CC BY
92
УДК 579.222.4
М. А. Сергеева, С. В. Шкребова
ДИНАМИКА МИКРОБНОЙ БИОМАССЫ ОЛИГОТРОФНОГО БОЛОТА
Методом субстрат-индуцированного дыхания (СИД) впервые изучена динамика скорости базального дыхания, микробная биомасса и метаболический коэффициент торфяной залежи олиготрофного болота (северовосточная часть Васюганского болота). Определено, что в среднем за сезон значения микробной биомассы с глубиной изменяются незначительно, а интенсивность базального дыхания выше в аэробных слоях.
Ключевые слова: олиготрофное болото, микробиологическая активность, метод СИД, микробная биомасса, базальное дыхание, метаболический коэффициент.
ВВЕДЕНИЕ
Микробная биомасса - важный компонент в развитии и функционировании торфяно-болотных экосистем. Западная Сибирь, территория которой на 40-60 % занята болотами, является уникальным объектом для исследования микробных сообществ торфяных почв.
Об особенностях болотных микробоценозов, их динамике и функционировании сведений очень мало. Большая часть микробиологических работ, оценивающих распределение и запасы микробной биомассы по профилю торфяной почвы, в том числе и по сезонам [1-5], выполнены методом люминесцентной микроскопии, который позволяет четко дифференцировать эукариотные и прокариотные клетки, однако не позволяет судить об их активности и экофизиологическом статусе [6]. Именно поэтому устойчивая количественная оценка биомассы торфов остается неопределенной, а вопросы, связанные с ее функционированием и, соответственно, продуцированием парниковых газов, во многом остаются до сих пор неясными.
Все эти ограничения могут быть преодолены использованием метода субстрат-индуцированного дыхания (СИД), который дает информацию о взаимосвязи величины микробной биомассы, ее дыхательной активности и параметрах экофизиологи-ческого статуса микробного сообщества. Метод СИД является чувствительным, воспроизводимым, менее трудо- и времязатратным, а также менее субъективным по сравнению, например, с методом прямой люминесцентной микроскопии [7, 8].
Метод СИД входит в перечень стандартных параметров, характеризующих биологические свойства почв в ряде зарубежных стран [9, 10], поэтому применение этого метода является новым и весьма эффективным подходом в экологических исследованиях, проводимых в нашей стране. Большинство микробиологических исследований проведенных методом СИД, относятся к минеральным лесным почвам [6, 11-14], работы, оценивающие микробоцено-зы торфяных почв методом СИД, единичны [15-18].
Цель работы - изучить динамику микробного продуцирования СО2 и экофизиологический статус
микробного сообщества олиготрофного болота (северо-восточная часть Васюганского болота) в погодных условиях 2012 г.
Такие исследования на территории Васюганско-го болота проводятся впервые и представляют научную значимость при оценке микробиологической активности в эмиссии парниковых газов с болотных экосистем такого уровня.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Исследования проводились на пункте 3 (п. 3) болотного стационара «Васюганье», расположенном на северо-восточных отрогах Васюганского болота (п. Полынянка Бакчарского района Томской области). Торфяная залежь мощностью 3 м имеет смешанный топяной вид строения. В основании залежи лежит слой низинного осокового торфа, далее следует прослойка переходного древесно-сфагнового торфа и верховой торф двух видов - магел-ланикум и фускум. Степень разложения с глубиной увеличивается, в верхних слоях она составляет 0-5 %, в придонных слоях достигает 45 %.
Зольность торфов низкая (2,7-4,3 %), рН солевой вытяжки варьирует в пределах 2,4-4,2, увеличиваясь с глубиной, что характеризует торфа как кислые и слабокислые [19].
Образцы на микробиологический анализ отбирались в мае, июле и сентябре 2012 г. торфяным буром ТБГ -1 согласно ботаническому составу.
Определение респирометрических микробиологических показателей (базальное дыхание (БД), микробная биомасса (БМ), микробный метаболический коэффициент (ОЯ)) проводилось методом субстрат-индуцированного дыхания.
