Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Экологические особенности одноклеточных фотосинтезирующих организмов
1.1 Роль одноклеточных фотосинтезирующих организмов 9
в биогеоценозе
1.2 Влияние фотосинтезирующих организмов на высшие растения 19
1.3 Экскреция биологически активных метаболитов одноклеточными фотосинтезирующими организмами
ГЛАВА II. Объекты и методы исследований 24
2.1 Метеорологические условия в период проведения исследований
2.2 Условия проведения полевых исследований 31
2.3 Методы проведения агроэкологических исследований
2.4 Штаммы одноклеточных фотосинтезирующих организмов и условия их культивирования
2.5 Кинетические характеристики роста одноклеточных фотосинтезирующих организмов
ГЛАВА III. Агроэкологическая оценка влияния одно-клеточных фотосинтезирующих организмов на формирование биологической урожайности ячменя
3.1 Фенологические особенности развития ярового ячменя на темно-серых лесных почвах
3.2 Культивирование одноклеточных фотосинтезирующих организмов
3.3 Действие гербицидов Дианат и Гранд Стар на биологическую активность и жизнеспособность одноклеточных фотосинтезирующих организмов
3.4 Влияние одноклеточных фотосинтезирующих организмов на структуру биологического урожая зерна ячменя
3.5 Утилизация отходов агропромышленного комплекса и получение на их основе биомассы микроводоросли Chlorella vulgaris
3.6 Утилизация отходов сахарной промышленности путем приготовления обогащенного компоста
3.7 Биологическая эффективность препаратов на основе микроводоросли Chlorella vulgaris в условия представительных экосистем Центрального Черноземья
ГЛАВА IV. Влияние одноклеточных фотосинтезирующих организмов на микробиологическую активность и почвенное плодородие темно-серых лесных почв
4.1 Моделирование биологической продуктивности одноклеточных фотосинтезирующих организмов на темно-серых лесных почвах
4.2 Влияние одноклеточных фотосинтезирующих организмов на микробиологическую активность темно-серых лесных почв и биологическую урожайность зерна ячменя
4.3 Влияние одноклеточных фотосинтезирующих организмов на фракционно-групповой состав гумуса темно-серых лесных почв
4.4 Влияние одноклеточных фотосинтезирующих организмов на физико-химические свойства темно-серых лесных почв
4.5 Эколого-экономическая эффективность применения одноклеточных фотосинтезирующих организмов на темно-серых лесных почвах представительных экосистем Центрального Черноземья
Выводы 99
Практические рекомендации 100
Список литературы
- Экскреция биологически активных метаболитов одноклеточными фотосинтезирующими организмами
- Методы проведения агроэкологических исследований
- Влияние одноклеточных фотосинтезирующих организмов на структуру биологического урожая зерна ячменя
- Влияние одноклеточных фотосинтезирующих организмов на фракционно-групповой состав гумуса темно-серых лесных почв
Введение к работе
Актуальность исследований. Развитие современного агропромышленного комплекса нашей страны невозможно без разработки экологических мероприятий, направленных на сохранение почвенной и растительной экосистемы. В сложившихся условиях, ярко выражена значительная стойкость агрохимика-тов искусственной природы и неспецифичность их действия на накопление в окружающей среде токсических остатков, которые приводят к глубоким изменениям в экосистемах: уменьшению численности почвенных микроорганизмов и их разнообразия (Франк, 2008), снижению биологической активности почвы (Турусов и др., 2010; Mikanova & Simon, 2009), качества продукции, повышению фитотоксичности почвенной микофлоры (Данилова, 2010) и развитию устойчивых форм возбудителей болезней (Heimbach, 2010; Гаврилов, 2006), что вносит весомый вклад в развитие мирового экологического кризиса (Соколов и др., 2010; Pitann et al., 2009). Вместе с тем, мировое сельскохозяйственное производство ориентировано на использование эколого-биологических способов, которые в отдельных странах от 1,5-2,0 % (США) до 9,0-10,0% (Швеция) (Kabaluk et al., 2010; Долгинова, 2009) получили широкое развитие (Heimbach, 2010; Gessler et al., 2010).
