371-отчет-за

ОТЧЕТ
по теме Блока 3. «Региональная изменчивость микробиоты в
криогенных геосистемах» «Биокосные ресурсы криогенных систем суши
и шельфа северных морей» (ТюмНЦ, руководитель ак.В.П. Мельников)
Аннотация
Тровимова Ю.Б., Рузова О.В. . Отчет «Региональная изменчивость
микробиоты в криогенных геосистемах» - Тюмень: ТюмНЦ СО РАН. –
2014
Содержится на 11 страницах, 2 рисунках, 6 таблицах Приведены
основные результаты исследований микробиоты в, снежном покрове как в
целом по теме блока, так и по особо перспективным в практическом
отношении направлениям ее разработки. Представлены результаты по,
натурным экспериментам по изучению динамики «снежной плесени».
Основная цель (2013-2017): Выявление особенностей формирования
комплексов микробиоты в регионах криолитозоны с различной историей
развития и современной динамикой криосферы посредством изучения
численности
и
разнообразия
микроорганизмов,
выделенных
из
многолетнемерзлых толщ и снежного покрова для оценки их ресурсного
потенциала.
Основные задачи исследований по блоку в 2014 году:
Изучение разнообразия и механизмов миграции культивируемой
микробиоты в снежном покрове, рубежей распространения «снежной
плесени» и связь ее активизации с климатическими факторами и
тестированием на антагонизм с биологически активными штаммами
бактерий (районы опытных и полевых исследований в Западной Сибири:
агробиологических исследований – юг Тюменской области; районы полевых
работ и отбора проб снега – юг Тюменской области вдоль федеральной
трассы Тюмень-Новый Уренгой
Основные результаты 2014 г. Существенно пополнена коллекция
бактерий, выделенных из образцов криогенных геосистем (снежный покров),
в которой в настоящее время
биологические
свойства
поддерживается 274 штамма. Определены
культивируемой
микробиоты,
Определены
макрокомпонентный состав талой снеговой воды, учет численности
микробиоты снежного покрова, относительная токсичность снеговых проб
методом биотестирования. Выполнены сбор климатических характеристик
для районов изучения региональной специфики микробиоты, мониторинга
динамики снежного покрова и «снежной плесени», а также я серия
агробиологических экспериментов и натурных опытов, фиксирующих ее
активность в годовом цикле.
1. Изучение микробиоты снежного покрова и динамки «снежной
плесени» в Западной Сибири
1.1 Микробиота снежного покрова в Западной Сибири.
Снежный
покров,
представляет
сезонную
геосистему,
являясь
промежуточной экологической нишей для микроорганизмов. Снег, обладает
высокой сорбционной способностью и поглощающий из атмосферы газовые
и пылевые массы, представляет собой депонирующую природную среду.
В 2014 году были продолжены исследования по изучению влияния
нивальных факторов на формирования разнообразия микроорганизмов на
фоне эколого-геохимического состояния городской среды (г. Тюмень), также
определение токсичности талой воды методом биотестирования.
Объектом исследования являлись пробы снегового покрова на
территории г. Тюмени. Исследования проводились в конце зимы, перед
началом весеннего снеготаяния, когда влагозапас снега приближается к
максимальному.
нагрузкой
Были выбраны территории с разной антропогенной
(Тобольский
тракт,
аккумуляторный
завод,
ТЭЦ-2,
моторостроительный завод). В качестве фоновой территории выбрана
условно чистая зона «Гагаринский парк», находящийся в лесопарковой зоне.
Для микробиологического анализа пробы снега отбирали в стерильную
тару по ГОСТ 17.1.5.05-85 «Охрана природы. Гидросфера. Общие требования
к отбору проб поверхностных и морских вод, льда и атмосферных осадков».
Перед испытанием пробы снега переводили в талую воду при
комнатной температуре. Для выделения чистых культур микроорганизмов
использовали метод мембранно-вакуумной фильтрации. После чего фильтры
размещали на твердую питательную среду и инкубировали в термостатах
при температуре +5°, +20° и +36° С. Учет численности микроорганизмов
проводили
на 2-10-е сутки и выражали в колониеобразующих единицах
(КОЕ) в 1 мл талой воды. В образцах снеговой воды определяли pH и
макрокомпонентный
состав
в
соответствии
с
руководством
«Унифицированные методы анализ воды». Относительную токсичность
снеговых проб определяли методом биотестирования на проростках кресссалата Lepidium sativum.
Выявлен уровень содержания макроэлементов в снежном покрове г.
Тюмени (рис.1).
