Использование почвенного микробного сообщества для преодоления пестицидного загрязнения почвы лесных питомников

Использование почвенного микробного сообщества для преодоления пестицидного загрязнения почвы лесных питомников

И.А. Фрейберг, д.с.-хн, профессор,

С.К. Стеценко, к.б.н, Ботанический сад УрО РАН

Успешное применение в сельском и лесном хозяйстве высокоактивных органических соеди-

нений — пестицидов для защиты культивируемых растений от вредного действия многочисленных неблагоприятных факторов среды осложнилось регистрируемым во всех странах мира негативным побочным последствием их использования.

Среди отрицательных последствий следует отметить повреждение растений, которые они призваны защищать. Это явление отмечено и исследовано нами в лесных питомниках при выращивании сеянцев сосны [1].

Пестициды, включённые в агротехнику выращивания сеянцев, поступают в почвенный раствор и поглощаются корневой системой. Обладая системным действием, они вызывают изменения в некоторых анатомо-морфологических и физиолого-биохимических показателях, что выражается в формировании тератоморфных сеянцев двух фенотипов: аномальных и условно нормальных [2]. Из опубликованных работ, связанных с загрязнением среды, известно, что пестициды и их продукты могут сохраняться в почве в течение многих лет (10 и более) после окончания их применения [3]. Из существующих направлений в проблеме преодоления пести-цидного загрязнения почвы привлекает к себе внимание возможность разложения пестицидов под воздействием микроорганизмов, как более простой и достаточно эффективный способ. В этом случае обращает на себя внимание лесная подстилка, насыщенная разнообразными микроорганизмами.

Цель и методика исследований. Целью работы было устранение пестицидного загрязнения почвы при колонизации её сапрофитами, которые обычно обильно заселяют лесную подстилку.

В задачу входило исследование влияния на деструкцию пестицидов количества внесённой в почву лесной подстилки (опыт 1); активности микробных сообществ лесной подстилки в зависимости от породного состава насаждений (опыт 2).

Исследования проводили на основе мелко-деляночных опытов в питомнике с дерновоподзолистой среднесуглинистой почвой, загрязнённой пестицидами и их остатками. В опытах посев семян и обработку почвы осуществляли теми же способами, которые обычно используются в лесных питомниках. Лесную подстилку собирали весной и вносили в пахотный горизонт почвы (5—15 см). Сеянцы выращивали два года. В середине сентября их выкапывали, сортировали и оценивали согласно критериям, разработанным для определения фенотипов сеянцев сосны [4]. По принятым в биологии методикам изучали интенсивность дыхания, активность каталазы, влажность почвы; количественный учёт микроорганизмов проводили методом прямого микроскопического счёта.

Результаты исследований. Опыт 1 состоял из двух повторностей: 1—1 (посев в 2000 г.) и 1—2 (посев 2003 г). В нём оценивали влияние количества подстилки 10 и 20 кг/м2 из смешанного по составу насаждения на разложение пестицидов сапрофитами. В результате исследований установлено, что наибольший выход двухлетних

1. Распределение двухлетних сеянцев сосны по фенотипам в вариантах опыта и биологическая активность почвы

Доза внесения лесной подстилки, кг/м2 Интенсивность дыхания, мг СО2 на 100 г абс. сух. почвы Активность каталазы, мл О2 на 1 г почвы за 1 мин. Распределение сеянцев по фенотипам, % Кол-во сеянцев на 1 пог. м

нормаль- ные условно нормальные аномаль- ные всего терато- морфных

Опыт 1-1. Внесение лесной подстилки и посев сосны весной 2000 г

10 1,59 1,0 15,1 65,7 19,2 84,9 97

20 1,73 1,3 40,4 38,8 20,8 59,6 103

Контроль 0,67 1,1 0,3 88,7 11,0 99,7 97

Опыт 1-2. Внесение лесной подстилки и посев сосны весной 2003 г

10 1,08 1,5 22,2 72,7 5,1 77,8 138

20 1,56 1,9 32,9 60,7 6,4 67,1 109

Контроль 0,76 0,7 1,0 89,3 9,7 99,0 109

Рис. 1 - Погодные условия вегетационных периодов 2006-2007 гг. и 2009-2010 гг.

