CC BY
83
ИЗВЕСТИЯ
ПЕНЗЕНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ПЕДАГОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА имени В. Г. БЕЛИНСКОГО ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ № 25 2011
IZVESTIA
PENZENSKOGO GOSUDARSTVENNOGO PEDAGOGICHESKOGO UNIVERSITETA imeni V. G. BELINSKOGO NATURAL SCIENCES № 25 2011
УДК 631.468(597.3)
СЕЗОННАЯ ДИНАМИКА ИЗОТОПНОГО СОСТАВА УГЛЕРОДА И АЗОТА (13С/12С И 15N/14N) В ТЕЛАХ ПОДСТИЛОЧНЫХ И АТМОБИОНТНЫХ КОЛЛЕМБОЛ1
© А. М. ПОТАПОВ1, А. В. ТИУНОВ2 1 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, кафедра биологии почв 2 Институт проблем экологии и эволюции имени А.Н. Северцова РАН, лаборатория почвенной зоологии и общей энтомологии e-mail: [email protected]
Потапов А. М., Тиунов А. В. - Сезонная динамика изотопного состава углерода и азота (13С/12С и 15N/14N) в телах подстилочных и атмобионтных коллембол // Известия ПГПУ им. В. Г. Белинского. 2011. № 25. С. 406-411. - Исследованы изменения изотопного состава углерода и азота (S13C и S15N) в тканях трех видов верхнеподстилочных коллембол (Pogonognathellus longicornis, Orchesella flavescens и Isotoma viridis) из пойменного ольшаника и мертвопокровного ельника в течение одного вегетационного сезона (с мая по сентябрь). Динамика изменения S13C и S15N была сходна у всех трех видов. Содержание 15Nувеличивалось в течение сезона на 1,5 - 3 %; содержание 13C достигало максимума (на 1-2 % выше, чем в мае) в середине лета, в период наибольшей температуры и минимальной влажности почвы. Увеличение S13C коррелировало с уменьшением отношения C/N в тканях, и было, видимо, связано с истощением жировых запасов. Изменения S15Nмогли быть вызваны преимущественно сменой объектов питания в течение сезона.
Ключевыеслова: стабильныеизотопы,внутривидоваядисперсия, коллемболы,сезоннаядинамика, детритныепи-щевые сети.
Potapov A. M., Tiunov A. V. - Seasonal changes in stable isotope composition (15N/14N and 13C/12C) of litter-dwelling and epigeous collembolans// Izv. Penz. gos. pedagog. univ. im.i V. G. Belinskogo. 2011. № 25. P. 406-411. -
Changes in S13C and S15N of three litter-dwelling species of collembolans (Pogonognathellus longicornis, Orchesella flavescens and Isotoma viridis) were studied during May-September 2010 in two forest stands. The dynamics of S13C and S15N were similar in three species studied. The S15N increased from May to September by 1,5-3 %; S13C reached a maximum in early August (1-2 % higher comparing to May) and decreased subsequently. The increase in S13C coincided with the period of minimum soil moisture and correlated with the decrease in C/N ratio in collembolans’ tissues. The increase in S13C can be largely attributed to the depletion of fat reserves; the increase in S15N can be related to dietary shifts.
Keywords: stable isotopes, intra-species variability, collembolans, seasonal dynamics, detrital foodwebs.
В последние годы анализ изотопного состава углерода и азота (соотношение стабильных изотопов 13С/12С и 15П/14П) тканей беспозвоночных активно используется для исследования трофической структуры почвенных сообществ и трофических связей почвенных организмов [12, 13, 18, 21]. В основе метода лежат две основные закономерности: (1) изотопный состав, или «изотопная подпись» гетеротрофных организмов в целом отражает изотопный состав их пищевых объектов, и (2) в каждом последующем звене пищевой цепи содержание тяжелого изотопа азота (15П) уве-
личивается в среднем на 2-4 %о, а тяжелого углерода (13С) на 0,5-3 %о, т.е. происходит так называемое «трофическоефракционирование»изотопов [10,11,15]. Однако эти ключевые закономерности носят статистический характер, и изотопная подпись почвенных животных может варьировать в зависимости от целого ряда причин, многие из которых пока мало исследованы. В частности, показана зависимость степени трофического фракционирования изотопов от типа потребляемой пищи, таксономической принадлежности животных, возрастной стадии, голодания [2, 5, 19].
