Роль мікроорганізмів у відтворенні родючості ґрунтів

Надзвичайно важлива роль у трансформації органічної речовини ґрунту і створенні передумов його родючості належить грунтовим мікроорганізмам. Серед мікроскопічної біоти грунту широко поширені віруси, фаги, бактерії та гриби. Мікрофлора грунтів вельми різноманітна.

Чисельність мікроорганізмів у ґрунті (показник біогенності ґрунту) коливається не лише впродовж року, а й протяюм незначних проміжків часу залежно від його температури, вологості, стану рослинного покриву тощо.

Поширення тих чи інших мікроорганізмів у різних типах ґрунтів визначається не стільки їх географічним положенням, скільки екологічними чинниками. Наприклад, Azotobacter розвивається в ґрунтах, багатих на доступні джерела органічної речовини та сполуки фосфору.

Мікроорганізми є надзвичайно важливим чинником формування гумусу, а також його розкладу. Наявність у грунтових екосистемах найрізноманітніших груп мікроорганізмів, які різняться за біологічною та біохімічною специфічністю, обумовлює величезне їх значення у найскладніших процесах, що відбуваються у ґрунті. Кількісний склад і співвідношення окремих представників у мікробному ценозі грунту значною мірою залежать від способу його обробітку, надходження в ґрунт рослинних решток, які спочатку трансформуються під впливом неспорових бактерій і мікроскопічних грибів, а на пізніших стадіях цього процесу – бацил і актиноміцетів*.

Основним геохімічним циклом біосфери є колообіг вуглецю, складовими якого є синтез органічної речовини з діоксиду вуглецю та її трансформація до простих сполук.

Внесення рослинних решток у грунт викликає спалах чисельності різних груп мікроорганізмів і підвищення їх біохімічної активності. Домінуючi мікроорганізми - мікроскопічні гриби і бактерії. Найпоширенішою вуглецьвмісною сполукою в природі є целюлоза. Її вміст у сухій масі рослин становить від 40 до 70%. У природних умовах трансформація целюлози здійснюється за участю спільнот мікроорганізмів. Значна роль у цьому процесі належить грибам, у тому числі сапротрофним* представникам родів Trichoderma, Chaetomium, Dicocсит, Stachybotrys, Penicilliumі Aspergillus, а також незавершеним грибам Altemariaта Fumago.

Внаслідок деструкції целюлозних решток у ґрунтах утворюються різноманітні сполуки, органічні кислоти, альдегіди, амінокислоти, спирти та інші біологічно активні речовини. Сполуки, що утворюються при розкладі целюлозних матеріалів, споживаються іншими представниками біоценозу грунту.

Мікроорганізми ґрунту здатні виділяти речовини, що стимулюють ріст і розвиток фітобіонтів*. У кореневій зоні вони синтезують вітаміни (тіамін, вітамін В12, піридоксин, рибофлавін, пантотенову кислоту тощо), а також фітогормони (гібереліни, гетероауксини та ін.), що позитивно впливає на розвиток рослин.

Важливим фактором підвищення родючості грунту є функціонування в ньому азотфіксувальних мікроорганізмів. Азотфіксація – процес, що має планетарне значення і за масштабами та важливістю для біосфери його можна порівняти з фотосинтезом. Крім того, азотфіксація – це єдиний шлях забезпечення рослин азотом, який не веде до порушення екологічної рівноваги в навколишньому природному середовищі, оскільки коефіцієнт використання рослинами азотних добрив у польових умовах становить тільки 20 - 25%.

Потреби рослин у азоті більш ніж на 2/3 забезпечуються за рахунок біологічного азоту. Азотфіксувальною активністю характеризуються представники різних родів бульбочкових бактерій, мікроорганізмів родів Clostridium, Azotobacter, Azospinllum, Pseudomonas, Acetobacter, Alca1igenes, Agrobacterium, Erwinia, Klebsiella, Bacillus, синьозелених водоростей та інших бактерій. У середині XX ст. вважалося, що азотфіксувальні мікроорганізми належать до двох основних груп: вільноіснуючих і симбіотичних* азотфіксаторів. Однак після дослідження функціонування в агроекосистемах злакових рослин азотфіксувальних бактерій роду Azospirillum стало зрозумілим, що існують тісніші, асоціативні зв’язки азотфіксувальних мікроорганізмів з рослинами.

