ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2010, № 11, с. 1387-1393
^ БИОЛОГИЯ
ПОЧВ
УДК 631.46
ГРИБНАЯ И БАКТЕРИАЛЬНАЯ МИКРОБНАЯ БИОМАССА (СЕЛЕКТИВНОЕ ИНГИБИРОВАНИЕ) И ПРОДУЦИРОВАНИЕ CO2 И N2O ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫМИ ПОЧВАМИ ПОСТАГРОГЕННЫХ
БИОГЕОЦЕНОЗОВ* © 2010 г. Н. Д. Ананьева, Е. В. Стольникова, Е. А. Сусьян, А. К. Ходжаева
Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, 142290, Пущино, Московской обл., ул. Институтская, 2 e-mail: ananyeva@rambler.ru Поступила в редакцию 19.06.2009 г.
В гумусовом горизонте дерново-подзолистой почвы постагрогенных ценозов и коренного хвойного леса определяли вклад грибов (Г) и бактерий (Б) методом селективного ингибирования антибиотиками субстрат-индуцированного дыхания (СИД), базальное (микробное) дыхание и нетто-проду-цирование закиси азота (N2O). Оптимизирована процедура разделения СИД антибиотиками (цик-логексимид и стрептомицин) на Г и Б. Показано, что отношение Г : Б составило 1.58, 2.04, 1.55, 1.39, 2.09 и 1.86 для пашни, залежи и лесов разного возраста (20, 45, 90 и 450 лет) соответственно. Грибное и бактериальное продуцирование СО2 почвы коренного леса было в 6.3 и 11.4 раза больше, чем на пашне соответственно. Продуцирование N2O в почве коренного и вторичного (90 лет) лесов (3 и 7 нг N—^O/г почвы в час соответственно) было в 2—13 раз меньше, чем в постагрогенных ценозах, для которых отмечены и низкие величины углерода микробной биомассы (С мик), С мик-бактерии, С мик-гри-бы и доли С мик в органическом углероде почвы. Сделан вывод о разбалансированности микробных процессов на пашне и при ее зарастании, сопровождаемого повышенным продуцированием N2O почвой при обогащении органическим субстратом (глюкозой).
ВВЕДЕНИЕ
Почвенные микроорганизмы (эукариоты и прокариоты, преимущественно грибы и бактерии соответственно) осуществляют основные ферментативные процессы в почве, запасают энергию и элементы питания в своей биомассе. Сведения о соотношении грибов и бактерий важны для экологических исследований, связанных с изучением взаимодействия почвенных животных и микроорганизмов [10] и влияния землепользования [14, 15]. Одним из основных методов оценки вклада грибов и бактерий в общую микробную биомассу почв является селективное ингибирование суб-страт-индуцированного дыхания [1, 4, 7, 9]. Соотношение Г : Б, полученное методом селективного ингибирования (СИ), отражает, в определенной степени, их функциональную активность и биомассу [19].
Эмиссия (продуцирование) парниковых газов почвой в атмосферу связано в основном с деятельностью почвенных микроорганизмов [11]. Информация о вкладе грибного и бактериального компонентов в продуцирование двуокиси углерода разными почвами, в том числе и разных экосистем практически отсутствуют. Взаимосвязь меж-
* Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 07-0400631).
