Научная статья на тему 'Микроорганизмы дерновых почв на аллювии реки Ёна, Кольский п-ов'

Микроорганизмы дерновых почв на аллювии реки Ёна, Кольский п-ов Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

CC BY
278
62
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
микроорганизм / численность / биомасса / аллювиальная дерновая почва / microorganism / number / biomass / alluvial sod soil

Аннотация научной статьи по биологическим наукам, автор научной работы — Евдокимова Галина Андреевна

Приведены материалы по численности и биомассе микроорганизмов аллювиальных дерновых почв – редкого типа почв, встречающегося на Кольском п-ове. Микробиологический анализ включал методы посева на питательные среды и флюоресцентного микроскопирования. Дано распределение бактерий и грибов по профилю почвы, с особым акцентом на населенность микробиотой погребенного торфа. Максимальная биомасса бактерий (0.30 мг/г) и грибов (043 мг/г) выявлена в дерновом горизонте. Показана высокая бактериальная плотность также в погребенном торфе на глубине 36–70 см. Проведен сравнительный анализ микробиологических характеристик дерновых почв и подзолов, доминирующих на Кольском п-ове.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по биологическим наукам , автор научной работы — Евдокимова Галина Андреевна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

MICROORGANISMS IN SOD SOILS OF THE ENA RIVER ALLUVIUM, KOLA PENINSULA

The article presents information regarding the number and biomass of microorganisms in alluvial sod soils – a rare type of soil occurring on the Kola Peninsula. Microbiological analysis included plate methods on nutrient media and fluorescence microscopy. The distribution of bacteria and fungi is described along the soil profile, with the special emphasis on microbiota population in the buried peat. This peat is characterized with a high content of humus (26.6%) and microbial biomass reaching 3.6% of organic matter. The maximum biomass of bacteria (0.30 mg/g) and fungi (043 mg/g) was found in the sod horizon. The high bacterial density was also found in the buried peat at the depth of 36-70 cm. A comparative analysis of the microbiological characteristics was made for sod soils and podzolic soils dominating on the Kola Peninsula. Microbiological indicators in the sod horizon of the studied soil were similar to organic horizons of podzolic soils under pine forests of the Kola Peninsula, but they were less than these indicators in organic horizons under spruce forests.

Текст научной работы на тему «Микроорганизмы дерновых почв на аллювии реки Ёна, Кольский п-ов»

ЕСТЕСТВЕННЫЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 631.46.461

МИКРООРГАНИЗМЫ ДЕРНОВЫХ ПОЧВ НА АЛЛЮВИИ РЕКИ ЁНА, КОЛЬСКИЙ П-ОВ*

Г.А. Евдокимова

Институт проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН

Аннотация

Приведены материалы по численности и биомассе микроорганизмов аллювиальных дерновых почв - редкого типа почв, встречающегося на Кольском п-ове. Микробиологический анализ включал методы посева на питательные среды и флюоресцентного микроскопирования. Дано распределение бактерий и грибов по профилю почвы, с особым акцентом на населенность микробиотой погребенного торфа. Максимальная биомасса бактерий (0.30 мг/г) и грибов (043 мг/г) выявлена в дерновом горизонте. Показана высокая бактериальная плотность также в погребенном торфе на глубине 36-70 см. Проведен сравнительный анализ микробиологических характеристик дерновых почв и подзолов, доминирующих на Кольском п-ове.

Ключевые слова:

микроорганизм, численность, биомасса, аллювиальная дерновая почва.

На территории Кольского п-ова преобладают подзолистый и болотный типы почвообразования [1, 2]. Дерновые почвы здесь крайне редки. Дерновый процесс в условиях Мурманской обл. протекает в долинах рек и на Я- озерных террасах. Почвы такого типа сформировались на аллювии (песок,

™ ЯШ суглинок, глина, ил), образовавшемся в результате паводков, когда река

v‘ Шг выходит за пределы береговых уступов, и аллювий оседает по всей

поверхности поймы. Площадь дерновых почв в Мурманской обл. очень мала, ggtf однако для сельскохозяйственного использования они привлекательны, в

HV ЯЯШШ частности, благодаря высокому содержанию гумуса. На таких почвах развиваются богатые по структуре и продуктивности луговые сообщества.

