Роль микроорганизмов в процессе формирования плодородия почв

Вид материала

Документы

Содержание Роль микроорганизмов в процессе формирования плодородия почв. Проблема загрязнения почв. Эффективные микроорганизмы. Классификация почв. Тип почвы Подавляющие болезни

Подобный материал:

• Государственная программа сохранения и повышения плодородия почв в Кыргызской Республике, 374.34kb.
• Федеральная целевая программа сохранение и восстановление плодородия почв земель сельскохозяйственного, 873.95kb.
• "Роль биологического азота в азотном балансе почв", 330.23kb.
• План курсовой работы: Введение. Природные условия и факты почвообразования на исследуемой, 327.06kb.
• Н. И. Курдюмов Мастерство плодородия Н. И. Курдюмов 1 Мастерство плодородия 1 Вместо, 3260.95kb.
• Рабочая программа обучающего семинара «Эффективные приемы сохранения и повышения плодородия, 67.18kb.
• Программа вступительного экзамена в магистратуру, 315.49kb.
• Государственная поддержка химизации сельскохозяйственного производства как фактор повышения, 212.57kb.
• Лекция Введение. Общепланетарное значение и функции почв, 1902.36kb.
• Программа вступительных испытаний по «Почвоведению» Направление подготовки 021900 почвоведение, 322.74kb.

Потребность ЕС в экологически безопасной продукции постоянно растёт, а в нашей стране сложились все позитивные условия для выхода на мировой рынок по производству и реализации данной продукции. Это позволит Украине занять одно из лидирующих мест в Европейском Сообществе по обеспечению рынка экологически безопасными продуктами питания, что в свою очередь приблизит Украину к вступлению в ЕС.

Для решения этой проблемы необходимо создать и внедрить в Украине такую технологию производства сельскохозяйственной продукции, которая запрещает или значительно ограничивает использование синтетических комбинированных удобрений, пестицидов, регуляторов роста и пищевых добавок. Такая технология должна базироваться на правильном использовании севооборота, применении в качестве удобрений растительных остатков, компостов, других органических отходов производства и использовании биологических средств борьбы с вредителями и сорняками. Технология должна быть основана на естественном повышении урожайности и улучшении структуры почвы. Конечной целью такой технологии является постепенный переход на «нулевую обработку» почвы. Не последнюю роль, а может одну из ведущих ролей, при переходе на такую технологию может сыграть ЭМ-технология.

В первые годы, при переходе на экологически безопасное земледелие, наблюдается уменьшение скорости разложения гумуса – основного поставщика минерального азота, и в почве возникает относительная азотная недостаточность из-за чего происходит незначительное снижение урожайности. Но затем в процессе естественного восстановления почв, эти показатели выравниваются, и урожайность повышается. Зато по данным Проекта аграрного маркетинга (ПАМ), прибыль от реализации экологически безопасной продукции на мировом рынке предположительно в 2-3 раза превышает выручку от продажи сельхозпродукции, выращенной традиционным способом. Так, например, средняя себестоимость производства 1 т пшеницы, сертифицированной как экологически безопасная, составляет $50-60. А в ЕС эту продукцию обычно закупают по $200-250 за 1т.

Производство и сбыт экологически безопасных овощей в Украине за рубеж – потенциально перспективный бизнес: при том, что площадей требуется меньше, чем под зерно, выручка в десятки раз больше. К тому же цены на украинском рынке на овощи существенно колеблются. Например, весной 2004 г. капуста подешевела до 12-15 коп. за 1 кг. В ЕС же за обычную капусту готовы платить 20-25 центов за 1 кг, а за экологически безопасную – 30-35 центов за 1 кг. Транспортные расходы составляют 15 центов за 1 кг. То есть цена продажи экологически безопасной капусты будет на уровне 0,7-1 грн. за 1 кг. Высокорентабельным может быть производство экологически безопасных арбузов. Цены на них достаточно стабильны, а экспорт даже обычных арбузов стремительно развивается. Цена на Украине – в среднем 2 цента за 1 кг. Европейские покупатели готовы платить за арбузы выращенные по интенсивной технологии, около 20-25 центов за 1 кг, а за экологически безопасные – 40-45 центов за 1 кг (затраты на доставку – 15-20 центов за 1 кг). То есть «чистая цена» по продаже экологически безопасных арбузов – 20-25 центов за 1 кг, или в 10-13 раз выше, чем на внутреннем рынке. Перспективно также производство экологически безопасного мёда, лесных орехов, ягод и грибов.