Субстрат-индуцированное дыхание (СИД) оценивали по скорости начального максимального дыхания микроорганизмов после добавления к торфу глюкозо-минеральной смеси [11, 20]. В стеклянные флаконы объемом 250 мл помещали 2 г торфа и добавляли 0,1 мл глюкозо-минеральной смеси [21]. Флаконы герметично закрывали пробками, фиксировали время и инкубировали при 25 °С. Спустя 3 ч отбирали пробу воздуха из флакона и вводили в газовый хроматограф «Кристалл-5000.1».
Микробную биомассу торфа (мкг С/г торфа) рассчитывали на сухую навеску и определяли путем пересчета скорости субстрат-индуцированного дыхания по формуле [11]:
БМ = СИД • 40,04 + 0,37.
Базальное дыхание (БД) измеряли по скорости выделения СО2 торфом за 24 ч инкубации при температуре 25 °С. Скорость продуцирования диоксида углерода определяли хроматографически, как описано для СИД, но вместо раствора ГМС добавляли воду. Скорость БД выражали в мкг С-СО2/(г торфа ч).
Микробный метаболический (QR) коэффициент рассчитывали как отношение БД и СИД [11].
Статистическая обработка данных проведена с использованием программы Microsoft Excel, в рисунках приведены средние арифметические значения с двухсторонним доверительным интервалом для пяти биологических повторностей.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ
В связи с незначительным количеством подобных работ по торфяным почвам, как уже упоминалось выше, в первой части работы мы приведем результаты, рассчитанные в среднем для вегетационного периода 2012 г., которые позволят провести сравнение с результатами других авторов.
Так, в работах И. Д. Гродницкой [15], проведенных на олиготрофном болоте Озерное, расположенном в Томской области, отмечается незначительное увеличение БМ с глубиной. В верхних горизонтах этого болота средние значения микробной биомассы составили 0,6 мг/г торфа, но и на глубине 300 см микробная биомасса не превышает 1,9 мг/г торфа. Более высокие значения БМ в анаэробных горизонтах авторы объясняют тем, что процессы разложения органического вещества в
них протекают более интенсивно за счет одновременной активизации факультативно-анаэробной и анаэробной микрофлоры [15].
Аналогичная закономерность отмечается и в наших результатах. В целом активность исследуемой торфяной залежи выше, но изменения БМ в торфяном профиле в среднем за сезон по глубине незначительны и характеризуются высокой активностью и в верхних, и в нижних слоях (3,6-3,8 мг С/г с.т.) (рис. 1). Полученные данные подтверждают уже высказанную ранее рядом авторов мысль, что нижние слои торфяной залежи нельзя считать «стерильными», а в понятие «торфяная почва» должна быть включена вся толща торфяной залежи независимо от ее мощности [4, 22].
Средняя за сезон интенсивность базального дыхания также с глубиной снижается и изменяется от 5,2 до 4,1 мкг С-СО2/(г • ч), на глубине 0-25 и 200250 см соответственно, что совпадает с данными, приведенными в работах других исследователей, проведенных и на торфяных, и на минеральных лесных почвах [12, 15].
Значения метаболического коэффициента, который является критерием устойчивости микробных сообществ и индикатором эффективности использования субстрата [23], с глубиной изменяются незначительно с 0,9 (0-25 см) до 0,6 (200-250 см) и в целом для вегетационного периода 2012 г. не превышают 1, следовательно, характеризуют стабильное функционирование микробных сообществ в исследуемой торфяной залежи. Согласно работе T. H. Anderson [24], отсутствие значительных различий величин QR может свидетельствовать об устойчивом протекании микробных процессов, связанных с трансформацией углерода.
Подробнее остановимся на динамике респиро-метрических микробиологических показателей исследуемой торфяной залежи олиготрофного болота.
3,0
6,0
4,0
2,0
о
о
I
о
ч:
LO
БМ
БД
Глубина, см
Рис. 1. Изменение микробной биомассы и интенсивности дыхания на северо-восточных отрогах Васюганского болота
в среднем за 2012 г.
УБВ, см Глубина, см Глубина, см
0,0
50
250
1,0
Ш БМ
2,0 3,0
4,0
5,0
6,0
7,0 0,0
1,0
2,0
3,0
4,0
5,0
6,0 0,0
БМ, мг/г с.т.
