ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2014, № 10, с. 1240-1246
УДК 631.46-576.8
БИОЛОГИЯ ПОЧВ
ВЛИЯНИЕ МЕХАНИЧЕСКОГО ИЗМЕЛЬЧЕНИЯ СФАГНУМА НА ЧИСЛЕННОСТЬ, СТРУКТУРУ И АКТИВНОСТЬ МИКРОБНЫХ КОМПЛЕКСОВ*
© 2014 г. А. В. Головченко1, О. Ю. Богданова2, А. Л. Степанов1, Д. Г. Звягинцев1
1 Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы
e-mail: golovchenko.alla@gmail.com 2 Научно-исследовательский институт вирусологии им. Д.И. Ивановского Министерства здравоохранения и социального развития Российской Федерации, 123098, Москва, ул. Гамалеи, 16
e-mail: bogdolmsu@gmail.com Поступила в редакцию 19.02.2014 г.
В модельном опыте в течение полугода осуществляли мониторинг за показателями обилия микроорганизмов в нативных и механически измельченных образцах живого сфагнума и его очеса люми-несцентно-микроскопическим методом. Эффект от механического измельчения был более выражен для живого сфагнума, чем для его очеса. Механическое измельчение живого сфагнума способствовало увеличению общей микробной биомассы в 2—4 раза и эмиссии С02 в 2 раза за счет активного развития грибов и бактерий. Показатели обилия микроорганизмов и интенсивности потока С02 возрастали с увеличением степени измельчения сфагнума. В результате механической обработки живого сфагнума произошла его деструкция, о чем свидетельствует значительное уменьшение показателя С : N.
Ключевые слова: верховые торфяники, сфагновые мхи, сфагнаны, модельный опыт, люминесцент-но-микроскопический метод, микробная биомасса, грибной мицелий, бактерии, эмиссия СО2.
DOI: 10.7868/S0032180X14100025
ВВЕДЕНИЕ
Сфагновые мхи — основные растения-торфо-образователи верховых болот. Экспериментально доказано, что в верховых торфяниках лесной зоны почти все растения, кроме сфагнума, разлагаются полностью в течение 10 лет [2]. Сфагновые мхи формируют очень прочные "скелетные ткани", необходимые для удержания воды в своих порах. Прочность этих тканей обусловлена труд-норазлагаемыми (структурными) углеводами клеточных стенок сфагнума, которые названы сфагнанами [16]. Сфагнаны представляют собой сильно разветвленные сложные полисахариды — рамногалактурованные, соединенные гликозид-ными связями с ксилозоглюкоманнанами и целлюлозой [12].
На основании многочисленных биохимических экспериментов показано, что именно сфагнаны играют важную роль в устойчивости сфагнового мха к деструкции [14]. Присутствие сфагнанов в клеточных стенках сфагнума можно рассматривать как лимитирующий фактор, огра-
* Работа выполнена при финансовой поддержке проекта РФФИ № 13-04-00536.
ничивающий микробную активность в верховых торфяниках. Роль этого фактора особенно велика на начальном этапе деструкции сфагнума. Как выясняется из современных работ микробиологов, этот фактор заслуживает особого изучения и обсуждения [14, 17, 18].
Сфагнаны с трудом используются грибами в качестве источника углерода, так как их разветвленная структура ограничивает доступ гидролитических ферментов. Благодаря особой химической структуре сфагнан может подавлять активность гидролитического сообщества и за счет электростатической иммобилизации внеклеточных энзимов [13]. Однако "скелетные ткани" сфагнума не разрушаются микроорганизмами не только из-за особого химического состава. Их сохранению в верховых торфяниках благоприятствуют низкие численность и разнообразие почвенных животных, которые должны измельчать растительные ткани [7, 10].
Установлено, что в результате механической обработки сфагнума увеличивается содержание водорастворимой полисахаридной фракции и уменьшается содержание водорастворимой
фракции полифенолов [4, 15], то есть механически измельченный сфагнум должен становиться более доступным субстратом для микроорганизмов. Однако это предположение пока не нашло подтверждения.
В настоящей работе оценивали влияние механического измельчения сфагнума на численность, структуру и активность микробных комплексов.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Объектом исследования был верховой торфяник, являющийся одной из постоянных пробных площадей Западнодвинского лесо-болотного стационара ФГБУН Института лесоведения РАН (56°09' с.ш., 32°10' в.д. и 56°09' с.ш., 32°08' в.д.) в Тверской обл. По современной классификации почв исследуемый торфяник соответствует оли-готрофной остаточно-эутрофной торфяной почве [5]. Растительный биоценоз составляют разные виды сфагнума, сосна (Pinus sylvestris), клюква (Оху^^тpalustris), пушица (Eriophorum sp.). Доминантами растительного покрова являются сфагнум магелланский (Sphagnum magellanicum) и сфагнум бурый (S. fuscum). Залежь сложена верховым торфом до 1.5 м — слаборазложившимся (3— 20%), от 1.5 до 4 м — среднеразложившимся (25— 35%), от 4 до 4.5 — переходным торфом, от 4.5 до 5 м — низинным торфом и подстилается органо-минеральными отложениями. Значение рН варьирует по профилю от 2.8 до 4.5.
