Биоценотичесая деятельность микробного комплекса

Характеристика микробного комплекса. Микроскопическое население почвы чрезвычайно велико и разнообразно. Основные группы почвенного микронаселения: бактерии, грибы, актиномицеты, многочисленные водоросли. Для них характерны малые размеры, короткая продолжительность жизни (от нескольких часов до нескольких дней), необычайно высокая ферментативная активность, высокая чувствительность к малейшим изменениям окружающей среды и способность к продуцированию токсинов (микотоксинов), например, у грибов при определенных условиях.

По отношению к кислороду выделяются аэробные (потребляющие кислород) и анаэробные (живущие в отсутствии кислорода) организмы, по способу питания - автотрофные (сами создают органическое вещество) и гетеротрофные (питаются готовым органическим веществом). Численность микроорганизмов сильно колеблется в зависимости от почвенно-экологических факторов.

Роль микроорганизмов в круговороте веществ. Микроорганизмы играют основную роль в круговороте веществ и биогеоценозах, минерализуя органические остатки и замыкая таким образом биологические циклы экосистем.

Ежегодно на суше синтезируется огромное количество фитомассы – (115-117)∙10⁹ т, из которой на долю опада приходится (20-50)∙10⁹ т. Часть фитомассы (6-20%) поедают животные и возвращают в почву с экскрементами (10-60%). Дополняют биомассу прижизненные выделения корней и сама корневая система, составляющая 20-90% фитомассы растений. Эти значительные объемы органического вещества минерализуются в результате деятельности почвенных организмов, превращаясь из недоступных органических соединений в усвояемые растениями минеральные формы. Основными деструкторами при этом выступают микроорганизмы. На долю микроорганизмов приходится 85% выделяющегося при разложении диоксида углевода, на долю почвенных животных – 15%. При этом в аэробных условиях грибы дают 2/3, а бактерии – треть СО₂.Далее из минеральных соединений вновь синтезируются органическое вещество. Так в общем виде протекает малый биологический круговорот.

Характер и интенсивность биологического круговорота зависят от 3 главных факторов: состава растительности, гидротермического режима и комплекса организмов-трансформаторов. Трансформация органических веществ и обмен газообразных продуктов микробного метаболизма сопровождаются взаимодействием почвенных микроорганизмов с первичными и вторичными минералами почвы. По своему значению для биосферы этот процесс сопоставим с фотосинтезом и фиксацией молекулярного азота, т.к. минеральные элементы, первоисточники которых находятся в литосфере, необходимы для жизни всех организмов на Земле. Без них невозможно создание органического вещества, носителя потенциальной энергии, преобразованной зелеными растениями из кинетической энергии солнечного луча. Практически нет ни одного элемента, который не подвергался бы воздействию микроорганизмов или их метаболитов.

Минеральная часть почвы разрушается под воздействием различных неорганических и органических кислот, щелочей, ферментов и других соединений – продуктов жизнедеятельности почвенных микроорганизмов. Так, нитрифицирующие микроорганизмы выделяют сильную азотную кислоту в процессе нитрификации. При благоприятных условиях в процессе нитрификации за год в почве может образоваться до 300 кг нитратов на 1 га.

Выделяющийся в процессе дыхания микроорганизмов диоксид углерода способствует растворению минералов. От того, насколько интенсивно происходят эти процессы, зависит степень обеспеченности растений необходимыми элементами питания и энергией.

Параллельно с разложением органических остатков в почве идут процессы гумификации. В этих процессах велика роль почвенной биоты, в частности микроорганизмов. Все разновидности мертвого органического вещества, подвергаясь в почве биологическому разложению и окислению – гумификации, преобразуются обычно в единую, довольно стабильную химическую субстанцию почвенного субстрата – гумусовые вещества. При гумификации растительных и животных остатков наблюдается последовательность в смене деструкторов, видовой состав и интенсивность развития которых в известной степени зависят от органических соединений, входящих в состав растительных и животных остатков. При этом происходит не только разложение органических остатков, но и синтез новых органических соединений. Продукты распада используются, в частности, в процессе синтеза специфических органических веществ почвы – фульвокислот и гуминовых кислот.