5,0 6,0
50
250
ШБД
2,0 3,0
7,0 0,0
1,0
2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 0,0 1,0 2,0 3,0
!Ь
БД, мкг С-С02/(г ■ ч)
4,0 5,0 6,0
Май
Июль
Сентябрь
Дата измерений
Рис. 2. Динамика изменения БМ и интенсивности БД на северо-восточных отрогах Васюганского болота, 2012 г.
М. А. Сергеева, С. В. Шкребова. Динамика микробной биомассы олиготрофного болота
Вегетационный период 2012 г. характеризуется как жаркий и сухой, что является редким явлением для территории Западной Сибири. Значения ГТК для всех месяцев были ниже среднемноголетних, что характеризует погодные условия как засушливые. Май и июль характеризовались по ГТК как очень сухие (ГТК - 0,2 и 0,1 соответственно).
Уровни болотных вод (УБВ) уже в начале вегетационного периода 2012 г. были на 9 см ниже поверхности, и включительно по август отмечалось снижение УБВ. Максимальное их понижение было зафиксировано в конце июля, начале августа -54 см от поверхности. К сентябрю УБВ поднялся до отметки - 35 см.
Такое снижение УБВ нетипично для рассматриваемого олиготрофного болота, что, надо полагать, оказывает влияние на окислительно-восстановительные условия торфяной залежи. Торфяную залежь условно можно разделить на три горизонта: верхний (с преобладанием окислительных процессов), переходный (с переменными ОВ условиями) и нижний (с преобладанием резко восстановительных условий). В обычный по погодным условиям год на исследуемом олиготрофном болоте окислительные процессы формируются в верхних слоях до 20 см, отмечаемое очень сильное понижение УБВ в 2012 г. привело к распределению окислительных условий глубже 50 см. Такие уникальные для олиготрофного болота окислительные условия, вероятно, оказали влияние на интенсивность микробиологических процессов, протекающих в торфяной залежи в течение рассматриваемого периода.
Сезонный анализ основных респирометричес-ких характеристик показал, что в аэробной зоне торфяной залежи (0-50 см) наиболее высокие значения микробной биомассы регистрируются в мае,
они изменяются в пределах 6,3-6,4 мг С/г с.т. (рис. 2). В июле и сентябре значения биомассы характеризуются практически одинаковыми величинами, но они примерно в 2 раза ниже весенних значений (2,3-3,2 мг С/г с.т.). В анаэробных слоях максимальные значения БМ фиксируются в июле (5,1—5,9 мг С/г с.т.), в мае и сентябре отмечается снижение биомассы микроорганизмов в 2 раза.
Интенсивность базального дыхания (БД) в аэробной зоне в погодных условиях 2012 г., как и значения биомассы, выше в мае (6,53-6,64 мкг С-СО2/(г •ч)), что отражает связь между БМ и БД в аэробных слоях торфяной залежи. Это предположение подтверждается исследованиями, проведенными на олиготрофном болоте Озерное [15], согласно которым скорость базального дыхания микроорганизмов коррелировала с величинами микробной биомассы (г = 0,8), и максимальные значения дыхания отмечены в аэробной зоне. В анаэробной зоне торфяной залежи наиболее высокая интенсивность БД фиксируется в мае и сентябре (3,95-5,59 и 4,405,35 мкг С-СО2/(г • ч), соответственно месяцам), минимальная в июле (2,32-3,54 мкг С-СО2/(г • ч)), при том, что максимальные значения микробной биомассы отмечаются именно в летний период. В целом следует отметить, что в каждый из рассматриваемых месяцев интенсивность дыхания с глубиной изменяется незначительно, несмотря на изменения содержания микробной биомассы.
Значения микробного метаболического коэффициента, представляющего собой отношение скоростей базального и субстрат-индуцированного дыхания, в мае и июле не превышает 1: в мае - от 0,61 до 0,86, при среднем для залежи - 0,74; в июле от
0,05 до 0,54, при среднем - 0,34. В целом оба коэффициента отражают устойчивое состояние микробных сообществ в весенний и летний периоды.
(Ш Май а Июль 0 Сентябрь Рис. 3. Динамика микробного метаболического коэффициента на северо-восточных отрогах Васюганского болота, 2012 г.
