Терещенко Наталья Николаевна. Эколого-биологические факторы и механизмы ремедиации антропогенно-нарушенных почв

brief description

Терещенко Наталья Николаевна. Эколого-биологические факторы и механизмы ремедиации антропогенно-нарушенных почв : дис. ... доктора биологических наук : 03.00.16 / Терещенко Наталья Николаевна; [Место защиты: Том. гос. ун-т].- Томск, 2007.- 381 с.: ил. РГБ ОД, 9 07-5/2550

Российская академия сельскохозяйственных наук
Сибирское отделение
Государственное научное учреждение Сибирский научно-исследовательский
институт сельского хозяйства и торфа
На правах рукописи
ТЕРЕЩЕНКО Наталья Николаевна
ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФАКТОРЫ И МЕХАНИЗМЫ
РЕМЕДИАЦИИ
АНТРОПОГЕННО-НАРУШЕННЫХ ПОЧВ
Диссертация на соискание ученой степени
доктора биологических наук
Научный консультант:
д.б.н., Середина В.П.
г. Томск
Введение 6
1 Состояние изученности проблемы биоремедиации антропогенно¬нарушенных почв 13
1.1 Микробиологические аспекты вермикультивирования 13
1.2 Биологическая рекультивация нефтезагрязненных почв 38
1.3 Основные биологические критерии экологической устойчивости
почвы 55
2 Объекты и методы исследований 64
2.1 Объекты исследований 64
2.2 Методы исследования биологической активности вермикомпоста и
механизмов ее формирования 65
2.3 Методы изучения эффективности почвозащитной технологии ПКВК при биоремедиации агрогенно-трансформированных почв
в условиях вегетационных и полевых экспериментов 70
2.4 Методы исследования биологических факторов и механизмов
ремедиации нефтезагрязненных почв 74
2.5 Методы исследования экологической устойчивости антропогенно¬
нарушенных почв и микробиологических критериев эффективности почвозащитных технологий 78
2.6 Методики химического анализа 80
2.7 Методики микробиологического анализа 80
3 Биологическая активность вермикомпоста: факторы и механизмы 82
3.1 Влияние сапротрофных микроорганизмов органического субстрата и симбиотической микрофлоры дождевого червя на его жизнедеятельность
и качество получаемого вермикомпоста 84
3.2 Влияние дождевых червей разных морфо-экологических групп
(почвенных и навозных) на характер микробиологических и биохимических процессов трансформации органического субстрата 101
3.3 Роль микробного сапротрофного сообщества в формировании
ростостимулирующих свойств вермикомпоста 121
3.3.1 Изменение ростостимулирующей активности вермикомпоста в процессе его созревания 121
3.3.2 Вклад продуктов аммонификации органического субстрата
(соединений аминной и аминокислотной природы) в ростостимулирующую активность вермикомпоста 125
3.3.3 Роль соединений гуминовой природы в формировании
ростостимулирующей активности вермикомпоста 132
3.4 Влияние микрофлоры вермикомпоста на уровень его
фунгистатической активности 136
3.5 Гармонический характер динамики численности микроорганизмов
и роль динамических характеристик микробного сообщества вермикомпоста в формировании его фунгистатических свойств 151
