научная статья по теме МИКРОБНОЕ РАЗЛОЖЕНИЕ ХИТИНА В ПОЧВАХ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УРОВНЯХ ВЛАЖНОСТИ Сельское и лесное хозяйство

Текст научной статьи на тему «МИКРОБНОЕ РАЗЛОЖЕНИЕ ХИТИНА В ПОЧВАХ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ УРОВНЯХ ВЛАЖНОСТИ»

ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2009, № 7, с. 857-866

БИОЛОГИЯ ПОЧВ

УДК 631.46

МИКРОБНОЕ РАЗЛОЖЕНИЕ ХИТИНА В ПОЧВАХ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ

УРОВНЯХ ВЛАЖНОСТИ*

© 2009 г. А. М. Ярославцев, Н. А. Манучарова, А. Л. Степанов, Д. Г. Звягинцев, И. И. Судницын

Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы

e-mail: manucharova@mail.ru Поступила в редакцию 30.07.2007 г.

Установлено, что наиболее благоприятные условия для микробного разложения хитина в почвах соответствуют влажности, близкой к полной влагоемкости. Влажность имеет более значимое влияние на разложение хитина в почвах по сравнению с другими исследуемыми субстратами. Газохро-матографическим и люминесцентно-микроскопическим методами анализа установлено, что максимальная удельная активность дыхания хитинолитического сообщества отмечается при пониженном окислительно-восстановительном потенциале и при влажности почв, близкой к полной влагоемкости. Определено, что интервал значений влажности, при котором происходила наиболее интенсивная микробная трансформация хитина, был шире в глинистых и суглинистых почвах по сравнению с песчаными. С увеличением влажности почв отмечено возрастание роли мицелиальных бактерий - актиномицетов в хитинолитическом комплексе.

ВВЕДЕНИЕ

Хитин представляет собой полимер Р-(1,4)-К-ацетил-Б-глюкозамина и является вторым по значимости полисахаридом в биологическом круговороте после целлюлозы [1]. Он входит в состав наружного скелета беспозвоночных животных и клеточных стенок грибов, постоянно присутствуя в почве; его содержание достигает сотых, а иногда и десятых долей процентов от ее массы.

Внесение в почвы хитина широко используется для борьбы с фитопатогенными грибами и нематодами [10]. При этом исходят из предположения о том, что механизм подавления фитопатоге-нов, имеющих в своих структурах хитин, заключается в паразитировании на них хитиноли-тиков [3, 11]. Кроме того, сорбционные свойства хитина и его производных - хитозана дают возможность использовать их для связывания ионов тяжелых металлов, очистки сточных вод от коллоидных и дисперсных частиц, нефтепродуктов, белка и жира [1, 13].

Этот биополимер, постоянно поступая в довольно большом количестве в почву, активно используется различными группами микроорганизмов. Было показано что для лизиса хитина до мономеров необходим полный комплекс ферментов-хитиназ: хитиназы, хитобиазы и три вида ко-ферментов.

* Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ < 05-04-49252 и гранта поддержки Президента НШ-8797.2006.4.

Эндохитиназы (ChiA, ChiD) расщепляют случайным образом гликозидные связи внутри цепи [12]. Экзохитиназы отщепляет диацетилхито-баозный остаток. Наконец, хитобиазы окончательно мономеризуют полученные олигомеры до NAD. Боером в 1994 г. была предложена модель разложения хитина микроорганизмами [8]. Автор выделяет следующие группы хитинолитиков: аэробные, анаэробные формы, находящиеся в ад-гезированном состоянии на поверхности твердой фазы и микроорганизмы - аэробы не адсорбированные на поверхности частиц. Продукты метаболизма анаэробных хитинолитиков могут быть субстратом для метаногенов и сульфатредуциру-ющих бактерий. Ряд исследователей отождествляют хитин с относительно долго существующим источником азота в среде и восстановителем для проведения анаэробной биоремедиации. Вероятно, лучше всего разложение хитина изучено в морских средах. С другой стороны, почти ничего не известно о разложении хитина в почве при различных уровнях увлажнения.

Целью работы была оценка активности трансформации хитина микробным комплексом почв при различных влажностях.

В задачи исследования входило:

1) сравнительное исследование динамики эмиссии диоксида углерода из образцов почв с хитином, целлюлозой и глюкозой;

2) наблюдение за динамикой эмиссии диоксида углерода из серой лесной почвы с внесением хитина, на примере модельного эксперимента;

Таблица 1. Основные агрохимические характеристики исследуемых почв

Почва Глубина отбора образцов, см С орг, % С гк/С фк рН водный

Чернозем обыкновенный среднемощ-ный слабосмытый на лёссовидном суглинке, подстилаемом донской мореной 5-30 2.9 2.1 6.8

Серая лесная типичная бескарбонатная глубокая на покровном суглинке 8-20 2.1 0.9 4.9

Каштановая остаточно-солонцеватая среднемощная на лёссах 2-10 2.0 1.2 7.2

Глее-слабоподзолистая 2-10 0.8 0.5 4.1

Дерново-подзолистая среднесуглинистая на покровном суглинке 3-12 2.0 0.8 4.5

Таблица 2. Влажность исследуемых почв при различном матричном давлении почвенной влаги (% от массы абсолютно сухой почвы)

Почва Р, кПа

0 -1.16 -8.34 -18.4 -32.6 -44.3 -291 -475 -808

Глее-подзолистая 25.64 15.42 12.12 6.97 6.52 6.35 5.40 4.25 3.17

Дерново-подзолистая 41.21 35.83 28.05 26.78 25.80 25.49 14.55 11.25 9.88

Серая лесная 44.72 40.48 32.11 30.00 29.03 28.93 19.15 14.26 12.25

Чернозем 63.76 62.18 36.56 36.25 36.09 Не опр. 34.66 32.37

Каштановая 60.11 58.93 19.94 19.19 18.64 Не опр. 15.51 14.48 13.52

3) определение динамики эмиссии метана из образцов почв с хитином, в сравнении с контрольным образцом;

