|
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ МІКРОБІОЛОГІЇ І ВІРУСОЛОГІЇ ім. Д.К. ЗАБОЛОТНОГО
Елланська Наталія Едуардівна
УДК 582.1 : 631.427.22.1: 633.1
ОСОБЛИВОСТІ ФОРМУВАННЯ МІКРОБОЦЕНОЗІВ
РИЗОСФЕРИ РОСЛИН
УКРАЇНСЬКОГО СТЕПОВОГО ПРИРОДНОГО ЗАПОВІДНИКА
03.00.07 – мікробіологія
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата біологічних наук
Київ – 2003
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана
у Національному ботанічному саду ім. М.М. Гришка НАН України
Науковий керівник:
доктор біологічних наук, професор Головко Ераст
Анатолійович, Національний ботанічний сад
ім. М.М. Гришка НАН України, завідувач відділу алелопатії.
Офіційні опоненти:
доктор біологічних наук, професор Жданова Неллі
Миколаївна, Інститут мікробіології і вірусології ім. Д.К.
Заболотного НАН України, завідувач відділу фізіології та
систематики мікроміцетів
доктор біологічних наук, професор Дудка Ірина
Олександрівна Інститут ботаніки ім. М.Г. Холодного НАН
України, завідувач відділу мікології.
Провідна установа: Національний аграрний університет Кабінету Міністрів
України, кафедра агромікробіології, м. Київ.
Захист відбудеться 19 лютого 2003 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.233.01 при Інституті мікробіології і вірусології ім. Д.К. Заболотного НАН України (03143, м. Київ, вул. Заболотного, 154).
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту мікробіології і вірусології ім. Д.К. Заболотного НАН України, м. Київ, 03143, вул. Заболотного, 154.
Автореферат розісланий 15 січня 2003 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
кандидат біологічних наук Пуріш Л.М.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Практично всі біогеоценози, що існують на земній поверхні, відчувають вплив людини. Особливо це актуально для цілинних степів, які були основним еколого-етнічним середовищем для формування і становлення українського етносу з часів появи тваринництва й землеробства у трипільців. Природні степові екосистеми репрезентують унікальну і досить специфічну рослинність та багатий тваринний світ. У процесі життєдіяльності цієї біоти сформувались найродючіші у світі чорноземні ґрунти (Український степовий..., 1998).
Ґрунт є місцезнаходженням численних та різноманітних у таксономічному відношенні мікробоценозів. Видовий склад мікро- та мікобіоти – важливий показник стану ґрунту як екосистеми. Вивчення мікробних угруповань на заповідних територіях на теперішній час має особливу актуальність у зв'язку зі змінами навколишнього середовища під дією антропогенних факторів.
На даний час більша частина територій степів знаходиться у сфері активного землекористування (вирощування культурних рослин, випасання худоби, сіножаті тощо). Деградація чорноземів, безповоротне зникнення природних степових ландшафтів, забруднення оточуючого середовища хімічними сполуками та радіонуклідами поглиблюють занепад степової біоти.
Все, що вдалося зберегти на Україні – це унікальні заповідні ділянки степу: Асканія – Нова, Стрільцівський і Провальський степи та Український степовий природний заповідник (УСПЗ), загальна площа яких становить менше 1% територій степової зони нашої країни.
Тому заповідні території, які зустрічаються у межах сільськогосподарських земель, можуть слугувати чистим екологічним контролем для окультурених ґрунтів у відповідних грунтово-кліматичних зонах і є дуже важливими з точки зору теорії та практики збереження біорізноманіття, відтворення та управління природними ресурсами (Grass, 1999).
Показовим у цьому відношенні є УСПЗ. Незважаючи на досить глибоке вивчення рослин, лишайників, водоростей та грибів цього заповідника, на сьогодні відсутні детальні відомості про ґрунтову мікобіоту (особливо відділення “Михайлівська цілина”).
Зв”язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась як складова частина науково-дослідної тематики відділу алелопатії Національного ботанічного саду ім. М.М.Гришка НАН України (м. Київ) протягом 1991-1999 років у відповідності з науковими темами “Еколого-алелопатичні основи функціонування степових рослинних угруповань і агроценозів” (№ держеєстрації 0193U019420, 1993-1997 рр.) та “Алелопатично активні сполуки вищих рослин та мікроорганізмів: скринінг, ідентифікація та створення на їх основі природних фіторегуляторів” (№ держеєстрації 0198U000781, 1998-2002 рр.).
