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阿尔比特对土壤微生物群体的影响
来源: | 作者:华丰德盛 | 发布时间: 2020-10-15 | 575 次浏览 | 分享到:
与大多数类似物相比,阿尔比特不仅直接影响植物,还可间接刺激生长在植物周边及在腐烂植物中和土壤中的土壤微生物群落。与其他栖息地相比,土壤具有更多的多样性和丰富的微生物。超过十亿的活微生物存在于健康的肥沃土壤中。它是一种巨大的力量,对农业植物的生长和生产力具有显著影响

与大多数类似物相比,阿尔比特不仅直接影响植物,还可间接刺激生长在植物周边及在腐烂植物中和土壤中的土壤微生物群落。与其他栖息地相比,土壤具有更多的多样性和丰富的微生物。超过十亿的活微生物存在于健康的肥沃土壤中。它是一种巨大的力量,对农业植物的生长和生产力具有显著影响。低等真菌、低等藻类和大量多样的细菌,例如芽孢杆菌属,假单胞菌属,克雷伯氏菌属,固氮菌属,拜叶林克氏菌属,梭菌属,节杆菌属,黄杆菌属,嗜水气单胞菌属,纤维单胞菌属,噬细胞菌属,分枝杆菌属,德克斯氏菌属,诺卡氏菌属,壤霉菌属,根瘤菌属,土壤杆菌属等都是土壤微生物。大多数土壤微生物对植物产生积极影响(雷萨克等,2003)。

最丰富的生物多样性和最多的微生物是根际(植物根部附近的狭窄区域)的典型特征。决定根际与土壤其他部分区别的最重要因素是微生物与植物之间的密切相互作用。植物活性在很大程度上决定了气体和水的代谢,以及根际内的营养条件。反过来,土壤微生物明显会影响植物,提供生理活性化合物,维生素,固定氮(固氮),从土壤矿物中释放磷,钾和微量元素(巴贝娃-泽诺娃,1989)。大多数已知的土壤细菌不是自由生活的,而是与植物,动物和真菌以各种类型的相互作用(结合,共生和寄生)。细菌之间的相互作用是植物界根际土壤和根际中最重要的部分。在土壤群落中,细菌物种彼此紧密相互作用是因环境变化。

有机肥对土壤肥力的提升能够有选择性地影响微生物群落的发展,形成以其他功能为特征的新平衡(福井2003)。该方法研发出控制植物病原微生物的基础方法。在没有外部压力的情况下,天然细菌聚合物是防止土壤中植物病原物发育的稳定因子。众所周知,土壤微生物可以增强或降低杀菌效果。阿尔比特对植物的积极影响可部分解释为对土壤群落的间接影响。阿尔比特主要从处理过的种子进入土壤,并涉及到土壤微生物的变化,包括根际微生物。
  
足够强度的外部影响导致微生物演变。生态演变是一个系统的组织良好的微生物群落的生物多样性和物种结构随时间变化的过程。从实际的角度来看,重要的是引导微生物在正确方向上的发展,朝向刺激植物生长和抑制病原体的最大化方向,调查显示阿尔比特的效果恰好涵盖在这个范围内。莫斯科国立大学土壤学系(土壤生物学和农业化学系)研究了阿尔比特对土壤微生物的影响。研究中的土壤样品来自1999年农业化学系所承担的植物生长实验。研究中发现阿尔比特的处理引起植物根际微生物群落的变化,导致病原低等真菌数量(例如镰刀菌属)的减少和细菌量的增加。粘帚霉属的增长就是阿尔比特抑制真菌活性效果的基础(表1,图1)。
           

表1、阿尔比特对春大麦根际不同微生物群落生物多样性的影响(盆栽试验在莫斯科国立大学土壤学系进行,1999)

该表显示了阿尔比特施用(种子处理+喷洒)后真菌生物多样性的下降或相对于对照的增加(%)。“0”表示与对照相比没有变化

真菌的属名

根际

土壤

青霉属(P. 黄杆菌属, P. сommune,P. expansum膨胀菌, P. waksmani瓦克斯曼, P. секции Biverticillata双鞭毛虫属, Penicillium spp.青霉属)

