Открывая скрытый мир: понимание почвенных микроорганизмов и их жизненно важной роли

Земля под нашими ногами кишит жизнью. Хотя мы часто сосредотачиваемся на растениях и животных, которых можем видеть, в почве процветает огромный и сложный мир микроорганизмов, играющий решающую роль в здоровье нашей планеты и устойчивости наших продовольственных систем. Эти крошечные организмы, известные под общим названием почвенные микроорганизмы, являются невоспетыми героями наших экосистем. Этот пост в блоге погружается в увлекательный мир почвенных микроорганизмов, исследуя их разнообразие, функции и значение в глобальном масштабе.

Что такое почвенные микроорганизмы?

Почвенные микроорганизмы охватывают разнообразную группу организмов, включая:

• Бактерии: Самые многочисленные микроорганизмы в почве, бактерии выполняют широкий спектр функций, включая разложение, круговорот питательных веществ и фиксацию азота.
• Грибы: Грибы играют жизненно важную роль в разложении, поглощении питательных веществ растениями (через микоризные ассоциации) и формировании структуры почвы.
• Археи: Подобно бактериям, археи участвуют в круговороте питательных веществ и могут процветать в экстремальных условиях.
• Протисты: Эти одноклеточные эукариоты потребляют бактерии и другие микроорганизмы, регулируя микробные популяции и высвобождая питательные вещества.
• Нематоды: Микроскопические круглые черви, которые питаются бактериями, грибами и корнями растений, влияя на круговорот питательных веществ и здоровье растений. Некоторые нематоды полезны, в то время как другие являются паразитами растений.

Эти организмы взаимодействуют друг с другом и с корнями растений, образуя сложную сеть жизни, известную как почвенная пищевая сеть.

Значение почвенных микроорганизмов

Почвенные микроорганизмы необходимы для множества процессов, поддерживающих жизнь на Земле:

Круговорот питательных веществ

Микроорганизмы отвечают за расщепление органического вещества и высвобождение питательных веществ в почву, делая их доступными для поглощения растениями. Этот процесс, известный как разложение, имеет решающее значение для поддержания плодородия почвы и поддержки роста растений. Различные микроорганизмы специализируются на расщеплении различных типов органического вещества, от простых сахаров до сложных полимеров, таких как лигнин.

Пример: В тропических лесах Амазонки высокие темпы разложения из-за высокой микробной активности способствуют круговороту питательных веществ из опавших листьев обратно в лесную экосистему. Этот быстрый оборот необходим для поддержания пышной растительности на бедных питательными веществами почвах.

Фиксация азота

Азот является важным питательным веществом для роста растений, но растения не могут напрямую использовать атмосферный газообразный азот. Некоторые бактерии, такие как *Rhizobium*, образуют симбиотические отношения с бобовыми (например, фасоль, горох, чечевица) и превращают атмосферный азот в аммиак, форму, которую могут использовать растения. Этот процесс, называемый фиксацией азота, снижает потребность в синтетических азотных удобрениях, которые могут иметь негативные экологические последствия.

Пример: Выращивание сои в таких странах, как Бразилия и Аргентина, в значительной степени зависит от биологической фиксации азота бактериями *Bradyrhizobium japonicum*, что вносит значительный вклад в сельскохозяйственную продуктивность региона и снижает зависимость от синтетических удобрений.

Структура почвы

Микроорганизмы играют решающую роль в улучшении структуры почвы. Гифы грибов связывают частицы почвы вместе, создавая агрегаты, которые улучшают инфильтрацию воды, аэрацию и дренаж. Бактерии также производят липкие вещества, называемые полисахаридами, которые помогают стабилизировать почвенные агрегаты. Улучшенная структура почвы уменьшает эрозию и способствует росту корней.

Пример: В регионе Лёссового плато в Китае усилия по борьбе с эрозией почвы были сосредоточены на содействии росту полезных почвенных микроорганизмов, которые улучшают агрегацию и стабильность почвы.

Подавление болезней

Полезные микроорганизмы могут подавлять болезни растений, конкурируя с патогенами за ресурсы, производя антимикробные соединения или вызывая системную устойчивость у растений. Некоторые микроорганизмы, такие как грибы *Trichoderma* и бактерии *Bacillus*, широко используются в качестве агентов биоконтроля для защиты сельскохозяйственных культур от болезней.

Пример: В системах органического земледелия в Европе виды *Trichoderma* обычно используются для борьбы с грибковыми заболеваниями овощных культур, что снижает потребность в синтетических фунгицидах.

