ВЛИЯНИЕ РАСТИТЕЛЬНЫХ ОТХОДОВ НА МИКРОФЛОРУ

Вестник КрасГАУ. 200 9. №10
УДК 574.34: 579.64
Л.С. Тирранен, О.В. Сысоева, В.В. Величко
ВЛИЯНИЕ РАСТИТЕЛЬНЫХ ОТХОДОВ НА МИКРОФЛОРУ РАСТВОРА, ИСПОЛЬЗОВАННОГО
ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ РАСТЕНИЙ
Выявлено достоверное влияние несъедобных растительных отходов чуфы на микрофлору исследуемого раствора, особенно на численность санитарно-показательных микроорганизмов (бактерий
группы кишечной палочки, микроскопических грибов и др.).
Ключевые слова: экосистема, группы микроорганизмов, растительные отходы, почвоподобный
субстрат, коэффициент корреляции.
L.S. Tirranen, O.V. Sysoyeva, V.V. Velichko
PLANT RESIDUES NFLUENCE ON MICROFLORA OF THE SOLUTION USED
FOR PLANTS CULTIVATION
It is found that inedible plant residues of chufa significantly affect microflora of the researched solution, particularly the number of sanitary significant microorganisms (bacteria of the coli group, microscopic fungi, etc.).
Key words: ecosystem, groups of microorganisms, plant residues, soil-like substrate, correlation coefficient.
В ранее проведенных экспериментах в замкнутой экологической системе «БИОС-3» растительные отходы и экзометаболиты человека выносились из биологической системы жизнеобеспечения [11].
Возможность переработки растительных отходов в почвоподобный субстрат (ППС) с достаточно высоким плодородием, позволяющим культивировать на нем растения в искусственных условиях, показана
многими авторами [12–13].
Неотъемлемой частью высших растений являются микроорганизмы. Известно [2; 15], что на все изменения окружающей среды микроорганизмы реагируют быстрее, чем большинство других представителей
живого мира.
Целью работы явилось изучение, анализ и оценка влияния несъедобных растительных отходов на
численность индикаторных групп микроорганизмов в растворе, использованном для выращивания высших
растений на почвоподобном субстрате (ППС).
Предполагалось, что учет исследуемых групп микроорганизмов в растворе позволит судить о микробиологических изменениях в нем в зависимости от условий культивирования растений: поступлений несъедобных отходов растений чуфы, редиса и салата.
Методика исследований. Объектом микробиологических исследований являлся раствор, использованный в течение 306 дней для выращивания разновозрастной поликультуры высших растений (чуфы, редиса и салата) на ППС.
В эксперименте проведено 9 циклов выращивания растений чуфы (Cyperus esculenthus) с вегетационным периодом 112 суток и 19 циклов выращивания растений редиса (Raphanus sativus L., сорт Вировский
белый) и салата (Lactuca sativa, сорт Московский парниковый) с вегетационным периодом 28 суток каждый.
Растения культивировали ирригационным методом на ППС в условиях светокультуры в вегетационной камере при температуре 25 ±1 С и относительной влажности воздуха 70 % в вегетационных сосудах площадью 0,033 м2 при уровне освещенности 220–250 Вт/м2 ФАР верхних листьев чуфы, 200 Вт/м2 ФАР верхних
листьев редиса и 160 Вт/м2 ФАР верхних листьев салата.
Контролем (фоном) служила микрофлора раствора на 66-й день эксперимента, когда в вегетационной
камере присутствовали все 3 возраста растений чуфы, 2 возраста растений редиса и 2 возраста растений
салата, росшие на ППС без растительных отходов. Последующие микробиологические пробы проведены на
96-, 165-, 193- и 306-й день опыта. При уборке урожая вместо съедобной биомассы выращиваемых растений
в ППС добавлялась пшеничная солома. Кроме того, при уборке урожая редиса, салата и чуфы в ППС добавлялись несъедобные части растений: листья редиса, корни салата, стебли чуфы [14].
81
Экология
Методы исследований. Исследованы 12 индикаторных групп микроорганизмов [9]: общее количество аэробных бактерий, усваивающих минеральный и органический азот, в том числе бактерий группы кишечной палочки, фитопатогенные бактерии, споровые бактерии в стадии спор, микроскопические грибы,
дрожжи, актиномицеты, клетчаткоразрушающие микроорганизмы, аммонификаторы, денитрификаторы (косвенные и истинные).
В работе использованы общепринятые методы по выделению и идентификации микроорганизмов [1; 5–8; 10].
