Введение к работе
Актуальность темы. Микробная биомасса почв - важный, живой и лабильный компонент почвы (Jenkinson, Ladd, 1981; Полянская и др., 1995). Вопросы, связанные с ее устойчивым количественным определением в почве (Domsch et al., 1979; Joergensen, Wichern, 2008), а также структурными (грибы I бактерии) (Hogberg et al., 2007; Joergensen, Wichern, 2008) и функциональными (продуцирование парниковых газов: Drury et al., 1991; Sakamoto Oba, 1994; Yanai et al., 2007) особенностями, во многом остаются неизученными.
Среди газообразных продуктов жизнедеятельности микроорганизмов выделяют двуокись углерода (С02), метан (СН4) и разнообразные окислы азота (NxO), среди которых наибольшее экологическое значение имеет закись азота (N2O) или оксид азота I. Особое внимание в последние десятилетия приковано к этим газообразным продуктам, поступающим из почвы в атмосферу, из-за их большой роли в глобальном изменении климата (Bouwman, 1990; Conrad, 1996). Так вклад С02 в изменение климата составляет 45-50%, a N20 - всего 5%, однако экранирующий эффект (разрушение озонового слоя) С02 составляет всего 1 единицу, a N20 - уже 150 (IPCC, 2001). Около 65% N20 атмосферы происходит из почв (Bouwman, 1990). Нетто-продуцирование N20 почвами следует рассматривать как результат процессов нитрификации и денитрификации, которые происходят в микроагрегатах почвы (аэробные и анаэробные зоны) одновременно. Разделить эти процессы и оценить вклад в них прокариотных и эукариотных микроорганизмов довольно трудно (Arah, 1997). Соотношение грибов и бактерий в почвенной микробной биомассе дает представление о запасании (аккумуляции или секвестрировании) углерода почвами (Suberkropp, Weyers, 1996; Bailey et al., 2002), a значит может характеризовать и газопродукционные свойства почв и быть фактором, регулирующим эмиссию С02 и N20 почвами (Sakamoto, Oba, 1994; Заварзин, 2004). Информации об упомянутых аспектах проблемы все еще недостаточно, а фундаментальных исследований - крайне мало, поэтому они являются актуальными.
Целью работы была оценка содержания микробного компонента, его структуры (грибы / бактерии) и газопродукционной активности в почвах разного землепользования для установления взаимосвязи между этими параметрами. Задачи исследования:
оценить содержание углерода микробной биомассы (Смик) методом субстрат-индуцированного дыхания (СИД) и его долю в общем органическом углероде (Смик / Сорг) в разных типах почв и экосистем европейской территории России;
оптимизировать условия измерения нетто-продуцирования закиси азота (N20) разными почвами;
изучить изменение содержания углерода почвенной микробной биомассы и ее газопродукционной активности (микробное продуцирование С02 или базальное дыхание / БД и нетто-продуцирование N20) в почвенных локусах вдоль горизонтального (сукцессия), вертикального (профиль) и пространственного градиентов;
разработать метод для разделения процессов нитрификации и денитрификации в почве;
оптимизировать процедуру разделения вклада эукариотных и прокариотных микроорганизмов в общее субстрат-индуцированное дыхание и выявить структуру микробной биомассы (грибы / бактерии) методом селективного ингибирования антибиотиками в разных почвах;
выявить закономерности изменения микробиологических параметров (Смик, Смик / Сорг, БД, грибы / бактерии) в почвах ненарушенных старовозрастных лесов разных растительных подзон вдоль географического градиента на европейской территории России;
определить взаимосвязь между изучаемыми микробиологическими параметрами, химическими и газопродукционными (С02, N2O) свойствами почв разных локусов.
Научная новизна
Впервые для почв основных типов европейской части России оценено устойчивое количественное содержание углерода микробной биомассы (Смик) методом субстрат-индуцированного дыхания, его доли в общем органическом углероде (Смик / Сорг), структура (грибы / бактерии) методом селективного ингибирования и газопродукционной способности (микробное продуцирование С02 и N20). Выявлено существенное уменьшение параметров Смик, Смик / Сорг, БД и грибного компонента в пахотных почвах по сравнению с естественными аналогами. Почвы пахотных экосистем продуцируют больше N20, чем таковые естественных.
