Элементы почвенной микробиологии на уроках
Из журнала «Естествознание в школе –№ 000.- №3»
, кандидат сельскохозяйственных наук, младший научный сотрудник лаборатории биологии и химии почв Биологического НИИ СПб Государственного Университета.
, учитель высшей категории школы № 000 Санкт-петербурга.
В статье описываются доступные для школьников экспериментальные методы исследования почвенных микроорганизмов, которые могут быть использованы в рамках курсов естествознания (при изучении соответствующих разделов) или при проведении исследовательских работ.
Любое образование, претендующее на формирование системных, целостных представлений об устройстве окружающего мира, о процессах, протекающих в нем, и о путях сохранения богатства и разнообразия этого мира, обязательно должно использовать различные способы обучения. В соответствии со спецификой естествознания, одной из важнейших форм обучения является учебный эксперимент.
Эксперимент выполняет, кроме познавательной, ещё и интегративную функцию в системе естественнонаучного образования учащихся, поскольку рассматривает не только конкретные объекты изучения данной науки, но и систему их взаимосвязей с окружающей средой. Поэтому организация экспериментальной деятельности школьников – одна из важнейших задач, стоящая перед педагогом-преподавателем естествознания.
Изучение почв является обязательным компонентом практически любой программы курса «Естествознание», однако, как правило, эти темы не вызывают особого интереса как у учителей, так и у учащихся. Причины этого понятны — с одной стороны, почвы являются достаточно сложным для изучения многокомпонентным объектом, с другой — отсутствует или недостаточно методическое сопровождение уроков по данной теме.
В то же время, при правильном подходе, раздел, касающийся почв, может быть связующим, центральным звеном курса «Естествознания» и изучение почв может быть доступно для начинающего исследователя (например, ученика 5 или 6 класса). Почвы, как известно, сочетают в себе признаки «живой» и «неживой» природы, в их составе присутствуют элементы практически всех оболочек планеты — литосферы, гидросферы, атмосферы и живых организмов. По мнению Президента Всемирной ассоциации почвоведов А. Руэллана, «…если мы хотим говорить о почве с людьми, которые о ней ничего не знают, мы должны в первую очередь начинать с того, что достаточно легко наблюдать в почве — цвет, агрегаты, поры, корни и др.» (1). Одним из таких простых для изучения объектов являются некоторые почвенные микроорганизмы.
Практические методики работы с почвой
Методика отбора почвенных образцов
В случае, если предполагается работать только с верхними горизонтами (слоями) почв, образцы следует отбирать в 4-5- кратной повторности на расстоянии нескольких шагов: по сторонам воображаемого квадрата и посередине его. Образец отбирается на глубину штыка лопаты. Верхняя часть, представленная подстилкой или дерном, обычно для анализа не используется.
Если образцы отбираются из почвенного разреза (профиля)- специальной ямы, прямоугольной формы, дающей возможность наблюдать все горизонты почвы для материнской породы (породы, не затронутой почвообразовательными процессами), то следует их отбирать из средней части каждого горизонта и непременно фиксировать глубину взятия. Почвенные горизонты различаются по цвету, плотности, влажности, структуре и т. д. и представляют собой «отпечатки» отдельных процессов, протекающих в данной почве: образования гумуса (верхний горизонт), изменения минеральной части почвы и т. д.
Определение протеазной активности почвенных организмов
Активность жизнедеятельности почвенных микробиоценозов — наиболее чувствительная к смене экологических условий характеристика почвы. Она, в отличие от механического состава, структуры, рН, содержания гумуса (т. е. показателей, обычно определяемых при почвенных исследованиях в рамках средней школы), не зависит от происхождения и типа почвы, что позволяет сравнивать разнородные объекты. Это особенно важно для городских почв, генетические и агрохимические характеристики которых существенно варьируют даже на небольших участках.
