На правах рукописи
Мустафа Исмаил Умер
Пространственная дифференциация микробиологических показателей и процессов корневого поглощения на агрегатном уровне почв
Специальности: 03.02.13 – почвоведение
03.02.03 – микробиология
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
Москва - 2013
Работа выполнена на кафедре микробиологии и иммунологии и кафедре агрохимической, биологической химии и радиологии факультета почвоведения, агрохимии и экологии Российского государственного аграрного университета – МСХА имени К.А. Тимирязева
Научные руководители: доктор биологических наук, профессор
Алексей Дмитриевич Фокин;
кандидат биологических наук, доцент
Анна Андреевна Ванькова
Официальные оппоненты: Ларешин Вячеслав Григорьевич,
доктор биологических наук, профессор кафедры почвоведения, земледелия и земельного кадастра ФГБОУ ВПО «Российский университет дружбы народов»;
Якушев Андрей Владимирович, кандидат биологических наук, младший научный сотрудник кафедры биологии почв факультета почвоведения Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.
Ведущая организация: Почвенный институт имени В.В. Докучаева РСХАН
Защита состоится « 16 » сентября 2013 г. в 14 часов 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 220.043.02 при Российском государственном аграрном университете - МСХА имени К.А. Тимирязева по адресу: 127550, Москва, ул. Прянишникова, 15 (тел./факс: 8 (499)976-24-92)
С диссертацией можно ознакомиться в Центральной библиотеке РГАУ - МСХА имени КА. Тимирязева.
Автореферат разослан «29» мая 2013 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Игнатьева С.Л.
Общая характеристика работы
Актуальность. Почва – уникальное по гетерогенности природное образование. Эта гетерогенность проявляется на различных уровнях структурной организации почв – от элементного и вещественного до почвенно-профильного и территориального, она распространяется как на биотическую, так и косную часть почвы.
Подавляющая часть почвенных исследований традиционно связана с гетерогенностью почв на профильном уровне.
Существенно менее изучены вопросы дифференциации почв на других уровнях структурной организации, в частности, на агрегатном. В данной области основное внимание уделялось исследованию агрегатного и микроагрегатного составов почв, а также устойчивости почвенных агрегатов к воздействию факторов, приводящих к их разрушению. Исследования в данном направлении имеют исключительно важное значение для понимания и практического использования механизмов, определяющих формирование благоприятных для растений физических условий корнеобитаемого слоя почвы и её устойчивости.
Однако гетерогенность почв на агрегатном уровне проявляется еще и в различиях состава, свойств и процессов на поверхности и внутри почвенных агрегатов. На это обстоятельство обратил внимание еще В.Р. Вильямс (1939), указывая на неизбежные различия окислительно-восстановительных условий в различных частях агрегата, что, в свою очередь, приводит к различиям в составе и численности микрофлоры, условий разложения органического вещества, формирования режимов и запасов элементов питания для растений, и другим свойствам и процессам. В последующем изучение отдельных сторон этой проблемы получило определенное развитие [Н.А. Качинский (1958), Н.А. Красильников (1958), Е.В. Шеин (2005), Horn R. (1987), Kayser A.T. еt al. (1994)].
Особая роль почвенных агрегатов проявляется в условиях аэральных загрязнений почв, поскольку первичное взаимодействие и закрепление токсичных веществ происходит на поверхности агрегатов, что существенно влияет на их поведение в экосистемах и загрязнение биопродукции (А.Д. Фокин и др., 2003).
Однако нельзя не признать, что исследования в данном направлении имели отрывочный, несистемный характер.
Итак, актуальность работы обусловлена недостаточной изученностью роли поверхности почвенных агрегатов и внутрипедной массы почвы в формировании важнейших биологических свойств почвы, определяющих её биопродуктивность, условия трансформации органических остатков, поступление элементов минерального питания и загрязняющих веществ в растения.
Цель исследования – сопоставить численность, состав и активность микроорганизмов на поверхности и внутри почвенных агрегатов дерново-подзолистой и темно-серой лесной почв, а также оценить интенсивность поглощения корнями растений элементов, локализованных на поверхности и внутри почвенных агрегатов, на примере 90Sr.
Задачи:
Определить микробиологическую активность на поверхности и внутри почвенных агрегатов.
Изучить биоразнообразие поверхностной и внутрипедной массы почв.
