Введение к работе
Актуальность работы. Основные параметры, характеризующие микробное население почв, изменяются в ходе годового цикла. Меняются как общая численность микроорганизмов, так и соотношение численностей различных функциональных и таксономических групп, а, соответственно, и интенсивность и направление биохимических процессов. В системе почва - микроорганизмы происходят вполне закономерные изменения численности и видового состава микробной компоненты, а также направленности микробиологических процессов. Эти события описываются как сукцессия почвенного микробного сообщества (Polyanskaya, Zvyagintsev, 1994).
Микробная сукцессия в почве поддается наиболее детальному изучению в модельных стабильных условиях, что достигается при работе с почвенными образцами, помещенными в лаборатории в контролируемые условия (температура, влажность и аэрация). В ходе микробной сукцессии меняется численность разных групп микроорганизмов: одни группы (например, грибы и бактерии) доминируют на ранних стадиях сукцессии, а другие, такие как актиномицеты, - на поздних стадиях (Полянская, 1996) . Изучение сукцессии комплекса почвенных микроорганизмов позволило расширить круг параметров, по которым можно сопоставить почвы разных типов, оценить разнообразие комплексов на различных сукцессионных этапах, прогнозировать события в связи с конкретными воздействиями, а также индицировать степень экологической сохранности почв (Полянская, Звягинцев, 2005; Полянская и др., 2012).
При анализе развития микробного сообщества важно знать то, как меняются соотношение и численность представителей разных физиологических и таксономических групп, в частности, грамотрицательных и грамположительных бактерий. Традиционно считается, что среди почвенных прокариотных микроорганизмов, прежде всего, грамположительным бактериям отведена роль гидролитиков (Звягинцев, 1988). Изучение микробных сукцессий с внесением полимеров естественного происхождения, таких как целлюлоза и хитин, позволяет оценить роль грамотрицательных бактерий в разложении этих веществ в почве. В естественной среде обитания почвенных бактерий, за счет специфических условий эти вещества могут находиться в разной степени доступности, однако, помимо этого факта важно учесть, что различные свойства почв влияют так же и на доступность кислорода для микроорганизмов (Тейт, 1991).
Во всех почвах и в разных почвенных горизонтах имеются аэробные и анаэробные макро-, мезо- и микрозоны, резко различающиеся по ОВП . Анаэробные условия могут сохраняться на протяжении длительных временных периодов, тем самым, оказывая значимое влияние на экологию почвенных микроорганизмов. Изучение влияния анаэробиоза на численность грамотрицательных бактерий позволит оценить их вклад в разложение природных полимеров в анаэробных условиях в почве.
Цели исследования. Целью диссертационной работы являлась оценка динамики численности грамотрицательных бактерий в почвах в ходе микробной сукцессии, инициированной увлажнением и увлажнением с внесением полимеров в аэробных и анаэробных условиях.
Задачи исследования. Для достижения указанной цели исследования были поставлены следующие задачи:
-
Изучение общей численности бактерий в ходе микробной сукцессии в черноземе и торфянике с помощью прямого люминесцентного метода.
-
Исследование динамики численности грамотрицательных бактерий в разных горизонтах чернозема и торфяника.
-
Сравнение динамики численности грамотрицательных бактерий в ходе исследуемой сукцессии в черноземе и торфянике в аэробных и анаэробных условиях.
-
Оценка влияния внесения хитина и целлюлозы на численность грамотрицательных бактерий в черноземе в аэробных и анаэробных условиях
-
Анализ доли грамотрицательных бактерий в ходе микробной сукцессии в черноземе и торфянике в аэробных и анаэробных условиях.
-
Определение численности филогенетических групп грамотрицательных бактерий в черноземе при инициации сукцессии увлажнением с внесением хитина и увлажнением с внесением целлюлозы.
Научная новизна. В диссертационной работе впервые с помощью прямых люминесцентно-микроскопических методов оценена динамика численности грамотрицательных бактерий при внесении природных полимеров в аэробных и анаэробных условиях в разных горизонтах почв. Для определения численности жизнеспособных грамотрицательных почвенных бактерий разработан и применен модифицированный метод с налидиксовой кислотой (с подращиванием клеток на предметных стеклах). Показано, что разработанная модификация позволяет учесть в 3,5 раза больше клеток грамотрицательных бактерий в почве.
Установлено, что в черноземе динамика численности грамотрицательных бактерий различается не только в разных горизонтах, но и в пределах одного гумусового горизонта. Впервые проанализировано влияние анаэробиоза на численность грамотрицательных бактерий в черноземе при различных условиях доступности питательных веществ (глюкозы, хитина и целлюлозы). В работе показано, что в зависимости от источника питания, в черноземе грамотрицательные бактерии могут увеличивать свою численность на ранних или поздних стадиях сукцессии.
Выявлено, что при наличии в почве доступного хитина грамотрицательные бактерии и актиномицеты (грамположительные бактерии) доминируют на разных стадиях сукцессии.
Отмечено, что в присутствии доступной целлюлозы в черноземе эти группы микроорганизмов развиваются одновременно на поздних стадиях сукцессии.
Сформулированные в диссертации положения позволяют расширить представление о роли грамотрицательных бактерий в разложении природных полимеров в почве в аэробных и анаэробных условиях. Полученные выводы позволяют оценить экологическую стратегию данной группы микроорганизмов в почвенной микробной сукцессии.
В частности, предложено оценить роль грамотрицательных бактерий в разложении хитина (основного компонента клеточной стенки почвенных грибов и покровов насекомых, обитающих в почве). В настоящее время первостепенная роль хитинолитических микроорганизмов отведена грамположительным бактериям — актиномицетам. В работе показано, что данная группа микроорганизмов развивается лишь на последних стадиях микробной сукцессии, а на начальном этапе в присутствии доступного хитина развиваются именно грамотрицательные бактерии.
Практическая значимость. Предложена модификация традиционного метода с налидиксовой кислотой, позволяющая более полноценно оценить численность грамотрицательных бактерий в почве. Использование данной модификации имеет важное значении в исследованиях внесенных популяций бактерий, в частности, клубеньковых бактерий ризосферы и ризопланы. Полученные представления о роли грамотрицательных бактерий в разложении природных полимеров в аэробных и анаэробных условиях могут быть использованы в оценке комплекса почвенных микроорганизмов и при микробиологическом анализе почв. В работе показано, что в зависимости от субстрата и доступа кислорода грамотрицательные бактерии могут доминировать как на начальных этапах микробной сукцессии, так и на её конечных стадиях, то есть в ситуации, когда легкометаболизируемые вещества уже использованы гидролитиками с высокой скоростью роста.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на заседаниях кафедры биологии почв факультета почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. Положения работы изложены в материалах к 4 всероссийским и международным конференциям, в том числе: V Всероссийском съезде почвоведов им. В.В. Докучаева, (Ростов-на- Дону, 2008), Всероссийском симпозиуме с международным участием «Современные проблемы физиологии, экологии и биотехнологии микроорганизмов» (Москва, 2009), Третьем Международном полевом симпозиуме «Западносибирские торфяники и цикл углерода: прошлое и настоящее» (Ханты-Мансийск, 2011), VI Всероссийском съезде почвоведов им. В.В. Докучаева, (Петрозаводск, 2012).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ, из них 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 120 страницах, содержит 22 рисунка, состоит из введения, литературного обзора, описания объектов и методов исследований, экспериментальных результатов, заключения, выводов и списка литературы (126 источников).
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 07-04-00628.
Автор глубоко признателен Манучаровой Наталии Александровне за помощь и консультации при использовании метода FISH в работе.
