Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Распространение приозерных солончаков в Забайкалье .6
1.1. Влияние климатических условий на генезис засоленных почв Забайкалья .7
1.2. Источники накопления водорастворимых солей в почвах 9
1.3. Причины засоления почв при орошении в условиях Забайкалья 11
1.4. Состав и свойства солончаков 12
1.5. Классификация и характеристика засоленных почв 16
1.6. Солончаки 13
1.7. Солончаковатые почвы 20
1.8. Солонцы и солонцеватые почвы 20
1.9. Разнообразие и классификация галофитов 21
1.10. Изотопный состав углерода органического вещества и карбонатов в почвах Забайкалья 24
ГЛАВА 2. Микроорганизмы засоленных почв
2.1. Биогеоценотическая функция почв 26
2.2. Численность и качественный состав микроорганизмов 27
2.3. Микробные сообщества солончаков 29
2.4. Динамика численности микроорганизмов засоленных почв 37
2.5.Разнообразие, таксономия и характеристика микроорганизмов 37
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
ГЛАВА 3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
3.1. Объекты исследования 43
3.2. Методы исследования 52
ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНРІЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
4.1. Экологические условия среды обитания микроорганизмов приозерных солончаков и содовых озер Забайкалья 61
4.2. Сезонная динамика содержания органического вещества в приозерных солончаках Забайкалья 73
4.3. Численность физиологических групп микроорганизмов 75
4.4. Сезонная динамика численности микроорганизмов приозерных солончаков Забайкалья 97
4.5. Структура микробных сообществ донных отложений и почв 107
4.6. Скорость разложения целлюлозы в донных отложениях содовых озер и почвах солончаков Забайкалья 108
4.7. Скорость разложения белка в донных отложениях и почвах солончаков Забайкалья 110
4.8. Сульфатредукция, метанообразование и темновая фиксация СОг в донных отложениях содовых озер Забайкалья 112
4.9. Изотопный состав углерода почв приозерных солончаков и содовых озер Забайкалья 113
4.10. Экофизиологические особенности аммонифицирующих бактерий... 123
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 127
ВЫВОДЫ 129
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 131
ПРИЛОЖЕНИЯ 146
- Причины засоления почв при орошении в условиях Забайкалья
- Микробные сообщества солончаков
- Сезонная динамика содержания органического вещества в приозерных солончаках Забайкалья
Введение к работе
Высокощелочные местообитания, такие как содовые озера и приозерные солончаки, распространенные в областях с аридным климатом, являются мало изученными в микробиологическом отношении объектами, несмотря на то, что алкалофильные микроорганизмы являются едва ли ни единственным компонентом жизни в щелочных местообитаниях.
В Забайкалье выделяются две группы солончаков — соровые и луговые (Ногина, 1964). Соровые солончаки занимают относительно большие площади. Они располагаются в плоских бессточных впадинах, периодически заполняющихся поверхностными водами. Продолжительность озерного развития ландшафта может быть разной - от нескольких месяцев до нескольких десятков и более лет. В солевом составе ранних соров преобладают хлориды и сульфаты, более поздних - карбонаты.
Соровые и луговые солончаки привлекают к себе пристальное внимание. По мнению Г. А. Заварзина (1993), эпиконтинентальные содовые озера - это модели древнейших водоемов, где могло возникнуть биоразнообразие жизни. Содовые озера Забайкалья чрезвычайно богаты биологическим разнообразием (Заварзин, Жилина, 2000). Водные и донные сообщества микроорганизмов этих озер осуществляют замкнутые циклы превращения элементов, моделируя древние микробные сообщества. Из конечных этапов анаэробной деструкции органического вещества в них преобладает сульфатредукция (Горленко и др., 1999; Банзаракцаева, 2002).
Кроме того, щелочные биотопы служат источниками алкалофильных и
галоалкалофильных микроорганизмов, имеющих большой
биотехнологический потенциал (Jones, et al 1998; Гончиков, Намсараев, 2000). Солончаковые почвы, связанные с генезисом степных озер, также привлекательны для микробной биотехнологии. John et al (1999) сообщают, что щелочные почвы богаты бактериями, солюбилизирующими природные фосфаты.
