ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ
УЧРЕЖДЕНИЕ МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ
"ОДИНЦОВСКИЙ "ДЕСЯТЫЙ ЛИЦЕЙ"
«ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ AZOTOBACTER
В КАЧЕСТВЕ ЭКОЛОГИЧНОГО И ЭФФЕКТИВНОГО
УДОБРЕНИЯ В МОСКОВСКОЙ ОБЛАСТИ»
(проектно-исследовательская работа)
Выполнили:
Жмуров Даниил Дмитриевич,
Гаджиева Зинят Кадир кызы, 9 класс
Научный руководитель:
Осипова Ольга Альгирдасовна,
учитель биологии.
Одинцово
2022
СОДЕРЖАНИЕ
Введение С. 2-4
Глава 1. Теоретическая часть С.4-7
1.1. Азотфиксирующие микроорганизмы С.4-6
1.2. Применение азотофиксирующих бактерий С.6-7
1.3. Азотфиксаторы и окружающий мир С.7
Глава 2. Практическая часть С.7-10
2.1. Эксперимент крапивой С.7
2.2. Эксперимент с горчицей С.8
2.3. Качественная реакция на ауксины С.8-9
2.4. Работа над сайтом С.9-10
Глава 3. Заключение С.10-15
Перспективы использования и заключение С.10-11
Приложение С.12-14
Список литературы С.15-16
1.ВВЕДЕНИЕ
В наше время здоровый образ жизни стал одним из главных трен-дов. Все больше людей стремятся употреблять только полезные продук-ты питания. Спрос на товары с маркировкой «эко», «био», «органик» с каждым годом растет . Российский рынок органической продукции находится в стадии формирования, многие агрохолдинги видят перспек-тивы развития в этом направлении.
Органические продукты производятся без использования мине-ральных и химических удобрений . Очевидно, что потребность в препа-ратах, содержащих высокоактивные микроорганизмы, улучшающие условия питания сельскохозяйственных культур, будет расти вместе с ростом рынка органических продуктов.
К переходу на органические удобрения призывает и Глобальное почвенное партнерство (ГПП) в целях устойчивого управления почвен-ными ресурсами, совершенствования систем их использования для обес-печения здоровья и продуктивности, продовольственной безопасности и улучшения питания.
В связи с этими фактами, было решено провести анализ литера-турных источников, осуществить ряд экспериментов и изготовить соб-ственный продукт – комплексный бактериальный препарат, включаю-щий в себя бактерии рода Azotobacter и Bacillus subtillis.
Эта работа была начата в рамках Проектной школы образова-тельного центра «Взлет» в составе команды «Ежы+1» под руковод-ством Сергея Евгеньевича Седых, Анастасии Павловны Парамоник, Владимира Игоревича Соловьева. Работа заинтересовала нас, и по окончании смены мы продолжили заниматься этим проектом.
Цель:
Изучить взаимосвязь между ростом растения и количеством Аzotobacter в почве, а также популяризовать знания о возможности при-менения Аzotobacter в качестве удобрения, повышающего урожайность и качество сельскохозяйственной продукции.
Гипотеза:
Присутствие Аzotobacter в почве прямо пропорционально влияет на рост растений.
Задачи:
1. Изучить жизнедеятельность Azotobacter, оптимальные условия для их роста и активной фиксации азота.
2. Выбрать растительный объект, растущий на среде с оптимальными условиями для Azotobacter, описать его ростовые характеристики;
3. Изучить зависимость между ростом растения, скоростью прорас-танию семян горчицы и количеством бактерий в среде, поставив опыт в лабораторных условиях и осуществив микробиологические исследова-ния;
4. Создать сайт для того, чтобы поделиться результатами работы и популяризировать использование удобрений, не наносящих вред окру-жающей среде и здоровью человека.