Для определения влияния механического разрушения сфагнума на численность, структуру и активность микробных комплексов осенью 2012 г. из исследуемого торфяника взят монолит, объемом 50 х 50 х 30 см. Из монолита аккуратно извлекали стебли сфагнума и делили на две части: верхнюю зеленую часть с головками (длиной около 5 см) и нижнюю часть желтовато-бурого цвета (длиной около 8—15 см). Далее верхнюю часть сфагнума будем называть "живой сфагнум", нижнюю часть — "очес сфагнума". Живой сфагнум и его очес помещали в отдельные вегетационные сосуды и считали их контрольными образцами. Следующими вариантами для изучения были образцы живого сфагнума и его очеса, подвергшиеся механическому измельчению ножницами до крупнодисперсных частиц длиной 5—7 мм (далее "крупнодисперсные образцы") и образцы живого сфагнума и его очеса, подвергшиеся механической обработке на пропеллерной мешалке-миксере (микроизмельчитель тканей РТ-2, 5000 об/мин) до мелкодисперсных частиц длиной 0.5—0.7 мм (далее "мелкодисперсные образцы"). Средний вес образцов в вегетационных сосудах составлял около 1 кг. Отбор и анализ образцов для проведения микробиологического анализа производили на 0, 3, 7, 14, 30, 60, 90, 120, 150,
180-е сут. На всех стадиях сукцессии осуществляли контроль влажности.
Общую численность и биомассу микроорганизмов определяли прямым методом с использованием люминесцентной микроскопии [8]. Предварительно десорбировали клетки на ультразвуковом диспергаторе Bandelin Sonopuls HD 2070. При количественном учете клеток почвенных бактерий препараты окрашивали водным раствором акридина оранжевого, а для окраски мицелия и спор грибов применяли калькофлюор белый. Расчеты прокариотной биомассы проводили, учитывая, что биомасса сухого вещества для одной бактериальной клетки объемом 0.1 мкм3 составляет 2 х 10-14 г [6]. Эукариотную микробную биомассу вычисляли с учетом замеренного диаметра спор и мицелия грибов по формулам:
для мицелия — 0.628(г1)2 х 10—6,
для спор - 0.836(r2)3 х 10-12, где r1 — радиус мицелия; r2 — радиус грибной споры [9]. Осуществляли пересчет количества микробных клеток на 1 г сухого торфа.
При определении активности дыхания образцы живого сфагнума и его очеса (по 2 г) помещали в пенициллиновые флаконы объемом 15 мл и инкубировали в термостате при температуре 28°С в течение суток. Активность дыхания почв определяли по скорости накопления CO2 в газовой фазе флаконов [8]. Эмиссию CO2 исследовали на хроматографе Московского опытного завода "Хроматограф", модель 3700/4, с детектором по теплопроводности (катарометром) на колонке с адсорбентом Полисорб-1 из нержавеющей стали внутренним диаметром 2.0 мм и длиной 3.2 м. В качестве газа-носителя служил гелий, поступающий со скоростью 30 мл/мин. Температура детектора составляла 100°С, ток измерительных элементов 148 мА. Температура термостата 30°С, температура камеры впрыска 40°C.
Процентное содержание углерода и азота в различных вариантах опыта определяли на приборе Vario EL III (Elementar, Germany) в токе кислорода при температуре 1150°С.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Механическое измельчение живого сфагнума способствовало увеличению общей микробной биомассы в 2—4 раза. Различия между измельченными и контрольными образцами проявлялись сразу после механического воздействия, сохранялись на протяжении трех месяцев и нивелировались к концу опыта (рис. 1).
Увеличение микробной биомассы на первых этапах опыта идет за счет десорбции микроорганизмов с поверхности измельченных частиц и распада микроколоний [3]. Максимальные пока-
1242
ГОЛОВЧЕНКО и др.
мг/г 100 Г 80
А
гг! гт! Гг1 гГ1
ггй
Б
60 40 20 0 200 160 120 80 40 0
180 Сутки
Рис. 1. Динамика микробной биомассы на разных этапах сукцессии в контрольных образцах и при механической обработке живого сфагнума (А) и его очеса (Б). Здесь и далее: 1 - контрольные образцы, 2 - крупнодисперсные образцы, 3 - мелкодисперсные образцы.
затели микробной биомассы выявили в мелкодисперсных образцах. Они достигали 49— 56 мг/г мха на 7 и 14-е сут опыта.
Иные тенденции отмечены при механической обработке очеса сфагнума. Очес мха представляет собой частично разложившуюся часть растения, имеющую отличную от живого мха структуру и возраст. Если взять максимальный линейный прирост сфагнума 5 мм/год, то формирование этого слоя проходило в течение 20 лет. Механическое измельчение очеса, как уже полуразложившейся части растения, не приводило к тем поло-
жительным результатам, которые наблюдали при измельчении живого сфагнума. Увеличение микробной биомассы (в 2—3 раза) при измельчении отмечали только в течение первых двух недель опыта. В остальные сроки превышение микробной биомассы (в 2—7 раз) фиксировали уже в контрольных образцах.
Динамику микробной биомассы в исследуемых образцах независимо от варианта опыта определяла грибная составляющая (56—98%) (табл. 1). Доля бактерий на протяжении практически всего опыта была низкой и варьировала от 2
Таблица 1. Структура микробной биомассы на разных этапах сукцессии в контрольных образцах и при механической обработке живого сфагнума, %
Срок, сут Грибной мицелий
контроль й1 й2
0 87- 94 82-98
3
7
14
30
60 65- -83
90
120
150 37- -54 35-39
180
Споры грибов
контроль
й1
й2
Ба
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.