1Материалы,представленныена ВторойВсероссийской с международным участием полевойшколепо почвеннойзооло-гии и экологии для молодых ученых (Пенза, 12-16 сентября 2011 г.), проведенной при финансовой поддержке РФФИ (грант
№ 11-04-06824-моб_г), гранта Президента РФ (проект МД-4662.2010.04) и Пензенского государственного педагогического университета им. В.Г. Белинского.
Исследования трофической структуры почвенного населения в экосистемах умеренного климата невозможно без учета фактора сезонности. Данные о сезонных изменениях изотопного состава почвенных беспозвоночных практически отсутствуют, хотя в литературе имеются отдельные указания на наличие таких изменений [7, 9, 13]. Подобные изменения могут быть связаны с изменением изотопного состава пищевых ресурсов (например, почвенных грибов), сменой объектов питания или ассоциированными с сезонным циклом физиологическими изменениями организмов. Целью данной работы было исследование, на примере подстилочных и атмобионтных коллембол, динамики изотопного состава почвенных сапро/микробофагов на протяжении одного вегетационного сезона.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ
Исследования проводили в лесных биоценозах в окрестностях биостанции ИПЭЭ РАН «Малинки» (Московская обл., Нарофоминский р-н) - ельнике мертвопокровном и пойменном черноольшанике с 1 мая по 20 октября 2010 г.
В течение сезона отбирали наиболее часто встречающиеся крупные виды коллембол, достаточно многочисленные в течение всего изученного промежутка времени - Pogonognathellus (Tomocerus) longicornis (Muller) и Orchesella flavescens (Bourlet) из ольшаника и Isotoma viridis (Bourlet) из ельника. Помимо перечисленных видов, были отловлены представители Orchesella bifasciata, Allacma fusca и Dicyrtomina minuta, однако, данных по этим видам было собрано недостаточно для достоверной обработки. Коллембол и другие материалы отбирали каждые две недели на однородных площадках размером 5 ' 5 метров. Для экстракции коллембол брали четыре отдельных пробы опада с подстилкой (примерно 20 ' 20 см), просеивали через сита и ловили коллембол эксгаустером. Отобранных коллембол умерщвляли в морозильной камере и высушивали в сушильном шкафу (50оС, 24 часа) для изотопного анализа. Для дополнительного исследования индивидуальной вариабельности изотопного состава азота и углерода 13 июня на пойменной площадке было собрано 10 крупных (150-350 мкг сухого веса) особей P. longicornis.
В каждый срок отбирали также растительный опад для изотопного анализа и почву (слой 0-3 см A-горизонта) для определения влажности. Влажность почвы (% сух. веса) определяли по разнице между исходной и высушенной навеской (120 часов при 50оС). Температуру измеряли электронными термометрами «Термохрон», размещенными в подстилке.
