Международный школьный научный вестник

Научный журнал для старшеклассников и учителей ISSN 2542-0372

Введение. В течении нескольких лет мой интерес к биологии набирает оборот. Начиная с простых наблюдений и сравнений, я перешёл к изучению и формированию выводов из полученной информации. Высаживая разные виды культур, исследуя несколько сортов, проводя наблюдения в разных условиях, делаешь для себя небольшие, но интересные открытия.

В этом году было принято решение поучаствовать в исследовательском проекте "ЗакопайЧай", запущенным Молодежной Лабораторией карбомониторинга наземных экосистем Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН. Проект нацелен на получение новых данных об активности микроорганизмов почв с различных уголков нашей страны с помощью чайных пакетиков. Исследовательский проект включает в себя метод чайных пакетиков "Tea Bag Index" предложенный группой европейских ученых, чтобы унифицировать и упростить оценку микробной активности почв в полевых условиях на больших территориях. Учёные предложили использовать два вида чая: зеленый (G) и фиточай-ройбуш (R) (в работе возможны либо обозначения чая, либо буквы). Они различаются по химическому составу и, следовательно, разлагаются микроорганизмами с разной скоростью.

В своей работе я представлю данные по изучению деятельности микроорганизмов в почве.

Цель работы: поиск новых данных активности микроорганизмов почв в различных экосистемах с помощью чайных пакетиков.

Задачи:

1. Изучить литературу по почвоведению и агрохимическому анализу почвы;

2. Взвесить и закопать чайные пакетики ройбуш ВкусВилл и зелёный чай Berton; по окончанию опыта извлечь чайные пакетики из почвы, высушить и взвесить;

3. Определить гранулометрический состав почвы в домашних условиях;

4. Провести анализ почвы, сравнить результаты и сделать выводы.

Научная новизна: эксперимент уникален, так как основан на личных наблюдениях, выводах и позволяет отследить активность почвенного микробиома с помощью подручных средств. Разнообразие экосистем способствует охвату большей исследуемой территории. Возможность проведения исследования в два этапа (осенне-зимний сезон и весенне-летний сезон) позволяет детально отследить активность почвенных бактерий.

Практическое применение и значимость: полученные результаты исследования являются актуальными, поскольку почвенная микробиота мало изучена и каждое исследование увеличивает объём информации в этой сфере.

Методы исследований:

1)теоретический, 2) наблюдательный, 3) сравнительный, 4) экспериментальный.

Объект исследования: микробиота почвы в пяти экосистемах: сад (яблони, сливы), газон, огород (теплица), хвойный лес (ель), лиственный лес (берёза).

Предмет исследования: активность микроорганизмов почвы с помощью чайных пакетиков.

Место проведения работы: пять экосистем, находящиеся в городе Долгопрудный, микрорайон Шереметьевский.

Время проведения работы: ноябрь 2024 года - сентябрь 2025 года

Литературный обзор. Почва как среда обитания и продукт жизнедеятельности микроорганизмов представляет собой сложную систему, включающую разнообразные по физиологии виды, обеспечивающие биологический круговорот веществ, процессы формирования почв и их устойчивость к природным и антропогенным факторам. Этим определяется теоретическое и прикладное значение экологических исследований микробных сообществ [1].

"Дыхание почвы" - процесс образования углекислого газа в результате разложения и окисления органического вещества почвенными микроорганизмами и корнями растений [2].

Вклад почвенной биоты по разным оценкам в её дыхание составляет по разным оценкам в среднем от 50 до 90% [3].

Некоторые особенности процесса газообмена:

1. Если газообмен между почвенным воздухом и атмосферой хороший, то вместо поглощённого кислорода почва выделяет в эквивалентном количестве CO2. Чем хуже газообмен, тем меньше выделяется углекислого газа.

3. Введено понятиекоэффициента дыхания— отношения выделившегося кислорода к поглощённому CO2. У хорошо аэрируемых почв он приближается к единице, а у почв с плохим газообменом — значительно выше.

Интенсивность почвенного дыхания и выделения CO2 зависит от свойств почвы, характера растительности, температуры и влажности, состава растительного покрова, содержания химических веществ.

Для изучения процесса почвенного дыхания и выделения CO2 используются различные методы: диффузионные, камерные.

