Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Распределение микроорганизмов по профилю почв разных типов

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Гейдебрехт, Валентина Викторовна, Москва

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В.ЛОМОНОСОВА

ФАКУЛЬТЕТ ПОЧВОВЕДЕНИЯ

На правах рукописи

ГЕЙДЕБРЕХТ ВАЛЕНТИНА ВИКТОРОВНА

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ МИКРООРГАНИЗМОВ ПО ПРОФИЛЮ ПОЧВ РАЗНЫХ ТИПОВ

Специальность 03.00.07 — микробиология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук Л.М.Полянская

Москва -1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ.................................................2

ГЛАВА 1. Изменение численности и биомассы микроорганизмов

в разных почвах в разные сроки наблюдения............5

1.1. Факторы, влияющие на динамику микробной биомассы в почвах..............................................10

1.2. Распределение микроорганизмов по профилю почв .......18

ГЛАВА 2. Биомасса микроорганизмов в различных почвах .......21

2.1. Соотношение грибов и бактерий в почвах................22

ГЛАВА 3. Пространственная характеристика распределения

микроорганизмов в почве...........................26

ГЛАВА 4. Методы определения микробной биомассы в почвах .... 31

4.1. Методы посева .......................................31

4.2. Биохимические методы...............................31

4.2.1.Фумигационно-инкубационный метод (ФИМ)......33

4.2.2.Фумигационно-экстракционный метод (ФЭМ)...... 37

4.2.3. Субстрат-индуцированное дыхание (СИД).........38

4.2.4. АТФ -методы...................................40

4.3. Кинетические методы.................................42

4.4. Прямые микроскопические методы.....................42

4.4.1. Жизнеспособность ..............................46

ГЛАВА 5. Материалы и методы ..'..■...........................50

5.1. Описание изученных почв.............................50

5.2. Методика подготовки образцов почвы к микробиологическому анализу........................51

5.3. Методика исследования комплекса почвенных микроорганизмов....................................51

5.4. Определение потенциальной

интенсивности дыхания по СОг .......................53

ГЛАВА 6. Распределение численности и биомассы

микроорганизмов по профилю разных типов почв.....56

ГЛАВА 7. Биомасса грибов в различных типах почв.............71

ГЛАВА 8. Годовая динамика численности и биомассы

микроорганизмов в разных типах почв...............89

ГЛАВА 9. Репрезентативность данных о

структуре микробных сообществ.................... 103

ЗАКЛЮЧЕНИЕ............................................117

ВЫВОДЫ................................................. 122

ЛИТЕРАТУРА............................................. 124

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. В почве происходят разнообразные химические превращения, несомненно, главную роль в этих процессах играют микроорганизмы (Виноградский, 1953; Мишустин, 1975; Звягинцев, 1987). Для того чтобы понять функционирование почвы как системы важна как качественная характеристика почвенной микробиоты, т.е. видовой состав и разнообразие, так и собственно количественная характеристика. Необходимо знать запасы живых микроорганизмов в почвах разных типов и в их различных горизонтах (Полянская, 1996).

Проводившиеся ранее исследования ограничивались, в основном, подсчетом биомассы в верхних почвенных горизонтах, при этом оценивалась преимущественно биомасса прокариотных микроорганизмов (Богоев, 1981; Лимарь и др., 1975), а биомасса микромицетов, если и учитывалась (Мирчинк и др., 1985; Паников, 1992), то иными, чем бактерии методами, что не позволяло корректно сопоставлять результаты. Результаты, полученные методами посева, способствовали установлению парадигмы о сосредоточении микробной биомассы преимущественно в верхних почвенных горизонтах.

Между тем, уровень заселенности микроорганизмами нижних и средних горизонтов представляет как теоретический, так и немалый практический интерес. На огромных площадях происходят процессы эрозии и "вчерашние" нижние горизонты оказываются сегодняшним пахотным слоем, а его микробное население влияет на его плодородие, токсичность и патогенность.

Целью данной работы было изучить распределение микробной биомассы по профилю разных почв для оценки сравнительной значимости факторов, влияющих на этот показатель.

Основные задачи:

1. Учет численности и биомассы основных групп микроорганизмов по профилю зональных типов почв и установление различий их динамики в разные годы.

