Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Структура микробных сообществ почв Окского заповедника

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Автореферат диссертации по теме "Структура микробных сообществ почв Окского заповедника"

С"! £->

На правах рукописи

со

I

ПАВЛОВА ОЛЬГА СВЯТОСЛАВОВНА

РУКТУРА МИКРОБНЫХ СООБЩЕСТВ ПОЧВ ОКСКОГО

ЗАПОВЕДНИКА

Специальность 03.00.07 - микробиология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва -1998

Работа выполнена на кафедре биологии почв факультета почвоведения Московского™ государственного университета им.М.ВЛомоносова

Научный руководитель: доктор биологических наук

Л.М. Полянская

Официальные оппонаггы: доктор биологических наук

Л.В.Васильева кандидат биологических наук А.В.Головченко

Ведущее учрежде1ше: Московская сельскохозяйственная академия имспи К.А.'Гнмирязева

Защита состоится 1998 г. в 15ч 30 мин в аудитории

М-2 на заседании диссертационного совета К053.05.86 в МГУ им. М.В.Ломоносова по адресу: 119899, Москва, ГСП, Воробьевы горы, МГУ, факультет почвоведения, Ученый совет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета Почвоведения МГУ.

Автореферат разослан /3.03. 1998 г.

Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании диссертационного совета по микробиологии и агрохимии в МГУ или прислать отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью по адресу: 119899, Москва, ГСП, Воробьевы горы, МГУ, факультет почвоведения, Ученый совет.

Ученый секретарь диссертационного совета,

доцент

Актуальность работы.

Важнейшей предпосылкой природоохранной деятельности, в том числе охраны почвенного покрова, является изучение экосистем заповедных территорий в качестве эталонов ненарушенных человеческой деятельностью ландшафтов. На территории Российской Федерации имеется развитая сеть государственных заповедников, достаточно репрезентативная для основных географических зон страны. Заповедники являются традиционными объектами профессионального внимания ботаников и зоологов, но почти не изучены с точки зрения микробиологии.

Почвы являются местообитаниями многочисленных; и чрезвычайно разнообразных в видовом отношении микробоценозов. Видовое разнообразие микроорганизмов - важнейший показатель состояния почв как экосистем. Изучение микробных сообществ на территории заповедников приобретает в настоящее время особое значение в связи с возрастающим изменением окружающей среды под влиянием антропогенных факторов. Необходимы выявление, консервация и охрана ненарушенных биотопов, в которых будут сохраняться микробные комплексы в качестве эталонных. Такие соображения были высказаны при обсуждении международной программы "Микробное разнообразие - XXI", программы "Экологическая безопасность России"и других. Наряду с заповедниками для растений и животных должны быть созданы заповедники для микробов (Заварзин, 1990).

Цель работы - сравнение пространственного распределения и структуры микробных сообществ 5 типов биогеоценозов Окского заповедника, расположенных на разных элементах рельефа.

Основные задачи исследования

1. Определить динамику численности и биомассы микроорганизмов в компонентах ярусно-вертикальной структуры почв Окского заповедника.

2. Изучить распределение и таксономическую структуру сапро-трофного прокариотного и эукариотных блоков в выбранных типах биогеоценозов.

3. Изучить сезонную и межгодовую динамику основных показателей состояния почвенной микрофлоры в почвах Окского заповедника.

Научная новизна.

Впервые проведено комплексное сравнительное изучение микрофлоры пяти биогеоценозов Окского заповедника, начиная с наземной растительности и кончая нижними горизонтами почв. Впервые оценены запасы сухой микробной биомассы в пяти биогеоценозах Окского заповедника, которые могут достигать нескольких десятков т/га, причем биомасса эукариот значительно превышает биомассу прокариот. Показано, что каждый тип почв характеризуется не только определенным запасом микробной биомассы, но и спецификой ее распределения в пространстве (по профилю) и во времени. В микробной биомассе доминируют грибы, представленные в основном мицелием, а не спорами.

Выявлены четкие различия в спектре доминирующих родов бактериального блока между ярусами и типами биогеоценозов. Максимальные показатели численности и биоразнообразия характерны для лесных подстилок и дернины пойменных ландшафтов.