Численность микроорганизмов на твердых элективных средах определена методом разливок, на жидких элективных средах – методом предельных разведений. Статистическая обработка данных проведена по Г.Ф. Лакину [4].
Количество микроорганизмов на жидких элективных средах учитывали по таблице Мак-Креди [8], разработанной
на основе методов вариационной статистики.
Влияние несъедобных отходов на микрофлору раствора оценивали по критерию разности между
численностью микроорганизмов в исследуемых пробах. Критерием оценки служила стандартная величина
нормированного отклонения (критерий Стьюдента), с которой сравнивалось фактическое значение этого
критерия (t разности) для р<0,05; p<0,01; p< 0,001.
Результаты исследований и их обсуждение. Результаты исследований численности индикаторных
микроорганизмов в течение эксперимента представлены в табл. 1–2 и на рис. 1–2.
Таблица 1
Численность микроорганизмов на плотных питательных средах в течение эксперимента
(КОЕ/ 1 мл раствора)
Группа микроорганизмов
на плотных питательных средах
Длительность использования раствора, сут.
Фон (66)
96*
165* (ч)
193* (ч)
306* (ч)
Х±m
Х±m
Х±m
Х±m
Х±m
Бактерии, усваивающие органический
12,8 ± 1,4
15,6 ±1,33 25,2 ± 1,6 37,3 ±4,03 11,7±0,95
азот, 1.105
Бактерии группы кишечной палочки, 1.102 7,45 ± 0,83 14,67± 2,4 1450±45,1 430±83,47 4,4±0,18
Микроскопические грибы,1.103
2,5 ± 0,5
2,45 ±0,35 0,75± 0,05 0,9 ± 0,1 0,51±0,08
Бактерии, усваивающие органический
12,8 ± 1,4
15,6 ±1,33 25,2 ± 1,6 37,3 ±4,03 11,7±0,95
азот, 1.105
Примечание: фон – присутствуют все три возраста чуфы, по два возраста редиса и салата; *– внесение
в почвоподобный субстрат несъедобных отходов редиса и салата; (ч) – добавка несъедобных частей
чуфы; КОЕ – колониеобразующие единицы в 1 мл раствора.
Таблица 2
Численность микроорганизмов на жидких питательных средах в течение эксперимента (в 1 мл раствора)
Группа микроорганизмов
Длительность использования раствора, сут.
на жидких питательных средах
Фон
96*
165* (ч) 193* (ч) 306* (ч)
Денитрификаторы косвенные, 1.103
25
95
140
250
9,5
Денитрификаторы истинные, 1.103
0,095
0,45
110
1,5
0,12
Аммонификаторы, 1.105
15
25
45
25
45
.
2
Клетчаткоразрущающие, 1 10
4,5
200
200
300
45
Примечание: см. табл. 1; статистическая обработка проведена при расчете количества микроорганизмов по таблице Мак-Креди.
82
мл
Вестник КрасГАУ. 200 9. №10
82,5
КОЕ
60
41
Количество, N
.
.
10
75
5
.
90
45
33
30
15
12,8
15,6
4,4
5,7
37,3
25,2
11,7
0
55
80
105
130
155
180
205
230
255
280
305
время, (сутки)
бактерии, усваивающие минеральный азот
гетеротрофные бактерии
5
4
3,4
3,25
3
2,2
Количество, N
.
10
5
КОЕ
.
мл
Рис. 1. Динамика численности гетеротрофных бактерий и бактерий, усваивающих минеральный азот,
1.105 КОЕ в 1 мл исследуемого раствора (КОЕ – колониеобразующие единицы)
2
2,2
1,65
1
0,52
0,42
1,4
0,43
0,35
0
55
80
105
130
155
180
205
230
255
280
305
время, (сутки)
общее количество споровых бактерий
в том числе в стадии спор
Рис. 2. Динамика численности спорообразующих бактерий 1.105 КОЕ в 1 мл исследуемого раствора
(КОЕ – колониеобразующие единицы)
В фоне (66-е сутки опыта) до внесения растительных отходов в ППС (рис. 3) в питательном растворе обнаружены представители всех исследованных групп микроорганизмов. Однако численность большинства групп
микроорганизмов была ниже, чем в последующие сутки эксперимента. Только количество споровых бактерий, в
том числе в стадии спор, и микроскопических грибов было выше, чем при дальнейшем использовании раствора.
180
Сухая биомасса, г .
