Исследования структуры и функций микробных ценозов торфяных почв, выполненные на большом числе мелиоративных объектов Белорусской ССР и в многолетних модельных опытах, позволили получить новые данные о характере микрофлоры торфяных почв различного ботанического состава и степени окультуренности, численности, биомассе микроорганизмов, свойствах, определяющих биологическую активность торфяных почв.
Это дало возможность определить состав микрофлоры, трансформирующей гумусовые соединения торфа и остатки гербицидов, сформулировать представление о микробных пейзажах торфяных почв. Однако наряду с теоретическими задачами авторы попытались решить ряд практических вопросов, связанных в основном с сокращением потерь органического вещества торфа и с его структурной мелиорацией. Практический интерес также представляет установление состава микробного ценоза торфяных почв в связи с интенсивным антропогенным воздействием, оказываемым на торфяники, уже введенные в сельскохозяйственный оборот. К разряду таких работ относятся исследования взаимодействия микроорганизмов торфяных почв с гербицидами. Новым и существенным для практики использования торфяных почв явилось выявление соотношения гумусразрушающей группировки микрофлоры с другими трофическими и функциональными группами микроорганизмов, установление участия микрофлоры торфа в формировании минерально-гумусовых комплексов в высокозольных торфяниках, образуемых, как правило, при длительной и активной их эксплуатации.
Необходимыми для разработки практических рекомендаций по рациональному использованию мелиорированных торфяников стали исследования действия структурообразователей почвы (глины, полиакрилнитрила Ги-ПАН),
песка, а также ингибитора нитрификации «N-Serve-24», влияющего на микробиологические процессы, определяющие агрономически ценные свойства торфяных почв. Проблема превращения углерод — и азотсодержащих соединений торфа остается до сих пор одной из наиболее актуальных. С этой точки зрения результаты исследований микробиологических процессов разложения целлюлозы и превращения азота не лишены практической ценности.
Для микрофлоры основных физиологических групп в торфяных, почвах созданы необходимые условия развития. Однако направленность и интенсивность микробиологических процессов зависит от экологических условий природной обстановки, с одной стороны, и антропогенного воздействия — с другой.
Прямой учет численности бактерий и длины мицелия микроскопических грибов в целинных и окультуренных торфяных почвах выявил количественное преимущество микроорганизмов в целинном (заповедном) торфе. Такая зависимость, установленная для торфяных почв разного ботанического состава, особенно выражена в осоковом торфе, где содержание сухой биомассы грибов значительно превышает массу сухого вещества бактерий и составляет свыше 90% общей биомассы микроорганизмов. Масса сухого бактериального вещества в окультуренной торфяной почве около 500 кг/га. Периодическое нарастание и спад численности бактериальных клеток и содержание грибного мицелия зависят от сезона и влажности почвы.
В составе микробного ценоза целинных почв получают преимущественное развитие неспорообразующие бактерии, среди которых многочисленны коринеподобные формы, микококки, миксобактерии. Содержание бацилл, актиномицетов невелико, состав низших грибов ограничен. Сравнительный учет зимогенной и автохтонной группировок микрофлоры обнаружил существенные изменения в структуре микробного ценоза торфяных почв в связи с окультуренностью: в них активно развиваются спорообразующие бактерии, актиномицеты, флавобактерии, сарцины, красно-оранжевые микобактерии, нокардии. Значительно расширяется качественный спектр микроскопических грибов. Отношение общей численности бактерий (прямой учет) к числу бактерий, вырастающих на почвенном агаре, характеризующееся коэффициентом инертности микрофлоры почвы, в целинных почвах в 2—3 раза выше, чем в мелиорированных торфяниках, используемых под монокультурой пропашных.
Процентное содержание общей биомассы грибов и бактерий, а также представителей различных трофических группировок микрофлоры в расчете на органическое вещество более высоко для осокового торфа, что может служить подтверждением значительно большей ег0 доступности для микроорганизмов. Во всех торфяных почвах наряду с развитием банальной сапрофитной микрофлоры обнаруживаются железо — и марганецокисляющие бактерии, сульфат — редуцирующие микроорганизмы. Максимум последних, как правило, приурочен к верхнему слою окультуренной почвы с преобладанием тростника в ботаническом составе, что подтверждено электронномикроскопическими исследованиями. Общее число олиготрофов наиболее высоко в окультуренном торфе.
В осоковом торфе, целинном и окультуренном, микрофлора, способная к росту на средах с гуматами, представлена более широко, чем в тростниковом, причем различия наиболее значительны в окультуренном торфе. Данные сравнительного учета гумусразрушакяцей, олиготрофной микрофлоры и общей численности микроорганизмов, вырастающих на богатых органических средах, показали, что в осоковом торфе эти величины близки. В тростниковом торфе указанное соотношение меняется за счет слабого развития микрофлоры, выявляемой на гуматных средах. Высокая численность микроорганизмов, использующих гуматы осокового торфа, обеспечивается активным развитием неспорообразующих бактерий, актиномицетов, низших грибов.