Впервые для ненарушенных лесных почв европейской части России выявлена вариабельность микробиологических параметров (Смик, Смик / Сорг, БД, БД / Смик = дС02, грибы / бактерии) в пределах разных растительных подзон и вдоль климатического градиента. Установлено возрастание средних величин Смик, его запасов, в том числе и профильных, а также Смик-грибы в почвах от средней тайги к темнохвойным лесам вне бореальной области.
Впервые изучена и оптимизирована процедура определения потенциального нетто-продуцирования N20 разными типами почв и экосистем, связанная с предынкубацией, временем, температурой инкубации, навеской образца и дополнительными источниками питания микроорганизмов. Разработан метод разделения нетто-продуцирования N20 на нитрификационный и денитрификационный источники с помощью ингибитора нитрификации - низкой концентрации ацетилена (С2Н2) в газовой фазе (1.8 Ра). Предложен подход дифференциации процесса нитрификации за счет эукариотных (грибы) и прокариотных (бактерии) микроорганизмов на основе сочетания ингибиторов нитрификации (С2Н2) и белкового синтеза микроскопических грибов (циклогексимид). Практическая значимость
Проведено прямое количественное измерение содержания углерода микробной биомассы в различных почвах и оценена его доля в содержании общего органического почвы. Полученные экспериментальные сведения могут быть основой базы данных о микробном пуле различных почв и экосистем, которую целесообразно использовать для модельных прогнозных расчетов, в том числе и при разных экологических сценариях.
Получены сведения о содержании грибного и бактериального компонентов в почвах с разными физико-химическими свойствами.
Изучение механизмов продуцирования парниковых газов (N20, С02) разными почвами и экосистемами, в том числе и отягощенными нерациональным агроиспользованием, через функционирование почвенного микробного компонента (размер, структура, активность) позволит понять причины увеличения содержания этих газов в современной атмосфере, оценить риски и предложить мероприятия по их снижению. Экспериментальное обоснование взаимосвязи между продуцированием парниковых газов почвами и их микробным компонентом будет вкладом в познание механизмов образования парниковых газов, в том числе и остро необходимой дополнительной информацией об эмиссии N20 почвами России. В перспективе, к тому же, сравнение данных, полученных в лабораторных и естественных условиях, позволит моделировать процессы образование N20 и С02 почвами для разных прогнозных сценариев.
Результаты и разработанные подходы могут быть использованы в курсе лекций и практических занятиях по почвенной микробиологии, почвоведению и экологии.
Апробация работы. Результаты исследований были представлены на I Всероссийской научно-практической конференции с международным участием "Фундаментальные достижения в почвоведении, экологии, сельском хозяйстве" (Москва, 2008); V Съезде общества почвоведов им. В.В. Докучаева (Ростов-на-Дону, 2008); 12 и 13-ой Международных Пущинских школах-конференциях молодых ученых "Биология - наука 21-го века" (Пущино, 2008, 2009); XII Докучаевских молодежных чтениях (Всероссийская научная конференция) "Почвы и продовольственная безопасность России" (Санкт-Петербург, 2009); XVI и XVII конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых "Ломоносов" (Москва, 2009, 2010); 6-th International Symposium on Ecosystem Behavior BIOGEOMON-2009 (Хельсинки, 2009); III Международной конференции по лесному почвоведению "Продуктивность и устойчивость лесных почв" (Петрозаводск, 2009); конференции "География продуктивности и биогеохимического круговорота наземных ландшафтов: к 100-летию профессора Н.И. Базилевич" (Пущино, 2010); конференции «Биосферные функции почвенного покрова», к 40-летию Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН (Пущино, 2010) Публикации. По результатам исследований опубликовано 15 работ, из них 4 - в изданиях, рекомендованных ВАК (1 - в печати).
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 182 страницах, содержит 56 таблиц и 31 рисунок, состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследований, 5 глав экспериментальных результатов, выводов и списка литературы (376 источников, из них - 275 на иностранном языке).
