Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

АЗОТФИКСАЦИЯ В НЕКОТОРЫХ ТИПАХ ЛЕСНЫХ БИОГЕОЦЕНОЗОВ ПОДЗОНЫ ЮЖНОЙ ТАЙГИ

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Автореферат диссертации по теме "АЗОТФИКСАЦИЯ В НЕКОТОРЫХ ТИПАХ ЛЕСНЫХ БИОГЕОЦЕНОЗОВ ПОДЗОНЫ ЮЖНОЙ ТАЙГИ"

Л- - ^ФАКУЛЬТЕТ ПОЧВОВЕДЕНИЯ

На правах рукописи

КОНОНКОВ Федор Петрович

АЗОТФИКСАЦИЯ В НЕКОТОРЫХ ТИПАХ ЛЕСНЫХ БИОГЕОЦЕНОЗОВ ПОДЗОНЫ ЮЖНОЙ ТАЙГИ

Специальность 03.00.07. - микробиология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Л

(на русской языке)

ИЗДАТЕЛЬСТВО МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА* 1982

* /V. Й- £ 1-е О < ^ " <' > / /

Работа выполнена на кафедре биология почв факультета почвоведения Московского государственного университета ии.М.В.Ломоносове.

Научные руководители: кандидат биологических наук,

старший научный сотрудник Т.Г.Иирчинк

кандидат биологических наук, доцент М.М.Уыаров

Официальные оппоненты: дочтор биологических наук,

профессор В.К.Шильнякова

доктор биологических наук, старний научный сотрудник Л.О.Кёг^1;

Ведущее учреждение - Лаборатория лесоведения АН СССР

Занята состоится годе вм. на

заседании специализированного Совета по почвоведение з ИГУ им .Б Ломонос ова те чуд^торир Н-2. Автореферат разослан ^/"с Т9ь2 года.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ.

Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании специализированного Совета по почвоведению в МГУ им.И.В.Ломоносова, а отзывы на автореферат в 2-х экземплярах просим направлять по адресу: 117284, г .Нос ква, Ленинские горы, МГУ, факультет почвоведения, Ученый Совет.

Ученый секретарь специализированного Совета ^ ; И.П.Баоьева

доцент ; '"■ ¿-1

Больииясгэолескых биогеоценозов представлены • естественными : системами, в которых одним из главныхпутей восполнения азота в почве является аэотфинсация. Поэтому большое экологическое значение имеет информация об уровне этого процесса в лесных почвах и об азотфиксирущих микробных ассоциациях; осуществляющих его.

Актуальность проблемы. Балансовые и эиергегмческне рассчеты позволяй предполагать высокий уровень азотфияеацш в лесах зоны, умеренного климата (Мищустин,1979; говЪБ^е .1978). Однако прямое определение азотфиксации в лесных почвах проводилось пока-эпизодически« а оценка ее уровня велась главным образом путем экстра- ' полиции в пространстве и во времени данных однократных наблюдений -или реэулыатов лабораторных исследований. Симбиотические азотфик-оаторы редки для кхимакслых систем. Вместе с тем в лесных биогеоценозах одним из главных источников анергии для почвенных микроорганизмов является лесной опад и оглад. Важная роль в сопряжении циклов двух биофильных элементов ( С иН ) принадлежит, по-видимому, ааотфиксирующим ассоциациям грибов-деструкторов и бактерий-диаэо-- . трофов. Сведении о взаимодействии этих микроорганизмов в процессе азотфиксации крайне мало. Определение масштаба аэотфиксации в лесах позволит выяснить доле "биологического" азота в азотном балансе ненарушенных экосистем, что даст возможность контролировать состояние и рационально их использовать.

Цель работы. Определить уровень азотфиксации в различных типах лесов подзоны »хной тайги и изучит* ролв аэ отфиксируодах ассоциаций грибов с бактериями в этом процессе.

Основные задачи исследования.

1,Изучить долевым ацетиленовым методом сеэоинуп динамику азотфик-■ сируодей активности в некоторых типах лесов. ' -

2.На основании полевых и лабораторных определений оценить масштаб <51%

.' ' ~ 1м;м?гг "'У- ;

микробиологической ваотфиксацин а влияние погодных факторов не изменение активности этого процесса.

3.Выделить, идентифицировать и изучить основные свойства азотфик-сирующих ассоциаций грибов о бактериями. Задираемые долотеяия.

1.Биологическая азотфиксация в лесах воны умеренного климата обеспечивает аначятельную часть потребности в азотных соединениях, а витрогеназная активность имеет выраженный сезонный характер, что обусловлено сильный влиянием погодных условий»

2.Максимальный уровень.азотфиксации наблюдается в нижних слоях подстилки, где мякрооргавиэмы-диазотрофы получают необходимую энергию в результате деструкции органических веществ.

