Агрохимия, 2021, № 2, стр. 86-93

ВВЕДЕНИЕ

Россия является одной из ведущих стран мира по объему заготавливаемой древесины. При существующих способах переработки древесного сырья до 60% биомассы составляют отходы, 20% из которых приходится на опилки [1]. В данный момент основная масса опилок складируется и превращается в не утилизируемый отход производства, который, помимо экологической, представляет еще и пожарную опасность. Для снижения техногенной нагрузки на окружающую среду необходимо сокращать долю не утилизированных отходов, широко вовлекая их в глубокую переработку. Одним из многообещающих способов утилизации опилок, позволяющих решить несколько важных задач, следует считать их прямую биоконверсию базидиальными грибами-ксилотрофами с получением органических и органо-минеральных удобрений для сельского и лесного хозяйств.

Развитие идей микробиологической биотрансформации древесных отходов с последующим использованием их в качестве биоудобрений прослежена в работах отечественных ученых [2–7]. Предлагаемые методы основаны на биодеградации древесных отходов как аборигенными культурами почвенных микроорганизмов, так и выделенными из естественных мест обитания штаммами грибов с высокой дереворазрушающей активностью [6, 8, 9]. Также перспективным видится направление биоконверсии лигноцеллюлозных субстратов с использованием съедобных базидиомицетов, которое позволяет эффективно совмещать технологии утилизации растительных отходов лесопереработки и получения кормовых и высококачественных пищевых продуктов [10–12], при этом отработанные ферментированные субстраты, обогащенные мицелиальной биомассой, могут быть использованы в качестве биоудобрений.

При твердофазном культивировании ксилотрофных грибов на опилках и растительных субстратах возможно получить микопродукт (МП), который самостоятельно или в качестве добавки к другим субстратам можно использовать как биоудобрение при лесовыращивании и в сельском хозяйстве [13]. Биоудобрение способствует обогащению почвы не только элементами питания, но и микрофлорой, является стабилизатором биологической активности почвы, улучшает ее агрофизические и агрохимические свойства [5]. В МП происходит частичная деградация лигноцеллюлозного комплекса, снижается содержание и легко- и трудногидролизуемых полисахаридов, увеличивается количество экстрактивных веществ, снижается содержание лигнина [4, 8, 14, 15], разрушаемая древесина обогащается грибным мицелием, иммобилизованным естественным образом на субстрате [11, 12, 16]. Оба компонента системы по отдельности рассматриваются как перспективные сорбенты тяжелых металлов, нефти, органических загрязнителей-ксенобиотиков [4]. Сочетание биологической деструкции и обогащения грибной биомассой позволяет ожидать увеличения сорбирующей активности продуктов биоконверсии и (или) проявления у них качественно новых свойств.

Цель работы – оценка возможности применения биоудобрений, полученных в результате твердофазного культивирования некоторых штаммов ксилотрофных базидиомицетов, для повышения продуктивности и биологической активности деградированных почв на примере вскрышных пород Бородинского буроугольного разреза (БУР).

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Биоудобрения на основе МП получали путем твердофазного культивирования мицелия ксилотрофных базидиальных грибов Trametes versicolor и PO-4.1 Pleurotus ostreatus на свежих увлажненных сосновых и березовых опилках соответственно для разных грибов в течение 2.5 мес. при 25°С. Для приготовления субстрата для культивирования T. versicolor измельченные сосновые опилки на 12 ч замачивали в разбавленном в 10 раз сусле, прогревали, отжимали, вносили измельченный чистотел (5% по объему) для усиления лигнолитической активности [14], раскладывали в 3-литровые банки и стерилизовали дробно дважды с интервалом в 1 сут в течение 40 мин каждый раз при температуре 120°С и давлении 1 атм. Для культивирования P. ostreatus измельченные березовые опилки на 1 сут замачивали в водопроводной воде, отжимали, раскладывали в 3-литровые банки и стерилизовали как описано выше. Перед засевом гриба вносили 5%-ный раствор NH₄NO₃. Засев проводили предварительно выращенными 10-суточными культурами грибов на сусло-агаре в соотношении 2% от объема. Культивировали в течение 2.5 мес. при 25°С [17]. Затем мицелиально-опилочную массу (микопродукт) измельчали и высушивали до воздушно-сухого состояния.

