^^^^^^^^^^^^^^^^^^ БИОЛОГИЯ ^^^^^^^^^^^^^^^^^^
ПОЧВ
УДК 579.2
ЕЖЕДНЕВНАЯ ДИНАМИКА ЧИСЛЕННОСТИ БАКТЕРИЙ И ЭМИССИИ СО2 ПОЧВЫ И СВЯЗЬ ИХ ВОЛНООБРАЗНЫХ КОЛЕБАНИЙ С СУКЦЕССИЕЙ МИКРОБНОГО СООБЩЕСТВА
© 2013 г. А. М. Семенов1, И. А. Бубнов1, В. М. Семенов2, Е. В. Семенова1,
В. В. Зеленев1, Н. А. Семенова2
1 Биологический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, 119234, Москва, Ленинские горы, 1 2 Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, 142290, Пущино, Московская обл., Институтская 2 Поступила в редакцию 11.09.2012 г.
В микрополевом эксперименте в течение 25—27 дней изучалась ежедневная динамика численности колониеобразующих единиц копиотрофных и олиготрофных бактерий и эмиссии СО2 возделываемой почвы после долгосрочных и краткосрочных нарушающих воздействий. Изучена связь волнообразных колебаний численности и СО2 с сукцессией почвенного микробного сообщества, определяемого методом ПЦР—ДГГЭ также в течение 27 дней. Краткосрочные нарушающие воздействия заключались во внесении в почву разных участков органических или минеральных удобрений и пестицидов, а также растительных остатков. Долгосрочное воздействие заключалось в трехлетнем различии в системе земледелия: биологической или интенсивной. Краткосрочные воздействия приводили к росту пиков волнообразной динамики численности, значимость которых подтверждена гармоническим анализом. Впервые изученная методом ДГГЭ ежедневная динамика структуры микробного сообщества почвы (27 дней) также имела колебательный характер. Статистический анализ данных (анализ главных компонент, гармонический и кросскорреляционный анализы) выявил значимые колебания структуры микробного сообщества, совпадающие с соответствующими колебаниями численности. Изменение структуры микробного сообщества происходило в пределах каждого пика динамики численности, а не от пика к пику, что указывает на цикличный характер краткосрочной сукцессии. Долгосрочные воздействия привели к снижению интенсивности реакции микробиоты в виде скорости выделения СО2 почвой, возделываемой по биологической системе земледелия.
Ключевые слова: осцилляции микроорганизмов, денатурирующий градиентный гель-электрофорез, ДГГЭ, КОЕ, анализ главных компонент.
Б01: 10.7868/80032180X13080078
ВВЕДЕНИЕ
Изучение ответа на различные нарушающие воздействия является распространенным методом исследования сложносоставных систем, таких как почва [13, 14, 20, 25]. В зависимости от целей и типа исследования, могут использоваться как краткосрочные, так и долгосрочные нарушающие воздействия [8, 15, 28]. Как правило, на почву оказываются воздействия в форме механической обработки, полива, внесения удобрения, выращивания растительности и др. [9, 16]. Соответственно, такие "типовые" нарушающие воздействия на почву могут быть как краткосрочными, например, одноразовое локальное применение удобрений, пестицидов, так и долгосрочными — тип землепользования, многолетняя монокультура. При исследовании реакции микробного сообще-
ства (МС) на любой тип воздействия наиболее ценные результаты могут быть получены при изучении ежедневной динамики [2, 29, 34, 35, 40].
При исследовании почв разными методами показаны существенные флуктуации численно -сти бактерий при изучении их ежедневной динамики [1, 7, 31]. Как правило, такие флуктуации были неравномерны во времени и не имели выраженной зависимости от условий окружающей среды. Было показано, что нарушающие воздействия, в виде добавления питательных веществ, оказывало "упорядочивающее" действие на хаотичные на вид флуктуации, переводя их в более закономерные, статистически значимые колебания в условиях промышленных биореакторов [11, 21], ризосферы [29, 33, 35] и неризосферной почвы [41]. Нарушающее воздействие на почвенную экосистему приводит к волнообразной реакции
не только в численности микроорганизмов, но и функциональной активности, например, целлю-лолитической активности, эмиссии СО2 и других газов [2, 17]. Показано, что характеристики волнообразного ответа микробных популяций и МС, такие как амплитуда и частота колебаний, связаны со свойствами МС или даже всей экосистемы [3, 39].
Помимо колебаний численности бактериальных популяций (БП) во времени [41], в ризосфере также был показан значимый колебательный характер пространственного распределения БП вдоль корня пшеницы [29]. Было предположено, что наиболее вероятной причиной возникновения колебаний является рост и отмирание доминирующих популяций бактерий. Эта концепция была успешно смоделирована в математических моделях ВАСМАУЕ и ВЛСМЛУЕ-^'ЕВ [39, 40, 42]. Методом полимеразной цепной реакции — денатурирующего градиентного гель-электрофореза (ПЦР—ДГГЭ) с применением анализа главных компонент показано, что вдоль растущего корня пшеницы структура МС менялась в пределах каждого пика числа колониеобразующих единиц (КОЕ), и эти изменения МС повторялись от пика к пику.
