ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2009, № 8, с. 952-961
БИОЛОГИЯ ПОЧВ
УДК 577.113.018.3631
ЕЖЕДНЕВНАЯ ДИНАМИКА ЦЕЛЛЮЛАЗНОН АКТИВНОСТИ В ПАХОТНОН ПОЧВЕ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ОБРАБОТКИ*
© 2009 г. Е. В. Лаврентьева1, А. М. Семенов2, В. В. Зеленев2, Ю. Чжун2, Е. В. Семенова2, В. М. Семенов3, Б. Б. Иамсараев1, А. К. X. Ван Бругген4
1 Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН, 670047, Улан-Удэ, ул. Сахьяновой, 6
e-mail: lena_l@mail.ru
2 Биологический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы
e-mail: amsemenov@list.ru 3 Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, 142290, Пущино, ул. Институтская, 2 е-mail: semenov@ibbp.psn.ru 4 Группа биологического земледелия Университета Вагенингена, 6709, PG Вагенинген, Нидерланды
е-mail: ariena.vanbruggen@wur.nl Поступила в редакцию 17.01.2008 г.
Впервые исследована ежедневная (в течение 27 дней) динамика целлюлазной активности (ЦА) методом целлофановых мембран в микрополевом эксперименте в почвах, обрабатываемых по традиционной интенсивной системе земледелия (внесение минеральных удобрений и пестицидов) и по биологической, почвоохранной системе земледелия внесение только органических удобрений. Выявлен закономерный волнообразный характер динамики ЦА, подтвержденный гармоническим (по Фурье) анализом. Волнообразная динамика ЦА имеет автоколебательную природу и не является прямым следствием нарушающих воздействий как неконтролируемых (природных) изменений температуры и влажности (выпадение осадков), так и контролируемых - внесений разных удобрений. Нарушающие воздействия оказывают влияние на амплитуду колебаний ЦА, но не на частоту (периоды) колебаний. Показано, что в почве, возделываемой по интенсивной системе земледелия, периодических колебаний ЦА было заметно больше по сравнению с почвой, возделываемой по биологической системе земледелия.
ВВЕДЕНИЕ
При исследовании ежедневной динамики численности копиотрофных и олиготрофных бактерий в ризосфере и неризосферной почве было установлено, что обе эти трофические группы развиваются волнообразно [16, 17, 22, 23, 25]. Следует отметить, что флуктуирующий характер динамики численности в почве и в других местообитаниях как прокариотов - бактерий и актино-мицетов - так и динамики биомассы микромице-тов отмечали и ранее [6, 7, 11, 12]. При этом наиболее закономерные колебания как в численностях микроорганизмов, так и в их активностях - выделении С02 из почв - выявляются после нарушающих воздействий природного или антропогенного характера: при резком изменении влажности (высушивании-увлажнении), механических воздействиях, внесении органических и неорганических субстратов [1-5, 8, 20]. Механизмом таких колебаний являются циклы роста и отмира-
* Исследования поддержаны NWO-РФФИ грантами "Resilience of Microbial Communities to Disturbances as an Indicator of Sequestration of C and N in Soil: Comparison of Agricultural and Semi-natural Ecosystems", Project Nr. 047.017.011 и грантом МО РФ "НОЦ-Байкал".
ния микроорганизмов вследствие временного лимитирования роста микроорганизмов субстратом [16, 17, 22, 23, 28]. Высказано предположение, что количественные характеристики такого волнообразного развития микроорганизмов, а именно периоды (частоты) волн, амплитуды и фазы могут быть использованы для сравнительной характеристики почвенных экосистем [17, 24, 25].
Волнообразная динамика микроорганизмов как временная, так и пространственная до сих пор выявлялась путем ежедневного определения численности организмов или учетом колоний образующих единиц (КОЕ) на средах или подсчетом окрашенных клеток в почвенных суспензиях под микроскопом [6, 7, 11, 12, 22]. В настоящее время разработаны достаточно аккуратные и быстрые методы инструментальной регистрации некоторых функциональных процессов, осуществляемых микроорганизмами в природе, которые существенно превосходят по эффективности трудоемкий метод учета численности микроорганизмов [19].
При определении ЦА почвы как в лабораторных, так и в полевых условиях эффективным методом является метод целлофановых мембран (ЦМ) [10]. Метод позволяет быстро оценить ЦА
в любом экотопе при минимальном нарушающем воздействии на микробное сообщество экотопа и получать результаты в стандартных единицах целлюлазной активности [13-15, 18, 21].
Разложение целлюлозы как и многие другие процессы в природе подвержены влиянию различных факторов: природных (температура, осадки) и агротехнических, включающих различную обработку почвы и др. В этой связи представлялось важным провести детальное исследование динамики ЦА при применении традиционных агротехнических нарушающих воздействий в виде разных способов обработки почвы, внесения разного комплекса удобрений и выращивании разных сельскохозяйственных растений.
