МИКРОБИОЛОГИЯ, 2007, том 76, № 5, с. 711-719
= ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ
УДК 631.46-576.8
ЧИСЛЕННОСТЬ, БИОМАССА, СТРУКТУРА И АКТИВНОСТЬ МИКРОБНЫХ КОМПЛЕКСОВ НИЗИННЫХ И ВЕРХОВЫХ ТОРФЯНИКОВ
© 2007 г. А. В. Головченко*'1, Е. Ю. Тихонова**, Д. Г. Звягинцев*
*Факулътет почвоведения Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, **ФГУП "ГосНИИ генетики и селекции промышленных микроорганизмов", Москва
Поступила в редакцию 19.06.2006 г.
С помощью метода люминесцентной микроскопии в торфяниках была обнаружена очень большая биомасса микроорганизмов. В верховых торфяниках запасы сухой микробной биомассы в слое 1.5 м составляли 3-4 т/га и были в 2 раза выше, чем в низинных. В верховых торфяниках преобладала грибная биомасса (59-99%), в низинных - бактериальная (55-86%). В верховых торфяниках микробная биомасса концентрировалась в верхних слоях, в низинных - была равномерно распределена в толще. После осушения микробный пул в верховых торфяниках увеличился в 2 раза, в низинных -остался на том же уровне. Потенциальная активность азотфиксации и денитрификации была выявлена по всему профилю торфяников. Средние значения активности этих процессов были в 5 раз выше в низинных торфяниках, в биомассе которых преобладали бактерии.
Ключевые слова: торфяники, микробная биомасса, грибы, бактерии, азотфиксация, денитрификация.
До недавнего времени основным способом определения численности различных групп микроорганизмов в торфяниках был метод посева [1-9]. Этот метод незаменим для определения относительного обилия и таксономической принадлежности выделяемых на средах микроорганизмов, но не дает представления о микробной биомассе, содержащейся в торфяной толще. Использование прямых микроскопических методов (люминесцентной микроскопии) позволяет выявить запасы и соотношение основных компонентов микробной биомассы в торфяниках [2, 10, 11]. До сих пор неразрешенным остается вопрос о жизнеспособности микроорганизмов в торфяниках [10, 12]. Для решения последнего необходимо иметь информацию об эмиссии газов не только с поверхности, но и с разных глубин торфяников. Последнее десятилетие особенно активно идет изучение компонентов углеродного цикла в болотных экосистемах. Значение болотных экосистем заключается не в интенсивности стока углерода, а в его запасах, накапливаемых веками в составе торфяной залежи и способных быстро переходить в С02 при нерациональном использовании торфяников [13]. Ежегодно мировая торфяная залежь аккумулирует около 0.14 млрд. т углерода (C), а в процессе природного и антропогенного разрушения торфяников высвобождается от 0.03 до 0.37 млрд. т C [14, 15]. Оценка для России суммарного связывания углерода переувлажненными землями с по-
1 Адресат для корреспонденции (e-mail: soilbac@soil.msu.ru).
правкой на торфоразработку и осушение болот дает величину 16 млн. т С/год [16]. Глобальная продукция метана переувлажненными почвами оценивается в 115 Тг СН4 в год, что составляет около четверти глобального количества метана, поступающего ежегодно в атмосферу [17].
Существующие оценки нитрогеназной активности и интенсивности эмиссии закиси азота в торфяных почвах крайне немногочисленны и часто противоречивы [18-20].
Исходя из вышесказанного, цель настоящей работы - сравнительная оценка запасов микробной биомассы и выявление потенциальной активности азотфиксации и денитрификации в толще верховых и низинных торфяников.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Объектами исследования были торфяники естественных и осушенных заболоченных ландшафтов: низинные под черноольшанниками и верховые под сосняками, являющиеся постоянными пробными площадями Западнодвинского лесобо-лотного стационара Института лесоведения РАН.