Гумус накапливается в результате длительного и разнообразного взаимодействия и взаимовлияния населяющих почву организмов и высших растений. Почвенное плодородие, основу которого составляют гумусовые вещества, зависит от структуры и активности почвенной микробиоты.

Почвенные микроорганизмы обладают уникальной способностью фиксировать газообразный, атмосферный азот и переводить его в усвояемые для растений соединения. Азот, фиксируемый почвенными микроорганизмами, называется биологическим, а микроорганизмы, связывающие молекулярный азот- азотфиксаторами, или диазотрофами. Суммарная годовая продукция азотфиксации в наземных экосистемах составляет около 175-190 млн т, из которых 90-110 млн т приходится на почвы агроэкосистем. При этом доля биологического азота в урожае достигает 60-90%. При фиксации атмосферного азота исключается загрязнение почв, водоемов и атмосферы, которое имеет место при внесении химического азота.

Азотфиксирующие микроорганизмы делят на несимбиотические и симбиотические.

Несимбиотические азотфиксаторы, в свою очередь, разделяют на свободноживущие (не связанные непосредственно с корневыми системами растений) и ассоциативные, которые обитают в прилегающей к корням почве (ризосфере) или на поверхности корней и листьев (в фитоплане). Реальный вклад несимбиотических азотфиксаторов в общий баланс почвенного азота в среднем составляет 15 кг/га, что в пересчете на посевные площади дает 3,5-4,0 млн т азота.

Симбиотические азотфиксаторы (клубеньковые бактерии) живут в тканях растений, стимулируя образование особых разрастаний на корнях или листьях, в которых осуществляется фиксация азота атмосферы.

Симбиотическая азотфиксация, протекающая при участии клубеньковых бактерий, дает 60-300 кг азота на 1 га.

Процесс восполнения запасов азота в почве за счет биологической фиксации важен и с энергетической (экономической) точки зрения, т.к. на производство химических азотных удобрений приходится примерно треть всех средств, вкладываемых в сельскохозяйственное производство.

Способность почвенных микроорганизмов усваивать атмосферный азот используют при разработке биопрепаратов на основе активных штаммов микроорганизмов – нитрагин, ризоагрин, мизорин, превдобактрин и др.

В результате значительной численности микроорганизмов, высокой скорости их генерации и короткой продолжительности жизни в биологический круговорот вовлекается большое количество микробной биомассы, что обусловливает почвенное плодородие и снабжение растений необходимыми элементами и другими жизненно важными веществами, причем эти вещества поступают в сбалансированном виде и в необходимые для растения сроки.

Способность почвенных микроорганизмов чутко реагировать на малейшие изменения окружающей среды и высокая ферментативная активность позволяют использовать их для индикации состояния экосистем и оценки деградации токсичных соединений в них. Так, в условиях повышенного загрязнения биогеоценозов токсичными тяжелыми металлами, переуплотнения почвы изменяется комплекс микробиологических показателей. Например, на участках, подверженных повышенному антропогенному воздействию (по уровню загрязнения свинцом двукратные различия, по степени плотности различия несколько выше), отмечается 7-10-кратное снижение численности аэробных гетеротрофных микроорганизмов.

Характер круговорота азота в системе почва-растение изменяется в результате снижения способности почвенной микробиоты связывать атмосферный азот и использовать его в процессе ассимиляции.

Высокая ферментативная активность микроорганизмов определяет их главенствующее значение в процессах разложения токсикантов в почве. Процесс деградации осуществляется либо в результате перевода токсикантов в связанное состояние, либо вследствие превращения их в менее токсичные соединения. При этом микроорганизмы могут потреблять тот или иной препарат в качестве ростовых и энергетических материалов.

Функциональная роль почвы в экосистемах.

Обеспечение жизни на Земле – главная функция почвы.

Почва – своеобразное депо, удерживающее важнейшие биогены от быстрого смывания их в Мировой океан.

Почва аккумулирует влагу, обеспечивая в период вегетации потребность в ней автотрофного звена биогеоценозов.

Она служит сферой обитания растений, животных, микроорганизмов и т.д.