Асоціативними бактеріями фіксуються помітні кількості атмосферного азоту. В агроекосистемах злакових культур важлива роль належить бактеріям роду Azospirillum. Протягом року в різних типах ґрунтів мікроорганізми можуть фіксувати азоту від 34 до 60 кг/га. У грунті під злаковими травами продуктивність азотфіксації впродовж вегетаційного періоду досягала 40 кг азоту/га, а за 150 діб вегетації – від 16 до 22 кг/га.

Значна роль у поповненні біосфери мінеральним азотом належить його симбіотрофній фіксації. Збудниками цього процесу є бактерії, що утворюють бульбочки на коренях або стеблах рослин. Ці мікроорганізми належать до родів Rhizobium(6 видів), Bradyrhizobium(3 види), Sinorhizobium(5 видів), Mesorhizobium(5 видів), Azorhizobium(1 вид). Для цих видів бактерій характерна певна специфічність щодо видів і навіть щодо деяких сортів рослин, з якими вони здатні формувати ефективні симбіотичні взаємовідносини.

Біологічна фіксація азоту повітря та надходження його в грунт в умовах Лісостепу України

Культура
Загальна азотфіксація,, кг/га
Частка біологічного азоту у формуванні врожаю, %
Загальний залишок азоту в грунті, кг/га
Горох
50 - 70
35-50
5-10
Соя
80-180
55-90
55-90
Кормові боби
70-140
70-140
30-40
Люпин жовтий
120-210
70-90
30-50
Вика яра
60-86
40-50
5-10
Квасоля
40-60
30-40
0-5

У природі в найбільших масштабах азот фіксується асоціативними мікроорганізмами при їх взаємодії з рослинами без утворення спеціалізованих органів (бульбочок). У зонах помірного клімату за рахунок асоціативної азотфіксації щорічно надходить близько 30 -50 кг азоту/га, а в тропічній зоні - 100 кг/га.

Дуже важливим елементом біосфери є фосфор. За впливом на розвиток рослин він займає друге місце після азоту.

Вміст загального фосфору у грунтах України, мг P2О5/100г грунту (Атлас грунтів України, 1979)

Тип грунту
Вміст P2О5

Дерново-підзолисті

глинисто-піщані
легкосуглинисті


51
81

Опідзолені

світло-сірі
темно-сірі


108
123,7

Черноземи

типові міцні малогумусні
звичайні міцні малогумусні
темно-каштанові


138
148
110,8

У ґрунті фосфор трапляється у формі органічних сполук (фітин, гліцерофосфат, залишки нуклеїнових кислот та інших сполук), а також у вигляді його важкорозчинних неорганічних сполук. Основна кількість органічного фосфору грунту зосереджена у фітині. Вміст фосфору в органічних сполуках грунту досягає 25 - 85% його загальної кількості, а відносно органічної речовини ґруніу його вміст становить 0,5 - 2,0%. Від 15 до 75% фосфору ґрунту знаходиться у формі важкорозчинних неорганічних сполук: фосфату кальцію, заліза, алюмінію, шо входять до складу ряду мінералів (апатигу, фторапатиту, фосфориту, вівіаніту тощо). Через те шо фосфор у ґрунті знаходиться у важкодоступних для рослин формах, за загального його вмісту в орному шарі 1000 кг/га у ґрунтовому розчині його вміст не перевищує 1 кг.

Незважаючи на високий загальний вміст фосфору, в грунтах він знаходиться переважно в малорухомих формах. Коефіцієнт його використання рослинами з ґрунту дорівнює лише 3 - 5%. Навіть фосфати, що вносяться в ґрунт у вигляді добрив, засвоюються рослинами з низькою ефективністю. Доступність для рослин фосфору в рік внесення його добрив у ґрунт становить 10 - 30%. Це обумовлено здатністю оксидів кальцію, заліза, алюмінію та інших елементів, а також глинистих мінералів не лише зв’язувати іони фосфору а й утримувати їх.

Мобілізувати фосфат із важкорозчинних сполук заліза, алюмінію і кальцію здатні мікроорганізми багатьох видів. Вони значно поширені в агроекосистемах.

Високою активністю мобілізації фосфатів із важкорозчинних сполук характеризуються бактерії роду Pseudomonas, Azotobаcter, Enterobacter, Bacterium, Pseudomonas, Bacillus, Agrobacterium, Burkholderia, Aspergillus, Penicillium, Rhodotorula; сульфатвідновлювальні бактерії роду Desulfobacterium; Trichoderma та інші мікроорганізми.