Суммарная биологическая активность почв может быть определена по протеазной активности живущих в них микроорганизмов.[1]Протеаза – фермент, расщепляющий пептиды.
Оборудование: коробки или банки для компостирования образцов; неиспользованная засвеченная фотопленка; фотоувеличитель и люксометр или палетка.
Ход работы:
1. Подготовка образцов почвы:
v отобранные образцы (по 300-500 грамм) нужно поместить в емкости для компостирования и увлажнить до 50-60% от ПВ[2]. Это проще всего сделать так: вливать воду частями, размешивая, до образования самых крупных почвенных агрегатов (комочков). Как только они начнут распадаться, прекратить добавление воды.
v на дно коробки или банки поместить нарезанную (по 2-3 кадра) фотопленку эмульсионным (светлым) слоем вверх. Фотопленку лучше сначала намочить в течение 10-15 минут.
2. Компостирование образцов:образцы выдерживаются при комнатной температуре от 10 до 14 дней. Необходимо дополнительное увлажнение.
3. Окончание эксперимента и регистрация результатов:
- Пленку нужно осторожно вынуть и промыть под струей воды (не тереть!), после чего высушить.
- Существует два способа обработки результатов: подсчет % “растворенного” микроорганизмами эмульсионного слоя вручную по палетке (прозрачная пленка, расчерченная на равные квадраты (по 0,5 см)) или с помощью люксметра. Для этого фотопленки помещают в кадродержатель фотоувеличителя (желательно, чтобы помещение было затенено) и люксметром измеряют освещенность стола под фотоувеличителем при закрытом затворе (0%), открытом без пленки (100%) и с пленкой (рабочее значение).
Методика изучения микробиоценозов почв
Почва является более благоприятной средой для микроорганизмов. Почва — это гетерогенная среда, в каждом микролокусе почвы складывается специфический комплекс экологических условий по влажности, температуре, засолению, компонентам питательного субстрата. Каждый микролокус почвы имеет свой сложившийся микробоценоз. Количество и разнообразие микроорганизмов в почве характеризует ее биологическую активность, чем больше ее показатель, тем более благоприятны почвенные условия для растений.
Изучить микробиоценозы почв можно методом посева почвенного мелкозема по Новогродскому (2). В состав микробиоценоза почвы входят: бактерии (доминирующая группа), актиномицеты, дрожжи, плесневые грибы, водоросли, простейшие.
Ход работы:
1. Подготовка питательной среды. Посев почвы делают на голодный агар, который имеет состав: на 1 л воды 18 г агара. Воду доводят до кипения, добавляют агар, разваривают 30 минут. Полученную среду стерилизуют и разливают в стерилизованные чашки Петри слоем 0,5 см.
2. Подготовка пробы почвы. Сухую почву растирают в ступке пальцем в резиновой перчатке в течение 5 минут для десорбции клеток с поверхности почвенных частиц и их разобщения. Растертую пробу почвы просеивают через сито с диаметром отверстия 0,25 мм.
3. Посев почвы и культивирование микроорганизмов. Полученную почвенную пыль высевают в чашки Петри на голодный агар (навеска 10-50 мг). Засеянные чашки помещают в термостат при температуре 25 0С на 3-5 дней.
4. Микроскопирование образцов. Пробиркой с ровным краем вырезают агаровые блоки и с помощью пинцета помещают на предметное стекло. Микроскопируют образец на увеличении примерно х120 (значение общего увеличения получают путем перемножения значений увеличений объектива и окуляра).
5. Работа с препаратом. На препарате видно, что почвенная пылинка служит центром микробиоценоза, рост которого идет локально (по водной пленке вокруг почвенной частицы за счет питательных компонентов самой почвы)
Бактерии выглядят как мелкая зернистость вокруг почвенной частицы, окрашены в желто-коричневые или серо-белые тона.