Проблематика:
На данный момент в Московской области происходит деградация почв, в связи с нерациональным ведением сельского хозяйства, из-за ко-торой снижается объем биомассы растений и биоразнообразие. На по-лях аграрии используют метод возделывания бобовых культур в каче-стве сидератов. Но такой способ не очень подходит для тепличных хо-зяйств, выращивающих органическую продукцию (рассаду, овощи и ягоды), оранжерей, комнатном цветоводстве, ландшафтном дизайне. Ес-ли же искусственно вводить в почву азотофиксирующие бактерии, то это приведет к диффундированию азотистых соединений в почву. Для выяв-ления реальной потребности у аграриев в подобном препарате был со-здан опросник .
Объект исследования:
Azotobacter — почвенные бактерии, фиксирующие свободный атмо-сферный азот.
Предмет исследования:
Методы повышения плодородности почв.
Методы исследования:
1. Общенаучные: эксперимент, наблюдение, анализ.
2. Работа с различными источниками информации (книги, сайты в се-ти Интернет).
3. Систематизация и анализ данных.
4. Наглядно-иллюстративный.
В ходе работы определялось содержание ауксинов в среде, заселен-ной Azotobacter. Данные, полученные в ходе эксперимента, а также пер-спективные исследования о влиянии бактериальных ауксинов на куль-турные растения помогут созданию эффективного бактериального пре-парата.
В перспективе планируется изучение взаимодействия бактерий ро-да Azotobacter и вида B.subtilis. И те, и другие используются для созда-ния почвенных бактериальных препаратов, но не очень благоприятно влияют друг на друга. Хотелось бы создать благоприятные условия для мирного сосуществования обоих видов, чтобы в перспективе разрабо-тать комплексный бактериальный препарат.
ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
1.1 АЗОТФИКСИРУЮЩИЕ МИКРООРГАНИЗМЫ
Азотфиксирующие бактерии – это бактерии, обладающие способ-ностью к биологической азотфиксации, то есть связыванию азота атмо-сферы и переводу его в азотосодержащие соединения. Зеленые растения не способны питаться азотом, поглощая его в чистом виде из атмосфер-ного воздуха или почвы. Денитрифицирующие бактерии выделяют азот из органических соединений и переводят его в чистый азот атмосферы. Тем самым они делают его недоступным для растений. В противовес им азотфиксирующие микроорганизмы, в основном бактерии, связывают атмосферный воздух в органических соединениях и делают его доступ-ным для растений. Таким образом, поддерживается баланс азота в при-роде. К азотфиксирующим бактериям относятся: клубеньковые бакте-рии, некоторые актиномицеты, цианобактерии, и др. Азотофиксаторы установлены во многих родах бактерий: Bradyrhizobium, Pseudomonas, Azotobacter. Имеются данные о способности одних и тех же видов, в за-висимости от условий развития, осуществлять два диаметрально проти-воположных процесса – азотфиксацию и денитрификацию .
Организмы, способные к усвоению азота воздуха, можно разде-лить на группы:
1) симбиотические азотфиксаторы - микроорганизмы, которые усваива-ют азот атмосферы, только находясь в симбиозе с высшим растением;
2) не симбиотические азотфиксаторы - микроорганизмы, свободно жи-вущие в почве и усваивающие азот воздуха. Часто анаэробны;
3) ассоциативные азотфиксаторы - микроорганизмы, обитающие на по-верхности корневой системы злаков, т. е. живущие в ассоциации с выс-шими растениями.
Важное значение имеют симбиотические азотфиксаторы, живущие в клубеньках корней бобовых растений (клубеньковые бактерии), отно-сящиеся к роду Rhizobium. Связывание азота атмосферы возможно только при симбиотической ассоциации микроорганизмов этого вида и высшего растения в основном из семейства Fabaceae. Существует боль-шое количество разновидностей (штаммов) клубеньковых бактерий, каждая из которых приспособлена к заражению одного или нескольких видов бобовых растений. Это отражается в их названиях: Rhizobium lupini - клубеньковые бактерии люпина и Rhizobium trifolii - клубенько-вые бактерии клевера и т. д.