3.6 Микробиологические механизмы формирования системного
неспецифического иммунитета у растений под воздействием вермикомпоста 166
4 Особенности биоремедиации агрогенно-трансформированных почв и
эффективность почвозащитной технологии ПКВК 176
4.1 Основные этапы и особенности технологии ПКВК и модифицированной
технологии получения грунта на основе вермикомпоста 176
4.2 Влияние вермикомпоста на биологическую активность почвы и развитие сельскохозяйственных культур в условиях вегетационных
опытов 180
4.3 Эффективность применения вермикомпоста в агроценозах 199
4.3.1 Эффективность применения вермикомпоста при выращивании
зерновых культур и картофеля на дерново-подзолистой легко¬суглинистой почве в сравнении с традиционными органическими удобрениями 199
4.3.2 Эффективность применения вермикомпоста при выращивании
зерновых культур и картофеля на серой оподзоленной почве 211
4.4 Эффективность почвозащитной технологии Полевого круглогодичного
вермикультивирования (ПКВК) в зернопропашном севообороте на дерново-подзолистой легкосуглинистой почве 222
5 Биологические факторы и механизмы ремедиации нефтезагрязненных почв....237
5.1 Особенности комплексной технологии биоремедиации
нефтезагрязненных почв 237
5.2 Эффективность применения природных цеолитов для ускорения
очистки нефтезагрязненных почв 243
5.3 Экологические преимущества системного применения азотных удобрений для микробиологической деструкции нефтяных углеводородов
в почве 251
5.3.1 Влияние дозы азотных удобрений на характер и интенсивность
микробиологических процессов очистки нефтезагрязненной почвы 251
5.3.2 Влияние нитратной и аммонийной форм минеральных азотных
удобрений на характер и интенсивность микробиологических процессов очистки нефтезагрязненной почвы 260
5.3.3 Влияние быстро и медленно действующих форм азотных
удобрений на характер и интенсивность микробиологических процессов очистки нефтезагрязненной почвы 266
5.3.4 Эффективность различных форм азотных удобрений,
применяемых в экологически оправданных низких дозах 272
5.4 Особенности биологической рекультивации нефтезагрязненных
почв с признаками техногенного засоления 281
6 Экологическая устойчивость антропогенно-нарушенных почв и микробиологические критерии эффективности почвозащитных технологий 297
6.1 Критерии разнообразия микробного сообщества почвы 302
6.2 Микробиологические критерии уровня взаимосвязи в системе
«почва-растение» 309
6.3 Микробиологические критерии степени уравновешенности процессов
в почве и степени замкнутости круговорота элементов 315
6.3.1 Динамические критерии степени уравновешенности
микробиологических процессов в почве 315
6.3.2 Критерии степени замкнутости круговорота азота в системе
«почва-растение-атмосфера» и эффективности биологически активных удобрений, используемых для улучшения экологических характеристик почвы 331
Выводы 342
Список использованной литературы 345
Приложения 375