3.Существование азотфнксирующих ассоциация грибов с бактериями способствует эффективному проведению процесса азотфиксации в подстилке и почве хвойных и смешанных лесов подзоны южной тайги.

4.Эукариотные представители микроорганизмов азотфиксирующей способностью ве обладают, а продуктивность бактерий в синтрофных ассоциациях выше, чем в чистых культурах.

Научная новизна работы. На основании многократных определений рассчитана продуктивность азотфиксации в лесных почвах подзоны южной тайги. Выделены устойчивые аэотфиксируащие ассоциации микроорганизмов и изучено влияние некоторых физико-химических факторов на активность азотфиксации. Экспериментально обнаружен межвидовой обмен водорода в ассоциациях про- и эукариотиых микроорганизмов .

Практическая ценность. Полученные результаты могут быть применены в практике лесов оде твенныхи сельскохозяйственных научно-исследовательских работ, а также при изучении газообмена в почвах. Результаты работы используются в лекционных курсах для студентов

и слушателей ФШС кафедры биология почв факультета почвоведения МГУ.

Апробация работы. Результаты работы доложены на Всесоюзном симпозиуме молодых ученых "Энергетика н углеводный обмен у микроорганизмов" (Рига - 1379); на Всесоюзної! симпозиуме "Биологическая продуктивность почвы" (Таллин - 1979); на 17 научной конференции молодых ученых факультета почвоведения 1117 (Москва - 1931) на кафедре биологии почв факультета почвоведения 1ІГУ (Москва -1981).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 7 статей, _

дбаєм работы. Диссертация состоят из введения,'^ глав, заключения и выводов, содержитстраниц печатного текста,#*£>рисунков и таблиц, список литературы иэ^^<наименований( из них на иностранном языке.

ОЕШСТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ В подзоне южной тайги формируются темиохвоВвые леса и смененные хвойно-широколнствен&ые леса с богатым травяным покровом (Добровольский,Урусевская,1978). Характерная особенность климата подзоны - достаточное увлажнение при значительном количестве тепла. Температура теплого месяца +16,5 - +19,5 °С. Годовое колячест во осадков 500-600 км. Балано влаги положительный, коэффициент ув лажнеикя 1,00-1,33 и более.

^зтчение динамики аэотфиксации в 1977 г. проводили в ельнике кисличнике на стационарных площадках, расположенных на территории Малинской биоге оцевол огиче с кой станции ВШЭХ АН СССР (Московская обл.). Почва, сформированная под этим лесом, характеризуется как дерново-средне подзолиста я (А2+А£В> к-^к^к^}' Горизонт А^ имеет по казаіели: рН водной вытяжки 5,0-5,4; содержание гумуса 3,84$, к ве

k ... су почвы по Кноцу, отношение CiM eis (Дылио и др.,1973).

Полевые исследования азотФиксивтюмей активности в 19791980 гг. проводили в березняке и ельнике Юекснянскрго лесничества (Рыбинский р-н,Ярославской обл.). В березняке густой сплошной ярус образует ель, высотой 3-3,5м, возраста 80-35 лет, а травяной покров очень разрежен. Почва дерново-сла боподэ одяс та я, легкосуг-л инистая, о маломощной подстилкой (менее leu), в ельнике возраста 80-90 лет покров неравномерный, средняя сомкнутость 0,3; преобладает кислица, местами черника. Почва дерново-слабоподзодистая; подстилка полностью около 5см.

Изучение динамики азотФикоааии проводили диффузионным ацетиленовый методом и его модификацией с продувкой ацетилен-воздушной снеси через монолит почвы. Б контрольных определениях (без введения ацетилена) учитывали величину неспецифического этиленообразо-ваиия. В i960 г. параллельно с полевыми измерениями азотфиксирую-щей активности проводили определение "потенциальной" азотфиксации в образцах подстилки и почвы района исследования (Умаров,197б). Характер зависимости "потенциальной" ааотфиксации от влажности и температуры почви изучали в модельных опытах. Давление почвенной влаги (НПа) ори заданных значениях влажности подстилки и почвы ($> от веса возд.-сухой навески) определяли при помощи психрометра конструкции Й.И.Суднкцыва (1931).

Анализ газов вели газохроматографнчески (Хром-41) с пламевно-йонизациовным детектированием. Наполнитель-адсорбент Spberoali. Колонки прибора выполнены из нержавещей стали Змм) длиной 2,1м: давление газа-носителя (Аг) - 8атм; давление водорода (Н2) - 0,8атм; воздуха - 0,4атм.