Уровень ферментативной активности торфяных почв с преобладанием осоки в ботаническом составе по ряду показателей выше, чем в тростниковом торфе. Данные об интенсивности разрушения целлюлозы, «дыхании» почвы, способности ее к нитрификации позволяют заключить о существенных различиях активности микробиологических процессов торфяников разного ботанического состава, что является, очевидно, одним из факторов, определяющих неоднозначную интенсивность разложения торфа.
Продолжительность использования торфяных почв в культуре сопровождается процессом уменьшения их мощности, при этом органогенная часть почвы начинает перемешиваться с подстилающей породой. Это приводит к формированию качественно новых органо-минеральных почв, пахотный горизонт которых является Продуктом взаимодействия остатков торфа с нижележащим минеральным слоем. Наличие в пахотном слое торфяных почв минеральной части подстилающих пород — важный экологический фактор, определяющий направленность микробиологических процессов. Присутствие песка в пахотном слое при перемешивании с торфом оказывает положительное влияние на развитие микроорганизмов, превращающих минеральный азот и клетчатку, но подавляет восстановительные процессы типа денитрификации. Внесение в почву песка (400 м3/га) не приводит к резким изменениям в количественном составе микрофлоры, хотя перегруппировка трофических групп и изменение активности ферментов служат показателем достаточно высокого уровня окислительно-восстановительных процессов и усиления минерализации торфа. Метод насыпного пескования (слой песка 10—12 см) способствует существенному увеличению численности микроорганизмов группы азота при подавлении деятельности целлюлозоразрущающей микрофлоры и ферментов, участвующих в процессе биологической минерализации.
Внесение в торфяную почву глины (200 м3/га) стимулирует развитие микроорганизмов, повышает биогенность и биологическую активность почвы, специфически изменяет соотношение окислительно-восстановительных и гидролитических ферментов. В данном случае наблюдается не только активное преобразование легкодоступных форм органических соединений, но и повышенная способность почвы к накоплению гумусовых веществ ароматической природы, устойчивых к микробиологической деструкции. Результатами многолетнего модельного опыта установлено, что в торфяной почве, обогащенной монтмориллонитом, после активного (в виде вспышки) развития микрофлоры в первые 1—2 года после внесения глины в почву в последующем наступает выраженное затухание ее деятельности. Это снижение функциональной активности микробоценозов, по всей вероятности, способно обеспечить необходимое торможение минерализации органического вещества.
Внесение искусственного структурообразователя Ги-ПАН в дозах 500 и 1000 кг/га в торфяные почвы оказало ингибирующее действие на рост микроорганизмов большинства эколого-трофических групп в пахотном горизонте почвы. На развитие нитрифицирующих бактерий подобное действие препарат не оказывал. Ингибирующее действие препарата не проявлялось также на росте микроорганизмов некоторых групп в слое 2—6 см при дозе 500 кг/га.
Следовательно, глубокие преобразования в структуре и свойствах длительно используемых в сельском хозяйстве мелиорированных торфяных почв, выражающиеся в перераспределении химических элементов и минеральных новообразований, не могут быть выявлены и своевременно приняты во внимание без детального изучения преобразующей роли микроорганизмов. В неменьшей степени это касается количественных и качественных изменений гуминовых кислот торфа. Для более глубокого изучения таких изменений желательно исследовать разные фракции гуминовых кислот. Разработка мягкого способа фракционирования с использованием пирофосфата натрия и слабой щелочи дает такую возможность. Получающиеся при этом фракции существенно различаются молекулярной массой, растворимостью, оптической плотностью, степенью окисленности и ароматизации. Характеристика их устойчивости к микробиологической деструкции, безусловно, обогащает необходимые знания об их свойствах.
Применение метода предварительного селективного отбора на ряде твердых сред (песок, гелевые пластины), пропитанных гуматами натрия, позволило отобрать штаммы микроорганизмов, способных к использованию пирофосфатной и щелочной фракций гуминовых кислот. Среди них выделенные из торфа низшие грибы, актиномицеты, хромогенные формы бактерий, нокардии, артробактер. Методами электронной и молекулярной спектроскопии, учетом накопления микробной биомассы в процессе культивирования на жидких питательных средах без внесения дополнительных источников углерода и азота и в их присутствии установлена возможность использования микроорганизмами фракций гуминовых кислот торфа, преимущественно щелочной. Максимальная трансформирующая способность выявлена у естественной ассоциативной культуры при внесении ее в жидкие гуматные среды в виде суспензии окультуренной торфяной почвы. Достаточной активностью обладают также отдельные представители группы коринеподобных бактерий и видов, относящихся к роду Pseudomonas. При культивировании микроорганизмов в жидких гуматных средах с дополнительными источниками углерода значительно (в десятки раз) увеличиваются титр и биомасса микробов. В ряде случаев это приводит к трансформации не только алифатических, но и ароматических структур молекулы гуминовой кислоты, что сказывается на снижении оптической плотности растворов фракции гуминовых кислот и изменении ИК-спектров, снятых на спектрометре UR-20 в области 800—4000 см-1. Элементный состав фракций (при расчете на сухое вещество) под действием микроорганизмов видоизменяется. Наиболее ощутимое снижение количества углерода и азота при отсутствии дополнительных источников этих веществ наблюдается при культивировании микрофлоры почвенной суспензии. Присутствие дополнительных источников углерода и азота оказывает разнохарактерное действие на процесс преобразования молекулы гуминовой кислоты: у разных культур возможны как разложение алифатических и ароматических фрагментов, так и синтез алифатических цепей.