Целью работы явилось исследование ежедневной динамики целлюлазной активности в различно возделываемой почве при разных нарушающих воздействиях и выращивании разных сельскохозяйственных растений.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Почва и ее обработка. Определение ЦА проводили в рамках многолетнего эксперимента по измерению устойчивости микробных сообществ к нарушающим воздействиям и секве-стрирования С и N в различно возделываемых почвах. Участки для проведения эксперимента заложены на территории Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, Пущино, Московской обл. в 2005 г. Почва, использованная в эксперименте в течение последних 15 лет, находилась в виде луговой залежи, не подвергаясь какой либо обработке. Были подготовлены 15 делянок размером 2 х 2 м2, из них 12 подвергались обработке, а 3 служили в виде естественного контроля. Одна часть, шесть экспериментальных делянок, обрабатывалась по традиционной, интенсивной системе земледелия (ИСЗ), заключающейся во внесении в почву минеральных удобрений и пестицида 2.4-Б. Другая часть - также шесть делянок - обрабатывалась по "экологически чистой" или биологической системе земледелия (БСЗ), внесение только органических удобрений - навоза крупного рогатого скота, с фермы "биодинамического земледелия". В каждом варианте обработки почвы (ИСЗ и БСЗ) по три делянки были засеяны сахарной свеклой (варианты 1 и 2), а другие три - смесью фуражной травы (варианты 3 и 4). Выбор участков - повтор-ностей для обработки почвы осуществлялся в соответствии с требованиями статистической рандомизации. Исследуемыми вариантами являлись: 1) интенсивная система земледелия: минеральные удобрения и 2.4 Б под сахарной свеклой; 2) биологическая система земледелия: органические удобрения под сахарной свеклой; 3) интенсивная система земледелия: минеральные удобрения и 2.4-Б под
фуражной травой; 4) биологическая система земледелия: органические удобрения под фуражной травой; 5) естественный луг.
Почву со всех участков отбирали ежедневно в течение 27 дней, утром с помощью бура, с глубины 0-20 см. С обрабатываемых участков почву отбирали между рядками растений, а на лугу -рандомизированно, после локального удаления травы. На экспериментальных участках ежедневно определяли температуру почвы и выпадающие осадки. ЦА определяли в образцах почвы, доставляемых в лабораторию, отобранных только с двух участков каждого варианта. Почву просеивали через сито с размером ячеек 3 мм и определяли влажность путем высушивания при температуре 105°С в течение 8 ч.
Нарушающие воздействия (НВ). Определение ежедневной динамики ЦА проводили весной (май-июнь) и осенью (сентябрь) 2006 г.
Весной, экспериментальные участки ИСЗ (варианты 1 и 3) через восемь дней после начала отбора почвенных образцов подвергли нарушающему воздействию в виде внесения минеральных удобрений - суперфосфата, сернокислого калия и нитрата аммония - из расчета 200 кг/га. Кроме того, для уничтожения сорняков и вредителей на этих участках применили пестицид 2.4-Б в концентрации 3 кг/га. В экспериментальные участки вариантов 2 и 4, обрабатываемые по системе БСЗ, вносили органические удобрения - навоз из расчета 50 т/га. Вариант 5, как уже было отмечено, представлял собой ненарушенную систему (без внесения каких-либо удобрений и пестицидов).
Осенью, на четвертые сутки после начала отбора проб на всех участках произвели удаление растений с последующей инкорпорацией в почву этих же участков измельченных надземных частей растений. На участках естественного луга трава также была срезана, измельчена и равномерно распределена по поверхности участков. Таким образом, осенью экспериментальным нарушающим воздействием было внесение в почву свежесрезанных растительных остатков.
Помимо отмеченных НВ, которые являлись контролируемыми, были и неконтролируемые НВ - изменение температуры и влажности в виде выпадающих осадков.
Определение целлюлазной активности. ЦА определяли методом целлофановых мембран (ЦМ), заключающимся в регистрации снижения прочности ЦМ на разрыв после инкубирования мембраны на почве [10, 21]. ЦМ закрепляли с помощью резинового обхвата на горлышке пенициллинового флакона с отрезанным дном. На уплотненную поверхность почвы в крышке стеклянной чашки Петри помещали 12 таких флаконов с ЦМ и инкубировали в течение 49-96 ч. Время инкубации ЦМ на почве под-
бирали таким образом, чтобы снижение давления разрыва было статистически достоверным (Р = 0.90). Затем измеряли давление разрыва ЦМ. Результаты, полученные в единицах давления разрыва (атм.), пересчитывали по калибровочной кривой в стандартные единицы целлюлазной активности мкг редуцирующих сахаров в миллилитре раствора за 1 ч реакции (мкг ред. сах. мл в час) [21]. Опыты проводили в лаборатории при постоянной влажности (85%) и температуре 20°С. По-вторность опытов двукратная.
Изоляция и идентификация доминирующих представителей мик-ромицетов. Микромицеты с целлофановых мембран изолировали с помощью стерильной препаровальной иглы, перенося кусочки мицелия на агаризованную среду Чапека-Докса или путем раскладывания обросших мицелием кусочков ЦМ на ту же среду. Чашки инкубировали при температуре 20°С в течение 5 суток. Выросшие колонии идентифицировали традиционными методами с помощью соответствующих определителей.
Статистический анализ. Для выявления статист
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.