Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Особенности микробной трансформации азота в водопрочных агрегатах почв разных типов

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Манучарова, Наталия Александровна, Москва

¿г</ • • /

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА

ФАКУЛЬТЕТ ПОЧВОВЕДЕНИЯ

На правах рукописи

МАНУЧАРОВА Наталия Александровна

ОСОБЕННОСТИ МИКРОБНОЙ ТРАНСФОРМАЦИИ АЗОТА В ВОДОПРОЧНЫХ АГРЕГАТАХ ПОЧВ РАЗНЫХ ТИПОВ

Специальность 03.00.07 - микробиология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель

доктор биологических наук профессор М.М. Умаров

МОСКВА 1999 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................3

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.............................................................................6

1. Почвенные агрегаты как основные структурные единицы почвы.................................................................................................6

1.1. Распределение и активность микроорганизмов

внутри почвенных агрегатов.....................................................7

1.2. Газовый состав почвенных микрозон........................................9

1.3. Процессы, протекающие внутри агрегатов.............................12

1.4. Моделирование процессов, протекающих

внутри почвенных агрегатов...................................................16

1.5. Динамика окислительно-восстановительного потенциала

в почвенных агрегатах............................................................20

2. Потоки окислов азота в атмосфере.................................................22

2.1. Приходные статьи баланса закиси азота.................................22

2.2. Расходные статьи баланса закиси азота.................................29

3. Потоки окислов азота в почве .....................................................30

4. Влияние окисленных соединений азота на конечные продукты денитрификации............................................................40

5. Влияние структуры почвы на эмиссию Ы20..................................42

6. Микроорганизмы, ответственные за потоки окислов азота.........45

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ......................................................48

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.................................................48

1. Объекты исследования....................................................................48

2. Измерение динамики окислительно-восстановительных процессов (ОВП) внутри почвенных агрегатов.............................50

3. Методы определения С02, И20, N0 и СН4в почвенных агрегатах.........................................................................................51

4. Количественный учет бактерий и грибов внутри и

на поверхности почвенных агрегатов...........................................52

5. Методы выделения комплекса денитрифицирующих

бактерий...........................................................................................53

6. Определение денитрифицирующей активности чистых культур бактерий.............................................................................55

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ................................................................56

1. Окислительно-восстановительный потенциал и анаэробные процессы в почвенных агрегатах разных размеров......................56

2. Анаэробные процессы в почвенных агрегатах

малого диаметра.............................................................................67

2.1. Выделение С02 из агрегатов малого размера......................68

2.2. Выделение N20 из агрегатов малого размера........................77

2.3. Выделение СН4 из агрегатов малого размера.........................73

3. Особенности денитрификации в водопрочных

агрегатах почв разных типов..............................................................74

4. Распределение микроорганизмов в различных

зонах почвенных агрегатов...............................................................83

5. Структура комплекса денитрифицирующих бактерий агрегатов почв разных типов..............................................................91

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................101

ВЫВОДЫ..............................................................................................102

ЛИТЕРАТУРА.......................................................................................103

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Формирование парникового эффекта, истощение озонового экрана и нарушение радиационного баланса планеты обусловлено нарастанием концентрации так называемых "парниковых" микрогазов в атмосфере, в частности, окислов азота (Cratzen,1990). Накопленные к настоящему времени данные позволяют утверждать, что важнейшим источником окислов азота являются почвенные микроорганизмы, среди которых особое место принадлежит бактериям-денитрификаторам (Kester,1997; Conrad et а!., 1998). Активность образования и поглощения оксидов азота в процессе денитрификации определяется разными экологическими факторами, ведущими из которых считаются концентрация органического вещества и парциальное давление кислорода (Davidson,1992; Умаров,1998). Применительно к почве интенсивность образования и поглощения окислов азота может определяться соотношением аэробных и анаэробных микрозон внутри почвенных агрегатов, структура которых является устойчивой характеристикой почвы. Считается, что внутри почвенного агрегата формируются особые микробные сообщества (Hattori,1993), участвующие в процессах трансформации минеральных и органических соединений азота до его газообразных форм. Именно это определяет экологическую значимость почвенных агрегатов. Однако, до настоящего времени закономерности превращения азотных соединений микроорганизмами в почвенных агрегатах с образованием газообразных метаболитов оставались мало изученными.