Метод чайных пакетиков связан с дыханием почвы, так как позволяет оценить скорость разложения органического вещества почвенными микроорганизмами. Суть метода: чайные пакетики сначала взвешивают, а затем закапывают в почву на определённое время (1 этап - 6 месяцев, 2 этап -3 месяца). После этого пакетики извлекают, высушивают и повторно взвешивают. По разнице между исходной и конечной массой оценивают, сколько чая (органического вещества) в пакетике разложилось. Разлагая органические вещества, микробы выделяют углекислый газ — осуществляют так называемое микробное дыхание, — и служат одним из основных биогенных источников поступления парниковых газов в атмосферу. Уровень активности этих микробов оказывает огромное влияние на плодородность грунта, характер захоронения в нем органических останков, его влажность и количество выделяемых парниковых газов, что заставляет учёных наблюдать за активностью почвенной микрофлоры [4].

Экспериментальная часть. Методика исследований

Чайные пакетики взвешивались в ФНЦ «ВИК им. В.Р.Вильямса» на аналитических весах(приложение 3).
В рамках исследования были выбраны пять разных экосистем: сад (яблони, сливы), газон, огород (теплица), хвойный лес (ель), лиственный лес (берёза). Эти экосистемы можно разделить на природные (естественные) и искусственные. Природные экосистемы возникают естественным образом без влияния человека. К ним относятся хвойный лес (ель) и лиственный лес (берёза). Искусственные системы создаются и поддерживаются людьми. Это экосистема сад (слива, яблоня), газон, огород (теплица). Выбранные экосистемы имеют свой гранулометрический (механический) состав и другие особенности, которые тесно связаны с активностью микроорганизмов и выделения ими углекислого газа.

Гранулометрический состав почвы был определён в домашних условиях. Для этого небольшое количество почвенного образца брали в ладонь, добавляли немного воды и полученную смесь пастообразной массы раскатывали в виде шнура диаметром 0,5-1,0 см. Далее соединяли концы шнура и определяли гранулометрический состав (таблица 4).

Для большей достоверности опыт проводился в двукратной повторности. Были выбраны по две площадки 1х1 м в каждой экосистеме. Площадки для опыта выбирались максимально «усреднённые», типичные, ничем не примечаемые. В каждой экосистеме закапывались по две связки чайных пакетиков. В одной связке было по два пакетика зелёного чая и два пакетика чая ройбуш. Всего в каждой экосистеме -две связки и по 4 пакетика зелёного чая, 4 пакетика чая ройбуш. Чайные пакетики помещались в почву на глубину 8 см, через определённое время пакетики были выкопаны из почвы, подсушены и отправлены в лабораторию в ФНЦ «ВИК им. В.Р. Вильямса», где проводилось взвешивание и исследование почвы (приложение 3, 4).

Опыт проводился в два этапа – в разные сезоны года (приложение 1, 2). Это даёт более полно исследовать подвижность микроорганизмов в разные сезоны в условиях Подмосковья с выраженным сезонным климатом.

Первый этап: осенне-зимне-весенний сезон, начало этапа - 3 ноября и 9 ноября 2024 года, конец этапа – 4 мая 2025 года (6 месяцев).

Второй этап: летний сезон, начало этапа – 3 июня 2025 года, конец этапа – август 2025 года (три месяца). Этот даёт возможность оценить микробную активность почвенного микробиома в летний период.

Результаты исследований и математическая обработка данных

В первом этапе исследования после извлечения чайных пакетов были утеряны два чайных пакета. Это произошло в экосистеме газон, чайный пакет 25R (ройбуш) и в экосистеме лиственный лес (берёза), чайный пакет 40R (ройбуш). Это не сильно повлияет на опыт, так как было дополнительно взяты несколько образцов.

Извлечённые из почвы пакеты были высушены в сушильном шкафу в лабораторных условиях при температуре +60 С и взвешены мною на аналитических весах.

В таблице 2 представлены средние данные результатов в % уменьшения веса пакетиков.

Таблица 2

Средние показатели уменьшения веса пакетиков. 1 и 2 этапы

В результате анализа таблицы было установлено, что активность микроорганизмов во втором этапе, т.е. в летнее время выше, чем в первом этапе (осень-зима-весна). Причина такого изменения связана с температурой и влажностью. Хотя зима 2024-2025 года была теплой, но температура все-равно ниже, чем летом.

Разложение пакетиков чая наблюдалось в течение всего времени нашего эксперимента, даже в осенне-зимние-весенние периоды. Это может быть связано с тем, что микроорганизмы активно разлагают растительные остатки, поступившие в почву осенью.