Выделение азотфикоиртгюдих аоооииапий грибов с бактериями осу-

ществляли кз свежит образцов подстилки и верхнего минерального . горизонта почвы -ельника, сосняка и березняка. Дня этого инокуди-ровалл кидкую беаазотиую сред; Федорова-Калининской в среду Эдби различными разведениями почвенной суопенэии.С целы» выделения чистых культур грибов и бактерий, входящих в такие ассоциации, мик-роакопировали и рае сева ли toc на агаржзояажжмв аицддн среды: Зшби» ЛИЛ, Чапека, крахмал-аммиачный агар, потаенный агар. Грибы идентифицировали на основании кухьтуральяых и морфологических признаков до определителям Литвинова (I9S7), Râper а. тьеш(1Э4Э), Bamett (1962). Бактерии определяли по определителю Берги (1974). Ааотфивсируедую активность ; смененных и чистых чудь тур микроорганизмов проверяли ацетиленовым методом и по микро-Кьельдалю.

Определение образования водо&рда чистыми культурами микроорганизмов и азотфиксирувдвми ассоциациями грибов с бактериями проводили в пробирках (15мл) с 5мл среды Эшби при температуре 28 °С на 3,5,10,12 сутки. Определение Н2 вели на газовом хроматографе (Хром-42) с терниеторным детектированием при разделении газов на . молекулярном сите. Длина колонок из неркавеоцей стали - 2,5м, ток питания катарометра - 80*А, температура камеры впрыска катарометра - 25 °С. Давление газа-носителя (Не) - 0,7атм.

Для получения искусственных смешанных культур грибов и бактерий, мицелий грибов, выраженных на среде Чапека, вносили в 2-Sx суточную культуру бактерий на средах Эшби и Федорова-Калининской и продолжали культивирование до 20 суток, в течение которых измеряли аэотфиксируицую активность и активность выделения Н2.

Погодные данные по 11 ос ков око Й обл. получены на метеорологической станция им.С.М.Небольсина; по Ярославской обл. любезно предоставлены отделом микробиологии и почвоведения лаборатории лесоведения АН СССР. Х-/5П

\

\

Статиствчеонрю обра^отит результатов исследования проводили; на ЭВМ: Иир-2"почвенногостационараЫГУи на ЗШ',ЕС-10г2вв лаборатории статистических методов 1117.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСЛДЕНИЕ В литераторе приводятся вемн огочиоленные данные, сзидетель-ствукадо.о невысокой активности аэотфиксацив в лесных почвах во» ны умеренного климата - около 2-3 кг/га в год (Егорова,Калининская, 1980ОгепсЬа11,1978), а сово^пиосхи имеющихся данных по ак- -тивнооти азотфиксаоии в лесах различных почвенно-кяиматическнх зонах явно недостаточно для оценки масштаба этого процесса в природных условиях.

Измерение азотфиксации непосредственно в природе, в лес; позволяет определить уровень полевод активности азотфиксации, в лет-ве-осеяний период 1977 г. проводилось еженедельное пряное измере-- вне азотфиксирующей активности в почве и подстилке ельника-кислич-вика. Среднее значение активности азотфиксации по двум площадкам представлено на рис.1. Временная дисперсия (динамика) процесса оценивалась величиной различий по срокам наблюдения, а пространственная - по различиям менад площадками. Активность азотфиксации на первой площадке колебалась в пределах 0,6-1,5 мгН /м2/ч. При этом минимальные значения приходились на конец августа - начало сентября и составили 0,01-0,83 мти /м2/ч. Максимумы ваблсдались 27.711 я 10.7111 и составили 3,66 и 5,5 мгН/м^/ч. Для второй площадки максимум (6,05 мгк/м^/ч), также как и для первой, отмечен 2? .7П;~ минимальные значения активности в сентябре - 0,09-О.П'мгы /м^/ч. Статистическая обработка результатов показала, что величина полевой аэотфиксадии в ельнике-кисличнике составляет в среднем за 90 дней'около 21 кг Я ¿/га.

Наблюдения за полевой ааотфиксирущей активность» в 1Э79-

А В £

8 .

1930 гг. Сьши продолжены в лесах Ярославской обл. Как известно, в подвоне гжной тайга основным типом леса остается ельник, однако в последнее время* в результате хозяйственной деятельности человека, он вырубается в все большие площади начинают занимать смеианнве леса. Лоэишу наблюдения проводили ъ ельнике я березняке о различ-

. волокровншс участках (1,2;3-Ьреднее аначениэ) в ельнике и березняке /1979 г./

пика азотфиксирующеВ активности - около 1,6 мпг/1^/ч, причем на

разных площадках в разное время (9.УП и 20 ЛП).Максимальный уро-

вень азотфиксации <3,9 иги/м2/«) вал огне чек в конце сентября,' При этой величина азотфиксации на разных площадках'оглиталась значительно даже в один и тот же срок наблюдения. В березняке максимальный уровень азотфиксации (около 2 мгн /м*/ч) приходился на июнь-июль, но, как и в ельнике, он был довольно высок и осенью - 1,2

