XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Анализ активности микроорганизмов почвы в пяти экосистемах

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Лейтланд М.И. 1

---

1МАОУ СОШ 17 г. Долгопрудный

Леонидова Т.В. 1

---

1ФНЦ "ВИК им. В.Р.Вильямса"

Работа в формате PDF

2.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В течении нескольких лет мой интерес к биологии набирает оборот. Начиная с простых наблюдений и сравнений, я перешёл к изучению и формированию выводов из полученной информации. Высаживая разные виды культур, исследуя несколько сортов, проводя наблюдения в разных условиях делаешь для себя небольшие, но интересные открытия.

В этом году захотелось попробовать себя в новом эксперименте. Работа связана с микроорганизмами в почве.В свою очередьмикробиология почвы тесно связана с биохимией почвы и микробной экологией. Почвенная микробиология - раздел почвоведения, изучающий микроорганизмы, обитающие в почве, их функции и деятельность в почвенной экосистеме. Существуют два основных подхода к почвенной микробиологии. Первый подход заключается в изучении организмов путём исследования их физиологии и таксономии, а второй подход фокусируется на микробных процессах, то есть на том, что микроорганизмы делают в почве.

В своей работе я представлю данные по изучению деятельности микроорганизмов в почве.

Цель работы: поиск новых данных активности микроорганизмов почв в различных экосистемах с помощью чайных пакетиков.

Задачи:

1. Изучить литературу по почвоведению и агрохимическому анализу почвы;

2. Взвесить чайные пакетики ройбуш ВкусВилл и зелёный чай Berton и подготовить необходимый инвентарь и документацию для эксперимента;

3. Закопать в два этапа (осень-зима-весна и лето) в почву пяти экосистем чайные пакетики и отметить географические координаты и ориентир на местности, сделать фото;

4. Определить гранулометрический состав почвы в домашних условиях;

5. Извлечь чайные пакетики из почвы, высушить и взвесить;

6. Провести анализ почвы, сравнить результаты и сделать выводы.

Научная новизна:

1. Эксперимент уникален, так как основан на личных наблюдениях и выводах;

2. Эксперимент позволяет отследить активность почвенного микробиома с помощью подручных средств;

3. Разнообразие экосистем способствует охвату большей исследуемой территории;

4. Возможность проведения исследования в два этапа (осенне-зимний сезон и весенне-летний сезон) позволяет детально отследить активность почвенных бактерий.

Практическое применение и значимость:

Полученные результаты исследования являются актуальными, поскольку почвенная микробиота мало изучена и каждое исследование увеличивает объём информации в этой сфере.

Методы исследований:

1) теоретический, 2) наблюдательный, 3) сравнительный,

4) экспериментальный.

Объект исследования: микробиота почвы в пяти экосистемах: сад (яблони, сливы), газон, огород (теплица), хвойный лес (ель), лиственный лес (берёза).

Предмет исследования: активность микроорганизмов почвы с помощью чайных пакетиков.

Место проведения работы: пять экосистем, находящиеся в городе Долгопрудный, микрорайон Шереметьевский.

Время проведения работы: ноябрь 2024 года - сентябрь 2025 года

Литературный обзор

В почве имеется огромное количество животных и микроорганизмов. Почвенные животные делятся на микрофауну, мезофауну, макрофауну и мегафауну по своему размеру. Почвенные микроорганизмы – это бактерии, археи, микроскопические грибы, а также микроводоросли. Микробиом биоразнообразен и имеет разные функции.

Почва как среда обитания и продукт жизнедеятельности микроорганизмов представляет собой сложную систему, включающую разнообразные по физиологии виды, обеспечивающие биологический круговорот веществ, процессы формирования почв и их устойчивость к природным и антропогенным факторам. Этим определяется теоретическое и прикладное значение экологических исследований микробных сообществ [1].