3,4/1,7

–3/–2,4*

Mucor毛霉

–30,8/14,3

16,7/–12,5

Fusarium镰刀菌属

–71,4/–75

–25/0

Acremonium顶生菌属

0/0

0/–16,7

Trichoderma木霉属

0/0

25/20

Gliocladium fimbriatum伞状粘帚霉

**/150

0/**

Aspergillus (A. niger, A. fumigatus)曲霉属(尼日尔,烟曲霉)

–100/200

0/0

Verticillium黄萎病

0/0

0/0

Cladosporium cladosporiodides枝孢霉枝孢霉

200/600

0/100

Paecylomyces拟孢霉

–60/–100

0/–33,3

Scopulariopsis brevicaulis短帚霉

0

–50/–50

Chrysosporium黄孢霉属

200/0

–100/–50

Talaromyces luteus黄褐塔拉霉

0/–100

0/0

Humicolagrisea腐殖质

0/–100

Другие грибы сем. Dematiaceae蘑菇暗色孢科

33,3/–100

Mycelia sterilia菌丝体不育

0/100

–25/0

* 分子是CZAPEK培养基的真菌量,分母是在GeChin培养基上的数量;不确定该真菌群的显微真菌。

根据梁赞和萨拉托夫地区植物保护站盆栽实验结果的证实,阿尔比特的应用改善了土壤的植物卫生条件。在全俄花卉和亚热带作物

     

研究所进行的实验表明,阿尔比特应用后,病原菌--植物疫病菌在园土的分生孢子数减少了52-56%(图2)

研究中发现,阿尔比特增加了土壤和根区的微生物总量,增加了根际土壤中的富营养菌(富碳环境下繁殖的微生物)和固氮菌含量。阿尔比特增加了细菌总量(每克土壤3至3.5×106,植物根系为8至14.7×106)。然而根际细菌数量是减少(表2)。
        

表2.用阿尔比特处理大麦后土壤的微生物学特征

(莫斯科国立大学的盆栽试验,1999)

项目

全部

放线菌

芽孢杆菌

内生细菌

棒状杆菌

对照

3

2

0.6

0

1

阿尔比特处理

3.5

0.1

0.8

0

3

对照

4

0.5

0.1

0

3.5

阿尔比特处理

2

0.1

0.1

0

1.8

对照

8

0

0.1

1

6.9

阿尔比特处理

14.7

0

0.9

2.5

11.3

阿尔比特的剂量--30毫升/米+ 30毫升/公顷。接种于葡萄糖蛋白胨琼脂培养基上的微生物数量(百万个菌落/克土壤),取样在分蘖期。

 
到生长季节结束时,富营养细菌和寡营养细菌群类数量都在下降。同时对照区和阿尔比特处理区中也显示了总细菌量的减少。这与阿尔比特应用导致刺激植物生长和土壤微生物演变的发生有关。结果与对照相比,细菌数量在最初阶段是增加,然后在随后的最后阶段则是数量的减少。同时在阿尔比特的影响下,土壤中生长刺激和固氮细菌(例如,固氮菌)的数量增加,土壤的生长刺激能力增加50-100%,其总毒性显着降低, 从25-55到0-30单位(表3)。 在阿尔比特的影响下,表现为促进植物生长的有益微生物活性的增加和病原微生物活性的降低(科斯蒂娜-祖托尼科夫,2000)。

表3.阿尔比特(30毫升/吨)处理大麦对根际土壤毒性的影响(莫斯科国立大学土壤生物学系,1999)

植物生长阶段

毒性区的直径,毫米

对照

阿尔比特处理

生长的初期阶段

40-55

0-30

生长的中期阶段

25-30

0-30

生长的晚期阶段

25-30

0

因此土壤微生物群落重组的重要作用是减少病原物的影响不是靠接种活生物菌剂。 阿尔比特刺激已经存在于根际的真菌微生物生长中。

阿尔比特不含活体固氮细菌,然而由于其对天然微生物群落的调节作用,阿尔比特在生长季节开始时将根际固氮的潜在活性提高了12-66%。值得注意的是,这种效应并没有持续到随后的所有生长季节。从茎伸长阶段开始,固氮水平下降,但反硝化作用增加(图3)