Можно полагать, что протекающие в сорах биогеохимичесгче процессы как на озерной, так и неозерной стадиях, включая образование солончаков, имеют схожие черты. Вместе с тем, периодическая смена водной и неводной фаз, высокой, или, наоборот, слабой аэрированности почв, растительные сукцессии, и т. д. могут придать микробным сообществам этих экосистем существенную специфику. Применительно к соровым солончакам Забайкалья данные вопросы малоизучены.
Целью нашего исследования было изучение структуры микробного сообщества и количественная оценка деятельности микроорганизмов-деструкторов органического вещества в приозерных солончаках Забайкалья.
В задачи исследования входило:
Изучение физико-химических параметров приозерных солончаков Забайкалья.
Определение содержания органических и минеральных веществ-субстратов и метаболитов микроорганизмов.
Определение численности различных физиологических групп микроорганизмов и описание микробных сообществ приозерных солончаков Забайкалья.
Определение скорости микробиологических процессов: разложения целлюлозы и белка, сульфатредукции, метаногенеза, темновой ассимиляции С02 в донных отложениях и почвах.
Количественная оценка вклада различных групп микроорганизмов в деструкцию органического вещества приозерных солончаков Забайкалья.
Определение изотопного состава углерода органического вещества и карбонатов в донных отложениях содовых озер и приозерных солончаках Забайкалья.
Причины засоления почв при орошении в условиях Забайкалья
Соровые солончаки Забайкалья занимают относительно большие площади и расположены в плоских бессточных впадинах, периодически затопляющихся поверхностными водами. Эти солончаки развиваются в результате испарения поверхностной воды мелководных соленых озер и когда они пересыхают, территория покрывается сплошной коркой белого солевого налета.
Состав солей в соровых солончаках в Забайкалье может быть различен: в более древних сорах преобладают хлориды, а в наиболее молодых — карбонаты. Значительные различия в составе солей имеются на окраине и внутри современного контура сора. В периферийной части резко уменьшается содержание хлора. Встречаются также и сульфатно-карбонатные луговые солончаки (Ногина, 1964).
Высокая концентрация солей является характерной особенностью солончаков. Высокая концентрация солей отрицательно сказывается на их водном и питательном режимах. Вследствие высокой гигроскопичности солей резко снижается количество доступной для растений влаги, что приводит их к гибели. Степень токсичности солей определяется их составом и растворимостью. Чем легче соли проникают в растения, тем они более токсичны. Токсичность солей возрастает от сульфатного к содовому типу засоления. Особенно токсична сода, менее токсичен сульфат натрия, сульфат кальция безвреден, но в почвах он спутник других солей, поэтому большое содержание его в почвах служит показателем низкого плодородия (Панов, 1989).
Площади сплошного распространения луговых солончаков в Забайкалье не велики. Весной поверхность их покрыта белым солевым налетом, а летом в период летних дождей, солевых налетов не образуется или появляются на участках лишенных растительности. Своеобразие морфологического облика солончаков и лугово-солончаковых почв Забайкалья заключается в частых криогенных нарушениях залегания горизонтов и наличие мерзлоты, которая редко протаивает глубже 150-200 см, вследствие суглинистого механического состава и переувлажненности нижних горизонтов. Мерзлота является одним из самых мощных факторов сохранности солей в почвенной толще, замедленности их выноса.
По механическому составу солончаки и луговые солончаки определены как тяжелосуглинистые, суглинистые со слабо выраженной дифференциацией почвенного профиля из-за присутствия легкорастворимых солей, играющих роль электролитов. До их удаления процесс диспергирования органических и минеральных веществ сдерживается, пептизация коллоидов и переноса их вниз по профилю не происходит (Панов 1989).
Количество гумуса в солончаках обычно не велико, так как растительный покров на них вследствие токсичности солей крайне скуден. В лугово-солончаковых почвах количество его увеличивается. В составе гумуса преобладают фульвокислоты.