Рис.1. Содержание макроэлементов в снежном покрове г. Тюмени
Значения pH в снежного покрова в пробах колеблются в диапазоне
среднекислых и слабокислых значений, т.е. от 5,50 – 6,09. Значение pH
снежного покрова фоновой территории составило 6,04 единиц.
Содержание анионов в снежном покрове фоновой территории: Cl- –
3.20 мг/л, SO42- - 19,20 мг/л, HCO3-
- 48,81. Концентрация хлоридов в
исследуемых пробах снега изменялась в пределах от 3,20 – 53,25 мг/л.
Максимальное превышение контрольных значений составило 8,5 раз, и было
зафиксировано в пробах, отобранных вблизи «Аккумуляторного завода».
Концентрация сульфатов в исследуемых пробах составило 19,20-144,01 мг/л.
Максимальное значение зарегистрировано в пробах отобранных вблизи
«Моторостроительного завода».
содержание
гидрокарбонатов
Во всех пробах было превышенное
48,81
–
83,89
мг/л,
особенно
вблизи
Тобольского тракта. Максимальные значения катионов обнаружено в пробах
снега «Аккумуляторный завод» (Ca2+ - 24,05 мг/л), «Тобольский тракт» (Mg2+
- 16,01 мг/л), «Моторостроительный завод» (∑К+Na – 62,05 мг/л).
Существенный разброс значений концентраций веществ указывает на
пространственную и временную неоднородность химического состава
снежного покрова и многофакторность процесса его формирования.
Формирование ионного состава снежного покрова в исследуемом районе
происходит под влиянием естественных и антропогенных факторов, их
соотношение зависит от расстояния промышленных зон.
Известно, что потоки атмосферных масс рассматриваются как
биологически обогащенный компонент обратной геохимической связи,
идущей через атмосферу. Снежный покров содержит информацию не только
о химических веществах, но и о биотическом компоненте. Важно учесть, что
в снежном покрове могут концентрироваться не только представители
сапрофитной
почвенной
микрофлоры,
но
и
условно-патогенные
микроорганизмы, способные длительное время в нем сохраняться.
При
сравнительном
количественном
анализе
гетеротрофных
микроорганизмов (табл.1) наибольшее число КОЕ зафиксировано в пробах,
собранных
вблизи
промышленных
зон.
При
изучении
содержания
микроорганизмов в снежном покрове, установлено, что они значительно
варьируют, а их численность можно считать высокой.
Доминирующей
группой в испытуемых образцах снежного покрова на территории г. Тюмени
являются мезофильные и психротолерантные бактерии рода Bacillus,
Номер
Место отбора проб
образца
1
Гагаринский парк
2
Тобольский тракт
3
Аккумуляторный завод
4
ТЭЦ-2
5
Моторостроительный завод
Pseudomonas, Staphylococcus.
Численность КОЕ/мл
+5°
+20°
+36°
5
4
1,1×10
3,2×10
2,1×104
5,4×105
6,2×105
4,4×104
3,9×104
3,7×103
5,0×102
8,3×102
7,0×102
9,6×102
6,3×105
2,1×105
Таблица1 Микробиологические показатели снежного покрова Тюмени.
Следующим этапом работы стало проведение биотестирования с целью
определения
токсичности
Место отбора проб
снеговых
проб.
В
наших
исследованиях
Показатели
Корень, мм
Стебель, мм
Гагаринский парк
28
15
Тобольский тракт
22
13
Аккумуляторный завод
32
17
28
14
ТЭЦ-2
Моторостроительный
22
17
завод
биотестирование осуществляли на проростках кресс-салата. Полученные
результаты представлены в таблице 2.
Таблица 2 Средние показатели изменения длины корня и стебля проростков
кресс-салата зависимости от места отбора проб снега
Снеговая вода со всех рассматриваемых пробных площадей достоверно
не оказывала ингибирующего действия на рост корней и стеблей проростков
кресс-салата.
В
эксперименте
проявлялись
как
слабые
тенденции
ингибирования ростовых процессов, так и стимулирующий эффект, что
может быть объяснено особенностями химического состава снеговой воды.
1.2.
Экспериментальные
исследования
динамики
развития
«снежной плесени» озимых зерновых культур.
