Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Структура и активность бактериальных комплексов верховых и низинных торфяных почв

ВАК РФ 03.02.03, Микробиология

Автореферат диссертации по теме "Структура и активность бактериальных комплексов верховых и низинных торфяных почв"

Кухаренко Ольга Сергеевна

СТРУКТУРА И АКТИВНОСТЬ БАКТЕРИАЛЬНЫХ КОМПЛЕКСОВ ВЕРХОВЫХ И НИЗИННЫХ ТОРФЯНЫХ ПОЧВ

Специальность 03.02.03 - микробиология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 з ОКТ 2011

Москва-2011

4857170

Работа выполнена на кафедре биологии почв факультета почвоведения Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Научный руководитель

доктор биологических наук, профессор Д.Г. Звягинцев

Официальные оппоненты

доктор биологических наук, вед. научный сотрудник Л.В. Васильева

доктор биологических наук, профессор А.И. Поздняков

Ведущее учреждение Томский государственный педагогический университет,

биолого-химический факультет, Проблемная лаборатория агроэкологии

Защита диссертации состоится 1 ноября 2011 г. в 15 часов 30 минут в аудитории М-2 на заседании Диссертационного совета Д 501.002.13 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, г. Москва, Ленинские горы, д. 1, строение 12, МГУ имени М.В. Ломоносова, факультет почвоведения.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова.

Автореферат разослан сентября 2011 г.

Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании Диссертационного совета. Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 119991, ГСП-1, Москва, Ленинские горы, МГУ имени М.В. Ломоносова, д. 1, стр.12, ф-т почвоведения, Ученый совет.

Ученый секретарь Диссертационного совета доктор биологических наук,

профессор ^ Г.М. Зенова

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). Не 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; Vandaтте 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 салротрофного комплекса в торфяниках разлого 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.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ 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.

Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю д.б.н. Д.Г. Звягинцеву и особую благодарность моему неизменному наставнику к.б.н. Т.Г. Добровольской. Я очень благодарна сотрудникам кафедры биологии почв к.б.н. A.B. Якушеву за помощь в исследовании бактериальных сообществ кинетическим и

фотометрическим методами, к.б.н. A.B. Головченко за помощь в определении численности бактерий люминесцентно-микроскопическим методом, д.б.н. А.Л. Степанову за содействие в измерении эмиссии диоксида углерода и азотфиксации в почве, к.б.н. H.A. Манучаровой за помощь в определении хитинолитической активности бактерий и при проведении анализов молекулярно-биологическими методами. Благодаря к.б.н. Т.Н. Початковой и к.б.н. JI.A. Позднякову удалось определить некоторые важные физические характеристики исследованных торфяных почв. Я признательна д.б.н. С.Н. Дедыш и к.б.н. С.Э. Беловой за консультацию и помощь в определении некоторых культур бактерий молекулярно-биологическими методами. Фотографии почвенных частиц были получены при содействии д.б.н. Г.Н. Федотова. Спасибо сотрудникам Института лесоведения РАН к.б.н. Т.В. Глуховой и к.б.н. А.Г. Ковалеву за помощь в отборе образцов в Тверской области. Почвенные образцы из Западной Сибири были любезно предоставлены д.с.-х.н. Л.И. Инишевой. Я искренне благодарю всех сотрудников кафедры биологии почв за внимательное отношение и ценные советы.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Объекты

Сравнительный анализ бактериальных сообществ проводили на образцах верховых и низинных торфяных почв южно-таежной подзоны Европейской части России (Тверская область) и Западной Сибири (Томская область). В Тверской области изучали образцы олиготрофной торфяной почвы и евтрофной торфяной почвы, отобранные до глубины 1 м на территории Западнодвинского лесо-болотного стационара Института лесоведения РАН (56°09' с.ш., 32°10' в.д. и 56°09' с.ш., 32°08' в.д.) в июне и августе 2010 г. В Томской области исследовали образцы олиготрофной торфяной почвы (болотный массив «Полынянка», 57°03' с.ш., 82°42' в.д.) и евтрофной торфяной почвы (болотный массив «Таган», 5б°2Г с.ш., 84°47-48' в.д.), отобранные до глубины 3 м в июне, июле и августе 2009 г.

Олиготрофные торфяные почвы характеризуются низкими значениями pH 2,7-5,5 и невысокой степенью разложения торфа 0-20%. Растительный биоценоз составляют разные виды сфагнума (Sphagnum magellanicum, S. fuscum, S. balticum, S. angustifolium), сосна (Pinus sylvestris), клюква (Oxycoccus palustris), пушица (Eriophorum sp.).

pH евтрофных торфяных почв — 5,6-7,0, степень разложения — 35-60%. Растительность представлена березой (Betula sp.), елью (Picea abies), редкими соснами (Pinus sp.), осокой (Carex sp.), кислицей (Oxalis sp.), папоротником, крапивой

(Urtica dioica). Моховой ярус отдельными пятнами представляют: Pleurozium schreheri, Dicranum polysetum, Dicranum scoparium, Hylocomium splendens, Rhytidiadelphus triquetrus, Brachythecium rutabulum, Milium affine, Polytrichum commune, Sphagnum girgensohnii.

Для определения влияния аэрации и температуры на процесс разложения верхового торфа был заложен годовой модельный опыт. Объектом исследования были образцы олиготрофной торфяной почвы (Тверская область), отобранные в октябре 2007 г.: два монолита размером 15 см х 15 см х 30 см сохраняли при температуре 4-6°С и 20-25°С, слои То, Ti и Т2 периодически перемешивали при 20-25°С. На всех стадиях сукцессии осуществляли контроль влажности.

Методы

Общую численность бактерий определяли прямым люминесцентно-микроскопическим методом (Методы почвенной микробиологии и биохимии, 1991). Предварительно десорбировали клетки на ультразвуковом диспергаторе Bandelin Sonopuls HD 2070. Препараты окрашивали водным раствором акридина оранжевого.

Численность и таксономический состав бактерий сапротрофного блока определяли методом посева на шюкозо-пептонно-дрожжевую среду (ГПД). Для ингибирования грибов в среду добавляли нистатин. По полученным данным определяли численность бактерий, выраженную количеством колониеобразующих единиц (КОЕ) на 1 г сухой почвы, долю и частоту встречаемости родов бактерий, а также бактериальное разнообразие (индекс Шеннона). Основных представителей бактерий выделяли в чистую культуру. Идентификацию выделенных штаммов до рода проводили на основании морфологических, культуральных и хемотаксономических признаков (Определитель бактерий Берджи, 1997; Лысак и др., 2003; The Prokaryotes, 2006). Идентификацию некоторых представителей бактерий проводили по результатам секвенирования нуклеотидных последовательностей гена 16S рДНК, была использована программа BLAST (http://www.blast.ncbi.nlm.nih.gov/).

Для определения соотношения вегетативных клеток и спор бацилл проводили прогрев почвенной суспензии перед посевом при 80°С в течение 10 мин.

Для выявления использования бактериями различных органических веществ суспензии высевали на среды с крахмалом, пектином, карбоксиметилцеллюлозой (КМЦ) и яичным желтком. Учет результатов осуществляли в соответствии с руководством (Лысак и др., 2003).

Эмиссию диоксида углерода определяли газохроматографическим методом (Методы почвенной микробиологии и биохимии, 1991).

Динамику роста бактерий на сфагновых экстрактах анализировали по оптической плотности суспензий, измеренной на планшетном фотометре Тесап Sunrise.

Исследование физиологического состояния бактерий в почве, кинетических параметров их роста, а также определение функционального (трофического) разнообразия бактериальных сообществ осуществляли методом кинетического определения физиологического состояния бактерий (Якушев, 2009). Расчет параметров роста проводили по начальному этапу роста смешанных культур в жидких питательных средах на основе синтетической хемостаткой модели роста (СХМ) Паникова (1991). Уравнение, описывающее рост микробной биомассы имеет вид: x(t}=x0 -(1 -г0 +гс

где х(1) - биомасса (г) в момент времени t (ч), х0 - исходная биомасса (г), г0 -значение переменной физиологического состояния в начальный момент времени (в торфе), fim - максимальная удельная скорость роста (ч'1).

Статистическую обработку данных и построение графиков проводили в программах Statistica 8 и IBM Lotus Symphony.

Детальная методика экспериментов представлена в тексте диссертации.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Численность и таксономический состав бактериальных сообществ олиготрофных и евтрофных торфяных почв

Численность бактерий, определенная прямым люминесцентно-микроскопическим методом, была примерно одинаковой в олиготрофной и евтрофной торфяных почвах, составляя 25-75 млрд клеток на 1 г сухой торфяной почвы. Аналогичные высокие показатели численности прокариот характерны, как было показано ранее, для разных типов торфяных почв а также биотопов, в которых происходит аккумуляция растительных остатков - лесные и степные подстилки, дернина и др. (Головченко и др., 2008). В верховом торфянике плотность бактериальных популяций убывала вниз по профилю и не зависела от срока отбора образцов (рис. 1 А). В низинной торфяной почве показатели численности определялись не столько глубиной горизонтов, сколько сроком отбора образцов (рис. 1 Б). Максимальная численность бактерий (75 млрд клеток/г), была зафиксирована в июле - месяце с максимальным количеством осадков. Она плавно уменьшалась вниз по профилю и была в среднем в 2 раза выше в этот период, по сравнению с теплым и сухим месяцем (июнем).

10,2 10,4 10,6 10, Численность, 1д (клеток/г) □ июнь 1ИЮЛЬ

10,2 10,4 10,6 10,8 Численность, 1д(клетою!г) □ июнь | июль

Рис. 1. Численность бактерий, определенная прямым люминесцентно-микроскопическим методом в торфяных почвах Западной Сибири. А: верховой торфяник, Б: низинный торфяник.

Численность бактерий сапротрофного блока, определенная методом посева на среду ГПД, в толще олиготрофного торфяника, представленного только верховым торфом, варьировала от 4 до 10 млн КОЕ/г. С глубины 1 м в результате смены ботанического состава торфа численность увеличивалась на порядок (рис. 2 А). Срок отбора образцов не повлиял на численность бактерий в этом торфянике.

В низинной торфяной почве (рис. 2 Б) численность бактерий была в 4-8 раз выше, чем в верховой. Пределы ее колебаний составили 13-78 млн КОЕ/г. Однако такое превышение численности наблюдалось только в сухой период отбора образцов (июнь). В дождливом месяце (июле) она уменьшалась на порядок.

MeaniSE

Mean: Whisker: MeaniSE

0-25 -♦ч

25-50 □

S о 100-125

I 175-200 ♦ •о-

ю

£ 250-275 ►о.