Дать экологическую оценку степени устойчивости микробного сообщества на поверхности и внутри почвенных агрегатов.
Апробировать различные методы получения агрегатов с различным типом локализации меченых веществ (на поверхности агрегата, внутри агрегата и с равномерным распределением метки по всему объёму агрегата).
Провести вегетационные опыты с мечеными агрегатами для количественной оценки поглощения 90Sr, локализованного в различных частях агрегата.
На защиту выносятся следующие положения:
Микробиологическая активность на поверхности и внутри агрегатов дерново-подзолистой и темно-серой лесной почв различается. Метаболическая активность микроорганизмов на поверхности агрегатов выше, чем внутрипедной массе.
В структуре микробного комплекса обеих почв преобладают бактерии. Численность их в основном не отличается по зонам агрегатов. Численность грибов на поверхности агрегатов выше, чем во внутренней их части. Видовое разнообразие бактерий и грибов различается по зонам агрегатов.
Микробный ценоз внутренней части почвенных агрегатов характеризуется более стабильным состоянием и устойчивостью по сравнению с поверхностью.
Разработанный метод получения почвенных агрегатов с различной локализацией изотопно-меченых веществ в пространстве агрегата может быть использован для изучения дифференциации корневого питания на агрегатном уровне.
Поглощение 90Sr с поверхности почвенных агрегатов происходит в 2 - 3 раза интенсивнее, чем поглощение из внутрипедного пространства.
Научная новизна. Впервые показана микробиологическая дифференциация дерново-подзолистой и темно-серой лесной почв Владимирской области на агрегатном уровне. Впервые для оценки микробиологической активности поверхностной и внутрипедной массы почвы использованной показатели субстрат-индуцированного и базального дыхания.
Впервые отработана методика получения агрегатов с поверхностной и внутрипедной дифференциацией веществ путём нанесения почвенной суспензии на поверхность агрегата.
Впервые показано, что в условиях вегетационного опыта интенсивность корневого поглощения 90Sr, локализованного на поверхности агрегата, в 2 - 3 раза превосходит поглощение радионуклида из внутрипедной массы.
Практическая значимость. Результаты работы дополняют современные представления о распределении и активность микроорганизмов в почвенном агрегате. Полученные данные могут послужить основой для создания базы данных и разработки критериев экологической оценки микробиологических показателей состояния почв, которые будут полезны для целей диагностики при проведении мониторинга почвенных экосистем.
Показана неэффективность фиторемедиации почв, загрязнённых 90Sr, для очистки их от радионуклида. Разработана универсальная диаграмма, позволяющая оценить, при каких значениях коэффициентов накопления любых веществ и урожая надземной фитомассы фиторемедиация может быть эффективной.
Высокий уровень агрегированности почвенной массы и устойчивость агрегатов в условиях аэральных загрязнений благоприятствуют поступлению загрязняющих веществ в растения. Полное переагрегирование почвенной массы в 2 – 3 раза снижает поступление 90Sr в растительную биопродукцию.
Апробация и публикация результатов исследований. Материалы исследований по теме диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях кафедры микробиологии и иммунологии факультета почвоведения, агрохимии и экологии РГАУ-МСХА им. К.А.Тимирязева (2011, 2012, 2013), Международной научной конференции молодых ученых и специалистов РГАУ-МСХА 01 - 02 июня 2011 г., 8-ом Международном почвенном конгрессе «Land degradation and challenges in sustainable soil management» (Cesma, Измир, Турция, 2012). По материалам диссертации опубликовано 3 работы, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 124 страницах, иллюстрирована 39 рисунками, содержит 10 таблиц. Работа состоит из введения, 5 глав, выводов и списка использованной литературы, содержащего 91 источник, из них 43 источника на иностранном языке.
Благодарности. Выражаю глубокую признательность научным руководителям профессору А.Д. Фокину и доценту А.А. Ваньковой за руководство исследованиями, всестороннюю помощь и поддержку. Благодарен сотрудникам кафедры микробиологии и иммунологии, особенно Л.В. Самохину, О.В. Колесникову, студентке А.И. Батмановой за помощь в проведении исследований. Признателен сотрудникам кафедры агрономической, биологической химии и радиологии за внимание, ценные советы и доброжелательные замечания.