4) изучение динамики численности и биомассы эукариотных и прокариотных микроорганизмов, развивающихся в исследуемых почвах в ходе сукцессии, инициированной увлажнением и внесением хитина;

5) оценка удельной активности дыхания хити-нолитического микробного комплекса различных типов почв.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Объектами исследования явились образцы гумусовых горизонтов глее-подзолистой, дерново-подзолистой, серой лесной, каштановой почв и чернозема. С содержанием органического углерода от 0.8 до 2.9%. Основные характеристики исследуемых почв представлены в табл. 1.

Для всех исследуемых почв была определена общая гидрофизическая характеристика, полученные результаты сведены в табл. 2. Влажность почв и основную их гидрофизическую характеристику (ОГХ) определяли методом центрифугирования [5, 6]. На всех этапах центрифугирования измеряли интенсивность эмиссии метана из контрольных и опытных вариантов с хитином. Кон-

центрацию метана в газовой фазе над образцами определяли методом газовой хроматографии [4]. В результате получали зависимость микробной трансформации хитина в анаэробных условиях от влажности почвы и от соотношения пор, занятых воздухом и водой.

С целью определения интенсивности использования хитина в почве при различной влажности в аэробных и анаэробных условиях применяли метод инициированной микробной сукцессии. Инициировали микробную сукцессию в почве увлажнением и внесением хитина. Навеску почвы помещали в пенициллиновые флаконы, увлажняли 2-процентной суспензией хитина (2 г в 100 мл воды) - в опытном варианте и водой - в контрольном варианте. Газовую фазу над образцами в первой серии эксперимента замещали азотом, создавая, таким образом, анаэробные условия. Окислительно-восстановительный потенциал в исследуемых образцах определяли с помощью иономера рН-150. Использовали хлор-серебряный электрод и тонкослойный платиновый электрод ЭТПЛ-01М. Окислительно-восстановительный потенциал исследуемых образцов почв с хитином, инкубируемых в анаэробных условиях, не превышал 400 мВ. Далее опыт проводили в присутствии атмосферного кислорода. Влажность исследуемых образцов находилась в интервале от

уровня максимальной молекулярной влагоемко-сти до полной влагоемкости. Накопление метана и диоксида углерода в газовой фазе над образцами оценивали спустя сутки инкубации в термостате при температуре 27°С. Контролем служила почва, увлажненная только водой. Опыт проводили в течение месяца.

Исследование эмиссии метана из образцов исследуемых почв определяли на газовом хроматографе СИгош-41 с пламенно-ионизационным детектором. Длина колонки - 2.2 м, наполнитель -БрИсггеП, температура термостата - 30°С, расход газа-носителя (азота) - 30 мл/мин, водорода -20 мл/мин, воздуха - 10 мл/мин. Величину потока метана рассчитывали, исходя из изменения его концентрации в камере за период экспозиции.

Изучение эмиссии диоксида углерода в газовой фазе флаконов измеряли на газовом хроматографе (модель 3700/4) с детектором по теплопроводности. Длина колонки 3 м, наполнитель - По-лисорб-1. Скорость потока газа-носителя (Не) -25 мл/мин.

Актуальные газообразные потери диоксида углерода и метана выявляли при помощи специальных эмиссионных камер, которые были установлены в почву непосредственно в поле. Объем эмиссионных камер составил 942 см3. При этом объем помещенной в почву части камеры составил 393 см3, объем отбираемой для транспортировки газовой фазы - 5 см3. Все пробы почв анализировали в 3-кратной повторности.

Определение динамики численности бактерий, длины мицелия актиномицетов и грибов в почве при различной влажности в аэробных и анаэробных условиях проводили с помощью люминес-центно-микроскопического метода. Количество микробных клеток или длина мицеллия (мкм), содержащихся в 1 г почвы, вычисляют по формуле:

N = $хап/ч$2С,

где N - количество клеток в 1 г почвы; а - среднее число клеток в поле зрения (длинна мицелия в мкм); V - объем капли, наносимой на стекло (мл); п - показатель разведения (мл) [4], 51 - площадь препарата (мкм2), 52 - площадь поля зрения микроскопа (мкм2) , С - навеска почвы (г).

Биомассу бактерий, мицелия актиномицетов и грибов вычисляли следующим образом (мг/г почвы) (биомасса сухая): Бб = 2N х 10-2, Бма = 3.9N х 10-5, Бмг = 2.98N х 10-3, соответственно [2].

Все пробы почв анализировали в 5-кратной повторности. Статистическую обработку данных проводили с помощью программы БТАТТСПСЛ 6.0.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Эмиссия СО2 из почв с разными степенями увлажнения при внесе-

Таблица 3. Значения критерия Фишера (Р - уровень значимости для всех значений менее 0.05), показывающие достоверность зависимости значений продукции СО2 в целом для всех субстратов и контроля от суток опыта, влажности и одновременно суток опыта и влажности

Показатель Глюкоза Хитин Целлюлоза Контроль

Сутки 97.74 89.84 78.37 56.35

Влажность 17.94 23.41 17.61 12.74

Сутки х влажность 2.175 4.031 1.693 2.986

Таблица 4. Коэффициент корреляции (Я2), критерий Фишера (Р) и уровень значимости (р) для общей модели зави

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.

Показать целиком