Особенности процесса денитрификации в засоленных почвах Меняйло, Олег Владимирович

Введение к работе

Актуальность темы. Проблема аридизации суши и неуклонного увеличения площадей засоленных почв признана приоритетной на уровне ООН (Varyallyay, 1994). Более 35% земель мира подвержены опустыниванию и засолению (Ковда, 1992). Причиной такого быстрого увеличения ареала засоленных почв называют комплекс факторов, обусловленных глобальным изменением климата и неумелой хозяйственной деятельностью человека.

Беспрецедентным примером такого изменения природы является усыхание Аральского моря, ставшего моделью возможных изменений окружающей среды под воздействием естественных и антропогенных факторов.

На солончаках было впервые обнаружено явление торможения денитрификации на стадии образования закиси азота (N₂0) (Umarov et al., 1989; Кромка и др. ,1991), что при отмеченных темпах засоления почв может являться одной из причин наблюдаемого ныне повышения концентрации N₂0 в атмосфере. Как известно, по биогеохимической классификации газов закись азота относится к числу активных микрокомпонентоп атмосферы из-за своей способности влиять на тепловой баланс планеты и разрушать ее озоновый экран (Bouwnan, 1990). Известно также, что среди различных природных и антропогенных процессов образования закиси азота ведущим признается микробиологическая денитрификация в почвах, осуществляемая исключительно широким кругом бактерий (Umarov, 1990; Davidson, 1994; Костина и др. ,1994). В то же время пока нет сведений о причинах торможения денитрификации в засоленных почвах на стадии образования М₂0. Нет также данных для экстраполяции результатов, полученных на солончаках Приаралья, на почвы других типов, подвергающихся засолению.

В этой связи представлялось необходимым изучить особенности процесса денитрификации в вироком ряду засоленных почв и выяснить возможные механизмы торможения его на стадии образования

м_го.

Целы» работы было изучение микробиологических особенностей

- к -

процесса денитрификации в естественно-засоленных почвах, а также в модельных искусственно-засоленных почвах, для которых уке наблюдается процессы зторичного засоления.

В задачи исследования входило:

1.Изучить активность и биомассу денитрифицирующих микроорганизмов в засоленных и незаселенных почвах.

2.Изучить влияние солей на активность отдельных этапов процесса денитрификации в засоленных почвах и у чистых культур микроорганизмов.

3.Изучить влиянье солей на разные этапы процесса денитрификации в зональных (незаселенных) почвах при их искусственном засолении.

4.Определить влияние отдельных солей (хлориды, сульфаты, карбонаты), характерных для засоленных почв, а также их смесей на активность денитрификации в почве.

Научная новизна. Впервые определена зависимость биомассы и активности микроорганизмов, осуществляющих денитрификацию, от концентрации и качественного состава солей в почве. Подтверхще-но для широкого ряда засоленных почв, включая и вторично-засоленные, что N₂0 является основным конечным продуктом процесса денитрификации. Установлено для чистых культур бактерий-денит-рификаторов и для почв разных типов, что повышение концентрации солей вызывает в первую очередь ингибирование процесса на стадии восстановления закиси азота. Впервые показано, что редукта-за закиси азота - наиболее чувствительный по отношению к солям фермент в цепи денитрификации.

Практическая ценность. Из разных почв засоленного ряда выделена коллекция галотолерантных и умеренно галофильных микроорганизмов, способных восстанавливать закись азота. Определены концентрации солей в почве, при которых блокируется восстановление закиси азота. Выяснено влияние чистых солей и их смесей на Ы_:0~рпдуктазу. Остановлено, что наиболее сальном ингиоирую-с;им действием обладают Na₂CO_a. НаНСОз и NaCI. Впервые показан

эффект антагонизма солей для N₂О-редуктазы. что может быть использовано для снижения уровня эмиссии закиси азота в атмосферу из засоленных почв. Материалы диссертации могут быть также использованы в исследованиях по микробиологии, биохимии и биогеохимии засоленных почв, при прогнозировании экологических последствий засоления почв, при создании имитационных математических моделей. Полученные результаты используются в курсе лекций по биологии почв и физиологии микроорганизмов, читаемых на факультете Почвоведения МГУ.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на экологической секции Международной конференции "Transformations of Russia - transformations of the World" (Дания. 1993), на конференции молодых ученых МГУ (Москва, 1994), на заседании лаборатории азотного ыетаболизма Института биохимии им.Баха (Москва. 1995), на Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам "Ломоносов-96" (Москва, 1996), на заседании III комиссии ВОП (Москва, 1996), на II сьезде Российского общества почвоведов (Санкт-Петербург, 1996).

Публикации. Материалы диссертации изложены в 9 работах.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследования, экспериментальной части, заключения и выводов. Материалы диссертации изложены на стр. машинописного текста, список литературы состоит из названий, из них зарубежные.

Работу проводили на образцах засоленных почв, отобранных на обсохшей и прилегающей частях Аральского моря. Характеристика почв приведена в таблице 1. В ряде экспериментов по моделированию засоления использовали образцы почв зональных типов: дерново-подзолистой, чернозема обыкновенного, темно-каштановой, серозема. Их характеристика приведена в диссертации.

