ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ БИОЛОГИЧЕСКАЯ, 2013, № 4, с. 495-504
= ЭКОЛОГИЯ
УДК 631.46
БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ПОЧВ ПОСЕЛЕНИЙ ВОСТОЧНОЕВРОПЕЙСКОЙ (Microtus rossiaemeridionalis) И РЫЖЕЙ
(Clethrionomys glareolus) ПОЛЕВОК
© 2013 г. Е. С. Манаева*, Н. О. Ломовцева**, Н. В. Костина**, М. В. Горленко**, М. М. Умаров**
* Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН, 119071 Москва, Ленинский просп., 33 ** Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, ф-т почвоведения, 119991 Москва, Ленинские горы, 1, стр. 12 E-mail: lizamanaeva@gmail.com Поступила в редакцию 03.07.2012 г.
Исследовано влияние восточноевропейской (Microtus rossiaemeridionalis) и рыжей (Clethrionomys glareolus) полевок на биологическую активность дерново-подзолистой почвы и культурозема. Для оценки этого влияния измерена активность трансформации азота и углерода в почве, взятой с тропинок и из разных отделов нор грызунов, а также с контрольных участков, свободных от влияния полевок. Определено содержание органического углерода и азота в почве и изучены параметры функционального разнообразия микробного сообщества почв. Отмечено, что влияние полевок на биологическую активность указанных почв проявилось в статистически достоверном повышении интенсивности аэробного и анаэробного разложения органических веществ и изменении параметров функционального разнообразия микробного сообщества почв.
DOI: 10.7868/S0002332913040115
Почвы, на которых находятся поселения (колонии) животных, занимают значительные площади и существенно отличаются от зональных почв по основным морфологическим и физико-химическим показателям, причем наиболее отчетливо это заметно при изучении массовых по численности поселений животных, длительно использующих одну территорию (Карпачевский, 1997). Тем не менее к настоящему времени имеются лишь отрывочные сведения о биологической активности таких почв, особенно о напряженности процессов трансформации углерода и азота, хотя последняя и определяет биологическую продуктивность и биологическое разнообразие таких территорий. Так, выявлена активизация беспозвоночными животными, в частности дождевыми червями, микробиологической деятельности в почве (Стриганова, 1989; Lee, 1991; Rose, 1997; Костина и др., 2011). Данных о воздействии на почву позвоночных животных сравнительно мало. Описана лишь их роль в формировании микрорельефа (Ралль, 1940; Кучерук, 1983; Динесман, Киселева, 1991) и в изменениях некоторых физических и химических свойств почв за счет привноса растительных остатков (Абатуров, 1984; Кучерук, 1983; Динесман, Киселева, 1991). Сведения о влиянии грызунов на микробный состав и активность микроорганизмов в почвах немногочисленны и противоречивы, хотя грызуны представляют особый интерес в
этом отношении, поскольку являются наиболее многочисленными представителями позвоночных животных во многих экосистемах, занимают обширные территории и в процессе своей жизнедеятельности воздействуют на почву. Добрин-ским (Добринский и др., 1983) и Беловым (Белов и др., 2002) изучалось влияние нескольких видов полевок (М1сгоШз agrestis, М. оесопотш, М. grega-Ш, М. агуаШ) на биологическую активность луговых и дерново-подзолистых почв. Результаты этих работ неоднозначны: на участках, заселенных полевками, отмечалось как повышение активности азотфиксации (Добринский и др., 1983), так и существенное (на два порядка) ее снижение (Белов и др., 2002).
Цель работы — оценка биологической активности почв разных типов (дерново-подзолистой и культурозема), характерных для поселений двух широко распространенных видов полевок: восточноевропейской (М. rossiaemeridionalis) и рыжей (Clethrionomys glareolus), отчетливо различающихся по местам обитания и пищевой специализации. Восточноевропейские полевки питаются преимущественно зелеными частями растений, хотя могут использовать в пищу семена трав, корневища, луковицы, кору, ягоды и плоды фруктовых деревьев (Башенина, 1977; Мокеева, Ченцо-ва, 1981; Обыкновенная полевка..., 1994). Они ведут оседлый, преимущественно семейный образ жизни, роют неглубокие (20—30 см) норы с сетью
постоянных тропинок вокруг них. Рыжие полевки характеризуются смешанным типом питания. Их рацион зависит от сезона. Так, осенью они питаются преимущественно семенами, причем семена "заедают" зелеными частями растений и наоборот (Европейская рыжая полевка, 1981). Живут они поодиночке в поверхностных норах, часто используют естественные пустоты под поваленными деревьями и т.п.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Биологическая активность дерново-подзолистой почвы изучалась на образцах, взятых на территории научно-экспериментальной базы "Черноголовка" ИПЭЭ РАН (Московская обл.) с участков, заселенных рыжими полевками, а также на образцах, взятых в Ботаническом саду МГУ с участка культурозема, населенного восточноевропейскими полевками. Образцы почв с мест поселений восточноевропейских полевок (19 образцов), рыжих полевок (17 образцов) и контрольных участков (10 образцов) были отобраны с сентября 2010 г. по июнь 2011 г. с тропинок и из разных сегментов нор грызунов (входов, ходов, тупиковых и гнездовых камер). Контрольными служили образцы почв с территорий, не заселенных полевками, из почвенных горизонтов, соответствующих таковым для образцов из нор.