Основное содержание работы
Глава 1. Объекты и методы
Объектами исследования служили воздушно-сухие агрегаты размером 10 – 20 мм двух типов почв - дерново-подзолистой и темно-серой лесной (Владимирская область). Разделение поверхностной (ПОВ) и внутрипедной массы (ВПМ) проводили методом прямого соскабливания поверхностного слоя (~ 2 мм) почвенных агрегатов (Таргульян, 1974; Horn, 1987). Полученные образцы почв (m ~ 200 г) измельчали и просеивали через сито (d пор – 1 мм). Инициацию микробного сообщества проводили увлажнением почвенных образцов до 60 % ПВ и инкубацией в термостате при t 22 °C в течение 5 суток.
Изучение активности микроорганизмов проводили методом газовой хроматографии по интенсивности выделения почвой СО2 («дыхание» почвы) на хроматографе «Кристалл-5000-2» (Россия). В образцах почв определяли субстрат-индуцированное дыхание (СИД), базальное дыхание (БД), рассчитывали микробную биомассу (Смик) и микробный метаболический коэффициент (QR). (Anderson, Domsch, 1978; Domsch et al., 1979; Ананьева 2003).
Изучение численности и состава микроорганизмов проводили методом питательных пластин (метод Коха) (Теппер и др., 2004). Для выявления сапротрофных аэробных и факультативно-анаэробных бактерий использовали мясо-пептонный агар (МПА), грибов – среду Чапека. Для учета численности бактерий использовали разведения 10-5 и 10-6, грибов - 10-3 и 10-4. Температура инкубации + 28 ˚С. Подсчет колоний бактерий проводили на 4 день, грибов – на 8-ой. Химические свойства почвы определяли следующими методами: рНн2о - потенциометрически на иономере И - 160 (почва: н2о = 1 : 2,5), обменный калий - по Кирсанову (1 н ацетатом аммония рН 7,0), фосфор – методом Труога – Мейера (Truog, Meyer, 1929). Микробиологические и химические исследования проводили в три срока: весной (25.05.2011), летом (28.08.2011) и осенью (21.11.2011). Радиометрические измерения 90Sr проводили на счётчиках Гейгера-Мюллера типа СТС-13.Статистический анализ данных сделан в Excel (2003).
Глава 2. Микробиологическая активность на поверхности и внутри почвенных агрегатов
Метод определения субстрат-индуцированного дыхания (СИД) является простым, быстрым и экономичным методом определения С микробной биомассы в почвах и органических остатках. Он основан на том, что начальная скорость продукции CO2 микроорганизмами в ответ на внесение в почву легкодоступного энергетического субстрата пропорциональна их массе (Carter et al., 2008). В качестве легкодоступного субстрата использовали глюкозу как самый распространенный в природных полимерах мономер, превышающий количество других сахаров на два прядка (Lynch, 1976; Щербакова, 1983). Основным источником глюкозы в почве является растительный опад, на 70 – 80 % состоящий из целлюлозы. Этот полисахарид в почве утилизируется микроорганизмами в виде глюкозы, образующейся в результате внеклеточной ферментативной деполимеризации целлюлозным комплексом (Готтшалк, 1982). Поэтому потребление глюкозы рассматривается как модель минерализации органического опада почвенными микроорганизмами. Потребление глюкозы микроорганизмами почвы in situ за время, в течение которого не происходит роста и размножения клеток (несколько часов), положено в основу определения содержания микробного углерода (биомассы) в почве. При температуре, равной 22 + -0,5 °С, выделение 1 мл СО2 в час соответствует 40 мг углерода микробной биомассы почв (Ананьева, 2003).
Полученные результаты показали, что динамика СИД и БД в изучаемых почвах имеет общий характер: возрастание эмиссии СО2 в летний период и закономерное снижение к осени (Рис.1). Весной СИД внутри почвенных агрегатов немного выше, чем на поверхности в обеих почвах. Максимальные значения этого показателя приходятся на летний период. В дерново-подзолистой почве наибольшее значение в этот период отмечено на поверхности агрегатов (32,03 мкг С - СО2 / г почвы ∙ час), по сравнению с внутренней частью (25,91 мкг С - СО2 / г почвы ∙ час), а в темно-серой лесной почве - внутри агрегатов (34,06 мкг С - СО2 / г почвы ∙ час), по сравнению с поверхностью (25 мкг С - СО2 / г почвы ∙ час). Осенью значения СИД достоверно выше на поверхности почвенных агрегатов обеих почв. Базальное дыхание (БД) определяли как среднее потребление кислорода без добавления глюкозы, т.е. реальное (актуальное) дыхание почвы. Этот показатель часто используется в качестве критерия оценки почвенного плодородия, так как он отражает доступность органического вещества для почвенных микроорганизмов, поскольку весь углерод, теряемый почвой с дыханием, должен проходить через микробный пул (Witter, 1996).