Существуют и другие виды высших растений, у которых наблюда-ется симбиоз с микроорганизмами. Так, маленький водный папоротник азолла (Azolla) находится в симбиотических отношениях с азотфиксиру-ющими цианобактериями. Некоторые деревья и кустарники (например, ольха, облепиха, лох) имеют в качестве симбионтов бактерии из рода актиномицеты .
Большое значение имеют свободноживущие бактерии - азотфикса-торы.
В 1893 г. русским микробиологом С.Н. Виноградским была выде-лена анаэробная азотфиксирующая бактерия Clostridium pasteurianum.
В 1901 г. голландский ученый М. Бейеринк выделил две аэробные азотфиксирующие бактерии - Azotobacter chroococum, Azotobacter agile.
Сейчас известен ряд видов Azotobacter. Свободноживущие азот-фиксаторы могут быть факультативными аэробными или факультатив-ными анаэробными. Для того чтобы эти микроорганизмы осуществляли процесс фиксации азота, необходимо присутствие молибдена, железа и кальция. Особенно важно присутствие молибдена .
1.2 ПРИМЕНЕНИЕ АЗОТОФИКСИРУЮЩИХ БАКТЕРИЙ
На сегодняшний день человечество активно использует Azotobacter в агропромышленности, медицине и генной инженерии. Аг-рономы используют азотофиксаторов в качестве эффективного био-удобрения, не вредящего окружающей среде. Медики пользуются про-дуцируемой бактериями альгиновой кислотой, которая добавляется в состав антациды (антациды- препараты, предназначенные для кислото-зависимых заболеваний ЖКТ, путём нейтрализации HCl). В пищевой промышленности альгиновую кислоту используют в качестве загустите-ля. Самое интересное применение у генных инженеров. Оказывается, есть такой вид (Azotobacter beijerinckii ), который является продуцентом для рестриктазы Аb I.
1.3. АЗОТФИКСАТОРЫ И ОКРУЖАЮЩИЙ МИР
Все азотофиксирующие бактерии играют важную роль в цикле азота. Конкретно некоторые представители Azotobacter выделяют фито-гормоны, например, ауксины, а также полисахариды, мобилизирующие тяжёлые металлы (кадмий, ртуть), способствуя самоочищению почвы .
ГЛАВА 2. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
2.1 ЭКСПЕРИМЕНТ С КРАПИВОЙ
Для достижения цели, нужно было проанализировать содержание бактерий рода Azotobacter и состав почв Московской области. Для этого был осуществлен отбор разных видов почв под крапивой на территории ДОЛ «Левково», расположенного в Пушкинском городском округе Московской области. Идеально подходила крапива двудомная, так как она растет на почвах с подходящей для Azotobacter кислотностью.
Образцы почв отличались, потому они репрезентативно отражают состояние почв МО. В полученных пробах измерялась pH среда.
Затем была приготовлена питательная среда Эшби для азотофик-сирующих бактерий. В нее были высажены почвенные комочки, которые обрастали колониями бактерий. В результате получен график зависимо-сти между типом почв, размером растения и интенсивностью обрастания бактериями.
Не было учтено, что на рост растений влияет их возраст . Для подтверждения гипотезы нужен был эксперимент в контролируемых условиях. В качестве нового исследуемого объекта была выбрана гор-чица белая. В этом случае мы проверяли воздействие Azotobacter на всхожесть семян.
2.2 ЭКСПЕРИМЕНТ С ГОРЧИЦЕЙ
Подготовка воды для эксперимента
Было взято 8 чашек Петри. В 2 из них залили не стерилизованную воду , в остальные 6 - суспензии Azotobacter в 3 разведениях . Для начала мы развели Azotobacter взятые с двух точек пробоотбора .
Подготовка почвы для эксперимента
Для эксперимента было взято 8 проб почвы, 6 из них были дезин-фицированы раствором марганцовки (в воду 0,25 г на 1 л воды). После дезинфекции их прокалили в микроволновой печи. Затем добавили сус-пензию Azotobacter. Полученные пробы засыпали в торфяные горшки по 40 г. В результате получено: 5 горшков из 1-ой точки (нестерили-зованная, стерилизованная, с суспензиями концентраций- 1,0, 0,5; 0,25) и 4 горшка со 2-ой точки: нестерилизованная, стерилизованная, с сус-пензиями концентраций- 0,5; 0,25. Затем в каждый горшок были выса-жены 30 семян горчицы белой . Полные результаты и сводка образцов представлена в Google таблице.
