Введение к работе
Актуальность темы исследования
Применение бактериальных препаратов в растениеводстве является одним из наиболее перспективных методов повышения урожайности сельскохозяйственных культур (Кожемяхов, Тихонович, 1999). История применения бактериальных интродуцентов насчитывает более 100 лет (Мишустин, 1975). Однако на сегодняшний день не существует достаточно четких критериев для предсказания эффективности интродукции. При практическом применении препаратов основная проблема состоит в том, что внесенные в ризосферу микроорганизмы попадают под влияние большого числа факторов оказывающих неблагоприятное воздействие, и они часто не выживают или не выполняют свою специфическую функцию (Bashan, 1990; Buchenauer, 1998). Результаты экспериментов по интродукции микроорганизмов часто являются трудно интерпретируемыми в силу сложности ризосферы как биологической системы (Jagnow, 1987; Nehl et al., 1997). Естественный путь создания теоретической базы для практического применения интродукции бактерий в ризосферу состоит в последовательном использовании методологии системного анализа (Пани-ков, 1992). Одним из важных этапов системного исследования биологических сообществ является математическое моделирование (Levin et al., 1997). Это предполагает выявление основных действующих факторов, создание и верификацию математических моделей, имипфующих поведение биологической системы и идентификацию параметров моделей на основе экспериментальных данных.
Цель работы - выявление методом математического моделирования факторов, способствующих эффективной интродукции микроорганизмов в ризосферу растения и разработка методов идентификации кинетических параметров роста микроорганизмов по экспериментальным данным. Задачи исследования:
-
Разработать математическую модель, имитирующую динамику популяции интродуцента в ризосфере.
-
Выявить условия, способствующие повышению эффективности интродукции.
-
Разработать метод идентифіїкации кинетических параметров роста микроорганизмов по измерениям роста в простой периодической культуре.
Научная новизна работы.
Создана оригинальная математическая модель, имитирующая динамику популяции микробного интродуцента в ризосфере. С ее помощью исследована эффективность интродукции в различных условиях.
Впервые обосновано применение нелинейного регрессионного анализа для идентификации кинетических параметров роста микроорганизмов в рамках модели простой периодической культуры Моно.
Впервые применены методы D-оптимального планирования эксперимента для культивирования микроорганизмов в периодической культуре. Практическая значимость.
Разработанная математическая модель позволяет в определенной мере предсказывать эффективность интродукции конкретного микроорганизма в ризосферу определенной сельскохозяйственной культуры, а также позволяет анализировать результаты экспериментов по интродукции микроорганизмов.
Результаты исследования интродукции методом математического моделирования могут быть использованы при практическом применении бактериальных препаратов.
Применение на практике разработанных и математически обоснованных методов нелинейного регрессионного анализа и локального D-оптимального планирования экспериментов по культивированию микроорганизмов позволяет существенно сократить число необходимых для идентификации параметров экспериментов.
Апробация работы. Основные результаты и положения работы были представлены на: Всероссийской конференции «Микробиология почв и земледелие» (Санкт-Петербург, 1998); Докучаевских молодежных чтениях'99 «Почва. Экология. Общество.» (Санкт-Петербург, 1999); 22ой конференции секции кормовых культур и полезных трав организации EUCARPIA «Новые подходы и технические приемы в выведении устойчивых кормовых культур и полезных трав» (Санкт-Петербург, 1999); Научно-практической конференции Северо-Западного научного центра РАСХН «Вклад молодых ученых в решение задач научного обеспечения Северо-Запада РФ» (Санкт-Петербург - Пушкин, 1999); Всероссийской молодежной конференции «Растение и почва» (Санкт-Петербург, 1999); Ш съезде Докучаевского общества почвоведов (Суздаль, 2000).
По материалам диссертации опубликовано 7 работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, включающих обзор литературы и изложение результатов исследования и их обсуждение, заключения, выводов и списка использованных литературных источников. Работа изложена на 14 ^страницах, иллюстрирована 32 рисунками и содержит 6 таблиц. Список использованных литературных источников включает 180 наименований, в том числе 122 зарубежных. В диссертации имеется приложение, содержащее оригинальные компьютерные программы, использованные в работе.