Влияние высококремнистых пород (диатомита, цеолита и бентонитовой глины) на активность олиготрофного и автохтонного микробного пула дерново-подзолистой почвы

Главная

Статья в Elpub

РУС ENG

Вестник Томского государственного университета. Биология. 2017; : 44-65

Влияние высококремнистых пород (диатомита, цеолита и бентонитовой глины) на активность олиготрофного и автохтонного микробного пула дерново-подзолистой почвы

Козлов А. В., Куликова А. Х., Уромова И. П.

https://doi.org/ 10.17223/19988591/40/3

Аннотация

Описаны закономерности изменения численности олиготрофных и автохтонных бактерий в дерново-подзолистой легкосуглинистой почве, вариабельности ее оксидоредуктазного ферментного комплекса, а также содержания в почве специфического органического вещества (гумуса), происходящие под пролонгированным действием природных кремнийсодержащих материалов - диатомита, цеолита и бентонитовой глины. Установлено стабилизирующее действие пород на численность олиготрофов и ингибирующее действие на представителей автохтонной экологической ниши, а также положительное влияние на активность полифенолоксидаз в почве. Показано, что данные лабораторных экспериментов по бактериальной деградации вещества изучаемых пород подтверждают закономерности, выявленные в полевых исследованиях. За счет снижения активности пероксидаз и стабилизации активности полифенолоксидаз в почве, а также в условиях некоторого перераспределения родового (видового) разнообразия олиготрофной и автохтонной частей почвенного микробиома выявленные взаимосвязи и полученные данные по сохраняемости специфического органического вещества (гумуса) почвы свидетельствуют о том, что диатомит, цеолит и бентонитовая глина являются стабилизаторами микробного статуса почвенно-биотического комплекса в части процессов трансформации гумусовых веществ в почве.

Список литературы

1. Agafonov E.V., Khovanskii M.V. Effect of bentonite on the fertility of an ordinary chernozem // Eurasian Soil Science. 2014. Vol. 47, № 5. Р. 478-482.

2. Козлов А.В., Куликова А.Х., Уромова И.П. Биологическая активность дерново-подзолистой почвы и продуктивность агрофитоценозов в зависимости от применения высококремнистых пород в качестве почвенных кондиционеров // Научные ведомости Белгородского государственного университета. Сер. Естественные науки. 2017. № 11 (260), вып. 39. С. 155-166.

3. Лобода Б.П., Багдасаров В.Р., Фицуро Д.Д. Влияние удобрения на основе цеолитсодержащих трепелов Хотынецкого месторождения на урожайность и качество картофеля // Агрохимия. 2014. № 3. С. 28-35.

4. Матыченков И.В., Пахненко Е.П. Изменение содержания подвижных фосфатов почвы при внесении активных форм кремния // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. 2013. № 3 (23). С. 24-28.

5. Pirzad A., Mohammadzadeh S. Zeolite use efficiency variation under water deficit stress in grass pea and lentil // Журнал Сибирского федерального университета. Сер. Биология. 2016. № 9 (3). С. 291-303.

6. Janjgava N., Kardava M., Androni Kashvili T., Khazavadze N. Efficiency of natural zeolites and organic zeolite fertilizers in garlic growing // Bulletin Georgian Academy Science. 2003. № 168 (2). PR 305-308.

7. Бочарникова Е.А., Матыченков В.В., Матыченков И.В. Кремниевые удобрения и мелиоранты: история изучения, теория и практика применения // Агрохимия. 2011. № 7. С. 84-96.

8. Козлов А.В., Куликова А.Х., Яшин Е.А. Роль и значение кремния и кремнийсодержащих веществ в агроэкосистемах // Вестник Мининского университета. 2015. № 2 (10). С. 23.

9. Torsvik V., Ovreas L. Microbial diversity and function soil: from genes to ecosystem // Current opinion in Microbiology. 2002. Vol. 5. P. 240-245.

10. Арчегова И.Б., Панюков А.Н., Кузнецова Е.Г., Ковалева В.А. Роль биологического фактора в процессе формирования почвы в таежной зоне // Вестник Санкт-Петербургского университета. Сер. 3, Биология. 2016. № 2. С. 127-139.