Все приведенные цены даны на начало 2004 г.

Следует особо подчеркнуть, что экологически безопасные продукты питания будут способствовать оздоровлению нации.


Роль микроорганизмов в процессе формирования плодородия почв.


Почва - это природное образование, состоящее из генетически связанных горизонтов, формирующихся в результате преобразования поверхностных слоёв литосферы под воздействием воды, воздуха и живых организмов. Почва состоит из твёрдой, газообразной и живой (фауна и флора) частей. Она обладает плодородием.

«Почва - это те верхние или близкие к ним горизонты горных пород, которые были более или менее естественно изменены взаимным влиянием воды, воздуха и различного рода организмов - живых и мёртвых, что и сказывается известным образом на составе, структуре и цвете таких образований» - такое первое научное определение дал отец науки о почве В. В. Докучаев. Создатель теории микробиологической природы процессов почвообразования академик П. А. Костычев уделяет главное внимание роли организмов, обитающих в верхнем слое почвы: «Мы, прежде всего, выделяем верхний слой земли до той глубины, до которой доходит главная масса корней, и называем этот слой почвой». Особое значение такому качеству почвы, как плодородие, придавал крупный учёный-почвовед академик В. Р. Вильямс. Он писал: «Когда мы говорим о почве, мы разумеем рыхлый поверхностный горизонт суши земного шара, способный производить урожай растений».

Формирование урожая происходит в системе «почва - растение» при непосредственном участии климатических факторов. Влияние человеческого фактора на формирование сельскохозяйственной продукции происходит в основном путём регулирования почвенных условий. Основными элементами плодородия почвы является вода и питательные вещества. Важным показателем плодородия является наличие в почве органических веществ. Большая часть растительных, животных и микробных остатков минерализуется почвенными микроорганизмами.

Разложение органических остатков и синтез новых соединений, входящих в состав почвы, протекают при воздействии ферментов, выделяемых разными ассоциациями микроорганизмов. Ни минералы, ни органика сами по себе не переходят в усвояемую форму для растений. Эту функцию выполняют обитатели почв, и в первую очередь - микроорганизмы. Микробные ассоциации не только разлагают органические остатки на более простые органические и минеральные соединения, но и активно участвуют в синтезе высокомолекулярных соединений - перегнойных кислот, которые образуют запас питательных веществ в почве.

Ведущим признаком почвообразовательного процесса считается образование гумуса. Гумус представляет собой группу высокомолекулярных соединений, химическая природа которых ещё точно не установлена. Выделяют четыре группы соединений: гуминовые кислоты, гумины, фульвокислоты и гиматомелановые кислоты. Важную роль в образовании гумуса играют почвенные микроорганизмы. С одной стороны микроорганизмы разлагают различные остатки, в первую очередь растительного происхождения, формируя структурные компоненты гумусовых веществ. Кроме того, они сами в процессе своей жизнедеятельности выделяют вещества, которые являются структурными компонентами гумуса. Отмирая, микроорганизмы поставляют в почву большое количество органики, которая вносит существенный вклад в гумусообразование.

Всех живых обитателей почвы можно отнести к трём надцарствам (безъядерные - Acaryotae; предъядерные - Procaryotae; ядерные - Eucaryotae) и пяти царствам: вирусы, бактерии, грибы, растения и животные.