мгв/м^ч. . " ,;№

^ I '

Результаты определений азотфиксафш иа мертвопокровных площад-

Рио.З. Динамика полевой авотфиксирущей активности а ельнике (I) а березняке (2) Ярославской обл. и изменение . некоторых погодных данных в 1980 г. 8 -максимальная температура воздуха, 4 -максимальная температуре почвы, 5 -температура почвы на глубине 5 см, б -осадки. (А-осад-ки/мм/, ¿-температура./°С/)

10 J

виє 1380 г. максимальное значение азотфиасирующей активности в ельнике (2,2 кг н/м^/ч) наблюдалось в конце июля, а минимальное в конце августа. В березняке наиболее высокие значения аг«фиксирующей активности наблюдали г начале лета к в конце сентября - соответственно и 2,1 мгц/м^/ч. Средневзве-шавнсе значение интенсивности азотфинсации составило 0,?1 мтц / н^/ч в еловом лесу и 0,85 мги /vP/ч в березняке. Больвой разброс значеннйазотфнвоацни кав в березняке, тав и в ельнике в отдельные сроки, несомненно, связан с неоднородность» почвенного покро-_ ва в лесу. Как известно, свойства леоньхпочв, их неодинаковое сложение, порозЕость, значительное варьирование мезо- в микроре-льефа,'в также равлкчия s поступлении опада на поверхность почвы н разложенке его в подстилке, перераспределение выпадающей влаги обусловливает пространственное варьирование микробиологических процессов {Карлачевскии, 1978;196I). Необходимо учитывать также, что деятельность азотфнксирувдих микроорганизмов определяется и

А '

микрозональностьюдочв (Кожевин,8внГ1Шцев,1Э75). По-видимому, именно этими причинами в большинстве случаев объясняется значительная пространственная дисперсия значения активности азотфиксации. Однако в «чвнне большего периода наблюдений в резвые годы изменения актжвносхв ааохфкхсацви в обоих типах леса и ва большинстве плоцадок были в целой сходными, ж вероятно, связаны с определю* цшг воздействием погоды в теплый период. Укажем, что 1979 я 1980 . гг, были * сходнши в до гидротермичеоким условиям - оба сезона были очень влажными и прохладными. Не исключая пряного влияния по1 годнах факторов ва изменение условий аэрации, концентрацию почтенного раствора, а также вепосредсхзеано ва микроорганизмы-диа-зохрофи, можно полагая, что их воздействие часто связано о изменением скорости разложения опада й подстилки.

- V II

Продуктивность азотфиксвцив в ельнике за весевне-детне-осея-ний период 1980 г. «ало отличалась от продуктивности і 1979 г.и-составила более 26 кг азота/га. Б березняке1 она уменыилась до 15; кг азота/га. Еолученвне величин» азотфиксирущей активности не

превышают-значений* полученных балансовыми пересчетами для аоны . дервово-подволистыхпочв (Нинусхин и др.,1978).

Рио.4. Палевая авотфкхсирукцая активность в ельника и березняке Ярославской обл. (I960 г.) на-площадках о трааянистміш растениями/!/ и без, растений /2/.

Одной из.причин, обуславливающих изменение величины азотфиксации, кохбт быть наличие травянистой растительности. Динамика активности азотфнксацтгна близко расположенных пдоцадках, в иео-тах с хороио развиты» травянистым и кустарничковьш покровом и без травянистой растительности в ельнике и березняке показана на рио.4 В ельнике более высокие значения азотфиксации отмечались именно на площадках с травами. Максимумы активности.наблюдались в начале июня и августа - соответственно 5,5 и Э»? мгн /м^/ч. Средневзвеша-нвое значение активности ва этих участках составило 1,04 мг я/м^/ч При отсутствии покрова активность была в среднем в,1,4 раза ниже. Аналогичная закономерность была отмечена, и в березняке, где активность азотфиксации на участках без трав более чем в 2 pasa уступала активности.на площадках о покровом. Повышенная активность на этих участках связана,-по-видимому* с интенсивной азотфиксацней диазотрофными микроорганизмами, обитающими в ризосфере и Филл©сфере растений (Садиков,Умаров,1980; Ношкова,Умаров,1980). В пересчете на площадь участка, занятого травами, продуктивность азотфиксации в ельнике составляет около SO кг азота/га за период о мая по октябрь и в березняке - 33 кг азота/га.

Поскольку при повышенной влажности диффузия газов в почву затруднена и вследствие этого трудно учитывать скорость проникновения ацетилена в перовое пространство почвы iи скорость выделения образующегося этилена, то в 1980 г. в ельнике (Ярославской обл.) активность азотфиксации была определена методом продувки ацетилен-воз дувной смеси через монолит почвы (рис.5), Максимальное значение азотфиксации отмечено в конце июня (8 мгн/дм®/ч). Высокий уровень активности наблюдался также в конце лета и в сентябре - более 3 кг н/дц9/ч. По сравнению с данными диффузионного метода, полученные результаты имеют обратную направленность динамики активности от одного срока наблюдения к следувдену. По-видимому, влияние по-

■ із г

і

Е Л Ь Н И К

август

і

2 .