Целлюлозоразрушающие микроорганизмы в микробном ценозе торфяных почв занимают одно из важных мест. Их деятельность обеспечивает превращение углеродсодержащей части органических соединений торфа. Процесс разложения целлюлозы в торфяниках тесно связан с экологическими особенностями среды — ботаническим составом и химизмом торфа, интенсивностью мобилизации азота, изменениями ряда свойств торфяных почв вследствие их окультуренности. Между целлюлозоразрушающими микроорганизмами и микрофлорой других эколого-трофических групп существуют синтрофические взаимоотношения, в результате которых происходит относительно быстрый и полный распад целлюлозы торфа. При благоприятном азотном режиме в окультуренных торфяниках энергично развиваются миксобактерии, разлагающие до 90% превращаемой целлюлозы. По мере разложения ее происходит хорошо выраженная смена доминантных форм в составе микробных ассоциаций. Путем изменения режимов торфяных почв и проведения мероприятий по их оструктуриванию можно регулировать процесс разрушения целлюлозы и участие целлюлозоразрушающей микрофлоры в преобразовании биогенной органики в устойчивые формы гумусовых соединений.
При минерализации растительных остатков микроорганизмы продуцируют разнообразные низкомолекулярные и специфические кислоты, аминокислоты. В торфяных почвах обнаружены фумаровая, янтарная, молочная, гликолевая, яблочная, лимонная, щавелевая кислоты, большой набор аминокислот — аланин, пролин, тирозин, валин, фенилаланин, аспарагиновая кислота, лейцин, цистин, серии, гликолол, глютаминовая кислота. Накопление в торфяных почвах свободных аминокислот в значительной степени связано с условиями водно-воздушного режима, степенью окультуренности, сезонностью, видом сельскохозяйственной культуры, активностью многообразных микробиологических процессов.
Микробные ценозы торфяных почв играют основную роль в трансформации и детоксикации остатков вносимых в них гербицидов. Жизнедеятельностью микроорганизмов в значительной степени определяется скорость разложения гербицидов в торфе и, как следствие, самоочищение от них торфяной почвы и окружающей среды. Взаимодействие гербицидов и микроорганизмов включает и обратный процесс — влияние гербицидов на состав и жизнедеятельность микробоценозов. Отдельные группировки микрофлоры испытывают существенное негативное действие вносимых в торфяные почвы гербицидов, но, как правило, не стойкое. Через 10—12 дней происходит адаптация основного состава микробных ассоциаций к вносимым препаратам, степень воздействия снижается; через 1,5—2 мес, реже к концу вегетации, в торфяниках, обработанных гербицидами 2М-4Х, прометрином, симазином, атразином, ТХА (Na), состав и функции микробоценозов восстанавливаются. Продолжительность периода, в течение которого происходит возврат микробоценоза к исходному состоянию, характерному для данной почвы, обусловливается, с одной стороны, адаптационными возможностями микрофлоры, с другой — свойствами применяющихся гербицидов и в первую очередь их персистентностью. Микробиологическое разложение гербицидов зависит от влажности торфа, кислотности почвенного раствора, а также от структурной мелиорации торфяных почв, которая существенно изменяет гидротермический, воздушный режимы и биологическую активность пахотных горизонтов. Высокая активность микроорганизмов в использовании остатков гербицидов в качестве единственных источников энергии и питания выявлена у большинства штаммов, выделенных из торфяных почв.
Интенсивная эксплуатация мелиорированных торфяных почв в сельском хозяйстве предусматривает постоянный контроль за процессом минерализации органических форм азота, в частности их биологической минерализации, осуществляемой микроорганизмами. Этот вопрос не обойден вниманием ни одним из исследователей торфа. Для торфяных почв характерно активное развитие процессов аммонификации, резкое возрастание интенсивности нитрификации, азотфиксации при их окультуренности, широкое распространение анаэробных азотфиксирующих, олигонитрофильных микроорганизмов. Регулированием водно-воздушного режима можно разумно изменять направленность деятельности микроорганизмов, определяющих превращение биологического азота торфяных почв. Для этой цели могут также успешно использоваться отдельные химические соединения, выступающие в роли ингибиторов процесса нитрификации.