Почвенные бактерии образуют три основных класса (А. Н. Красильников): Actinomycetae, Eubacteriae и Myxobacteriae, которые включают в себя различные по форме и функциям микроорганизмы.

Микроскопические организмы почвы выполняют множество различных функций. Например, они в анаеробных условиях активно ферментируют комплексные органические соединения, преобразуя их в простые молекулярные соединения, которые легко усваиваются растениями. Важное значение в повышении урожайности растений и улучшении плодородия почвы имеют микробы-антагонисты. Это особая группа бактерий, грибов, дрожжей и других микроорганизмов, которая вырабатывает различные биологически активные вещества (БАВ), в первую очередь антибиотические вещества, подавляющие рост и развитие патогенной микрофлоры.

М
Чертик с микроскопом рис 3
икроорганизмы в почве образуют сложный биоценоз, в котором различные их группы находятся между собой в сложных отношениях. Одни из них успешно сосуществуют, а другие являются антагонистами. Цель ЭМ-технологии заключается в создании оптимальных условий для развития полезной микрофлоры приводящей к оздоровлению почвы, повышению её плодородия и урожайности возделываемых культур.


Проблема загрязнения почв.


Всё увеличивающееся население планеты, постоянное снижение урожайности сельскохозяйственных культур, ежегодная 30% потеря урожая из-за вредителей, болезней растений и сорняков явились основанием для тотальной химизации сельского хозяйства. Однако, как скоро выяснилось, подобный подход спровоцировал глобальный экологический кризис, поставив, с одной стороны под угрозу жизнедеятельность человечества, а с другой стороны, вызвав серьёзные нарушения в окружающей среде.

Индустриализация и химизация сельского хозяйства, мелиорация земель, перевод животноводства на промышленную основу, неизмеримо увеличивая их производительность, порождают новые сложные проблемы оздоровления земли. Само сельское хозяйство оказывается источником опасного загрязнения окружающей среды. Органические остатки полей и крупных ферм становятся таким же бедствием для природы, как и отходы многих промышленных предприятий.

Химический синтез минеральных удобрений, пестицидов, фунгицидов и гербицидов - крупное открытие современности. Но при массированном и, особенно, плохо продуманном применении эти замечательные сами по себе средства могут превратиться в серьёзную угрозу плодородию почв и тем живым организмам, которые обеспечивают нормальный круговорот веществ в почве.

Т
Чёртик с весами рис 4
радиционное земледелие, пока оно существует и, вероятно, ещё долго будет существовать, нуждается в органических удобрениях, прежде всего навозе. По мере концентрации животноводства, роста городов и крупных населённых пунктов роль микробов, превращающих навоз и другие органические отходы в плодородный пахотный слой - гумус, будет приобретать всё большее значение.

Многие гербициды и пестициды разлагаются медленно, и нельзя допускать, чтобы они накапливались в почве. И тут могут помочь микроорганизмы. Установлено, что в ходе естественного отбора в почве постепенно появляются микробы, обладающие ферментами, преобразующими ядохимикаты в нетоксичные, а порой и в полезные вещества.

Интенсификация современного сельского хозяйства представляет серьёзную экологическую угрозу всей биосферы. Действительно, для увеличения плодородия в почву ежегодно во всём мире в виде минеральных удобрений вносится около 60 млн. тонн азота, фосфора, калия и 4-5 млн. тонн пестицидов для борьбы с сорняками и болезнями растений. Многие из химических веществ, вносимых в почву, являются «долгожителями» и опасны для живых систем даже в малых дозах. Хлористые, сернистые, азотные соединения повышают кислотность воды и почвы. В результате этого почва теряет кальций и магний, усиливается мобилизация алюминия, железа, фосфора. Возникают необратимые изменения агрохимического характера. Особенно серьёзную экологическую проблему представляют минеральные удобрения. Они, накапливаясь в почве, вызывают потерю гумуса. Это приводит к нитратному загрязнению почв, кормов, сельскохозяйственной продукции, что в свою очередь, приводит к росту онкологических заболеваний животных и человека.