Низинные торфяники (мощностью 2 м) сложены древесными низинными торфами и подстилаются сапропелем; верховые торфяники (мощностью 1.5 м) - верховыми, переходными и низинными торфами, и подстилаются в различной степени оглееными песками. Краткая характеристика
Таблица 1. Характеристика свойств исследуемых торфяников
Фитоценоз Глубина, см Степень разложения торфа, % Ботанический состав торфа Зольность, % рН сол.
Низинный неосушенный
Черноольшанник круп- 0-3 листья (Ь) - -
нотравно- папоротниковый 3-20 48 древесно-низинный торф 17.4 6.4
20-50 50 » 16.2 6.4
50-100 50 » 16.3 6.3
100-150 50 » 15.2 6.4
150-190 48 » 16.0 6.4
190-200 - сапропель - 6.6
Низинный осушенный
Черноольшанник кра- 0-3 - листья (Ь) - -
пивный 3-20 50 древесно-низинный торф 16.3 6.5
20-50 52 » 16.3 6.5
50-100 49 » 16.2 6.4
100-150 51 » 16.0 6.4
150-190 53 » 15.3 6.4
190-200 - сапропель - 6.6
Верховой неосушенный
Сосняк кустарничково- 0-6 - живой мох (магелланикум) - -
осоково-сфагновый 6-14 - очес мха (магелланикум) - -
12-20 14 ангустифолиум торф 3.7 2.3
20-50 16 магелланикум торф 2.8 2.6
50-100 46 древесно-травяной переходный торф 2.0 2.9
100-130 40 осоковый низинный торф 3.6 3.4
130-150 - оглеенные пески - -
Верховой осушенный
Сосняк кустарничково- 0-3 - L - -
осоковый 3-6 6-14 - F Н - -
14-50 16 сфагново-мочажинный верховой 3.1 2.9
50-100 46 древесно-осоковый переходный торф 2.0 2.9
100-130 40 осоковый низинный торф 3.6 3.4
130-150 - оглеенные пески - -
* Определение не проводилось.
свойств исследуемых торфяников приведена в табл. 1.
Низинные торфяники, как неосушенные, так и осушенные, характеризуются повышенной зольностью торфа, высокой степенью его разложенно-сти, нейтральной реакцией среды. Зольность исследуемых верховых торфяников невысока, она в 5-8 раз ниже, чем в низинных торфяниках. Верховые торфяники характеризуются кислой реакцией
среды. Величина рН солевой вытяжки колеблется от 2 до 4. Степень разложения торфа в верховых торфяниках зависит от ботанического состава и варьирует по профилю от 14 до 40% (табл. 1).
Экспериментальное осушение торфяников было осуществлено в 1973 г сетью открытых канав глубиной 1.5 м при ширине межканавных пространств 65-130 м.
Таблица 2. Распределение бактерий, актиномицетного и грибного мицелия и спор грибов по профилю низинных торфяников
Торфяники Низинные неосушенные Низинные осушенные
Глубина, см Бактерии, 109 кл/г Мицелий актиномице-тов, м/г Мицелий грибов, м/г Споры грибов, 106 спор/г Бактерии, 109 кл/г Мицелий актиномице-тов, м/г Мицелий грибов, м/г Споры грибов, 106 спор/г
0-20 20-50 50-75 75-100 100-125 125-150 150-190 190-200 29 ± 4 37 ± 8 32 ± 7 22 ± 3 13 ± 2 13 ± 5 7 ± 2 4 ± 1 262 ± 83 233 ± 17 254 ± 77 180 ± 37 125 ± 54 127 ± 42 76 ± 16 0 00000000 72 29 ± 5 29 ± 7 24 ± 5 21 ± 8 18 ± 3 14 ± 3 10 ± 2 2 ± 1 30 ± 4 27 ± 7 30 ± 5 20 ± 4 13 ± 5 14 ± 3 2 ± 0.4 405 ± 54 345 ± 71 414 ± 89 250 ± 94 202 ± 12 212 ± 84 23 ± 3 130 120 250 0 0 0 0 30 ± 6 26 ± 4 28 ± 6 22 ± 4 13 ± 2 20 ± 9 2 ± 1
* Данных нет, так как мощность торфяников <190 см.