Наиболее изучены пойменные дерновые почвы в юго-западной части Мурманской обл. в районе р. Ёна [1, 3]. Гранулометрический состав почв, сформировавшихся на аллювии р. Ёна, представлен в основном двумя фракциями - мелкий песок и крупная пыль. Суммарно они составляют 80-95% массы мелкозема [3]. Количество илистых частиц не превышает 5%. В дерновом горизонте сосредоточено большое количество гумуса - до 26.6%. Фульвокислоты здесь менее, по сравнению с подзолами, агрессивны по причине более высокого содержания щелочноземельных элементов в почвообразующем материале и высокой зольности растительного опада.

Профессор В.Н. Переверзев, с которым автору посчастливилось совершить многоразовые экспедиционные поездки по Кольскому п-ову, неоднократно выражал желание провести исследование почв в Ёнском районе. В августе 2006 г. ему довелось побывать там и взять почвенные пробы для химического и микробиологического анализов.

Объекты и методы исследования

Объекты исследования - надпойменная терраса, дерновые почвы на речном аллювии в долине р. Ёны. Растительность представлена злаково-луговыми ассоциациями: осока, тростник,

* Исследования проведены при финансовой поддержке Программы фундаментальных исследований Президиума РАН №30 «Живая природа: современное состояние и проблемы развития».

62

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 3/2014(18)

Г.А. Евдокимова

таволга, ивы. Почвенный профиль заложенного разреза (по Переверзеву [3] разрез №353) слабо дифференцирован по генетическим горизонтам и имеет следующее строение: AY -дерновый горизонт, 0-12 см, серый, с буроватым оттенком, уплотненный, влажный, густо пронизан и связан корнями;

С - 12-22 см, буровато-серый с вкраплением ржавых пятен, уплотненный, песчаный, с корнями;

С - 22-36 см, темно-серый, плотный, песчаный, увлажненный;

Т - 36-45 см, погребенный торф, темно-бурый, влажный, с большим количеством отмерших корней;

45-70 см - слоистая субстанция, торфяные слои перемежаются слоями песка.

Таким образом, в толще аллювиальных отложений мы увидели залегающий погребенный торф. Погребенные почвы, в данном случае торф, свидетельствуют о перерыве в процессах накопления аллювиальных отложений и являются источником данных для восстановления условий природной среды и направленности почвообразовательных процессов. Особенно это относится к палеопочвам - ископаемым погребенным почвам [4-6].

Пробы для микробиологического анализа отбирали по генетическим горизонтам и послойно. Определяли группы микроорганизмов, у которых наиболее выражены специфические трофические потребности и особенности экологических функций. Первую группу составляли минерализаторы органических веществ - сапрофитные неспорообразующие бактерии и грибы. Это r-стратеги, обладающие высокой скоростью роста. Они имеют мощные системы гидролитических ферментов. В другую группу вошли микроорганизмы-гумификаторы, большинство из которых относится к К-стратегам, медленно растущим, но из-за своей низкой специфичности к субстратам обладающим повышенной конкурентоспособностью. Определение микробиоты различных трофических групп проводили на элективных питательных средах методом посева в 3 повторностях. Общую численность бактерий и грибов определяли прямым счетом на мембранных черных поликарбонатных фильтрах фирмы SIGMA с диаметром пор 0.2 мкм для бактерий и 0.8 мкм для грибов. Окрашивание проводили акридин оранжевым для бактериальных фильтров и флуоресцин изотиоцианатом (FITC) для грибных фильтров. Длину грибного мицелия, биомассу грибов и бактерий рассчитывали, используя соответствующие формулы и коэффициенты [7].

Результаты и обсуждение

Физико-химические свойства почвы. В исследованной дерновой почве в пределах минерального профиля показатели содержания обменных катионов и емкости обмена с глубиной снижаются (табл. 1).

