Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Почвенно-экологические условия функционирования микробных сообществ Центральной и Южной Якутии 7
1.1. Климат и особенности гидротермического режима почв 7
1.2.Растительность 10
1.3.Свойства основных типов мерзлотных почв 12
Глава II. Микроорганизмы в почвах мерзлотной области 19
2.1 . Почвообразующая роль микроорганизмов 19
2.2.Криолитозона как среда обитания микроорганизмов 23
2.3.Разнообразие микроорганизмов, выделенных из многолетнемерзлых пород 25
2.4.Факторы, влияющие на микробиологический состав почв 27
2.5.Сезонная динамика численности и биомассы микроорганизмов по профилям зональных типов почв 30
2.6.Микроорганизмы из почв Крайнего Севера 34
2.7.Микроорганизмы из почв Якутии 40
Глава III. Объекты и методы исследования 44
3.1 . Отбор почвенных проб для микробиологического анализа 47
3.2.Метод определения абсолютно сухого веса (АСВ) почвенных образцов 52
3.3.Подготовка почв к микробиологическим анализам 53
3.4.0пределение количества клеток методом на твердые среды (чашечный метод Коха) 53
3.5.Среды для культивирования различных микроорганизмов 55
З.6.Методы определения свободноживущих азотфиксаторов 57
3.7.Методика выделения целлюлозолитических микроорганизмов и определения целлюлазной активности 58
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Глава IV. Численность и состав основных групп микроорганизмов мерзлотных почв Южной Якутии 59
Глава V. Структура и функциональная характеристика микробиоценозов мерзлотных лесных почв Центральной Якутии 72
5.1.Численность и состав основных групп микроорганизмов 72
5.2.Межгодовая динамика микробиологической активности мерзлотных лесных почв в зависимости от почвенно-экологических факторов 86
5.3.Сезонная динамика микробиологической активности мерзлотных лесных почв в зависимости от почвенно-экологических факторов 90
5.4.Целлюлозолитическая активность мерзлотных лесных почв Центральной Якутии 105
Глава VI. Структура и функциональная характеристика микробиоценозов мерзлотных лугово-степных почв Центральной Якутии 121
6.1.Численность и состав основных групп микроорганизмов 121
6.2.Сезонная и межгодовая динамика микробиологической активности мерзлотных лугово-степных почв Центральной Якутии в зависимости от почвенно-экологических факторов 130
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 143
ВЫВОДЫ 147
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 148
- Климат и особенности гидротермического режима почв
- Почвообразующая роль микроорганизмов
- Отбор почвенных проб для микробиологического анализа
Введение к работе
Актуальность темы. Микробиоценозы мерзлотных почв, формирующиеся в суровых условиях криолитозоны и адаптированные к ним, обладают рядом таксономических особенностей, специфической физиологической активностью метаболизма и отношением к окружающим факторам среды. Изучение проблемы влияния низких температур на структуру и функционирование микробного комплекса почвы требует более детального изучения распределения численности микроорганизмов по профилю зональных типов мерзлотных почв. Между тем, деятельность почвенных микроорганизмов Якутии, которая расположена в зоне многолетней мерзлоты, изучена недостаточна. Изучение микробного населения почв на территории Якутии ранее проводилось эпизодически (Мазилкин, 1955-1956, Напрасникова,1988), до сих пор нет целостной картины количественного и качественного состава микрофлоры почв мерзлотных ландшафтов. Характеристика микробных сообществ разных мест обитания особенно актуальна в связи с изучением и сохранением биоразнообразия экосистем. В последние годы несомненный интерес вызывает изучение микрофлоры в мерзлотных почвах разного типа и генезиса.
Цель исследований. Изучение численности и характеристика морфологического разнообразия микроорганизмов в различных по составу, строению и генезису почвах Центральной и Южной Якутии, а также динамики их активности в зависимости от почвенно-экологических факторов.