Явление долгосрочной сукцессии МС в ответ на различные стрессы показано неоднократно и является установленным фактом [10, 17, 37]. Механизмы и особенности краткосрочной сукцессии МС при ежедневных наблюдениях динамики численности почвенных микробных популяций на данный момент не описаны и не охарактеризованы [40]. Отметим, что условия в неризосферной почве менее упорядочены и в большей степени подвержены воздействию внешних факторов, чем в ризосферной. Поэтому данные о характере изменений структуры МС и их связь с колебательной динамикой численности бактерий будут важны не только для фундаментального познания способов существования микроорганизмов в почве, но и для разработки методов предсказания и контролирования поведения почвенных МС, в том числе при оценке здоровья почвы [5, 34]. Предполагается, что здоровая почва характеризуется замкнутостью трофических циклов, а также устойчивостью и сопротивляемостью к нарушающим воздействиям [24], и что количественные характеристики колебаний МС, вызванных нарушающими воздействиями, могут быть использованы в качестве индикатора здоровья почвы [4—6, 32, 34].
Различие в здоровье почвы связано, в том числе, и с использованием тех или иных систем земледелия. Интенсивная система земледелия (ИСЗ) нацелена на увеличение урожайности путем использования минеральных удобрений, пестицидов и при необходимости генетически модифи-
цированных организмов [10, 22, 26]. Биологическая система земледелия (БСЗ) направлена на получение продуктов высокого качества и сохранения здоровой экосистемы при использовании только органических удобрений и биологических способов борьбы с вредителями. Показано, что почвы, возделываемые по БСЗ, имеют большую численность микроорганизмов, особенно бактерий, учитываемых на бедных органическими веществами средах (олиготрофов), большее разнообразие нематод, меньшую эмиссию СО2 в ответ на нарушающее воздействие и меньшие концентрации минерального азота, чем почвы, возделываемые по ИСЗ, и, таким образом, могут считаться более здоровыми [22, 23, 36].
Целью работы было изучение ежедневной динамики численности КОЕ бактериальных популяций, активности микроорганизмов в виде скорости выделения СО2 и изучение характера сукцессии бактерий при краткосрочных и долгосрочных нарушающих воздействиях на почву, а также выявление связи между характером сукцессии бактерий и ежедневной динамикой их численности.
ОБЪЕКТЫ МЕТОДЫ
Исследования проводились в условиях микрополевого эксперимента на серой лесной почве в Пущино на территории Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН. До этого участок почвы не использовался и не обрабатывался в течение как минимум 15 лет. Были подготовлены делянки 2 х 2 м для различных вариантов обработки почвы, 6 участков для биологического (БСЗ) и 6 для интенсивного земледелия (ИСЗ). Дополнительно были избраны 3 участка в виде необрабатываемой почвы, называемой далее эродированной, так как верхний почвенный слой был нарушен в ходе строительных работ 15 лет назад. Таким образом, всего было подготовлено 15 участков.
Выращиваемые культуры. Участки для каждого способа обработки почвы были поделены на два блока с различными выращиваемыми культурами, по три рандомизированных повтор-ности в каждом блоке. В 2005 г. 22 июля были посажены черная редька (варианты 1 и 2, в трех по-вторностях) и смесь фуражных многолетних трав (варианты 3, 4, в трех повторностях) (многолетние травы: 20% Lolium perenne, 15% Festuca rubra, 20% Festuca rubra commuta, 10% Festuca ovina duri-uscula, 10% Poapratensis, 5% Trifolium repens, оставшиеся 20% составили календула, гипсофила, маттиола, валериана и др.). Весной 2006 г. вместо редьки была посеяна сахарная свекла в вариантах 1 и 2, а в вариантах 3 и 4 осталась смесь трав. В 2007 г. 16 апреля во все обрабатываемые участки
была посеяна смесь вика-овес-горох (50% Vicia sp., 30% Avena sp., 20% Pisum sp).
Удобрение, нарушающие воздействия и отбор образцов. В 2005 г. 21 июля в участки БСЗ (варианты 2 и 4) было внесено удобрение в виде навоза, приобретенного на ферме, производящей экологически чистые молочные продукты (пос. Болотово, Московской обл.) (25 т/га, сухое вещество — 20.15%, C орг — 36.5%, N общ — 1.64% сухого вещества (0.33% влажного вещества). Всего было внесено 82.5 кг/га N общ и
1.8 т/га C орг. На участки ИСЗ (варианты 1 и 3) были внесены минеральные удобрения, азот в виде (NH4)2NO3, фосфор Ca(H2PO4)2 и калий K2SO4. Всего внесено азота 100 кг/га. Дополнительно 8 августа 2005 г. на участки ИСЗ было внесено 2.5 кг/га гербицида 2,4-D. Гербицид вносили между рядками взошедших растений. Необрабатываемые участки не удобрялись.
Сбор урожая был произведен 28 сентября 2005 г. Листья и корни черной редьки и надземная биомасса фуражной травы были собраны и взвешены. Листья редьки были измельчены и внесены в почву (565 г сухого вещества/м2 для участков ИСЗ и 425 г сухого вещества/м2 для участков БСЗ). Надземная биомасса фуража была удалена с участков. В 2005 г. отбор образцов почвы и определение эмиссии газов проводили ежедневно с 29 августа по 22 сентября.
Весной 2006 г. образцы почвы и газов первоначально отбирали в течение 8 дней (с 16 по 23 мая) с неза
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.