ду продуцированием закиси азота и содержанием микробной биомассы, а также ее структурой (грибы/бактерии) во многом также неясны [16]. Поэтому цель нашего исследования направлена на оценку структуры почвенной микробной биомассы (грибы/бактерии) и продуцирования парниковых газов (СО2 и М2О) дерново-подзолистыми почвами постагрогенных ценозов. Задачи исследования были сфокусированы на: 1) оптимизации разделения вклада грибов и бактерий в суб-страт-индуцированное дыхание с помощью СИ;
2) оценке продуцирования СО2 почвой за счет микробной деятельности (базальное дыхание) и
3) поиске взаимосвязи между содержанием микробной биомассы (метод СИД), ее структуры (метод СИ) и продуцированием парниковых газов (СО2 и М2О) при зарастании пашни.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Объектом исследования были дерново-подзолистые почвы (Костромская обл., Парфеньевский и Кологривский р-ны) различных ценозов, представляющих собой сукцессионный ряд: пашня — юная залежь (7 лет) — молодой лес (20 и 45 лет) — вторичный ельник (80—100 лет) — коренной хвойный (450 лет) или "эталонный" лес (табл. 1). Отбор проб проводили в августе 2007 г. из трех простран-
Таблица 1. Свойства дерново-подзолистых почв постагрогенных биогеоценозов и "эталонного" коренного ельника южной тайги (Костромская обл., Парфеньевский и Кологривский р-ны)
Номер экосистемы* (возраст, лет) Растительность Глубина (см), гор. А пах/А С орг, % рН водный Микробная биомасса, мкг С/г
1. Пашня Овес 0—24 0.69 4.76 149 ± 12
2. Юная залежь (7) Луговая, подрост сосны, ели, березы, ивы козьей 0—13 0.87 4.95 187 ± 22
3. Молодой лес (20) Сосна, береза, ива козья 2—13 1.25 4.69 245 ± 23
4. Молодой лес (45) Сосна, ель, береза 4—10 2.45 4.53 502 ± 25
5. Вторичный лес (80—100) Ельник/черничник 4—12 1.34 4.34 727 ± 132
6. Коренной лес (400-500) Ель, липа 6—14 2.52 4.30 755 ± 34
* Здесь и далее.
ственно-удаленных точек верхнего гумусового слоя почвы, в лесу растительную подстилку удаляли (в молодом: 20 и 45 лет, вторичном и коренном лесах ее мощность составляла 2, 4, 4 и 6 см соответственно). Готовили смешанный образец почвы каждой экосистемы, просеивали через сито с диаметром отверстий 2 мм и использовали для последующей предынкубации.
Предынкубация образцов. Почву (0.5 кг) увлажняли до 50—60% полной влагоемкости (ПВ) и инкубировали при 22°С в течение 7 суток в полиэтиленовых пакетах с воздухообменом. Навески почвы для определения субстрат-индуцированного дыхания, соотношения грибы/бактерии, базаль-ного дыхания (микробное продуцирование СО2) и продуцирования закиси азота (^О) были отобраны из предынкубированных образцов.
Субстрат-индуцированное дыхание почвы оценивали по скорости начального максимального дыхания микроорганизмов после обогащения почвы глюкозой. Навеску почвы (1 г) помещали во флакон (объем 15 мл), добавляли раствор глюкозы (0.1 мл; концентрация 10 мг/г почвы) и герметично закрывали. Обогащенный образец почвы инкубировали (3—5 ч при 22°С), затем отбирали пробу воздуха из флакона и анализировали ее с помощью газового хроматографа. Время инкубации почвы во флаконе фиксировали. Скорость СИД выражали в мкл СО2/г сухой почвы в час.
Углерод микробной биомассы рассчитывали по формуле: С мик (мкг С/г почвы) = СИД (мкл СО2/г сухой почвы в час) 40.04 + 0.37 [6].
Базальное дыхание (БД) определяли по скорости выделения СО2 почвой за 24 часа ее инкубации при 22°С и 60% ПВ. Определение БД проводили как и для СИД, только вместо раствора глюкозы в почву добавляли воду. Скорость базального (микробного) дыхания выражали в мкг СО2—С/г сухой почвы в час.