Данные на рисунке представлены по месяцам: I I - май, I I - июнь, [

август

2. Количество двухлетних сеянцев нормального фенотипа и активность каталазы при внесении в почву подстилки из насаждений разного породного состава

Подстилка Опыт 2-1 Опыт 2-2

Активность каталазы, мл О2 на 1 г почвы за 1 мин. Сеянцы нормального фенотипа, % Активность каталазы, мл О2 на 1 г почвы за 1 мин. Сеянцы нормального фенотипа, %

19.06.06 04.09.06 14.06.07 26.06.09 24.08.09 06.07.10

Березовая 1,0 1,4 1,5 50,7 2,2 2,9 1,9 17,0

Сосновая 1,1 1,2 1,8 64,3 2,1 3,3 1,9 12,7

Смешанная 1,0 1,2 1,6 56,4 2,3 2,6 1,5 17,2

Контроль 0,8 1,0 1,2 1,9 1,9 2,5 1,3 17,2

сеянцев нормального фенотипа связан с внесением в почву подстилки в количестве 20 кг/м2, что составляет около 10% от веса 15-сантиметрового слоя почвы делянки площадью 1 м2 (табл. 1). В этих же повторностях опыта отмечаются более значительные интенсивность дыхания и активность каталазы, которая, по литературным данным, коррелирует с численностью почвенных микроорганизмов [5]. Эти данные дают основание считать, что снижение пестицидной активности почвы обязано кооперативной деятельности микроорганизмов, которое более эффективно при внесении лесной подстилки в количестве 20 кг/м2.

Опыт 2 также состоял из двух повторностей: 2—1 (посев в 2006 г.) и повторность 2—2 (посев в 2009 г.). Годы оказались разными по гидротермическим условиям (рис.). Опыт включал исследование влияния на деструкцию пестицидов внесения в количестве 20 кг/м2 трёх вариантов лесной подстилки: из насаждений берёзы (берёзовая), сосны (сосновая) и смешанного по породному составу насаждений (смешанная). Контролем служили делянки без внесения подстилки.

Действие на деструкцию пестицидов микроорганизмов при внесении с подстилкой из разных по составу насаждений показано в таблице 2. Её данные свидетельствуют о том, что перенос в почву, загрязнённую пестицидами, подстилки с сапрофитами оказывает положительное влияние на сеянцы независимо от состава насаждения. Причём обращает на себя внимание более эффективное действие микроорганизмов, внесённых с подстилкой из соснового насаждения или с участием сосны, которая, как известно, отличается резко выраженной кислой реакцией и более других богата грибами.

В вариантах опыта 2—1, приведённых в таблице 2, более высокий выход сеянцев нормального фенотипа коррелирует с активностью микробиологического потенциала различных подстилок, что проявляется в активности каталазы.

Опыт 2—2, заложенный в 2009 г. по той же схеме, что и предыдущий опыт, положительных результатов не дал. О том, что не произошла деструкция пестицидов, свидетельствует отсутствие различия по выходу сеянцев нормального фенотипа. Полагаем, что причина отсутствия

деструкции пестицидов заключается в неблагоприятном для жизнедеятельности микроорганизмов гидродинамическом ходе погоды (рис.). На жизнедеятельность микроорганизмов повлияло недостаточное количество осадков. В период, когда происходит адаптация к новым условиям и активизация жизнедеятельности микроорганизмов, осадков было в 2 раза меньше, чем в 2006 г., что не замедлило сказаться на состоянии микробоценоза, объём которого, судя по активности каталазы, не обнаруживает достаточного увеличения в течение 2009 г. и снижается в 2010 г. В более благоприятных условиях 2006 г. микробоценоз находился в динамике, о чём свидетельствует активность каталазы, которая повышалась в течение вегетационного периода и на второй год (табл. 2). Таким образом, для разложения пестицидов необходима не только богатая сапрофитами органика, но и достаточная влажность среды. Оптимальная влажность для микробоценоза 40—60%. Вместе с тем для успешной биотехнологии необходимо знать порог влажности, ниже которого потребуется применение полива. Имеющиеся у нас данные позволяют его принять за 28—30%. Однако полагаем, что нужны эксперименты, определяющие его в связи с типом почв и погодными условиями.

Выводы. Рекомендации.Таким образом, были установлены оптимальное количество подстилки; возможность использования подстилки из разных по составу насаждений; предложен порог влажности почвы, после которого снижается деятельность микроорганизмов при их переносе в загрязнённую пестицидами почву.

Литература

1. Фрейберг И.А., Ермакова М.В., Стеценко С.К. Модифи-кационная изменчивость сосны обыкновенной в условиях пестицидного загрязнения. Екатеринбург: УрО РАН., 2004. 74 с.

2. Фрейберг И.А., Ермакова М.В., Стеценко С.К. Влияние пестицидов на морфологию и физиолого-биохимические показатели сеянцев сосны обыкновенной // Лесоведение. 2004. № 2. С. 55-60.

3. Цукерман В.Г., Чавар Э.Я. Прогноз разложения и накопления пестицидов в почве // Миграция загрязняющих веществ в почвах и сопредельных средах. Л.: Гидрометиздат, 1989. С. 114-121.

4. Фрейберг И.А., Ермакова М.В., Кислицина Н.А. Реакция сеянцев сосны обыкновенной на обработку семян фунгицидами, ТМТД и фундазолом // Лесоведение. 1995. № 3. С. 57-64.

5. Курбатов И.М., Двойнишникова Е.И. Каталазная активность как показатель общей биологической активности почв // Сборник докладов симпозиума по ферментам почв. Минск: Наука и техника, 1968. С. 100-102.