научная статья по теме МИКРОБНАЯ БИОМАССА И КИНЕТИКА РОСТА МИКРООРГАНИЗМОВ В ЧЕРНОЗЕМАХ ПРИ РАЗЛИЧНОМ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ ИСПОЛЬЗОВАНИИ Биология

Текст научной статьи на тему «МИКРОБНАЯ БИОМАССА И КИНЕТИКА РОСТА МИКРООРГАНИЗМОВ В ЧЕРНОЗЕМАХ ПРИ РАЗЛИЧНОМ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ ИСПОЛЬЗОВАНИИ»

МИКРОБИОЛОГИЯ, 2008, том 77, № 1, с. 113-120

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ СТАТЬИ

УДК 631.46+579.8.017.6

МИКРОБНАЯ БИОМАССА И КИНЕТИКА РОСТА МИКРООРГАНИЗМОВ В ЧЕРНОЗЕМАХ ПРИ РАЗЛИЧНОМ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОМ ИСПОЛЬЗОВАНИИ

© 2008 г. С. А. Благодатский*, И. Н. Богомолова**, Е. В. Благодатская*

*Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, Пущино **Воронежский государственный университет Поступила в редакцию 24.08.2006 г.

Проведена оценка содержания углерода микробной биомассы и кинетических характеристик дыхательного отклика микроорганизмов на внесение субстрата для черноземов под разными угодьями: пашней 10, 46 и 76 лет использования, залежью косимой, залежью некосимой и лесополосой. Микробная биомасса и доля микробного углерода в составе гумуса (Смик/Сорг) уменьшались в ряду: почвы под лесными ценозами-залежь косимая-пашня 10 лет использования-пашня 46 и 76 лет использования. Количество микробного углерода в пахотном горизонте длительного использования составило 40% от его содержания в верхнем горизонте некосимой залежи. Пахотные почвы характеризовались меньшим метаболическим разнообразием микробного сообщества и наибольшей долей микроорганизмов, способных к непосредственному росту на вносимой в почву глюкозе. Обсуждается влияние разных сценариев депонирования углерода в почве на запасы и активность микробной биомассы.

Ключевые слова: кинетика роста микроорганизмов, микробная биомасса, депонирование углерода, минерализация гумуса.

Сохранение и увеличение содержания гумуса в почве является способом депонирования (в англоязычной литературе sequestration) углерода атмосферы (C-CO2) в форме стабильных органических соединений. Предполагается, что таким способом может быть уменьшено содержание углекислого газа в атмосфере, нарастающее в последнее столетие, и уменьшен парниковый эффект. Существуют различные мнения и гипотезы относительно возможностей депонирования углерода за счет изменения сельскохозяйственного использования земель, например, при переводе пашни под луга или за счет увеличения площадей леса [1, 2]. Переход от вспашки с оборотом пласта к беспахотной обработке почвы считается общепринятым приемом, способствующим масштабному депонированию углерода в почве [3]. Увеличение продуктивности биоценозов, приводящее к большему поступлению растительных остатков в почву, не обязательно способствует формированию стабильных гумусовых веществ с долгим временем нахождения в почве. Показано, что выращивание растений в атмосфере повышенного CO2, приводящее к увеличению поступления углерода в состав почвенного органического вещества, сопровождалось замедлением формирования стабильных, долгоживущих органических соединений [4]. Поэтому для выбора оптимальной стратегии депонирования углерода в

1 Адресат для корреспонденции: (e-mail:sblag@mail.ru).

почве чрезвычайно важно знать не только динамику общих запасов углерода в почве после смены системы землепользования, но и время удержания в почве разных фракций органического вещества. Наряду с использованием изотопного маркирования для оценки скорости минерализации разных пулов органического вещества [5] актуальными являются исследования запасов и активности микробной биомассы в почве при изменении землепользования и увеличении содержания С02 в атмосфере [6]. Считается, что микробная биомасса является наиболее лабильным компонентом почвенного органического вещества, в первую очередь реагирующим на изменения окружающей среды и отражающим тренд накопления или минерализации органического вещества почвы [7]. Однако исследований, которые бы не только сравнивали качественный состав микроорганизмов почвы, определяя его зависимость от сельскохозяйственного использования почвы или особенностей ценоза [8], но и устанавливали бы количественные зависимости между запасами и скоростями минерализации гумуса и количеством и функциональными характеристиками микробной биомассы, не так много. Ранее было показано [9], что различные системы удобрений влияют на кинетические характеристики роста и доминирующую экологическую стратегию микробных сообществ пахотных почв. Очевидно, что количественная оценка функциональных особенностей микробной биомассы поможет лучше понять особенности цикла угле-

Таблица 1. Химическая характеристика горизонта 0-20 см чернозема обыкновенного (Каменная Степь) при различном сельскохозяйственном использовании

Вариант опыта Гумус, % pH водн Ca2+ Mg2+ Р2О5 К2О

мг-экв/100 г почвы мг/100 г почвы

Лесополоса, 105 лет 7.0 6.1 42.1 8.7 10.2 50.6

Залежь некосимая, 92 года 8.1 7.0 42.1 8.8 11.1 51.3

Залежь косимая, 118 лет 8.7 7.1 41.9 7.9 10.8 50.8

Пашня, 10 лет 7.2 7.4 27.8 4 8.5 48.2

Пашня, 46 лет 6.2 7.1 28.2 4.3 8.3 47.8

Пашня, 76 лет 6.9 7.4 37.4 7.3 8.4 46.3

рода в пахотных почвах различной длительности использования и залежных почвах, выведенных из интенсивного землепользования разное время тому назад.