Сухие образцы взвешивали на весах Mettler Toledo MX5 с точностью до 1 мкг и заворачивали в гильзы из оловянной фольги. Одна проба, в зависимости от величины особей, включала от 1 до 10 экземпляров коллембол (150-500 мкг). Определение изотопно-госоставапроводилинаизотопноммасс-спектрометре Thermo-Finnigan Delta V Plus и элементном анализаторе (Thermo Flash 1112). Изотопный состав азота и
углерода выражали в тысячных долях отклонения от международного стандарта, 5 (%о):
(1) 8Хр = [(R6 - R д ) / R д ] * 1000,
v / образец L ' образец стандарт' / стандарт-1 7
где Х - это элемент (азот или углерод), а R - атомное отношение тяжелого и легкого изотопа в анализируе-момобразце истандарте.Дляазотастандартом служит N2 атмосферного воздуха, для углерода - «венский» эквивалент белемнита PeeDee формации (VPDB). Образцы были проанализированы относительно референтных газов (N2 и CO2), откалиброванных относительно стандартных материалов, предоставленных МАГАТЭ (глутаминовая кислота USGS 40, USGS 41 и целлюлоза IAEA-CH3). В качестве рабочего лабораторного стандарта использовали ацетанилид. Образцы рабочего стандарта анализировали после каждой 10-й пробы. Кроме того, в каждую серию образцов (около 100 измерений) включали 3-4 пробы стандартных материалов МАГАТЕ (USGS 40 и/или CH3). Стандартное отклонение лабораторного стандарта (n = 6-8) было в пределах ±0,2 %о для 515N и <0,15 %о для 513C. Совместно с определением изотопного состава, во всех пробах было определено общее содержание углеродаиазота(%N,%C)иотношениеC /N (вес/вес).
СтатистическаяобработкапроведенавMicrosoft Office Excel 2007 и Statistica 6.0 с помощью регресси-онногоанализа.Дляаппроксимациисезонныхизмене-ний использовали линейную (вида y=ax+b) или полиномиальную (вида y=ax2+bx+c) функции.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Температура подстилки в ельнике и ольшанике изменялась в течение сезона сходным образом. Максимальная среднесуточная температура достигала 20-21оС 12 июля, 25 июля и 10 августа, минимальная составила 7оС 1 мая и около 10оС в течение сентября (рис. 1). Влажность почвы была максимальна (до 55-60 %) в мае-июне, резко снизилась в середине лета, и вновь возросла в сентябре. Значительное падение влажности почвы (до 8 %) зафиксировано в ельнике 12 июля, и существенно позже (10 августа, 13 %) в ольшанике. Изотопный состав растительного опада не изменялся систематическим образом на протяжении сезона и был сходен в обоих биотопах (в среднем -1,2±0,3 %о 515N и -28,9±0,7 %о 513C).
Исследованные виды (P. longicornis, O. flavescens, O. bifasciata и I. viridis) принадлежат к близким экологическим группам верхнеподстилочных и атмобионт-ныхколлембол, имеюткрупныеразмеры,выраженную пигментацию,глаза, развитуювилку. Можнополагать, что круг пищевых объектов четырех видов сходен, что подтверждается относительно небольшой, и неоднородной в двух биотопах, разницей в изотопном составе разных видов (рис. 2).
В то же время у каждого из исследованных видов была обнаружена значительная внутривидовая вариабельность изотопного состава, которая во многом объяснялась сезонными изменениями (рис. 3). Величина 515N увеличивалась с мая по октябрь приблизительно
линейно у O. flavescens и I. viridis, общий рост 515N составил в среднем около 1.5 %о. Величина 515N в тканях P. longicornis незначительно снизилась в конце июня, потом возросла и достигла максимума в середине сентября, вновь немного снизившись к концу месяца. Вариабельность средних значений 515N составила около 3 %о (-2.7±0.3 %о 12 июля; 0.2±0.5 %о 14 сентября).
Весовое отношение C/N в телах коллембол изменялось в пределах от 2.5 до 5.5. У всех трех видах оно было максимально в мае, снижалось до минимума
в июле-начале августа и вновь возрастало в сентябре, особенно у видов из ольшаника (рис. 3). Изменения 513C зеркально отражали изменения C/N: величина 513С в коллемболах из ольшаника росла к началу августа, а затем снова снижалась к осени. Общий перепад средних значений 513C составил около 1 и 2 %о у O. flavescens и P. longicornis, соответственно. Средние значения 513С в телах I. viridis почти линейно возрастали в течение сезона, в общей сложности примерно на 2 %о.
Рис. 1. Динамика изменения влажности и температуры (среднесуточной и максимальной) почвы
пойменного ольшаника и ельника.