сентябрь

най

июнь

шаль

Рис.5. Динамика азотфиксации в ельнике (Ярославская обл., 1380 г.} по методу продувки, ацетилен-воздушной снеси через 1юя0лит почвы. I -полевое значение аэотфиксирующей активности, 2 -средневзвешенное значение интенсивности азотфиксации.

годных условий на интенсивность азотфиксации в различной степени учитывается двумя меходами. Отметим, что обильные дожди в июне-ию-де, возможно повлиявкие на занижение значений азотфиксации при диффузионном методе измерения (сн.рис.З), не помешали зарегистрировать высокую активность методом продувки ацетилен-воздушной смеси. Однако к. несомненным недостаткам метода с принудительной продувкой следует отнести нарушение сложения исследуемого монолита почвы, в ревультате чего изменяются температурные, газовые и другие параметры естественного окружения. Подобные отрицательные явления исключены на стационарных опытных площадках в случае возможности применения диффузионного метода. По нашему мнению, при определении ве- ' личины аз о ^икс прущей активности в полевых условиях необходимо сочетание обоих методов. Средневзвешенное значение азотфиксации

- 14 -

по методу продувки составило 3,62 иг н/дм^/ч. За весь период наблюдений (около 120 дней) в пересчете на I га в верхнем слое (2-5 см) уровень азотфиксации достигает 26 кг азота. Значения азотфии-сации в ельнике по двум методам. оказались близкими — 24 кг к 26 кг азота, соответственно для диффузионного и с "продувкой".

Продуктивность азотфиксации в хвойном лесу подзоны южной тай ги оценена нами на основании разных модификаций.ацетиленового метода путем многократных измерений в полевых условиях, что позволя ет считать ее вполне'достоверной. В целом изменения полевой азот-фиксации коррелировали с погодными условиями определяющими влажность почвы; лимитирующее действие температуры сказывалось только ранней весной и осень». Ааотфиксация была максимальна в летний пе

риодн сравнительно высока в сентябре'.'Таким образом, нитрогенаэ-

j 4 ' *

. вая активность в лесных почвах имеет хорово выраженный сезонный характер, связанный с сильным влиянием погоды- По нашему мнению, в теплый период года в подстилке создаются благоприятные условия для деятельности микроорганизмов-минерализаторов и ассоциированных с ними бактерий-азотфиксаторов. _

Активность азотфиксации в поте зависит от множества факторов - температуры, влажности, наличия энергетического субстрата, ■ парциального давления кислорода, рН почвы и т.д., которые по-раз~ ному сочетаются в профиле лесных почв, обусловливая различную напряженность азотфиксации в них. Наиболее удобно оценивать эти различия по величине "потенциальной" активности азотфиксации, являющейся мерой максимального (модельного) уровня азотфиксации и косвенно отражающей численность микросрганизмов-диазотрофов. "Потенциальная" азотфиксирущая активность на всех изученных площадках закономерно изменялась по гентическим горизонтам (габх.Х). Минимальной активностью характеризовался верхний слой подстилки, где

таблица I

"ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ" АЭОТФИКСИРУИЦАЯ ^АКТИВНОСТЬ В В ПОДСТИЛКЕ И ПОЧВЕ НА РАЗНЫХ ПАРЦЕЛЛАХ ЕЛЬНИКА <1980 г.)

/икг азота/кг/ч/ ,

Парцеллы Слои и / горизонты уГ дочвы А1 - А2 Ао Ао Ао-А1 Аг ■Сумма по вариантам

1.Хорошо освещенная ме р тв о по кр овна я 2,Средне,освещенная ме р тв опокр овна я 3.8атененная мертво-покровная «^Умеренно освещенная с травянистой растительность» 5.Умеренно освещенная без травянистой растительности 166 127 79 149 322 12440 19220 . 5360 12240 1 32700 \ 948 1000 510 662 1380 13554 20347' 5949 12941 34202

среднее 125 16390 900 17 415

кг азота/га 0,2 24,6 It* 26,1

osa не' превышала 130-170 мкгн/кг/ч. Максимальная активность наблюдалась в слое a|-Aj. На отдельных площадках она достигала 32700

мнгн/кг/ч, a s среднем в этом слое на всех площадках она составила 16390 ыкгц/кг/ч. В минеральном горизонте почвы "потенциальная" активиость аэотфиксации значительно уступала активности в слое А® -Aj.B среднем в указанном горизонте почвы фиксировалось около 1000-1380 мнг К/кг/ч. Данные об изменении "потенциальной" азотфик-сируадей активности в разных почвенных горизонтах ельника в течение сезона представлены в таблице 2. "Потенциальная" активность азотфиксации возрастала к середине лета (до 32330-33960 мкгн/кг/ .ч в максимуме) и уменьшалась к осени, что хорошо коррелирует о

изменениями влажности и температуры почвы и, обусловлено.вероятно, изменением численности аз «фиксирующих микроорганизмов.