Целью настоящей работы было сравнение запасов и активности микробной биомассы и ростовых характеристик микробных сообществ для черноземов при различном сельскохозяйственном использовании. Необходимо было проследить, как длительность распашки почвы или же нахождения ее в состоянии залежи повлияет на соотношение активной и общей микробной биомассы и соотношение пулов общего органического углерода и углерода микробной биомассы.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Для сравнительной оценки свойств микробного пула были использованы черноземы длительного стационарного опыта НИИ сельского хозяйства центрально-черноземной полосы им. В.В. Докучаева (Каменная степь, Воронежская обл.). Почвы одного типа (чернозем обыкновенный) в разных вариантах опыта отличались по своим свойствам за счет длительности антропогенного воздействия (распашки, сенокошения) [10]. Количество микробной биомассы и кинетику дыхательного отклика на внесение субстрата определяли для пахотных почв, находящихся в использовании 10, 46 и 76 лет, а также для участка косимой залежи (режим поддерживается 118 лет). В качестве контрольных участков нами были выбраны лесополоса (искусственные посадки возрастом 105 лет) и некосимая залежь (возраст 92 года), на которой к моменту отбора образцов сформировался молодой лес. Химические характеристики почв приведены в табл. 1.

Образцы почвы, отобранные в начале мая из слоя 0-20 см, просеивали через сито с диаметром 3 мм, освобождали от корней и крупных растительных остатков, увлажняли до 50% от полевой влаго-емкости (ПВ) и хранили в холодильнике при темпе-

ратуре 4—6°С до начала экспериментов (2-3 месяца). Перед началом измерений почву выдерживали при комнатной температуре в течение 1-2 суток.

Кинетику роста микроорганизмов, индуцированного внесением в почву субстрата, определяли, измеряя скорость выделения CO2. Для этого навески почвы 10 г увлажняли до 60% от ПВ, перемешивали миксером со смесью талька и глюкозы (4 мг С/г почвы) или талька и дрожжевого экстракта (40 мг/г почвы) с добавлением минеральных солей (мг/г): (NH4)2SO4 - 1.9, K2HPO4 - 2.25 и MgSO4 ■ 7H2O - 3.8 и измеряли скорость выделения С02 на проточном газоанализаторе [11].

Максимальную удельную скорость роста микроорганизмов (цш, ч-1) определяли, аппроксимируя экспериментально полученные значения скорости (v, мкг С (г почвы)1 ч-1) выделения CO2 по уравнению [12]:

v = v^ х exp(|imt) + v0ол, (1)

пр

где v о - начальная скорость продуктивного окисления субстрата, сопряженного с синтезом АТФ,

ход

v 0 - начальная скорость холостого окисления субстрата до CO2, t - время. Подбор параметров уравнения (1), при котором расчетная кривая наилучшим образом описывает экспериментальные данные, осуществляли с помощью программы ModelMaker 3.1 (Cherwell Scientific Publishing Ltd) по методу наименьших квадратов.

Для аппроксимации использовали только ту часть кривой роста микроорганизмов, которая обеспечивала максимальные значения для статистических критериев Q и r.

Для расчета доли биомассы почвенных микроорганизмов, способных к немедленному росту на внесенной глюкозе, использовали параметры, найденные для уравнения (1). Коэффициент физиологического состояния микроорганизмов (г0) рассчи-

тывали из соотношения скоростей холостого и продуктивного дыхания:

r0 = v0 х 0.1/( v0 + v0 х 0.1 ).

(2)

Тогда доля микроорганизмов (в процентах), способных к немедленному росту будет равна г0 х 100. Подробный вывод и обоснование приведенных расчетов опубликован ранее [12, 13].

Длительность лаг-периода ч) в дыхательном отклике характеризует промежуток времени, когда увеличившаяся после внесения глюкозы интенсивность дыхания остается на постоянном уровне, т.е. не происходит активного роста микроорганизмов. Началом роста (окончанием лаг-периода) считали момент времени, когда возрастающая интенсивность ростового (продуктивного) дыхания у [¡р становилась равной интенсив-

хол Г1

ности холостого дыхания у0 [14], т.е.

ílag = 1П( V0 / Vо" )/Цт.

(3)

Расчет индекса ауксотрофности. На основании измеренных удельных скоростей роста микроорганизмов в почве после внесения глюкозо-минеральной смеси или дрожжевого экстракта мы рассчитывали индекс ауксотрофности как частное, полученное от деления максимальных удельных скоростей роста микроорганизмов на глюкозе и дрожжевом экстракте (Цгл/Цдэ) [14].

Расчет общей микробной биомассы. На основе значений величин интенсивности начального ды-

/ пр холч

хательного отклика (у0 + у0 ), полученных путем подбора параметров уравнения (1), рассчитывали общую микробную биомассу методом суб-страт-индуцированного дыхания (СИД) -

Смикр (мкг (г почвы)-1), используя соотношение

C

микр

= 1.89 х 40.04 х ( V7 + V0 ),

(4)

согласно зависимости, установленной ранее [15].

Для определения количества ДНК в почве использовали оптимизированную процедуру прямой количественной экстракции, подробно описанную ранее [16]. Она включает механическое, энзиматическое и термическое воздействие на микробные клетки. Количество двухцепочечной ДНК определяли по интенсивности флуоресценции раствора Пикогрина (PicoGreen™, Molecular Probes) - высокоспецифичного и очень чувствительного реактива.

Определени

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

Пoхожие научные работыпо теме «Биология»