150
120
90
60
30
0
55
80
105
130
155
180
205
230
255
280
305
Время, сутки
Рис. 3. Динамика внесения несъедобных отходов растений:
□▬▬ общее количество несъедобных отходов, в том числе: ▲▬ ▬ листья чуфы; о- ▬ - листья редиса
83
Экология
Влияние утилизируемых в ППС несъедобных отходов на микрофлору раствора оценивали по критерию разности между численностью исследуемых групп микроорганизмов в анализируемых пробах в течение
306 суток эксперимента (табл. 3).
Таблица 3
Критерий разности (tразности) между численностью микроорганизмов в исследуемых пробах
А
Сутки опыта
96*
Фон (66)
96*
165* (ч)
193* (ч)
1,45
B
165* (ч) 193* (ч) 306* (ч)
5,83
4,61
5,74
5,11
2,79
0,65
2,39
7,26
6,18
Сутки опыта
96*
Фон (66)
96*
165* (ч)
193* (ч)
0,72
С
96*
165*(ч)
193*ч)
306*(ч)
Фон(66)
96*
165*(ч)
193*(ч)
1,41
2,94
0,83
7,11
4,48
12,96
6,77
4,34
11,27
2,11
E
96*
165*(ч)
9,38
7,89
8,86
8,57
5,32
5,94
5,54
1,17
3,87
D
Сутки опыта
Сутки опыта
165*(ч) 193*(ч) 306*(ч)
Сутки опыта
96*
Фон(66)
96*
165*(ч)
193*(ч)
2,84
165*(ч) 193*(ч) 306*(ч)
31,98
31,78
5,06
4,97
10,75
18,61
9,82
31,15
4,62
F
193*(ч)
306*(ч)
Сутки опыта
96* 165*(ч) 193*(ч) 306*(ч)
Фон(66)
0,08
3,48
3,14
3,95
Фон(66)
1,41
1,19
0,58
0,40
96*
4,81
4,26
5,43
96*
3,64
0,20
2,60
165*(ч)
1,34
2,72
165*(ч)
0,9
1,41
193*(ч)
3,16
193*(ч)
0,7
Примечание: А – бактерии, усваивающие органический азот; В – бактерии, усваивающие минеральный
азот; С – бактерии в стадии спор; D – бактерии группы кишечной палочки; Е – фитопатогенные бактерии; F – микроскопические грибы. * и (ч) – см. табл. 1. Критерий разности достоверен при tразности ≥ tSt
(t Стьюдента = 2,78 для р = 0,05; при tSt = 4,60 для р = 0,01; при tSt = 8,61 для р = 0,001).
Установлено, что при подаче в ППС несъедобных частей растений редиса и салата (96-е сутки опыта)
достоверно увеличилась численность только бактерий группы кишечной палочки (табл. 3, D). Количество
других групп микроорганизмов в табл. 3 на 96-е сутки опыта достоверно не изменилось.
Из табл. 3 следует, что при добавлении в ППС несъедобных отходов чуфы (165–306-е сутки опыта) в
большинстве случаев наблюдались достоверные численные изменения исследуемых групп микроорганизмов.
Кроме того, к концу эксперимента (306-м суткам) зафиксировано достоверное влияние утилизируемых
в ППС несъедобных растительных частей чуфы на численность санитарно-показательных микроорганизмов
(бактерий группы кишечной палочки, микроскопических грибов и др.), количество которых в растворе достоверно снизилось до фоновых значений. Известно, что в микрофлоре растений чуфы присутствуют актиномицеты, обладающие антибиотическими свойствами [3].
В табл. 4 представлены коэффициенты корреляции (r) между численностью отдельных групп микроорганизмов в растворе и биомассой утилизируемых в ППС несъедобных растительных отходов.
84
Вестник КрасГАУ. 200 9. №10
Таблица 4
Коэффициент корреляции (r) между численностью отдельных групп микроорганизмов
и биомассой несъедобных растительных отходов
Группа микроорганизмов
Бактерии, усваивающие органический азот
Спорообразующие бактерии
Бактерии группы кишечной палочки
Бактерии, усваивающие минеральный азот
Микроскопические грибы
Аммонификаторы
Целлюлозоразрушающие
Истинные денитрификаторы
Косвенные денитрификаторы
Листья редиса
- 0,11
- 0,10
- 0,09
- 0,03
- 0,18
0,44
0,28
– 0,04
– 0,05
Листья чуфы
0,72
- 0,79
0,69
0,83
- 0,93
0,73
0,50
0,53
0,57
Полученные величины (0,5 < r < 0,7) и (r > 0,7) указывают на наличие средних и сильных положительных связей между биомассой несъедобных частей растений чуфы и численностью исследованных групп
микроорганизмов, кроме спорообразующих бактерий и микроскопических грибов. У двух последних перечисленных групп микроорганизмов обнаружена сильная отрицательная связь (r > - 0,79 для споровых и r > - 0,93
для грибов) с несъедобными частями растений чуфы.