таблица 2

ИЗМЕНЕНИЕ "ПОТЕНЦИАЛЬНОЙ" АЗОТФИКСИРУЩЕЙ АКТИВНОСТИ В ПОДСТИЛКЕ И ПОЧВЕ ЕЛЬНИКА (май-октябрь 1980 г.) / мкги /кг/ч /

Горизонт Сроки наблюдений

îl.y 14.У1 27 .У I 12 .У II 25 .УН б, ЛИ Г?.K

23 100 29 117 230 178 220

4 - Ai 5140 234-10 10840 31570 30890 5950 6896

А2 397 740 700 2270 .1210 590 390

Сумма по горизонта» 5560 24250 II569 38957 32330 . 6718 7506

кг азота на 1га 8,6 36,4 17,4 50,9 48,5 ЮД 11,3

Для осуществления гетеротрофной азотфиксации необходимы значительные энергетические затраты. В лесах одним из главных источников энергии является разрушающаяся лесная подстилка. В исследуемом ельнике подстилка довольно мощная, хорошо стратифицированная. Высокий уровень гетеротрофной азотфиксации в нижних слоях подстилки, отличающихся высокой гумифицированностью, свидетельствует о том, что процесс деструкции органического вещества различными ло-чвенными микроорганизмами, по-видимому, тесно связан с процессом мобилизации азота и вовлечением его в биологический круговорот. Можно предполагать, что на этом этапе происходит сопряжение циклов важнейших биофильных элементов - углерода и азота. Таким об'' разом, наличие легкоразрушаемых, легкоминерализуемых органических веществ в почвах под лесом выступает иа первый план по-своему

.17

влиянии яа деятельность гетеротрофных микроорганизмов-диазотрофов.

Как известно, в лесных почвах значительную часть пула почвенных микроорганизмов составляют грибы. Выделение аэотфиксируодих ассоциаций, в которых в метабиотхческнх'связях находятся про- и эукариотвые организмы, и установление механизмов их взаимодействия, позволяет глубже изучить пути поступления авота в почву, играющего важную роль в существовании лесных биогеоценозов. Из почвы и подстилки различных типов лесов подзови южной тайги было выделено более 2000 подобных ассоциаций. Азотфиксирующей ассоциацией мм называем устойчивую, сохраняющуюся при многократных пересевах, естественную совокупность определенных микр о орган измов, отличающихся высокой азотфиксирующей активностью. Изученные вами ассоциации можно условно разделить на две группы: состоящих исключительно из прокариотных микроорганизмов и эу- и лрокарнотных в различном соотношении. Во все сроки анализа л в большинстве образцов доминировали азотфикснруюцие ассоциации почвенных грибов с бактериями; на их долю приходилось около 90^ от общего числа выделенных смененных культур. В меньшем числе ассоциаций (ISft) содержались также и дрожки, и в еще мевьпем - только бактерии (2^>). У ассоциаций, отличавшихся наиболее высокой активностью азотфиксации был изучен состав видов грибов и бактерий* Всего было выделено из них в чистую культуру и определено до вида 234 итамма грибов и II штаммов бактерий. Бактерии были представлены в основном коринеподобными формами, главным образом представителями р. Arthrobeoter . Грибы были представлены типичными для даяяой почвы видами p.Penicillium. P.olavifona», T.frequenteua, í.notfttwm И др., а также видами рр. Uorti*rell&, Muoor, ciadoeporivna . Характерным являлось наличие в составе азотфиксмрующих ассоциаций грибов рода Trichoderma (до 60$ изолятов). Выделялось также необычно много грибов р. Puea-

- таблица Э ШДОВОЙ СОСТАВ И НИТРОГШЗНЛЯ АШЕВОСТЬ АЗОТФИКСИРЛЭСЩ АССОЦИАЦИЙ ГРИБОВ С БАКТЕРИЯМИ

Л» ■ ассоциаций Видовой соотав Азотфахсіруї !ХО"емг азот« тая активность /»моя.клеток

компоненте ассоциация

й 17 Ігісікхіеппа копіпгіі Тх1сЬо4егша раеиЛоІсоїіІііаіі ГепІоІШит поіа1;иш АгйЬгоЬа^ег еІоМГогтія Ваоіїїиа сігсиїапа нет' ' нет нет 2,15 0,66 4,57