Продолжены полевые наблюдения за динамикой выпревания озимых
зерновых культур «снежная плесень». Развитие болезни связано с
температурным режимом и глубиной снежного покрова в ранневесенний
период, инфекция остается в почве с растительными остатками, а также
попадает в почву с семенным материалом. Зерно подвергается заражению в
период созревания и уборки, особенно когда условия в процессе уборки
оказываются
неблагоприятными
(зерно
в
фазе
восковой
спелости,
наблюдается осыпание или прорастание зерна в колосе повышенная
влажность и т.д.). Процесс определения качества зерна является важным для
последующего
его
использования,
хранения
и
рекомендации
агротехнических методик (препараты протравливания, сроки и глубина
посева и т.д.).
Одним из главных показателей качества зерна (спелость, крупность,
выполненность) является масса 1000 зерен. Мы учитывали этот показатель
для образцов зерна из разных точек (Табл.3). В 2014 г. получены более
крупные зерновки у всех опытных образцов. Показатель масса 1000 зерен
варьировал от 44,4г у сорта оз. пшеницы Новосибирская 80 до 56,9г у оз.
тритикале Тюменская 1.
Образец
2013г.
x±mx, г
38,7±0,52
33,87±0,49
2014г.
x±mx, г
51,12 ±0,56*
44,42±0,58*
Оз.пшеница Тюменская 1
Оз. пшеница
Новосибирская 80
Оз.рожь Тюменская 1
36,51±0,37
46,92±0,90*
Оз. рожь Чулпан
38,15±0,37
46,24±0,30*
Оз. тритикале Тюменская 1
45,48±0,24
56,87±0,93*
Оз. тритикале Цекад 90
46,37±0,29
55,90±1,00*
Примечание: * - различия со средней по образцам достоверны при Р<0,05
Таблица 3. Масса 1000 зерен образцов озимых зерновых культур
Фитопатологический
анализ
семян
озимой
ржи
на
наличие
возбудителей болезней сделан по методике основанной на способности
мицелия гриба, находящегося внутри зерновки, прорастать при повышенной
влажности и оптимальной температуре. В таких условиях происходит и
прорастание семян. Таким образом, сохраняются условия, в которых
проросток может быть поражен патогеном. В стерильные чашки Петри
помещали
двойной
слой
фильтровальной
бумаги,
смоченной
дистиллированной водой. Затем в них закладывали семена испытуемых
образцов (20 чашек Петри по 10 зерен в каждой). Семена предварительно не
протравливались. Чашки помещали в термостат при температуре 22-240С.
Оценку поражения проростков проводили на 7-е сутки по 4-х бальной
системе [Наумова, 1970, Михайлона, 1983]. В ходе исследования проводили
микроскопирование каждого зерна и определяли его микрофлору, кроме
того, учтены такие морфологические параметры как длина и количество
корней, длина колеоптиля и побега, масса корней и побегов.
Фитоанализ семян озимой пшеницы (сорт Тюменская 1, Тюмень, 2013г.)
Лабораторная всхожесть в обоих вариантах составила 98%, что
позволяет считать зерно кондиционным.
Состав грибных фитопатогенов
представлен в основном сапрофитами рода Alternaria spp., который является
представителем нормальной микрофлоры, но способен вызывать гнили
корней и «черный зародыш» при неблагоприятных условиях уборки и
хранения зерна. Полностью отсутствует плесневая микрофлора, что
характерно для свежих семян. Наиболее патогенным из выявленных
возбудителей является род Fusarium spp., поражение которым приводит к
корневым гнилям, фузариозному увяданию и выпреванию озимых. Процент
пораженных зерновок (6%) является критическим для данного патогена, что
при неблагоприятных условиях среды может привести к корневой гнили
зерновых. Видовой состав фитопатогенных грибов на зерновках полученных
в Свердловской области в основном представлен спорами из рода Alternaria
spp. (табл.4).
У большинства зерновок отсутствовали видимые признаки поражения
либо поражение было менее 10%. Однако, присутствие спор грибной
патогенной микрофлоры на поверхности зерновок требует внимания к
условиям хранения и агротехники (рис.2).
г. Т ю мень
6%
7%
38%
Нет видимых
признаков
С лабая степень
С редняя степень
С ильная степень
49%
п. З ав одоус пенс кое
4%
6%
29%
Нет видимых
признаков
С лабая степень
С редняя степень
С ильная степень
61%
Рис. 2. Степень поражения зерна грибными патогенами.
Образец
Alternaria Fusarium Helminthosporium Trichotecium
spp.
spp.
spp.
spp.
г. Тюмень
98
6
2
2
п. Заводоуспенское
100
1
0
0
Таблица 4. Процент пораженных зерновок (озимая пшеница Тюменская 1)
Признаки
г.Тюмень
п. Заводоуспенское
Длина корней, мм
150,1±3,02*
134,4±2,53
Количество корней, шт.