Основные задачи:
Определить численность различных физиологических групп микроорганизмов в основных типах почв Центральной и Южной Якутии;
изучить сезонные и межгодовые колебания численности микроорганизмов в основных типах мерзлотных лесных и лугово-степных почвах Центральной Якутии;
выявить влияние экологических факторов (температуры, влажности
и условий питания) на динамику численности некоторых групп микроорганизмов;
определить скорость разложения целлюлозы в основных типах почв Центральной и Южной Якутии;
выделить накопительные и чистые культуры азотфиксаторов и целлюлозолитиков.
Научная новизна. Впервые на единой методической основе для криолитозоны Центральной и Южной Якутии приведена общая микробиологическая характеристика основных типов мерзлотных почв в зависимости от их состава, строения, генезиса и почвенно-экологических факторов. Проведенные исследования дали представление о структуре, профильном распределении и активности микробных сообществ мерзлотных лесных и лугово-степных почв. Впервые даны количественные показатели скорости разложения целлюлозы и численности азотобактера в основных типах мерзлотных почв Центральной и Южной Якутии и изучено влияние абиотических факторов окружающей среды (температуры, влажности), а также типа растительного сообщества на темпы микробиологической деструкции.
Защищаемые положения:
Наиболее значимым почвенно-экологическим фактором, в условиях криолитозоны Центральной Якутии, обуславливающим микробиологическую активность мерзлотных почв является влажность.
Численность большинства изученных групп микроорганизмов в почвах криоаридной территории Центральной Якутии имеет два пика сезонной активности - в начале и конце периода вегетации.
Характерной особенностью мерзлотных почв Якутии является высокая численность бактерий по всему профилю исследованных почв и эта тенденция не зависит от погодно-климатических условий года.
Практическая ценность. Полученные количественные данные о распространении микроорганизмов разных физиологических групп и их
6 активности в различных типах мерзлотных почв Якутии позволят не только выявить роль микроорганизмов в формировании специфики режимов почвогрунтов криолитозоны, но и количественно оценить эмиссию парниковых газов в атмосферу при различных прогнозных сценариях изменения климата и природной среды. Результаты исследований о распространении и активности азотфиксирующих и целлюлозолитических бактерий в почвах Якутии могут быть использованы для составления кадастра земель и характеристики почвенного плодородия. Полученные результаты могут быть применены для планирования и проведения комплекса природоохранных мероприятий в Якутии, а также биоиндикации техногенных загрязнений в почвах зоны многолетней мерзлоты в аспекте почвенно-экологического мониторинга.
Апробация результатов. Основные результаты работы доложены на научных конференциях студентов и молодых ученых Республики Саха (Якутия) "Лаврентьевские чтения" (Якутск, 1999,2002), на первой международной конференции "Роль мерзлотных экосистем в глобальном изменении климата " (Якутск, 2000), на научно-практической конференции «Проблемы прикладной экологии Севера (Якутск, 2002), на второй международной конференции "Роль мерзлотных экосистем в глобальном изменении климата " (Якутск, 2002), на III Всероссийской научной конференции «Современные проблемы почвоведения и оценки земель Сибири», посвященной 75-летию кафедры почвоведения ТГУ (Томск, 2005).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 16 работ.
Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, 6 глав основного текста, заключения, выводов и списка литературы. Работа изложена на 158 страницах машинописного текста, включая 23 таблицы и 33 рисунка. Список литературы содержит 111 наименований работ, в том числе 16 работ иностранных авторов.