    

阿尔比特对土壤固氮菌的影响效果是最活跃的根瘤菌(Rhizobia)。土壤中土著根瘤菌的种群通常不足以形成所需数量的豆科植物根瘤。通常使用根瘤菌接种物对种子处理用于克服该问题。阿尔比特是这个技术的一种替代方法。阿尔比特刺激天然土壤根瘤菌群的活性和毒力。在国家生物植物保护研究所(农业科学家 罗斯-阿卡德。)(克拉斯诺达尔,2010)对大豆进行的田间试验中,显示阿尔比特改善了未接种植物上的根瘤形成。在田间试验中,施用阿尔比特(种子处理和喷洒与除草剂30-50毫升/吨种子混配)使每株植物的固氮结核数量比仅含除草剂的对照增加了13.5-53.2%。与对照相比,阿尔比特种子处理增加了瘤数量达39.7%,阿尔比特与除草剂一起喷洒的增长率高达50.8%,混配施用(种子处理+喷洒)可到53.2%(图4)。瘤数量的增加与作物产量的增加是正相关的关系(比对照高出17%)。

      

在我们看来,阿尔比特对土壤微生物群落的作用的基础就是聚-β-羟基丁酸的性质。与许多生物来源的聚合物(淀粉,纤维素,甲壳质)一样,该化合物在促进微生物繁殖的开始,因特定水解和相关生物群落的形成,其对植物具有间接正面影响。因此阿尔比特应用对植物可提供额外的氮和其他营养素输入。使用农业化学品破坏了能够保护植物免受植物病原物侵害的天然微生物群落。农药抑制土壤微生物活性30-50%[卡彭-贾纳什夫斯卡亚,2014]。在俄罗斯农业科学院国家花卉和亚热带作物(索契)国家科学研究所进行的多年田间试验表明,阿尔比特能够减少农药(二噻农,α-氯氰菊酯,λ-氯氟氰菊酯,δ-甲基蛋白)对土壤微生物菌落的负面影响(贾努什沃斯卡亚-卡普兰,2011)。阿尔比特增加了土壤微生物对土壤毒素的抵抗力,并使其生物活性正常化,这通常是被使用的农药所抑制(图5)。
    
俄罗斯农业科学院全俄罗斯花卉和亚热带作物(索契)科学研究所的农场花园进行了桃树和苹果树田间试验。阿尔比特在田间的规范操作中与化学农药(杀虫剂和杀真菌剂)一起使用。在开花期之前,首先用阿尔比特和二嗪农处理桃树,在开花后做第二次和第三次处理(阿尔比特与拟除虫菊酯一起使用)。不使用杀虫剂的果园以及野生状态作为对照。在田间试验期间,跟踪观察了整个生长季节中土壤伟生物活动的动态。

用化学农药处理苹果的小区试验降低了土壤微生物区系的基础呼吸活动(图5)。在施用农药后一个月甚至还没有观察到土壤呼吸活动的完全正常化。阿尔比特与农药一起使用显著减少了它们的负作用。在标准化学处理中添加阿尔比特几乎恢复到未受干扰土壤微生物的活动水平。在2008-2010研究期间,每年都使用杀虫剂和杀菌剂对这些模式进行观察。阿尔比特的抗压活性在2009年的干旱条件下变的尤为突出。

阿尔比特的抗压活性的强度主要取决于刺激代谢过程的土壤条件。阿尔比特抗胁迫作用是非特异性的。主要机理是激活细胞间有氧呼吸的,它奠定了增加细胞内生物能源的基础,并使微生物群体适应不同来源的应激因子。通过刺激天然土壤微生物群落和植物生长,阿尔比特能够显著降低土壤的油污染。在阿尔比特的影响下,土壤中的油分解率平均增加1.67-3.15倍。工业试验表明,在一个生长季节,阿尔比特和耐油草的播种减少了土壤的油污染1.5-10.0倍。因此,阿尔比特间接通过土壤微生物群落起作用,最终表现出对植物产生有益影响,增加其矿物质营养,降低病原物的危害,降低土壤的毒性等效果。阿尔比特作为一种综合,平衡和保护性的生物刺激素,几乎涵盖了植物生命活动的所有领域。