Для почвы данного разреза, как и для всех дерновых почв, характерна высокая степень насыщенности почвенного поглощающего комплекса (более 50%). Показатели физикохимических свойств погребенного торфяного слоя характерны в целом для торфяных почв. Для него так же свойственна высокая влажность и кислотно-щелочной режим, в целом характерный для дернового горизонта (рис. 1).

Максимальное количество бактерий всех исследованных трофических групп выявлено в дерновом горизонте, содержащем более 26% гумуса и имеющим влажность, оптимальную (50%) для роста растений и развития микробиоты (табл. 2).

В нижних, слабо дифференцированных почвенных слоях число бактерий резко снижается и вновь возрастает в слоистой части погребенного торфа, с включенным в нее крупным песком на глубине 45-70 см. Здесь бактерии для своего развития находят благоприятное сочетание органического вещества и аэрации, которая затруднена в более верхнем торфяном слое, удерживающем большое количество влаги. Такое распределение характерно для всех исследованных трофических групп бактерий: олиготрофных, приспособленных к низкому пищевому потоку углерода - до 0.1 мг/л в сутки, копиотрофных, развивающихся в условиях пищевого потока, по крайней мере, в 50 раз большего по сравнению с олиготрофами [8]

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 3/2014(18)

63

Микроорганизмы дерновых почв на аллювии реки Ёна Кольский п-ов

и для бактерий, использующих минеральные соединения азота. В целом олиготрофы широко распространены в природных средах, особенно в заполярных регионах, и в большинстве случаев доминируют над копиотрофами.

%

рН

3 4 5 6 7

1

2

3

4

5

□ водн. ■ сол.

Рис. 1. Влажность (%) и значения рН дерновой почвы, ЁнаАУ, 0-12 см; 2- С, 12-22 см; 3- С,

22-36 см; 4- Т, 36-45 см; 5- Т, 45-70 см

Таблица 1

Физико-химические свойства дерновой почвы на аллювии (по [3])

Г оризонт, глубина, см рН Обменные Са2+М82+ ГК ЕКО Насыщен-ность,%

Н2О KCl мг-экв. на 100 г

AY 0-6 5.4 4.4 4.3 2.8 7.1 60

6-12 5.4 4.4 2.6 2.1 4.7 55

C 12-22 5.6 4.4 2.0 1.5 3.5 28

22-36 5.5 4.3 2.2 2.1 4.3 51

Т 36-45 5.6 4.5 9.4 18.2 27.6 34

55-60 5.0 3.8 3.4 3.4 6.8 50

65-70 5.3 4.1 3.5 2.9 6.4 55

Таблица 2

Численность микроорганизмов (тыс. КОЕ/г) в аллювиальной дерновой почве, р. Ёна

Г оризонт Глубина, см Бактерии- минерализаторы Бактерии- гумификаторы Олиготрофные бактерии Грибы

Дерновый горизонт-AY 0-12 16400 ± 1400 11600 ± 800 20800±1300 6.0 ± 2.3

Материнская порода - С 12-22 5700 ± 1000 4800 ± 200 3300 ± 200 1.6 ± 0.4

То же 22-36 7700 ± 800 6500±300 6500 ± 800 1.0 ± 0.4

Погребенный торф - Т 36-45 3000 ± 200 3200 ± 700 2400 ± 400 1.3 ± 0.2

Слоистая порода - Т 45-70 10300 ± 1600 9200±1700 9800 ± 1400 1.3 ± 0.1

64

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН3/2014(18)

Г.А. Евдокимова

Общая численность, бактерий, определенная методом прямого счета, учитывающего как жизнеспособные, так и мертвые клетки, выровнена по всем горизонтам аллювиальной дерновой почвы. Сопоставляя эти данные с данными по численности бактерий, определенной методом посева, которым выявляются только жизнеспособные клетки, можно сделать вывод о большом числе нежизнеспособных бактериальных клеток в минеральном профиле почвы (табл. 3).