а)
б)
Рис. 1. Динамика субстрат-индуцированного (СИД) и базального (БД) дыхания на поверхности (ПВ) и внутри почвенных агрегатов (ВПМ) дерново-подзолистой (а) и темно-серой лесной (б) почв.
Значения БД оказались выше на поверхности почвенных агрегатов обеих почв во все сроки наблюдения. Максимальные значения показателя (6,31 мкг С - СО2 / г почвы ∙ час и 5,92 мкг С - СО2 / г почвы ∙ час) отмечены летом на поверхности агрегатов дерново-подзолистой и темно-серой лесной почв соответственно, минимальные – осенью (0,29 мкг С - СО2 / г почвы ∙ час и 0,30 мкг С - СО2 / г почвы ∙ час) внутри агрегатов дерново-подзолистой и темно-серой лесной почв соответственно. Таким образом, активность микробного сообщества почвы выше на поверхности почвенных агрегатов.
а)
б)
Рис. 2. Микробная биомасса (Смик) внутри и на поверхности почвенных агрегатов дерново-подзолистой (а) и темно-серой лесной (б) почв.
Микробная биомасса почвы (Смик) – это наиболее подвижная фракция органического вещества почвы, способная быстро реагировать на изменения состояния почвы и коррелирующая с микробиологической активностью (Chander et al., 2001; Brookes, 2005). В ненарушенных почвах существует достоверная линейная зависимость между содержанием органического вещества и объемом почвенной микробной биомассы. Углерод почвенной микробной биомассы составляет 1 - 4 % от общего органического углерода, что зависит от типа почвы, ее обработки, а также климатических условий (McGrath et al., 1995). Соотношение углерода микробной биомассы и общего органического углерода почвы может служить показателем функционирования почвенной экосистемы (Dahlin, 1997). Полученные значения микробной биомассы имеют такую же закономерность изменения в почвенном агрегате и посезонно, как и показатель микробиологической активности – СИД.
(Рис). Микробной биомасса в обеих почвах увеличивается в летний период и снижается к осени. Максимальные значения данного показателя 2352 мкг С - СО2 / г почвы∙час и 2501 мкг С - СО2 / г почвы∙час отмечены в летний период на поверхности агрегатов дерново-подзолистой и внутри агрегатов темно-серой лесной почвы соответственно.
Интегральным показателем состояния и устойчивости микробного сообщества почвы может служить микробный метаболический коэффициент (QR), который в наших исследованиях рассчитан как отношение БД и СИД. Этот показатель является универсальным индикатором нарушения экологического равновесия системы и наглядно отражает способность микробного сообщества преодолевать внешние воздействия (Благодатская и др., 2001).
Рис. 3. Изменение микробного метаболического коэффициента (Qr) внутри и на поверхности почвенных агрегатов дерново-подзолистой и темно-серой лесной почв.
Полученные данные показывают, что значение микробного метаболического коэффициента весной и летом выше на поверхности почвенных агрегатов по сравнению с внутрипедной частью (Рис.3). Особенно контрастны показатели летом, когда Qr на поверхности агрегатов в несколько раз выше, чем внутри. Это объясняется тем, что микроорганизмы, обитающие на поверхности агрегатов находятся в более активном состоянии и обменные процессы идут более энергично. Микробное сообщество, обитающее внутри агрегатов, защищено от внешних воздействий, приток питательных веществ и кислорода затруднен, вследствие чего микроорганизмы менее активны. Возможно, часть микроорганизмов находится в покоящемся состоянии. Микробное сообщество внутренней части агрегатов характеризуется более стабильным состоянием и устойчивостью по сравнению с поверхностью. Осенью различия значений Qr по зонам агрегатов не существенны.
|