В решении экологических проблем особая роль может принадлежать микроорганизмам. Уже не вызывает сомнения, что применение биотехнологических методов для очистки почвы и сточных вод является наиболее эффективным способом охраны окружающей среды. Оживлению земли, её ускоренному гумусообразованию и служит ЭМ-технология.


Эффективные микроорганизмы.


Эффективные микроорганизмы (ЭМ) - это смешанные культуры полезных микроорганизмов (прежде всего это молочнокислые бактерии, фотосинтезирующие бактерии, азотфиксирующие бактерии, дрожжи, почвенные актиномицеты, ферментирующие грибы) которые могут применяться как инокулят (затравка), чтобы увеличить микробное разнообразие почв. Это, в свою очередь, может улучшить качество почвы и её здоровье, что приводит к ускорению роста растений, повышению урожайности и качества возделываемых культур.

Концепция инокуляции почв и растений выгодными микроорганизмами для создания более благоприятной микробиологической окружающей среды для роста растений обсуждалась в течение десятилетий учёными - агрономами. Однако концепция, а затем и технология практического применения эффективных микроорганизмов была развита доктором Теруо Хига, профессором Университета Ryukyus в Окинаве, Япония.

Профессор Хига посвятил свою научную деятельность выявлению и отбору различных микроорганизмов, которые оказывают благоприятное воздействие на почву и растения. Согласно его представлениям, если почва насыщена полезной (анабиотической) микрофлорой, обеспечивающей восстановление её физико-химических свойств, регенерацию питательных веществ в формы и соединения, доступные для дальнейшего усвоения растениями, то эти растения благополучно растут и развиваются. В случае, если в почве преобладают патогенные формы микроорганизмов, рост растений замедляется, они становятся больными и слабыми, не могут конкурировать с сорняками, повреждаются вредителями; в результате чего теряется способность к высокой продуктивности без помощи дорогостоящих и экологически небезопасных ядохимикатов и минеральных удобрений.

ЭМ-культуры не содержат генетически изменённых микроорганизмов. ЭМ составлены из смешанных культур микроорганизмов, которые имеются в естественной среде во всём мире. Авторам препарата удалось соединить в одну биокультуру большую группу микроорганизмов, которая сосуществует в режиме активного взаимообмена источниками питания. К Эффективным Микроорганизмам можно отнести следующие группы микроскопических обитателей почвы:

Ф
Чертик с м/о рис 5
отосинтезирующие бактерии - независимая, самоподдерживающаяся группа микроорганизмов. Эти бактерии синтезируют полезные вещества из корневых выделений растений, органических остатков и даже вредных газов (например сероводород), используя солнечный свет и тепло почвы как источник энергии. Полезные вещества, выделяемые этими бактериями, включают в себя аминокислоты, нуклеиновые кислоты, биологически активные вещества и сахара, способствующие развитию и росту растений. Эти метаболиты поглощаются растениями непосредственно (без перевода их в более простые формы), а также являются субстратами для других полезных развивающихся микроорганизмов. Поэтому, при увеличении числа фотосинтезирующих бактерий в почве увеличивается содержание других эффективных микроорганизмов.

Молочнокислые бактерии также являются весьма важным компонентом ЭМ. Они производят молочную кислоту из сахаров и других углеводов, синтезируемых фотосинтезирующими бактериями и дрожжами. Молочная кислота является сильным стерилизатором. Она подавляет и угнетает рост и размножение патогенной микрофлоры при этом не нанося вреда полезным бактериям. Молочная кислота ускоряет разложение органики, способствует разложению лигнинов и целлюлозы.

Молочнокислые бактерии способны подавлять распространение гриба Fusarium, который вызывает болезни растений. Вообще, увеличение численности Fusarium ослабляет растения. Это состояние вызывает развитие других болезней и часто кончается внезапной вспышкой численности нематод. При подавлении молочнокислыми бактериями распространения гриба Fusarium, численность нематод будет постепенно снижаться.

