CC BY
40
БИОЛОГИЯ
УДК 579.64:631.484
В.А. Дырин*, Е.П. Красноженов**
ДИНАМИКА МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЦЕЛИННОМ И РЕКУЛЬТИВИРУЕМОМ УЧАСТКАХ БОЛОТНОЙ ЭКОСИСТЕМЫ НИЗИННОГО ТИПА
* Томский государственный педагогический университет ** Сибирский государственный медицинский университет
Остаточный торф выработанных болотных экосистем (БЭС) содержит в себе еще значительные запасы органического вещества, которое, как известно, является аккумулятором разнообразнейших веществ, полезных для растений; это и определяет ценность торфяных почв при использовании их в качестве сельскохозяйственных угодий.
Опыт рекультивации выработанных торфяников в Сибири, в том числе и в Томской области, незначителен. В связи с этим отсутствует ответ на главный вопрос: что будет происходить с органическим веществом остаточного слоя выработанных БЭС, если их использовать как сельскохозяйственные угодья, не грозит ли им исчезновение (так называемое срабатывание), как, например, аналогичным экосистемам в странах с более теплым климатом. Таким образом, необходим прогноз изменения состояния органического вещества выработанных торфяников под воздействием их окультуривания. Это, в свою очередь, позволит определить пути оптимизации микробиологических процессов, которые и являются основной причиной трансформации органического вещества торфа [1].
Ниже приведены результаты исследований в 2004 г. активности целлюлозоразрушающего, аммонифицирующего и нитрифицирующего процессов в неосушен-ной торфяной залежи и в рекультивируемой торфяной почве, что может служить отражением интенсивности происходящих в них минерализационных процессов.
Методика исследований
Объектами исследований были рекультивируемый и целинный (неосушенный) участки низинной БЭС «Таган» (Томский район). Рекультивируемый участок расположен на месте добычи торфа на удобрение (1963 г.). При заготовках торф снят на глубину 2-3 м, в результате средняя толщина остаточного торфа составила 1м, местами - 0.5 м. В 1985 г. здесь был заложен опыт по влиянию минеральных удобрений на урожай многолетних злаковых трав. До 1991 г. на всем участке, площадью 60 м2, проводились исследования биологической активности торфа. Затем участок стал использоваться как сенокос и пастбище. С 1995 г. наблюдения за биологической активностью возобновились на ограниченной
площади участка (15 м2), но в соответствии с первоначальной схемой опыта: 1) контроль (посевы без удобрений), остаточный слой торфа (ост) - 1 м; 2)
ост - 1 м; 3) ^120Р120К120’ ост - 1 м; 4) ост - 0.5 м (посевы без удобрений). Удобрения вносились в начале вегетационного периода - в мае - в виде аммиачной селитры, хлористого калия и простого суперфосфата. В опыте использовалась смесь многолетних трав (костра безостого, тимофеевки луговой и овсяницы луговой).
Целинный участок расположен в 2 км от осушенного, занят древесным (из сосны, березы) и травяным (в основном из осок) покровом; толщина торфа в нем равна в среднем 3 м [2].
Активность микробиологических процессов оценивалась по динамике: 1)целлюлозоразрушающих микроорганизмов, 2) разложения клетчатки, 3) аммиачной (М-КИ3) и нитратной (N-N0^ форм азота, 4) аммонифицирующих и нитрифицирующих микроорганизмов. Параллельно определялись влажность, рН солевое и температура торфа. В исследованиях использовалась общепринятая методика [3-5]. При этом целлюлозоразрушающая активность в естественных условиях определялась по разложению льняного полотна, в лабораторных условиях - по разложению фильтровальной бумаги. Активность целлюлозоразрушающих микроорганизмов оценивалась также по проценту обрастания ими комочков торфа на твердой агаризованной среде Гетчинсона. Аммонифицирующие микроорганизмы выращивались на мясо-пептон-ном агаре (МПА), нитрифицирующие - на кремнекислых пластинках со средой Виноградского.
Образцы торфа для анализов отбирались до глубины 120 см на целине и до глубины 60-100 см - на рекультивируемом участке 4 раза за вегетационный период. Анализы выполнялись в 3-кратной повторности. По содержанию микрофлоры приведены средние арифметические по повторностям, биохимические показатели активности микрофлоры обработаны статистически. При этом приняты следующие обозначения: М - среднее арифметическое, ±т - отклонение от среднего, t - достоверность среднего, п - число повторностей анализа. Достоверность полученных результатов оценивалась по критерию Стьюдента на уровне 0.05 [6].
Результаты исследований
Динамика активности процессов трансформации целлюлозы.