11. Звягинцев Д.Г., Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв. М. : Изд-во МГУ, 2005. 445 с.

12. Матаруева И.А. Микробиологические закономерности формирования гумусных запасов дерново-подзолистых почв. Кострома : Изд-во КГСХА, 2005. 190 с.

13. Targulian V.O., Goryachkin S.V. Soil memory: types of record, carriers, hierarchy and diversity // Revista Mexicana de Ciencias Geologicas. 2004. Vol. 21. PP. 1-8.

14. Дистанов У.Г. Минеральное сырье. Опал-кристобалитовые породы : справочник. М. : Геоинформарк, 1998. 27 с.

15. Наумов В.Д. География почв. Почвы России. М. : Проспект, 2016. 344 с.

16. Шишов Л.Л., Тонконогов В.Д., Лебедева И.И., Герасимова М.И. Классификация и диагностика почв России. Смоленск : Ойкумена, 2004. 342 с.

17. Шабина И.С., Вилков В.С., Кузнецова Л.П. Характеристика основных сортов сельскохозяйственных культур, рекомендованных для возделывания в Волго-Вятском регионе. Нижний Новгород : Юнион Принт, 2010. 150 с.

18. Доспехов Б.А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований). М. : ИД Альянс, 2011. 352 с.

19. Практикум по микробиологии : учеб. пособие для студентов вузов / А.И. Нетрусов, М.А. Егорова, Л.М. Захарчук и др. ; под ред. А.И. Нетрусова. М. : Академия, 2005. 608 с.

20. Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии. М. : Наука, 2005. 252 с.

21. Мамонтов В.Г., Гладков А.А. Практикум по химии почв. М. : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2015. 272 с.

22. Безбородов А.М., Квеситадзе Г.И. Микробиологический синтез. СПб. : Проспект Науки, 2011. 144 с.

23. Теппер Е.З. Микроорганизмы рода Nocardia и разложение гумуса // Агрохимия. 1981. № 5. С. 156-157.

24. Добровольская Т.Г., Головченко А.В., Лысак Л.В., Зенова Г.М. Физикохимия и биология торфа. Методы оценки численности и разнообразия бактериальных и актиномицетных комплексов торфяных почв. Томск : Изд-во Том. гос. пед. ун-та, 2010. 97 с.

25. Лысак Л.В., Добровольская Т.Г., Скворцова И.Н. Методы оценки и бактериального разнообразия почв и идентификации почвенных бактерий. М. : МАКС Пресс, 2003. 120 с.

26. Bergey's Manual of Systematic Bacteriology. London, New York : Springer, 2010. Vol. 4. 949 р.

27. Урбах В.Ю. Математическая статистика для биологов и медиков. М. : Изд-во Академии наук СССР, 1963. 324 с.

28. Xiubin H., Zhanbin H. Zeolite application for enhancing water infiltration and retention in loess soil // Resources, conservation and recycling. 2001. Vol. 34. PP. 45-52.

29. Leggoa P. J., Ledesertb B., Christies G. The role of clinoptilolite in organo-zeolite systems used for phytoremediation // Science of the total environment. 2006. Vol. 363. PP. 1-10.

30. Добровольский Г.В., Никитин Е.Д. Экология почв. М. : Изд-во МГУ, 2012. 412 с.

31. Семенов В.М., Когут Б.М. Почвенное органическое вещество. М. : ГЕОС, 2015. 233 с.

32. Lehmann J., Kleber M. The contentious nature of soil organic matter // Nature. 2015. Vol. 528, № 7580. PP. 60-68.

33. Paterson E., Sim A. Soil-specific response functions of organic matter mineralization to the availability of labile carbon // Global Change Biology. 2013. Vol. 19, № 5. PP. 1562-1571.

34. Eyheraguibel B., Silvestre J., Morard P. Effects of humic substances derived from organic waste enhancement on the growth and mineral nutrition of maize // Bioresource Technology. 2008. № 99. PP. 4206-4212.

35. Аристовская Т.В. Микробиология процессов почвообразования. Л. : Наука, 1980. 187 с.