Если сравнивать по отдельности естественные и искусственные экосистемы, то максимальное разложение чая в природных экосистемах во все периоды проведения опыта было отмечено в хвойном лесу. Самое минимальное под березой. Это можно объяснить гранулометрическим составом почвы. В еловом – супесь, в березовом – тяжелосуглинистая.

В искусственные экосистемы наибольшее разложение зеленого чая было отмечено на участке, занятым газоном. Возможно, это связано с тем, что здесь наименьшее воздействие антропогенных факторов – внесения удобрений, частой перекопки почвы.

Была проведена компьютерная математическая обработка результатов взвешивания чайных пакетиков с использованием критериев Фишера и Стьюдента с помощью программы Stadia 8.0 по двум этапам эксперимента. Согласно проведенной математической обработки результатов взвешивания пакетиков чай ройбуш существенные отличия есть в экосистеме березовый лес как в 1, так и во 2 этапах по сравнению с другими экосистемами. В этом варианте самая низкая активность микроорганизмов.

Зеленый чай более интенсивно подвергается разложению под действием микроорганизмов, чем чай ройбуш. Для того чтобы понять, почему в почве зелёный чай и ройбуш разлагаются по-разному, составили таблицу, в которой соберём информацию о различиях свойств двух видов чая (таблица 3).

Таблица 3

Различие свойств двух видов чая

Листья ройбуша содержат сложные органические вещества и сахара, поэтому разложение такого чая займёт больше времени, чем зелёного чая, у которого минимальная степень ферментации. Чай ройбуш изготовлен из более плотного растительного сырья, который разлагается дольше. Наличие кофеина в зеленом чае стимулирует микроорганизмы в почве, улучшает циркуляцию питательных веществ и воды к корням. Зелёный чай имеет значительное количество танинов, по сравнению с ройбушем. Дубильные вещества положительно влияют на разложение образцов и обогащение почвы органикой.

Таким образом, мы подтвердили, что зеленый чай разлагается быстрее, чем ройбуш.

В лабораторных условиях вместе с моим научным руководителем было проведено определение кислотности почвы в солевой вытяжке по ГОСТ 26483-85. На диаграмме 2 представлены результаты определения рН сол в почве и изменение веса пакетиков чая.

Диаграмма 2. Изменение веса пакетиков чая и рН сол зеленого и ройбуш

В результате исследований было установлено, что в саду, газоне и теплице, т.е в искусственных экосистемах кислотность почвы нейтральная. На нейтральной или слабокислой почве лучше всего произрастает большая часть растений. В естественных экосистемах, в хвойном лесу (ель) и лиственном лесу (берёза) кислотность почвы очень сильнокислая.

В наших исследованиях четкой зависимости активности микроорганизмов от кислотности почвы мы не обнаружили.

Определение гумуса, азота фосфора и калия проводили в лаборатории аналитических методов исследований без моего участия. Эти данные были мне предоставлены для изучения. После их изучения мной были сделаны выводы (таблица 4).

Таблица 4

Агрохимический анализ почвы

Наибольшее содержание элементов питания отмечено в теплице. Это связано с постоянным внесением удобрений.

Подводя к завершению исследовательскую работу, которая длилась более 9 месяцев, хочется отметить плюсы и минусы метода «чайных пакетиков». Для этого составим таблицу 5.

Таблица 5

Плюсы и минусы метода «чайных пакетиков»

Выводы 

1. Зелёный чай разлагается быстрее, чем ройбуш.

2. Максимальное разложение зелёного чая в природной экосистеме отмечено в хвойном лесу. Самое минимальное под берёзой.

3. В искусственных экосистемах наименьшее разложение зеленого чая в теплице. Очевидно, это связано с антропогенным влиянием – внесением удобрений, частой перекопкой почвы. В почвенных образцах, отобранных в этом варианте, отмечается большое содержание азота, фосфора, калия и гумуса.

4. Согласно проведенной математической обработке, наименьшая активность микроорганизмов, по сравнению с другими вариантами опыта, в течение всего периода проведения эксперимента была отмечена в экосистеме «березовый лес».

5. На активность микроорганизмов влияют такие факторы, как температура, влажность почвы, гранулометрический состав почвы, вид экосистемы и антропогенное влияние.

7. Метод с чайными пакетиками является простым индикатором экологического состояния почвы, но он не идеален.

Приложение