众所周知,石油开采,管道建设和石油加工厂的增加导致石油污染土壤的扩大。因为土壤中积聚了大部分石油污染改变了土壤的物理、化学和微生物特性。结果农耕土壤的意义就会丧失。因此,有必要开发生态安全和经济合理的可降解碳氢化合物的微生物和强化土壤肥力的新方法。

土壤复垦有几种物理和化学方法,生物学方法是最有效的方法之一。它涉及土壤微生物群落的激活,降解石油的微生物的接种和植物修复。通过刺激降解石油微生物群落的繁殖来减少油污染,它们也可以与耐油植物相互作用。阿尔比特相对便宜的植物修复技术(与其他修复技术相比)适宜用于大面积的复垦,对环境的负面影响几乎可以忽略不计,土壤恢复可加快3-4倍。

最常用于生物修复的生物制剂中含有细菌(假单胞菌,红球菌,芽孢杆菌,节杆菌,不动杆菌,固氮菌,产碱杆菌,分枝杆菌),酵母菌(念珠菌),丝状放线菌(链霉菌),真菌(曲霉菌,青霉菌)和其他微小细菌。这种生物制剂中含有降解某些特定烃化合物的活性微生物。

土壤中石油的降解不仅可以通过微生物直接利用碳氢化合物来实现,还可以通过生物制剂调节土壤微生物群落(连续诱导,改变微生物群落的分类结构)以提高石油利用率来实现。生物制剂刺激土著土壤生物群落,为石油烃转化为有机腐殖质类化合物创造条件,对土壤肥力产生积极影响。阿尔比特不含活微生物,但可以有效地刺激油污染土壤中降解石油的微生物的土著群落。

阿尔比特含有由土壤细菌巨大芽孢杆菌和金黄色假单胞菌产生的聚合物聚-β-羟基丁酸酯(PHB),平衡的大量元素和微量元素,针叶提取物和其他化合物。由不同科学机构进行的长期试验(全俄植物保护研究所,全俄罗斯作物研究所,全俄亚麻研究所,全俄豆科植物作物研究所,全俄罗斯园艺研究所,莫斯科国立大学,国立大学彼尔姆分校,全俄蔬菜选择与种子育种研究所,微生物生物化学与生理学研究所RAS等)证明了阿尔比特刺激植物生长和土壤微生物群落的能力,这使得它适用于植物修复和土壤微生物修复技术。

下面试验的目的是检查阿尔比特是否适合用于油污染土壤的复垦。

在莫斯科国立大学土壤化学系进行的实验室盆栽试验中,通过1毫米筛网风干和筛分的草皮土壤被湿润至60%的土壤水容量(FWC),被油污染(3-5%重量/重量)并用硝酸铵,三过磷酸钙和氯化钙溶液施肥,每盆0.1g。将草种子混合物(红羊茅草80%,国际象棋 - 20%)浸泡在阿尔比特溶液(1和0.2克/升)中0.5小时然后播种,剩余的液体用于土壤处理(5毫升/盆)。每盆播种15粒种子,萌发后留下10株植物。在莫斯科国立大学土壤站1千克盆中生长, 2次重复试验。在实验过程中,通过反复浇水维持60%FWC。在平行试验中,采用相同的技术研究定向施用阿尔比特修复植物的效果。土壤中的初始油浓度范围为5%至20%。用阿尔比特溶液(1克/ 10升)处理土壤四次。通过土壤正己烷提取物的色谱法测定土壤中的残余烃含量。