Целью работы явилось выяснение особенностей образования и потребления окислов азота микроорганизмами в водопрочных агрегатах почв основных типов.

В задачи исследования входило:

1. Выявление зависимости процесса денитрификации от соотношения аэробных и анаэробных микрозон внутри почвенных агрегатов при изменении окислительно-восстановительного потенциала и состава вносимого в почву органического вещества.

2. Изучение особенностей образования и потребления окислов азота в устойчивых водопрочных агрегатах почв разных типов в процессе денитрификации.

3. Исследование структуры комплекса бактерий, образующих и потребляющих окислы азота в водопрочных агрегатах почв разных типов.

4. Определение закономерностей газообразных потерь азота в зависимости от агрегатного состава почвы в полевых опытах.

Научная новизна. Впервые выявлена зависимость состава конечных продуктов денитрификации от размеров водопрочных агрегатов почв разных типов. Установлено, что с увеличением размера агрегатов возрастает доля молекулярного азота и сокращается доля промежуточных продуктов денитрификации - закиси азота (ЪЬО) и окиси азота (N0). Показано, что внутри агрегатов диаметром от 0,2 мм до 10 мм вне зависимости от типа почвы существуют анаэробные условия, достаточные для протекания таких процессов, как денитрификация и метанообразование. Выявлено, что в комплексе бактерий бурозема, дерново-глеевой и дерново-подзолистой почв наиболее активными Ы20-образователями являются бациллы, спириллы и миксобактерии. Актиномицеты не проявляли денитрифицирующей активности.

Практическая ценность. Показано, что разрушение почвенной структуры и распыление почв сопровождается возрастанием доли закиси азота в суммарном потоке газообразных соединений азота. Полученные сведения должны учитываться при экологической оценке различных технологий использования почв. Результаты лабораторных исследований подтверждены в полевых экспериментах на базе Всероссийского научно-исследовательского и проектно-технологического института химической мелиорации (ВНИИ'!'ИХИМ), Материалы работы используются в курсе лекций по биологии почв на факультете почвоведения МГУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 статьи и 6 тезисов.

Апробация работы. Основные положения работы доложены на II Съезде Российского Общества Почвоведов (РОП) (С-Петербург, 1996), XVI Международном конгрессе почвоведов (Монпелье, Франция, 1998), Международной конференции "Микробиология почвы и земледелие" (С-Петербург, 1998), на Международных конференциях студентов и аспирантов "Ломоносов-96", "Ломоносов-97" и "Ломоносов-98", а также на совместном заседании III комиссии РОП и кафедры биологии почв факультета почвоведения МГУ.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1. Почвенные агрегаты как основные структурные

единицы почвы.

"Культурная почва - это структурная почва", В этой фразе скрыт большой смысл - плодородие почвы зависит от ее структуры (Карлачевский, 1983), Структура почвы определяется ее агрегатным составом.

Твердая фаза почвы представлена элементарными почвенными частицами (ЭОЧ), которые объединяются в почвенные микроагрегаты (Воронин, 1936). Элементарные почвенные частицы представляют собой обломки пород и минералов, а также аморфные соединения, все элементы которьж находятся в адмичеешй взаимосвязи

В минеральных почвах более 90% элементарных почвенных частиц представлено компонентами неорганической природьг Остальная часть ЭПЧ приходится на органическое вещество и органомкнералькые соединения.

Элементарные почвенные частицы образуются в результате выветривания исходных горных пород (физического, химического и биологического). На первой стадии выветривания порода распадается на куски, а в дальнейшем на состав лякшгие ее минералы и продукты выветривания. По мере дробления, увеличения поверхности и свободной поверхностной энергии возрастает роль биологического и химического выветривания - окисление или восстановление элементов, вынос солей, новообразование минералов.

В образовании элементарных почвенных частиц органической природы ведущую роль играют биологические и микробиологические процессы.