36. Мальцева Н.Н., Гордиенко С.А., Изжеурова В.В. Использование гуминовых кислот олигонитрофильными микроорганизмами // Почвоведение. 1974. № 12. С. 84-89.

37. Масько А.А., Щербакова Т.А., Галушко Н.А., Кленицкая И.А. О характере иммобилизации полифенолоксидазы почвой // Почвоведение. 1992. № 5. С. 60-65.

Tomsk State University Journal of Biology. 2017; : 44-65

Effect of high-siliceous rocks (diatomite, zeolite and bentonite clay) on the activity of the oligothrophic and autochthonous microbial pool in sod-podsolic soil

Kozlov A. V., Kulikova A. H., Uromova I. P.

https://doi.org/ 10.17223/19988591/40/3

Abstract

At present, a relevant issue in soil science is analysis of soil-biotic complex condition in connection with using natural siliceous materials as fertilizers and ameliorants. In this regard, the aim of this research was to study soil microbial status using the example of microorganisms of oligothrophic and autochthonous ecological niches, as the main representatives of K- and R-life support strategies, which are responsible for transformation of soil organic matter, including humus. In microfield experiments (2015-2016), launched in sod-podsolic soil of Nizhny Novgorod Region, we investigated the effect of various doses of three natural siliceous materials - diatomite of the Inzensky field (Ulyanovsk region), zeolite of the Hotynetsky field (Oryol region), and bentonite clay of the Zyrian field (Kurgan region) on oxidoreductase enzymatic activity of the soil, and on the number of oligothrophic and autochthonous microorganisms in it, as well as humus content (See Table 1 for chemical composition of natural siliceous materials used in the experiment). In lab experiments, we carried out dynamic tests on potential biochemical degradation of rock matter by the accumulative cultures of bacterial complexes, isolated from the soil. We launched field experiments according to standard rules of carrying out microplot field studies (registration area of a plot - 1 m², arrangement of plots - randomized, replication - quadruple). The number of bacterial cells was determined by Koch's method using nitrite agar Tepper and "starvation" agar. Enzymatic activity was determined by pyrocatechol titrimetric methods; identification of genus (species) diversity of bacteria -according to cultural, physiological and biochemical characteristics, including by light and luminescent microscopy with acridine orange; content of specific organic matter (humus) in soil - by its oxidation with sulfur-chromium mixture and spectrophotometeric measuring. Under conditions of a two-year field experiment (See Table 2), we observed an insignificant decrease in the number of oligothrophic bacteria in soil (from the maximum dose of all rocks, on average, up to 6%), and also an essential decrease in the quantity of autochthonous microorganisms (up to 16-19% in variants with the greatest dose of zeolite and diatomite, respectively; up to 27% in the similar variant with bentonite clay). Polyphenoloxidase activity of soil (See Table 3) increased up to 9% in case of zeolite use, up to 13% - in case of diatomite use, and up to 18% of the maximum dose of bentonite. Peroxidase activity of soil tended to be slightly inhibited. In laboratory experiments on potential bacterial degradation of rock matter (See Figure 1), we revealed similar regularities- the number of autochthonous bacteria steadily decreased by the end of the experiment (to 0.11х10⁵ live cells/ml), but the number of viable cells of oligothrophic microorganisms was stabilized with reference values (on average, to 0.22, 0.17 and 0.66х10⁵ of live cells/ml in three rocks). We established a positive effect of the matter of siliceous materials on the accumulative culture polyphenoloxidase activity of autochthonous microorganisms (See Figure 2), as well as redistribution of genus (species) occurrence of their identified cells (See Table 4). Here, we observed a reduction in the number of Nocardia Rubra (from 30% to 5%) and Nocardia Corallina (from 20% to 5% of the total number of grown cells), as well as an increase in Nocardia Symbiotica occurrence (up to 20% in the variant with zeolite, up to 30% in the variant with diatomite and more, than 30% in the variant with bentonite clay). Similar regularities are also revealed during two years of field tests on siliceous materials. On the basis of all obtained data and positive dynamics of humus biochemical transformation coefficient (See Table 5) and its content in soil (See Table 6) it can be asserted that the interaction of the studied rocks with sod-podsolic soil promotes stabilization of its microbial pool of K- and the R-life support strategies and its enzymatic activity during transformation of humic compounds, which, in its turn, increases the retention of specific organic matter in the fertile layer. The revealed interrelations allow us to regard diatomite, zeolite and bentonite clay as stabilizers of the microbial status of the soil-biotic complex concerning the processes of humic substances transformation in soil. The article contains 2 Figures, 6 Tables and 37References.