В сентябре значения QR изменяются от 0,65 до 1,45, при среднем для залежи - 1,17, что свидетельствует о более высокой трофности торфяной залежи в осенний период, но функционирование микробного сообщества в сентябре можно также охарактеризовать как стабильное. Наибольшие колебания QR отмечаются летом, что указывает на более существенную зависимость микрофлоры от внешних факторов среды именно в этот период.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ В торфяном профиле олиготрофного болота в среднем за сезон содержание БМ изменяется от 3,6 до 3,8 мг С/г с.т., интенсивность БД - от 5,2 до 4,1 мкг С-СО2/(г • ч), значения QR не превышают 1. Полученные данные, сопоставимые с имеющимися в научной литературе, и характеризуют стабильное функционирование микробных со-
обществ в рассматриваемый период вре-
мени.
Динамика БМ различна для аэробных и анаэробных слоев исследуемой торфяной залежи, наиболее высокие значения БМ в аэробных слоях регистрируются в мае (6,3-6,4 мг С/г с.т.), в анаэробных - в июле (5,1-5,9 мг С/г с.т.). Интенсивность БД в аэробных слоях выше в мае (6,5-6,6 мкг С-СО2/(г • ч)), что отражает связь между БМ и БД. В анаэробных в мае (3,9-5,6 мкг С-СО2/(г • ч)) и сентябре (4,4-5,4 мкг С-СО2/(г • ч)).
Наибольшие колебания QR отмечаются летом, что указывает на более существенную зависимость микрофлоры от внешних факторов среды в этот период.
Исследования поддержаны грантам РФФИ (12-04-31716) и государственным заданием Минобрнауки (5.1161.2011).
Список литературы
1. Головченко А. В., Полянская Л. М., Добровольская Т. Г. и др. Особенности пространственного распределения и структуры микробных комплексов болотных-лесных экосистем // Почвоведение. 1993. № 10. С. 78-89.
2. Инишева Л. И., Головченко А. В. Характеристика микробоценоза в торфяных залежах ландшафтного профиля олиготрофного торфоге-неза // Сиб. экол. журн. 2007. № 3. С. 363-373.
3. Головченко А. В., Тихонова Е. Ю., Звягинцев Д. Г. Численность, биомасса, структура и активность микробных комплексов низинных и
верховых торфяников // Микробиология. 2007. Т. 76, № 5. С. 711-719.
4. Головченко А. В., Добровольская Т. Г., Звягинцев Д. Г. Микробиологические основы оценки торфяника как профильного почвенного тела // Вестн. Том. гос. пед. ун-та. 2008. № 4 (78). С. 46-53.
5. Добровольская Т. Г., Головченко А. В., Кухаренко О. С. и др. Структура микробных сообществ верховых и низинных торфяников Томской области // Почвоведение. 2012. № 3. С. 317-326.
6. Сусьян Е. А., Ананьева Н. Д., Гавриленко Е. Г. и др. Углерод микробной биомассы в профиле лесных почв южной тайги // Почвоведение. 2009. № 10. С. 1233-1240.
7. Ананьева Н. Д., Полянская Л. М., Сусьян Е. А. и др. Сравнительная оценка микробной биомассы почв, определяемой методами прямого микроскопирования и субстрат-индуцированного дыхания // Микробиология. 2008. Т. 77. №. 3. С. 404-412.
8. Domsch K. H., Beck Th., Anderson J. P. E. et al. A comparison of methods for soil microbial population and biomass studies // Z. Pflanzenernaehr.
Bodenkd. 1979. № 142. Р. 520-533.
9. Bouma J. Environmental quality: a Eurupean perspective // J. Environm. Quality. 1997. V. 26. P. 26-31.
10. Sikora L. J., Yakovchenko V., Kaufman D. D. Comprasion of rehydration method for biomass determination to fumigation-incubation and substrate-induced respiration method // Soil Biol. Biochem. 1994. V. 26, № 10. Р. 1443-1445.
11. Ананьева Н. Д. Микробиологические аспекты самоочищения и устойчивости почв. М.: Наука, 2003. 223 с.
12. Ананьева Н. Д., Сусьян Е. А., Рыжова И. М. и др. Углерод микробной биомассы и микробное продуцирование двуокиси углерода дерново-подзолистыми почвами постагрогенных биогеоценозов и коренных ельников южной тайги (Костромская область) // Почвоведение. 2009. № 9. С. 1108-1116.