За последние годы наметилась тенденция к использованию биологических препаратов на основе экстракта из морских и пресноводных одноклеточных водорослей, оказывающих ростостимулирующий эффект, особенно при обработке посевного материала (Лукьянов, Стифеев, 2013). Вполне логично, что применение органических удобрений и биологических препаратов на их основе не могут заменить полное минеральное питание высших растений (Санин, 2010; Gessler et al., 2010; Heimbach, 2010), однако они способны компенсировать недостаток элементов питания в определенные фазы развития высших растений и имеют относительно высокую биологическую и экономическую эффективность (Stirk, Ordog, 2013). Проведенные исследования Болышева Н.Н., Панкратовой Е.М., Зеновой Г.М., Штиной Э.А. и др., внесли существенный вклад в становление фундаментальной почвенной альгологии, однако в литературе практически отсутствуют современные данные об эффективности применения одноклеточных фотосинтезирующих организмов или их метаболитов при возделывании полевых культур в естественных условиях Центральной России.
С учетом выше изложенного, новый подход к изучению одноклеточных фотосинтезирующих организмов расширяет перечень имеющихся научных данных, в связи с чем, была определена направленность исследований, объем, задачи и методика постановки эксперимента.
Цель исследований – комплексная агроэкологическая оценка эффективности влияния одноклеточных фотосинтезирующих организмов на продуктивность зерна ячменя, микробиологическую активность и почвенное плодородие представительных экосистем Центрального Черноземья.
В соответствии с целью работы были поставлены следующие задачи:
-
провести культивирование одноклеточных фотосинтезирующих организмов с последующим использованием биомассы из линейной фазы их роста;
-
выявить закономерности изменения структуры биологического урожая ярового ячменя с применением одноклеточных фотосинтезирующих организмов;
-
дать агроэкологическую оценку действия одноклеточных фотосинтези-рующих организмов на микробиологическую активность и физико-химические свойства темно-серых лесных почв;
-
оценить действие гербицидов Дианат и Гранд Стар на биологическую активность и жизнеспособность одноклеточных фотосинтезирующих организмов;
-
рассчитать эколого-экономическую эффективность применения одноклеточных фотосинтезирующих организмов в условиях представительных экосистем Центрального Черноземья;
-
на основе полученных данных, разработать рекомендации для использования продуктивных видов одноклеточных фотосинтезирующих организмов в условиях Центрально-Черноземного региона.
Научная новизна. Впервые в условиях представительных экосистем Центрального Черноземья изучены экологические особенности одноклеточных фо-тосинтезирующих организмов и их влияние на рост и развитие ячменя, агро-экологические свойства темно-серых лесных почв, почвенное плодородие, урожайность и качество зерна ячменя, обоснована эколого-экономическая целесообразность их использования.
Теоретическая и практическая значимость работы. Материалы исследований позволили расширить перечень имеющихся научных данных об экологических особенностях одноклеточных фотосинтезирующих организмов в условиях представительных экосистем Центрального Черноземья. Наиболее продуктивные виды рекомендованы для разработки биологических препаратов и утилизации отходов агропромышленного комплекса Российской Федерации.
Методология и методы исследований. На протяжении 5 лет проводились комплексные почвенно-экологические исследования, связанные с изучением биологических особенностей одноклеточных фотосинтезирующих организмов. Научная работа проводилась согласно методике опытного дела с использованием методов анализа и синтеза, лабораторных и полевых наблюдений, анализа литературных данных, статистической обработки данных, моделирования. Для агроэкологической оценки состояния темно-серых лесных почв использовали методы инфракрасной и электронной спектроскопии, а также традиционные методы анализа физико-химических свойств почв. Получение биомассы одноклеточных фотосинтезирующих организмов осуществляли с помощью лабораторных и промышленных биореакторов, работающие по принципу интенсивного накопительного культивирования.
Положения, выносимые на защиту:
-
применение одноклеточных фотосинтезирующих организмов для предпосевной обработки семян и некорневой подкормки в фазу кущения позволяют увеличить энергию прорастания семян ячменя, длину зародышевых корешков, всхожесть, что способствует повышению биологической урожайности зерна ярового ячменя в условиях представительных экосистем Центрального-Черноземья
-
основной фактор, определяющий биологическую продуктивность одноклеточных фотосинтезирующих организмов в естественных условиях представительных экосистем Центрального Черноземья являются климатические особенности региона.