200-225 ♦с

275-300 -о-

6,4 6,6 6,8 7,0 7,2 7,4 7.6 7,8 8,0 8,2 8,4 Численность, ¡д(КОБг)

□ ИЮНЬ !№ОЛЬ

6.4 6,6 6,8 7.0 7,2 7,4 7,6 7.8 8,0 8.2 8.4 Численность, 1д(КОЕ/г) □ июнь I июль

Рис. 2. Численность бактерий, определенная методом посева в торфяниках Западной Сибири. А: верховой торфяник, Б: низинный торфяник.

Таким образом, исследуемые верховые и низинные торфяные почвы оказались близкими по количеству бактерий, определенных как прямым люминесцентным методом, так и посевом на питательную среду. Этот факт представляется значимым, поскольку свидетельствует об адаптации бактерий к тем неблагоприятным условиям (кислая реакция среды, токсичность сфагнолов и др.), которые складываются в верховых торфяниках. Влияние погоды (сухо-влажно) на численность бактерий проявилось лишь в низинных торфяных почвах, то есть в них идет более активное размножение бактерий. Аналогичные закономерности в плотности, вертикальном распределении бактерий и зависимости от погодных условий были выявлены нами при изучении микробных сообществ торфяников Европейской части России (Тверская область).

Из евтрофных торфяных почв было выделено 18 представителей разных бактериальных таксонов, а из олиготрофных - лишь 8. Доля бактерий гидролитического комплекса составила более 50% в слоях низинного торфа и только 20% в верховом торфе. При этом бактерии-гидролитики представлены в низинных торфяниках большим спектром таксонов (Cytophaga, Myxococcales, Streptomyces, Bacillus, Paenibacillus). В верховых торфяных почвах бактерии гидролитического блока представлены преимущественно бациллами, другие бактерии этой трофической группы редко выделялись в качестве минорных компонентов и, вероятно, ассоциированы с сосудистыми растениями, а не со сфагнумом (Cytophaga, Myxococcales).

В исследуемых торфяных почвах общее бактериальное разнообразие определялось типом торфа. В слоях, представленных верховым торфом показатели индекса Шеннона были меньше единицы, в то время как в низинных торфах они составили от 1,0 до 2,5 с максимумом в травяном слое. Таким образом, максимальным бактериальным разнообразием отличались низинные торфяники.

Таксономическая структура бактериальных сообществ в олиготрофном торфянике во все сроки анализа была монодоминантной (рис. 3). В качестве доминантов выделялись типичные гидробионты - подвижные протеобактерии, представленные родами Aquaspirillum и Comamonas. Однако в результате идентификации этих культур на основе молекулярно-биологических методов все исследованные 20 штаммов оказались принадлежащими к разным видам рода Pseudomonas - Р. ßuorescens, P. koreensis, P. mandelii, P. Uni, P. gingeri, Р. pulida. В сухой и теплый период (июнь) в качестве минорных компонентов выделялись так же бациллы, миксобактерии и цитофаги (рис. 3 А).

Ä

■

2

100 SO 60 ' 40 20 0

Рис. 3. Таксономическая структура прокариотного комплекса в верхом торфянике в июне (А), июле (Б) и августе (В). 1 — подвижные протеобактерии (Aquaspirillum, Comamonas)', 2 — скользящие бактерии (Flavobacterium-Cytophaga, Myxococcales); 3 — бациллы (Bacillus, Paenibacillus); 4 — актинобактерии. Вертикальные линии показывают стандартную ошибку среднего.

В низинных торфах в сухом месяце (июне) доминировали бактерии-гидролитики (рис. 4 А). Они были представлены скользящими бактериями - миксобактериями и цитофагами. В отличие от верхового торфяника, актинобактерии составляли значительную долю в некоторых слоях низинного торфа - до 20-30%. Они были представлены родами Arthrobacter, Rhodococcus и Streptomyces. Бациллы выделялись в качестве минорных компонентов. В большинстве слоев были обнаружены также представители подвижных протеобактерий родов Alcaligenes, Pseudomonas, Aquaspirillum и Comamonas.

100 80 60 ' 40 20 0

D

I

Q

100 80 60

I

Рис. 4. Таксономическая структура прокариотного комплекса в низинном торфянике в июне (А), июле (Б) и августе (В). 1 — G(-) гидробионты (Aquaspirillum, Comamonas, Alcaligenes, Pseudomonas); 2 — скользящие бактерии (Flavobacterium-Cytophaga, Myxococcales); 3 — бациллы (Bacillus, Paenibacillus)', 4 — актинобактерии (Arthrobacter, Rhodococcus, Streptomyces). Вертикальные линии показывают стандартную ошибку среднего.

Однако, если в июне в низинном торфянике доминировали целлюлозоразрушающие бактерии, то в июле и августе (рис. 4 Б, В) после длительных дождей преобладали типичные гидробионты, как и в верховом торфянике. Миксобакгерии и цитофаги выделялись в этот период в качестве субдоминантов или минорных компонентов.

Таким образом, в верховых торфяниках бактериальные сообщества представлены, в основном, подвижными протеобактериями, характерными для водных сред. Бактерии гидролитического комплекса составляют 20%. В низинных торфяниках доминируют бактерии-гидролитики, представленные миксобактериями и цитофагами. В сухой период (июнь) этот комплекс расширяется за счет выделения актинобактерий и бацилл, в результате чего бактерии гидролитического комплекса составляют около 70% от исследуемого бактериального блока. Влажные периоды неблагоприятны для учета бактерий-гидролитиков, так как в доминанты выходят обитатели водной фазы торфяников, представленные, большей частью, олиготрофами.

Основные представители бактерий верховых и низинных торфяных почв были выделены в чистую культуру. Они были проверены на способность проводить различные процессы превращения С и N. Эксперименты показали, что бактерии гидролитического блока, доминирующие в евтрофных торфяных почвах -Myxococcales, Cytophaga и Bacillus, разлагали целлюлозу. Гидролиз крахмала бьи выявлен у представителей родов Bacillus, Arthrobacter, Curtobacterium, Flavobacterium и Janthinobacterium. В верховых торфяниках эти функции выполняют преимущественно бациллы, так как другие представители амилолитиков и целлюлозоразрушающих бактерий практически не выделяются. Бактерии, идентифицированные нами как виды Janthinobacterium agaricum, Janthinobacterium lividum, Bacillus cereus и Bacillus ßrmus-lentus, обнаруженные в олиготрофной торфяной почве, обладали хитинолитической активностью. Доминирующие в верховых торфяниках протеобактерии являются олиготрофами и копиотрофами и не способны расщеплять труднодоступные полисахариды, однако могут проводить другие процессы. Так было установлено, что бактерии родов Pseudomonas и Aquaspirillum обладают липазной, лецитиназной и протеазной активностью, бактерии рода Alcaligenes - лецитиназной. Наличие фенолоксидазной активности было зафиксировано для бактерий родов Aquaspirillum и Alcaligenes. Проявление фенолоксидазной активности является особенно значимой функцией для верховых торфяников. Известно, что полимерные фенольные соединения, накапливающиеся в больших количествах в сфагновых болотах, являются ингибиторами энзимов. При

окислении фенольных полимеров с помощью фенолоксидаз снимается ингибирующее действие фенолов, что приводит к активизации деятельности гидролитиков и деструкции торфа (Freeman et al., 2004; Fenner et al., 2005).

Физиологическое состояние бактериальных сообществ торфяников Хотя численность бактерий, зарегистрированная нами в исследуемых торфяниках, высока (микробный пул, Звягинцев и др., 2005), неизвестно, в каком состоянии находятся там бактерии. Для ответа на этот важнейший вопрос мы провели исследование динамики роста бактериальных сообществ новым кинетическим методом (Якушев, 2009). Анализ кривых роста бактериальных популяций торфяников на разных субстратах позволил проследить четкие различия между верховыми и низинными торфами.

Одной из характеристик роста микробных сообществ является продолжительность лаг-фазы. На большинстве использованных субстратов лаг-фаза в верховых торфяниках оказалась длиннее, чем в низинных (рис. 5). Так на крахмале она составила в среднем 30 часов для верховых торфяников, в то время как прокариотные популяции низинных торфяников росли практически без лаг-фазы.

90 SO 70 60 50 40 30 20 Ю О

Median; Whisker: 25%-75% 25° О

.1 1

А.

крахмал казеин глюкоза фенилаланин маннит

пектин ксилоза твин 20 ацетат Ыа

Субстрат

В верховой торфяник [§0 низинный торфяник

Рис. 5. Продолжительность лаг-фазы бактерий в торфяниках разного генезиса.

Лаг-фаза зависит от двух параметров - начального значения физиологического состояния и максимальной удельной скорости роста: I

hi-

лаг-фаза(ч)=

f¿max

Определение этих параметров оказывается более информативным.

Параметр г0 является начальным значением переменной, характеризующей физиологическое состояние, он отражает готовность метаболической системы бактерий к потреблению того или иного субстрата. Анализ кривых роста показал, что значения параметра га для прокариотных сообществ олиготрофных и евтрофных торфяных почв различны. Бактерии низинных торфяников оказываются более готовыми потреблять такие полисахариды, как крахмал и ксилан (рис. 6). Вероятно, эти соединения в большей степени поступают из отмирающих растительных остатков сосудистых растений, чем из сфагнумов. В свою очередь пектин содержится в большем количестве в верховом торфе. Это приводит к трофической подготовленности бактерий верхового торфяника потреблять пектин, выражающейся в больших значениях г0. Известно, что в олиготрофных торфяниках наблюдается дефицит азота. В нашем эксперименте сообщества верховых торфяников оказались более активными при росте на безазотистой среде. Изучение разнообразия азотфиксирующих бактерий в кислой торфяной почве с помощью анализа генов п(/Н показало их высокое разнообразие (Слободова, 2006; Задорина и др., 2009). Ацетат является продуктом брожения и встречается во всех торфяных почвах. Он активно потреблялся в торфяниках обоих типов.

Median; Whisker: 25%-75%

1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 -0,2

крахмал казеин глюкоза фенилаланин маннит пектин ксилоза твин20 ацетат № Субстрат

1 Верховой торфяник 0 Низинный торфяник

Median; Whisker: 25%-75%

глюкоза ксилоза ацетат фенилаланин маннит крахмал ксилан коричная кислота казеин Субстрат

Рис. 6. Значение переменной, характеризующей физиологическое состояние бактерий в начальный момент времени, в торфяниках разного генезиса. А: Западная Сибирь, Б: Европейская часть России.

Для верховых и низинных торфяников Западной Сибири и Европейской части

России наблюдались одинаковые закономерности.

Значения максимальной удельной скорости роста (максимальная возможная скорость роста, не ограниченная концентрацией субстрата) были выше в евтрофных торфяных почвах по сравнению с олиготрофными (рис. 7).