13. Сусьян Е. А., Рыбянец Д. С., Ананьева Н. Д. Изменение микробной активности по профилю серой лесной почвы и чернозема // Почвоведение. 2006. № 8. С. 956-964.
14. Ananyeva N. D., Susyan E. A., Chernova O. V., Wirth S. Microbial respiration activities of soils from different climaticregions of European Russia // European J. Soil Biol. 2008. V. 44, № 2. Р. 147-157.
15. Гродницкая И. Д., Трусова М. Ю. Микробные сообщества и трансформация соединений углерода в болотных почвах таежной зоны (Томская область) // Почвоведение. 2009. № 9. С. 1099-1107.
16. Сырцов С. Н. Функциональные особенности болотных микробоценозов на территории Средней Сибири // Материалы VII Всерос. с междунар. участием науч. шк. «Болота и биосфера» (13-15 сентября 2010 г.). Томск: Изд-во Том. гос. пед. ун-та, 2010. С. 253-256.
17. Сырцов С. Н., Гродницкая И. Д. Особенности функционирования микробных сообществ лесных и тундровых почв криолитозоны севера Сибири // Материалы VIII Всерос. с междунар. участием науч. шк. «Болота и биосфера» (10-15 сентября 2012 г.). Томск: Изд-во Том. гос. пед. ун-та, 2012. С. 271-274.
18. Гродницкая И. Д., Карпенко Л. В., Кнорре А. А., Сырцов С. Н. Микробная активность торфяных почв заболоченных лиственничников и болота в криолитозоне Центральной Эвенкии // Почвоведение. 2013. № 1. С. 67-79.
19. Инишева Л. И., Виноградов В. Ю., Голубина О. А., Ларина Г. В. и др. Болотные стационары Томского государственного педагогического университета. Томск: Изд-во ТПУ, 2010. 118 с.
20. Anderson J. P. E., Domsch K. H. A phisiological method for the quantitative measurement of microbial biomass in soils // Soil Biol. Biochem. 1978. V. 10, № 3. Р. 314-322.
21. Методы почвенной микробиологии и биохимии / под ред. Д. Г. Звягинцева. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1991. 303 с.
22. Инишева Л. И., Головченко А. В., Бубина А. Б., Голубина О. А. Характеристика биохимических процессвов эвтрофных и мезотрофных болотах Сибири // Вестн. Том. гос. пед. ун-та. 2009. № 11 (89). С. 207-212.
23. Anderson T. H., Domsch K. H. Application of eco-physiological quotients qCO2 and qD on microbial biomass from soils of different cropping histories // Soil Biol. Biochem. 1990. V. 22, № 2. Р. 251-255.
24. Anderson T. H., Domsch K. H. The metabolic quotient for CO2 (qCO2) as a specific of environmental conditions, such as pH, on the microbial biomass of forest soils // Soil Biol. Biochem. 1993. V. 25. P. 393-395.
Сергеева М. А., доцент, кандидат биологических наук.
Томский государственный педагогический университет.
Ул. Киевская, 60, Томск, Россия, 634061.
E-mail: Margaret80@yandex.ru
Шкребова С. В., магистрант.
Томский государственный педагогический университет.
Ул. Киевская, 60, Томск, Россия, 634061.
E-mail: agroecol@yandex.ru
Материал поступил в редакцию 17.05.2013.
M. A. Sergeeva, S. V Shkrebova DYNAMICS OF MICROBIAL BIOMASS OF THE OLIGOTROPHIC BOG
The method of substrate-induced respiration studied the dynamics of the rate of basal respiration, microbial biomass and metabolic quotient peat deposits oligotrophic bog (north-eastern part of the Vasyugan bog). It was determined that on average during the season microbial biomass values vary slightly with the depth and basal respiration of aerobic layers.
Key words: oligotrophic bog, microbial activity, substrate-induced respiration method, microbial biomass, basal respiration, metabolic quotient.
Sergeeva M. A.
Tomsk State Pedagogical University.
Ul. Kievskaya, 60, Tomsk, Russia, 634061.
E-mail: Margaret80@yandex.ru
Shkrebova S. V.
Tomsk State Pedagogical University.
Ul. Kievskaya, 60, Tomsk, Russia, 634061.
E-mail: agroecol@yandex.ru