2003 - 2005年,在田间条件下试验阿尔比特的效果。第一次试验在下诺夫哥罗德州(维尔涅涅尔茨基耶)在600平方米的油湖沿岸进行(含油量超过50%)。在播种耐油草之前,用阿尔比特(以600毫升/600平方米)处理土壤。播种前土壤中的油含量为15%(150克/千克)。第二次实验区位于苏尔古特波洛茨克石油管道(新西兰诺夫哥罗德州)附近。在地块上有不规则的油分布,每1千克土壤含有1.5至10.8克油。油污染含有高浓度的致癌芳香烃和超过30%的焦磷酸盐。阿尔比特(500毫升/ 1500平方米)同时播种耐油植物。土壤中的油浓度平均为6.8%。第三次试验在下诺夫哥罗德州索莫夫石油储存库(卢科尔尼泽尼奥格罗德)境内进行。实验区先前用于储存石油废物;石油泄漏区撒有沙子。原油污染非常高(25-60%);用化学方法将其还原至8-15%后,每个植物生长季节用阿尔比特(150毫升/500平方米)处理实验区域两次:播种前和发芽后立即。在下诺夫哥罗德州的克尔尼内茨石油储存库的沼泽地条件下(卢科尔尼泽尼奥格罗德)进行了第四次试验。首先在排水后播种了莎草。在播种耐受草的草(红羊茅草,草草,无芒雀,英国黑麦草,紫云英,纤维生根的莎草)。播种前和萌发后立即施用阿尔比特180毫升/1000平方米的浓度处理。试验前土壤中的含油量平均为15.2%。

试验结果表明,阿尔比特对植物种子处理对低水平油污染的土壤具有高生物修复效率(3-5%)。由于土壤微生物群落的活动和煤油馏分的蒸发,在对照中观察到的烃含量的自然减少可能发生;阿尔比特加速土壤自然清洁1.67-3.15倍。到植被结束时,用阿尔比特处理的盆比对照盆少了1.8-10.6倍,比仅有植物的盆少约2倍(没有阿尔比特处理)。用0.2克 /升阿尔比特处理的盆获得了最好的结果(表4

4. 阿尔比特处理植物种子生物修复的的效果(盆栽实验)

处理

原始石油浓度, %

最终石油浓度, %

石油含量的降低(与对照的比较)

降解强度 (与对照的比较)

对照组: 土壤+石油

5

2.12

1

1

土壤+石油+阿尔比特 (1克/升)+植物

5

0.71

2.99

1.49

土壤+石油+阿尔比特 (0.2克/升)+植物

5

0.2

10.6

1.67

对照组: 土壤+石油

3

2.48

1

1

土壤+石油+植物

3

2.36

1.05

1.23

土壤+石油+阿尔比特 (0.2克/升)+植物

3

1.36

1.82

3.15

阿尔比特还证明了刺激植物生长的活性存在,使植物生物量增加3.38-4.13克/盆(在实验结束时达到4.48克/盆)。显然,由于其刺激植物生长的活性,阿尔比特在化学污染的应激条件下提供更好的植物存活率,这反过来又为微生物提供光合作用产物,从而加速土壤中的油降解。如前所示,阿尔比特能够激活天然土壤微生物群落(直接或通过刺激植物生长),这也会导致石油降解加速。在土壤中含油量较高(5-20%)时,使用阿尔比特直接土壤处理效率很高。在实验中,根据初始油浓度,用阿尔比特溶液重复浇水4次导致土壤中油含量减少1.3-2.8倍。使用阿尔比特处理对所有研究的油污染水平都是有效的。因此,虽然在实验开始时的平均油含量为5,7.5,12.517.5%,但到实验结束时它分别降低到1.8%,5%,7%和14%。

在莫斯科国立大学Perm分部进行的大规模田间试验中证实了阿尔比特的效率(图6)。在第一次试验中,在植被期结束时,用阿尔比特处理和播种草使油污染从15%(150克/公斤)减少到6%。在第二次类似试验中,草出苗后,土壤中的含油量从6.8%降至4.1%。在第三次试验中,开始时油污染率为8-15%(平均为11.5%),但在用阿尔比特处理和播种草后仅为1.6-4.8%(平均为3.2%)。在第四次试验中,生物修复,阿尔比特处理和播草的复合处理将油污染从15.2%减少到2.4%。
   

因此,为了清洁油污染的土壤,希望使用阿尔比特处理耐油草。在播种前或之后同时用阿尔比特处理土壤(1.5-3.5升/公顷,或0.2-0.3毫升/平方米)处理。污染越高,需要更高浓度的阿尔比特溶液(最高10克/升)。为了获得最大效率,应将种子浸泡在阿尔比特溶液中(浓度0.2毫升/ 升)。