОЧВ ДЕГРАДИРОВАННЫХ ПАСТБИЩ» description=»Цель исследования — подбор эффективных микроорганизмов (ЭМ) и создание на их основе ЭМ-ассоциаций, перспективных для восстановления почв деградированных пастбищ. Из почв высокопродуктивных пастбищ Казахстана выделены азотфиксирующие, целлюлолитические и фосфатмобилизирующие бактерии. На их основе создано 84 вариантов ассоциаций, из них отобрано четыре эффективных ЭМ-ассоциаций. Установлено, что внесение их в почву положительно влияет на ее биологическую активность.» author=»Смирнова Ирина Эльевна, Нурмуханбетова Арай, Султанова Айша» publisher=»Басаранович Екатерина» pubdate=»2016-12-04″ edition=»euroasia-science_30_22.09.2016″ ebook=»yes» ]