Азотфиксирующие микроорганизмы, которые ассимилируют атмосферный азот и закрепляют его в виде азотных соединений, создавая таким образом запасы азота в почве. Одним из таких микробов является Azotobacter, который фиксирует атмосферный азот в присутствии кислорода, переводя его в нитриты и нитраты, которые легко усваиваются растениями. Азотобактер, кроме фиксации азота, синтезирует и выделяет в почву различные витамины и биостимуляторы роста. Ещё одной свободноживущей бактерией, способной фиксировать азот, является Clostridium pasteurianum. Свободноживущие микроорганизмы накапливают меньше азота в почве, чем клубеньковые (род Rhizobium), азотфиксирующие микроорганизмы, живущие в тесном симбиозе с корневой системой различных культурных растений. Эти микроорганизмы играют очень важную роль в земледелии. Фиксируемый ими азот, непосредственно через корневую систему, сразу поступает в растение.

Дрожжи также являются составной частью ЭМ. Они синтезируют полезные для роста растений вещества из аминокислот и сахаров, продуцируемых другими бактериями и корнями растений. Биологически активные вещества типа гормонов и ферментов, произведенных дрожжами, стимулируют точку роста и, собственно, рост корня. Кроме того в результате бродильных процессов, осуществляемых дрожжами, происходит естественное разрыхление почвы и улучшение её структуры.

Грибы содержатся в почве в большом количестве. Видовой состав очень разнообразен и зависит от условий почвообразования. Наиболее широко представлены в почве роды плесневых грибов. Они образуют ветвящийся мицелий, который густо переплетает массу органических остатков в почве. Грибы разлагают в почве органическое вещество, продуцируя этиловый спирт, сложные эфиры и антибиотические вещества. Они подавляют запахи и предотвращают заражение почвы вредными насекомыми и их личинками.

Актиномицеты - плесневидные бактерии или лучистые грибы, являются переходной формой между бактериями и грибами. В почве их содержится меньше, чем бактерий и грибов, но значение их в почвообразовании очень велико. Все представители актиномицетов - аэробы, поэтому живут они преимущественно в верхних горизонтах почв. Актиномицеты образуют простейший одноклеточный мицелий, часть которого обычно погружается в разлагающиеся органическое вещество, а другая располагается на его поверхности. Роль актиномицетов в почвообразовательном процессе заключается в том, что они хорошо разлагают органическое вещество почвы, особенно такие труднорастворимые соединения, как клетчатка, лигнины, парафины и воск. Актиномицеты синтезируют антибиотические вещества, которые подавляют рост и развитие патогенных бактерий и грибов. Актиномицеты могут сосуществовать с фотосинтезирующими бактериями. Таким образом, обе группы улучшают состояние почвы, увеличивая антимикробную активность.


Классификация почв.


В настоящее время почвы классифицируются на основе их структуры, а также на основе их химических и физических свойств. Однако, учитывая возрастающие требования к качеству продуктов питания и экологической безопасности, всё более необходимо уделять внимание биологическим свойствам почвы - из-за их важной связи с ростом и здоровьем растений и животных. Отсюда возникает необходимость классификации почв с точки зрения наличия в них тех или иных микроорганизмов, обуславливающих процессы происходящие в почвах, а соответственно и их состояние, качество и плодородие. Такую классификацию впервые предложил профессор Теруо Хига.

Почвы могут характеризоваться по содержащейся в ней микрофлоре, которая осуществляет гнилостные, ферментирующие и синтезирующие процессы. В большинстве случаев характеристики почв непосредственно связаны с разнообразием и численностью населяемых их микроорганизмов. Рассмотрим соответствующую классификацию почв.