Разделение вклада грибов и бактерий в СИД. Стрептомицина сульфат (водный раствор) и цик-логексимид (порошок) вносили в почву по отдельности и вместе, добавляли глюкозу и измеряли СИД. Циклогексимид в различных концентрациях добавляли в почву за 4 часа до внесения глюкозы, а стрептомицин — за 0.5 ч [4]. При совместном внесении антибиотиков циклогексимид инкубировали с почвой 4 часа, затем добавляли стрептомицин и через 0.5 часов вносили глюкозу. Образец почвы, в который была внесена только глюкоза, служил контролем. Циклогексимид вносили в почву с инертным наполнителем — тальком и без него [1, 4].
Коэффициент перекрывания активности антибиотиков (ПАА) или аддитивности ингибиторов (the inhibitor additivity ratio, IAR) рассчитывали по уравнению ПАА = [(A - B) + (A - C)]/(A - D), где А — дыхание (выделение СО2) почвы с глюкозой; В — дыхание почвы с глюкозой и фунгицидом; С - дыхание почвы с глюкозой и бактерицидом; D - дыхание почвы с глюкозой, бактерицидом и фунгицидом [9]. Если ПАА = 1 ± 0.05, то это указывает на отсутствие антибиотического действия на нецелевые микроорганизмы и антагонистического влияния одного антибиотика на другой (уменьшение эффективности стрептомицина и циклогексимида при их совместном внесении). Если ПАА > 1, то индуцируется перекрывающееся антибиотическое действие, что указывает на низкую достоверность определения соотношения грибов и бактерий; ПАА < 1 — свидетельствует о наличии антагонистического эффекта.
Соотношение грибного и бактериального вкладов в СИД определяли по формулам: Г = (A — B)/(A — D) х х 100%; Б = (A — C)/(A — D) х 100% (обозначения букв как приведено выше) при условии, что A — [(A — B) + (A — C)] = D ± 5% [17].
Концентрацию закиси азота (N2O), продуцируемую почвой, измеряли методом газоадсорбционной хроматографии (хроматограф ЛХМ-2000).
Параметры хроматографа: газ-носитель — азот особой чистоты, скорость 50 мл/мин, электронно-захватный детектор, адсорбент — Рогарак Q, длина стеклянной колонки 2 м, температура колонок и детектора — 50 и 310°С соответственно, объем вводимой пробы — 0.5 мл. Навеску предын-кубированой почвы (2 г) помещали в пеницилли-новый флакон (объем 15 мл), вносили 0.2 мл воды или раствора глюкозы (2 мг/г почвы) и герметично закрывали. Флаконы инкубировали при 22°С в течение суток. Дополнительно оценивали и динамику выделения М20 обогащенной глюкозой почвы, в том числе и через 3, 6 и 12 часов. Образцы газовой фазы во флаконе отбирали шприцем через фиксированные промежутки времени. Количество продуцируемого М—М20 рассчитывали по формуле:
N—^0 = С х Уфл х 44 х 60 х 106 х 0.5 х 14/100 х х 22.4 х Тх т х Гпр х 44,
где М-М20 — содержание азота в закиси азота, нг/г почвы/ч; С — концентрация М20 в газовой пробе, % объемный; ¥фл — объем воздушного пространства во флаконе с почвой, мл; Т — время инкубации флакона с почвой, мин; т — сухая навеска почвы, г; Упр — объем вводимой в хроматограф газовой пробы, мл.
Химический анализ. Содержание органического углерода почвы определяли методом бихроматного окисления, рН — потенциометрическим, в водной суспензии при соотношение почва : вода = 1 : 2.5.
Статистика. Измерения (СИД, БД, СИ) были выполнены в трех, продуцирование закиси азота — в пяти повторностях. Средние значения показателей сопровождены стандартным отклонением (программа Statistica 6.0).
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Органический и микробный углерод почвы. В дерново-подзолистых почвах постагрогенных биогеоценозов содержание органического углерода (С орг) и микробной биомассы (С мик), в целом, возрастало, а значение рН — уменьшалось в ряду пашня — юная залежь — молодой, вторичный и коренной леса (табл. 1). Содержание С орг и С мик в почве коренного леса бы
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.