25 20 15 Ю

ШШ верхов ой торфяник |ШШШ} низинный торфяник

щ 1— Г— СО О) ю Ю СО 11 ^ - • -^г

а & ^ ^ г й

5Я

сг> <=> <=>

Рис. 7. Ранговое распределение значений максимальной удельной скорости роста в торфяниках разного генезиса.

Таким образом, прокариотные сообщества верховых и низинных торфяников четко отличаются между собой. Бактериальное разнообразие и доля бактерий-гидролитиков значительно выше в евтрофных торфяных почвах по сравнению с олиготрофными. Бактериальные популяции низинных торфяников находятся в более активном физиологическом состоянии и способны расти на большем количестве субстратов. Все обнаруженные различия могут быть использованы в качестве факторов, позволяющих объяснить более медленную деструкцию торфа в верховых торфяных почвах по сравнению с низинными.

Влияние аэрации и температуры на функционирование микробных комплексов верховых торфяников (модельный эксперимент) Поскольку в числе факторов, ограничивающих деструкцию торфа в олиготрофных торфяниках, называют недостаток кислорода и низкие температуры, нами был заложен годовой модельный опыт, позволяющий подойти к определению их влияния.

Однако прежде, чем переходить к анализу изменений, произошедших в бактериальных сообществах исследуемого торфяника, следует оценить, что

произошло с самим торфом за год. Показателем интенсивности деструкции растений-торфообразователей является степень разложения торфа. В контрольном монолите в течение года степень разложения, определенная ботаническим методом (ГОСТ 2824589), не изменилась. В горизонте Т0, несмотря на его постоянное перемешивание, также не произошло изменений (табл. 1). В перемешиваемых слоях Т1 и Т2 она увеличилась примерно в 3 раза через 6 месяцев, оставаясь примерно на этом же уровне через год.

Таблица 1.

Степень разложения верхового торфа, определенная ботаническим методом, в перемешиваемых слоях.

Горизонт Вид торфа Степень разложения торфа, %

В начале опыта Через 6 месяцев Через год

То сфагновый верховой (медиум-торф) <5 <5 5-7

Т, сфагновый верховой (медиум-торф) 10-12 35 40

Т2 сфагновый верховой (ангустифолиум-торф) 5-7 15 17

Однако можно ли объективно судить о степени разложения торфа на основании ботанического метода? 2/3 поверхности листа сфагнума занимают гиалиновые (водоносные) клетки, позволяющие ему поглощать воды в 20-30 раз больше по сравнению с весом сухой массы (Денисенков, 2000; Turetsky et al., 2008). Эти клетки состоят из очень прочных тканей, обусловленных особым составом углеводов, которые с трудом поддаются разложению микроорганизмами и тормозят деструкцию мха (Stalheim et al., 2009; Hajek et al., 2011). Эти углеводы, называемые сфагнанами, представляют собой сильно разветвленные полисахариды, имеющие высокий молекулярный вес (Ballance et al., 2007). Наглядные рисунки пористых тканей мхов Sphagnum fuscum под электронным микроскопом, не изменивших свой облик через 3 года исследования, приведены в статье авторов, изучавших деструкцию разных видов мхов в бореальных торфяниках (Turetsky et al., 2008). Таким образом, выявленное нами отсутствие изменений в структуре живого сфагнума (горизонт Т0), даже при его постоянном перемешивании, объясняется устойчивостью тканей сфагнума. Поскольку в горизонтах Ti и Т2 происходит уже постепенное отмирание тканей сфагнума,

механическое воздействие на них, осуществляемое путем постоянного перемешивания этих слоев, еще более нарушает целостность этих растений. Они теряют форму и выглядят полуразложившимися. В результате были получены данные об увеличении степени разложения торфа в горизонтах Т-! и Т2 при их перемешивании (табл. 1). Ботанический метод определения степени разложения зафиксировал именно морфологическое изменение сфагнума, а не минерализацию под действием микроорганизмов. Недаром исследователями отмечается определенная субъективность ботанического анализа (ВоЬНп, 1988; ОипЬе^, 1987). Более объективный показатель степени разложения торфа - соотношение С/Ы в составе органического вещества (ЗПагшкЫе е! а1., 2010). Анализ динамики этого показателя (табл. 2), проводимый в течение года, показал, что в исследованных образцах не изменилось соотношение углерода к азоту. Это свидетельствует о том, что минерализация торфа не происходила.

Таблица 2.

Атомное соотношение C/N в олиготрофном торфянике.

Горизонт Атомное соотношение C/N

Монолит Перемешиваемые слои

В начале опыта Через 6 месяцев Через год В начале опыта Через 6 месяцев Через год

То 49 52 43 56 58 48

Т, 43 46 44 42 42 39

Т2 52 67 58 51 47 5

Тем не менее, улучшение водно-воздушного режима, за счет перемешивания слоев торфа, сопровождалось ростом интенсивности дыхания микробного сообщества. Вероятно, это происходит за счет использования микроорганизмами легкогидролизуемых соединений, так как деструкции трудноразлагаемых соединений торфа не произошло. Кроме того, при перемешивании слоев торфяной почвы устраняется та пространственная разобщенность между микробными клетками и субстратом, которая характерна для ненарушенного торфяника (Звягинцев и др., 2005). В результате микроорганизмы получают доступ к легкогидролизуемым и водорастворимым соединениям, которые составляют в сфагновых торфах до 50% (Раковский, Пигулевская, 1978; Маслов и др., 2003; Hajek, 2009). Уже через месяц после начала эксперимента и до конца опыта, эмиссия СО: в перемешиваемых

образцах Т0 и превышала в 1,5-2 раза величину потока диоксида углерода из монолитных образцов торфа (рис. 8). В слое Т2 на протяжении первых трех месяцев перемешиваемые образцы и образцы монолита достоверно не различались, однако к концу эксперимента различия между вариантами по эмиссии С02 были такими же, как и в верхних слоях торфяника. При пониженной температуре поток диоксида углерода

оказался в 1,5 -3 раза ниже, чем при 20-25°С.

30 90 180 i I монолит при 4-б'С

монолит при 20-25*0 j~j перемешиваемые слои яри 20-25'С

Рис. 8. Эмиссия диоксида углерода в олиготрофной торфяной почве. Вертикальные линии показывают стандартную ошибку среднего.

Численность бактерий, определенная люминесцентно-микроскопическим методом, незначительно изменялась в течение года при разных условиях опыта. Она колебалась от 10 до 60 млрд клеток/г торфяной почвы с максимумом в горизонте То (рис. 9 I), при этом наименьшие временные колебания численности наблюдались при пониженной температуре.

Численность бактерий, определенная на среде ГПД, мало изменялась в течение года, наблюдались в основном нерегулярные колебания численности в пределах одного порядка (рис. 9 II). Выдерживание монолита торфяника при температуре 4-6°С и нарушение структуры путем перемешивания не привело к изменению численности. В целом, концентрация бактерий была максимальной в горизонте Т,, достигая 26 и 50 млн. КОЕ/г на отдельных этапах сукцессии. В горизонтах Т0 и Т2 численность бактерий была меньше и колебалась от 1 до 12 млн. КОЕ/г торфа.

Таким образом, понижение температуры культивирования не сказалось на численности бактерий, что свидетельствует об их адаптации к низким температурам в торфе. Перемешивание слоев торфа, а как следствие улучшение аэрации, также не повлияло на численность бактерий, что подтверждает наличие достаточного количества кислорода в торфяных почвах (Смагин, 2005).

I II

S M«»»1±B£ Б MeamrSE

В MeaniSE В MeanlSE

Время, сутки Время, сутки

Рис. 9. Численность бактерий в олиготрофной торфяной почве в различных вариантах опыта: А — монолит при 20-25°С, Б — монолит при 4-6°С, В — перемешиваемые слои при 20-25°С. [ — определенная методом ЛММ, II — определенная методом посева.

Разные горизонты торфяника четко отличались по таксономической структуре исследуемого бактериального комплекса и их динамике в процессе годового мониторинга. Для верхнего горизонта То характерно доминирование протеобактерий (Aquaspirillum, Comamonas, Pseudomonas, Alcaligenes) на всех этапах сукцессии (рис.10).

А % 50

0 100

Б % 50

0 100

В 50

-luíala .lilllllo

■llalli

□ □ □ а D _ □ а а □ о а □

D □

а

□ СП о сз

100 А % 50

100

Б % 50

Huí ш

I. .11

□

□

О D □ □ □ П

, □ а □

п

□

□

100

100

А % 50

100

Б % 50

III□□□□□□а

8 S 8 S 8 g ¡ °8S888g¡S°S588?3 8

D о i 1 о □ D

iihlh п. i.I

□ □

□ U O

В 50 ■ I - Г- —

% g о - - а 1 В □ = п □

° s з a a g - Э Q О О О О О tí> О О со <г> сч й со со о=> о <о 8 ГЧ о о 1Г) <п

Время, сутки

Протеобактерии

|_| Актннобэктерии [ZUD Бациллы

Рис. 10. Таксономическая структура прокариотного комплекса в олиготрофной торфяной почве в различных вариантах опыта. А — монолит при 20-25°С, Б — монолит при 4-6°С, В — перемешиваемые слои при 20-25°С.

При этом доминирование сохранялось как при низких температурах, так и при перемешивании этого горизонта. Вторым доминантам исходно были актинобактерии

(Arthrobacter и Streptomyces). Их доля резко уменьшалась при низкой температуре, в то время как перемешивание торфа, способствующее усилению аэрации, наоборот, стимулировало развитие актинобактерий. Это проявилось в увеличении их доли на всех этапах сукцессии и выделению стрептомицетов в качестве монодоминантов через год после начала опыта.

В горизонте Ti на всех этапах сукцессии при температуре 20-25°С доминировали протеобактерии и бациллы, составляя примерно равные доли. Актинобактерии были минорными компонентами, либо вообще не выделялись. Как низкая температура, так и перемешивание, привели к доминированию спорообразующих бактерий в этом горизонте. Следует также отметить, что перемешивание положительно повлияло и на развитие актинобактерий, они постоянно выделялись в качестве минорных компонентов или субдоминантов и их доля составляла 20-30%.

Бактериальные сообщества горизонтов Ti и Т2 имели однотипную таксономическую структуру. Различия проявлялись лишь в содержании актинобактерий, которые либо вообще не выделялись из нижнего (Т:) горизонта торфяника, либо обнаруживались на некоторых этапах сукцессии в качестве минорных компонентов.