По всему профилю солончаков реакция щелочная. Степень щелочности зависит от состава солей. Наиболее высокие значения рН наблюдаются там, где есть сода (рН водной вытяжки достигает 9-11). Основная масса легкорастворимых солей сосредоточена в верхнем горизонте, а в нижнем солей очень мало.
Емкость поглощения солончаков низкая до 10-20 мг-экв. В составе обменных оснований превалирует натрий и магний (Ногина, 1964; Важенин, 1969).
Закономерности миграции солей описаны в работе Пакшиной СМ. (1986). Миграция солей в почве является сложным физико-химическим явлением, в котором участвует жидкая, твердая и газообразная фазы почвы. Поэтому причина миграции солей заключается во взаимодействии этих фтз. Из большого количества взаимодействий в системе почва-раствор-воздух в качестве причины миграции выделяют, по меньшей мере, два основных взаимодействия, имеющих противоположные тенденции.
Согласно современным представлениям на поверхности почвенных капилляров, по которым передвигается почвенный раствор, имеемся отрицательный заряд, происхождение которого достаточно хорошо изучено (Горбунков, 1978). Отрицательный суммарный заряд поверхности почвенных частиц является причиной возникновения двух независимых друг от друга взаимодействий: отрицательной адсорбции анионов с одной стороны и обменной, а также специфической адсорбции катионов с другой.
Таким образом, концентрационные эффекты (минимум и максимум) являются частными случаями закономерности движения солей в почве.
Концентрация минимума анионов вызывается электростатическим взаимодействием в области контакта сухой и влажной почвы і.ри прохождении раствора через контакт.
Концентрация максимума вызывается задержкой солей, обусловленной нулевой подвижностью анионов в тонких слоях, при прохождении раствора в ненасыщенной почве.
Используя количественную закономерность распределения солей по профилю почвы и ее частные случаи, рассматриваются качественные особенности их функционирования. Классической качественной закономерностью распределения солей по почвенному профилю является хорошо известная вертикальная дифференциация солей (Ковда, 1973).
В процессе засоления и рассоления почв, обусловленных восходящими и нисходящими потоками раствора последовательно по профилю почвы, возникают зоны аккумуляции следующих веществ: гидроокисей железа и алюминия, кремнекислоты, карбонатов кальция и магния, гипса, сульфатов натрия, хлоридов кальция, магния и натрия.
Гидроокиси железа и алюминия от начала движения раствора по профилю почвы зоны аккумуляции создают вещества, образующие в воде коллоидные растворы. Эти зоны возникают вблизи зеркала грунтовых вод. Заряд коллоидных частиц зависит от рН почвенного раствора. Коллоидные частицы гидроокисей железа и алюминия имеют отрицательный заряд только при рН больше 7, поэтому в щелочном интервале рН миграционная подвижность должна быть выше, так как осаждение частиц будет определяться только зарядовым взаимодействием с поверхностью пор почвы.
Коллоидные частицы кремне кислоты имеют отрицательный заряд во всей области рН почвенного раствора. Поэтому осаждение их при движении почвенного раствора независимо от значения рН будет определяться только зарядовым взаимодействием с поверхностью почвенных пор.
Микробные сообщества солончаков
В настоящее время довольно детально исследованы климатический и водный режимы, миграция химических элементов, растительность и почвы солончаков (Залетаев, 1976; Ковда,1984). Но, весьма слабо изученным остается их микробное население, являющееся тем не менее функциональным ядром экосистемы (Звягинцев и др., 1992)
Изучение состава микроорганизмов в солончаках в Забайкалье практически не проводилось, но зато более подробно дана микробиологическая оценка каштановых почв. Нимаева С.Ш. (1975) отмечает, что большой удельный вес в микробном ценозе и биохимическая активность актиномицетов, является отличительной чертой Забайкалья. Это связано с его климатическими особенностями региона. Почвы Забайкалья отличаются от почв европейских аналогов целым рядом микробиологических показателей: численность бактерий сапротрофного комплекса в них на 1-2 порядка выше, а таксономическое разнообразие значительно меньше (Звягинцев и др., 1999). Глубокое промерзание почвенного профиля и длительное нахождение почв в мерзлом состоянии, быстрое и значительное иссушение в весенне-летний период (май-июнь) отражаются на почвенной биоте (Волковинцер, 1978). Изучению микробных комплексов в почвах Забайкалья посвящено лишь небольшое число работ, в которых приводятся данные по численности микроорганизмов в основном в верхних почвенных горизонтах, соотношении физиологических групп бактерий, биологической активности почв и влиянию экологических факторов на эти показатели (Барыкова, 1976; Никитина, 1976; Нимаева, 1992).