Почва регулирует состав атмосферы и гидросферы. В результате постоянного газообмена между почвой и атмосферой в воздушный бассейн трансформируются различные газы. Например, при разложении мертвых растительных остатков в среднем на 1 га суши продуцируется 84 кг диоксида углерода в сутки. В свою очередь, почва одновременно поглощает атмосферный кислород.

Обогащая (избирательно) поверхностные и подземные воды химическим веществами, почва влияет на гидрохимическое состояние вод суши и прибрежных акваторий морей и океанов.

Важнейшая глобальная функция почвы – накопление специфического органического вещества – гумуса и связанной с ним химической энергии.

Процессы биогенного накопления, трансформации и перераспеределения энергии, поступающей от Солнца на землю, протекают в почве непрерывно. Запасы этой энергии являются источником жизненно важных процессов. Сосредоточена потенциальная биогенная энергия в почвенном покрове главным образом в виде корней растений, биомассы микроорганизмов и гумуса. Почвенный покров, особенно гумусовая оболочка суши, служит общепланетарным накопителем и распределителем энергии, образованной в процессе фотосинтеза.

Почва выступает как регулятор распространения живых организмов, выполняя функцию генерирования и сохранения биологического разнообразия.

Значение почвы в агроэкосистемах. Почва – главное средство сельскохозяйственного производства и основа агроэкосистем. Человечество получает из почвы около 95% всех продуктов питания.

Почва представляет собой жизненное пространство, обеспечивающее обитание живых организмов.

Почва является механической опорой произрастающей на ней растительности.

Незаменима роль почвы как хранителя семян. Тем самым в природе поддерживается биоразнообразие и способность к обновлению растительных популяций.

Почва аккумулирует необходимые для жизнедеятельности населяющих ее организмов воду, питательные и энергетические вещества, что в значительной степени определяет ее плодородие.

Почва – своеобразный склад ферментов; работа этих ферментов определяет азотный режим почвы, доступность элементов питания, а также способность почвы к детоксикации различных поллютантов.

Почва регулирует гидротермический режим, что позволяет населяющим ее организмам сохранять свою жизнедеятельность при определенных значениях температуры и влажности.

Почва выполняет санитарную функцию. Высокая самоочищающая способность почвы за счет обитающей в ней биоты обеспечивает обезвреживание многих патогенов и токсикантов что положительно влияет на качество сельскохозяйственной продукции, состояние окружающей природной среды.

Почве присуща информативная функция. Известно, например, что переход весной температуры почвы через +5° стимулирует активизацию азота, фосфора, калия, т.е. указанный предел температуры служит «сигналом» к началу потребления питательных элементов в связи с наступлением вегетационного периода.

Почвоутомление. Внешнее проявление почвенного утомления выражается в резком снижении урожайности сельскохозяйственных культур, что наблюдается при бессменном возделывании (или частом возвращении на прежнее поле севооборота) растений одного и того же рода.

Основные причины почвоутомления – накопление в почве токсичных, выделяемых корнями растений веществ (колинов) и микроорганизмами, разложение специфических вредителей, возбудителей болезней и сорняков. Очень чувствительны к собственным выделениям: свёкла, морковь, петрушка, в меньшей степени – капуста, горох, тыквенные культуры. Хорошо переносят накопление колинов: рожь, кукуруза, бобы, лук-порей – эти культуры могут долго расти на одном месте.

Проявление почвоутомления во многом зависит от механического состава грунта. Так, например, на тяжелых глинистых и суглинистых почвах с высокой поглотительной способностью, а также в районах с недостаточным количеством осадков оно может проявиться уже при повторном посеве. В то время как на легких и даже бедных — почвоутомление наступает позже. Устойчивы к почвоутомлению земли, постоянно и обильно обеспеченные влагой.

Один из путей борьбы с почвоутомлением — регулирование биологической активности полезной микрофлоры внесением органических удобрений, сидератов.
Однако наиболее радикальным средством против почвоутомления и в борьбе с вредителями и болезнями растений является правильное чередование сельскохозяйственных культур, т. е. соблюдение севооборота или плодосмена.