В торфе рекультивируемого участка, под травами без удобрений (в контроле), целлюлозоразрушающая активность, определяемая по скорости разложения льняного полотна, была наибольшей в первый срок наблюдений - с 5 июня по 7 июля (табл. 1). Это соответствовало наиболее благоприятным гидротермическим условиям в указанный период (по данным гидрометеослужбы г. Томска). С меньшей скоростью полотно минерализовывалось в августе-сентябре, при-
чем в глубжележащих горизонтах это происходило интенсивнее, чем в верхних. Относительно активная деятельность микрофлоры в нижних горизонтах ближе к осени и осенью объясняется, с одной стороны, прогреванием к концу лета и глубжележащего торфа, а с другой - охлаждением верхних слоев осенью.
Влияние удобрений на деятельность целлюлозоразрушающей микрофлоры в июне-июле отсутствовало или было незначительным, что видно по степени разложения полотна: она почти одинакова в неудобренном торфе и в торфе с удобрениями. Возможно, что в первые два летних месяца удобрения использовались преимущественно травами, вегетирующими более
Т аблица 1
Интенсивность минерализации целлюлозы в рекультивируемом участке «Таган»
Вариант опыта Глубина, см Процент разложения льняной ткани по срокам:
С 5 июня по 7 июля і С 7 июля по 9 августа і С 9 августа по 12 сентября і
Контроль, ОСТ=1м. 0 - 20 33.2±2.2 15.0 28.0±6.3 4.4 10.0±1.3 7.6
20 - 40 25.2±6.5 3.8 24.6±6.0 4.1 14.3±2.5 5.7
40 - 60 6.0±1.5 4.0 4.8±1.1 4.3 15.8±4.2 3.7
N60? 60^^ ОСТ=1м. 0 - 20 26.5±4.1 6.4 28.0±4.5 6.2 44.9±9.2 4.8
20 - 40 13.1±3.2 4.1 12.7±2.3 5.5 23.2±4.5 5.1
40 - 60 6.3±1.3 4.8 3.9±1.2 3.2 6.6±1.1 6.0
N120? 120^^120? ОСТ=1м. 0 - 20 36.1±8.2 4.4 30.1±5.8 6.0 55.8±6.2 9.0
20 - 40 13.9±2.7 5.1 22.8±4.5 5.0 49.0±5.9 8.3
40 - 60 6.8±1.4 4.8 10.2±2.2 4.6 12.0±2.1 5.7
0СТ=0.5м, без удобрений. 0 - 20 27.2±5.1 5.3 25.2±5.2 4.8 6.7±1.3 5.1
20 - 40 26.4±4.8 5.5 23.3±4.7 4.9 8.3±1.8 4.6
40 - 60 22.6±4.7 4.8 20.1±4.2 4.7 8.4±2.0 4.2
Примечание: при п = 3, на уровне 0.05, I = 4.3.
активно в указанный период; это могло привести к выравниванию условий для деятельности целлюлозоразрушающей микрофлоры как в удобренном, так и неудобренном торфе. В последующие сроки наблюдений - с 9 августа по 12 сентября - воздействие удобрений (особенно их удвоенных доз) на деструкцию целлюлозы было заметным; последнее можно объяснить снижением активности прекращающих вегетировать растений при использовании удобрений и преимущественной ассимиляцией их целлюлозоразрушающей микрофлорой.
На конкуренцию растений и микроорганизмов при усвоении питательных веществ, находящихся в почве, указывают многие авторы [7, 8]; отмечено это и в наших исследованиях, проведенных на данной БЭС ранее [9].
В целом минерализация целлюлозы в торфе рекультивируемого участка в указанные сроки происходила относительно быстрыми темпами. Например, максимум разложения ткани, зафиксированный в торфе с удвоенными дозами №К, был равен 55.8 % (с 9 августа по 12 сентября в слое 0 - 20 см). И в неудобренном торфе (в контроле) этот процесс протекал до-
вольно интенсивно: с 5 июня по 7 июля убыль льняного полотна в весе составила 33.2 %.
Сравнительно высокая степень разложения полотна отмечена в торфе с остаточным слоем 0.5 м. Здесь торф частично перемешан с песчаным грунтом, который подстилает данную БЭС. Вероятно, песчаный компонент повышает теплопроводность торфа, что активизирует в нем микробиологические процессы летом, включая и характеризуемый процесс. На изменение теплопроводности торфа с песчаной примесью указывает и резкое снижение скорости минерализации клетчатки в сентябре, когда понижение температуры воздуха более заметно отразилось на ее утилизации в торфе именно этого варианта опыта.