Несмотря на свои неблагоприятные агрофизические свойства солонцы как тип почв являются высокоактивными в микробиологическом отношении. Высокая активность засоленных почв сказывается прежде всего, с подвижностью гумуса, а также со стимулирующим действием малых концентраций солей на развитие различных групп микроорганизмов.
Большое значение имеет характер засоления, солевой состав и сочетание солей в почве. В гумусовом горизонте солонцов создаются благоприятные условия для развития микроорганизмов. Разные горизонты солонцов резко различаются по своим свойствам, что отражается на численности и составе микрофлоры.
Большое различие в численности микроорганизмов в разных солонцах объясняется рядом причин, и прежде всего их богатством органическим веществом. Так, в солонцах, расположенных в зоне черноземных и темно-каштановых почв, содержится 4-9 % гумуса, тогда как в солонцах, расположенных в зоне светло-каштановых почв, - 1,5 % (Дударева, 1966).
Некоторые исследователи, однако, обнаруживали меньшее содержание микроорганизмов в засоленных почвах по сравнению с незасоленными (Кудрина, 1955; Рунов, Большакова, 1960).
Изменение содержания бактерий по профилю в изученных солонцах происходит неодинаково. В корковом солонце (Барабинская степь), по результатам исследований Клевенской (1961) отмечается незначительное снижение их численности при переходе из горизонта А к горизонту В. Приводятся данные, свидетельствующие о резком снижении числа неспорообразующих бактерий в нижележащем слое почвы (почти в сто раз) по сравнению с верхними горизонтами. Особенно заметное уменьшение количества микроорганизмов в солонцах отмечается с глубины 40-60 см. В Южном черноземе численность микроорганизмов снижается по профилю также довольно резко, тогда как в лугово-черноземной почве снижение содержания микроорганизмов с глубиной носит более плавный характер (Дударева, 1962).
При изучении в Саратовской области солонцов различной степени осолоденения Непомилуев и Поддубный (1961) не обнаружили резкого снижения числа неспорообразующих бактерий в профиле почвы. Наоборот, в ряде случаев отмечается незначительное возрастание их числа в горизонте Вг по сравнению их с горизонтом В] или в горизонте В J (столбчатый солонец) по сравнению с горизонтом Аг (солодь).
Солонцы Аршань - Зельменя (Волгоградская область) и особенно Северного Казахстана значительно беднее неспорообразующими бактериями, чем солонцы Кулунды. Почти во всех случаях отмечается заметное уменьшение численности бактерий по профилю (3-4 раза и более), хотя и здесь изредка наблюдаются случаи преобладания числа бактерий в горизонте В по сравнению с горизонтом А. Наиболее типичными представителями группы спорообразующих бактерий во всех исследованных солонцах являются Вас. idosus и Вас. megaterium. Наиболее широко исследованы солонцы на присутствие в них нитрификаторов, азотобактера и анаэробных микроорганизмов. Гораздо реже учитывались денитрификаторы, в единичных случаях -сульфатредуцирующие бактерии и олигонитрофилы (Сидоренко, 1962). В солонцах создаются благоприятные условия для развития денитрификаторов (щелочная реакция почвы, обилие нитратов, тяжелый механический состав почвы). В солонцах Барабы Сидоренко (1962) обнаружил до 100 тыс. денитрификаторов в 1 г почвы гумусового горизонта. Отмечается высокое содержание Clostridium pasteurianum в исследуемых солонцах. Он имеется как в горизонте А, так и В] и Вг. Особенно высокое содержание С/. pasteurianum наблюдается в корковом солонце Омской области (Западная Сибирь), где он обнаруживается даже 105-106 кл/г почвы.