Степень достоверности и апробация результатов исследований подтверждается достаточным объемом экспериментальных данных, патентом на полезную модель №125999 и изобретение №2562544, применением методов математической статистики. Материалы исследований, вошедшие в диссертационную работу, были представлены на Всероссийском конкурсе научных работ среди студентов, аспирантов и молодых ученых в 2011, 2012 и 2015гг., Международной пущинской школы-конференции «Биология – наука XXI века» в 2013, 2014гг., Международной научно-технической конференции «Современные проблемы экологии» в 2013г., Международной научно-практической конференции «Экологическая безопасность региона» в 2012, 2013гг., Областном конкурсе научных работ по проблемам развития агропромышленного комплекса в 2013, 2014 и 2015гг., на региональном конкурсе «Умник» при поддержке фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере, XVII Российской агропромышленной выставке «Золотая осень-2015».
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 26 печатных работ, в т.ч.1 монография, 5 изданий в журналах, рекомендованных ВАК РФ, получены 2 патента на полезную модель и изобретение, поданы 2 заявки на изобретение.
Структура диссертации. Работа состоит из введения, обзора литературы, описания методики проводимых исследований, экспериментальной части, заключения, списка использованной литературы, приложений. Экспериментальная часть включает 4 главы. Работа изложена на 136 страницах машинописного текста, содержит 24 таблицы, 26 рисунков, 14 приложений. Список использованной литературы включает 202 источника, 31 из которых - иностранные.
Благодарности. Автор выражает особую благодарность научному руководителю - профессору Стифееву Анатолию Ивановичу за помощь в проведении исследований и сопровождение научной работы, зав. отделом биотехнологий Института морских биологических исследований Тренкеншу Рудольфу Павловичу, профессору Института физиологии растений Прониной Наталье Александровне за ценные консультации и высокопродуктивные штаммы, зав. аналитической лаборатории Института биофизики СО РАН Калачевой Галине Сергеевне за проведение биохимического анализа исследуемых видов одноклеточных фотосинтезирующих организмов.
Экскреция биологически активных метаболитов одноклеточными фотосинтезирующими организмами
Одноклеточные фотосинтезирующие организмы – это древнейшие микроорганизмы на Земле, создавшие ее кислородную атмосферу и являющиеся весьма существенной частью природы (Вассер, Кондратьева и др., 1989). Кроме способности к фотосинтезу они имеют и другие своеобразные черты, отличающие их от представителей животного мира. Это и специфическое строение клетки, и преимущественно неподвижный образ жизни, и тенденция к неограниченному росту в течение вегетативной фазы жизненного цикла при высокой степени расчлененности тела. Однако, мир растений настолько многообразен, что ни один из указанных выше признак, не является общим для всех его представителей. Таких общих для всех растений признаков практически вообще нет (Андреева, 1998).
В течение последних десятилетий в развитии альгологии произошел качественный скачок, выдвинувший ее в ряд передовых наук современности. Особое значение для развития альгологии имело усовершенствование электронно-микроскопической техники и методов, биохимического анализа, а также разработка способов выделения аксенических культур и создание в разных странах коллекций штаммов микроводорослей. Все эго стимулировало развитие экспериментальных работ. Расширение объема альгологических исследований привело к существенному увеличению информации о микроводорослях.
Одноклеточные фотосинтезирующие организмы (ранее микроводоросли) — преимущественно обитатели водной среды, но многие адаптировались к жизни во вневодных местообитаниях — в почве и на ее поверхности, на скалах, стволах деревьев и в других наземных биотопах (Голлербах, 1946).
С учетом обитания одноклеточных фотосинтезирующих организмов в различных местах, выделяют несколько экологических группировок водорослей, среди которых: водные водоросли, планктонные водоросли, наземные водоросли, почвенные водоросли, водоросли горячих источников, водоросли снега и льда, водоросли известкового субстрата, водоросли листьев и коры деревьев и др.
На поверхности почвы нередко можно видеть невооруженным глазом различные разрастания — кожистые или войлокообразные пленки или слизистые слоевища синезеленых водорослей (цианобактерий). Часто наблюдается также общее позеленение почвы, обусловленное массовым развитием микроскопических форм, рассеянных среди почвенных частиц (Мезенцева, 1992; Гайсина, Фазлутдинова, Кабиров, 2008).
Обитая в ризосфере, почвенные микроводоросли взаимодействуют с корнями растений (в ризосфере, как правило, преобладают зеленые микроводоросли и ци-анобактерии). Значительное большинство их представлено микроскопическими формами, которые являются постоянной и характерной составной частью живого микромира почвы. И только при массовом их разрастании можно увидеть невооруженным глазом на поверхности позеленение (цветение почвы) или образование корочки (например, при массовом развитии Nostoc communie).