1. Болезнетворные почвы. В этом типе почвы патогенные микроорганизмы могут составлять от 5 до 20 процентов от общей микрофлоры почвы. При внесении органического вещества с высоким содержанием азота в такую почву могут образовываться продукты неполного окисления, токсичные для растений. Это способствует снижению сопротивляемости растений, имеется тенденция к заражению растений болезнетворными паразитами и вредными насекомыми. Наличие органики в таких почвах зачастую оказывается вредным для зерновых культур. Болезнетворные почвы обычно имеют слабые физические свойства и большое количество энергии в них теряется на газообразование (эффект «оранжерей»). Особенно это характерно для рисовых полей. Нет смысла расходовать питательные вещества на снабжение заведомо нежизнеспособных (в силу характера почвы) форм растений.
   
2. Почвы, подавляющие болезни. В микрофлоре почв, подавляющих болезни, обычно доминируют микроорганизмы, которые продуцируют большое количество антибиотических веществ. Микрофлора таких почв, в своём большинстве, состоит из таких грибков, как Penicillum, Trichoderma, Aspergillus, и актиномицетов рода Streptomyces. Зерновые культуры, выращенные на таких почвах, редко повреждаются вредителями и болезнями. Даже, если вносится органическое вещество с высоким содержанием азота, то генерация продуктов гниения очень низка и после разложения органических веществ почва имеет приятный аромат свежей земли. Эти почвы обычно характеризуются высокими физическими свойствами, например в них легко формируются водостойкие совокупности, они хорошо вентилируются, имеют высокую проницаемость для воздуха и воды.
   
3. 
   Чертик с лопатой рис 6
   Ферментативные почвы (зимогеники). Эти почвы характеризуются микрофлорой, которая может осуществлять полезные виды ферментации. Такие микроорганизмы разлагают комплексные органические вещества на более простые органические и неорганические молекулы. Такие производящие ферментацию микроорганизмы часто соседствуют с микрофлорой, характерной для различной органики (остатков растений и животных, зелёных удобрений и бытовых отходов, включая компосты). Ферментативные почвы обычно характеризуются приятным ароматом, благоприятными физическими свойствами (проницаемость, вентиляция), низким содержанием грибков, малым образованием парниковых газов (метан, аммиак, диоксид углерода) на пахотных землях, и большим количеством аминокислот, карбогидратов, витаминов и других биологически активных веществ, которые могут непосредственно или косвенно способствовать ускорению роста растений и повышению урожайности.
   
4. Синтезирующие почвы. Эти почвы содержат значительное число микроорганизмов, которые способны регулировать содержание азота и диоксида углерода в комплексных молекулах типа аминокислот, белков и карбогидратов. Такие почвы характеризуются наличием в большом количестве таких групп микроорганизмов: фотосинтезирующие бактерии, азотфиксирующие бактерии, некоторые грибки-водоросли (фикомицеты), зелёные и сине-зелёные водоросли, цианобактерии и некоторые актиномицеты. Если влажность этих почв устойчива, то их плодородие может в значительной степени поддерживаться регулярными внесениями небольших количеств органических веществ. Образование газов на полях, где присутствуют синтезирующие микроорганизмы, минимально.
   

Такая классификация почв по доминирующим микроорганизмам основана также на стандартных физических и химических анализах и очень удобна для определения понятия естественного (экологически безопасного) сельского хозяйства и оценки процесса перехода к нему (табл. №2).


Микробиологическая классификация почв. Системы сельского хозяйства.

Таблица №2

Тип почвы	Преобладающие микроорганизмы	Система сельского хозяйства
Болезнетворные	Патогенные	Традиционная
Подавляющие болезни	Непатогенные (актиномицеты, бактерии микоризы)	Органическая
Ферментативные (зимогеники)	Расщепляющие питательные вещества (молочнокислые бактерии, дрожжи, грибы)	Начальная стадия естественного сельского хозяйства
Синтезирующие	Синтезирующие питательные вещества (азотфиксирующие и фотосинтезирующие бактерии)	Устойчивое естественное сельское хозяйство