Для определения целлюлозоразрушающей активности в лабораторных условиях образцы торфа, взятые в указанные выше сроки, смешивались - соответственно вариантам опыта и глубине взятия образцов - для получения средних проб. Средние пробы торфа с кружками фильтровальной бумаги помещались в чашки Петри и выдерживались в термостате в течение 35 дней при температуре 27-30 °С и естественной (средней) влажности) образцов. Влажность сред-
них проб по слоям 0-20, 20-40 и 40-60 см соответ-ствено составила: из контроля и удобренного торфа -59.65 и 71 %, из торфа с остаточным слоем 0.5 м -52.6 и 67 %.
Наблюдения над характеризуемым процессом в усредненных образцах выявили значительное влияние на него удобрений, особенно их удвоенных доз (табл. 2). При этом не отмечено разницы в активности ассимиляции клетчатки микрофлорой из разных слоев торфа. Очевидно, постоянные температура и
влажность, создаваемые и поддерживаемые в лабораторных условиях, существенно активизировали микрофлору и нижних горизонтов, в результате чего показатели минерализации целлюлозы сравнялись по слоям. Последнее может свидетельствовать о высокой потенциальной активности микрофлоры остаточного торфа.
Как и в естественных условиях, клетчатка весьма интенсивно разрушалась в торфе, перемешанном с песчаным грунтом (вариант 0СТ=0.5 м, без удобре-
Таблица 2
Интенсивность разложения клетчатки в лабораторных условиях
Глубина, Процент разложения фильтровальной бумаги:
см Контроль, ОСТ=1м і N60? 6oK6o, ОСТ=1м і N12oPl2oKl20, ОСТ=1м і ОСТ=0,5 м, без удобрений і
0-20 24.7±5.2 4.7 40.2±6.3 6.3 58.6±8.3 7.0 32.0±7.1 5.5
20-40 20.2±6.1 3.3 39.3±7.1 5.5 60.1±9.0 6.6 30.7±6.3 4.8
40-60 25.1±6.0 4.1 41.2±7.0 5.8 59.2±9.1 6.5 32.1±7.2 4.4
Примечание: при п=3, на уровне 0.05, 1=4.3.
ний). Прежними исследованиями, проведенными на данном участке [10], были установлены сравнительно высокие значения и других показателей биологической активности. Так, микроорганизмы, трансформирующие минеральные формы азота, здесь доминировали над микроорганизмами, трансформирующими органические формы азота, в то время как в других вариантах опыта было наоборот или же их соотношение выглядело как 1:1. Продукция СО2 и каталазная активность здесь также отличались большими значениями.
Определение активности целлюлозоразрушающей микрофлоры по ее росту на питательной среде показало (табл. 3), что она не зависела от удобрений: содержание целлюлозоразрушителей во все сроки наблюдений было почти одинаковым во всех вариантах
опыта. Это согласуется и с данными по минерализации целлюлозы в естественных условиях. При посеве микрофлоры из образцов торфа, взятых в сентябре, обнаруживается ее более высокое содержание в глубжележащих горизонтах, что, как уже отмечалось, является следствием более резкого охлаждения верхних горизонтов. В варианте «0СТ=0.5 м, без удобрений» охлаждение торфяных горизонтов, вероятно, произошло сильнее; это привело к резкому снижению содержания целлюлозоразрушающих микроорганизмов по профилю остаточного торфа. Сравнительно одинаковым было распределение микроорганизмов по слоям в июле и августе, что также можно объяснить лучшей теплопроводностью торфа, содержащего песчаный компонент.
Таблица 3
Динамика целлюлозоразрушающих микроорганизмов в рекультивируемом участке БЭС «Таган»
Вариант опыта Глубина, см Целлюлозоразрушающие микроорганизмы, процент обрастания комочков торфа по срокам взятия образцов:
5 июня 7 июля 9 августа 12 сентября
Контроль, ОСТ=1м 0 - 20 10.0 18.0 31.0 4.0
20 - 40 5.0 12.0 18.0 16.0
40 - 60 2.0 4.0 5.0 12.0
^0Р60К6сь ОСТ=1м 0 - 20 11.0 20.0 29.0 5.0
20 - 40 8.0 9.0 16.0 16.0
40 - 60 2.0 2.0 4.0 5.0
Nl20Pl20Kl20, ОСТ=1м 0 - 20 9.0 20.0 27.0 6.0
20 - 40 10.0 15.0 15.0 19.0
40 - 60 1.0 2.0 4.0 12.0
ОСТ=0.5 м, без удобрений 0 - 20 11.0 16.0 28.0 3.0
20 - 40 6.0 17.0 23.0 4.0
40 - 60 2.0 17.0 22.0 6.0
Примечание: приведены среднеарифметические данные по трем повторностям.