2. Изучение корреляции между биомассой микроорганизмов в различных почвах и горизонтах и показателями в них актуального и потенциального дыхания.

3. Определение степени жизнеспособности грибных спор и мицелия в различных почвенных горизонтах.

4. Определение доли углерода биомассы микроорганизмов в общем содержании углерода органического вещества в почвах.

5. Изучение значимости пространственного и временного факторов и выявление корреляции между различными параметрами, характеризующими состояние микробного комплекса.

6. Оценка периодичности колебаний численности почвенных микроорганизмов.

Научная новизна. Впервые показаны различия в содержании микроорганизмов в различных почвах в разные годы наблюдения. Установлено, что углерод микробной биомассы составляет значительную часть содержащегося в почве органического углерода. Не отмечается прямой корреляции между содержанием органического субстрата, численностью микроорганизмов и дыханием, хотя большая часть

микроорганизмов (даже в минеральных горизонтах) жизнеспособна. Пространственные различия в содержании микроорганизмов в почвах не настолько значимы, чтобы перекрывать происходящие во времени сукцессионные события.

Практическая значимость. Происходящая эрозия вскрывает минеральные горизонты и необходимо знать, в какой мере они способны выполнить функции пахотного слоя, что в значительной степени зависит от состояния содержащихся в них микробных комплексов.

Автор выражает искреннюю благодарность профессору Д.Г.Звягинцеву (за постоянное внимание к работе и поддержку), профессору С. А. Владыченскому (за помощь в идентификации почв), благодарит ст. преп. Т.Н.Початкову, доцента А.Л.Степанова, с.н.с. И.Ю.Чернова за помощь в проведении данной работы.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (код проекта 94-041296).

Глава 1. ИЗМЕНЕНИЕ ЧИСЛЕННОСТИ И БИОМАССЫ МИКРООРГАНИЗМОВ В РАЗНЫХ ПОЧВАХ В РАЗНЫЕ СРОКИ НАБЛЮДЕНИЯ.

В течение длительного периода времени основным методом исследования почвенных микроорганизмов являлся метод посева на плотные питательные среды, что несомненно оказало определяющее влияние на представление о численности и состоянии почвенной микробиоты. Между тем, метод посева, незаменимый при изучении видового состава микроорганизмов, дает весьма противоречивые сведения об общей численности последних в зависимости от способа подготовки субстрата, спектра использованных питательных сред, условий культивирования и множества других факторов, которые трудно учесть. Достаточно сказать, что при обычном посеве от учета и изучения ускользает вся анаэробная микробиота, несомненно, обильно представленная в почвах. Спецификой посева можно объяснить господствовавшее долгое время представление о преобладании в почве бактериальной микрофлоры и о приуроченности основного количества микроорганизмов к верхним гумусовым горизонтам.

Между тем, вопрос о численности и биомассе основных групп почвенных микроорганизмов имел первостепенное значение, так как перед почвенной микробиологией ставилась задача оценить роль почвенных микроорганизмов в круговороте органического вещества и энергии в наземных экосистемах, установить корреляцию между почвами и населяющей их микробиотой (Лимарь и др., 1975). Несоответствие между целями и имеющимися в наличии средствами порождало порой фантастические результаты, например, представление о резких

ежесуточных колебаниях численности почвенных бактерий (Аристовская, 1972).

Одними из первых динамику развития бактерий в почве изучали Т.Реми (1902), Л.Хилтнер и К.Штермер (1903), бравшие пробы во время вегетационного периода или даже в течение всего года. В последующие 4050 лет наиболее обстоятельные исследования по сезонной динамике развития почвенных бактерий провели Д.Фехер, С.А.Самцевич, С.Я.Мехтиев, Я.Сайферт и др. (цит. по Рыыс, 1974) Большая заслуга в систематическом исследовании продуктивности почвенных микроорганизмов принадлежит микробиологам ленинградской школы под руководством Т.В.Аристовской. В последние годы изучению сезонной динамики развития различных групп почвенных микроорганизмов, а также факторов, обуславливающих ее, посвящен еще ряд работ, в основном по исследованию почвенных бактерий и актиномицетов. Значительно меньше их по изучению почвенных грибов и водорослей, еще меньше сведений о представителях почвенных макро- и микрофауны. Работ, в которых динамика развития отмеченных групп исследовалась одновременно, комплексно, вообще мало (Karl, 1986).