В эксперименте также использовали отработанные субстратные блоки (СБ) после культивирования PO-22 Pleurotus eryngii (DC.) Quél. Субстратные блоки состояли из отходов лесопереработки без тщательного разделения по породам с добавлением некондиционного зерна (пшеницы, овса) и хвои после извлечения масел [12].

В пластиковые контейнеры помещали измельченный и просеянный через 3 мм сито грунт (вскрышные породы БУР, расположенного в пределах Канско-Рыбинской котловины, на восточной окраине лесостепной зоны Средней Сибири [18]) (вариант “контроль”), смешанный с 5% по весу с сосновыми и березовыми опилками (варианты “ОП сосна” и “ОП береза”), а также с внесением 5% по весу МП грибов T. versicolor (вариант “МП T. versicolor”), P. ostreatus (вариант “МП P. оstreatus”) и СБ P. еryngii (вариант “СБ P. еryngii”).

Семена сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), предварительно обработанные фунгицидом (флудиоксонил), высевали в разные варианты грунта с добавками по 20 семян в 6-ти повторностях, субстрат увлажняли до 60% и оставляли для прорастания при комнатной температуре 25°С. Учет грунтовой всхожести проводили на 26-е сут. Повторный учет для определения сохранности сеянцев проводили на 52-е сут от начала эксперимента. У оставшихся сеянцев сосны проводили морфометрические измерения по следующим параметрам: длина корневой системы, стволика и мутовки. Также определяли биомассу сеянцев, которую учитывали стандартными методами [19].

Во всех вариантах грунта с добавками биоудобрений после снятия эксперимента определяли содержание микробной биомассы (С_микр), интенсивность базального дыхания (БД), подробная методика которых описана ранее [20, 21]. Также изучали общую численность и структуру эколого-трофических групп микроорганизмов (ЭКТГМ) на диагностических средах [22], определяли влажность субстрата (105°С, 8 ч) и рН потенциометрическим методом.

Статистическую обработку данных проводили с использованием программы Microsoft Excel 10. Достоверность полученных результатов оценивали с помощью t-критерия Стьюдента при уровне значимости Р = 0.05.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Полное уничтожение почвенного покрова и техногенное формирование ландшафта, начатое с “ноль-момента” наблюдается при открытой разработке каменноугольных месторождений [23]. Рекультивационные работы начинаются с отсыпки отвалов вскрышными породами (горнотехнический этап), которые весьма неоднородны по гранулометрическому составу и химическим свойствам [24]. Формирующиеся при разработке каменного угля отвалы представляют собой хаотичную смесь вскрышных пород антропогена, неогена, палеогена и др. [25]. Отвалы БУР сложены широким спектром горных пород: алевролитами серого цвета, техногенной смесью горных пород четвертичного возраста – суглинков, глин, супесей, песков, остатков угля и угольной пыли [24]. Установлено, что отвалы вскрышных пород БУР обладают исходным плодородием (по содержанию гумусовых веществ, азота, калия и фосфора, гранулометрическому составу) и не токсичны для высших растений [26]. Для лесного направления рекультивации отвалы оставляют без нанесения плодородного слоя почвы (литостраты) под самозарастание либо высаживают лесные культуры. Бедность породы в первую очередь доступными формами азота, а также минерализованность поверхности отвалов предопределяют естественное развитие березы, сосны и облепихи [27].

Для повышения почвенного плодородия и производительного потенциала грунтов отвалов, а также увеличения грунтовой всхожести семян и сохранности сеянцев целесообразно использование биоудобрений как агентов, стимулирующих биогенность почвы.