Что касается динамики целлюлозоразрушителей по срокам наблюдений, то максимальное их содержание отмечено в образцах, взятых в первой декаде августа; возможно, что в это время в торф началось поступление свежих растительных остатков, являющихся питательным субстратом для данных микроорганизмов, и это поступление совпало с достаточным прогреванием торфяных слоев и улучшением режима их влажности.
Исследования активности минерализации целлюлозы в неосушенном участке БЭС «Таган» показали сильную подавленность этого процесса (табл. 4). Так, льняное полотно, выдержанное в толще торфа с 5 июня по 12 сентября в слое 0 - 20 см, убавилось в весе всего на 11.4 %. Еще слабее оно разлагалось в
слое 20 - 40 см: за указанный период степень разложения полотна составила 2.3 %, причем статистическая обработка показала слабую достоверность этого результата ( см. «1»). В глубжерасположенном слое -40-60 см - утилизация полотна весовым методом не выявлялась; следы деятельности микроорганизмов здесь были заметны лишь по нингидриновой реакции. Глубже 60 см нингидриновая реакция на полотне отсутствовала. Вероятно, высокая влажность торфа и из-за этого слабая аэрация его не создали благоприятных условий для деятельности целлюлозоразрушающей микрофлоры в целинном участке БЭС.
Данное предположение подтверждается и слабым ростом целлюлозоразрушающей микрофлоры на питательной среде (табл. 4). Из проб торфа, взятых глуб-
Т аблица 4
Активность целлюлозоразрушающих микроорганизмов в неосушенном участке БЭС «Таган»
Глубина, см Влажность, % Убыль веса полотна, % 1 Содержание целлюлозоразрушающих микроорганизмов, процент обрастания комочков торфа
0 - 20 79.0 11.4±2.9 3.9 14.0
20 - 40 81.0 2.3±1.3 1.7 4.0
40 - 60 83.0 + - 0.0
60 - 80 85.6 - - 0.0
Примечание: 1) при п=3, на уровне 0.05, 1=4.3; 2) «+» - есть нингидриновая реакция, «-» - нингидриновая реакция отсутствует; 3) по микрофлоре приведены средние арифметические анализов средних проб; 4) полотно выдерживалось в разрезе с 5 июня по 12 сентября.
же 40 см, микроорганизмы на среде Гетчинсона не развивались.
Слабая активность процессов утилизации клетчатки в неосушенных низинных торфяниках Сибири отмечена в ряде работ [11-13], включая и наши предыдущие наблюдения [14].
Динамика аммонифицирующего и нитрифицирующего процессов.
Определение содержания аммиачного азота показало (табл. 5), что в целинном участке в июне он присутствовал во всех исследуемых горизонтах. С июля по сентябрь эта форма азота не обнаруживалась в верхних горизонтах (0 - 40 см). С глубиной содержание К-КИ3 возрастало: с 23 мг в слое 0 - 20 см (данные за июнь) до 190 мг в слое 100 - 120 см (данные за сентябрь). Нитратный азот в целинном участке отсутствовал во всех слоях во все сроки исследований.
В рекультивируемом участке наблюдалась аналогичная закономерность в распределении К-КН3. В то же время здесь аммиачного азота содержалось меньше, и, кроме того, распределение его на глубине от 40 до 80 см происходило равномернее, чем в целинном участке. Нитратный азот с июня по сентябрь был обнаружен в виде следов в слое 20 - 40 см; с июля по август N-N0^ заметных количествах присутствовал на глубине 40 - 80 см.
Резкое увеличение содержания аммиачного азота с глубиной в целинном участке можно объяснить отсутствием в нижних горизонтах нитрифицирующего процесса из-за высокой влажности торфа, препятствующей активной деятельности нитрифицирующих микроорганизмов. В результате минерализация торфа на большой глубине осуществляется только аммонифицирующими микроорганизмами, и образующийся аммиак сорбируется торфом, но не переводится в нитраты. Отсутствие нитратной формы азота во всех слоях целинного участка может служить подтверждением данному предположению. Подобное мнение высказывают и другие авторы [15]. С другой стороны, полное отсутствие в верхних слоях как аммиачной, так и нитратной форм азота, объясняется, вероятно, использованием их растениями, корневая система которых сосредоточена преимущественно в верхней части залежи.