Чтобы определить в каком состоянии находятся доминирующие в горизонтах Т, и Т2 бациллы, был произведен прогрев почвенной суспензии при 80°С перед посевом на среды. В результате было показано, что бациллы находятся в исследуемых горизонтах в активном состоянии. Вегетативные клетки составляли 70-90% на разных этапах опыта. Бациллы были представлены видами: Bacillus firmus-lentus, В. cereus, В. licheniformis, В. subtilis, В, pumilus, В. sphaericus, Paenibacillus polymyxa, Р. macerans, Р. macquariensis, В. azotoformans. Таким образом, высокое разнообразие спорообразующих бактерий, среди которых обнаружены активные целлюлолитики {Paenibacillus polymyxa, P.macerans), нахождение бацилл в активной вегетативной форме и рост при низких температурах позволяют заключить, что именно эти фирмикуты могут быть основными деструкторами растительных остатков в верховых торфах.

Перемешивание торфяных масс в исследуемых горизонтах торфяной почвы привело к четким изменениям в структуре бактериального сообщества - на всех этапах сукцессии значительно увеличилась доля бацилл и актиномицетов, т. е. бактерий гидролитического блока. Однако при пониженной температуре уменьшилась доля актинобактерий, представленных стрептомицетами.

Итак, постановка модельного опыта, связанного с изучением процесса

деструкции торфа при разных условиях аэрации и температуры, позволила вьивить важные моменты, позволившие оценить значимость влияния этих факторов на структуру бактериального сапротрофного блока верхового торфяника и его функционирование. Усиление аэрации, за счет перемешивания слоев торфа, не сказалось на численности бактерий, но вызвало перестройку в соотношении эколого-трофических групп в пользу гидролитиков. К низким температурам (4-б°С), характерным для верховых торфяных почв, адаптированы доминирующие в сапротрофном блоке бактерий подвижные протеобактерии и бациллы, но не стрептомицеты.

Влияние экстрактов из сфагнума на рост бактерий

В качестве одного из факторов, замедляющих деструкцию верхового торфа, называют токсичность сфагновых веществ (сфагнолов). Для проверки действия сфагновых экстрактов на рост бактерий, нами были приготовлены водные и спиртовые вытяжки из сфагновых мхов (в исходной пропорции 50 г влажного мха на 100 мл жидкости).

Результаты выявили следующую тенденцию: протеобактерии, доминирующие в верховых торфяниках (например, Pseudomonas и Aquaspirillum) не подвергались ингибирующему действию сфагновых веществ (рис. 11). В то же время, бактерии, выделенные из других биотопов и не характерные для верховых торфяников (например, Cytophaga, Cellulomonas), испытывали негативное влияние. Спиртовая вытяжка значительно замедляла или полностью ингибировала их рост.

Характер роста бактерий, доминирующих в торфяных почвах, не изменялся под действием вытяжек разных концентраций. При этом даже сильно разбавленные экстракты из сфагнума оказывали негативное влияние на рост бактерий, не характерных для торфяных почв. Таким образом, возможно, что одной из причин низкого разнообразия бактерий гидролитического комплекса в верховых торфяниках, может быть токсичность сфагнолов по отношению к этим бактериям.

» водная вытяжка « спиртовая вытяжка « контроль (на ГПД)

Рис. 11. Влияние водно-этанольных экстрактов из сфагнума на рост бактерий.

Заключение

Общая численность бактерий в исследованных олиготрофных и евтрофных торфяных почвах оказалась очень высокой — 105- 10'" клеток/г, а по методу посева — 107- 10® КОЕ/г. Эти показатели соответствуют данным, полученным ранее для разных типов торфяников (Головченко и др., 2008). Однако нами было показано, что эти почвы четко отличаются по структуре и активности бактериальных сообществ. В верховых торфяниках ниже бактериальное разнообразие, доля и спектр бактерий гидролитического комплекса. Бактериальные сообщества этих почв находятся в менее активном физиологическом состоянии и способны расти на более узком спектре органических субстратов по сравнению с низинными торфяными почвами. Полученные данные могут рассматриваться в качестве объяснения замедленной деструкции растительных остатков в олиготрофных торфяниках. Многие исследователи утверждают, что основными факторами, тормозящими разложение верхового торфа, являются низкая температура, анаэробиоз, низкие значения рН, действие веществ фенольной природы. Однако результаты наших исследований

показали, что большинство этих факторов не являются решающими - в плане их воздействия на функционирование бактериальных сообществ и деструкцию торфа. Улучшение аэрации за счет перемешивания торфа не вызвало подъем численности бактерий, что свидетельствует о достаточной для бактерий концентрации кислорода в верховых торфяниках (Смагин, 2005). При низких температурах не снижалась как численность, так и доля бацилл и протеобактерий, доминирующих в верховых торфяниках. Что касается фенольных веществ, содержащихся в сфагновых экстрактах, то они не оказали ингибирующего влияния на рост представителей бактерий, характерных для олиготрофной торфяной почвы. Несмотря на то, что усиление аэрации привело к увеличению доли бацилл и актиномицетов, являющихся представителями гидролитического блока бактерий, степень разложения торфа не изменилась за исследуемый срок (год). Мы полагаем, что наличие таких факторов, как низкая температура, анаэробиоз или фенольные соединения, могут оказывать негативное влияние на развитие и функционирование бактерий в микролокусах верховой торфяной почвы, но не являются определяющими в процессе разложения торфа. Основной причиной замедленного разложения растительных остатков в верховых торфяниках является, по-видимому, особый состав полисахаридов растений-торфообразователей. Олиготрофные торфа сложены преимущественно сфагнумом. Клетки сфагновых мхов состоят из сложных углеводов, которые с трудом поддаются деградации, даже грибами (ТигеЫсу е1 а1., 2008; На]ек е1 а!., 2011). Высказано предположение, что даже при потеплении климата и более сухих условиях среды, сфагновые мхи не будут разрушаться быстрее (Тиг^эку е1 а1., 2008).

Таким образом, рассматривая функции бактерий в верховых торфяниках, следует оценивать не их гидролитические способности, связанные с деструкцией сложных полисахаридов, а использование ими тех водорастворимых углеводов, которые содержатся в верховых болотах в значительных количествах, а также липидов и фенольных соединений. Нами установлено, что выделенные культуры бактерий обладают амилолитической, протеазной, липазной, лецитиназной, фенолоксидазной активностью.

ВЫВОДЫ

1. Впервые выявлены четкие различия в структуре бактериальных сообществ верховых и низинных торфяников. Общее бактериальное разнообразие и спектр бакгерий-гидролитиков значительно шире в низинных торфяниках.

2. Водно-этанольные экстракты из сфагнума не оказали ингибирующего влияния

на рост бактерий, типичных для олиготрофных торфяных почв, но значительно подавляли развитие бактерий, выделенных из других биотопов. Этот факт позволяет объяснить низкое разнообразие бактерий в верховых торфяниках.

3. Бактериальные сообщества верховых торфяников отличаются большей продолжительностью лаг-фазы, более узким спектром потребляемых субстратов и меньшими значениями максимальной удельной скорости роста (fim) по сравнению с низинными торфяниками.

4. Во всех горизонтах верхового торфяника доминируют подвижные протеобактерии — типичные обитатели водной фазы. Бактерии гидролитического блока представлены разными видами родов Bacillus и Paenibacillus.

5. Бациллы находятся в исследуемом торфянике в активной форме и потенциально способны гидролизовать различные полисахариды. Представители протеобактерии обладают протеазной, липазной, лецитиназной и фенолоксидазной активностью.

6. Изменение аэрации и температуры не влияет на показатели численности бактерий. Перемешивание слоев торфа приводит к увеличению доли бацилл в слоях Ti и и актинобакгерий — в слое То. К низким температурам, характерным для олиготрофных торфяных почв, адаптированы доминирующие в них протеобактерии и бациллы, но не стрептомицеты.

7. Перемешивание слоев олиготрофного торфа не способствует его минерализации, но вызывает механическое повреждение тканей сфагнума в горизонтах Ti и Тг, в то время как в Т0 сфагнум остается ненарушенным.

8. Основным фактором, ограничивающим деструкцию верхового торфа, является устойчивость тканей сфагнума к микробной деструкции. Аэрация и температура являются второстепенньми факторами, ограничивающими деятельность бактерий определенных групп в микролокусах.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Головченко A.B., Добровольская Т.Г., Семенова Т.А., Богданова О.Ю., Кухаренко О.С. Влияние температуры на структуру микробных сообществ верхового торфяника (модельный опыт)// Вестник ТГПУ. 2010. Вып. 3. С. 92-100.

2. Якушев A.B., Кухаренко О.С. Сравнение кинетических параметров бактерий-деструкторов полимеров в торфах и вермикомпостах// Материалы XVII международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по фундаментальным наукам «Ломоносов-2010». М.: Макс Пресс, 2010. С. 121-122.

3. Кухаренко О.С., Павлова Н.С., Добровольская Т.Г., Головченко A.B., Початкова Т.Н., Зенова Г.М., Звягинцев Д.Г. Влияние аэрации и температуры на структуру бактериальных комплексов верхового торфяника// Почвоведение. 2010. № 5. С. 614620.

4. Добровольская Т.Г., Головченко A.B., Кухаренко О.С., Богданова О.Ю., Павлова H.A., Зенова Г.М. Влияние аэрации на функционирование микробных комплексов верхового торфяника в модельном эксперименте// Материалы VII Международной конференции «Современное состояние и перспективы развития микробиологии и биотехнологии». Минск: Беларуская навука, 2010. С. 23-25.

5. Кухаренко О.С., Манучарова H.A., Добровольская Т.Г. Особенности бактериальных сообществ гидроморфных почв северных регионов// Вестник МГУ. 2010. №4. С. 41-43.

6. Головченко A.B., Добровольская Т.Г., Кухаренко О.С., Семенова Т.А., Богданова О.Ю., Звягинцев Д.Г. Влияние аэрации и температуры на структуру и функционирование микробных комплексов верхового торфяника (модельные опыты)// Материалы VII Всероссийской с международным участием научной школы «Болота и биосфера». Томск: изд-во Томского государственного педагогического университета, 2010. С. 36-41.

7. Головченко A.B., Панкратов Т.А., Добровольская Т.Г., Кухаренко О.С. Торфяные почвы как банк бактериального разнообразия// Труды института экологического почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова «Роль почв в биосфере». М.: Макс Пресс, 2010. Вып. 10. С. 181-209.

8. Якушев A.B., Кухаренко О.С., Добровольская Т.Г. Влияние комплекса биологически активных веществ сфагнума на рост бактерий, выделенных из различных биотопов// Материалы всероссийского симпозиума с международным участием «Биологически активные вещества микроорганизмов: прошлое, настоящее, будущее. М.: Макс Пресс, 2011. С. 148.

9. Добровольская Т.Г., Головченко A.B., Семенова Т.А., Кухаренко О.С., Инишева Л.И. Влияние аэрации на структуру микробных комплексов низинных торфяников// Вестник ТГПУ. 2011. Вып. 5. С. 117-125.