Почвенные микроорганизмы присутствуют в большом количестве и обладают широким спектром метаболической активности и физиологических свойств, которые играют жизненно важную роль в круговороте питательных веществ в почве и необходимы для удаления загрязняющих веществ из почвы. "Дыхание почвы" - процесс образования углекислого газа в результате разложения и окисления органического вещества почвенными микроорганизмами и корнями растений. Почвенное дыхание и связь с углекислым газом (CO2) связаны с процессами газообмена между почвой и атмосферой. Связь с CO2 заключается в том, что почвенное «дыхание» — это выделение CO2 из почвы в приземный слой атмосферы. Это играет роль в создании и поддержании состава приземного слоя атмосферного воздуха, а через него — атмосферы в целом [2]. 

Вклад почвенной биоты по разным оценкам в её дыхание составляет по разным оценкам в среднем от 50 до 90% [3].

Некоторые особенности процесса газообмена:

1. Если газообмен между почвенным воздухом и атмосферой хороший, то вместо поглощённого кислорода почва выделяет в эквивалентном количестве CO2.

2. Чем хуже газообмен, тем меньше выделяется углекислого газа.

3. Введено понятие коэффициента дыхания — отношения выделившегося кислорода к поглощённому CO2. У хорошо аэрируемых почв он приближается к единице, а у почв с плохим газообменом — значительно выше.

Интенсивность почвенного дыхания и выделения CO2 зависит от свойств почвы, гидротермических условий, характера растительности.

1. Температура и влажность — максимальная частота дыхания наблюдается в периоды более высоких температур и промежуточной влажности почвы.

2. Состав растительного покрова — чем интенсивнее биологические процессы в почве, тем более выделяется углекислота.

3. Содержание химических веществ — загрязняющие вещества уменьшают интенсивность «дыхания» почвы.

Для изучения процесса почвенного дыхания и выделения CO2 используются:

1. Диффузионные методы — например, профильный метод, который позволяет определять интенсивность дыхания почв по градиенту концентрации и коэффициенту диффузии CO2 в почве.

2. Камерные методы — например, метод закрытых камер, который используется для оценки потоков CO2 из почв различных экосистем [3].

Итак, микроорганизмы активно дышат, выделяя в процессе своей жизнедеятельности в атмосферу углекислый газ, и тем самым напрямую участвуют в круговороте углерода.

Метод чайных пакетиков связан с дыханием почвы, так как позволяет оценить скорость разложения органического вещества почвенными микроорганизмами. Суть метода: чайные пакетики сначала взвешивают, а затем закапывают в почву на определённое время (1 этап - 6 месяцев, 2 этап -3 месяца). После этого пакетики извлекают, высушивают и повторно взвешивают. По разнице между исходной и конечной массой оценивают, сколько чая (органического вещества) в пакетике разложилось. 

Цель использования этого метода: определить, с какой скоростью разлагаются органические останки в почве, так как от этого зависит плодородие почвы и её роль в глобальном цикле углерода. Кроме того, разлагая органические вещества, микробы выделяют углекислый газ — осуществляют так называемое микробное дыхание, — и служат одним из основных биогенных источников поступления парниковых газов в атмосферу.  Листья чайного дерева, а также различные компоненты фиточая очень быстро разлагаются почвенными микробами, в результате чего масса пакетика снижается, что позволяет определить уровень активности микрофлоры. Во всех типах почв на Земле присутствует большое число микробов, разлагающих органику, фиксирующих азот и производящих различные молекулы, которые играют важную роль в жизнедеятельности растений и других почвенных организмов. Уровень активности этих микробов оказывает огромное влияние на плодородность грунта, характер захоронения в нем органических останков, его влажность и количество выделяемых парниковых газов, что заставляет учёных наблюдать за активностью почвенной микрофлоры [4].