» 44 Тгісікмїегта Ьохаівот Ваоіїїиа роїутуга Басіїїиа те^аіегіші нет 1,76 0,56 3,97

Л 201 РЬІаІорЬога аїга АігИігоЬв^ег вр. Ваоіїїиа роїутуха - нет 0,83 0,65 10,51

пгш и р. 7Ыа1ор1юга * Видовой состав наиболее активных ассоци-

аций, приведен в таблице 3* При сравнении полученных ванн данных с литературными материалами оказалось, что выявленный набор видов грибов в определенной степени специфичен и отличается повышенной встречаемость» разрушителей органических соединений подстилки, опа-да и древесины; Кроме азотфиксирувдих ассоциаций, выделенных из естественных местообитаний, нами изучены искусственные смешанные культуры, составленные из чистых культур бактерий-диазотрофов и их спутников - зукариот. Общим характерным следствием присутствия гриба было стимулирогание аэотфиксирующей активности бактерий. Наи* ■

большее усиление процесса азотфиксации вызывали грибы р. Тг1с3ю4е-гша * Отметим, что именно эти грибы чаще остальных встречались

в составе выделенных азотфиксирущих ассоциаций, они же является активными разрушителями опада и подстилки в лесных почвах. Эффект стимулирующего действия грибов наиболее четко проявлялся при смешивании их с наиболее активными штаммами бактерий-азотфиксаторов. Явление стимуляции азотфиксирущих микроорганизмов другими микроорганизмами известно давно {Емшенецкий,Солнцева,19405 Калининская,1%7), однако механизм процесса изучен пока мало. Наибольшее внимание обращается за различные факторы роста, рН, окислительно-восстаьови- \ тельный потенциал, концентрацию 02. Помимо указанных факторов боль, шее влияние на азотфвксйцию в ассоциациях могут оказывать газообразные метаболиты, в частности Н2.Наии изучено влияние состава .'азевой фазы атмосферы на азотфиксирущув активность ассоциаций ивкроор-ганизмов. Хотя результаты опытов не были полностью однозначными, тем не менее полученные даяние позволяли в целом заключить, что при развитии ассоциаций и искусственных смешанных культур зависимость -

I

нитрогенавноЯ активности от состава атмосферы практически отсутствовала. Лишь при понижении концентрации 02 наблюдалось увеличение азотфиксирующей активности, причем наиболее запето в чистых культурах бактерий. Можно полагать, что при развитии в составе ессоциа-. дни бактериальные компоненты оказываются более защищенными от инги-бирующего действия кислорода вследствие поглощения его аэробными спутниками.

Как было установлено в последние годы (Кондратьева,Гоготов, 1961) на процесс азотфиксации существенное влияние оказывает молекулярный водород. Предполагается, что коэффициент использования энергетического субстрата азотфиксирующими микроорганизмами в первую очередь зависит от способности полностью утилизировать водород, образованный при деятельности нитрогеяазы за счет его повторного включения в энергетический обмен в результате рецяклизации или

сутки

2 4 6 Э 10 12 14 оу*КИ

Рис.6. Динамика азотфиксации (А,С) л образования водороде СМ) 7 культур бактерий » авотфиксирувщкх ассоциаций (2,8,6,7) и при совместной культивировании с грибами (I, 4.5.S).

21 . . -межвидового переноса. Проведенное вами определение водорода чистыми культурами бактерий и грибов, изолированных из азотфиксирующих ассоциаций, показало, что он выделяется многими, во.не всеми микроорганизмами* Среди проверенных 124 штаммов грибов способность» выделять водород обладало только 88 штаммов (около 80^), относящихся к pp.Penlcillim, Triohoderme, Phlalophora, Fusarim • UsKOM-мальные величины Н^-обравовавия у грибных культур были вевысоки и не превышали ХО вМ Н^/пробирку/ч. Повышенной активность» водородо-образоваиия отличались именно грибы-спутники бактерий, обладавших высокой активность» азотфиксации (более ЗХЮ~®мг ааота/пробирку/ч). В отличие от грибов все изученные as «фиксирующие бактерии (365 птаммов) выделяли водород. Одновременно и активность зтого процесса была у них значительно (в 3-Ю раз) выше. Средний уровень выделения H¿ чистыми бактериальными культурами составлял ЗО7З5 tilt Н2/ -пробирку/ч. Было установлено такке, что нитрогевазная активность бактерий, в основном представителей pp.Arthrobaeter и Baoillu», увеличивалась при совместном культивировании с грибами pp. Tricho-derrae и Phiaiopbora х исскуственно созданных смесях микроорганизмов (рис.6). По оценкам Диксона ( Dixon ,1976), а также Шуберта и Эвавса (Schubert,Evens ,1976) уменьшение потерь анергии за счет реутилизации выделяющегося Н^на 50%, позволяет вдвое повысить суммарную активность аэотфикоации, что, по их мнению, может играть большое значение для получения высокоэффективных азотфиксирующих систем. Как ухе отмечалось, у всех изученных ассоциаций уровень азотфикоирующей активности превышал нитрогенаэву» активность чистых бактериальных культур. По выделение водорода ассоциации в це-. лом уступали не только культурам бактерий, но и грибам (рис.7). Эти различия позволяют предполагать, что в ассоциациях микроорганизмов происходит более полное использование водорода в результате