Одноклеточные фотосинтезирующие организмы – это наиболее примитивные организмы из современных зеленых растений. На коре деревьев растут зеленые микроводоросли родов Pleurococcus (P.vulgaris), Chlorella, Trentepohlia (Tr.umbrina), Stichococcuys, Chlorococcum. Во влажных тропиках на листьях деревьев преобладают трентеполиевые и синезеленые – Phormidium, Scytonema, Schizothrix. Наряду с зелеными и синезелеными могут обитать и диатомовые водоросли. На скалах поселяются Stichococcus bacillaris, Chlorella elipsoidea, виды рода Chlorococcum и др. На известковых скалах преобладают цианобактерии.
К одноклеточным фотосинтезирующим организмам, обитающим во льдах и снегу, относятся Chlamydoonas nivalis, которая содержит в своих клетках красный пигмент и поэтому при ее массовом размножении снег окрашивается в красный цвет. Chlamydomonas flavorvirens за счет своего пигмента при массовом размно 11 жении окрашивает снег или лед в желто-зеленый цвет. К обитателям снега и льда относится также и синезеленая водоросль Glenodinium pascher. Одноклеточные фотосинтезирующие организмы встречаются не только на суше, но и в водных биотах любого типа. В соленых водах обитает зеленая микроводоросль Dunaliella salina, по своему строению похожая на хламидомонаду. Она содержит красный пигмент каротин и при массовом развитии и гибели клеток, выделившийся из разрушенных клеток пигмент.
В соленых водах массово может размножаться цианобактерия Chlorogloea sarcinoides, погибшие клетки которой накапливаются в иле. Ил, содержащий отмершие хлороглеи, используются в лечебных целях. В соленых водоемах обитают и бурые водоросли. Среди них есть кустистые, шнуровидные и древовидные формы, достигающие очень больших размеров (Вассер, Кондрастьева и др., 1989). Цианобактерии являются обитателями и горячих источников.
По систематическому и видовому составу почвенные фотосинтезирующие организмы достаточно разнообразны. Среди них Cyanophyta (цианобактерии), Chlorophyta (зеленые), Xantophyta (желтозеленые), Bacillariophyta (диатомовые), Euglenophyta (эвгленовые), Chrisophyta (золотистые), Pyrophyta (пирофитовые), Rhodophyta (багрянки) (Лазарев, 2012). Среди них самыми многочисленными являются синезеленые (цианобактерии), зеленые, диатомовые и разножгутиковые микроводоросли. Их представляют виды родов Nostoc, Microcoleus, Prasiola, Phormidium,Trentepohlia, Chlococcum, Chlorella, Botrydium, Vaucheria, Gloeocapsa, Stigonema и др.
Методы проведения агроэкологических исследований
Штаммы микроводорослей Chlorella vulgaris Beijer, Acutodesmus Obliquus Kruger и цианобактерий Nostoc punctiforme, Anabaena sphaerica были предоставлены Институтом морских биологических исследований РАН и Институтом физиологии растений РАН (рис. 2.4.1).
Выбор вышеперечисленных штаммов был обусловлен их продукционными возможностями, а также использованием в других отраслях промышленности как наиболее перспективные. Chlorella vulgaris Beijer – одноклеточная прокариотическая микроводоросль с размером клеток от 3 до 8 мкм. Штамм: К. Косиков, Chlorella sp. 132-2, 1960 40 1961. Выделен: Россия, Архангельская область, лужа. Селекция: рост при повышенной концентрации солей (400% среды Тамия), термофильность. Другие названия: Chlorella sp. K. Поступил: ИОГЕН, К. Косиков, Chlorella sp. 132-2, 1961 = DMMSU Sp.K = CALU 246. Нейтрофил, термофил, светолюбивый, автотроф, фотогетеротроф, миксотроф, аксеничен. Стандартная питательная среда для культивирования – Тамия. Область применения: фундаментальные исследования (в области эндогенной регуляции фотосинтеза и метаболизма), иммунология, биотехнология, получение биомассы, белков, углеводов, получение соединений, меченных стабильными изотопами 15N, 13C, дейтерием). В публикациях известен как Chlorella sp. K, продуктивен в широком диапазоне света и температуры, известен как модельный объект, на котором впервые показано существование штаммов хлореллы, способных при экстремальных воздействиях к изменению направленности биосинтеза в сторону накопления углеводов (до 70% биомассы), крахмала (до 80 % от суммы углеводов).