Таким образом, на основе анализа и оценки полученных в эксперименте результатов установлено,
что на микрофлору раствора влияли в основном внесенные в почвоподобный субстрат несъедобные части
растений чуфы.
Выводы
1. Выявлено достоверное влияние при добавлении в почвоподобный субстрат несъедобных растительных отходов редиса и салата (96-е сутки эксперимента), главным образом, на бактерии группы кишечной палочки.
2. Обнаружена зависимость численности бактерий, усваивающих органический и минеральный азот,
и бактерий группы кишечной палочки в растворе от количества внесенных в почвоподобный субстрат растительных отходов, в основном растений чуфы.
3. Показано достоверное снижение количества спорообразующих бактерий, бактерий группы кишечной палочки и микроскопических грибов при добавлении в почвоподобный субстрат несъедобных частей
растений чуфы.
Литература
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Борисов, Л.Б. Медицинская микробиология, вирусология, иммунология / Л.Б. Борисов. – М.: Мед. информ. агентство, 2002. – 734 с.
Заварзин, Г.А. Лекции по природоведческой микробиологии / Г.А. Заварзин. – М.: Наука, 2003. – 348 с.
Streptomyces cyperinus sp. nov. – новый вид актиномицета / В.Д. Кузнецов, С.Н. Филиппова, И.В. Янгулова [и др.] // Микробиология. – 1986. – Т. 55. – С. 316–323.
Лакин, Г.Ф. Биометрия: учеб. пособие. – 3-е изд., перераб. и доп. / Г.Ф. Лакин. – М.: Высш. шк., 1990. –
352 с.
Микроорганизмы – возбудители болезней растений: справ. / В.И. Билай, Р.И. Гвоздяк, И.Г. Скрипаль
[и др.]; под ред. В.И. Билай. – Киев, 1988. – 552 с.
Практикум по микробиологии: учеб. пособие / А.И. Нетрусов, М.А. Егорова, Л.М. Захарчук [и др.]; под
ред. А.И. Нетрусова. – М.: Академия, 2005. – 608 с.
Поздеев, О.К. Медицинская микробиология: учеб. пособие / О.К. Поздеев; под ред. В.М. Покровского.
– М.: ГЭОТАР - Медиа, 2005. – 768 с.
Теппер, Е.З. Практикум по микробиологии: учеб. пособие для вузов / Е.З. Теппер, В.К. Шильникова,
Г.И. Переверзева; под ред. В.К. Шильниковой. – 5-е изд., перераб. и доп. – М.: Дрофа, 2004. – 256 с.
85
Экология
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
Тирранен, Л.С. Микроорганизмы – индикаторы состояния высших растений / Л.С. Тирранен, М.П. Шиленко // Авиакосмическая и экологическая медицина. – 2008. – Т. 42. – №6/1. – С. 36–39.
Частная медицинская микробиология с техникой микробиологических исследований: учеб. пособие /
под ред. А.С. Лабинской, Л.П. Блинковой, А.С. Ещиной. – М.: Медицина, 2005. – 600 с.
Gitelson, J.I. Manmade Closed Ecological Systems / J.I. Gitelson, G.М. Lisovsky, MacElroy. –Taylor & Francis. London and New York, 2003. – 402 p.
Manukovsky, N.S. Waste Bioregentration in Life Support CES: Development of Soil Organic Substrate /
N.S. Manukovsky, V.S Kovalev, V.Ye. Rygalov [at ell] // Adv. Space Res. – Vol.20. – N.10. – Р. 1827–1832.
Min, Yan. Effects of rise straw soil-like substrate on rice growth in bioregenerative life support system /
Yan Min, Fu Wenting, Liu Hong // Book of abstracts 17th IAA Humans in Space Symposium (M., June 7–11,
2009). – M., 2009. – Р. 146.
Tikhomirov, A.A. Operation characteristics of the “SLS-Higher Plants” complex in the bioregenerative life
support systems’ structure / A.A. Tikhomirov, S.A. Ushakova, V.V. Velichko // Book of abstracts 17th IAA Humans in Space Symposium (M., June 7–11, 2009). – M., 2009. – Р. 140.
Tirranen, L.S. Microbiota of radish plants, cultivated in closed and open ecological systems / L.S. Tirranen
//Aсta Astronaut. – 2008. – Vol. 63. – Р. 1055–1060.
86