Отсутствие N-NH3и N-N03 в верхних горизонтах было характерно и для участка, занятого посевами многолетних злаков. Но, в отличие от целинного (нео-сушенного) участка, здесь аммиачный азот в заметных количествах обнаруживался уже в слое 20 - 40 см - в июне и сентябре. Вероятно, удобрения на фоне не вполне активной вегетации растений в эти месяцы явились стимулирующим фактором для аммонифицирующих микроорганизмов, и продуцируемый ими
Таблица 5
Динамика аммиачного и нитратного азота в целинном и рекультивируемом участках БЭС «Таган»
(в мг/100 г абсолютно сухого торфа)
Срок взятия образцов Глубина, см N-^3 1 N-NHз 1 N-N03 1
Целинный Рекультивируемый
5 июня 0 - 20 23.0±4.9 4.6 0.0 0.0 0.0 0.0
20 - 40 28.0±6.0 4.6 23.5±5.2 4.5 Следы 0.0
40 - 60 41.2±8.1 5.0 40.0±8.2 4.8 0.0 0.0
60 - 80 72.0±12.2 5.9 46.8±9.5 4.9 0.0 0.0
80 - 100 93.0±16.3 5.7 81.5±15.7 5.1 0.0 0.0
100 - 120 180.0±22.1 8.1 - -
7 июля 0 - 20 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
20 - 40 0.0 0.0 0.0 0.0 Следы 0.0
40 - 60 48.0±11.0 4.3 41.2±8.2 5.0 32.1±6.2 5.1
60 - 80 84.0±12.1 6.9 70.0±15.1 4.7 36.5±8.2 4.4
80 - 100 88.5±19.6 4.5 72.0±15.1 4.7 0.0 0.0
100 - 120 153.3±30.2 5.07
9 августа 0 - 20 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
20 - 40 0.0 0.0 0.0 0.0 Следы 0.0
40 - 60 102.3±20.0 5.1 60.0±13.6 4.4 50.2±10.2 4.9
60 - 80 120.0±22.2 5.4 88.2±18.5 4.7 41.5±8.6 4.8
80 - 100 143.0±26.0 5.5 100.0±23.7 4.2 0.0 0.0
100 - 120 185.6±28.7 6.4 - - - -
12 сентября 0 - 20 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0
20 - 40 0.0 0.0 15.0±3.4 4.4 Следы 0.0
40 - 60 115.6±24.0 4.8 120.0±26.5 4.5 38.5±8.0 4.8
60 - 80 116.6±23.0 5.0 115.5±24.0 4.8 40.2±9.2 4.3
80 - 100 150.0±28.2 5.3 128.6±27.5 4.7 0.0 0.0
100 120 190.2±32.0 5.9 - - - -
Примечание: 1) при п=3, на уровне 0.05, 1табл = 4.3; 2) из рекультивируемого участка анализировался торф, взятый под травами из
варианта N,20^20.
N-NH3 слабо используемый или совсем не используемый растениями, накапливался в указанном слое (и глубже).
Нитратный азот в слое 20 - 40 см обнаруживался в виде следов. В начале июня нитратный азот глубже 40 см отсутствовал (как и в торфе целинного участка). В июле, августе и сентябре, как уже отмечалось, N-N03 в ощутимых количествах присутствовал на глубине 40 - 80 см. Очевидно, что культивирование растений на остаточном (1м) торфе привело к улучшению в нем условий (например гидротермического и питательного режимов) для деятельности микроорганизмов, трансформирующих N-NH3 в N-N0^ По указанной причине содержание аммиачного азота в рекультивируемом участке ниже, чем в целинном, -он переводится в нитратный азот. О более благоприятных для деятельности микроорганизмов условиях в торфе рекультивируемого участка свидетельствует и сумма обеих форм азота.
Динамика N-NH3 и N-N03 хорошо согласуется с динамикой рН (табл. 6). В целинном торфе содержание аммиачной формы азота выше, чем в рекультивируемом, соответственно выше в нем и значения рН.
И в целинной, и в рекультивируемой почве с глубиной содержания N-NH3 возрастает, соответственно возрастает в них и рН. При этом в рекультивируемой почве с июля по сентябрь рН изменяется по профилю более динамично: до глубины 80 см его значения уменьшаются, а глубже - снова возрастают. Снижение значений рН наблюдалось в тех слоях, в которых обнаруживались нитраты (40-80 см). В июне значения рН по профилю рекультивируемого участка равномерно возрастали, как и в целинной почве, что соответствовало увеличению содержания N-NH3 с глубиной. Отмеченная закономерность в изменении рН легко объяснима, учитывая свойства аммиака и нитратов: первый подщелачивает среду, а вторые подкисляют ее.