Acutodesmus (Scenedesmus) Obliquus Kruger – одноклеточная прокариотиче-ская микроводоросль с размером клеток от 4 до 12 мкм. Нейтрофил, мезофил, светолюбивый, автотроф, фотогетеротроф, аксеничен. Стандартная питательная среда для культивирования – Тамия. Область применения: фундаментальные исследования биотехнология, получение биомассы, белков, углеводов.
Nostoc punctiforme – одноклеточная эукариотическая цианобактерия с размером клеток от 15 до 100 мкм. Нейрофил, алкалофил, термофил, светолюбивый, автотроф. Стандартная питательная среда для культивирования – Громова №6. Область применения: фундаментальные исследования, почвоведение.
Anabaena sphaerica - одноклеточная эукариотическая цианобактерия с размером клеток от 20 до 150 мкм. Поступил: Вьетнам, Центр биологических исследований, Чан Ван Тыа, шт. II, 1988. Нейрофил, алкалофил, мезофил, светолюбивый, автотроф, азотфиксатор. Стандартная питательная среда для культивирования – Аллена-Арнона. Область применения: фундаментальные исследования, получение аммиака, получение экологически чистого азотного удобрения. Штаммы фототрофных организмов поддерживали на разбавленной жидкой питательной среде, рекомендованной для конкретного вида при слабом освещении 20Вт/м2. Для производства биомассы использовали стандартные условия и режимы культивирования – интенсивность постоянного освещения в области ФАР 60-70 Вт/м2, газо-воздушная смесь с 3% СО2, постоянное перемешивание. (Лелеков, 2007). Культивирование проводили до линейной фазы, в которую производили отбор суспензии для проведения исследований. Такой способ использования биомассы был обусловлен высокой биологической активностью фотосинте-зирующих организмов в данную фазу их роста.
Установка для культивирования включала (рис. 2.4.2): установочную площадку для двух фотобиореакторов, систему освещения, термостабилизацию, газообеспечение, а также системы обеспечения непрерывного режима культивирования.
Унифицированная лабораторная установка для исследования одноклеточных фотосинтезирующих организмов На верхней площадке расположены емкости для питательной среды, компрессор, электромагнитный клапан. В центре верхней площадки сделано отверстие для подвода шлангов с воздухом к фотобиореактору и шлангов с питательной средой к электромагнитному клапану.
Фотобиореактор представляет собой емкость из стекла размером 40020050 (плоскопараллельный тип) с рабочей толщиной 50 мм, т.е. выполняется условие перпендикулярности вектора светового потока к поверхности 400200. Рабочий объем реактора – 3-5 л. В качестве источника света используется горизонтальная световая решетка, состоящая из 10 ламп дневного света General Electric F18W/54-765 (Тренкеншу, 2009).
Культивирование микроводорослей и цианобактерий осуществляли квазинепрерывным (накопительным) способом при температуре для всех видов от 25 до 360С при постоянном освещении. Согласно биологическим особенностям перечисленных штаммов в качестве источника углерода мы использовали углекислый газ из баллона 3% от объема биореактора и бикорбонат-ион. Минеральная питательная среда была представлена химически чистыми соединениями.
В основе метода лежит деление накопительной кривой на следующие фазы: лаг-фаза, экспоненциальная фаза, линейная фаза, фаза замедления роста, стационарная фаза и фаза отмирания. Каждая фаза характеризуется постоянством какого-либо кинетического параметра (Штоль, Мельников, Ковров, 1976). Описанный способ расчета кинетических характеристик роста носит приближенный характер из-за условности границ фаз роста, но он незаменим для сравнения различных накопительных кривых роста (Семененко, Владимирова, Цоглин и др., 1966; Von-shak, 1986). Основной кинетической характеристикой роста микроводорослей является скорость роста, которая определяется процессами фотобиосинтеза и зависит от скорости синтеза биомассы. В общем случае, рост и биосинтез компонентов клетки является результатом двух процессов: собственно фотосинтеза и дыхания (Тренкеншу, 200; Цоглин, Протасова, Уэльс, Добровольский, 1990). Продуктивность (скорость роста) культуры – это кинетическая характеристика, показывающая количество синтезируемой биомассы в единицу времени: Удельная скорость роста – кинетическая характеристика, показывающая сколько единиц биомассы синтезирует каждая единица биомассы в единицу времени:
Влияние одноклеточных фотосинтезирующих организмов на структуру биологического урожая зерна ячменя
Роль водоемов в жизни планеты и человека переоценить невозможно. Именно эта великая роль и способствует тому, что все без исключения водоемы и водотоки испытывают весьма значительный антропогенный пресс от агропромышленного комплекса (Архипченко, 1983). Он выражается в воздействии точечных и рассеянных источников загрязнения, изменении морфометрии, гидрологического и химического режима пресноводных экосистем (Саут, Уиттик, 1990).