Мета та завдання роботи. Метою роботи було вивчення формування мікробоценозів та встановлення особливостей їх розподілу у залежності від алелопатичної активності ризосфери рослин і визначення видового складу ґрунтових мікроміцетів відділень Українського степового природного заповідника. Для досягнення поставленої мети були поставлені такі завдання:
1. Визначити алелопатичну активність ризосфери степових рослин відділень УСПЗ.
2. Вивчити динаміку чисельності неспорових і спороутворювальних бактерій, стрептоміцетів та грибів під степовими угрупованнями та окремими видами рослин відділень УСПЗ.
3. Провести аналіз кількісних та якісних характеристик мікробних комплексів ризосфери окремих видів степових рослин заповідника.
4. Дослідити зміну чисельності мікроорганізмів основних таксономічних груп та показників біологічної активності ґрунту Михайлівської цілини при різних рівнях антропогенного втручання.
5. Виявити й проаналізувати видовий склад мікобіоти ризосфери вищих рослин заповідника та встановити особливості його формування під окремими видами рослин у різних відділеннях УСПЗ.
Об'єкт дослідження – формування мікро- та мікобіоти ризосферного ґрунту степових рослин відділень УСПЗ.
Предмет дослідження - мікроорганізми та гриби, виділені з ризосферного ґрунту степових рослин заповідника.
Методи досліджень – мікробіологічні, мікологічні, фізіологічні, екологічні, статистичні.
Наукова новизна отриманих результатів. Вперше проаналізований таксономічний склад та динаміка чисельності бактерій, стрептоміцетів та грибів і визначена алелопатична активність ризосфери 22 видів степових рослин Михайлівської цілини, 12 видів рослин і двох рослинних угруповань Хомутовського степу та 13 видів рослин Кам'яних Могил.
Вперше виявлені суттєві зміни у складі мікроорганізмів ґрунту в умовах антропогенного втручання (різні режими викошування) у Михайлівській цілині. При систематичному викошуванні відмічено різке зниження кількості неспорових та спороутворювальних бактерій; збільшується чисельність ґрунтових мікроміцетів і відбувається їх перерозподіл на видовому рівні. Відповідно змінюються і показники біологічної активності чорноземного ґрунту – зростає його фітотоксичність, інтенсивність “дихання”, знижується кількість азотфіксувального виду Azotobacter chroococcum.
Вивчено видовий склад мікроскопічних грибів ризосфери 47 видів степових рослин відділень УСПЗ, які включають 65 видів у Михайлівській цілині, 56 видів у Хомутовському степу та 51 вид у Кам'яних Могилах.
Виявлено високу подібність видових списків мікроміцетів ризосфери рослин трьох відділень заповідника (значення коефіцієнта подібності S становили 0,74 - 0,81).
За показником спільності (по Жаккару) доведена залежність між видовим складом рослинності різних формацій та таксономічним складом ґрунтової мікобіоти у відділеннях Українського степового природного заповідника.
Вперше для степових ґрунтів визначено, що всі досліджені степові ґрунти характеризувались низькими показниками видового різноманіття (значення Н знаходились в межах 1,76-1,81). На цьому фоні вклад домінуючих видів був досить високим і становив 5,1 - 6,9 (коефіцієнт домінування С) .
Створено колекцію мікроскопічних культур, яка нараховує 305 штамів мікроміцетів та 211 штамів спороутворювальних бактерій.
Практичне значення отриманих результатів. Різнобічне вивчення заповідних природних екосистем дозволяє прогнозувати їх стан і закладає основу для створення оптимальної стратегії природокористування у регіонах, оточуючих заповідники.
Отримані наукові дослідження можуть бути використані у програмі моніторингу антропогенної трансформації та відродження степових ценозів Лісостепової та Степової зон України з метою збереження довкілля.
Колекція штамів мікроскопічних грибів та спороутворювальних бактерій, створена у ході виконання роботи, необхідна для пошуку продуцентів біологічно активних речовин.
Особистий внесок здобувача. Дисертація є самостійною роботою автора. Дисертантом проаналізована відповідна література, здійснено відбір зразків ґрунту, проведено комплекс лабораторних досліджень, узагальнено одержані результати і сформульовано висновки. Отримані в роботі експериментальні дані опрацьовані статистично. Наукову концепцію, програму досліджень, а також друковані роботи підготовлено при безпосередній участі автора спільно з науковим керівником.
