ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2014, № 12, с. 1483-1489
БИОЛОГИЯ ПОЧВ
УДК 631.445.4:631.417.7(478)
РАЗНООБРАЗИЕ АМИНОКИСЛОТ ЧЕРНОЗЕМА ТИПИЧНОГО (МОЛДАВИЯ)
© 2014 г. Н. И. Фрунзе
Институт микробиологии и биотехнологии АН Молдавии, 2028, Кишинев, ул. Академическая, 1
e-mail: ninafrunze@mail.ru Поступила в редакцию 27.07.2011 г.
Исследовано содержание и состав аминокислот в черноземе типичном. Объектами исследования были следующие варианты чернозема: естественный фон под залежью и три варианта под кормовым севооборотом: неудобренный фон, фон с внесением минеральных и органических удобрений. Во всех вариантах определяли количественное содержание 18 аминокислот. Выделение аминокислот проводили методом кислотного гидролиза, идентификацию — ионообменной хроматографией. Показано, что общее содержание большинства аминокислот в среднем наиболее высоко в почве природного фона и существенно ниже в вариантах с сельскохозяйственным использованием, где оно уменьшается в ряду: органический фон, минеральный фон, неудобренный фон. С использования нескольких показателей, применяемых в общей экологии для оценки разных аспектов видовой структуры сообществ (индексы Симпсона, Маргалефа, Менхиника, Шеннона), количественно оценено разнообразие аминокислот. Полученные результаты показали, что разнообразие и вклад различных аминокислот в общий аминокислотный пул также значительно варьируют по исследованным вариантам. Наиболее высокое разнообразие аминокислот и наибольшая выравненность их относительного обилия характерны для естественной почвы, а в почвах сельскохозяйственного использования эти показатели меньше. Делается вывод, что изменения в структуре комплекса аминокислот, которые происходят при сельскохозяйственном использовании чернозема, аналогичны изменениям в структуре почвенных микробных сообществ, которые обычно наблюдаются при стрессовых воздействиях.
Ключевые слова: аминокислоты, чернозем, индексы разнообразия.
Б01: 10.7868/80032180Х1412003Х
ВВЕДЕНИЕ
В почве постоянно содержится определенное количество аминокислот (АК) [11, 13, 15—17]. При этом роль различных АК в общем органическом комплексе почвы неодинакова. Обычно лишь немногие оказывают на него выраженное воздействие [3, 10]. Виды АК в значительной степени замещают друг друга, поэтому функционально схожие сообщества могут обладать различным комплексом АК. Разные почвы могут существенно различаться по набору и количественному соотношению АК, так что их комплекс может служить диагностическим целям. Для количественной характеристики комплекса почвенных АК вполне можно использовать подходы, применяемые в общей экологии для сравнительной характеристики структуры сообществ, в частности различные индексы разнообразия [2, 4, 6-9, 12].
Целью настоящих исследований являлось изучение разнообразия аминокислот чернозема типичного Молдавии в результате применения раз-
личных технологий сельскохозяйственного землепользования.
В задачу исследований входило: определение индекса доминирования и видового богатства АК; анализ показателей разнообразия АК; выявление отличительных характеристик антропогенных и природных почв и их роли в образовании АК.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Объектом исследований являлся чернозем типичный. Содержание гумуса в слое 0-20 см составляло от 2.50 до 3.11%. Реакция почвенной среды слабощелочная, рН 7.80. Удельный вес почвы 2.60 г/см3, пористость 50-60%, объемная масса 1.06-1.30 г/см3. Исследования проводили в 2006-2008 гг. во второй ротации семипольного кормового севооборота в ходе полевого опыта на экспериментальной базе Академии наук Молдавии "Биотрон". Размер опытных делянок варьировал от 20 до 30 м2. Занятые растениями участки выбрали для исследования в следующих вариантах: 1 - неудобренный фон (контроль), 2 - мине-
ральный фон (с внесением минеральных удобрений в расчете на использование 2.5% фотосинте-тически активной радиации), 3 — органический фон (навоз крупного рогатого скота + растительные остатки + сидераты). Удобрения вносили в зависимости от культуры таким образом, чтобы по количественному содержанию МРК в почве удобренные варианты были эквивалентны. Эталоном в сравнительной оценке количественного и качественного содержания АК в пахотном черноземе типичном была залежь (естественный фон).
Образцы почвы отбирали весной с глубины 0—20 см. АК извлекали из почвы солянокислым гидролизом [5]. Определение проводили в трехкратной повторности ионообменной хроматографией на автоматическом анализаторе ААА-339.