Взаимодействие органических веществ почвы с минералами приводит к образованию органоминеральных элементарных почвенных частиц, представленных преимущественно частицами к-пмгмм\ гшзмепов с измененной органическим веществом поверхностью.

На поверхности почвенных частиц адсорбируются

микппппгяиичмы ('Чкягинпел 1 087 V

.......1'------------ \ .....""I- >

1.1. Распределение и активность микроорганизмов внутри почвенных агрегатов.

Почтенные ягпегяты пппеттеттяшт г|.:ппогп, и ттпптплггы

—---------- „_ ^—„— ------

разложения органического субстрата в почвах. Они устойчивы во времени и регулируют численность микроорганизмов, а сукцессионные изменения содействуют постепенному созданию устойчивого сообщества микроорганизмов внутри почвенных агрегатов. При этом грибы преимущественно локализуются снаружи почвенных агрегатов, что доказывается прямым м и кроекон ироваиием

гпир 1 v

\1------ -■/

Ря^мепм и /Ьппмя ягпргягпи пппргтрггяшт ппагтпянгтна в

котором идет трансформация органического вещества микроорганизмами. Грибы и бактерии, благодаря действию связывающих веществ, могут порождать агрегаты от нескольких микрон (для бактерий) до нескольких десятков микрон (для грибов).

Микроорганизмы, населяющие агрегаты, способствуют их стабильности.

Изучение распределения микроорганизмов внутри почвенных агрегатов с помощью электронного микроскопа показало, что в

устойчивых микроагрегатах часто встречаются бактерии адсорбированные глинистыми минералами (Jocteur et. а!., 1991).

Джоктер с соавторами (Jocteur et ai'.. 1991) установили, что в почвах 40-60% микробной биомассы сосредоточено в микроагрегатах Микроорганизмы в почвенных микроагрегатах связаны с глинистыми минералами, от содержания и природы которых зависит концентрация микробов в агрегатах,. Даже если количество бактерии составляет только несколько процентов от общего содержания органического углерода (в большинстве почв от 1-5%), то можно заключить. что микроорганизмы играют большую роль в формировании почвенных агрегатов и вместе с гумусогтодобными компонентами обеспечивают их стабильность.

Рис. 1, Схема связывания и стабилизации почвенного агрегата микроорганизмами по Роберту и Чену ÍRnhert. Shenup- Т<т\

L2,Газовый состав почвенных микрозон

Газовый состав почвенного воздуха, в основном, определяется деятельностью микроорганизмов. В почве формируется множество микрозон с различным составом газов, в которых развитие микроорганизмов идет в совершенно разных условиях, что определяется формированием почвенных агрегатов Внутри почвенных' агрегатов содержится защемленный' воздух, который с

ппикшим Tnvjiniu пп rm en г я етг я обмрнннм гтттесгям '4тп тяет

------------ TJ/-,---- -—«--Г"------ ---т.........................---

возможность для развития в близком соседстве аэробных и анаэробных микроорганизмов, например, метанобразующих и метанокисляющих бактерий (Hattori, 1988; Klein. Гауег, 1990). Наличие анаэробных зон внутри почвенных агрегатов объясняет возможность протекания анаэробных процессов даже в аэрируемых почвах. (Greenwood, 1961; Smith, 1980)

Микрозональность в почве дает возможность одновременно развиваться аэробным и анаэробным микроорганизмам. В разных .микрозонах часто идут прямо противоположные процессы газового

п^мрня' и гйячь мшгптпн mp^jtv гпбпй пп-иигтм vfni\/fv r rrenevm

---.........................-------, ------^-----------J у ^ ---

очередь осуществляется через газовую фазу, наиболее подвижную по сравнению с другими фазами почвы и самими микроорганизмами.

Изучение газообмена в этих микрозонах неоднократно осуществлялось в модельных экспериментах; однако, эти результаты нельзя переносить на всю почву вцелом. Микробное население агрегатов можно рассматривать как составляющие комплекса почвенных микроорганизмов, функционирующего как единое целое (Звягинцев, 1987).