10. Кухаренко О.С., Якушев A.B., Добровольская Т.Г., Головченко A.B. Влияние аномальной жары на численность, структуру и физиологическое состояние бактериальных комплексов торфяников// Материалы Третьего Международного полевого симпозиума «Торфяники Западной Сибири и цикл углерода: прошлое и настоящее». Новосибирск: Талер-Пресс, 2011. С. 34-35.

Подписано в печать 15.09.2011 Формат 60x88 1/16. Объем 1.0 п.л. Тираж 120 экз. Заказ № 1139 Отпечатано в ООО «Соцветие красок» 119991 г.Москва, Ленинские горы, д.1 Главное здание МГУ, к. А-102

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Кухаренко, Ольга Сергеевна

1. ВВЕДЕНИЕ.

Научная новизна.

Практическая значимость.

Апробация работы.

Объем и структура работы, публикации.

Благодарность.

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

2.1. Торфяные почвы и их экологическая значимость.

2.2. Численность, состав и функции бактериальных сообществ торфяных почв.

2.3. Влияние различных экологических факторов на жизнедеятельность микроорганизмов в торфяниках.

2.4. Особая структура и химический состав мхов рода Sphagnum как факторы, определяющие медленную минерализацию сфагнового торфа.

3. ОБЪЕКТЫ.

4. МЕТОДЫ.

5. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

5.1. Сравнение некоторых физических свойств горизонтов Т] и Т2 верхового и низинного торфяников.

5.2. Численность и таксономический состав бактериальных комплексов верховых и низинных торфяников

5.2.1.Западная Сибирь (Томская область).

5.2.2.Европейская часть России (Тверская область).

5.3. Потенциальная ферментативная активность бактерий в торфяных почвах.

5.4. Физиологическое состояние бактериальных сообществ торфяников.

5.5. Влияние аэрации и температуры на функционирование микробных комплексов олиготрофной торфяной почвы (модельный эксперимент).

5.5.1.Интенсивность деструкции торфа.

5.5.2.Численность и таксономический состав бактериальных сообществ.

5.6. Влияние экстрактов из сфагнума на рост бактерий.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Структура и активность бактериальных комплексов верховых и низинных торфяных почв"

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 (Gorharn, 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). Не 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., 1998a, б). 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:

1. Определить и сравнить численность и таксономическую структуру бактериальных комплексов в верховых и низинных торфяниках Европейской части России и Западной Сибири.

2. Сравнить физиологическое состояние и способность к использованию разных субстратов бактериальными сообществами верховых и низинных торфяников на основании кинетических параметров.

3. Оценить в модельном опыте влияние аэрации и температуры на структуру и активность функционирования бактериальных комплексов верхового торфяника.

4. 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.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

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.

Заключение Диссертация по теме "Микробиология", Кухаренко, Ольга Сергеевна

7. ВЫВОДЫ.

1. Впервые выявлены четкие различия в структуре бактериальных сообществ верховых и низинных торфяников. Общее бактериальное разнообразие и спектр бактерий-гидролитиков значительно шире в низинных торфяниках.

2. Водно-этанольные экстракты из сфагнума не оказали ингибирующего влияния на рост бактерий, типичных для олиготрофных торфяных почв, но значительно подавляли развитие бактерий, выделенных из других биотопов. Этот факт позволяет объяснить низкое разнообразие бактерий в верховых торфяниках.

3. Бактериальные сообщества верховых торфяников отличаются большей продолжительностью лаг-фазы, более узким спектром потребляемых субстратов и меньшими значениями максимальной удельной скорости роста (ßm) по сравнению с низинными торфяниками.

4. Во всех горизонтах верхового торфяника доминируют подвижные протеобактери— типичные обитатели водной фазы. Бактерии гидролитического блока представлены разными видами родов Bacillus и Paenibacillus.

5. Бациллы находятся в исследуемом торфянике в активной форме и потенциально способны гидролизовать различные полисахариды. Представители протеобакгерий обладают протеазной, липазной, лецитиназной и фенолоксидазной активностью.

6. Изменение аэрации и температуры не влияет на показатели численности бактерий. Перемешивание слоев торфа приводит к увеличению доли бацилл в слоях Ti и Т2 и актинобактерий — в слое Т0. К низким температурам, характерным для олиготрофных торфяных почв, адаптированы доминирующие в них протеобактерии и бациллы, но не стрептомицеты.

7. Перемешивание слоев олиготрофного торфа не способствует его минерализации, но вызывает механическое повреждение тканей сфагнума в горизонтах Ti и Т2, в то время как в Т0 сфагнум остается ненарушенным.

8. Основным фактором, ограничивающим деструкцию верхового торфа, является устойчивость тканей сфагнума к микробной деструкции. Аэрация и температура являются второстепенными факторами, ограничивающими деятельность бактерий определенных групп в микролокусах.

6. ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Общая численность бактерий в исследованных олиготрофных и евтрофных торфяных почвах оказалась очень высокой — 109- Ю10 клеток/г, а по методу посева — 107- 108 КОЕ/г. Эти показатели соответствуют данным, полученным ранее для разных типов торфяников (Головченко и др., 2008). Однако нами было показано, что эти почвы четко отличаются по структуре и активности бактериальных сообществ. В верховых торфяниках ниже бактериальное разнообразие, доля и спектр бактерий гидролитического комплекса. Бактериальные сообщества этих почв находятся в менее активном физиологическом состоянии и способны расти на более узком спектре органических субстратов по сравнению с низинными торфяными почвами. Полученные данные могут рассматриваться в качестве объяснения замедленной деструкции растительных остатков в олиготрофных торфяниках. Многие исследователи утверждают, что основными факторами, тормозящими разложение верхового торфа, являются низкая температура, анаэробиоз, низкие значения рН, действие веществ фенолыюй природы. Однако результаты наших исследований показали, что большинство этих факторов не являются решающими - в плане их воздействия на функционирование бактериальных сообществ и деструкцию торфа. Улучшение аэрации за счет перемешивания торфа не вызвало подъем численности бактерий, что свидетельствует о достаточной для бактерий концентрации кислорода в верховых торфяниках (Смагин, 2005). При низких температурах не снижалась как численность, так и доля бацилл и протеобактерий, доминирующих в верховых торфяниках. Что касается фенольных веществ, содержащихся в сфагновых экстрактах, то они не оказали ингибирующего влияния на рост представителей бактерий, характерных для олиготрофной торфяной почвы. Несмотря на то, что усиление аэрации привело к увеличению доли бацилл и актиномицетов, являющихся представителями гидролитического блока бактерий, степень разложения торфа не изменилась за исследуемый срок (год). Мы полагаем, что наличие таких факторов, как низкая температура, анаэробиоз или фенольные соединения, могут оказывать негативное влияние на развитие и функционирование бактерий в микролокусах верховой торфяной почвы, но не являются определяющими в процессе разложения торфа. Основной причиной замедленного разложения растительных остатков в верховых торфяниках является, по-видимому, особый состав полисахаридов растений-торфообразователей. Олиготрофные торфа сложены преимущественно сфагнумом. Клетки сфагновых мхов состоят из сложных углеводов, которые с трудом поддаются деградации, даже грибами (Тиг^эку е1 а1., 2008; Hajek е1 а1., 2011). Высказано предположение, что даже при потеплении климата и более сухих условиях среды, сфагновые мхи не будут разрушаться быстрее ("Пш^ку е1 а1., 2008).

Таким образом, рассматривая функции бактерий в верховых торфяниках, следует оценивать не их гидролитические способности, связанные с деструкцией сложных полисахаридов, а использование ими тех водорастворимых углеводов, которые содержатся в верховых болотах в значительных количествах, а также липидов и фенольных соединений. Нами установлено, что выделенные культуры бактерий обладают амилолитической, протеазной, липазной, лецитиназной, фенолоксидазной активностью. Бациллы и протеобактерии обладают нитрогеназной активностью и снабжают почву азотом.

Библиография Диссертация по биологии, кандидата биологических наук, Кухаренко, Ольга Сергеевна, Москва

1. Архипов B.C., Маслов С.Г. Состав и свойства типичных видов торфа центральной части Западной Сибири// Химия растительного сырья. 1998. № 4. С. 9-16.

2. Бамбалов H.H. Анализ биологических факторов разложения органического вещества в болотной среде// Материалы пятой научной школы "Болота и биосфера". Томск: Изд-во ЦНТИ, 2006. С. 18-27.

3. Бахнов В.К. Биогеохимические аспекты болотообразовательного процесса. Новосибирск: Наука, 1986. 192 с.

4. Бахнов В.К. Биогеохимия болотного почвообразования// Материалы пятой научной школы «Болота и биосфера». Томск: Изд-во ЦНТИ, 2006. С. 8-18.

5. Белова С.Э., Панкратов Т.А., Дедыш С.Н. Бактерии рода Burkholderia как типичный компонент микробного сообщества сфагновых болот// Микробиология. 2006. Т. 75, № 1.С. 110-117.

6. Бубина А.Б. Характеристика микрофлоры торфов эвтрофного болота// Вестник ТГПУ. 2010. Вып. 3 (93). С. 142-148.

7. Вавуло Ф.П. Микрофлора почв Белорусской ССР// Микрофлора почв северной и средней части СССР. М: Наука, 1966. С. 114-135.

8. Васильева Л.В. Олиготрофы как компонент биогеоценоза/ Почвенные организмы как компоненты биогеоценозов. М.: Наука, 1984. С. 232-241.

9. Васильева Л.В. Простекобактерии почвы/ Автореф. дис. . доктора биол. наук. М., 1990. 32 с

10. Васильева Л.В., Семенов A.M., Гиниятулина А.И. Новые виды почвенных бактерий рода Prosthecomicrobium!/ Микробиология. 1991. Т. 60. № 2. С. 350-359.

11. Вомперский С.Э., Иванов А.И., Цыганова О.П., Валяева H.A., Глухова Т.В., Дубинин А.И., Глухов А.И., Маркелова Л.Г. Заболоченные органогенные почвы и болота России и запас углерода в их торфах// Почвоведение. 1994. № 12. С. 17-25.

12. Гантимурова Н.И. Микрофлора торфяно-болотных почв/ Микрофлора почв Западной Сибири. Новосибирск: Наука, 1970. С. 148-170.

13. Глаголев М.В., Сирин A.A., Лапшина Е.Д., Филиппов И.В. Изучение поток углеродсодержащих парниковых газов в болотных экосистемах Западной Сибири// Вестник ТГПУ. 2010. № 3 (93). С. 120-127.

14. Головченко A.B., Добровольская Т.Г., Звягинцев Д.Г. Микробиологические основы оценки торфяника как профильного почвенного тела// Вестник ТГПУ. 2008. Вып. 4 (78). С. 46-53.