Анализ газов (N_?0, СО?) проводили на газовом хроматографе Московского опытного завода "Хроматограф"- модель 3700/4. Использовали колонки из нержавеющей стали диаметром 2 мм. длиной 3 м. Колонки заполняли адсорбентом Полисорб-1. Температура ка-тарометра 100 С. измерительных элементов 150 С, ток измерительных элементов 148 мА. Температура термостата 30 С. камеры впрыска 40 С, объем вводимой пробы 0.5 см³. Скорость потока газа - носителя (гелий) - 30 мл/мин.

Для определения активности дыхания почв (по эмиссии COg) 10 г воздушно-сухой почвы помещали во флакон объемом 50 ил, увлажняли дистиллированной водой до 60 ППВ. Проводили прединку-бацию в течение 3 суток при 28. Затем вводили раствор глюкозы (10 мл) из расчета 2.5 мг глюкозы на 1 г почвы. Герметично закрывали резиновыми пробками, фиксировали зажимами, инкубировали при 28. Через 1 сутки измеряли количество выделившейся С0г. Активность дыхания выражали в мкг С-СОг/г/ч.

Активность денитрификаиии определяли двумя методами: (1) по скорости эмиссии И_г0 и (2) по скорости ее потребления. В первом случае использовали ацетилен в качестве ингибитора ре-дуктазы закиси азота (Методы.... 1992). Для этого навеску воз-душга-сухой почвы массой 15 г помещали в стеклянный флакон (50 мл), увлажняли 5 мл дистиллированной воды и прединкубировалн в течение 3 суток при температуре 28. Затем добавляли по 1 мл раствора глюкозы и нитрата калия из расчета 0.2 мг N-МОз" и 2.5 мг глюкозы на 1 г почвы. Флаконы закрывали резиновыми пробками, фиксировали зажимами, вводили 3 см³ ацетилена и инкубировали в течение 6 часов при 28. Затем отбирали 0.5 см³ газовой пробы и анализировали на газовом хроматографе. Во втором случае почву готовили аналогичным образом. Однако, вместо нитрата калия в герметично закрытые флаконы вводили 0.2 см³ N_eQ и инкубировали при 28. Газовые пробы отбирали через 1 и в часов после начала эксперимента. Активность выражали в микрограммах N-N₂0 на 1 г почпы за і час.

Название почвы Место отбора Глубина SO4/CI" Сумма солей рН Сорг.

1. Серо-бурая пустынная Сырдарьинская хрящевато-щебнистая обл.(Приаралье)

2. Серозем луговый солончаковый /

3. Пустынная песчаная слаборазвитая засоленная /

4. Примитивная песчаная / —

5. Такыровидная , остаточно-луговая / 0-5 2.0 0.60 8.04 1.0 ел

6. Солончак корковый 1 Обсохшая часть дна

Аральского моря 0-5 3.1

7. Солончак отакыренный / 0-6 3.4

8. Солоігчак луговый отлкыривающийся — / 6-24 4.0

9. Солончак корковый 2 / 0-7 3.5

Таблица 1. Некоторые свойства засоленных почв, использованных для исследования

Общую биомассу гетеротрофных микроорганизмов расчитывали кинетическим методом, используя данные по эмиссии С0_г (Пани-ков, 1992).

Биомассу бактерий-денитрификаторов определяли кинетическим методом на основе данных по эмиссии и потреблению N₂0 (Методы. ...1992). Биомассу выражали в мкг С на 1 г почвы.

Оценку численности бактерий в почвах проводили методом посева на агаризованные питательные среды - МПА, Rich, Бакстера с 5 и 10% NaCI.

Оценку численности денитрификаторов проводили методом предельных разведений на жидкой питательной среде Эшби.

Для изучения влияния солей на активность эмиссии N_g0 из почв отбирали навеску в 15 г, помещали в стеклянный флакон объемом 50 мл, увлажняли дистиллированной водой до 60 ППВ и проводили прединкубацию в течение 5 дней. Затем вводили раствор нитрата калия из расчета 0.2 мг KN0₃ на 1 г почвы и глюкозы из расчета 2.5 мг на 1 г почвы и растворы солей (NagC^; NaHC0₃; NaCI; NagSO^; MgS0₄; СаСІ_г) в различных концентрациях. Флаконы закрывали резиновыми пробками, фиксировали пластмассовыми зажимами, для создания анаэробных условий кислород вытесняли из газовой фазы аргоном. В течение 7 дней с интервалом в 1 сутки определяли количество образовавшейся закиси азота.

Исследование совместного влияния солей проводили аналогично, используя соли CaCI₂, NagS0₄ и "агСОз в разных концентрациях на постоянном "фоне" NaCI в 2 М.

Изучение чувствительности различных ферментов процесса де-нитрификации к NaCI проводили на образце темно-каштановой почвы. Для этого навеску воздушно-сухой почвы в 15 г помещали в стеклянный флакон объемом 50 мл, увлавняли дистиллированной водой до 60 ППВ и проводили прединкубацию в термостате при 2« С в течение 5 суток. Затем вносили раствор глюкозы из расчета 2.5 мг на 1 г почвы и в качестве конечных акцепторов электронов -различные окисленные соединения азота: нитраты (0.2 иг/г поч-

вы), нитриты (0.1 мг/г) з виде растворов; окись азота и закись азота в виде хроматографически-чистых газов вводили по 0.5 см медицинским шприцем в газовую фазу. Кроме того, чувствительность различных ферментов денитрификации к солям изучали у бактерий Bacillus subtilIs 2, выделенных из солончака коркового и отличавшихся высокой активностью денитрификации. Культивировали бактерии на среде Зшби.