Практическая ценность.

Исследованные заповедные почвы являются естественным эталоном для оценки характера и степени деградации почвенного покрова в результате антропогенных воздействий в различных ландшафтах в прилегающих регионах со сходными природными условиями.

Апробация работы.

Основные положения диссертации были доложены на заседании кафедры биологии почв факультета Почвоведения МГУ (март, 1997).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 4 работы.

Объем работы.

Диссертация состоит из введения, глав, заключения, выводов, списка литературы, включающего отечественных и иностранных работ. Работа изложена на машинописных страницах и включает таблиц, рисунков.

Автор выражает искреннюю благодарность профессору Д.Г.Звягинцеву, к.б.н. Т.Г. Добровольской, Г.А.Кочкиной, Н.Е.Иванушкиной за консультации и содействие в работе. Благодарит профессора Б.Р.Стриганову за любезно предоставленную возможность работы в Окском государственном заповеднике. Автор выражает глубокую благодарность профессору С.А.Шобе за идентификацию изученных почв.

Глава 1. Объекты и методы исследования

Исследования проводили в Окском государственном заповеднике, расположенном в подзоне южно-европейской тайги. Особенностью згой территории являются эоловые (дюнные) формы рельефа междуречий и песчаные почвы, сформировавшиеся на древне-аллювиальных и приледниковых песчаных отложениях.

Образцы отбирали в сентябре 1992 г., июне и сентябре 1993г.. Анализировали растения, подстилки (по слоям) и почвенные горизонты. Указанные субстраты были проанализированы в следующих биогеоценозах.

1. Ельник-кисличник, расположенный на северной границе заповедника (на водоразделе), почва песчаная мелко-торфянисто-подзолистая.

2. Сосняк-беломошник, расположенный на 2-й надпойменной террасе, почва песчаная, поверхностно-подзолистая.

3. Сосняк-зеленомошник, расположенный на 1-й надпойменной террасе, почва песчаная дерново-слабоподзолистая.

4. Пойменная дубрава (в пойме реки Пры), почва песчаная ал-лювиально-дерновая.

5. Пойменный луг, злаково-разнотравный, почва песчаная ал-лювиально-дерново-луговая.

Общую численность и биомассу микроорганизмов определяли прямым методом с использованием люминисцентной микроскопии ("Методы почвенной микробиологии и биохимии", 1991). Предварительно десорбировали клетки на ультразвуковом диспергаторе УЗДН - 1. При количественном учете клеток почвенных бактерий и мицелия актиномицетов препараты окрашивали водным раствором акридина оранжевого, а для окраски мицелия и спор грибов применяли калькофлуор белый (Полянская, 1988). Расчеты биомассы проводили, учитывая, что биомасса сухого вещества для одной бактериальной клетки объемом 0.1 мкм3 составляет 210"14 г, 1 м акти-номицетнош мицелия диаметром 0.5 мкм 3.9 10"8 г, 1 м грибного мицелия диаметром 5 мкм 3.910"6 г и одной грибной споры 1'10"иг (Полянская, 1978; Кожевин и др., 1979). С учетом замеренного диаметра спор и мицелия грибов реальную биомассу вычисляли по формуле (для спор - О.ОБЗбг310"11 г, для мицелия - 0.628г210"6 г (Полянская, 1996). Данные по биомассе выражали в т/га сухого органического вещества.

Параллельно с определением численности микроорганизмов прямым методом проводили высев почвенной суспензии на специально подобранную среду (Добровольская и др., 1989) - для выделе-

ния бактерий и актиномицетов из почв и растительных субстратов. В используемую для выделения бактерий среду вносили 50 мг нистатина на 0.5 л среды (для ингибирования грибов). Учет производили через 2-4 недели культивирования при комнатной температуре. Данные по общей численности микроорганизмов, полученные методом посева, выражали в КОЕ/г S (колониеобразующих единиц на 1 г сухого субстрата). Определение культур бактерий проводили по морфологическим, кулыуральным и физиолого-биохимическим признакам, руководствуясь определителями ("Bergey s Manual of Systematic Bacteriology", 1994; "The Prokaiyotes", 1992) и пособием для идентификации бактерий (Добровольская и др., 1989; "Краткий определитель бактерий Берги", 1980).