Наблюдения за содержанием микроорганизмов (табл. 7) также показали, что возделывание многолетних злаковых трав существенно активизировало процессы трансформации азотсодержащих веществ. Например, во все сроки наблюдений в торфе под травами численность аммонификаторов в 2 и более раз превышала таковую в торфе целинного участка. При этом распределение указанных микроорганизмов по всей толще остаточного торфа рекультивируемого
Таблица 6
Динамика рН в целинной залежи и рекультивируемой почве БЭС «Таган»
Срок взятия образцов Глубина, см pH КС1 в целинной почве г pH ксг в рекультивируемой почве (КшРшКпо) г
5 июня 0 - 20 5.52±1.3 4.2 5.25±1.3 4.0
20 - 40 5.52±1.2 4.6 5.42±1.3 4.2
40 - 60 5.65±1.3 4.3 5.52±1.3 4.2
60 - 80 5.72±1.4 4.0 5.65±1.2 4.7
80 - 100 5.82±1.3 4.4 5.73±1.3 4.4
100 - 120 6.00±1.4 4.3 - -
7 июля 0 - 20 5.22±1.2 4.3 5.30±1.3 4.1
20 - 40 5.20±1.2 4.3 5.12±1.2 4.3
40 - 60 5.70±1.4 4.1 5.20±1.1 4.7
60 - 80 5.85±1.3 4.5 5.15±1.2 4.3
80 - 100 6.00±1.4 4.3 5.65±1.3 4.3
100 - 120 6.12 ±1.4 4.4 - -
9 августа 0 - 20 5.20±1.2 4.3 5.25±1.2 4.4
20 - 40 5.18±1.2 4.3 5.10± 1.1 4.6
40 - 60 5.92±1.4 4.2 5.10±1.2 4.2
60 - 80 5.98±1.4 4.3 5.15±1.2 4.3
80 - 100 6.00±1.3 4.6 5.65±1.3 4.3
100 - 120 6.12±1.4 4.4 - -
12 сентября 0 - 20 5.18±1.2 4.3 5.30±1.2 4.4
20 - 40 5.20±1.1 4.7 5.25±1.3 4.0
40 - 60 5.90±1.3 4.5 5.12± 1.1 4.6
60 - 80 5.95±1.4 4.2 5.17±1.2 4.3
80 - 100 6.00±1.3 4.6 5.70±1.3 4.4
100 - 120 6.15±1.4 4.4 - -
Примечание: при п=3, на уровне 0.05, 1 = 4.3.
участка было более равномерным, и даже в нижних горизонтах отмечалось их относительно высокое содержание. Большое содержание аммонификаторов в глубоких слоях торфа, отмеченное в наших наблюдениях, может служить подтверждением взглядов некоторых авторов об активности данных микроорганизмов не только в окислительных, но и в восстановительных условиях [16, 17]. В то же время высокая, в сравнении с целиной, биогенность нижних горизонтов рекультивируемого участка свидетельствует о том, что весь остаточный слой торфа, прежде биологически инертный [10], становится биологически активным, и это не может не отразиться на состоянии его органического вещества.
Нитрифицирующие бактерии при их посеве из целинного торфа на питательной среде не развивались даже после 45 дней культивирования. В торфе под травами нитрификаторы обнаруживались во все сроки исследований; наиболее активный рост этих бактерий на питательной среде отмечен при анализе июльских и августовских образцов, что определялось, вероятно, более благоприятными гидротермическими условиями в этот период (табл. 7).
Корреляция между развитием нитрифицирующих бактерий и содержанием нитратов в почве наблюдалась час-
тично или не наблюдалась совсем. Так, нитраты в заметных количествах, как отмечалось (табл. 5), обнаруживались только с июля по сентябрь на глубине 40-80 см, а бактерии-нитрификаторы развивались во все сроки наблюдений, но относительно активно -лишь в верхних слоях: 0-40 см - в июне и 0-60 см -в июле-сентябре. При посеве из нижних горизонтов торфа нитрификаторы на питательной среде не выявлялись. Присутствие нитрифицирующих бактерий в верхних слоях торфа может служить подтверждением того, что нитраты образуются и здесь, но используются растениями (и поэтому не обнаруживаются в образцах). Указанные бактерии, безусловно, есть и на глубине 60-80 см (о чем свидетельствует наличие здесь К-К03), но активность их в нижних горизонтах залежи мала, что, как известно, определяется аэробными свойствами нитрификаторов [18].