Несмотря на многочисленность современных публикаций, имеющиеся в литературе данные по изменению численности и биомассы почвенных микроорганизмов содержат немало противоречий и не позволяют сделать однозначных выводов. Все методы учета почвенной микрофлоры свидетельствуют о динамике численности отдельных компонентов микробного ценоза почвы (Мишустин, 1974). Количество микробной биомассы различно в разных почвах, а его максимум падает на разные сезоны и месяцы. Отмечено, что общая микробная биомасса нарастает от

января к лету (Behera et al., 1991; Мао et al., 1992), с пиками ранней весной (Гильманов и др., 1984; Liao, 1988; Collins et al., 1992; Garcia et al., 1994), весной и осенью (Laudelout et al., 1982), при этом динамика численности бактерий и грибов не совпадает: максимум бактерий приходится на май-июль, а максимум грибов - на осень (Мехтиев и др., 1974; Богоев, 1981;

Ои

Nagel-de Boois, 1971) или и на весну и на осень (Soderstrom, 1979; Baath, Soderstrom, 1982). По данным других авторов (Никитина, Антоненко, 1982) летом максимальна численность грибов, а не бактерий, поздней осенью преобладание грибов над бактериями слабее, весной больше бактерий, чем грибов. В некоторых случаях не обнаружено весеннего максимума развития микроорганизмов в почве (Аристовская, 1980), что объясняется быстрым расходованием и значительным выносом скудных запасов доступных питательных веществ и сильным обеднением почвы уже весной. Отмечается низкая бактериальная численность во время летних месяцев в течение трех лет наблюдений, что впрочем, совпадает с низкими значениями влажности почвы (Lundgren, Soderstrom, 1983).

Наблюдались краткосрочные ежемесячные изменения в численности и биомассе бактерий в течение 15 месяцев, при этом колебания в численности на протяжении 2 недель были найдены такие же большие, как во время всего года (Clarholm, Rosswall, 1980). Однако множественный регрессионный анализ не дал никаких адекватных предсказуемых уравнений для ежемесячных колебаний грибной биомассы (Hunt, Fogel, 1983). Малые ежегодные изменения в биомассе наблюдали и другие авторы (Patra et al., 1990). Интересно, что микробная биомасса и биохимические характеристики хотя и увеличивались в почвах, обогащенных субстратом, но снижались в конце концов, к уровню контрольной почвы (Nannipieri et al., 1983). Микробная биомасса и энзимная активность контрольной почвы

отражали нормальное состояние микробного сообщества, поэтому избыток биомассы и энзимов был уничтожен.

По некоторым данным (Baath, Soderstrom, 1982; Behera et al., 1991) колебания численности больше характерны для верхних органических горизонтов почв и не наблюдаются в минеральных горизонтах. Флуктуации численности бактерий в минеральных горизонтах лесной почвы могут не коррелировать с выпадением дождей и изменениями температуры, так как органический слой имеет водоудерживающую способность (Clarholm, Rosswall, 1980). По другим данным сезонные флуктуации микробной численности также уменьшались с глубиной (Martinez, 1978; Lundgren, Soderstrom, 1983). Содержание грибных гиф менялось в верхних горизонтах в течение года от 140 до 750 м/г, на глубине 50 см - от 118 до 264 м/г, ниже 50 см содержание гиф оставалось практически стабильным -около 80 м/г на глубине 70 см и 38 м/г на глубине 90 см (Hunt, Fogel, 1983). Некоторые авторы наблюдали сезонные колебания количества углерода и фосфора микробной биомассы (Buchanan, 1992), некоторые, наоборот, отмечали, что углерод биомассы не различался значительно между весной и осенью, возможно, из-за того, что пространственная неоднородность почвы перекрывала сезонные колебания (Ross, Tate, 1993). В одних исследованиях обнаружены колебания в пропорции живых гиф -их численность была значительно больше в июле (Frankland, 1975), в других колебания в численности AO-окрашенных и FDA-окрашенных, то есть жизнеспособных, бактерий не коррелировали (Lundgren, Soderstrom, 1983).