Актиномицеты или лучистые грибки — микроскопические прокариоты тело которых часто представлено ветвящимся мицелием, образуют тонкий бесцветный субстратный мицелий в виде прямых или разветвленных нитей, от которого отходят более толстые темные гифы (нити) воздушного мицелия, формирующие конидиеносцы (специальные спороносные органы). Гифы воздушного мицелия могут быть прямые, спирально закрученные, волнистые.
Эукариотические грибы в основном представлены плесневыми грибами. Их мицелий в 10 раз толще, чем у актиномицет.
Водоросли видны в виде округлых клеток, может просматриваться оформленное ядро. Под микроскопом клетки водорослей обычно светятся, так как содержат пигменты.
6. Микробиоценозы почвы зарисовывают. При этом мицелий актиномицет рисуют одной линией, так как он целостный, не имеет перегородок. Сначала рисуют субстратный мицелий, а затем воздушный. Мицелий плесневых грибов рисуют двумя линиями, показывая толщину.
/
Примерные направления исследовательских работ
По приведенным методикам, в зависимости от поставленной цели, возможно выполнение различных исследовательских работ:
- Работы по сравнению микробиологических особенностей различных почв;
- Сравнение различных почвенных горизонтов;
- Изучение влияния различных экологических условий, например, температуры, влажности и т. д. (достигается созданием различных условий компостирования);
- Изучение влияния антропогенных факторов (например, удобрений или тяжелых металлов)
Подобные исследования могут быть как самостоятельными, так и являться частью комплексных работ (например, посвященных изучению растений в природе, или изучению почвенных организмов и т. д.).
Использование методик в урочной деятельности
На изучение почв в рамках курсов естествознания отводится 3-4 часа (занятия происходят 1-2 раза в неделю). Поэтому возможно проведение исследований в рамках урочной деятельности. При таком подходе на первом уроке готовятся среды (или субстраты для компостирования), а через неделю анализируются результаты.
Пример комплексной работы, выполненной в рамках внеурочной деятельности
Работа была посвящена исследованию влияния солей тяжелых металлов (сульфата цинка, сульфата меди и ацетата свинца) на проростки овса и почвенные микроорганизмы и была выполнена учащимися 6-го класса.
Работа заключалась в закладке микровегетационного опыта в пластиковых кюветах (в четырех вариантах — с использованием трех различных загрязнителей и контрольный вариант — и в трехкратной повторности). В качестве объекта исследования был выбран овес (семена куплены в магазине зоотоваров), субстратом служил верхний горизонт почвы с пришкольной клумбы. В качестве загрязнителей использовали 1% растворы солей металлов. Одновременно с характеристиками проростков (длина, вес и всхожесть семян) определялась протеазная активность микроорганизмов.
Исследование показало, что эти два основных показателя тесно связаны между собой — то есть что неблагоприятное воздействие тяжелых металлов сказывается как на растениях, так и на микроорганизмах. В этом опыте было выявлено, что наиболее опасным оказался сульфат свинца, наименее – соль меди.
Выполнение данной работы позволило решить сразу несколько дидактических задач. Часть из них заключалась в повторении материала, изученного в рамках курса естествознания (например, касающегося химических соединений – солей металлов, приготовления растворов определенной концентрации, техники взвешивания и т. д.), часть была новой — освоение новых методик, работа с новыми объектами и т. д.
Таким образом, с использованием доступных материалов и простых приборов возможно выполнение достаточно сложных исследований даже учениками 5-6 классов, изучающими естествознание.
Литература
1. О научных основах почвоведения // Почвоведение, 1996, № 4
2. Аристовская процессов почвообразования. - Л.: Наука, 1980.
[1] Протеазная активность почв определяется активностью экзоферментов почвенных грибов и микроорганизмов и зависит от их численности и активности.
[2] Полная влагоемкость – количество влаги (в %% к массе сухой почвы), которое данная почва способна вместить при затоплении. 50-60% от ПВ – оптимальная влажность почвы.