Выводы
1. Интенсивность процессов трансформации углеродсодержащих соединений в торфе рекультивируемого участка БЭС «Таган» определяется конкурирующим влиянием друг на друга микроорганизмов и растений при ассимиляции ими питательных веществ,
Таблица 7
Динамика температуры, влажности, аммонифицирующих и нитрифицирующих микроорганизмов в
торфе целинного и рекультивируемого участков
Срок взятия образцов Глубина, см Целинный участок Рекультивируемый участок
1 °С Влаж- ность, % Аммонифи-каторы, млн/1г сухого торфа 1 °С Влаж- ность, % Аммонифи-каторы, млн/1 г сухого торфа Нитрифи- каторы, % обраста- ния комочков торфа
5 июня 0 - 20 14.0 72.0 2.9 14.8 68.0 5.3 10.0
20 - 40 13.0 73.6 1.1 14.0 67.2 2.5 6.0
40 - 60 11.5 84.6 0.5 11.5 67.3 2.2 0.0
60 - 80 7.2 85.0 0.3 7.4 72.5 2.1 0.0
7 июля 0 - 20 16.8 75.0 4.3 16.0 69.1 9.0 14.0
20 - 40 16.4 76.5 2.0 16.5 69.0 3.6 10.0
40 - 60 12.6 80.0 1.0 16.4 73.2 2.5 6.0
60 - 80 12.7 81.0 0.3 12.5 75.3 2.5 0.0
9 августа 0 - 20 12.7 65.2 5.3 14.2 60.3 13.4 20.0
20 - 40 12.0 66.6 4.0 14.0 61.0 5.0 14.0
40 - 60 11.0 69.6 1.8 10.8 68.7 4.6 14.0
60 - 80 10.5 71.3 0.4 10.6 67.0 3.8 0.0
12 сентября 0 - 20 7.2 79.0 1.9 9.8 68.3 6.2 6.0
20 - 40 7.5 81.0 1.5 9.7 68.3 5.5 6.0
40 - 60 8.3 83.0 1.8 9.5 69.2 5.4 4.0
60 - 80 8.5 85.6 0.4 10.4 71.8 4.5 0.0
Примечание: 1) приведены средние арифметические по трем повторностям анализа; 2) из рекультивируемого участка анализировался торф, взятый под травами из варианта М120Р120К120; 3) содержание нитрифицирующих бактерий определялось в 45-дневной культуре (при 27-30 °С).
поступающих в почву, ее гидротермическим режимом и физическими свойствами.
2. Активность целлюлозоразрушающих микроорганизмов при их развитии на питательной среде не зависит от вносимых в почву минеральных соединений, что может служить подтверждением мнения об опережающем потреблении питательных веществ растениями в процессе конкуренции с микроорганизмами; об этом же свидетельствует и сильное положительное воздействие удобрений на деструкцию клетчатки в торфе под травами осенью (когда вегетация растений снижена) и в торфе без растений.
3. В целинной (неосушенной) залежи деятельность целлюлозоразрушающей микрофлоры сильно подавлена из-за повышенной влажности и связанной с ней недостаточной для активности указанной микрофлоры аэрацией торфа.
4. Целинная торфяная залежь БЭС «Таган» (особенно нижние горизонты), по сравнению с ее рекультивируемым участком, характеризуется более высо-
ким содержанием К-КИ3; это связано с отсутствием деятельности нитрифицирующих бактерий в анаэробных условиях неосушенного торфа, в результате чего в нем накапливается данная форма азота.
5. В рекультивируемой почве начальные процессы трансформации азотсодержащих веществ - аммонификация и нитрификация - более активны, чем в целинной, о чем свидетельствует суммарное содержание в торфе К-КИ3 и N-N0.3 а также развитие в нем не только аммонифицирующих, но и нитрифицирующих микроорганизмов.
6. Отсутствие К-КИ3и N-N0^ летние месяцы в верхних горизонтах как неосушенного, так и окультуриваемого участков связано, вероятно, с использованием этих форм азота активно вегетирующими растениями.
7. Более высокие, по сравнению с целинной залежью, показатели микробиологической деятельности в остаточном торфе рекультивируемого участка свидетельствуют о большей интенсивности в нем мине-рализационных процессов.
Литература
1. Зименко Т.Г. Микробиологические процессы в мелиорированных торфяниках Белоруссии и их направленное регулирование. Минск, 1977.
2. Блинков Г.Н., Козлова С.Е. Химический состав низинных торфов Таганского и Петровского болот // Изв. Томского отд. ВБО. Красноярск, 1964.
3. Методы почвенной микробиологии и биохимии / Под ред. Д.Г. Звягинцева. М., 1991.
4. Методы стационарного изучения почв / Под. ред. A.A. Роде, H.A. Ногина, И.Н. Скрынниковой. М., 1977.
5. Методы биохимического исследования растений / Под ред. А.И. Ермакова. Л., 1972.
6. Фёдоров А.И. Методы математической статистики в биологии и опытном деле. Алма-Ата, 1967.