Рис. 2. Изотопный состав четырех видов коллембол в ельнике и ольшанике (объединенные данные всех учетов; средняя ± стандартное отклонение).
Величины C/N и 513C достоверно коррелировали в пределах каждого из трех видов коллембол (коэффициент корреляции R составил -0.598; -0.516 и -0.675 у P. longicornis, O. flavescens и I. viridis, соответственно). В пределах всей выборки (шесть видов коллембол в двух биотопах) отрицательная корреляция между отношением C/N и 513C также была отчетливо выражена (R = -0.473; p < 0.0001, n= 110). Напротив, корреляция
между отношением C/N и изотопным составом азота (515N) в пределах отдельных видов и всей выборки отсутствовала или была слабо положительной (данные не показаны).
В пределах одного биотопа и одного срока учета (13 июня в пойме) общий диапазон варьирования 515N и 513C у отдельных особей P. longicornis составил 1,0 %о и 1,2 %о, соответственно. Отношение C/N было
достоверно шире у более крупных особей (рис. 4). Зависимость 513С от веса особи или от отношения С/П не наблюдалась (р = 0.248 и 0.648 соответственно). Вели-
чина 515П у отдельных особей была больше связана с отношением С/П (р = 0.092), чем с размером (весом) особей (р = 0.575; рис. 4).
Рис. 3. Сезонная динамика 615К б13С и отношения СМ в тканях коллембол в пойменном ольшанике (Pogonognathellus longicomis и Orchesella flavescens) и в ельнике (Ьо^та viridis). Каждая точка показывает одну повторность (от 1 до 10 экз. коллембол).
Рис. 4. Зависимость отношения СМ от веса особи (А) и изотопного состава углерода (Б) и азота (В) от отношения СМ в телах отдельных особей Р. longicomis (п = 10).
ОБСУЖДЕНИЕ Наше исследование выявило довольно значительные изменения изотопного состава коллембол в течение сезона. Эти изменения имели сходный характер у трех исследованных видов; они могут быть связаны со сменой объектов питания, изменением изотоп-
ного состава этих объектов и физиологическим состоянием коллембол. Исследованные нами виды обычны в лесах Северной Европы, их фенология описана в нескольких публикациях. Весенняя популяция О. А1а-vescens обычно состоит из перезимовавших взрослых особей. Взрослое поколение погибает в июне, в это же
время появляется первая генерация молодых особей. Вторая генерация появляется в сентябре и зимует во взрослом состоянии [8]. P. longicornis зимует в яйцах. Молодые особи растут в течение сезона, осенью откладывают яйца и погибают [4]. I. viridis, как правило, имеет одногодичный жизненный цикл, начинающийся с середины лета, но иногда наблюдается две генерации в год [16]. Таким образом, в течение сезона возрастной состав популяций коллембол может закономерно изменяться. Однако размножение ногохвосток в значительной степени регулируется не сезонным ритмом, а погодными условиями, в основном температурой [8]. В нашем исследовании для анализа были отобраны крупные взрослые особи. Поэтому мы предполагаем, что сезонные изменения изотопного состава коллем-бол не были связаны с систематическим изменением возраста животных.
Лето 2010 г. было очень жарким и засушливым. Влажность почвы и опада в июле-августе значительно снизилась; одновременно происходило снижение величины C/N в телах коллембол. Можно предполагать, что снижение величины C/N в середине лета было вызвано истощением жировых запасов в связи с высыханием подстилки и уменьшением доступности пищи. Этопредположениеподтверждаетсяхорошовыражен-ной отрицательной корреляцией между C/N и 513C: липиды имеют пониженное содержание 13C [14, 17], поэтому уменьшение их содержания в телах коллем-бол должно приводить к повышению величины 513C. Снижение температуры и повышение влажности почвы в конце лета сопровождалось возрастанием C/N и, соответственно, снижением 513C у P. longicornis и