Активности азотфиксации, денитрификации, метаногенеза, актуальной и потенциальной эмиссии С02 в образцах почв определяли методом газовой хроматографии (Методы..., 1991). Нитроге-назную активность (ацетиленредукцию) и эмиссию СН4 измеряли на газовом хроматографе "Кристалл-2000" (Россия) с пламенно-ионизационным детектором. Активность эмиссии ^О (денитрификации) исследовали на газовом хроматографе "Кристалл-2000" с детектором электронного захвата, эмиссии СО2 — на хроматографе московского опытного завода "Хроматограф" (модель 3700/4) с детектором теплопроводности.
Для определения нитрогеназной активности навески почв (5 г) помещали во флаконы (объем 10 мл), в которые и вносили 1 мл 5%-ного раствора глюкозы. Через 1 сут флаконы герметично закрывали резиновыми пробками и вводили в них 1 мл ацетилена. Флаконы инкубировали в термостате при температуре 28°С в течение 1 ч, после чего отбирали пробу газовой фазы объемом 1 мл и анализировали на газовом хроматографе.
Для оценки активности денитрификации навеску почв (5 г) помещали во флакон, добавляли в него раствор глюкозы и KN03 (из расчета 2.5 мг глюкозы и 8 мг нитрата калия на 1 г почвы). Флаконы закрывали резиновыми пробками, затем в течение 30 с продували аргоном для создания анаэробных условий и после этого шприцем вво-
дили 1 мл ацетилена. Флаконы инкубировали в термостате при температуре 28°С в течение 1 сут, после чего измеряли концентрацию N2O.
Для определения активности метаногенеза навески почв (5 г) помещали во флаконы объемом 10 мл, вытесняли из них воздух аргоном, после чего инкубировали в термостате 5 сут и измеряли концентрацию CH4.
Для измерения эмиссии CO2 навески почв (2 г) помещали в герметично закрывающиеся флаконы и инкубировали в термостате 1 сут, после чего определяли концентрацию СО2. Потенциальную эмиссию СО2 определяли при добавлении раствора глюкозы (из расчета 2.5 мг на 1 г почвы).
Содержание N и C в образцах почв определяли на элементном анализаторе VarioEL III CHNS (Германия).
Функциональное разнообразие микробных сообществ в образцах почвы исследовали по спектрам потребления органических субстратов методом мультисубстратного тестирования (МСТ) (Горленко, Кожевин, 2005). МСТ является стандартным методом почвенной микробиологии и выполняется в соответствии с Методикой выполнения измерений интенсивности потребления тест-субстратов микробными сообществами почв и почвоподобных объектов фотометрическим методом (ФР.1.37.2010.08619).
Пробы почв массой 0.7 г помещали в стакан для центрифугирования и заливали дистиллированной водой (1 : 50). Полученную суспензию обрабатывали в течение 1 мин на шейкере типа Vortex (Германия) для десорбции микроорганизмов от минеральных частиц почвы, которые впоследствии осаждали центрифугированием (2000 g, 2 мин). К выделенной фракции микробного сообщества добавляли индикатор потребления субстратов (соль тетразолия), перемешивали их и вносили по 200 мкл в каждую лунку 96-луночного планшета, содержавшего набор из 47 тест-субстратов, в двух повторностях. Используемые тест-субстраты включали в себя сахара, аминокислоты, полимеры, нуклеозиды, соли органических кислот, спирты. Планшеты инкубировали в термостате при 28°С до появления визуально регистрируемой окраски ячеек (72 ч), вызванной развитием микроорганизмов в ячейках, восстанав-ливавщих трифенилтетразолий в формазан, окрашивавший среду в ячейке в красный цвет. Концентрация формазана и обусловленная им оптическая плотность ячейки определялись интенсивностью роста группы микроорганизмов, способных потреблять тест-субстрат, содержавшийся в данной ячейке.
После окончания инкубации осуществляли фотометрическое считывание оптической плотности ячеек в 510-нанометрическом диапазоне программно-аппаратным комплексом "Эко-Лог"
(Россия), формируя базу данных по спектру поглощаемых субстратов (СПС) (Горленко, Коже-вин, 2005). При анализе СПС программное обеспечение "Эко-Лог" автоматически вычисляет как традиционные параметры биоразнообразия (индекс Шеннона (Я), выровненность (Е), количество потребленных субстратов (Ы), удельную метаболическую работу (№)), так и коэффициент рангового распределения спектров потребления субстратов как меру дестабилизации микробной системы. Наиболее информативен коэффициент рангового распределения, отражающий нестабильность сообщества. Варьируя в природных и модельных системах от 0.01 до 2, d позволяет оценить благополучие и стабильность микробных сообществ. На основании проведенных ранее экспериментов была введена следующая шкала: в микробных системах, имеющих максимальный запас прочности, d = 0.01—0.4 (состояние отличное); в устойчивых стабильных системах d = 0.4— 0.6 (состояние хорошее); для систем с истощенными ресурсами или находящихся под обратимым воздействием какого-либо нарушающего фактора характерны значения d о
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.