Экспериментальная часть. Методика исследований

Было принято решение поучаствовать в исследовательском проекте "ЗакопайЧай", запущенным Молодежной Лабораторией карбомониторинга наземных экосистем Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН. Проект нацелен на получение новых данных об активности микроорганизмов почв с различных уголков нашей страны с помощью чайных пакетиков. Исследовательский проект включает в себя метод чайных пакетиков "Tea Bag Index" предложенный группой европейских ученых, чтобы унифицировать и упростить оценку микробной активности почв в полевых условиях на больших территориях. В результате разложения микроорганизмами растительных остатков, поступающих в почву, формируется почвенное органическое вещество и выделяются парниковые газы из почвы в атмосферу. Учёные предложили использовать два вида чая: зеленый (G) и фиточай-ройбуш (R) (в работе возможны либо обозначения чая, либо буквы). Они различаются по химическому составу и, следовательно, разлагаются микроорганизмами с разной скоростью.

Чайные пакетики взвешивались в ФНЦ «ВИК им. В.Р.Вильямса» на аналитических весах(приложение 18).
В рамках исследования были выбраны пять разных экосистем: сад (яблони, сливы), газон, огород (теплица), хвойный лес (ель), лиственный лес (берёза), (приложение 9,10,11,12,13,14). Эти экосистемы можно разделить на природные (естественные) и искусственные. Природные экосистемы возникают естественным образом без влияния человека. К ним относятся хвойный лес (ель) и лиственный лес (берёза). Искусственные системы создаются и поддерживаются людьми. Это экосистема сад (слива, яблоня), газон, огород (теплица). Выбранные экосистемы имеют свой гранулометрический (механический) состав и другие особенности, которые тесно связаны с активностью микроорганизмов и выделения ими углекислого газа.

Гранулометрический состав почвы был определён в домашних условиях. Для этого небольшое количество почвенного образца брали в ладонь, добавляли немного воды и полученную смесь пастообразной массы раскатывали в виде шнура диаметром 0,5-1,0 см. Далее соединяли концы шнура и определяли гранулометрический состав согласно рисунку №1.

Рисунок №1

Определение гранулометрического состава в домашних условиях

Для большей достоверности опыт проводился в двукратной повторности. Были выбраны по две площадки 1х1 м в каждой экосистеме. Площадки для опыта выбирались максимально «усреднённые», типичные, ничем не примечаемые. На протяжении 9 месяцев (1 и 2 этап) исследования вёлся полевой дневник. В него были внесены фотографии и координаты исследуемой местности. В каждой экосистеме закапывались по две связки чайных пакетиков. В одной связке было по два пакетика зелёного чая и два пакетика чая ройбуш. Всего в каждой экосистеме -две связки и по 4 пакетика зелёного чая, 4 пакетика чая ройбуш. Чайные пакетики помещались в почву на глубину 8 см, через определённое время пакетики были выкопаны из почвы, подсушены и отправлены в лабораторию в ФНЦ «ВИК им. В.Р. Вильямса», где проводилось взвешивание и исследование почвы (приложение 15,16,18,19).

Опыт проводился в два этапа – в разные сезоны года (приложение 13,17). Это даёт более полно исследовать подвижность микроорганизмов в разные сезоны в условиях Подмосковья с выраженным сезонным климатом.

Первый этап: осенне-зимне-весенний сезон, начало этапа - 3 ноября и 9 ноября 2024 года, конец этапа – 4 мая 2025 года (6 месяцев).

Гипотеза первого этапа: в холодный период из почвы выделяется до 20-30 % годового СО2. Такие высокие показатели, могут быть связаны с тем, что микроорганизмы активно разлагают растительные остатки, поступившие в почву осенью.

Второй этап: летний сезон, начало этапа – 3 июня 2025 года, конец этапа – август 2025 года (три месяца).

Второй этап даёт возможность оценить микробную активность почвенного микробиома в летний период.

Проведённые на протяжении двух этапов (9 месяцев) технологические мероприятия на исследуемых участках в разных экосистемах были зафиксированы в таблице (Приложение 1).

Результаты исследований и математическая обработка данных

В первом этапе исследования после извлечения чайных пакетов были утеряны два чайных пакета. Это произошло в экосистеме газон, чайный пакет 25R (ройбуш) и в экосистеме лиственный лес (берёза), чайный пакет 40R (ройбуш). Это не сильно повлияет на опыт, так как было дополнительно взяты несколько образцов.