O. flavescens. У I. viridis, насколько можно судить по ограниченным осенним сборам, также намечена похожая динамика.
Однако изменения C/N объясняют не более 50 % общей вариации 513C в пробах; индивидуальная вариация 513C P. longicornis также не была связана с отношением C/N. Еще одной причиной повышения 513C в середине лета может быть смена объектов питания. Для верхнеподстилочных и атмобионтных коллембол вообще характерны низкие величины 513C и 515N, что можно связать с развитой альгофагией [3, 20]. Наземные водоросли и лишайники имеют низкие величины 513C и 515N; напротив, гумифицированное органическое вещество опада и почвы имеет относительно высокое содержание 13C и 15N [7, 21]. Таким образом, в связи с пересыханием подстилки в рационе коллембол могла снижаться доля водорослей, но возрастать доля углерода и азота, получаемого из почвы и нижних слоев подстилки.
Динамика 515N существенно отличалась от динамики 513C; содержание 15N снизилось осенью только у P. longicornis, и это снижение было незначительным (рис. 3). Возможно, что изменения 515N пищи отражаются на изотопном составе азота коллембол с некоторой задержкой, поскольку скорость обмена азота в тканях коллембол несколько ниже, чем скорость обмена углерода. Содержание 15N в тканях животных, в
том числе коллембол, может увеличиваться при голодании [5, 10]; в лабораторных экспериментах наблюдается выраженная отрицательная корреляция между отношением C/N (которое снижается при голодании) и величиной 515N [19]. Эта закономерность проявилась и при анализе индивидуальной изменчивости 515N в выборке 10 особей P. longicornis (рис. 4).
Однако при анализе всей выборки мы не обнаружили выраженной связи между отношением C/N и величиной 515N в телах коллембол. Это предполагает, что рост 515N в течение сезона может быть связан не столько с изменением физиологического состояния животных, сколько со сменой объектов питания. Изотопный состав азота (515N) служит индикатором трофической позиции животных [18; 21]. У величение 515N в течение сезона может быть следствием увеличения доли пищи животного происхождения [22]. Нельзя также исключить, что динамика 513C и 515N в какой-то степени определялась изменением доли микоризных и сапротрофных подстилочных грибов в рационе коллембол. Для микоризных грибов характерны высокие (относительно подстилки и сапро-трофных грибов) величины 515N, но низкие величины 513C [6]. Эти предположения нуждаются в экспериментальной проверке.
Таким образом, в данной работе впервые показано, что изотопный состав тканей коллембол законо-мерноменяетсясовременем.Исследованиепроведено в течение одного вегетационного сезона, поэтому мы не можем с уверенностью оценить, в какой степени наблюдаемые изменения 513C и 515N связаны с сезонными физиологическими циклами (например, подготовкой к размножению). Однако анализ полученных данных позволяет предполагать, что изменения величины 513C и 515N в тканях коллембол во много определяется непосредственным влиянием погодных условий (в данном случае засухой и иссушением подстилки), от которых зависит доступность разных пищевых ресурсов и физиологическое состояние коллембол.
Благодарности. Исследование поддержано Министерством образования и науки РФ в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» и «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научнотехнологического комплекса России на 2007-2013 годы».
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Briones M. J. I., Ineson P., Sleep D. Use of d13C to determine food selection in collembolan species // Soil Biol. Biochem. 1999. V. 31. P. 937-940.
2. Caut S., Angulo E., Courchamp F. Variation in discrimination factors (15N and 13C): the effect of diet isotopic values and applications for diet reconstruction // J. App. Ecol. 2009. V. 46. P. 443-453.
3. Chahartaghi M., Langel R., Scheu S., Ruess L. Feeding guilds in Collembola based on nitrogen stable isotope ratios // Soil Biol. Biochem. 2005. V. 37. P. 17181725.
4. Fjellberg A. The Collembola of Fennoscandia and Denmark Part II: Entomobryomorpha and Symphypleona. Leiden Boston: Brill, 2007. 265 pp.