Широко поширена здатність мінералізувати органічні фосфоровмісні речовини і розчиняти важкорозчинні неорганічні його сполуки у мікроскопічних целюлозоруйнівних грибів. За зниженням активності цих процесів целюлозоруйнівні мікроорганізми можна розмістити в такій послідовності: актиноміцети, гриби, целюлозоруйнівні бактерії. Це засвідчує їх важливу роль у трансформації важкодоступних для рослин органічних і неорганічних сполук фосфору.

Важливе значення в живленні рослин належить калію. Це необхідний і незамінний для рослин елемент, який впливає на фізичний стан колоїдів* клітин, збільшує гідрофільність* протоплазми і провідність стінок клітин, визначає їх тургор*, стійкість до деяких несприятливих факторів середовища. Без достатнього забезпечення калієм знижується морозостійкість рослин, їх стійкість до посухи, перезволоження, шкідників і хвороб. Упродовж росту рослин калій знаходиться, головним чином, в іонній формі і лише близько 1-2% – у складі білкових сполук клітин.

Калій належить до шести елементів (кисень, кремній, алюміній, залізо, кальцій, калій), які становлять 96% усіх хімічних речовин грунту. Його вміст у земній корі – близько 2,5%, а в піщаних ґрунтах 1-2%. Потенційні запаси К20 у метровому шарі ґрунтів – від 180 до 350 т/га. Вміст цього елемента в орному шарі становить від 24 до 51 т/га і коливається від 0,1% у торф’яних ґрунтах до 2,3 – 2,4% учорноземах звичайних.

Калій у грунті може знаходитись у різних формах: водорозчинний, обмінний, важкообмінний або резервний калій грунту, необмінний (у тому числі фіксований калій), калій нерозчинних алюмосилікатів, калій органічної частини грунту. Водорозчинного калію в ґрунтах дуже мало.

Баланс калію у ґрунті визначається дозами калійних добрив і гною, рівнем застосування азотно-фосфорних добрив та біологічними особливостями культур. Насичення сівозміни калієлюбними культурами супроводжується збільшенням виносу цього елемента з ґрунту. Інтенсифікація росту рослин і збільшення їх врожайності завдяки внесенню азотних і фосфорних добрив підвищує використання культурами калію на 44 - 46% порівняно з неудобреним фоном.

У грунтах більшості країн світу складається негативний баланс за калієм, що супроводжується зниженням ефективності застосування азотних і фосфорних добрив. Доступність калію для рослин деякою мірою забезпечується впливом біологічних і хімічних чинників. Відомі праці описують можливість мобілізації калію грунтовими бактеріями з мусковіту*, гідромусковіту* і біотиту*. Однакт проблема мобілізації мікроорганізмами калію з мінералів, до складу яких вони входять, потребує подальшого більш широкого дослідження.

Мікроорганізмам грунту належить одна з провідних ролей в його формуванні та підтриманні родючості. Вони є основними чинниками процесів колообігу біогенних елементів у біосфері.

Протягом останніх десятиліть в Україні та ряді інших країн світу створено значну кількість мікробних препаратів, що успішно застосовуються для корекції мікробних процесів у агроекосистемах. Серед них найперспективнішими слід вважати препарати комплексної дії, які здатні поліпшувати живлення рослин, стимулювати їх ріст і розвиток, захищати рослини від фітопатогенних мікроорганізмів та шкідників і зрештою суттєво підвищувати врожайність.

За матеріалами І.К. Курдиш “Інтродукція мікроорганізмів у агроекосистеми”. Київ: “Наукова думка”, 2010

* (прим. ред.)

Сапротрофи - організми, які використовують для харчування органічні сполуки мертвих тіл або виділення (екскрименти) тварин.

Симбіотичні азотфіксатори - мікроорганізми, які засвоюють азот атмосфери тільки знаходячись у симбіозі з вищою рослиною.

Мусковіт, гідромусковіт, біотит - різновиди калієвих мінералів.

Колоїд - речовина, що не кристалізується і розчини якої не проходять крізь тваринні та рослинні перепонки.

Тургор - внутрішній гідростатичний тиск у живій клітині, який викликає напруження клітинної оболонки.

Гідрофільність - характеристика інтенсивності молекулярної взаємодії речовини з водою, здатність добре поглинати воду, а також висока змочуваність поверхонь водою.