Особую актуальность приобретает возможность утилизации сточных вод и отходов птицефабрик и животноводческих комплексов, что связано с ежегодным накоплением их в огромных количествах (Гольд, 2009). Только в России функционируют более 800 птицефабрик, 15 племенных заводов и т.д. При 20-миллионном поголовье птицы и удельной экскреции фосфора и азота 0,25 и 1,0 кг/гол/год соответственно, годовые нагрузки основных биогенных веществ составят по фосфору 5 000 т/год и по азоту 20 000 т/год (Буриев, Ахунов, 1988; Лукьянов, Горбунова, 2014).
Для моделирования процессов утилизации отходов агропромышленного комплекса, в частности сточных вод птицефабрик, в лабораторных исследованиях использовали культуру микроводоросли Chlorella vulgaris из коллекции культур Института морских биологических исследований РАН. Опыт включал контрольный вариант и вариант с микроводорослью Chlorella vulgaris, культивирование которых проводили на сточных водах птицефабрики и стандартной питательной среде.
Сняв накопительные кривые роста микроводорослей, были рассчитаны кинетические характеристики всех вариантов эксперимента и провели их сравнительную оценку. Все рассчитанные значения сведены в таблицу 3.5.1.
Проведенные нами исследования показали, что эффективным методом поглощения биофильных элементов из сточных вод птицефабрик (азот, фосфор, калий) является использование микроводоросли Chlorella vulgaris (Габидуллина, 2009). Это обусловлено ее физиологическими особенностями: активным фотосинтезом, способностью непосредственно утилизировать ионы азота, фосфора и других веществ, выдерживать высокие концентрации различных токсических веществ, а также бактерицидностью продуктов, выделяемых ими в процессе жизнедеятельности (Kaya, Noue, 1995; Гутиева, Шахмурзов, 2001).
Результаты проведенных исследований показали возможность использования Chlorella vulgaris для очистки сточных вод птицефабрик (Лукьянов, Стифеев, Горбунова, 2013).
Сравнивая вышеперечисленные варианты, можно сделать вывод о преимуществе культивирования микроводоросли Chlorella vulgaris на сточных водах, при котором получено максимальное количество биомассы – 12 г сухого вещества с 1 литра суспензии. При этом необходимо отметить, что удельная скорость роста в 2 раза превышала рост Chlorella vulgaris на стандартной питательной среде.
Принимая во внимание изношенность большинства коммунальных очистных сооружений и отсутствие возможности использовать эффективные методы очистки сточных вод, метод альголизации может быть выходом для существенного повышения качества доочистки сточных вод в первую очередь от соединений азота и фосфора до нормативных показателей.
Таким образом, при интенсивном культивировании микроводоросли Chlorella vulgaris представляется возможным и экономически выгодным использовать в качества ростового субстрата сточные воды птицефабрик. Подобный подход позволяет решить экологическую проблему утилизации сточных вод птицефабрик, снизить себестоимость продукции микроводорослей до 30%, повысить их продуктивность и использовать для повышения урожайности полевых культур.
За последние годы в Центрально-Черноземной зоне значительно увеличились площади посевов сахарной свеклы. Только в условиях Курской области под сахарной свеклой занято более 100 тыс. га, где функционируют 8 свеклоперераба-тывающих заводов, образующиеся при этом отходы (дефекат, жом, сточные воды) не находят широкого применения. Однако, проведенные исследования показали, что отходы сахарной промышленности обладают благоприятными химическими свойствами и могут использоваться в качестве почвоудобрительного материала (таблица 11).