5. Haubert D., Langel R., Scheu S., Ruess L. Effects of food quality, starvation and life stage on stable isotope fractionation in Collembola // Pedobiologia. 2004. V. 49. P. 229-237.
6. Henn M. R., Chapela I. H. Ecophysiology of 13C and 15N isotopic fractionation in forest fungi and the roots of the saprotrophic-mycorrhizal divide // Oecologia. 2001. V. 128. P. 480-487.
7. Hishi T., Hyodo F., Saitoh S., Takeda H. The feeding habbits of collembola along decomposition gradients using stable carbon and nytrogen isotope analyses // Soil Biol. Biochem. 2007. V. 39. P. 1820-1823.
8. Huhta V., Mikkonen M. Population structure of Ento-mobryidae (Collembola) in a mature spruce stand and in clear-cut reforested areas in Finland // Pedobiologia. 1982. V. 24. P. 231-240.
9. Ikeda H., Kubota K., Kagawa A., Sota T. Diverse diet compositions among harpaline ground beetle species revealed by mixing model analyses of stable isotope ratios // Ecol. Entomol. 2010. V. 35. P. 307-316.
10. Martinez del Rio C., WolfN.,CarletonS.A., Gannes L.Z. Isotopic ecology ten years after a call for more laboratory experiments // Biol. Rev. 2009. V. 84. P. 91-111.
11. McCutchanJ.H.,LewisW.M.,KendallC.,McGrathC.C. Variation in trophic shift for stable isotope ratios of carbon, nitrogen, and sulfur // oikos. 2003. V. 102. P. 378-390.
12.Neilson R., Hamilton D., Wishart J., Mariott C. A., Boag B., Handley L. L., Scrimgeour C. M., McNicol J. W., Robinson D. Stable isotope natural abundances of soil, plants and soil invertebrates in an upland pasture / / Soil Biol. Biochem. 1998. V. 30. P. 17731782
13. Ponsard S., Arditi R. What can stable isotopes (515N and 513C) tell about the food web of soil macroinvertebrates? // Ecology. 2000. V. 81. P. 852-864.
14. Post D. M., Layman C. A., Arrington D. A., Takimoto G., Quattrochi J., Montana C. G. Getting to the fat of the matter: models, methods and assumptions for dealing with lipids in stable isotope analyses // Oecologia. 2007. V. 152. P. 179-189.
15. Post D.M.Usingstable isotopes toestimatetrophicposi-tion:models,methods andassumptions //Ecology.2002. V. 83. P. 703-718.
16. Potapov M. Synopses on palaearctic Collembola. Volume 3: Isotomidae. Gorlitz: Staatliches Museum fur Na-tuekunde, 2002. 603 pp.
17. Ruess L., Tiunov A., Haubert D., Richnow H. H., Hag-gblom M. M., Scheu S. Carbon stable isotope fractionation and trophic transfer of fatty acids in fungal based soil food chains // Soil Biol. Biochem. 2005. V. 37. P. 945-953.
18. Scheu S., Falca M. The soil food web of two beech forests (Fagus sylvatica) of contrasting humus type: stable isotope analysis of a macro- and a mesofauna-dominated community // Oecologia. 2000. V. 123. P. 285-286
19. Semenina E. E., Tiunov A. V. Trophic fractionation (A15N) in Collembola depends on nutritional status: alaboratoryexperimentandmini-review //Pedobiologia 2011. V. 54. P. 101-109
20. Семенина Е.Э. Изотопный анализ трофической диф-ференциациипочвообитающихколлембол.Авторефе-рат дис. ... канд. биол. наук. М: ИПЭЭ РАН, 2010. 23 с.
21. Тиунов А.В. Стабильные изотопы углерода и азота в почвенно-экологических исследованиях // Известия РАН. Сер. Биол. 2007. № 4. С. 475-489.
22. Чернова Н. М., Бокова А. И., Варшав Е. В., Голощапова Н. П., Савенкова Ю. Ю. Зоофагия у коллембол // Зоол. журн. 2007. Т. 86. № 8. С. 899-911.