/

Л

/

//

й

I 18

Рис.?. Образование водороде (А) и нвтрогеваэвая активность (В) чистых культур микроорганизмов - 1-Сак тер ий-диаз о тро-фов, 2-грибов и в условиях ассоциации 8. межвидового обмена им компонентами ассоциаций. Таким образом, как азотфиксирущие ассоциации, так и модельные смешанные культуры бактерий и грибов, характеризуются более высокой нитрогеназной активность» и пониженным водородообразованием по сравнению с чистыми культурами бактерий. Координированное действие нитрогеяазы,обладающей и гидрогевазной активностью, имеет важное физиологическое

значение для совокупности различных микроорганизмов, что проявляется в их повышенной активности азотфиксации.

ВЫВОДЫ

1. На основании данных о временных и пространственных изменениях азотфиксирупщей активности, полученных путем многократных прямых определений в полевых условиях, рассчитан масятаб азотфинсации для почв некоторых типов лесных биогеоценозов подзоны южвой тайги. Для мертвопокровиых участков ельников он составляет 20-26 кг азота/га ва период 120 дзей, для береаняка - 15 -30 кг азота/га. В местах по^фыхмх травянистой и вустарничковой растительностью под пологом ельника и березняка уровень азотфиксации ва аналогичный весенне-летне-осенний период составляет 30-33 кг азота.

2. "Потенциальная" азотфиксирущая активность исследуемых лесных почв, рассчитанная с учетом временной и пространственной дисперсии, достигает 50 кг азота/га. Иаксицум ее даблсдается в нижних слоях подстилки и гумусовой горизонте почвы.

,3. Высокий уровень азотфиксирущей активности наблюдается ■в летний период и ранней осень» и, вероятно, связан с интенсивностью процесса разложения органических соединений подстилки и опада.

4. Выделены и изучены азотфиюсирующие ассоциации бактерий и грибов, которые представляют собой устойчивые, сохраняющиеся при многократных пересевах, естественные совокупности определенных микроорганизмов, отличающиеся высокой аэохфижшрующей активность». Установлена специфичность выделенных ассоциаций» которая проявляется в специфическом наборе видов грибов* являющихся активными разрушителями опада и подстилки.

5. Азотфиксирующие ассоциации бактерий и грибов* а также

модельные смешанные культуры характеряауютя более высокой ндтроге-назной активноеты в пониженным В^-образованнем по сравнению о чистыми культурами бактерай-дааэотрофов, что свидетельствует об уменьшение энергетических затрат на процесс азотфиксации в ассоциациях.

Материалы диссертации опубликованы в следуюцих работах:

1. Азотфикенрующие ассоциации грибов с бактериями. Микробиология, 1979, т.48, в соавт. с И .М .Умаровым, Т.Г.Иирчинк.

2.'динамика азотфиксации в некоторых лееннх почвах. В сб."Биодинамика к плодородие почвы", Таллин, 1979, изд. АН ЭССР, в соавт. с ЮЛмаровьш, В.В.Михайловым.

.3. Энергетическое взаимодействие в азотфихсируюпдах ассоциациях грибов с бактериями. В сб. "Энергетика и углеводный обмен у микроорганизмов", тез.докл. Всесоюзного симпозиума молодых ученых, Рига, 1979, изд. АН Датв.ССР.

4. Азотфиксации в некоторых хвойных лесах Нечерноземья. В сб. "Труды У научной конференции молодых ученых факультета почвоведения М17"\ Москва, 1982, деп.в ВИНИТИ.

Гетеротрофная азотфиксация в лесной дерново-подзолистой почве. Почвоведение, 1982, К?.Г", в соавт. с М,ы.Умаровым.

6. Азотфиксация в хвойных лесах подзоны пеной тайги. Лесоведение 1982, в соавт. 'с И .И .Умаровым.

7. Образование водорода азотфиксируиадши ассоциациями. Микробиология, 1982, т.С7 , в соавт. с М .М .Умаровым.

Подл, к печати

Фи», п, я. ¿5 Уч.-мд. л

/Ш Тир* к &0

Ии-м Московского уяяверевтея. Моею*, К-9.

" ул. Герцеша, Б/7. ,

Тшюграфкх Иэд-М МГУ. Моею«, Ленгоры