Разложение загрязнителей

Микроорганизмы могут расщеплять загрязнители в почве, такие как пестициды, гербициды и тяжелые металлы, в процессе, называемом биоремедиацией. Этот процесс помогает очищать загрязненные почвы и защищать водные ресурсы.

Пример: В промышленных районах Северной Америки микроорганизмы используются для ремедиации почв, загрязненных нефтепродуктами в результате разливов нефти и промышленной деятельности.

Стимулирование роста растений

Некоторые микроорганизмы, известные как ризобактерии, стимулирующие рост растений (РСПР), способствуют росту растений, производя гормоны, улучшая поглощение питательных веществ или защищая растения от стресса. РСПР используются в качестве биоудобрений для повышения урожайности и снижения потребности в синтетических удобрениях.

Пример: В Индии РСПР все чаще используются при выращивании риса для улучшения поглощения питательных веществ и повышения урожайности, что способствует продовольственной безопасности в регионе.

Факторы, влияющие на почвенные микробные сообщества

На состав и активность почвенных микробных сообществ влияет множество факторов, в том числе:

• Тип почвы: Различные типы почв (например, песчаные, глинистые, суглинистые) имеют разные физические и химические свойства, которые влияют на рост и выживание микробов.
• pH: pH почвы влияет на доступность питательных веществ и активность ферментов, влияя на состав микробного сообщества.
• Влажность: Влажность почвы необходима для микробной активности и выживания. Условия засухи могут значительно снизить микробную биомассу и активность.
• Температура: Температура почвы влияет на скорость метаболизма микробов. Экстремальные температуры могут ограничивать рост микробов.
• Органическое вещество: Органическое вещество является основным источником пищи для почвенных микроорганизмов. Почвы с высоким содержанием органического вещества обычно имеют более разнообразные и активные микробные сообщества.
• Практики землепользования: Сельскохозяйственные практики, такие как обработка почвы, внесение удобрений и применение пестицидов, могут значительно влиять на почвенные микробные сообщества.

Влияние сельского хозяйства на почвенные микроорганизмы

Сельскохозяйственные практики могут оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на почвенные микроорганизмы. Традиционные сельскохозяйственные практики, такие как интенсивная обработка почвы, чрезмерное внесение удобрений и применение пестицидов, могут нарушать почвенные микробные сообщества и ухудшать здоровье почвы. С другой стороны, устойчивые сельскохозяйственные практики, такие как ресурсосберегающая обработка почвы, использование покровных культур и органическое земледелие, могут способствовать развитию полезных почвенных микроорганизмов и улучшать здоровье почвы.

Негативное влияние традиционного сельского хозяйства

• Обработка почвы: Обработка почвы нарушает ее структуру, снижает содержание органического вещества и может убивать полезные микроорганизмы.
• Удобрения: Чрезмерное использование синтетических удобрений может снизить разнообразие почвенных микробных сообществ и нарушить процессы круговорота питательных веществ.
• Пестициды: Пестициды могут напрямую убивать полезные микроорганизмы или косвенно влиять на них, изменяя почвенную пищевую сеть.

Позитивное влияние устойчивого сельского хозяйства

• Ресурсосберегающая обработка почвы: Уменьшает нарушение почвы, сохраняя ее структуру и способствуя развитию полезных микроорганизмов.
• Покровные культуры: Увеличивают содержание органического вещества, улучшают структуру почвы и создают среду обитания для полезных микроорганизмов.
• Севооборот: Разнообразит источники пищи для почвенных микроорганизмов, способствуя созданию более разнообразного и устойчивого микробного сообщества.
• Органическое земледелие: Избегает использования синтетических удобрений и пестицидов, способствуя созданию более здоровой почвенной экосистемы.

Пример: Долгосрочное исследование в Ротамстеде, Великобритания, показало, что системы органического земледелия имеют более высокую биомассу и разнообразие почвенных микробов по сравнению с традиционными системами земледелия.

Роль почвенных микроорганизмов в смягчении последствий изменения климата

Почвенные микроорганизмы играют значительную роль в регулировании глобального углеродного цикла. Они разлагают органическое вещество, высвобождая углекислый газ в атмосферу. Однако они также способствуют секвестрации углерода, накапливая его в почвенном органическом веществе. Устойчивые практики землепользования, способствующие здоровью почвы, могут усилить секвестрацию углерода в почвах, помогая смягчить последствия изменения климата.

Пример: Практики регенеративного сельского хозяйства, такие как нулевая обработка почвы и использование покровных культур, продвигаются во всем мире как способ увеличения секвестрации углерода в сельскохозяйственных почвах и сокращения выбросов парниковых газов.