Полученные МП на основе ксилотрофных базидиомицетов отличались от исходного материала (опилок): количество экстрактивных веществ в МП T. versicolor превышало таковое в опилках в 2 раза, в то время как содержание трудноразлагаемых веществ (лигнина и целлюлозы) было снижено на 12–13% [14], в МП P. ostreatus снизилось содержание и легко- и трудногидролизуемых полисахаридов на 4–15%, количество лигнина уменьшилось почти на 10%, и МП обогатился доступными формами азота [28].

Добавление в грунт вскрышных пород БУР МП и отработанных СБ увеличивало всхожесть семян сосны обыкновенной (рис. 1). Максимальное (на 47% от контроля) и статистически достоверное увеличение всхожести наблюдали в варианте “МП T. versicolor”. В варианте “ОП сосна” всхожесть снижалась на 28%, что, вероятно, было вызвано угнетающим влиянием экстрактивных веществ древесины сосны, которые задерживают прорастание. Всхожесть в варианте “ОП береза” была также несколько меньше контроля.

Рис. 1.

Грунтовая всхожесть семян сосны обыкновенной (диаграмма) и сохранность сеянцев (график) в разных вариантах грунта с добавками биоудобрений.

Ситуация менялась к концу эксперимента: максимальная сохранность сеянцев сосны (72–74%) отмечена в вариантах “ОП сосна” и “СБ P. еryngii”. Вероятно, экстрактивные вещества из древесины сосны и остатки грибного мицелия P. еryngii обладали ингибирующим влиянием на условно-патогенную микрофлору, повышая устойчивость сеянцев сосны к патогенам. В варианте “МП T. versicolor” сохранность сеянцев достигала 62%, что было в 2.5 раза больше, чем в контроле. В вариантах “ОП береза” и “МП P. оstreatus” сохранность сеянцев была больше контроля в 1.8–2.0 раза. В целом внесение разных вариантов органических биоудобрений достоверно (Р = 0.05) повышало сохранность сеянцев сосны.

Анализ морфометрических параметров оставшихся проростков показал, что во всех вариантах добавления биоудобрений длина корневой системы достоверно (Р = 0.05) была больше контроля (рис. 2). Достоверное удлинение стволиков наблюдали только в вариантах с добавлением опилок, мутовок – во всех вариантах, кроме “МП P. оstreatus”.

Рис. 2.

Морфометрические параметры сеянцев в разных вариантах грунта с добавками биоудобрений.

Общая биомасса всех сеянцев сосны обыкновенной была достоверно больше контроля во всех вариантах добавок (рис. 3). Наиболее высокая общая биомасса сеянцев, в 3.5–4.4 раза превышающая контроль, отмечена в вариантах “МП T. versicolor” и “СБ P. еryngii”. Похожая тенденция сохраняется и для биомассы одного проростка.

Рис. 3.

Общая биомасса сеянцев сосны обыкновенной (диаграмма) и одного проростка (график) в разных вариантах грунта с добавками биоудобрений.

Исследование параметров биологической активности грунта после внесения биоудобрений позволило как дать оценку функциональных изменений на различные воздействия, так и определить стратегию их восстановления [27, 28]. Для ранней диагностики состояния и определения критических пределов сбалансированного функционирования почв рекомендуется использование содержания микробной биомассы и ее активности [20, 29], параметров, которые в ряде зарубежных стран имеют статус стандарта для определения качества почвы [30].

Исследование функциональных характеристик микробоценоза вскрышных пород БУР после снятия эксперимента по внесению биоудобрений демонстрировало достоверное увеличение содержания С_микр (исключая вариант “ОП сосна”) и интенсивности БД во всех исследованных вариантах (рис. 4). Наибольшее увеличение рассматриваемых параметров почвенного микробоценоза отмечено в вариантах “МП P. оstreatus” и “СБ P. еryngii”: в 2–3.3 раза для С_микр и в 4.0–8.5 раза – для БД, что, вероятно, было связано как с активизацией аборигенной микрофлоры на внесение дополнительного органического вещества, так и с содержанием остатков живого мицелия базидиальных грибов.