7. Леуто И.Э., Бойко А.Т. Многолетние травы на выработанных торфяниках. Минск, 1979.
8. Федоров А.С. Влияние удобрений и растений на содержание минеральных форм азота в почвах выработанных торфяников // Проблемы использования и реутилизации биофильных элементов. Л., 1980.
9. Дырин В.А. Культивирование трав на выработанном торфянике и его биологическая активность. Деп.во ВНИИТЭИСХ под № 79 ВС-86. Деп., 1986.
10. Дырин В.А., Суворина Е.А. Биологическая активность остаточного торфа под травами // Фундаментальные и прикладные проблемы охраны окружающей среды. Томск, 1995.
11. Жданникова Е.Н. Микробиологическая характеристика торфяно-болотных почв Томской области // Заболоченные леса и болота Сибири. Томск, 1963.
12. Наплекова H.H. Аэробное разложение целлюлозы микроорганизмами в почвах Западной Сибири. Новосибирск, 1974.
13. Загуральская Л.М. Определение биологической активности торфяно-болотных почв Томской области // Микроорганизмы в борьбе с вредителями лесного хозяйства. М., 1966.
14. Дырин В.А., Блинков Г.Н. О биологической активности низинных торфов // Вопр. биологии и агрономии. Томск, 1976.
15. Вавуло Ф.П. Микрофлора основных типов почв БССР и их плодородие. Минск, 1972.
16. Инишева Л.И., Славнина Т.П. Биологическая активность почв Томской области. Томск, 1987.
17. Санникова Ю.В. Динамика аммонификаторов в олиготрофных торфяных почвах // VIII Всерос. конф. студ., аспир. и молодых ученых (с междунар. участием). Томск, 2004.
18. Виноградский С.Н. Микробиология почвы. М., 1952.
УДК 581.132: 581.12: 581.1.03
С.А. Войцековская
АКТИВНОСТЬ ГЛЮКОЗО-6-ФОСФАТДЕГИДРОГЕНАЗЫ В ПРОРОСТКАХ РАСТЕНИЙ В УСЛОВИЯХ ГИПОБАРИЧЕСКОЙ ГИПОКСИИ
Томский государственный педагогический университет
Познание путей адаптации организмов к воздействию факторов внешней среды - одна из центральных проблем экологической физиологии растений. В природе растения часто оказываются в условиях кислородной недостаточности (гипоксии). Это наблюдается при затоплении, заболачивании почвы, при вымокании растений, образовании ледяной корки на посевах озимых культур, орошаемом землепользовании, в результате создания асфальтовых покрытий в городах. Наиболее часто испытывают недостаток кислорода озимые хлеба (пшеница, рожь, ячмень), рис, соя, хлопчатник, некоторые древесные растения - ель, береза, сосна, ива, ольха. Поскольку кислород необходим для дыхания растений, изменение его парциального давления отражается на уровне и структуре процесса дыхания [1]. Изучение особенностей дыхательного метаболизма при недостатке кислорода у растений, различающихся по устойчивости к данному фактору, является целью проведенного исследования. Экспериментально условия кислородной недостаточности создаются путем затопления, замещения воздуха газообразным азотом, аргоном и т.д. В данном исследовании использован нетрадиционный для физиологии растений методический подход получения разреженной атмосферы, который характеризуется одновременным снижением парциального давления газов, среди которых наибольшее значение для растений имеют 02 и С02 (гипоба-
рическая гипоксия). В природе подобные условия наблюдаются в высокогорных районах, интерес к ним возрастает в связи с развитием космических исследований, созданием искусственных систем жизнеобеспечения, а также решением экологических задач, связанных с формированием климата [2]. Гипобари-ческая гипоксия позволяет изучать адаптацию целого растения, взаимодействие авто- и гетеротрофных его органов, в то время как при затоплении, например, в условиях кислородной недостаточности оказывается только корневая система. Биохимические приспособления дыхания к условиям кислородной недостаточности в фотосинтезирующих органах растения остаются малоизученными. Поэтому в задачи работы входило исследование влияния гипобарической гипоксии на активность ключевого фермента пентозофос-фатного пути дыхания глюкозо-6-фосфатдегидроге-назы (КФ 1.1.1.49) в корнях и листьях растений, различающихся по устойчивости к изучаемому фактору, на свету и в темноте.
Объектами исследования служили 8-суточные зеленые проростки озимого ячменя (Hordeum vulgare L.) сорта Скороход, 7-суточные проростки пшеницы (Triticum aestivum L.) сорта Тулунская и 10-суточные проростки риса (Oryza sativa L.) сорта ВНИИР-17, различающиеся по устойчивости к недостатку кислорода. Гипоксические условия достигались помещением