В условиях учебно-опытного хозяйства ФГУП «Знаменское» совместно с Всероссийским научно-исследовательским институтом сахарной промышленности, был утвержден план исследований на 2013-2015 гг., целью которого явило-ась разработка способов утилизации и обогащения питательными веществами от 68
ходов сахарной промышленности путем приготовления сложного компоста. Для приготовления компоста использовали основные отходы свеклоперерабатываю-щей промышленности - почвенные остатки, фильтрационный осадок, свекловичный жом в соотношении 3:1:0,5. Компост перемешивался 1 раз в 3 суток с целью аэрации и размножению микроорганизмов, в том числе микроводоросли Chlorella. Температура в компосте поддерживалась в пределах 30-320С. Компост был готов к использованию через 4 недели. После компост высушивали и дробили на мелкие гранулы в лабораторных условиях с целью равномерного внесения на опытном участке (Лукьянов, 2014).
Для усиления энергетического эффекта и биоконверсии в процессе компостирования мы использовали зеленую микроводоросль Chlorella vulgaris, выращенную по интенсивной технологии согласно стандартным условиям культивирования (Лукьянов, Стифеев, Косулин, Николаева, 2015). Схема опыта включала следующие варианты: 1) контроль (фон N30); 2) компост 1,2 т/га. Опытный участок представлен темно-серой лесной почвой. Площадь одного варианта 4 м2. Сухой компост вносили 120г на 1 м2. Повторность трехкратная. Культура - яровая пшеница. Норма высева 220кг/га.
Применение отходов свеклоперерабатывающей промышленности стимулировало рост пшеницы по вариантам опыта. На контрольном варианте была зафиксирована минимальная урожайность зерна пшеницы 30,1 ц/га. С применением компоста элементы структуры, из которых складывалась биологическая урожайность пшеницы, заметно отличались от контроля и составила 36,6 ц/га, что на 6,5 ц/га выше. Вопросы, связанные с утилизацией отходов свеклоперерабатывающей промышленности остаются актуальными и требуют проведения дальнейших исследований с целью разработки конкретных рекомендаций для внедрения в производство.
Логическим продолжением исследований была оценка эффективности в производственных условиях. Результаты исследований показали, что вариант с микроводорослью Chlorella vulgaris оказывает положительное влияние на продуктивность зерна ячменя, которая в дальнейшем использовалась при разработке биологических препаратов «Альгавит» и «Альгаверм»
Биологическая активность метаболитов зеленой микроводоросли Chlorella vulgaris была доказана в работах (Читао, 1984; Панкратова, 1991), где выделяемые органические вещества липидной природы имели положительный эффект, особенно при обработке семян суспензией. Однако большое значение принадлежит возрасту культуры и условиям культивирования, от которых напрямую зависит эффективность препаратов, на основе одноклеточных фотосинтезирующих организмов.
«Альгавит» и «Альгаверм» – биологические препараты на основе экстракта из вермикомпоста и микроводоросли Chlorella vulgaris, которые содержат в своем составе макро- и микроэлементы, гуминовые и фульвокислоты, аминокислоты, витамины, компенсирующие недостаток элементов питания растений.
Влияние одноклеточных фотосинтезирующих организмов на фракционно-групповой состав гумуса темно-серых лесных почв
В биологической продуктивности сформировавшихся фитоценозов доля органического вещества микроводорослей достаточно незначительна (1—2 % массы высших растений), однако микроводоросли, заполняя пространства, не занятые высшими растениями, служат фактором дополнительной ассимиляции лучистой энергии и дополнительной биомассы, что особенно ярко проявляется в случаях их массового разрастания на поверхности почв (Bristol-Roach, 1927; Chadefaud, 1983; Danin, Bar-Or, Yisraeli, 1989).
Микроводоросли и цианобактерии занимают поверхность почвы на полях, лугах с разреженным травостоем, эродированных участках, а также развиваются на антропогенных безжизненных субстратах. Биомасса микроводорослей при отсутствии их макроскопических разрастаний достигает 1 т/га, а при «цветении» почвы приближается к 15 т/га при оптимальных климатических условиях (Чуков, Голубков, 2005; Шлеггель, 1987; Балезина, 1975).
Роль микроводорослей как накопителей органического вещества особенно возрастает при применении минеральных удобрений, которые более эффективны в присутствии органического вещества и стимулируют их развитие (Штина и др., 1964; Цавелкова, Лобакова, 2003; Gusev, Baulina, etc., 2002). Так, при весенней подкормке посевов, когда удобрения вносятся на влажную поверхность почвы, происходит бурное развитие водорослей, в результате чего почва «цветет», т. е. покрывается зеленым налетом (Lund, 1962; Бекасова, 2002; Ваулина, 1957).