Визначення рослин проводили за допомогою співробітників Національного ботанічного саду ім. М.М. Гришка НАН України к.б.н. В.А. Дерев'янко та к.б.н. О.П. Ісайкіної. Ідентифікацію мікроміцетів здійснено під керівництвом к.б.н. І.О. Елланської (Інститут мікробіології й вірусології ім. Д.К. Заболотного НАН України).
У спільних публікаціях дисертант є повноправним членом колективу співавторів.
Апробація результатів дисертації. Основні матеріали дисертації доповідались й обговорювались на засіданнях відділу алелопатії та вченій раді Національного ботанічного саду ім. М.М.Гришка НАН України; міжнародній науково-практичній конференції молодих вчених і спеціалістів “Шляхи раціонального використання земельних ресурсів України” (Чабани, 1995); VII молодіжній конференції ботаніків у Санкт-Петербурзі (2000); І міжнародній науковій конференції молодих дослідників ”Теоретичні та прикладні аспекти інтродукції рослин і зеленого будівництва” (Київ, 2000); міжнародній науковій конференції, присвяченій 100-річчю від дня народження проф. Ю.Д. Клеопова “Ю.Д. Клеопов та сучасна ботанічна наука” (Київ, 2002).
Публікації. За результатами досліджень опубліковано 10 робіт, із яких 7 статей у фахових журналах та 3 тез.
Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, огляду літератури та експериментальної частини (6 розділів), заключення, висновків, списку використаної літератури, який містить 268 джерел (із них 47 іноземних).
Загальний обсяг роботи становить 154 сторінки, ілюстрована 18 таблицями та 19 рисунками.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
1. Огляд літератури має чотири підрозділи, в яких, ґрунтуючись на критичному аналізі літературних джерел, відображено взаємовідносини мікроорганізмів і вищих рослин, значення мікроорганізмів в алелопатії рослин, екологічну роль мікроміцетів у ґрунтах та стан досліджень мікробоценозів заповідних степів.
2. Матеріали та методи досліджень
Проведено дослідження ризосферного ґрунту рослин трьох відділень Українського степового природного заповідника (УСПЗ)– Михайлівської цілини (Сумська область), Хомутовського степу та Кам'яних Могил (Донецька область).
У роботі наведена характеристика грунтово-кліматичних умов та рослинного покриву районів проведення досліджень.
Відбір зразків ґрунту здійснювали за загальноприйнятою методикою (Звягинцев, 1984).
Мікробіологічні аналізи проводили за загальноприйнятими методиками з використанням стандартних живильних середовищ. При ідентифікації чистих культур мікроміцетів використовували загальновизнані визначники вітчизняних та зарубіжних авторів (Booth, 1971; Билай, 1977; Ellis, 1976; Domsch et al.,1980; Hawksworth et al.,1995; Саттон, 2001).
При вивченні видового складу мікроорганізмів, вилучених із ризосфери степових рослин заповідника, визначали частоту їх трапляння (Одум, 1986; Мирчинк, 1988). Для порівняння видового складу мікроміцетів різних варіантів досліду вираховували коефіцієнт подібності Серенсена – Чекановського та коефіцієнта спільності по Жаккару (Методы..., 1982). Для визначення видового різноманіття та домінування використовували відповідно коефіцієнти біологічного різноманіття Шеннона та показник домінування Симпсона (Одум, 1986).
Для оцінки біологічної активності ризосферного ґрунту застосовували мікроорганізм Azotobacter chroococcum як один із показників його родючості (Гродзинский и др., 1990). Сумарне накопичення диоксиду вуглецю у ґрунті реєстрували за модифікованим газохроматографічним методом (Шроль, 1990).
Визначення алелопатичної активності ризосфери рослин проводили за допомогою методу прямого біотестування з використанням тест-об'єкту - крес-салату (Гродзинський и др., 1990).
Статистичну обробку результатів виконано за допомогою пакету прикладних програм Microsoft Office 2000. Розраховували стандартну похибку показників чисельності мікроорганізмів та алелопатичної активності ґрунту. Мікробіологічні, біологічні та алелопатичні дослідження проводили у трьох повторностях.
3. Біологічна активність ризосферного ґрунту рослин відділень УСПЗ
У результаті проведених досліджень визначено алелопатичну активність ризосфери 7 видів рослин Михайлівської цілини, 12 Хомутовського степу та 13 Кам'яних Могил, що дало змогу розділити їх на три групи, згідно з класифікацією Гродзинського (1973). До першої (найбільш активної) входили рослини, які зустрічаються в ценозах поодинці і домінантами не бувають.