Климат и особенности гидротермического режима почв
Исследуемая территория Южной Якутии приурочена к центральной части Алданского нагорья и южной части Лено-Алданского плато. Это преимущественно низко - и среднегорная территория с абсолютными отметками плато - 450-600 м, нагорья — 600-900 м и возвышающимися над ними горными хребтами с высотами 1500-2000 м над уровнем моря (Коржуев, 1965). Южная Якутия находится в зоне явно избыточного увлажнения, здесь при годовом количестве атмосферных осадков 500-600 мм, максимально возможный расход влаги за лето составляет 220-280 мм (Еловская, Коноровский, 1978). Поэтому около 300 мм выпадающих осадков ежегодно сбрасывается в отрицательные формы рельефа в виде поверхностного и внутрипочвенного стока. Это обусловливает интенсивное промывание почв водораздельных повышений и развитие заболачивания на слабо покатых склонах и в долинах рек (Коноровский, 1984). При этом здесь средние значения коэффициентов увлажнения (Ку) за вегетационный период (май-сентябрь) изменяются от 0,8 для зоны умеренного увлажнения, до 1,0 -1,2 для зоны избыточного увлажнения (Семенова, 1987). Средняя годовая температура (tr) составляет минус 6-9С, а продолжительность вегетационного периода - 60-80 дней. По обеспеченности растений теплом (Шашко, 1971) на исследуемой территории выделяются холодный (выше 900 м абс. вые.) с суммой активных температур (It 10C) выше 10 всего лишь 400-1000 и холодно-умеренный пояса (ниже 900 м абс. вые) с St 10C выше 1000-1400. Многолетняя мерзлота вследствие высокой гумидности климата на исследуемой территории не имеет сплошного распространения, здесь отмечается прерывистое распространение многолетне-мерзлых пород (ММП), при этом отмечается значительная глубина сезонного (зимнего) промерзания порядка 7-10 м (Коржуев, 1965). В условиях преимущественно горного силыюрасчлененного рельефа Южной Якутии отмечается перераспределение климатических показателей, обусловленных эффектом «криоаридной котловишюсти» (Коноровский, 1990). Последнее выражается в большей относительной сухости и прогреваемости межгорных котловин в летнее время года и их охлаждаемости в зимний период по сравнению с окружающими поверхностями водораздельных склонов. Значение коэффициентов континентальное климата (Кк) по Н.Н. Иванову изменяется от 230 (г. Алдан) до 272 (г. Томмот). В целом климат Южной Якутии может быть охарактеризован как гумидный умеренно и резко континентальный холодный и холодно-умеренный.
Состояние атмосферного климата, как правило, целиком обусловливает специфику гидротермического режима автоморфных почв. Наблюдения показали, что подзолистые почв Южной Якутии (Конаровский, 1984) характеризуются промывным, а торфяно-болотные - застойно-промывным характером водного режима. Так, в средние по увлажнению годы влажность подзолистой супесчаной почвы в слое 0-50 см в основном изменялось в пределах ВРК-НВ и НВ-ПВ, достигая полной влагоемкости с образованием надмерзлотной верховодки во влажные периоды летнего сезона. В тоже время в гидроморфной торфянисто-болотной почве в данном слое влажность возрастала до НВ-ПВ с более продолжительным периодом сохранения состояния полной влагоемкости. Длителыю-сезонномерзлотные минеральные почвы Южной Якутии обладают низкими тепловыми ресурсами. Так, здесь слой с биологически-активными для жизнедеятельности микроорганизмов температурами, как правило, не превышает 20 см и данный период длится всего 20-40 дней. При этом тепловые ресурсы органогенных болотных почв еще более малы, чем минеральных на водоразделах.