Хорошо известно, что почвенный воздух содержит больше углекислого газа и меньше кислорода, чем атмосферный (Качинский, 1956). Кроме того, почвенный воздух всегда содержит некоторое количество парообразной воды, которая имеет большое значение в перераспределении воды по отдельным микрозонам и в выравнивании потенциала влаги во всей почвенной массе. Согласно имеющимся данным, большую часть времени почвенный воздух в ряде зон близок к насыщению водяными парами. В составе почвенного воздуха присутствуют и многие другие газы - метан, этан и прочие углеводороды, азот и его окислы, сероводород и прочие, большинство из которых продуцируются микроорганизмами (Судницын, 1979; Воронин, 1986; Никитин, 1985 ).

Все газы микробного происхождения могут поглощаться микроорганизмами. Благодаря соседству и многократному чередованию аэробных и анаэробных микрозон, достаточно плотному расположению микроорганизмов внутри и на поверхности почвенных агрегатов, а также сложной системе пор в почве, по которым движутся газы, почва представляет собой весьма совершенную ловушку для газов. Поверхность пор, капилляров и агрегатов заселена микроорганизмами, которые имеют возможность весьма совершенно перехватывать диффундирующие газы. Поэтому считается, что только небольшой части микрогазов и летучих органических веществ удается вырваться наружу в атмосферу (Звягинцев, 1973).

Постоянному присутствию газов в почве во многом способствует характерный для мира микробов принцип дублирования (Звягинцев, 1987): любой существенный физиолого-биохимический процесс в почве может осуществляться микроорганизмами разных

видов. Например, многие микроорганизмы выделяют и используют метан, угарный газ, этилен и т.д. В случае, если создаются условия, неблагоприятные для жизнедеятельности одного вида микроорганизма, начинают проявлять активность какие-либо другие микробы, в результате чего этот фактор находится под микробиологическим контролем.

Некоторые газы могут использоваться только в аэробных условиях. Например, окисление метана, этилена и окиси углерода идет только в аэробных условиях (Степанов и др., 1996). Вследствие обмена газами между другими компонентами биогеоценоза оценка продукции микрогазов в почвах представляет сложную задачу.

Антропогенное воздействие, связанное с промышленным выделением газов, может ощутимо влиять на газовое равновесие в биосфере, причем микроорганизмы не всегда могут "справиться" с возросшей газовой нагрузкой (Орлов, 1985). Наиболее характерно это для серы и ее окислов, содержание которых в почве и атмосфере неуклонно возрастает (эффект "кислотных дождей"). С другой стороны, буферная емкость (резерв) почвенных микроорганизмов в отношении разнообразных окислов азота оказывается очень большой. При возникновении избытка азотных соединений в почве микробы проводят процессы денитрификации и нитрификации, и выбрасывают их в виде молекулярного азота в атмосферу (Шинкарев и др., 1997).

! .3 Процессы, протекающие внутри агрегатов

Почва чапактегштуется глтпжной стпуктупой поп Пли

------■ —г------£---------* ..............Jl................I " I---

чередовании иссушения и увлажнения почв одни поры насыщаются водой и лимитированы по кислороду, другие - претерпевают

иггушрнир К ПОЧКЯУ КРЛТМГОТТРЙ няппимйп НЯ^ПТОГТЯРТСЯ ПГЯ-ЖР

— — ""' ' — - ^ - ^ . * ' Г......~ " ^ "

ттргьппМИПОРЯIIМО поп Н гтрпмогт исслгтттрнист ШоЬрГ+чоп ТОЧ^ У ( ¡Л1ТОШ/ К

, - Г ......1-------}------ -----'V" ..........- ----------------------- , „

одной и той же почве могут существовать микрозоны с разными водными характеристиками. Соответственно, в этих зонах создается разная концентрация кислорода. Именно поэтому в почве в одно и тоже время может протекать нитрификация и денитрификация.

Процесс денитрификации - приспособление аэробных микроорганизмов к окислению органических и неорганических субстратов в анаэробных условиях (Шлегель. 1987). Данный процесс представляет собой последний этап в азотном цикле, на котором окис