С применением микроводорослей и цианобактерий по вариантам опыта увеличивалось содержание Са, незначительно снижался Mg (таблица 4.4.1). Их максимальная сумма была на варианте с Acutodesmus obliquus и Nostoc punctiforme и составила соответственно 18,7 и 18,8 мг/100г почвы, что на 0,2 и 0,3 мг/100 выше, чем на контрольном варианте. Снижение количества магния по вариантам опыта с применением фотосинтезирующих организмов обусловлено их физиологически ми потребностями в данном элементе, который занимает второе место в их питании после азота.
Сумма поглощенных оснований на контроле составила 20 мг-экв/100г почвы, что на 1 мг-экв меньше, чем на варианте с применением Chlorella vulgaris, на 1,2 мг-экв меньше, чем на варианте с применением Acutodesmus obliquus, на 0,4 мг-экв меньше, чем с применением Anabaena sphaerica и на 0,7 мг-экв меньше, чем с применением Nostoc punctiforme.
Степень насыщенности почв основаниями незначительно изменялась и была минимальной на контрольном варианте 79,3%. Максимальная величина данного показателя была достигнута на варианте с микроводорослью Acutodesmus obliquus и составила 81,2%.
Результаты агрохимического обследования опытного участка, показали низкое содержание щелочногидролизуемого азота - 70 мг/кг, повышенное содержание подвижного фосфора - 112 мг/кг, высокое содержание обменного калия – 129 мг/кг, по степени кислотности почвы сильнокислые – 4,4 с низким содержанием гумуса – 2,7% (таблица 4.5.2).
Внесение в почву фотосинтезирующих организмов (микроводорослей и циа-нобактерий) положительно изменяло агрохимические свойства темно-серых лесных опытных почв. Содержание азота несущественно изменялось по вариантам опыта, где его максимальное содержание было с применением азотфиксирующей цианобактерии Anabaena sphaerica – 71 мг/кг. Содержание подвижного фосфора было в пределах повышенного содержания, однако в отдельных вариантах отмечено его снижение за счет использования фотосинтезирующими организмами. Содержание калия резко увеличивалось с 129 до 162 мг/кг почвы, что связано с их наличием в питательной среде. Основной показатель почвенного плодородия – гумус изменялся от 2,31 % до 2,38 %.
В последние десятилетия в процессы миграции ТМ в природной среде интенсивно включилась антропогенная деятельность человечества. Однако, почвенный покров нашего участка не характеризовался повышенным фоном содержания тяжелых металлов, скорее наоборот, их недостатком. Содержание тяжелых металлов (ТМ) в почвах зависит, как установлено многими исследователями, от состава исходных типов почв, использованием минеральных и органических удобрений, применением пестицидов, экологической обстановкой в регионе (таблица 4.5.3).
Полученные данные свидетельствуют о невысоком содержании основных тяжелых металлов, учитываемых в агрономической практике, которые по вариантам опыта находятся в пределах предельно-допустимых концентрациях. Внесение одноклеточных фотосинтезирующих организмов по вариантам опыта не оказыва 93 ло влияния на их содержание, однако все элементы, кроме кадмия содержатся в питательной среде для их культивирования в малой концентрации (Власова, 2005).
Логично полагать, что микроводоросли и цианобактерии могут, как использовать эти элементы для своего развития, так и вносить их в почву после отмирания клеток. Они способны как увеличивать, так и снижать содержание тяжелых металлов и эта динамика строго зависит от питательной среды, на которой культивируется тот или иной штамм. Хочется подчеркнуть, что используемые штаммы имеют пластичный аппарат синтеза неорганических вещества, что позволит в будущем предопределять нужный состав для получения потенциальной урожайности сельскохозяйственных культур.
Результаты проведенных исследований в условиях представительных экосистем Центрального Черноземья показали, что применение одноклеточных фото-синтезирующих организмов для обработки посевного материала, некорневой подкормки в фазу кущения и внесение в почву экономически целесообразно (Лукьянов, 2013; Лукьянов, Стифеев, Горбунова, 2015).
Урожайность зерна ячменя определяли методом взвешивания. Стоимость продукции рассчитывалась по фактическим ценам реализации ив среднем составила в условиях 2012-2015гг. 700 рублей за 1 центнер зерна. Средние производственные затраты, которые сложились на территории Курской области, составляют 16713,0 руб./га (таблица 4.5.1).