Известно, что численность микроорганизмов в почвах изменяется не только в связи с сезонными изменениями экологических условий, но и в

силу внутренних закономерностей развития микробных популяций (Karl, 1986). Исторические абиотические факторы: pH, t°C, влажность, химические превращения в почвах небиотического характера могут быть первоочередными регуляторами встречаемости для многих грибов, но имеются доказательства, что регулирование может быть связано, в первую очередь, с состоянием микробного сообщества и в настоящее время не поддается описанию (Christensen, 1989). Даже Homo sapiens, пишет Кристенсен, с его гербицидами, может вторгаться в растительное сообщество с меньшими последствиями, чем Penicillia в сообщество почвенных микроорганизмов. Есть данные, что изменения численности носят характер пульсаций и происходят в течение очень коротких промежутков времени (Аристовская, 1972; Мирчинк, Паников, 1985). Наиболее непостоянным уровнем численности и биомассы бактерий отличаются почвы Крайнего Севера. Здесь биологические процессы развиваются с такой скоростью, что в течение 1-2 суток содержание бактерий может увеличиться или уменьшиться в 100-1000 раз (Аристовская, 1965). Последнее может быть связано не столько с изменением общей численности, сколько с особенностями метода посева и изменениями в физиологическом состояния микроорганизмов, так как известно, что в связи с выходом популяции из стресса полнота учета может повышаться на несколько порядков.

Можно ожидать различия в сезонных колебаниях численности бактерий и их биомассе, но закономерности в этих колебаниях между различными годами существуют (Lundgren, Soderstrom, 1983). Некоторые авторы, напротив, сходятся во мнении о невозможности описать закономерности сезонных колебаний некоторых факторов. Единственный фактор, который

показывал выраженный сезонный характер во время исследованного периода (Rastin et al., 1990), представлял собой FDA-активность.

1.1. Факторы, влияющие на динамику микробной биомассы в почвах.

Насколько широк и многообразен диапазон временной изменчивости микробной численности и биомассы в почвах, настолько многочисленны предполагаемые причины, вызывающие эту динамику. Факторы, рассматриваемые в литературе, могли бы быть разделены на несколько типов: климатические условия, почвенные условия, антропогенные воздействия и пространственный фактор.

Много данных о влиянии температуры, влажности, токсичности и аэрированности почвы, ее структуры, содержания в ней питательных веществ, растительности, применяемой обработки и др. на состояние микроорганизмов в почве (Nagel-de Boois, 1971; Wardle, Parkinson, 1990; Has sink et al., 1993; Winding, 1994). Эти факторы влияют на различные уровни биотической системы: молекулярный, клеточный, популяционный, уровень сообщества и даже экосистемы (Кипе, 1994). Несомненно, что микробное сообщество является экологическим маркером на стрессы в почвах (Кипе, 1994; Powlson, 1994).

По мнению многих авторов (Kjoller, Struwe, 1982) численность микроорганизмов в почвах регулируется только влажностью, которая является решающим фактором среды. Рахно (1961) установлено, что в холодное время года численность бактерий в почве больше, чем в теплое, и их количество изменяется пропорционально влажности. В тундрах пики численности часто происходят непосредственно после снегопадов в

результате изменений в условиях увлажнения в микрозонах (Kj oller, Struwe, 1982). Резкое падение содержания грибных гиф в подстилке от ноября к декабрю (Hunt, Fogel, 1983), объясняется вспышкой численности в ноябре в связи с обильным поступлением опада. Здесь следует отметить, что по наблюдениям Аристовской (1980) в тех случаях, когда весной и осенью жизнедеятельность микроорганизмов ограничивается высокой влажностью, максимум численности микрофлоры приходится на относительно сухие летние месяцы. Если влажность не является ограничивающим фактором, она имеет только малое влияние на почвенные биологические процессы (Rastin et al., 1990). Малое же количество биомассы летом может быть более активным, чем большая биомасса осенью (Nagel-de Boois, 1971; Jorgensen, 1990). Интересно, что численность бактерий показала более высокую степень корреляции с почвенной влажностью, чем биомасса (Clarholm, Rosswall, 1980). Другие авторы отмечают отсутствие корреляции между влажностью и количеством почвенных микроорганизмов и объясняют это возможным вымыванием бактериальных клеток из подстилки в нижележащие горизонты по аналогии с водорослями (Алексахина, Штина, 1984). Имеются данные, что колебания в содержании грибных гиф в почве (от 4 д