Вывод: что чем больше концентрация внесенных бактерий, тем меньше процент прорастания. Оптимальным значением в данном экспе-рименте является концентрация 0,25. Наибольший процент прорастания показывают бактерии, выращенные на обычной не стерилизованной во-де.
2.3 КАЧЕСТВЕННАЯ РЕАКЦИЯ НА АУКСИНЫ
В ходе работы определялось качественное содержание ауксинов в среде, заселенной Azotobacter .
Кусочек среды Эшби из чашек Петри с колониями Azotobacter по-мещается в керамическую посуду, добавляется 5 г реактива Эрлиха, по-мещается в микроволновую печь на 1 минуту. После нескольких серий опытов результат был один и тот же: вокруг обгоревшей агарозы был фиолетовый налет, что свидетельствует о наличии индола, и как след-ствие ауксинов .
2.4. РАБОТА НАД САЙТОМ
Для того, чтобы поделиться результатами кропотливой работы решено было создать сайт, так как Интернет - это основной источник информации современного человека, а также возможность привлечь большую аудиторию. В качестве инструмента Даниил выбрал конструк-тор сайтов Tilda, так как он достаточно прост в освоении, в связи с чем пользуется популярностью. Лонгрид для этой задачи не подходил, так как результаты экспериментов очень внушительны по объёму информа-ции. Сайт занял несколько страниц.
В «шапке» сайта Даниил поместил логотипы организаций-партнеров, а также лого нашей команды «ЕЖЫ+1». Ниже, на темати-ческом фоне с микробами, есть указания вводной информации: назва-ние работы, научные руководители и название нашей команды. При скроллинге видны заголовки основных частей работы: проблематика, гипотеза, цель и объект исследования. Надписи сопровождались интуи-тивно понятными эмблемами и иллюстрациями. Это сделано для того, чтобы читатель обратил на них внимание.
Следующим пунктом было создание колонок с большими икон-ками и расписанными задачами проекта. Под задачами - их краткое описание. Дальше расположены две колонки с выбранными растения-ми для экспериментов. Они сопровождаются крупными фотографиями крапивы двудомной и горчицы белой с небольшим описанием. После этого я решил создать «большую» колонку с описаниями для каждого использованного метода в проекте. К этому также прикреплены миниа-тюрные иконки для визуального подкрепления.
Еще ниже описан ход эксперимента и результаты. Пролистывая сайт можно увидеть описание работы с почвой, мини-галерею с этапа-ми работы, карту ДОЛ «Левково» с отмеченными точками отбора об-разцов почв. Далее идут описания лабораторных опытов с галереями фотографий. Под каждым экспериментом расположена кнопка для пе-рехода на страницу с подробным описанием опыта. Далее следуют вы-воды, перспективы проекта, состав команды и их аккаунты в социаль-ной сети.
Кроме этого, был создан канал в популярной соцсети Инста-грамм .
ГЛАВА 3. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате серии экспериментов:
1) Изучена жизнедеятельность Azotobacter, описаны оптимальные условия для роста колонии и активной фиксации азота.
2) Определено влияние на жизненный цикл растений характеристик почвы.
3) Изучена зависимость между ростом растения и количеством бакте-рий Azotobacter в среде посредством ряда опытов в лабораторных условиях и микробиологических исследований.
4) Разработан рабочий сайт с открытым доступом, где в доступной и привлекательной форме опубликованы результаты проектно-экспериментальной работы .
Данные, полученные в ходе эксперимента, а также перспективные исследования о влиянии бактериальных ауксинов на культурные расте-ния помогут созданию эффективного бактериального препарата в буду-щем. Над этим в данный момент мы занимаемся с научным руководите-лем в лицее.