Сульфатредуцирующие бактерии учитывались лишь в некоторых солонцах Кулунды и Барабы Новосибирской области. Если Сидоренко (1962) наблюдал возрастание их численности в сто раз при переходе из горизонта А к Вг, то Дударева (1962) обнаружила их лишь в горизонте Айв очень малом количестве.
На содержание олигонитрофилов исследовались лишь лугово-степные солонцы Западной Сибири (Митрофанова, 1962). В верхнем горизонте А их насчитывалось около 2 млн/г почвы, в горизонте В число олигонитрофилов снижалось в 2-3 раза.
Более или менее заметная нитрификация наблюдалась в самых различных солонцах лишь в горизонте А. Титр нитрификаторов при этом не превышал 100 на 1г почвы. Лишь карбонатно-солончаково-солонцеватая торфянистая почва Приднепровья достаточно активна по признаку нитрификации до глубины 30 см (Образцова, Вознюк, 1959). В солонце среднестолбчатом в Новосибирской области (Бараба) (Сидоренко, 1962) и солонце лугово-степном в Западной Сибири (Митрофанова, 1962) обнаружено наибольшее содержание нитрификаторов. В остальных случаях в горизонте Bj и особенно В2 отмечается полное отсутствие этих бактерий.
Разложение целлюлозы в солонцах осуществляют различные микроорганизмы (бактерии, грибы, актиномицеты). По данным Сидоренко (1962), в 1 грамме почвы их содержится от 3 до 52 тыс., причем преобладает бактериальная флора, что автор связывает с высокой щелочностью солонцов Барабы.
Сезонная динамика содержания органического вещества в приозерных солончаках Забайкалья
Теплообмен в почве, ее температурный и водный режим сказывают существенное влияние на продуктивность растительного покрова и соответственно на размеры поступления органических остатков в почву, а также степень их гумификации (Чимитдоржиева, 1990).
Содержание Сорг и рН водных вытяжек ключевых участковое, 2С, ЗС приведены в табл. 4.8. Из полученных данных видно, что основное содержание Сорг приходится на верхние почвенные горизонты, распределенную в основном в слое почвы 0-20 см. Это связано с тем, что подземная часть растений имеет более мощную корневую систему. Так, если верхние слои ключевых участковІС, 2С, ЗС имеют следующие значения содержания органического углерода - 1,0; 2,15; 1,83 %, то нижние слои этих ключевых участков содержат уже соответственно 0,65; 0,74; 0,91 % органического углерода. Содержание Сорг по сезонам года носит в основном неравномерный характер распределения. Отмечаются два повышения содержания органического вещества в почвах в течении исследуемого года: один в весенний, другой в осенний периоды года. Если. максимальное значение Сорг отмечено в мае месяце, то летом происходит снижение содержания органического углерода. К сентябрю происходит постепенное увеличение содержания С0рГ. Эти значения в основном сопоставимы с общей численностью микроорганизмов, участвующих в разложении органического вещества.
Состав органического вещества в донных отложениях оз. Белое (Оронгойское) и почвах ключевых участков 1С, 2С, ЗС заметно варьирует. В донных отложениях и почвах приозерных солончаков содержание целлюлозы выше чем содержание белков (табл. 4.9). Содержание целлюлозы в донных отложениях оз. Белое (Оронгойское) составляла 1,3 мг/мл сырого ила, в то время как содержание белка составляла всего 0,31 мг/мл сырого ила.
Наличие органических и минеральных веществ в донных отложениях и в почвенных горизонтах благоприятствует широкому распространению различных физиологических групп микроорганизмов. Распространение и активность алкалофильных гетеротрофных микроорганизмов зависят от условий среды обитания и присутствия органического вещества. В донных отложениях и приозерных солончаках были определены численности бактерий- деструкторов органического вещества.