Извлечённые из почвы пакеты были высушены в сушильном шкафу в лабораторных условиях при температуре +60 С и взвешены мною на аналитических весах (приложение 18).Интенсивность разложения чая определялась по формуле:

А-В=Х далее У= Х : А*100 %,

где А - вес чайного пакетика без этикетки до сушки (г),

В - вес чайного пакетика после сушки (г),

Х - разница до сушки и после (г),

У - уменьшение (%),

В таблице 2 представлены средние данные результатов взвешивания пакетиков до закапывания в почву и после их извлечения. В приложении размещена более полная информация (Приложение 2,3,4).

Таблица 2

Средние показатели взвешивания пакетиков. 1и 2 этапы

В результате анализа таблицы было установлено, что активность микроорганизмов во втором этапе, т.е. в летнее время выше, чем в первом этапе (осень-зима-весна). Причина такого изменения связана с температурой и влажностью. Хотя зима 2024-2025 года была теплой, но температура все-равно ниже, чем летом.

Разложение пакетиков чая наблюдалось в течение всего времени нашего эксперимента, даже в осенне-зимние-весенние периоды. Это может быть связано с тем, что микроорганизмы активно разлагают растительные остатки, поступившие в почву осенью.

Если сравнивать по отдельности естественные и искусственные экосистемы, то максимальное разложение чая в природных экосистемах во все периоды проведения опыта было отмечено в хвойном лесу. Самое минимальное под березой. Это можно объяснить гранулометрическим составом почвы. В еловом – супесь, в березовом – тяжелосуглинистая.

В искусственные экосистемы наибольшее разложение зеленого чая было отмечено на участке, занятым газоном (диаграмма 1).

Диаграмма 1

Возможно это связано с тем, что здесь наименьшее воздействие антропогенных факторов – внесения удобрений, частой перекопки почвы.

Была проведена компьютерная математическая обработка результатов взвешивания чайных пакетиков с использованием критериев Фишера и Стьюдента с помощью программы Stadia 8.0 по двум этапам эксперимента (приложение 5,6,7,8). В результате математической обработки было установлено, что в первом этапе существенные отличия веса чайных пакетиков от других экосистем наблюдались в теплице и березовом лесу. Здесь было наименьшее разложение чая. Объяснить это можно, как уже отмечали выше, антропогенным воздействием в теплице и гранулометрическим составом в березовом лесу. В летнее время существенных различий не наблюдалось между экосистемами, за исключением вариантов: газон и березовый лес. Если сравнивать эти варианты, то здесь будут существенные различия. На участке, занятым газоном, активность микроорганизмов больше, чем в березовом лесу.

Согласно проведенной математической обработки результатов взвешивания пакетиков чай ройбуш существенные отличия есть в экосистеме березовый лес как в 1, так и во 2 этапах по сравнению с другими экосистемами. В этом варианте самая низкая активность микроорганизмов.

Зеленый чай более интенсивно подвергается разложению под действием микроорганизмов, чем чай ройбуш. Для того чтобы понять, почему в почве зелёный чай и ройбуш разлагаются по-разному, составили таблицу, в которой соберём информацию о различиях свойств двух видов чая (таблица 3).

Таблица 3

Различие свойств двух видов чая

Из таблицы №3 пункт 1 видно, что листья чая ройбуш подвергаются ферментации, а после окисления (ферментации) ведут себя в зависимости от условий среды. Листья ройбуша - это сложные органические вещества, поэтому разложение такого чая займёт больше времени, чем зелёного чая, у которого минимальная степень ферментации.

Пункт 2. Указывает на плотность растительного сырья чая ройбуш, который разлагается дольше.

Пункт 3. Сахара в ройбуше расщепляются от сложных сахаров до более простых форм. Это занимает больше времени, чем с образцом зелёного чая, который не содержит сахаров.

Пункт 4. Наличие кофеина улучшает плодородие почвы. Известно, что кофеин стимулирует микроорганизмы в почве, улучшает циркуляцию питательных веществ и воды к корням. В ройбуше кофеина нет.