Таблица 3

Общая численность бактерий, длина грибного мицелия и биомасса бактерий и грибов

в аллювиальной дерновой почве, р. Ёна

Г оризонт Глубина, см Численность бактерий, млн/г Биомасса бактерий, мг/г Длина мицелия, м/г Биомасса грибов, мг/г

Дерновый горизонт - AY 0-12 7620 0.30 390 0.43

Материнская порода - С 12-22 6310 0.25 30 0.03

То же 22-36 7840 0.31 27 0.03

Погребенный торф - Т 36-45 6920 0.28 43 0.06

Слоистая порода - Т 45-70 5580 0.22 24 0.02

Общая численность бактерий и размеры бактериальной массы в дерновой почве на аллювии соответствуют этим величинам в органогенном горизонте подзолов под сосняками Кольского полуострова, но в 1.5 раза уступают таким показателям под ельниками [7]. Различия проявляются в распределении биомассы по профилю почвы. В минеральных горизонтах подзолистых почв биомасса значительно ниже по сравнению с органогенным горизонтом, а в дерновой почве она распределена по почвенному профилю относительно равномерно.

Грибы, в основном как строгие аэробы, приурочены к верхнему дерновому горизонту (рис. 2). Далее по профилю почвы их численность снижалась и оставалась практически неизменной (1.0-1.3 тыс. КОЕ/г). Длина грибного мицелия достигала в дерновом горизонте 390 м/г, что почти в 4 раза превышает средние размеры длины мицелия в органогенных горизонтах подзолов под сосновыми лесами Кольского полуострова, но в 4.3 раза ниже средних величин грибного мицелия под ельниками [7].

Биомасса бактерий в дерновом горизонте составила 0.12%, биомасса грибов - 0.16% от органического вещества почвы, содержание которого здесь велико. В горизонте С биомасса бактерий и грибов в среднем по 3.6% от органического вещества почвы, содержание которого здесь значительно ниже, чем в дерновом горизонте. Это существенная доля микробиомассы в составе органического вещества почвы.

Существуют разные подходы к оценке состояния микробной системы в почве. Стадию зрелости системы, в частности, стадию микробной сукцессии можно количественно охарактеризовать “показателем зрелости”, рассчитанном как отношение численности микроорганизмов по методу прямого счета к численности микроорганизмов, определенной методом посева на питательные среды, например, МПА. Минимальное расхождение полученных результатов характеризует “молодую” систему, в которой преобладают г-стратеги, а максимальное - “зрелую” систему с большим числом К-стратегов. Наиболее высок показатель “зрелости” погребенного торфа (табл. 4). При прямом микроскопическом учете удалось обнаружить в тысячи раз больше клеток (в 2 307 раза) по сравнению с посевом на МПА. Высокий коэффициент зрелости характеризует погребенный торф как более стабильную, “устоявшуюся” систему по сравнению с дерновым горизонтом - системой динамичной,

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 3/2014(18)

65

Микроорганизмы дерновых почв на аллювии реки Ёна Кольский п-ов

с активно протекающими в ней биологическими, биохимическими и химическими процессами, с коэффициентом зрелости в 5 раз меньшим, чем в торфе.

I

тыс. КОЕ/г

0 5000 10000 15000 20000

II

Рис. 2. Численность микроорганизмов (тыс. КОЕ/г) в аллювиальной дерновой почве:

AY, 0-12 см; 2 - С, 12-22 см; 3 - С, 22-36 см; 4 - Т, 36-45 см; 5 - Т, 45-70 см. I- бактерии-

минерализаторы, II - грибы

Количественные показатели состояния дерновой почвы

Таблица 4

Г оризонт Коэффициенты

зрелости минерализации олиготрофности

Дерновый горизонт - AY 465 0.7 1.3

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Материнская порода - С 1107 0.8 0.6

То же 1018 0.8 0.8

Погребенный торф - Т 2307 1.1 0.8

Коэффициент минерализации рассчитан как отношение численности бактерий, потребляющих минеральные формы азота, к числу бактерий, растущих на органических формах азота, т.е. к числу сапротрофных бактерий-минерализаторов. Следовательно, чем больше бактерий-минерализаторов, тем ниже этот коэффициент. Теоретически он должен быть ниже в органогенном горизонте, в который поступает много свежего органического вещества, и активно протекают минерализационные процессы. Однако там параллельно с процессами минерализации органического вещества активно протекают и процессы гумификации. Поэтому значение коэффициента минерализации в этом горизонте динамично, его колебания определяются поступлением в почву свежего растительного опада.