Климат Центральной Якутии в пределах Центрально-Якутской равнины более теплый и континентальный, и в тоже время менее влажный по сравнению с климатом Южной Якутии. Климат Центрально-Якутской равнины формируется в условиях влияния депрессионного ороклиматического комплекса (Скрыбыкина, Чевычелов, 2003). Поэтому закономерные максимальные значения Кк (302), Zt 10C (1565) и минимальное Ку (0,3) здесь отмечается в Центральной части равнины (г. Якутск). Последнее связано с большей сухостью приходящих масс воздуха, так как данная территория почти лишена влияния морских воздушных масс. Зима отличается сильными морозами, малой облачностью и преобладанием штилей, что влечет за собой сильное охлаждение. Значения tr отрицательные и изменяются от -10 до -12С. ММП здесь распространены повсеместно и достигают мощности 180-400 м, причем средняя мощность ММП в Центральной Якутии составляет 300-350 м (Катасонов, Иванов, 1973). Лето короткое, но жаркое. Средняя температура июня 18-19 , абсолютный максимум 38С. Продолжительность безморозного периода времени 64-80 дней. По количеству атмосферных осадков Центрально-Якутская равнина сходна со степными и сухостепными районами России. В среднем выпадает от 240 до 260 мм в год. Наибольшее количество осадков приходится на июль, август.
Высокая температура лета в сочетании с малым количеством осадков и продолжительной инсоляцией обусловливает продвижение на север в зону тайги типичных степных ландшафтов с хорошо развитыми лугово-степными долинными и аласными, в том числе и засоленными почвами (Еловская, Коноровский, 1978). Анализ запасов влаги в профиле лесных палевых почв Центральной Якутии показывает, что в слое 0-50 см они колеблются на уровне ВЗ-НВ, в слое 50-150 см близок к ВРК и в нижележащих толщах в пределах НВ и только в редких случаях доходит до ПВ. В тоже время в профиле целинной лугово-черноземной почвы данной территории в вегетационный период запас влаги в слое 0-50 см был близок к ВРК, в слое 50-100 см - на уровне ВРК-НВ, а в толще 150-200 см почти равен НВ (Саввинов, 1976). Таким образом, в целом мерзлотные почвы Центральной Якутии менее обеспеченные влагой, но более теплообеспеченные особенно лугово-степные почвы безлесных пространств.
Почвообразующая роль микроорганизмов
Почва густо населена микроорганизмами, которых она обеспечивает питательными веществами, воздухом, влагой, благоприятной температурой. Развитие микрофлоры в большой степени зависит от водно-физических и физико-химических свойств почвы (Войнова-Райкова и др., 1986). Численность микроорганизмов в целинных экосистемах составляет сотни миллионов и даже миллиарды клеток в грамме почвы. Несмотря на небольшие размеры, живая микробная биомасса может достигать десятков тонн на га. На ее долю приходится 1-3 % органического углерода почвы. Микроорганизмы разлагают 95 % органических веществ, поступающих в почву. Разрушая остатки растений, трупы животных, осуществляя трансформацию минеральных удобрений, деградацию пестицидов и различных отходов, микробы способствуют очищению почв. Можно себе представить последствия гибели всех почвенных микроорганизмов: жизнь на Земле не просуществовала бы и 30 лет (Демченко, Маринеску,2000). Среди почвенных микроорганизмов наиболее распространены бактерии, численность которых составляет 70% от всех почвенных микроорганизмов. В необрабатываемых почвах их количество составляет 1 млн. на г, а в окультуренных - миллиарды (Войнова-Райкова и др., 1986). При изучении микроорганизмов, выделенных из любой почвы, поражает их разнообразие, но главное то, что они обладают часто противоположными и несовместимыми для одной среды обитания свойствами. Из почвы выделяются гетеротрофы и автотрофы, аэробы и анаэробы, олиготрофы и копиотрофы, гидролитики и негидролитики, термофилы и психрофилы, ацидофилы и алкалофилы, микробы-антагонисты и чувствительные к их антибиотикам микроорганизмы. В почве развиваются различные микроорганизмы (бактерии, грибы, актиномицеты) и водоросли. Их количество колеблется в широких пределах -от миллионов до миллиардов в 1 г почвы. Наибольшим содержанием