По полученным данным рассчитывали различные показатели разнообразия АК: индексы Маргалефа (^ = Б — 1/1п Щ, Менхиника
(А2 = Б/^ТЙ), Симпсона с = ^(т/И)2, Шеннона
Н* = — ^ (и/'/И)1§(и/'/И), где Б — число видов; N — суммарная масса АК, т — оценка "вклада" массы каждой АК. Данные статистически обрабатывали с помощью пакета программ $1аИ8Иса.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Общая масса суммарно определенных и идентифицированных АК составляла от 1813 до 6687 х х 10-4 мг/100 мг почвы. Анализ абсолютных величин полученных результатов, ранжированных по их "значительности", показал, что каждая из АК по-разному была представлена в зависимости от экологических условий изученных вариантов. За исключением у-аминомасляной кислоты, максимальное содержание всех индивидуальных АК зарегистрировано в естественной фоновой почве, затем меньшее — в варианте с применением органических удобрений. Почва, удобренная минеральными веществами, уступала в содержании пяти АК (аспарагиновой, глутаминовой, метио-нина, тирозина и у-аминомасляной) почве неудобренного фона (рис. 1А). Суммарное образование АК в почве изученных вариантов превышало таковое на 121, 200 и 369% по сравнению с контролем (неудобренный фон), соответственно в почве минерального, органического и природного фона. Естественному биоценозу почва неудобренного фона уступала по этому показателю на 73%, минерального фона — на 67%, а органического — на 46%.
Анализ относительного участия отдельных АК в общем спектре показал, что количественные соотношения их индивидуальных представителей отличаются в меньшей степени сравнительно с абсолютными величинами (рис. 1Б). С помощью определения количественной доли индивидуаль-
ных АК (принимая общее их содержание по вариантам за 100%) выявлено большее сродство вариантов по их накоплению: как наибольшие, так и наименьшие относительные величины были отмечены во всех вариантах. По сравнению с предыдущим анализом, количественное лидерство не было характерным лишь для природной почвы. Более того, в естественной почве зарегистрировано максимальное разнообразие АК с наименьшим долевым вкладом (по аланину, лейцину, треонину, аргинину и у-аминомасляной кислоте), преобладало лишь формирование мети-онина и пролина. Почва органического фона не отличалась максимальным долевым вкладом ни по одной из кислот, однако в ней регистрировались самые незначительные количественные соотношения по метионину и цистину. В почве минерального фона идентифицирована самая низкая доля аспарагиновой и глутаминовой кислот, тирозина и фенилаланина. Максимальный показатель зарегистрирован только по валину. В почве неудобренного фона отмечались самые низкие количественные соотношения по глицину и пролину, а самые высокие — по аланину. Почва изученных вариантов характеризовалась и относительно схожим содержанием серина, изолейцина, гисти-дина и фенилаланина. Отметим, что в целом пахотные варианты превосходили естественную почву по накоплению у-аминомасляной кислоты, аланина, лейцина, треонина и аргинина, значительно уступая ей в формировании метионина и пролина.
Всего было обнаружено 18 АК: аспарагиновая кислота, глутаминовая, глицин, пролин, аланин, метионин, серин, валин, изолейцин, лизин, лейцин, треонин, гистидин, аргинин, фенилаланин, цистин, тирозин и у-аминомасляная кислота. Согласно индексам Маргалефа и Менхиника, разнообразие АК больше в пахотных вариантах, нежели в естественном фоне (рис. 2). Достигая максимальных величин в неудобренном фоне, оно уступало на 2, 8 и 15% в первом случае (А{) и на 7, 29 и 48% — во втором (А2) в минеральном, органическом и естественном вариантах соответственно. Показатель доминирования Симпсона с, регистрирующий значения от 0.0001 до 0.0289, выявил соотносительные с массой АК значимости доминирования по вариантам (таблица). Как самые малые и самые большие, так и одинаковые коэффициенты доминирования, отмечались во всех вариантах, по сравнению с предыдущим анализом. В целом, наибольшие величины зарегистрированы в почве неудобренного фона (с = 2.1025). В остальных вариантах значения индекса Симпсона были близки и составляли по 48% в минеральном и естественном фоне (с = 1.0000 и 1.0056 соответственно) и 50% — в органическом (с = 1.0404). По вкладу в общее содержание все АК можно разделить на 3 группы,
Рис. 1. Содержание аминокислот в черноземе типичном: А - масса аминокислот; Б - долевое участие индивидуальных аминокислот по отношению к их общему содержанию (здесь и далее): 1 - неудобренный фон; 2 - минеральный фон; 3 - органический фон; 4 - природный фон.
Рис. 2. Показатели структуры и видового разнообразия аминокислот: с - индекс доминирования Симпсона; dl - индекс Маргалефа; d2 - индекс Менхиника; Н - индекс Шеннона.
Перераспределение относительного участия видов аминокислот в общем спектре, согласно индексу Симпсона (с) и степени доминирования (с. д.)
Доминирование Экспериментальный фон
с с. д., % неудобренный минеральный органический природный
Доминирующие и субдоминирующие виды
0.0289 17 Аспарагиновая Аспарагиновая
0.0256 16 Аспарагиновая
0.0225 15 Глутаминовая
0.0196 14 Глутаминовая Аланин Глутаминовая Глицин
0.0169 13 Аспарагиновая Аланин
0.0144 12 Аланин
0.0121 11 Глутаминовая Глицин Глицин
Виды с второстепенной ролью
0.0064 8 Глицин Пролин
0.0049 7 Серин Серин Лейцин Серин Аланин
0.0036 6 Лейцин Пролин Лейцин Пролин Метионин
0.0025 5-5.5 Треонин Пролин Треонин Валин Аргинин Треонин Серин
0.1116 4 Валин Изолейцин Лизин Валин
Изолейцин Лизин Аргинин Изолейцин
Лизин Лизин
Аргинин Лейцин Треонин
0.0009 3-2.4 Валин Изолейцин
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.