References

1. Agafonov E.V., Khovanskii M.V. Effect of bentonite on the fertility of an ordinary chernozem // Eurasian Soil Science. 2014. Vol. 47, № 5. R. 478-482.

2. Kozlov A.V., Kulikova A.Kh., Uromova I.P. Biologicheskaya aktivnost' dernovo-podzolistoi pochvy i produktivnost' agrofitotsenozov v zavisimosti ot primeneniya vysokokremnistykh porod v kachestve pochvennykh konditsionerov // Nauchnye vedomosti Belgorodskogo gosudarstvennogo universiteta. Ser. Estestvennye nauki. 2017. № 11 (260), vyp. 39. S. 155-166.

3. Loboda B.P., Bagdasarov V.R., Fitsuro D.D. Vliyanie udobreniya na osnove tseolitsoderzhashchikh trepelov Khotynetskogo mestorozhdeniya na urozhainost' i kachestvo kartofelya // Agrokhimiya. 2014. № 3. S. 28-35.

4. Matychenkov I.V., Pakhnenko E.P. Izmenenie soderzhaniya podvizhnykh fosfatov pochvy pri vnesenii aktivnykh form kremniya // Vestnik Ul'yanovskoi gosudarstvennoi sel'skokhozyaistvennoi akademii. 2013. № 3 (23). S. 24-28.

5. Pirzad A., Mohammadzadeh S. Zeolite use efficiency variation under water deficit stress in grass pea and lentil // Zhurnal Sibirskogo federal'nogo universiteta. Ser. Biologiya. 2016. № 9 (3). S. 291-303.

7. Bocharnikova E.A., Matychenkov V.V., Matychenkov I.V. Kremnievye udobreniya i melioranty: istoriya izucheniya, teoriya i praktika primeneniya // Agrokhimiya. 2011. № 7. S. 84-96.

8. Kozlov A.V., Kulikova A.Kh., Yashin E.A. Rol' i znachenie kremniya i kremniisoderzhashchikh veshchestv v agroekosistemakh // Vestnik Mininskogo universiteta. 2015. № 2 (10). S. 23.

9. Torsvik V., Ovreas L. Microbial diversity and function soil: from genes to ecosystem // Current opinion in Microbiology. 2002. Vol. 5. P. 240-245.

10. Archegova I.B., Panyukov A.N., Kuznetsova E.G., Kovaleva V.A. Rol' biologicheskogo faktora v protsesse formirovaniya pochvy v taezhnoi zone // Vestnik Sankt-Peterburgskogo universiteta. Ser. 3, Biologiya. 2016. № 2. S. 127-139.

11. Zvyagintsev D.G., Bab'eva I.P., Zenova G.M. Biologiya pochv. M. : Izd-vo MGU, 2005. 445 s.

12. Matarueva I.A. Mikrobiologicheskie zakonomernosti formirovaniya gumusnykh zapasov dernovo-podzolistykh pochv. Kostroma : Izd-vo KGSKhA, 2005. 190 s.

13. Targulian V.O., Goryachkin S.V. Soil memory: types of record, carriers, hierarchy and diversity // Revista Mexicana de Ciencias Geologicas. 2004. Vol. 21. PP. 1-8.

14. Distanov U.G. Mineral'noe syr'e. Opal-kristobalitovye porody : spravochnik. M. : Geoinformark, 1998. 27 s.

15. Naumov V.D. Geografiya pochv. Pochvy Rossii. M. : Prospekt, 2016. 344 s.

16. Shishov L.L., Tonkonogov V.D., Lebedeva I.I., Gerasimova M.I. Klassifikatsiya i diagnostika pochv Rossii. Smolensk : Oikumena, 2004. 342 s.