Пункт 5. Зелёный чай имеет значительное количество танинов, по сравнению с ройбушем. Дубильные вещества положительно влияют на разложение образцов и обогащение почвы органикой.

Таким образом, мы подтвердили, что зеленый чай разлагается быстрее чем ройбуш.

В лабораторных условиях вместе с моим научным руководителем было проведено определение кислотности почвы в солевой вытяжке по ГОСТ 26483-85 [8], (приложение 15,16). На диаграммах 2,3 представлены результаты определения рН сол в почве и изменение веса пакетиков чая.

Диаграмма 2 Диаграмма 3

Изменение веса пакетиков чая и рН сол

зеленого ройбуш

В результате исследований было установлено, что в саду, газоне и теплице, т.е в искусственных экосистемах кислотность почвы нейтральная. На нейтральной или слабокислой почве лучше всего произрастает большая часть растений. В естественных экосистемах, в хвойном лесу (ель) и лиственном лесу (берёза) кислотность почвы очень сильнокислая (приложение 15,16).

В наших исследованиях четкой зависимости активности микроорганизмов от кислотности почвы мы не обнаружили.

Определение гумуса, азота фосфора и калия проводили в лаборатории аналитических методов исследований без моего участия. Эти данные были мне предоставлены для изучения. После их изучения мной были сделаны выводы (таблица 4).

Таблица 4

Агрохимический анализ почвы

Гумус является результатом разложения органических веществ, который представляет собой биологически активное вещество, содержащее основные питательные элементы растений. Гумус - результат длительного разложения растительных остатков с участием микроорганизмов. Гумус улучшает почву, способствует её воздухо- и водопроницаемости, а также удерживает питательные вещества, которые могут быть усвоены растениями [5]. Содержание гумуса в почве должно влиять на активность микроорганизмов, но это утверждение не всегда является верным. Гумус может быть источником питания микроорганизмов и разлагаться полностью. Анализ органического вещества (гумуса) проводился в лабораторных условиях по методу Тюрина.

Самый высокий процент гумуса в теплице. Такой высокий гумус в теплице можно объяснить внесением удобрений, частой перекопкой и рыхлением, а также внесением весной перегноя из компостной ямы. В почве газона и хвойном лесу вполне хорошее соотношение гумуса и активности микроорганизмов. Не смотря на высокую кислотность из-за медленного разложения хвои хвойного леса, гумуса в почве много (3,12%).

Степень обеспеченности растений фосфором оценивается по содержанию доступного фосфора в почве: очень низкая – 25 мг/кг, низкая - от 26-50 мг/кг, средняя - от 51-100 мг/кг, повышенная - от 101-150 мг/кг, высокая - от 151-250 мг/кг, очень высокая - выше 250 мг/кг. Наличие фосфора в почве зависит от гранулометрического состава почвы, от экосистемы в которой взят образец [4]. В теплице чрезмерно высокое содержание фосфора. Происходит зафосфачивание почвы. Содержание высокого избыточного фосфора говорит нам об агротехнической ошибке на нашем участке. Начало 1 этапа опыта было осенью. Переизбыток фосфора произошёл потому, что осенью перед опытом были внесены в почву перегной из компостной ямы и органическое удобрение (навоз) для разложения и удобрения на следующий год. Также в конце лета вносилось удобрение, содержащее фосфор. Избыток удобрения нарушил баланс разложения фосфора в почве. В искусственной экосистеме произошёл переизбыток фосфора, благодаря внесению в почву удобрений, содержащих фосфор. В естественных экосистемах пониженный фосфор. Низкая активность микроорганизмов в почве при малом содержании фосфора связана с низкой доступностью фосфора.

Наибольшее содержание азота отмечено в теплице, калия на участке, занятым газоном.

Подводя к завершению исследовательскую работу которая длилась более 9 месяцев хочется отметить плюсы и минусы метода «чайных пакетиков». Для этого составим таблицу 5.