Оценка почвенных микробных сообществ

Для оценки почвенных микробных сообществ используются несколько методов, в том числе:

• Микроскопия: Прямое наблюдение микроорганизмов в образцах почвы с помощью микроскопов.
• Культуральные методы: Выращивание микроорганизмов в лабораторных культурах для их идентификации и количественной оценки.
• Методы на основе ДНК: Извлечение ДНК из образцов почвы и использование молекулярных методов (например, ПЦР, секвенирование) для идентификации и количественной оценки различных микробных групп.
• Функциональные анализы: Измерение активности конкретных микробных процессов, таких как разложение, фиксация азота или нитрификация.

Методы на основе ДНК становятся все более популярными, поскольку они могут обнаруживать более широкий спектр микроорганизмов, чем культуральные методы, включая те, которые трудно или невозможно вырастить в лаборатории.

Практические советы по содействию полезным почвенным микроорганизмам

Вот несколько практических советов по содействию полезным почвенным микроорганизмам в вашем саду или на ферме:

• Добавляйте органику: Вносите в почву компост, навоз или другие органические материалы, чтобы обеспечить пищу для микроорганизмов.
• Сокращайте обработку почвы: Минимизируйте нарушение почвы для защиты ее структуры и микробных сред обитания.
• Используйте покровные культуры: Высаживайте покровные культуры для увеличения содержания органического вещества и создания среды обитания для полезных микроорганизмов.
• Избегайте синтетических удобрений и пестицидов: Используйте натуральные альтернативы для поддержания здоровой почвенной экосистемы.
• Инокулируйте полезными микроорганизмами: Рассмотрите возможность использования микробных инокулянтов (например, микоризных грибов, ризобактерий) для введения полезных микроорганизмов в почву.
• Поддерживайте правильный pH почвы: Регулируйте pH почвы до оптимального диапазона для роста растений и микробной активности.
• Поливайте адекватно: Обеспечивайте достаточную влажность для микробной активности, но избегайте переувлажнения, которое может создать анаэробные условия.

Глобальные инициативы и исследования

Многочисленные глобальные инициативы и исследовательские проекты сосредоточены на понимании и продвижении роли почвенных микроорганизмов в устойчивом сельском хозяйстве и здоровье окружающей среды. К ним относятся:

• Глобальное почвенное партнерство (GSP): Инициатива Организации Объединенных Наций, направленная на улучшение управления почвенными ресурсами и продвижение устойчивого управления почвами.
• Международная инициатива по биоразнообразию почв (ISBI): Глобальная сеть ученых и практиков, работающих над пониманием и сохранением биоразнообразия почв.
• Исследовательские проекты, финансируемые национальными и международными агентствами: Эти проекты исследуют роль почвенных микроорганизмов в круговороте питательных веществ, подавлении болезней, секвестрации углерода и других важных экосистемных услугах.

Эти инициативы помогают повышать осведомленность о важности почвенных микроорганизмов и способствуют принятию устойчивых практик землепользования, которые защищают и улучшают здоровье почвы во всем мире. Например, инициатива «4 на 1000», направленная на увеличение содержания углерода в почве на 0,4% в год, подчеркивает критическую роль почвенных микроорганизмов в секвестрации углерода и смягчении последствий изменения климата.

Заключение

Почвенные микроорганизмы являются жизненно важным компонентом наших экосистем, играя решающую роль в круговороте питательных веществ, формировании структуры почвы, подавлении болезней и других важных процессах. Понимание разнообразия и функций почвенных микроорганизмов необходимо для содействия устойчивому сельскому хозяйству, защиты здоровья окружающей среды и смягчения последствий изменения климата. Принимая устойчивые практики землепользования, способствующие развитию полезных почвенных микроорганизмов, мы можем улучшить здоровье почвы, повысить урожайность и создать более устойчивое будущее для всех. Мы должны признать, что невидимый мир под нашими ногами является ключом к более здоровой планете.

Дополнительная литература

• «Teaming with Microbes: The Organic Gardener's Guide to the Soil Food Web» (В союзе с микробами: руководство по почвенной пищевой сети для органического садовода) Джеффа Лоуэнфелса и Уэйна Льюиса
• «Dirt: The Erosion of Civilizations» (Грязь: эрозия цивилизаций) Дэвида Р. Монтгомери
• «Mycelium Running: How Mushrooms Can Help Save the World» (Бегущий мицелий: как грибы могут помочь спасти мир) Пола Стеметса