Верхние слои неосушенных низинных торфяников отличаются от осушенных аналогов избыточным увлажнением; на их поверхности постоянно стоит вода, причем высота водного столба в зависимости от сезона варьирует от 5 до 30 см. В низинных торфяниках из-за высокой скорости разложения опада формирование мощной подстилки не происходит. Она состоит только из слоя Ь (листья), мощность которого не превышает 3 см. Осушенные верховые торфяники, в отличие от неосушенных аналогов, характеризуются отсутствием застоя влаги, что нашло отражение в значительном улучшении качества древостоя: в смене сплошного мохового покрова, существовавшего до мелиорации, на хорошо выраженную, состоящую из трех слоев (Ь, Б, Н) лесную подстилку (табл. 1).
Определение всех микробиологических параметров (численности бактерий и спор грибов; длины актиномицетного и грибного мицелия; запасов микробной биомассы; потенциальной активности азотфиксации и денитрификации) проводили с учетом горизонтальной (анализировали 12 скважин) и вертикальной вариабельности (исследовали слои торфяников: 0-20, 20-50, 50-75, 75-100, 100-150 см), а также режима эксплутации (рассматривали неосушенные торфяники и их осушенные аналоги). Отбор образцов осуществляли в июле 2001 и 2002 гг.
Общую численность и биомассу микроорганизмов определяли прямым методом с использованием люминесцентной микроскопии [21]. Предварительно десорбировали клетки на ультразвуковом диспергаторе УЗДН-1. При количественном учете клеток почвенных бактерий и мицелия актиноми-цетов препараты окрашивали водным раствором акридина оранжевого, а для окраски мицелия и спор грибов применяли калькофлуор белый. Рас-
четы прокариотной биомассы проводили, учитывая, что биомасса сухого вещества для одной бактериальной клетки объемом 0.1 мкм3 составляет 2 х 10-14 г, 1 м актиномицетного мицелия диаметром 0.5 мкм - 3.9 х 10-8 г [22]. Эукариотную микробную биомассу вычисляли с учетом замеренного нами диаметра спор и мицелия грибов по формуле (для мицелия - 0.628 (г1)2 х 10-6 г, для спор -- 0.836(г2)3 х 10-12 г; где г1 - радиус мицелия; г2 - радиус грибной споры). Средние значения диаметра гиф мицелия (ё гиф) и спор грибов (ё спор) были выше в низинных торфяниках (ё гиф 4.8-5.8 мкм; ё спор 4.8-5.0 мкм), чем в верховых (ё гиф 4.2-4.4; ё спор 4.4-4.6 мкм).
Интенсивность процессов потенциальной азот-фиксации и денитрификации определяли с помощью метода газовой хроматографии. Для измерения азотфиксации применяли ацетиленовый метод, для оценки денитрифицирующей активности почвенных микроорганизмов - метод, основанный на использовании ацетилена в качестве ингибитора редуктазы закиси азота [21].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Численность бактериальных клеток в исследуемых торфяниках варьировала от 2 до 75 млрд. клеток/г. Длина актиномицетного мицелия составляла десятки и сотни м/г. По плотности бактериальных популяций неосушенные торфяники, как верховые, так и низинные практически не отличались от осушенных аналогов (табл. 2, 3).
Длина грибного мицелия в верховых торфяниках измерялась километрами и была в 10-100 раз выше, чем в низинных. Амплитуда колебаний численности спор в верховых торфяниках составляла 4-67 млн. спор/г и была в 2 раза выше, чем в низинных торфяниках (2-30 млн. спор/г).
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.