Коэффициент олиготрофности характеризует численность бактерий, подразделяющихся по их отношению к пищевым потокам в среде. Он рассчитан как отношение численности олиготрофных бактерий, способных размножаться в местах с низким пищевым потоком углерода, к количеству копиотрофных бактерий, развивающихся в условиях пищевого потока, значительно большего по сравнению с олиготрофами. В качестве среды для олиготрофов мы использовали разбавленную среду Аристовской. Наибольшая величина коэффициента олиготрофности отмечена в дерновом горизонте. Известно, что олиготрофные бактерии относятся в основном к автохтонной микрофлоре, К-стратегам, участвующим в процессах новообразования гумуса, а также в процессах его минерализации [9, 10]. Олиготрофные виды

66

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 3/2014(18)

Г.А. Евдокимова

встречаются среди представителей многих родов бактерий: Pseudomonas, Agrobacterium, Vibrio, Micrococcus, Corynebacterium, Arthrobacter, Hyphomicrobium и др. Олиготрофы обычно участвуют в поздних стадиях минерализации растительного материала, когда концентрация питательных элементов снизилась и остались трудно разлагаемые органические соединения, недоступные копиотрофам.

Таким образом, впервые исследована микробиота аллювиальных дерновых почв в долине р. Ёны - редкого типа почв, встречающегося на Кольском п-ове. В профиле этой почвы на глубине более 30 см выявлен погребенный торф, характеризующийся высоким содержанием гумуса и микробной биомассы, достигающей 3.6% от органического вещества. Данный горизонт характеризуется как более «зрелая» система по сравнению с дерновым горизонтом, динамичность биохимических процессов в котором определяется в первую очередь поступлением растительного опада. Максимальная биомасса бактерий (0.30 мг/г) и грибов (043 мг/г) выявлена в дерновом горизонте. По микробиологическим показателям дерновый горизонт исследованной почвы сходен с органогенным горизонтом подзолистых почв под сосновыми лесами Кольского п-ова, но уступает этим показателям в органогенных горизонтах под ельниками.

ЛИТЕРАТУРА

1. Белов П.Н., Барановская А.В. Почвы Мурманской области. Л.: Наука, 1969. 148 с. 2. Переверзев В.Н. Биохимия гумуса и азота почв Кольского полуострова. Л.: Наука, 1987. 303 с. 3. Переверзев В.Н. Почвообразование на рыхлых и кристаллических породах в северной Фенноскандии. Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2013. 158 с. 4. Погребенные палеопочвы нижнего и среднего карбона Подмосковья / АМ. Кузнецова и др. // Вестник МГУ. Сер.17. 2004. № 2. С. 22-30. 5. Хомутова Т.Э., Демкина Т.С., Демкин В.А. Оценка суммарной и активной микробной биомассы разновозрастных подкурганных палеопочв // Микробиология. 2004. Вып. 73, № 2. С. 241-247. 6. Bednarek Renata. Ископаемые почвы как источник информации об изменениях природной среды // Acta Univ. N. Copernici. Geogr. 2000. Vol. 31, № 106. P. 47-63. 7. Евдокимова Г.А, Мозгова Н.П. Микроорганизмы тундровых и лесных подзолов Кольского Севера Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 2001. 184 с. 8. Громов Б.В., Павленко Г.В. Экология бактерий. Л.: Изд-во ЛГУ, 1989. 248 с. 9. Аристовская Т.В. Микробиология процессов почвообразования. Л.: Наука, 1980. 187 с. 10. Кожевин П.А. Микробные популяции в природе. М.: Изд-во мГу, 1989. 174 с.

Сведения об авторе

Евдокимова Галина Андреевна - д.б.н., профессор, зам. директора по научной работе, зав. лабораторией, Институт проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН; e-mail: galina@ inep.ksc.ru.

ВЕСТНИК Кольского научного центра РАН 3/2014(18)

67

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.