Также планируется наблюдать взаимодействие бактерий рода Azotobacter и вида Bacillus subtillis. И те, и другие используются для со-здания почвенных бактериальных препаратов, но не очень благоприят-но влияют друг на друга. Хотелось бы создать благоприятные условия для мирного сосуществования обоих видов, чтобы в перспективе создать комплексный бактериальный препарат «2в 1» . Рецептура этого препа-рата должна быть такова, чтобы любой желающий мог самостоятельно изготовить такое удобрение из доступных материалов в любом количе-стве и с минимальными затратами. Тогда вне зависимости от наличия готовых биоудобрений в магазинах (их наличия/дальности самого мага-зина), антиковидных ограничений и т.п. можно будет заботиться о поч-вах и здоровых урожаях.
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1. Роль азотофиксирующих бактерий в цикле азота
Приложение 2. График зависимости между образцами крапивы и обрастанием бактерий.
Приложение 3. Пробоотбор почв с точек 1 и 2 на карте ДОЛ «Левко-во».
Приложение 4. Эффективность бактериального препарата в буду-щем.
Приложение 5. Используемые методы
Приложение 6. Качественная реакция на ауксины
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. «Азотофиксаторы / vuzlit.ru; Сельское хозяйство, роль микро-биологии в сельском хозяйстве
2. Алами, Н.Х. , Духита, К.К., Муслихатин, В., Кусвитасари, Н.В., Зулайка, В., Шовитри , М. / Н.Х. Алами, К.К. Духита, В. Му-слихатин, Н.В. Кусвитасари. , В. Зулайка, М. Шовитри. // Серия конференций IOP: Науки и Земле и окружающей среде, том. 197, 2-я Международная конференция по биологическим наукам (ICoBio), 8-10 августа 2017., Богор, Индонезия.
3. Григоровская, П.И. Азотофиксирующие бактерии/ П.И. Гри-горовская // Пестициды.ru; словарь, статья из разделов: Термины, Бактерии
4. Ерофеева, Е.А., Речкин, А.И., Савинов, А.Б., Всхожесть семян и состояние проростков пшеницы Triticum aestivum в условиях воз-действия на них суспензии клеток Azotobacter chroococcum // Прин-ципы экологии. 2019. Т.8. 2. С. 4-11.
5. Исследование консалтинговой компании SBS Consulting
6. Морозова, Н.А. Активность Azotobacter в почвенном покрове рекреационных и промышленных зон г. Самары / Н.А. Морозова // Экологический сборник 3: Труды молодых ученых Поволжья. - С. 153-156.
7. Почекутов А.А., Барцев С.И. Математическое моделирование динамики углерода в компонентах почвы в зависимости от темпера-туры и влажности //Биосферные функции почвенного покрова, Ма-териалы Всероссийской научной конференции. Пущино: SYNCHROBOOK, 2010. С. 248-249.
8. Работнов Т.А. Азот в наземных биогеоценозах. // Структурно-функциональная организация биогеоце-нозов. М.: Наука, 1980. с. 69-90.
9. Румянцева, Е.А., Н.рук. Речкин, А.И. Исследование физиоло-гических штаммов Azotobacter chroococcum, выделенных из раз-личных типов почв. /Е.А. Румянцева, А.И. Речкин // Дипломная ра-бота . Сельское хозяйство. 2014-01-11.
10. Тейлор Д., Грин Н., Стаут У. Биология: в 3-х т. Т. 2: Пер. с англ. / Под ред. Р. Сопера - 3-е изд. – М: Мир, 2004. – 436 с., ил.
11. Тиморшина, С.Н., Цикл азота/С.Н. Тиморшина // канал БИО ЦПМ
12. Умаров М.М. Перспективы развития почвенной биологии. М: МАКС Пресс, 2001. С. 47-52
13. Умаров, М.М., Кураков, А.В., Степанова, А.Л. Азотофикса-ция, Микробиологическая трансформация азота в почве. / М.М. Умаров, А.В. Кураков, А.Л Степанов // М.: ГЕОС, 2007.
|
