Введение к работе
Актуальность работы
Почва с микробиологической позиции представляет собой гетерогенную среду и не может рассматриваться как единая однородная среда обитания (Звягинцев, 1987). Благодаря своей структурированности и микрозональности, она должна быть изучена как набор различных макро-, мезо- и микросред, в каждой из которых создаются различные и часто прямо противоположные условия для развития отдельных групп микроорганизмов. Микро- и мезозоны разделены в пространстве и во времени. Во всех почвах и в разных почвенных горизонтах микрозональность основывается на локальном поступлении органических остатков и корневых выделений, а также на микрозональности распределения физико-химических условий и минералогических факторов. Во всех почвах и в разных почвенных горизонтах имеются аэробные и анаэробные макро-, мезо- и микрозоны, резко различающиеся по величине окислительно-восстановительного потенциала (Eh). Анаэробные условия могут сохраняться на протяжении больших временных периодов (Зайдельман, 1985; Орлов, 1987).
Однако до настоящего времени изучены в основном аэробные микроорганизмы и их активность в аэробных условиях, причем, главным образом, эта работа проводилась с использованием метода посева и изучались чистые культуры микроорганизмов. В то же время неоднократно отмечалось, что изучать микроорганизмы необходимо непосредственно в почве (Виноградский, 1952; Звягинцев, 1987, 2005). В настоящее время такое изучение сукцессии микроорганизмов проводится, главным образом, на микрокосмах — почвенных образцах, поставленных в строго контролируемые условия температуры, влажности, аэрации и питания (Polyanskaya, Zvyagintsev, 1995). В ходе микробной сукцессии изменения проходят вполне закономерно, в определенной последовательности, так что их можно исследовать. Начало сукцессии может быть наиболее просто задано увлажнением почвенного образца или внесением в почву различных органических веществ (сахаров, хитина, целлюлозы, лигнина).
В почвоведении и почвенной микробиологии анализ микробных сообществ способствует углублению понимания экологических функций почвы, связанных с ее биотой, детализирует такие аспекты экологии почв как структура почвенных микробных комплексов, их происхождение, трофические связи, баланс элементов питания. Микроорганизмы могут быть чуткими индикаторами различного рода антропогенных воздействий. Таким образом, для понимания микробиологических процессов, происходящих в почве, и решения проблем охраны окружающей среды необходимо изучение микробных сукцессии в условиях, близких к нативным.
Цель исследования — изучить развитие микроорганизмов в почве в ходе микробной сукцессии, инициированной увлажнением, и увлажнением с внесением хитина в микрокосмах с помощью метода люминесцентной микроскопии и «каскадной» фильтрации в аэробных и анаэробных условиях.
Задачи исследования:
-
Изучить динамику численности бактерий и длины грибного мицелия в аэробных и анаэробных условиях в черноземе типичном (целина, пашня) в ходе микробной сукцессии при температуре инкубации 18С и 28С с помощью метода люминесцентной микроскопии.
-
Сравнить отклик биомасс разных групп почвенных микроорганизмов на внесение субстрата (хитин) в аэробных и анаэробных условиях при температуре инкубации 18Си28С.
-
Определить численность бактерий и распределение их доминирующих групп по размеру в аэробных и анаэробных условиях в черноземе типичном (пашня) с помощью метода «каскадной» фильтрации.
-
Определить объем и биомассу бактерий в аэробных и анаэробных условиях в верхнем слое горизонта Айв горизонте В чернозема типичного пахотного.
-
Установить связь между численностью разных групп микроорганизмов и стадиями сукцессии, горизонтами почвы, внесением субстрата и уровнем аэрации.
Научная новизна. Впервые было показано, что при температуре инкубации 18С в анаэробных условиях в почве происходит развитие мицелия грибов, тогда как при температуре инкубации 28С в анаэробных условиях бактерии развивались, но рост грибного мицелия отсутствовал. Было установлено, что уровень аэрации и слой почвы оказали решающее воздействие на исследуемые группы микроорганизмов. В ходе микробной сукцессии практически все клетки бактерий были жизнеспособны. Изучение влияния аэробных и анаэробных условий на размер бактерий показало, что в анаэробных условиях клетки бактерий мельчали, резко возрастала численность их мелких форм, что приводило к увеличению биомассы последних.
Практическая значимость. Изучено влияние разных температур и уровней аэрации на рост и развитие почвенных бактерий, актиномицетов и грибов, что дает возможность управлять их численностью и выделять популяции, которые будут развиваться в этих условиях. Преобладание мелких форм бактерий в анаэробных условиях показало, что в почве отсутствуют благоприятные условия для их развития. Данное исследование помогает расширить представления о предотвращении последствий неблагоприятных экологических ситуаций в почвах, связанных с антропогенным воздействием на них, и тем самым поможет целенаправленно изменять экологическое состояние почв с помощью оценки
функционирования микроорганизмов в желаемом направлении. Полученные данные о роли различных групп микроорганизмов в разложении хитина при разных уровнях аэрации могут быть использованы для характеристики разных почв, их горизонтов, а также для определения жизнеспособности прокариотных микроорганизмов в них. На основании этих показателей можно более точно установить сходство и различие не только разных почв, но и их горизонтов.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы были представлены на международных конференциях «Ломоносов-2008» (Москва, 2008г.), «Ломоносов-2009» (Москва, 2009г.), Всероссийская научная конференция XIII Докучаевские молодежные чтения, (Санкт-Петербург, 2010г.), «Ломоносов-2012» (Москва, 2012г.); I Всероссийская с международным участием школа-конференция молодых учёных «Современные проблемы микробиологии, иммунологии и биотехнологии» (Пермь, 2011г.), VI съезд Общества почвоведов имени В.В. Докучаева Всероссийская с международным участием научная конференция «Почвы России современное состояние, перспективы изучения и использования (Петрозаводск, 2012г.), Международная ассамблея EGU-2012 (Вена, Австрия, 2012г.), Европейский конгресс микробиологов FEMS-2013 (Лейпциг, Германия, 2013г.).
Публикации. По теме исследований опубликованы 4 работы: 3 из них в изданиях, рекомендованных ВАК и 1 в сборнике, а также тезисы, изданные в материалах российских и международных конференций.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 135 страницах, состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части, объектов и методов, заключения, выводов, списка литературы ( 195 источников, из них 108 на иностранных языках). Работа иллюстрирована 34 рисунками, содержит 2 таблицы.
Личный вклад автора в работу. Автором проведены аналитический обзор литературы, лабораторные эксперименты, а также микробиологические анализы исследуемой почвы, интерпретация полученных результатов и статистическая обработка данных.
Автор благодарит проф., д.б.н., Д.Г. Звягинцева, сотрудников кафедры биологии почв: к.б.н. Т.А. Грачеву, к.б.н. Е.В. Лапыгину за помощь в проведении исследования, а таже автор выражает глубокую признательность д.б.н. Л.В. Васильевой (ИНМИ РАН) за помощь и консультации при работе по просвечивающей микроскопии и инженеру И.В. Матыченкову (Межкафедральная лаборатория электронной микроскопии Биологического ф-та МГУ) за помощь при работе по сканирующей микроскопии.