Таблица 5

Плюсы и минусы метода «чайных пакетиков»

Выводы

1. Больший процент уменьшения веса пакетика показывает более высокую активность микроорганизмов и соответственно, лучший газообмен и большее выделение углекислого газа.

2. Зелёный чай разлагается быстрее, чем ройбуш.

3. Максимальное разложение зелёного чая в природной экосистеме отмечено в хвойном лесу. Самое минимальное под берёзой.

4. В искусственных экосистемах наименьшее разложение зеленого чая в теплице. Очевидно, это связано с антропогенным влиянием – внесением удобрений, частой перекопкой почвы. В почвенных образцах, отобранных в этом варианте, отмечается большое содержание азота, фосфора, калия и гумуса.

5. Согласно проведенной математической обработке, наименьшая активность микроорганизмов, по сравнению с другими вариантами опыта, в течение всего периода проведения эксперимента была отмечена в экосистеме «березовый лес».

6. На активность микроорганизмов влияют такие факторы, как температура, влажность почвы, гранулометрический состав почвы, вид экосистемы и антропогенное влияние.

7. Метод с чайными пакетиками является простым индикатором экологического состояния почвы, но он не идеален.

Заключение

В испытуемых пяти экосистемах активность микроорганизмов наблюдалась в двух этапах. Почвенное дыхание - это выделение углекислого газа (CO2) из почвы в приземный слой атмосферы, в том числе микроорганизмами. Оно играет огромную роль в создании и поддержании состава приземного слоя, атмосферного воздуха и регуляции климата.

Литература

1. Круглов Ю.В. Микробное сообщество почвы: физиологическое разнообразие и методы исследования// Сельскохозяйственная биология. 2016, том 51, ¹ 1, с. 46-59

2. Агрохимия/ Под ред. Б.А. Ягодина. - М.: Колос, 2002. - 584 с.: ил. (Учебники и учеб. пособия для студентов высш. учеб. заведений).

Семенченко А. А. Дыхательная активность песчаных субстратов в северной тайге западной Сибири// Выпускная квалификационная работа (магистерская диссертация.05.04.06 Экология и природопользование) г.Тюмень. 2021. 84 с.

3. Апарин Б.Ф./Почвоведение: учебник для образоват. учреждений сред. проф. образования. - М.: Издательский центр «Академия», 2012. - 256 с., [16] с. цв. ил.:ил.: ил. ISBN 978-57695-7259-3.

4. ГОСТ 26107-84. Почвы. Методы определения общего азота.

5. ГОСТ 54650-2011. Почвы. Определение подвижных форм и калия по методу Кирсанова в модификации ЦИНАО.

6. ГОСТ 26213-91. Почвы. Методы определения органического вещества. Метод Тюрина в модификации ЦИНАО.

7. ГОСТ 26483-85. Почвы. Приготовление солевой вытяжки и определение её pH по методу ЦИНАО.

8. Звягинцев Д.Г. Почва и микроорганизмы.-М.:Изд-во Моск.ун-та,1987.-256с.

Приложение

Приложение 1

Технологические мероприятия, проводимые на пяти экосистемах

Приложение 2

Результаты разложения зелёного чая (образцы G). 1 этап

(вес пакетов без этикетки)

Приложение 3

Результаты разложения чая ройбуш (образцы R).1 этап

(вес пакетов без этикетки)

Приложение 4

Результаты разложения зелёного чая (образцы G)

2 этап (вес пакетов без этикетки)

Приложение 5 Приложение 6

Математическая обработка изменений веса Математическая обработка изменений

чайных пакетиков (зеленый чай G) 1этап веса чайных пакетиков (зеленый чай G)

*Обозначения: x1- сад (яблоня, слива), x2- газон, 2этап

x3- огород (теплица), x4- хвойный лес (ель),

x5- лиственный лес (береза)

Приложение 7 Приложение 8

Математическая обработка изменений Математическая обработка изменений

веса чайных пакетиков (ройбуш R) 1этап веса чайных пакетиков (ройбуш R) 2этап

Спасибо за внимание!