Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ
Болотные экосистемы играют ключевую роль в глобальных процессах связывания углерода и поддержании водного баланса, сохранении биологического разнообразия на обширных территориях. Болота и заболоченные земли занимают более 20% территории России (Вомперский и др., 1994). Накопление органического углерода в них происходит в результате дисбаланса между продукцией и деструкцией. По некоторым оценкам в торфах находится около 30% глобальных запасов углерода почв (Gorham, 1991). В настоящее время исследование болотных территорий вызывает особый интерес, так как остается неизвестной судьба запасенного в торфе углерода при прогнозируемом изменении климата (IPCC, 2001). При этом до 50% запасов торфа в России относится к верховому типу (Ковалев и др., 1998). Верховые болота это уникальные природные образования, покрывающие территорию северозападной, центральной части России, Западно-Сибирской низменности.
Однако до сих пор нет однозначного ответа на вопрос, почему так медленно идет разложение мхов в олиготрофных торфяниках. В качестве факторов, тормозящих процесс деструкции торфа, называют низкие температуры, кислотность среды, анаэробиозис, токсичность сфагнолов (Заварзин, 2003; Бамбалов, 2006; Moore, 1995; Aerts et al., 2001). He проведено обстоятельных исследований, в которых было бы изучено, как влияют различные экологические факторы на микробные сообщества, определяющие процесс разложения растительных остатков в верховых торфяных почвах. При решении этого вопроса представляется целесообразным выявить отличия в структуре и функционировании микробных сообществ между верховыми и низинными торфяниками с учетом того, что в низинных торфяниках происходит более быстрая деструкция растительных остатков. Имеющиеся работы по характеристике микробных сообществ торфяных почв посвящены, в основном, оценке таксономического микробного разнообразия, определяемого разными методами. Приводятся данные об экологической роли бактерий отдельных групп или родов -планктомицетов, буркхольдерий, ацидобактерий (Kulichevskaya et al., 2007; Белова и др., 2006; Vandamme et al., 2007; Pankratov et al., 2008; Dedysh et al., 1998). Однако, в большинстве из них не содержится данных, позволяющих оценить и сравнить активность и функциональное разнообразие бактерий гидролитического комплекса в верховых и низинных торфяниках.
Целью данного исследования явилось сравнение таксономической структуры и активности бактериального сапротрофного комплекса в торфяниках разного генезиса.
В рамках этой цели были поставлены следующие конкретные задачи:
Определить и сравнить численность и таксономическую структуру бактериальных комплексов в верховых и низинных торфяниках Европейской части России и Западной Сибири.
Сравнить физиологическое состояние и способность к использованию разных субстратов бактериальными сообществами верховых и низинных торфяников на основании кинетических параметров.
Оценить в модельном опыте влияние аэрации и температуры на структуру и активность функционирования бактериальных комплексов верхового торфяника.
Определить влияние экстрактов из сфагнума на рост типичных для верховых торфяников бактерий и бактерий, выделенных из других биотопов.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА Проведено комплексное исследование прокариотных сообществ олиготрофных и евтрофных торфяных почв Европейской части России и Западной Сибири. Впервые показано, что бактериальные комплексы верховых и низинных торфяных почв резко различаются по таксономической структуре и соотношению эколого-трофических групп. Установлено, что для евтрофных торфяников, в отличие от олиготрофных, характерно большее бактериальное разнообразие. Доля бактерий гидролитического блока и их разнообразие были также выше в низинных торфяниках. Вероятно, низкое разнообразие бактерий в верховых торфяниках, особенно бактерий гидролитического блока, связано с ингибирующим действием сфагнолов. Впервые кинетическим методом было определено физиологическое состояние бактерий в разных типах торфяников. Установлено, что бактериальные популяции евтрофных торфяных почв характеризуются более высокими значениями максимальной удельной скорости роста, меньшей продолжительностью лаг-фазы и способны расти на большем количестве субстратов. Моделируя разные условия аэрации и температуры в слоях верхового торфяника в условиях микрокосма, были изучены в процессе годового мониторинга структура и активность микробных комплексов. Установлено, что понижение температуры и усиление аэрации не сказались на численности бактерий. Улучшение водно-воздушного режима привело к перестройке в таксономической структуре прокариотов — увеличилась доля бацилл и актиномицетов. Тем не менее, минерализация торфа не произошла. Основная причина замедленной деструкции олиготрофного торфа — особый состав тканей сфагнума, определяющий их устойчивость к микробной деградации.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ В рамках общего интереса к проблеме глобального изменения климата результаты данных экспериментов вносят вклад в исследования о нарушении биологического равновесия в болотных экосистемах. Получены дополнительные данные, свидетельствующие о том, что при изменении экологических условий верховые и низинные торфяники, резко различающиеся по структуре и активности микробных комплексов, будут неоднозначно реагировать на эти изменения. Результаты исследований могут использоваться в лекционных курсах по экологии почвенных микроорганизмов и биологии почв.
Результаты работы были представлены на 5 всероссийских и международных конференциях: XVII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2010» (Москва, 2010), VII Международной конференции «Современное состояние и перспективы развития микробиологии и биотехнологии» (Минск, 2010), VII Всероссийской с международным участием научной школе «Болота и биосфера» (Томск, 2010), Всероссийском симпозиуме с международным участием «Биологически активные вещества микроорганизмов: прошлое, настоящее, будущее» (Москва, 2011) и третьем Международном полевом симпозиуме «Торфяники Западной Сибири и цикл углерода: прошлое и настоящее» (Ханты-Мансийск, 2011); на заседаниях кафедры биологии почв факультета почвоведения МГУ.
По теме диссертации опубликовано 4 статьи, 1 обзор и 5 тезисов.
ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ Диссертация включает введение, обзор литературы, описание объектов и методов, изложение результатов экспериментов и их обсуждение, выводы и список упоминаемых в тексте литературных источников. Работа изложена на 122 страницах текста, иллюстрирована 40 рисунками, содержит 15 таблиц. Список литературы состоит из 211 наименований.