В качестве среды для выделения микромицетов использовали широко применяемую в почвенной микологии среду Чапека (с добавлением стрептомицина 100 ед/мл) (Мирчинк, 1980). Учет проводили на восьмой день культивирования при комнатной температуре. Для идентификации грибы отсевали на косяки со средой выделения. Определение вели на основании культуралыю-морфологических признаков по различным определителям (Ames,1961; Booth, 1971; Ellis, 1965, 1976; Gams, 1971; Hennanides, 1977; van Oorschot, 1980; Rifai, 1969; Schipper, 1976). Определение грибов рода Pénicillium проводили по методике, предложенной Пиггом (Pitt, 1979).

Глава 2. Вертикально-ярусное распределение микроорганизмов в биогеоценозах Окского заповедника

Результаты исследования распределения бактерий (данные прямого микроскопического метода) по компонентам вертикальной структуры исследуемых типов БГЦ показали (рис.1), что биотопами с максимальной концентрацией бактерий являются лесные подстилки и дернина (пойменный луг). Самая высокая численность бактерий зарегистрирована в подстилке пойменной дубравы в его верхнем слое(Ь) (28109кл/г). В остальных типах леса (сосняки и ельник) максимальная концентрация бактерий наблюдается в нижних слоях подстилки (F+H) и составляет 12-15109 кл/г. В минеральных почвенных горизонтах всех исследуемых биоценозов численность бактерий на порядок меньше. Она снижается до минимальных значений в нижних горизонтах почвенного профиля - до 1109 кл/r. Исключением является дерново-луговая пойменная почва, в которой бактерии довольно равномерно распределены по профилю. На поверхности растений плотность бактериальных клеток примерно та же, что и в почве. Исключением являются живые мхи

ЯРУСЫ. ГОРИЗОНТЫ

/ИЛЬ» -0)"

ЯРУСЫ. ГОРИЗОНТЫ /ИЛЬЯ ЮСТ4РНМВ ЛИМНК Ц0-1)ем

А1 «0-12)0*

с о

ЯРУСЫ, ГОРИЗОНТЫ ЯРУСЫ, ГОРИЭОКШ

Рис.1. Численность бактерий в компонентах вертикальной структуры разных типов биогеоценозов (БГЦ): А - ельник-кисличник; В - сосняк-беломошник; С - пойменная дубрава; Б - пойменный луг.

и лишайники, где сосредоточены значительные запасы бактериальных клеток, достигающие 5-15109 кл/г.

Данные профильного распределения бактерий, полученные методом посева, коррелируют с данными прямого микроскопического метода.

Анализ распределения мицелия актиномицетов по профилю разных типов БГЦ показал наличие их максимума в подстилках и дернине (рис.2). Исключением является сосняк-беломошник и зеле-номошник, где актиномицетный мицелий сконцентрирован в горизонте А1А2. В почвенном ярусе происходит убывание плотности актиномицетного мицелия вниз по профилю. Обращает на себя внимание обогащенностъ мхов актиномицетами, мицелий которых составляет около 300 м/г - примерно столько же, сколько в подстилке. Максимальных значений длины прокариотный мицелий достигал в пойменной дубраве в верхнем слое подстилки (>500 м/г) и в дернине пойменного луга (около 400 м/г).

Распределение грибного мицелия по ярусам БГЦ происходит по тем же правилам, которые были установлены для других групп микроорганизмов (рис. 3). Максимальной длины грибной мицелий достигает в подстилках, дернине, а также в филлоплане травянистых растений пойменных ландшафтов. В почвенном ярусе длина грибного мицелия резко убывает с глубиной. Наибольшая концентрация грибного мицелия наблюдалась в подстилках хвойных лесов - до 13000 м/г, а минимальная - в нижних почвенных горизонтах - 100 м/г. Основная численность грибных спор сконцентрирована в тех же ярусах, где наблюдается максимальная длина грибного мицелия, и резко убывает вниз по почвенному профилю.