15. Головченко A.B., Полянская Л.М., Добровольская Т.Г., Васильева Л.В., Чернов И.Ю., Звягинцев Д.Г. Особенности пространственного распределения и структуры микробных комплексов болотно-лесных экосистем// Почвоведение. 1993. № 10. С. 7889.

16. Головченко A.B., Санникова Ю.В., Добровольская Т.Г., Звягинцев Д.Г. Сапротрофный бактериальный комплекс верховых торфяников Западной Сибири// Микробиология. 2005. Т. 74. № 4. с. 545-551.

17. Гродницкая И. Д., Сорокин Н.Д. Почвенно-микробиологический мониторинг лесоболотных экосистем Западной Сибири// Почвоведение. 2004. № 8. С. 945-951.

18. Дедыш С.Н. Ацидофильные метанотрофные бактерии/ Дис. . доктора биол. наук. М.: МАКС Пресс, 2005. 235 с.

19. Дедыш С.Н., Куличевская И.С. Планктомицеты: загадочные красавцы из мира бактерий// Природа. 2010. № 5 (1137). С. 27-35.

20. Денисенков В.П. Основы болотоведения. С.-Пб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та , 2000. 224 с.

21. Дмитрук В.Н. Сравнительное фармакогностическое исследование растений рода Sphagnum и перспективы их использования/ Автореф дис. . канд. фармацевт, наук. Самара, 2008. 22 с.

22. Добровольская Т.Г. Структура бактериальных сообществ почв. М.:ИКЦ "Академкнига", 2002. 282 с.

23. Добровольская Т.Г., Головченко A.B. Эколого-таксономическая структура бактериальных сообществ лесных почв гидроморфного ряда// Вестник МГУ. Сер. 17. Почвоведение. 1999. № 1. С. 55-58.

24. Добровольская Т.Г., Кухаренко О.С., Головченко A.B. Особенности таксономического состава бактериальных комплексов торфяников разного генезиса// Материалы четвертой научной школы «Болота и биосфера». Томск: Изд-во ЦНТИ, 2005. С. 169174.

25. Добровольская Т.Г., Полянская JI.M., Головченко A.B., Смагина М.В., Звягинцев Д.Г. Микробный пул в торфяных почвах// Почвоведение. 1991. № 7. С. 69-77.

26. Добровольская Т.Г., Скворцова И.Н., Лысак JI.B. Методы выделения и идентификации почвенных бактерий. М.: Изд-во МГУ. 1989. 71 с.

27. Ефимов В.Н. Торфяные почвы и их плодородие. JL: Агропромиздат. Ленингр. отд-ние, 1986. 269 с.

28. Жданникова E.H. Микробиологическая характеристика торфяно-болотных почв Томской области/ Заболоченные леса и болота Сибири. М.: АН СССР, 1963. С. 170182.

29. Заварзин Г.А. Бактерии и состав биосферы. М.: Наука, 1984. 199 с.

30. Заварзин Г.А. Лекции по природоведческой микробиологии. М.: Наука, 2003. 348 с.

31. Задорина Е.В., Слободова Н.В., Булыгина Е.С., Колганова Т.В., Кравченко И.К., Кузнецов Б.Б. Оценка разнообразия диазотрофов в торфяной почве методом клонирования гена nifi\/I Микробиология. 2009. Т. 78. № 2. С. 252-260.

32. Зайцева Т.Л., Навоша Ю.Ю., Шеремет Л.С., Пармон C.B. Усовершенствованный метод количественного определения биологически активных тритерпеноидов в экстрактах торфа и растений-торфообразователей// Химия растительного сырья. 2000. № 4. С. 35-37.

33. Звягинцев Д.Г. Почва и микроорганизмы. М.: МГУ, 1987. 256 с.

34. Звягинцев Д.Г., Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв. М.: Изд-во МГУ, 2005. С. 290-294.

35. Зенова Г.М., Дуброва М.С., Звягинцев Д.Г. Структурно-функциональные особенности комплексов почвенных психротолерантных актиномицетов// Почвоведение. 2010. Т 43. № 4. С. 482-487.

36. Зенова Г.М., Лысенко A.M., Манучарова H.A., Курапова А.И., Дуброва М.С.

37. Таксономическая и функциональная структура психротолерантных и термотолерантных комплексов почвенных актиномицетов// Теоретическая и прикладная экология. 2008. № 3. С. 66-72.

38. Зименко Т.Г. Микробные ценозы торфяных почв и их функционирование. Минск: Наука и техника, 1983. 179 с.

39. Зименко Т.Г. Микрофлора торфяных почв/ Микрофлора почв северной и средней части СССР. М: Наука, 1966. С. 136-166.

40. Иванов A.A., Юдина Н.В., Ломовский О.И. Механохимическая обработка верхового торфа// Химия растительного сырья. 2004. № 2. С. 55-60.

41. Иванова Е.С. Трансформация органического вещества торфов разного ботанического состава// Материалы пятой научной школы «Болота и биосфера». Томск: Изд-во ЦНТИ, 2006. С. 191-197.

42. Инишева Л.И. Агрономическая природа торфа// Химия растительного сырья. 1998. № 4. С. 17-22.

43. Инишева Л.И. Болота, их роль в геостоке Земли// Материалы четвертой научной школы «Болота и биосфера». Томск: Изд-во ЦНТИ, 2005. С. 22-31.

44. Инишева Л.И. Роль болот в круговороте углерода// Материалы третьей научной школы «Болота и биосфера». Томск: Изд-во ЦНТИ, 2004. С. 21-22.

45. Инишева Л.И., Виноградов В.Ю., Голубина O.A., Ларина Г.В., Порохина Е.В., Шинкеева H.A., Шурова М.В. Болотные стационары Томского государственного педагогического университета. Томск: Изд-во ТГПУ, 2010. 118 с.

46. Классификация и диагностика почв России/ Под ред. Шишова Л.Л. и др. Смоленск: Ойкумена, 2004. 342 с.

47. Классификация и диагностика почв СССР. М.: Колос, 1977. 224 с.

48. Ковалев Н.Г., Поздняков А.И., Мусекаев Д.А., Позднякова Л.А. Торф, торфяные почвы, удобрения. М.: ВНИИМЗ, 1998. 239 с.

49. Куличевская И.С., Панкратов Т.А., Дедыш С.Н. Выявление представителей Planctomycetes в сфагновых болотах с использованием молекулярных и культуральных подходов// Микробиология. 2006. Т. 75. № 3. С. 389-396.

50. Кухаренко О.С., Добровольская Т.Г., Головченко A.B., Степанов A.JL, Матышак Г.В. Структура гетеротрофного блока бактерий в тундровых почвах полуострова Ямал// Почвоведение. 2009. № 4. С. 463-468.

51. Лысак Л.В., Добровольская Т.Г., Скворцова И.Н. Методы оценки бактериального разнообразия почв и идентификации почвенных бактерий. М.: Макс Пресс, 2003. 120 с.

52. Максимова О.П. Микробиологическое исследование торфа// Труды ин-та торфа. 1934. № 13.С. 107-113.

53. Манучарова H.A. Молекупярно-биологические аспекты исследований в экологии и микробиологии/ Учебное пособие. М.: Изд-во МГУ, 2010. 47 с.

54. Манучарова H.A., Белова Э.В., Полянская Л.М., Зенова Г.М. Хитинолитический акгиномицетный комплекс чернозема//Микробиология. 2004. Т. 73. № 1. С. 68-72.

55. Манучарова H.A., Власенко А.Н., Белова Э.В., Зенова Г.М., Добровольская Т.Г., Степанов А.Л. Методические аспекты определения использования хитина почвенными микроорганизмами// Известия РАН. Сер. Биологическая. 2008. № 5. С. 635-640.

56. Маслов С.Г., Архипов B.C. Химический состав торфа и направления его использования// Материалы четвертой научной школы «Болота и биосфера». Томск: Изд-во ЦНТИ, 2005. С.83-89.

57. Маслов С.Г., Долгих С.М., Чубик П.С., Годунов Е.Б. Влияние типа и группового состава торфа на свойства буровых растворов// Химия растительного сырья. 2003. № 3. С. 57-67.

58. Методы общей бактериологии/ Под ред. Герхардта и др. М.: Мир, 1983. Т. 1. С. 483485.

59. Методы почвенной микробиологии и биохимии/ Под ред. Звягинцева Д.Г. М.: Изд-во МГУ, 1991.303 с.

60. Надирова И.М., Александрушкина Н.И., Добровольская Т.Г. Дифференциация видов Bacillus firmus и Bacillus lentusll Микробиология. 1992. Т. 61 № 3. С. 501-507.

61. Николаева И.В., Початкова Т.Н., Манучаров A.C. Влияние длительного примененияудобрений на реологические свойства чернозема типичного// Вестник ОГУ. 2007. № 12. С. 91-95.

62. Омельченко М.В., Васильева Л.В., Заварзин Г.А.,. Савельева Н.Д., Лысенко A.M., Митюшина Л.Л., Хмеленина В.Н., Троценко Ю.А. Новый психрофильный метанотроф рода Methylobacterll Микробиология. 1996. № 65. С. 384-389.

63. Определитель бактерий Берджи. М.: Мир, 1997. Т1, 2.800 с.

64. Паников Н.С. Кинетика роста микроорганизмов. М.: Наука, 1991. 311с.

65. Панкратов Т.А., Белова С.Э., Дедыш С.Н. Оценка филогенетического разнообразия прокариотных микроорганизмов в сфагновых болотах методом FISH // Микробиология. 2005. Т. 74. № 6. С. 831-837.

66. Панкратов Т.А., Дедыш С.Н. Целлюлозолитические стрептомицеты из сфагновых болот и факторы, определяющие их активность// Микробиология. 2009. Т. 78. № 2. С. 261-267.

67. Поздняков А.И. Электрофизические методы исследования почв/ Методическое пособие. М.: Изд-во МГУ, 2009. 38 с.

68. Поздняков А.И., Гюлалыев Ч.Г. Электрофизические свойства некоторых почв. Москва-Баку «Адильоглы», 2004. 240 с.

69. Поздняков А.И., Позднякова А.Д. Электрофизика почв/ Научно-методическое пособие. Москва-Дмитров, 2004. 48 с.

70. Раковский В.Е., Пигулевская Л.В. Химия и генезис торфа. М.: Недра, 1978. 231 с.

71. Савельева A.B., Юдина Н.В. Изменение химического состава болотных растений в процессе торфообразования// Химия растительного сырья. 2003. № 3. С. 17-20.

72. Савичева О.Г. Биохимические свойства торфов Западной Сибири// Материалы четвертой научной школы «Болота и биосфера». Томск: Изд-во ЦНТИ, 2005. С. 89-97.

73. Савичсва О.Г., Инишева Л.И. Биохимическая активность торфов разного ботанического состава// Химия растительного сырья. 2003. № 3. С. 41-50.