Рис. 4.

Содержание углерода микробной биомассы (диаграмма) и интенсивность БД (график) разных вариантов грунта с добавками биоудобрений в конце вегетации.

Влияние внесения разных вариантов биоудобрений в грунт БУР проявилось и на показатели структуры и численности основных эколого-трофических групп микроорганизмов (рис. 5). Численность гидролитической микрофлоры, представленная быстрорастущими грибами, грамположительными спорообразующими и некоторыми грамотрицательными бактериями и актиномицетами, возрастала во всех вариантах внесения биоудобрений, но особенно заметно в варианте “СБ P. еryngii”, где она достигала 31 млн КОЕ/г, что было в 10 раз больше контроля. Гидролитические микроорганизмы способны к биосинтезу внеклеточных гидролаз и являются первичными редуцентами в цепи разложения поступившего в почву органического вещества. Численность копиотрофов – микрофлоры, характеризующейся высокой скоростью потребления мономеров при их высокой концентрации в окружающей среде, была практически сравнима с контролем в разных вариантах, исключая варианты “ОП береза” и “МП P. оstreatus”, где она заметно снизилась. Численность олиготрофных групп микроорганизмов, имеющих систему активного транспорта мономерных соединений внутрь клетки при их низкой концентрации в окружающей среде, во всех вариантах внесения биоудобрений была больше контроля, при этом отношение их численности к количеству гидролитических микроорганизмов заметно снижалось почти во всех вариантах (исключая вариант “ОП сосна”), особенно заметно в варианте “СБ P. еryngii”, что свидетельствовало о снижении олиготрофности почвогрунта в отношении азота и доступного органического вещества. Стоит обратить внимание, что кислотность водной вытяжки грунта уменьшалась на 0.1–0.3 ед. в вариантах с МП и СБ и сосновыми опилками, при этом величина рН оставалась в слабощелочном диапазоне.

Рис. 5.

Структура и численность основных эколого-трофических групп микроорганизмов (диаграмма) и кислотность водной вытяжки (график) в разных вариантах грунта с добавками биоудобрений в конце вегетации.

В целом отмеченное увеличение численности гетеротрофных микроорганизмов в основном за счет гидролитической группировки, обладающей r-стратегией, свидетельствовало о начальном этапе преобразований в почвенном микробном комплексе в ответ на внесение биоудобрений в грунт БУР. Численность активных деструкторов органического вещества в вариантах с внесением МП и СБ в грунте была сравнима с таковой в разновозрастных реплантоземах и литостратах рекультивированных отвалов БУР и в фоновых почвах исследованной лесорастительной зоны [21, 31].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, внесение микопродуктов и отработанных субстратных блоков, а также опилок повышало грунтовую всхожесть семян сосны обыкновенной на 10–50%, увеличивало сохранность сеянцев, а также их морфометрические параметры и биомассу. Наибольшее увеличение морфометрических параметров и биомассы отмечено в вариантах “МП T. versicolor” и “СБ P. еryngii”. Применение биоудобрений увеличивало биогенность и функциональную активность микробоценоза грунтов, особенно заметно в вариантах с применением микопродукта и субстратных блоков.

Возможность применения биоудобрений, полученных путем биоконверсии продуктов лесопереработки, позволит увеличить продуктивность и биологическую активность деградированных почв и грунтов техногенных территорий, а также будет способствовать сохранности как естественных всходов, так и саженцев при искусственном лесовозобновлении. В перспективе использование биоудобрений может найти применение при выращивании посадочного материала в лесопитомниках.

Полученный заметный положительный эффект от внесения в деградированные почвогрунты отработанных ферментированных субстратов, обогащенных мицелиальной биомассой – отходов от выращивания пищевых базидиомицетов, является основанием расширить исследования возможности применения и других отходов биотехнологической переработки древесины.