17. Shabina I.S., Vilkov V.S., Kuznetsova L.P. Kharakteristika osnovnykh sortov sel'skokhozyaistvennykh kul'tur, rekomendovannykh dlya vozdelyvaniya v Volgo-Vyatskom regione. Nizhnii Novgorod : Yunion Print, 2010. 150 s.

18. Dospekhov B.A. Metodika polevogo opyta (s osnovami statisticheskoi obrabotki rezul'tatov issledovanii). M. : ID Al'yans, 2011. 352 s.

19. Praktikum po mikrobiologii : ucheb. posobie dlya studentov vuzov / A.I. Netrusov, M.A. Egorova, L.M. Zakharchuk i dr. ; pod red. A.I. Netrusova. M. : Akademiya, 2005. 608 s.

20. Khaziev F.Kh. Metody pochvennoi enzimologii. M. : Nauka, 2005. 252 s.

21. Mamontov V.G., Gladkov A.A. Praktikum po khimii pochv. M. : FORUM : INFRA-M, 2015. 272 s.

22. Bezborodov A.M., Kvesitadze G.I. Mikrobiologicheskii sintez. SPb. : Prospekt Nauki, 2011. 144 s.

23. Tepper E.Z. Mikroorganizmy roda Nocardia i razlozhenie gumusa // Agrokhimiya. 1981. № 5. S. 156-157.

24. Dobrovol'skaya T.G., Golovchenko A.V., Lysak L.V., Zenova G.M. Fizikokhimiya i biologiya torfa. Metody otsenki chislennosti i raznoobraziya bakterial'nykh i aktinomitsetnykh kompleksov torfyanykh pochv. Tomsk : Izd-vo Tom. gos. ped. un-ta, 2010. 97 s.

25. Lysak L.V., Dobrovol'skaya T.G., Skvortsova I.N. Metody otsenki i bakterial'nogo raznoobraziya pochv i identifikatsii pochvennykh bakterii. M. : MAKS Press, 2003. 120 s.

26. Bergey's Manual of Systematic Bacteriology. London, New York : Springer, 2010. Vol. 4. 949 r.

27. Urbakh V.Yu. Matematicheskaya statistika dlya biologov i medikov. M. : Izd-vo Akademii nauk SSSR, 1963. 324 s.

28. Xiubin H., Zhanbin H. Zeolite application for enhancing water infiltration and retention in loess soil // Resources, conservation and recycling. 2001. Vol. 34. PP. 45-52.

29. Leggoa P. J., Ledesertb B., Christies G. The role of clinoptilolite in organo-zeolite systems used for phytoremediation // Science of the total environment. 2006. Vol. 363. PP. 1-10.

30. Dobrovol'skii G.V., Nikitin E.D. Ekologiya pochv. M. : Izd-vo MGU, 2012. 412 s.

31. Semenov V.M., Kogut B.M. Pochvennoe organicheskoe veshchestvo. M. : GEOS, 2015. 233 s.

32. Lehmann J., Kleber M. The contentious nature of soil organic matter // Nature. 2015. Vol. 528, № 7580. PP. 60-68.

33. Paterson E., Sim A. Soil-specific response functions of organic matter mineralization to the availability of labile carbon // Global Change Biology. 2013. Vol. 19, № 5. PP. 1562-1571.

35. Aristovskaya T.V. Mikrobiologiya protsessov pochvoobrazovaniya. L. : Nauka, 1980. 187 s.

36. Mal'tseva N.N., Gordienko S.A., Izzheurova V.V. Ispol'zovanie guminovykh kislot oligonitrofil'nymi mikroorganizmami // Pochvovedenie. 1974. № 12. S. 84-89.

37. Mas'ko A.A., Shcherbakova T.A., Galushko N.A., Klenitskaya I.A. O kharaktere immobilizatsii polifenoloksidazy pochvoi // Pochvovedenie. 1992. № 5. S. 60-65.

Влияние высококремнистых пород (диатомита, цеолита и бентонитовой глины) на активность олиготрофного и автохтонного микробного пула дерново-подзолистой почвы

Аннотация

Effect of high-siliceous rocks (diatomite, zeolite and bentonite clay) on the activity of the oligothrophic and autochthonous microbial pool in sod-podsolic soil

Abstract

События

EasyCookieInfo