микроорганизмов характеризуются черноземные и сероземные, наименьшим - почвы тундры и северной тайги. Содержание микрофлоры и ее активность подвержены определенной динамике в годичном цикле почвообразования в связи с изменениями гидротермического режима и многократными повторяющимися генерациями микроорганизмов. Формирование микробиологических ценозов и интесивность деятельности микроорганизмов зависят от гидротермического режима почвы, ее реакции, количественного и качественного состава органического вещества в почве, условий аэрации и минерального питания. Для большинства микроорганизмов оптимум гидротермических условий в почве характеризуется температурой 25-35 С и влажностью около 60% полной влагоемкости почвы. Все группы микроорганизмов наиболее активны при реакции среды, близкой к нейтральной. Большинство бактерий, в частности такие важные для плодородия почвы, как нитрификаторы, азотфиксаторы, клубеньковые бактерии, угнетаются при кислой реакции. Более устойчивы к подкислению среды грибы. Особое значение для развития микроорганизмов имеет наличие в почве органического вещества, поскольку подавляющая часть микроорганизмов - гетеротрофы. Органическое вещество для них — источник энергии, углерода, азота и других важных элементов. Влияние органических веществ на численность микроорганизмов и их активность в почвах зависит от их содержания и состава. Наиболее благоприятны растительные остатки, богатые белками, растворимыми углеводами. Распределение микроорганизмов в почвенном профиле связано с содержанием гумуса и поступлением свежих органических остатков, и поэтому максимальное их количество приурочено к верхним горизонтам, а в пределах каждого горизонта - к прикорневой зоне (ризосфере), обогащенной органическими соединениями корневых выделений и органическими веществами отмирающих корневых волосков (Кауричев, 1989). С деятельностью микроорганизмов тесно связаны формирование и динамика биохимического, питательного, окислительно - восстановительного, воздушного режимов почвы, их щелочно-кислотных условий. Все это свидетельствует об исключительной роли микроорганизмов в развитии почвенного плодородия. Аэробные микроорганизмы осуществляют окисление белков, жиров, углеводов и других сложных органических соединений, входящих в состав растительных и микробных остатков, до аммиака, воды и углекислого газа. В почве широко распространены спорообразующие (Вас. mycoides, Вас. subtitles и др.) и неспорообразующие (Pseudomonas fluorescens, Pseudomonas pyacyanea и др.) аэробные гетеротрофные бактерии. Важная роль в превращении органических веществ принадлежит также грибам и актиномицетам. Минерализации подвергаются не только органические остатки растительного и животного происхождения, но и специфические органические вещества почвы - ее гумус. С жизнедеятельностью анаэробных бактерий связаны процессы гниения компонентов растительных и микробных клеток с образованием также простых, но не до окисленных органических, а затем минеральных соединений. Качественная и количественная характеристики аммонифицирующих и нитрифицирующих групп микроорганизмов и их соотношение дают один из важных показателей процессов минерализации, происходящих в почве. В круговороте азота, под минерализацией понимается разложение сложных органических азотсодержащих соединений до составляющих. В почве этот процесс представлен разложением органического вещества опада до нитратного азота доступного для питания растениями. Аммонификаторы или гнилостные микроорганизмы используют в качестве источника азота органические соединения (гетеротрофы). Аммонификация происходит при распаде белков с выделением азота в виде аммиака. Аммонификация белковых веществ - первый микробиологический процесс по превращению азотистых соединений в природе. Аммонифицирующими микроорганизмами могут являться бациллы, бактерии, актиномицеты и плесневые грибы. Нитрифицирующие микроорганизмы переводят аммиачные соединения в нитриты и нитраты и выделяются только на минеральных средах (автотрофы). Грибы участвуют в превращении органических веществ, поступающих в почву.