Из всех приведенных выше результатов по распределению микроорганизмов следует, что ярусом с максимальной концентрацией всех групп микроорганизмов является напочвенный - подстилки, моховой и лишайниковый покров и дернина.

Глава 3. Запасы микробной биомассы в исследуемых почвах

При подсчете общих запасов микробной биомассы по всей вертикальной структуре БГЦ максимум микроорганизмов перемещается из подстилки в почвенные горизонты. Это связано с тем, что при расчетах микробной биомассы учитываются такие показатели, как объемный вес и мощность горизонтов, которые несравнимо выше для минеральных горизонтов, чем подстилок. В ельнике и сосняке-беломошнике наибольшие запасы микробной биомассы сосредоточены в горизонте А2, в пойменной дубраве - в горизонте А1, в пойменном лугу - в дерновом горизонте. По общим запасам микробной

с о

ЯРУСЫ. ГОРИЗОНТЫ ЯРУСЫ. ГОРИЗОНТЫ

НЛ" НА

Рис.2. Длина акгиномицетного мицелия в компонентах вертикальной структуры разных типов биогеоценозов (БГЦ): А - ельник-кисличник; В - сосняк-беломошник; С - пойменная дубрава; 0 - пойменный луг.

ЯРУСЫ. ГОРИЗОНТЫ

/иетьядоА н

ЛКГТЬЯ /*НЛА*

я ода линолл

ТРАВА ОС О« ПЧХГОМ* I

м

ЯРУСЫ. ГОРИЗОНТЫ ТР/М

Рис.3. Длина мицелия грибов в компонентах вертикальной струп-туры разных типов биогеоценозов (БГЦ): А - ельник-кисличник; В - сосняк-беломошник; С - пойменная дубрава; Б - пойменный луг.

биомассы все исследуемые типы почв располагаются в следующий ряд в порядке убывания: мелко-торфянисто подзолистая (41 т/га), дерново-слабоподзолистая (35 т/га), поверхностно-подзолистая и аллювиально-дерновая (17 т/га), аллювиально-дерново-луговая (8 т/га) (табл.1).

Таким образом, наибольший пул микроорганизмов в исследуемый период зарегистрирован в растительных и почвенных субстратах ельника- кисличника и сосняка-зеленомошника, а минимальный - пойменного луга. Эта тенденция сохранилась и в дождливое лето 1993 года, хотя запасы микробной биомассы заметно снизились. Осенью 1993 года (за исключением сосняка-зеленомошника) запасы микробной биомассы во всех почвах были минимальны (примерно 2-6 т/га) и равномерно распределены по профилю всех изученных почв.

Так как во всех ландшафтах биомасса эукариот составляет более 90% от суммарной микробной биомассы, по запасам эукариот-ной микробной биомассы биогеоценозы образуют такой же ряд как и по общим запасам биомассы. Прокариотная биомасса, составляющая менее 10% от общей биомассы, измеряется сотнями кг/га, а не тоннами как грибная. Исследуемые почвы выстраиваются в иной ряд по аккумуляции прокариотной биомассы: сосняк-зеленомошник (900 кг/га), ельник-кисличник и пойменная дубрава (400 кг/га), пойменный луг и сосняк-беломошник (200 кг/га). Аналогичные закономерности отмечены для прокариотной биомассы и в другие сезоны, исключение составил пойменный луг, где биомасса прокариот нарастала от сухой осени 1992 к дождливой осени 1993 г.

Глава 4. Сезонная динамика численности и таксономического состава микроорганизмов

В течение исследуемого периода изменялась как численность, так и таксономический состав микроорганизмов. Сезонные колебания численности бактерий характерны в основном для подстилок, т.е. для самых динамичных фитоценотических горизонтов, и определяются, главным образом, влажностью. Наибольшая численность клеток бактерий отмечена сухой осенью 1992 года, наименьшая численность (за исключением пойменного луга) зарегистрирована дождливой осенью 1993 года. За исследуемый период в слое Т1 ельника-кисличника произошло падение численности бактерий от 1,2'Ю10 до 2,5'109 кл/г почвы. В минеральных горизонтах всех типов исследуемых почв количество бактерий примерно одинаково и колеблется в пределах от 1 до 610® кл/г почвы. В почвах пойменного луга во все сроки наблюдения не было заметной разницы между

Таблица 1

Запасы микробной биомассы в разных почвах Окского и ЦЛБГ заповедников (т/га)

Заповедник Тип леса Тип почвы 1992 г. 1993 г.