74. Слободова Н.В. Изучение биоразнообразия азотфиксирующих прокариот кислых торфяных почв на основе анализа последовательностей генов nijН/ Автореф. дис. . канд. биол. наук. М., 2006. 24 с.

75. Смагин А.В. Газовая фаза почв. М.: Изд-во МГУ, 2005. С. 29-31.

76. Степанов А.Л., Манучарова Н.А. Образование и поглощение парниковых газов в почвенных агрегатах/ Учебное пособие. М.: Изд-во МГУ, 2006. 82 с.

77. Теории и методы физики почв/ Под ред. Е.В. Шеина и Л.О. Карпачевского. М.: Гриф и К, 2007. С. 474-485.

78. Технический анализ торфа/ Под ред. Е.Т. Базина. М.: Недра, 1992. 430 с.

79. Тюремнов С.Н. Торфяные месторождения. М.: Недра, 1976. 488 с.

80. Харанжевская Ю.А. Водно-физические свойства и гидротермический режим олиготрофного болота// Материалы пятой научной школы «Болота и биосфера». Томск: Изд-во ЦНТИ, 2006. С. 271-278.

81. Харитонова Г.В., Манучаров А.С., Васикова Э.Г. Влияние лигнинно-пометного компоста на реологические свойства глинистых дифференцированных почв Среднеамурской низменности// Почвоведение. 1992. № 7. С. 37-44.

82. Якушев А.В. Микробиологическая характеристика вермикомпостов/ Автореф. дис. . канд. биол. наук. М., 2009. 24 с.

83. Aerts R., Wallen В., Maimer N. Growth-limiting nutrients in Sphagnum-dominated bogs subject to low and high atmospheric nitrogen supply// Journal of Ecology. 1992. V. 80. P. 131-140.

84. Aerts R., Wallen В., Maimer N., de Caluwe H. Nutritional constraints on Sphagnum growth and potential decay in northern peatlands// Journal of Ecology. 2001. V. 89. P. 292-299.

85. Alexander-Ozinskas M. The role of Sphagnum in the acid-base chemistry of bog waters. 2003. http://ecosystems.mbl.edu/ses/2003%20projects/alexander.pdf

86. Auscc L., Kraigher В., Mandic-Mulec I. Differences in the activity and bacterial communitystructure of drained grassland and forest peat soils// Soil Biology and Biochemistry. 2009. V. 41. P. 1874-1881.

87. Barkovskii A.L., Fukui II., Leisen J., Kim S.-H., Marsh T.L., Khijniak A.I. Rearrangement of bacterial community structure during peat diagenesis// Soil Biology and Biochemistry. 2009. V. 41. P. 135-143.

88. Basile A., Giordano S., Lopez-Saez J.A., Cobianchi R.C. Antibacterial activity of pure flavonoids isolated from mosses// Phytochemistry. 1999. V. 52. P. 1479-1482.

89. Beilman D.W., MacDonald G.M., Smith L.C., Reimer P.J. Carbon accumulation in peatlands of West Siberia over the last 2000 years// Global Biogeochemical Cycles. 2009. V. 23. GB1012, doi: 10.1029/2007GB003112

90. Bergman I., Lundberg P., Nilsson M. Microbial carbon mineralisation in an acid surface peat: effects of environmental factors in laboratory incubations// Soil Biology and Biochemistry. 1999. V. 31. P. 1867-1877.

91. Bohlin A.E., Hamalainen M. Multivariate evaluation of the significance of quantitativebotanical analysis in peat characterization// Proceedings of VIII International Peat Congress, Leningrad. 1988. V. 3. P. 211-222.

92. Booth I.R., Cash P., O'Byrne C. Sensing and adapting to acid stress// Antonie van Leeuwenhoek. 2002. V. 81. P. 33-42.

93. Borren W., Bleuten W., Lapshina E.D. Holocene peat and carbon accumulation rates in the southern taiga of Western Siberia// Quaternary research. 2004. V. 61. P. 42-51.

94. Bragazza L., Freeman C. High nitrogen availability reduces polyphenol content in Sphagnum peat// Science of the Total Environment. 2007. V. 377. P. 439-443.

95. Chang W.-T., Chen C.-S., Wang S.-L. An antifungal chitinase produced by Bacillus cereus with shrimp and crab shell powder as a carbon source// Current Microbiology. 2003. V. 47. P. 102-108.

96. Chapin C.T., Bridgham S.D., Pastor J. pH and nutrient effects on above-ground net primary production in a Minnesota, USA bog and fen//Wetlands. 2004. V. 24. № 1. P. 186-201.

97. Christensen P. J., Cook F.D. The microbiology of Alberta muskeg// Canadian Jouranl of Soil Science. 1970. V. 50. P. 171-178.

98. Microbial community composition affects soil fungistasis// Applied and Environmental Microbiology. 2003. V. 69. № 2. P. 835-844.

99. Dedysh S.N., Panikov N.S., Liesack W., GroBkopf R., Zhou J., Tiedje J.M. Isolation of acidophilic methane-oxidizing bacteria from northern peat wetlands// Science. 1998a. V. 282. P. 281-284.

100. Dedysh S.N., Panikov N.S., Tiedje J.M. Acidophilic methanotrophic communities from Sphagnum peat bogs// Applied and Environmental Microbiology. 19986. V. 64 (3). P. 922929.

101. Djurdjevic L., Dinic A., Mitrovic M., Pavlovic P., Tesevic V. Phenolic acid distribution in a peat of the relict community with Serbian spruce in the Tara Mt. forest reserve (Serbia)// European Journal of Soil Biology. 2003. V. 39. P. 97-103.

102. Dunberg A., Bohlin E., Geladi P., Albano C. Automated identification of peat components by means of microspectrophotometry// International Peat Journal. 1987. № 2. P. 1-17.

103. Feller G., Narinx E., Arpigny J.L., Zekhnini Z., Swings J., Gerday C. Temperature dependence of growth, enzyme secretion and activity of psychrophilic Antarctic bacteria// Applied Microbiology and Biotechnology. 1994. V. 41. P. 477-479.

104. Felske A., Wolterink A., van Lis R., Akkermans A.D.L. Phylogeny of the main bacterial 16S rRNA sequences in Drentse Grassland Soils (The Netherlands)// Applied and Environmental Microbiology. 1998. V. 64. № 3. P. 871-879.

105. Fenner N., Freeman C., Lock M.A., Harmens H., Reynolds B., Sparks T. Interactions between elevated CO2 and warming could amplify DOC exports from peatland catchments// Environmental Science and Ecology. 2007. V. 41. P. 3146-3152.

106. Fenner N., Freeman C., Reynolds B. Hydrological effects on the diversity of phenolic degrading bacteria in a peatland: Implications for carbon cycling// Soil Biology and Biochemistry. 2005. V. 37. P. 1277-1287.

107. Fisher M.M., Graham J.M., Graham L.E. Bacterial abundance and activity across sites within two northern Wisconsin Sphagnum bog// Microbial Ecology. 1998. V. 36. R 259-269.

108. Freeman C., Fenner N., Ostle N.J., Kang H., Dowrick D.J., Reynolds B., Lock M.A., Sleep D., Hughes S., Hudson J. Export of dissolved organic carbon from peatlands under elevated carbon dioxide levels// Nature. 2004a. V. 430. P. 195-198.

109. Freeman C., Liska G., Ostle N.J., Lock M.A., Reynolds B., Hudson J. Microbial activity and enzymic decomposition processes following peatland water table drawdown// Plant and Soil. 1996. V. 180. P. 121-127.

110. Freeman C., Ostle N., Fenner N., Kang H. A regulatory role for phenol oxidase during decomposition in peatlands// Soil Biology and Biochemistry. 20046. V. 36. P. 1663-1667.

111. Freeman C., Ostle N., Kang H. An enzymic 'latch' on a global carbon store// Nature. 2001. V. 409. P. 149.

112. Fynan E.F., Hunt M.R., Dowling P., Auguste J., Smyth A.P., Bradley P.M. Natural antibiotic resistance of bacteria isolated from a peat bog at Poutwater Pond, Holden, Massachusetts// Bios. 2009. V. 80. P. 9-13.

113. Gerdol R., Petraglia A., Bragazza L., Lacumin P., Brancaleoni L. Nitrogen deposition interacts with climate in affecting production and decomposition rates in Sphagnum mosses// Global Change Biology. 2007. V. 13. P. 1810-1821.

114. Gilbert D., Amblard C., Bourdier G., Francez A.-J. Short term effect of nitrogen enrichment on the microbial communities of a peatland// Hydrobiologia. 1998. V. 373/374. P. 111-119.

115. Glatzel S., Lemke S., Gerold G. Short-term effects of an exceptionally hot and dry summer on decomposition of surface peat in a restored temperate bog// European Journal of Soil Biology. 2006. V. 42. P. 219-229.

116. Gogo S., Pearce D.M.E. Carbon, cation and CEC: Interactions and effects on microbial activity in peat// Geoderma. 2009. V. 153. P. 76-86.

117. Gorham E. Northern Peatlands: Role in the carbon cycle and probable responses to climatic warming. Ecological applications. 1991. V. 1 (2). P. 182-195.

118. Grosvernier P. Heimat seltener Biotopspezialisten// Hotspot. 2007. V. 15. P. 12-13.

119. Gunnarsson U., Granberg G., Nilsson N. Growth, production and interspecific competition in Sphagnum: eifccts of temperature, nitrogen and sulphur treatments on a boreal mire// New Phytologist. 2004. V. 163. P. 349-359.

120. Gunnarsson U., Rydin H. Nitrogen fertilization reduces Sphagnum production in bog communities//New Phytologist. 2000. V. 147. P. 527-537.

121. Hajek T. Habitat and species controls on Sphagnum production and decomposition in a mountain raised bog// Boreal Environment Research. 2009. V. 14. P. 947-958.

122. Hajek T., Ballance S., Limpens J., Zijlstra M., Verhoeven J.T.A. Cell-wall polysaccharides play an important role in decay resistance of Sphagnum and actively depressed decomposition in vitro// Biogeochemistry. 2011. V. 103. P. 45-57.

123. Hajek T., Beckett R.P. Effect of water content components on dessication and recovery in

124. Sphagnum mosses//Annals of Botany. 2008. V. 101. P. 165-173.

125. Hakvag S., Fjarvik E., Josefsen K.D., Ian E.,Ellingsen T.E., Zotchev S.B. Characterization of Streptomyces spp. isolated from the sea surface microlayer in the Trondheim fjord, Norway// Marine Drugs. 2008. V. 6 (4). P. 620-635.

126. Heijmans M.M.P.D., Berendse F., Arp W.J., Masselink A.K., Klees H., de Visser W., van Breemen N. Effects of elevated carbon dioxide and increased nitrogen deposition on bog vegetation in the Netherlands// Journal of Ecology. 2001. V. 89. P. 268-279.