У другу групу (менш активні) увійшли рослини, які утворюють монодомінантні куртини і можуть існувати на одному місці кілька десятиріч, доки не наступить автоінтоксикація.
До третьої групи (малоактивні) належить більшість найпоширеніших домінантів пізніх стадій сукцесійного процесу (таблиця 1).
Таблиця 1
Розподіл рослин по групах за алелопатичною активністю
Види рослин Група за алелопатичною активністю Місцезростання
Буквиця лікарська 1 КМ
Грудниця волохата 1 ХС,КМ
Деревій голий 1 КМ
Дрік красильний 1 МЦ
Залізняк бульбистий 1 ХС, КМ
Кермек широколистий 1 ХС, КМ
Ломиніс жигунець 1 ХС
Шавлія лучна 1 МЦ
Шавлія австрійська 1 ХС
Шавлія поникла 1 ХС
Шавлія степова 1 ХС
Холодок лікарський 1 МЦ
Карагана кущова 2 ХС
Кропива дводомна 2 МЦ
Материнка звичайна 2 МЦ, КМ
Молочай степовий 2 МЦ, ХС, КМ
Підмаренник справжній 2 КМ
Суниці зелені 2 МЦ
Чебрець Маршалів 2 ХС
Чина бульбиста 2 КМ
Волошка несправжньоблідолускова 3 КМ
Волошка несправжньошкіряста 3 КМ
Оман німецький 3 КМ
Тонконіг вузьколистий 3 МЦ
Пояснення до таблиці: МЦ – Михайлівська цілина;
ХС – Хомутовський степ;
КМ – Кам'яні Могили
У ризосфері буквиці лікарської, волошки несправжньоблідолускової, волошки несправжньошкірястої, грудниці волохатої, материнки звичайної, молочаю степового, кермеку широколистого, кропиви дводомної, підмаренника справжнього та шавлії степової виявлено значну кількість Azotobacter chroococcum. Це дає підстави припустити позитивний вплив цих рослин у степових ценозах з точки зору активізації вільноіснуючого азотфіксувального мікроорганізму.
У більш південних відділеннях – Хомутовському степу та Кам'яних Могилах – стимулююча активність ризосфери рослин досягала вищих показників, ніж у Михайлівській цілині. Вірогідно, це пов'язано з кліматичними умовами, так як у південних районах влітку температура досить висока, а кількість опадів незначна, що сприяє накопиченню екзометаболітів рослин у їх ризосфері.
Характерною ознакою ризосферного ґрунту більшості досліджених видів степових рослин є відсутність фітотоксичного ефекту. Отже, степові рослинні угруповання характеризуються високим рівнем екологічної рівноваги за рахунок збалансованої взаємодії фіто-та мікробоценозів, саморегуляції відновлення й кругообігу фізіологічно активних речовин.
4. Мікроорганізми як один із факторів функціонування степової
рослинності
При проведенні досліджень ризосфери рослин досліджених відділень УСПЗ виявлено суттєві відмінності у динаміці чисельності мікроорганізмів основних таксономічних груп.
Встановлено, що у Михайлівській цілині сезонна зміна чисельності неспорових та спороутворювальних бактерій була близькою до такої у грибів і значно відрізнялась від кількісного розподілу стрептоміцетів. Порівняння динаміки чисельності мікроорганізмів основних таксономічних груп у ризосфері степових рослин, які різняться за алелопатичним потенціалом, показало, що ризосфера більш активних рослин відрізнялась незначною кількістю стрептоміцетів та бактерій і відповідно великою чисельністю грибів. Це пов'язано з тим, що фенольні сполуки, які містяться у кореневих виділеннях та рослинних рештках алелопатично активних видів рослин сприяють розвитку грибів (Борисова, 1973), одночасно пригнічуючи стрептоміцети та бактерії (рис. 1).
За роки спостережень у Хомутовському степу відмічено значний вплив погодно-кліматичних умов на кількісний склад неспорових та спороутворювальних бактерій у ризосфері степових рослин. Гриби виявились більш резистентними до змін гідротермічного режиму ґрунту. Отримані результати підтверджують дані багатьох авторів (Лугаускас,1975; Аристовская, 1980; Головко, 1984; Звягинцев,1984 та інш. ), що кількість та якість кореневих виділень вищих рослин є причиною відмінностей таксономічного складу ризосферної мікро – та мікобіоти досліджених степових рослин різних відділень УСПЗ.
 
а) мікроміцети б) спороутворювальні бактерій
 
в) неспорові бактерії г) стрептоміцети
| 