Отбор почвенных проб для микробиологического анализа
Образцы почв для микробиологических исследований брали по слоям с глубин 15, 30, 60, 90 см. Отбор проб производился по стандартной методике "Отбор почвенных образцов для микробиологических исследований" (Методы почвенной микробиологии, 1991). Для отбора почвенных образцов использовали: почвенный бур, стерильные бюксы и шпатели, этиловый спирт. Пробы отбирали следующим образом. Во-первых, очищали поверхность земли от опада. Во-вторых, пробы отбирали из керна скважин, бурение которых проводилось колонковым способом путем простого механического вращения пробоотборника без промывки и добавления химических реагентов. Почвенный бур стерилизовали спиртом после отбора почвы с каждого горизонта. Итого на каждой точке бур стерилизовали 4 раза. Отобранные образцы помещали с помощью стерильного шпателя в стерильные бюксы и замораживали, через 1-2 часа после отбора. Бюксы подписывали: горизонт, дата, температура воздуха и место отбора. Методика отбора, хранения и доставки образцов исключала возможность их оттаивания и заражения посторонними микроорганизмами. Абсолютно-сухой вес (АСВ) почвенных образцов весом 1 г определяли на галогенном анализаторе влажности HR73 фирмы Меттлер Толедо, (Швейцария). Работа прибора основана на термогравиметрическом принципе: сначала прибор определяет вес образца, затем образец быстро нагревается галогенным модулем сушки, и влага из образца испаряется. Во время анализа прибор непрерывно измеряет вес образца и показывает на дисплее количество испаренной влаги. При окончании анализа на дисплее отображается окончательный результат - содержание влаги или сухого остатка в образце. Практический опыт показывает, что решающим фактором при определении влагосодержания является скорость нагревания образца. По сравнению с обычным инфракрасным нагреванием или сушкой печи, галогенный нагреватель достигает максимальной мощности теплового излучения гораздо быстрее и позволяет использовать высокие температуры - это существенно сокращает время анализа. Пробы весом в 1г высушивали в течение 30 минут, затем измеряли АСВ и еще через 30 минут, определяли окончательный АСВ пробы. Всего пробы высушивали в течение 1 часа. Рассчитывали влажность почвенных образцов в %. Метеорологические и гидрологические исследования на территории научного стационара «Спасская падь» ИБПК СО РАН проводили в рамках проекта GAME/Siberia. Определение объемной влажности почвы производили вручную в день отбора почвенных образцов при помощи рефлектометра TDR (Moisture Point, Enviromental Sensors, Inc.,Canada) на глубинах 0-15, 15-30, 30-60, 60-90 и 90-120 см в 3-кратной повторности. Использованы средние данные по горизонтам. Подвижные формы азота и среднесуточную температуру определяли принятыми в почвоведении стандартными методами (Аринушкина, 1970) Для этого из центральной части мерзлого керна стерильно брали 1 г почвы, увлажняли ее до состояния пасты и растирали в ступке резиновым пестиком в течение 5 мин. Затем готовили суспензии в 100 мл (первое разведение 10"1) дистиллированной стерильной воды, которые высевали на плотные среды. Численность микроорганизмов определяли методом посева на плотные питательные среды. Количество бактерий, использующих органический азот, учитывали на МПА, использующих минеральный азот бактерии и актиномицеты - на КАА, олигонитрофильные бактерии — на среде Эшби (Методы почвенной микробиологии и биохимии, 1991). Количество грибов учитывали на подкисленной среде Чапека; аэробных целлюлозоразлагающих бактерий на среде Гетчинсона и Клейтона (Семенов, 1990). Засеянные чашки Петри инкубировали при 30С. Морфологию клеток культур изучали методами световой микроскопии при помощи микроскопа "Биолам Р-15" (увеличении 1250). Колонии бактерий учитывали на 3-4 сутки, грибов — 7-10 сутки (на 5 параллельных чашках с пересчетом на 1 г абсолютно-сухой почвы). При посевах использовали разведения 1:10, 1:10, 1:10. Бактерии подсчитывали на 3-4 сутки, грибы - через 7-10 суток. Посевы инкубировали при 28С. Просчитав количество колоний на 5 параллельных чашках, определяли среднее количество колоний на чашке и затем делали пересчет на 1 г абсолютно-сухой почвы (АСВ).