127. Johnsen A.R., Jacobsen O.S. A quick and sensitive method for the quantification of peroxidase activity of organic surface soil from forests// Soil Biology and Biochemistry. 2008. V. 40. P. 814-821.

128. Joosten H., Clarke D. Wise use of peatlands — backround and principles including a framework for decision-making. Saarijarvi: International Mire Conservation Group and International Peat Society, 2002. 304 p.

129. Joosten H., Couwenberg J. Peatlands and carbon/ Assessment on peatlands, biodiversity and climate change: main report. Global Environment Centre, Kuala Lumpur and Wetlands International, Wageningen, 2008. P. 99-117.

130. Kang H., Freeman C., Park S.S., Chun J. Af-Acetylghicosaminidase activities in wetlands: a global survey//Hydrobiologia. 2005. V. 532. P. 103-110.

131. Kechavarzi C., Dawson Q., Bartlett M., Leeds-Harrison P.B. The role of soil moisture, temperature and nutrient amendment on C02 efflux from agricultural peat soil microcosms// Geoderma. 2010. V. 154. P. 203-210.

132. Keller J.K., Bridgham S.D., Chapin C.T., Iversen C.M. Limited effects of six years of fertilization on carbon mineralization dynamics in a Minnesota fen// Soil Biology and Biochemistry. 2005. V. 37. P. 1197-1204.

133. Klein W., Weber M.H.W., Marahiel M.A. Cold shock response of Bacillus subtilis:1.oleucine-dependent switch in the fatty acid branching pattern for membrane adaptation to low temperatures//Journal of Bacteriology. 1999. V. 181. № 17. P. 5341-5349.

134. Korhola A., Tolonen K., Turunen J., Jungner H. Estimating long-term carbon accumulation rates in boreal peatlands by radiocarbon dating// Radiocarbon. 1995. V. 37. № 2. P. 575-584.

135. Kraigher B., Stres B., Hacin J., Ausec L., Mahne I., van Elsas J.D., Mandic-Mulec I. Microbial activity and community structure in two drained fen soils in the Ljubljana Marsh// Soil Biology and Biochemistry. 2006. V. 38. P. 2762-2771.

136. Kristiansen K.A., Ballance S., Potthast A., Christensen B.E. An evaluation of tritium and fluorescence labelling combined with multi-detector SEC for the detection of carbonyl groups in polysaccharides// Carbohydrate Polymers. 2009. V. 76. P. 196-205.

137. Kuhry P., Turunen J. The postglacial development of boreal and subarctic peatlands// Ecological Studies. 2006. V. 188. P. 25-46.

138. Limpens J., Berendse F. How litter quality affects mass loss and N loss from decomposing Sphagnum!/ OIKOS. 2003. V. 103. P. 537-547.

139. Mellegard H., Stalheim T., Hormazabal V., Granum P.E., Hardy S.P. Antibacterial activity of sphagnum acid and other phenolic compounds found in Sphagnum papillosum against food-borne bacteria// Letters in Applied Microbiology. 2009. V. 49. P. 85-90.

140. Metje M., Frenzel P. Effect of temperature on anaerobic ethanol oxidation and methanogenesis in acidic peat from a northern wetland// Applied and Environmental Microbiology. 2005. V. 71. № 12. P. 8191-8200.

141. Metje M., Frenzel P. Methanogenesis and methanogenic pathways in a peat from subarctic permafrost// Environmental Microbiology. 2007. V. 9 (4). P. 954-964.

142. Minayeva T. Peatlands and biodiversity/ Assessment on peatlands, biodiversity and climate change: main report. Global Environment Centre, Kuala Lumpur and Wetlands International,

143. Wageningen, 2008. P. 60-98.

144. Mitra S., Wassmann R., Yleck P.L.G. An appraisal of global wetland area and its organic carbon stock// Current Science. 2005. V. 88. № 1. P. 25-35.

145. Montenegro G., Portaluppi M., Salas F., Diaz M. Biological properties of the Chilean native moss Sphagnum magellanicumH Biological Research. 2009. V. 42. P. 233-237.

146. Moore P. Biological processes controlling the development of modern peat-forming ecosystems// Intenational Journal of Coal Geology. 1995. V. 28. P. 99-110.

147. Moore T., Basiliko N. Decomposition in boreal peatlands// Ecological Studies. 2006. V. 188. P. 125-143.

148. Opelt K., Berg C., Berg G. The bryophyte genus Sphagnum is a reservoir for powerful and extraordinary antagonists and potentially facultative human pathogens// FEMS Microbiology Ecology. 2007a. V. 61. P. 38-53.

149. Opelt K., Berg G. Diversity and antagonistic potential of bacteria associated with bryophytes from nutrient-poor habitats of the Baltic sea coast// Applied and Environmental Microbiology. 2004. V.70. № 11. P. 6569-6579.

150. Opelt K., Chobot V., Hadacek F., Schonmann S., Eberl L., Berg G. Investigations of the structure and function of bacterial communities associated with Sphagnum mosses// Environmental Microbiology. 2007b. V. 9 (11). P. 2795-2809.

151. Painter T.J. Carbohydrate polymers in food preservation: an integral view of the Maillard reaction with special reference to discoveries of preserved foods in Sphagnum-dominated peat bogs// Carbohydrate Polymers. 1998. V. 36. P. 335-347.

152. Painter T.J. Concerning the wound-healing properties of Sphagnum holocellulose: the

153. Maillard reaction in pharmacology// Journal of Ethnopharmacology. 2003. V. 88. P. 145-148.

154. Painter T.J. Lindow man, tollund man and other peat-bog bodies: The preservative and antimicrobial action of sphagnan, a reactive glycuronoglycan with tanning and sequestering properties// Carbohydrate Polymers. 1991. V. 15. № 2. P. 123-142.

155. Pankratov T.A., Serkebaeva Y.M., Kulichevskaya I.S., Liesack W., Dedysh S.N. Substrate-induced growth and isolation of Acidobacteria from acidic Sphagnum peat// The ISME Journal. 2008. V. 2. P. 551-560.

156. Pind A., Freeman C., Lock M.A. Enzymic degradation of phenolic materials in peatlands — measurement of phenol oxidase activity// Plant and Soil. 1994. V. 159. P. 227-231.

157. Russel M.D. Antibiotic activity of extracts from some bryophytes in south western British Columbia// Medical Student Journal of Australia. V. 2. P. 9-14.

158. Silamikele I., Nikodemus O., Kalnina L., Purmalis O., Sire J., Klavins M. Properties of peat in ombrotrophic bogs depending on the humification process// Mires and Peat. Riga (Latvia): University of Latvia Press, 2010. P. 71-95.

159. Singh M., Rawat A.K.S., Govindarajan R. Antimicrobial of some Indian mosses// Fitoterapia. 2007. V. 78. P. 156-158.

160. Sinsabaugh R.L. Phenol oxidase, peroxidase and organic matter dynamics in soil// Soil Biology and Biochemistry. 2010. V. 42. P. 391-404.

161. Sirin A., Laine J. Peatlands and greenhouse gases/ Assessment on peatlands, biodiversity and climate change: main report. Global Environment Centre, Kuala Lumpur and Wetlands International, Wageningen, 2008. P. 118-138.

162. Sizova M.V., Panikov N.S, Tourova T.P., Flanagan P.W. Isolation and characterization of oligotrophic acido-tolerant methanogenic consortia from a Sphagnum peat bog// FEMS Microbiology Ecology. 2003. V. 45. P. 301-315.

163. Soares A., Guieysse B., Delgado O., Mattiasson B. Aerobic biodégradation of nonylphenol by cold-adapted bacteriaII Biotechnology Letters. 2003. V. 25. P. 731-738.

164. Soriano M., Diaz P., Pastor F.I.J. Pectinolytic systems of two aerobic sporogenous bacterial strains with high activity on pectin// Current Microbiology. 2005. V. 50. P. 114-118.

165. Steffen K.T., Hofrichter M., Hatakka A. Mineralisation of 14C-labelIed synthetic lignin and ligninolytic enzyme activities of litter-decomposing basidiomycetous fungi// Applied Microbiology and Biotechnology. 2000. V. 54. P. 819-825.

166. The Prokaryotes/ Edited by Falkow S., Rosenberg E., Schleifer K.-H., Stackebrandt E. Singapore: Springer-Verlag, 2006. Vols. 1-7 (set). e-ISBN: 0-387-30740-0 (online access).

167. Thomas P.A., Pearce D.M.E. Role of cation exchange in preventing the decay of anoxic deep bog peat// Soil Biology and Biochemistry. 2004. V. 36. P. 23-32.

168. Tsuneda A., Thormann M.N., Currah R.S. Models of cell-wall degradation of Sphagnum fuscum by Acremonium cf. curvulum and Oidiodendron maiuslt Canadian Journal of Botany. 2001. V. 79. № l.P. 93-100.

169. Turetsky M.R., Crow S.E., Evans R.J., Vitt D.H., Wieder R.K. Trade-offs in resource allocation among moss species control decomposition in boreal peatlands// Journal of Ecology. 2008. V. 96. P. 1297-1305.

170. Turunen J. Development of Finnish peatland area and carbon storage 1950-2000// Boreal environment research. 2008. V. 13. P. 319-334.

171. Upton M., Hill B., Edwards C., Saunders J.R., Ritchie D.A., Lloyd D. Combined molecular ecological and confocal laser scanning microscopic analysis of peat bog methanogen populations// FEMS Microbiology Letters. 2000. V. 193. P. 275-281.

172. Vasander K., Kettunen A. Carbon in boreal peatlands// Ecological Studies. 2006. V. 188. P. 165-194.

173. Verhoeven J.T.A., Toth E. Decomposition of Carex and Sphagnum litter in fens: effect of litter quality and inhibition by living tissue homogenates// Soil Biology and Biochemistry.1995. V. 27. №3. P. 271-275.

174. Vitt D.H. Functional characteristics and indicators of boreal peatlands// Ecological Studies. 2006. Y. 188. P. 9-24.

175. Waksman S.A., Stevens K.R. Contribition to the chemical composition of peats. V. The role of microorganisms in peat formation and decomposition// Soil Science. 1929. Vol. 28. № 4. P. 315-339.

176. Williams C.J., Shingara E.A., Yavitt J.B. Phenol oxidase activity in peatlands in New York state: response to summer drought and peat type// Wetlands. 2000. V. 20 (2). P. 416-421.

177. Zaccone C., Said-Pullicino D., Gigliotti G., Miano T.M. Diagenetic trends in the phenolic constituents of Sphagnum-dominated peat and its corresponding humic acid fraction// Organic Geochemistry. 2008. V. 39. P. 830-838.