bibliography

выводы
1. Дождевой червь посредством своеобразного «селективного отбора» микроорганизмов-симбионтов оказывает значительное влияние на формирование структуры микробного сообщества копролитов. При этом в готовом
.... . . .... ...... ... ... ТТ/ЧТТГТ /4ч ГГТГ/Ч1ЧаЛТТТ11ЧЧ ТТ/ЧТТТТ1Г ^ О T/T’AIATJTI ІЛЛТТО
всрмш.ишіш V' і V/ оамС'іпи ^ Dwm*inDav І VA дилл рлшир^цпр^ шьцдл v/tuvivprm риди
Pseudomonas, актиномицетов, микроорганизмов, участвующих в трансформации органических и минеральных фосфатов, нитрификаторов, целлюлозолитической микрофлоры, а также азотобактера. Супрессивное воздействие дождевого червя на патогенную микрофлору значительно улучшает санитарное состояние вермикомпоста.
2. Навозные черви (epigeic) в целом отличаются от почвенных червей (endogeic) стимулированием процессов аммонификации, минерализации азотсодержащих органических веществ, а также нитрификации. В копролитах почвенных червей активнее протекает микробиологическая деструкция лигно- целлюлозного комплекса органического субстрата. Кроме того, почвенные черви являются активными стимуляторами несимбиотической азотфиксации, в десятки раз превосходя по этому показателю навозных червей.
3. В контролируемых условиях вермикультивирования колебания численности в органическом субстрате бактерий и низших грибов носят выраженный гармонический характер с периодом колебаний, составляющим 13-15 суток. Поскольку основу микробной сукцессии на легкодоступных источниках углерода в созревающем вермикомпосте составляют представители г-стратегии (как бактерии, так и микромицеты), ведущую роль в возникновении автоколебаний начинают играть внутри- и межпопуляционные взаимодействия конкурирующих за субстрат быстрорастущих форм микроорганизмов.
4. Высокая биологическая активность вермикомпоста обусловлена присутствием в его составе стимуляторов роста как аминной-аминокислотной, так и гумусовой природы, в первую очередь фульвокислот. Динамика ростостимулирующей активности вермикомпоста имеет хорошо выраженный колебательный характер и в большей степени определяется метаболической активностью микрофлоры самого субстрата, а не червя. Влияние червей выражается в стимулировании жизнедеятельности бактерий за счет продуцирования протеолитических экзоферментов и, соответственно, в увеличении абсолютных показателей биологической активности вермикомпоста по сравнению с исходным органическим субстратом.
5. Фунгистатическая активность вермикомпоста обусловлена структурно-функциональной организацией его микробного сообщества, в частности высокой численностью в нем бактерий рода Pseudomonas, отличающихся повышенной супрессивной активностью, а также наличием
ослабленных форм фитопатогенных грибов, в частности рода Fusarium, стимулирующих формирование у растений системной неспецифической устойчивости к агрессивным штаммам грибов. Основным механизмом, определяющим высокую супрессивную активность Pseudomonas в вермикомпосте, является индукция активности бактерий динамическими характеристиками их популяции и сообщества низших грибов, а именно: цикличностью численности бактерий и грибов, обусловливающей периодические всплески плотности популяций, и, как следствие, обострение внутри- и межпопуляционной конкуренции за субстрат. При этом уровень фунгистатической активности Pseudomonas не зависит от типа питания гриба.
6. Эффективность приема интродукции в почву технологичных навозных червей обусловлена сбалансированностью микробиологических процессов трансформацией органического вещества ТНС благодаря совместному взаимодополняющему воздействию навозных и почвенных червей. Почвозащитная технология ПКВК способствует повышению как эффективного, так и потенциального плодородия почвы, а также улучшает ее экологические параметры, предотвращая загрязнение окружающей среды нитратами и снижая газообразные потери азота из агроценоза.
7. Биологическая активность природных цеолитов по отношению к нефтеокисляющим и азотфиксирующим микроорганизмам определяется как микроэлементным составом минералов, так и свойствами их кристаллической решетки: высокой удельной поверхностью, хорошо выраженной адгезионной способностью по отношению к почвенной микрофлоре и значительной емкостью катионного обмена. Цеолиты, обладающие большой площадью активной поверхности, обеспечивают одновременно сорбцию углеводородов нефти и адгезию клеток микроорганизмов. Такое совмещение в одном объеме углеводородного субстрата и агентов его утилизации при достаточном количестве биогенных элементов способствует формированию в загрязненной почве центров активной деструкции веществ-загрязнителей.
8. В условиях техногенного загрязнения почв нефтью ведущим фактором биологической деструкции углеводородов в почве являются микробиологические процессы, связанные с циклом превращения азота - азотфиксация и денитрификация. При этом наиболее эффективной формой азота является нитратная, обеспечивающая двойной путь использования азота микроорганизмами, участвующими в деструкции углеводородов нефти: в качестве источника азота и в качестве акцептора электронов в процессах денитрификации. Традиционно широко используемые в рекультивационной практике аммонийные формы азотных удобрений наименее эффективны, так как способствуют массовому развитию в почве микроскопических грибов и повышению фитотоксичности почвы. Высокая эффективность органических форм азота при биоремедиации обусловлена медленным течением процессов аммонификации в условиях нефтяного загрязнения и дозированным высвобождением аммония, исключающим массовое размножение грибов и подавление процессов азотфиксации.
Среди установленных критериев экологической устойчивости почвы и эффективности почвозащитных технологий наиболее значимыми являются критерии, основанные не на структурных, а на динамических характеристиках микробного сообщества почвы: характер изменения трофической стратегии микробоценоза почвы в отношении таких источников углерода как гумус и свежие растительные остатки в ответ на внесение в почву избытка минерального азота; динамический критерий скорости круговорота азота в системе «почва-растение- атмосфера», определяемый как скорость противоположно направленных микробиологических процессов цикла азота, таких как азотфиксации и денитрификация, (данный критерий также применим для оценки уровня биологической активности почвы и органических удобрений).