4,4±0,09
4,8±0,08
Масса корней г.
0,1±0,01
0,1±0,002
Длина колеоптиля, мм
69,7±1,03
69,9±0,86
Длина побега, мм
120,9±2,59*
105,3±2,55
Масса побега, г
0,1±0,01
0,1±0,002
Таблица 5. Морфометрические показатели проростков озимой пшеницы
сорта Тюменская 1
Анализ морфологических показателей проростков озимой пшеницы
показал достоверное превышение значений длины корней и побега в
варианте с зерновками полученными в г.Тюмени. Однако, масса корней и
побегов одинакова в обоих вариантах (табл. 5).
1.3 Наблюдение за динамикой развития «снежной плесени» на посевах
озимых зерновых в 2014г.
Методика натурного эксперимента. Закладка делянок осуществлялась
по методике, описанной Б.А. Доспеховым (1979) на делянках учетной
площадью 1 м2, расстояние между рядками 20 см. Норма высева 750 семян
для семян ржи и тритикале и 850 семян для пшеницы на 1 м 2. Посев
произведен в оптимальные сроки. Глубина заделки семян 4-5 см.
В качестве объекта исследования взяли два набора стандартов,
включенных в государственный реестр для Тюменской области (оз. пшеница
Новосибирская 32, оз.рожь Чулпан, оз. тритикале Цекад 90; оз. пшеница
Тюменская 1, оз. рожь Тюменская 1, оз. тритикале Тюменская 1. Семенной
материал предоставлен НИИ Северного Зауралья.
Оценку поражения растений снежной плесенью проводили через 10
дней после схода снега в начале вегетации растений в соответствии с
методическими указаниями по шкале предложенной Е.И. Андреевой и О.Ю.
Молчановым (1977).
0 баллов – на растениях отсутствуют признаки поражения;
1 балл – поражено до 10% площади листьев;
2 балла – поражено от 10 до 25% площади листьев;
3 балла – поражено до 50% площади листьев;
4 балла – поражено свыше 50% площади листьев, но 1-2 центральных листа
живы, узел кущения не затронут болезнью;
5 баллов – растение погибло.
Индекс развития болезни патогеном рассчитывали по формуле
R
 (a  b)  100%
A k
где а – число растений с определенным баллом поражения;
b – балл поражения по каждой группе растений;
А – количество учтенных растений;
k – высший балл шкалы учета;
(a x b) – сумма произведений числа растений с определенным баллом
поражения (а) на соответствующий балл (b).
В 2014г. индекс развития болезни варьировал от 54,3 (оз.пшеница
Тюменская 1) до 85 у образца оз. тритикале Тюменская 1. Проявление
выпревания более ярко выражено в оба года наблюдений у сортов
оз.пшеница Новосибирская 1 (73 и 77,5) и оз. тритикале Тюменская 1 (85). У
сортов оз. пшеница Тюменская 1 и оз. рожь Чулпан восприимчивость по
годам к болезни менялась (табл.6)
На зерне полученном в г.Тюмени обнаружены споры 4 родов
патогенных грибов (Alternaria spp., Fusarium spp., Helminthosporium spp.,
Trichotecium spp.), на семенном материале из п. Заводоуспенское - Alternaria
spp., Fusarium spp. Степень поражения зерновок грибами – слабая или без
видимых признаков развития болезни. Высокая всхожесть и нормальное
развитие проростков характерно для обоих вариантов. Масса 1000 зерен
урожая 2014г. значительно превышает данные показатели 2013г.
Образец
2013г. (%)
2014г.(%)
Оз.пшеница Тюменская 1
85,0
54,3
Оз. пшеница
73
77,5
Новосибирская 80
Оз.рожь Тюменская 1
57
58,8
Оз. рожь Чулпан
28
61,3
Оз. тритикале Тюменская 1
85
85
Оз. тритикале Цекад 90
35
47,3
Среднее значение по
60,5
64,0
образцам
Таблица 6. Индекс развития болезни озимых культур (2013-2014гг.)
Наблюдения за динамикой развития «снежной плесени» в 2013 и 2014
гг. показали в среднем по образцам близкие значения (60,5 и 64%
соответственно). Однако, некоторые сорта оказались в разной степени
восприимчивыми к болезни. по годам (оз.пшеница Тюменская 1 в 2013г
85,0% и в 2014г – 54,3%, Оз. рожь Чулпан в 2013г. -28,0% и в 2014г. –
61.3%). Это может быть связано с различной устойчивостью сортов зерновых
культур к погодным условиям складывающимся в вегетационный период.