Количественная оценка численности различных физиологических групп бактерий в донных отложениях содовых озер Забайкалья была необходима для оценки их роли в процессах аэробной и анаэробной деструкции органического вещества в донных отложениях. Для выполнения этой цели была проведена работа по выявлению аэробных и анаэробных аммонификаторов и целлюлолитиков, амилолитиков, актиномицетов, сульфатредукторов. Результаты представлены в табл. 4.10. Численность амилолитиков в донных отложениях озера Белое (Оронгойское) составляла 1,6x10 кл/см . Численность актиномицетов была выше чем у амилолитиков, что составляла 6,3x10 кл/см (табл. 4.10). Количество аэробных и анаэробных аммонификаторов варьировала от 2,5x106 до 2,5x105 кл/см3. Число аэробных и анаэробных целлюлозоразлагающих бактерий была на 2-3 порядка ниже, чем аммонификаторов. Такая же картина наблюдалась и у сульфатредуцирующих бактерий.
Среди изученных содовых озер, наибольшей численностью обладали аэробные и анаэробные аммонификаторы (табл. 4.11). Максимальное число аэробных клеток было обнаружено в озере Каменный Ключ — 6,0x105 кл/см3, а минимальное в озере Степное - 6,0x105 кл/см3. Анаэробные аммонификаторы присутствовали в количестве 1,3x105 - 6,0x106 кл/см3. Эти граничные значения были выявлены у озера Степное и Верхнее Белое. Тогда, как численность целлюлолитиков была ниже на 2-3 порядка. Так, для аэробных и анаэробных целлюлолитиков минимальное и максимальное значения были от 2,5х103 до 6,0х104 кл/см3 и от 6,0х103 до 6,0x104 кл/см3. Сульфатредукторы присутствовали в незначительном количестве 6,0x10 — 6,0x103 кл/см3.
Исследованные ключевые участки южных соров 8-02 Б, 9-02 Б, 10-02 Б, 11-02 Б, 12-02 И почти все без исключения характеризуются как щелочные, за исключением ключевого участка 11-02 Б, поверхностный горизонт 0-20 см (рН = 6,8). Тогда, как нижние слои почв 20-32 см и 32-61 см имеют значения рН равные 8,9 и 9,1. Наибольшая плотность сухого остатка водных вытяжек обнаружена в ключевом участке 8-02 Б в слое почвы 8-20 см, что составляет 4,61 % (табл. 4.12). Высокое значение сухого остатка остается даже в самом нижнем горизонте почвы 41-60 см — 2,59 %. Содержание органического углерода С оргв самом поверхностном слое варьирует от 0,24 до 1,73 %. С глубиной происходит уменьшение содержания С 0рг что составляет от 0,20 до 0.53 %.
Проведенные микробиологические исследования солончаков южных соров Забайкалья, показали высокую численность различных эколого-физиологических групп микроорганизмов которые активно участвуют в разложении органического вещества (табл. 4.13). Содержание аэробных клеток целлюлолитиков было от 2,5x104 до 2,5x105 кл/г почвы. Для всех исследованных групп микроорганизмов характерно уменьшение их количества вниз по профилю почвы на 2-3 порядка. Это связано с уменьшением содержания органического вещества в нижних почвенных горизонтах. Количество анаэробных целлюлолитиков варьирует от 2,5x104 до 6,0x105 кл/г почвы. Численность сульфатредукторов колебалась от 6,0x102 до 2,5x105. Максимальное и минимальное значения были выявлены у ключевых участков 11-02 Б и 9-02 Б. Среди изученных групп микроорганизмов доминируют аэробные и анаэробные аммонификаторы. Число аэробных и анаэробных аммонификаторов варьировала от 6,0х 10 до 6,0х 10 кл/г почвы и от 6,0x104 до 6,0x106 кл/г почвы соответственно. Высокая численность аммонификаторов указывает на присутствие в почвах высоких концентраций легкоокисляемых органических веществ.