осень (сухая) весна лето осень (влажная)

Окский Ельник- кисличник Сосняк- беломошник Сосняк- зеленомошник Березняк Пойменная дубрава Пойменный луг Торфянисто-подзолистая Поверхностно-подзолистая Дерново-слабоподзолистая Дерново-слабоподзолистая Аллювиально-дерновая Аллювиально-дерново-луговая 41 17 35 17 8 - 14 10 23 И 6 5 6 4 11 5 5 2

Централь- Ельник- Белоподзо- - . 5 14 23

нолесной черничник листая -

биосферный ■ -

государст- Ельник Бурозем с

венный за- сложный хвойной - 12 58 -

поведник подстилкой

(ЦПБГЗ) Бурозем с

лиственной - - 24 34

подстилкой

и

численностью бактерий в различных горизонтах (рис. 4), что напоминает ситуацию в торфяниках (Головченко, 1992).

Сезонная динамика грибов определяется в основном, как и у бактерий влажностью (рис 5). В периоды повышенного выпадения атмосферных осадков происходит не только снижение длины грибного мицелия, но и смещение его максимума в верхние минеральные горизонты. Наиболее резкие колебания длины грибного мицелия происходили в горизонтах подстилки. Так, в слое Б+Н сосняка-беломошника длина грибного мицелия от сухой осени 1992 к влажной осени 1993 уменьшилась с 7500 м/г до 250 м/г почвы. Эти колебания отразились и на характере распределения грибного мицелия по профилю. В сосняке-беломошнике и сосняке-зеленомошнике, пойменной дубраве максимум грибного мицелия сместился в горизонты А1, А1А2. Кроме того, профили всех почв влажной осенью 1993 г. не имеют столь ярко выраженных максимумов, как сухой осенью 1992.

В течение исследуемого периода наблюдений изменялась и таксономическая структура бактериального блока. Анализ частоты встречаемости бактерий различных родов в вертикально-ярусной структуре разных типов БГЦ показал резкие изменения этого показателя во времени. Так, при анализе субстратов сухой осенью 1992 года (40 мм осадков), каждый из 8 учитываемых бактериальных таксонов имел свои различающиеся показатели частоты встречаемости в напочвенном и почвенном ярусах (рис. 6). В почвенном ярусе частота встречаемости бактерий различных родов убывает от стрептомицетов до цитофаг. В напочвенном ярусе наблюдали противоположную картину. Осенью другого года (1993), характеризующейся затяжными дождями (120 мм осадков), наблюдали совершенно иную картину в соотношении бактериальных таксонов в вертикально-ярусной структуре БГЦ: каждый из исследуемых таксонов имел равную частоту встречаемости как в напочвенном, так и в почвенном ярусах. Таким образом, повышенная влажность способствует проникновению бактерий, характерных для растений, либо подстилок, в почвенные горизонты и, наоборот, нетипичные для филлосферы бактерии - бациллы и стрептомицеты, обнаруживаются на растениях. В результате различия, существовавшие в структуре бактериальных комплексов между ярусами, сглаживаются.

Перестройка таксономического состава бактериальных комплексов в зависимости от влажности прослеживается наиболее четко при использовании такого показателя экологического разнообразия как частота доминирования. Во влажные сезоны (лето и осень 1993 года) с максимальной частотой доминирования на всех типах растений: мхах, хвое, листьях деревьев и кустарников, травах во всех типах исследуемых фитоценозов обнаруживали спириллы

елышк- кисличник

пойменная дубрава

10 15 20 23

млрд/г сосняк- беломошник

г А1А2

ь

1 11+15

1 А1

2 Л1А2

В

0 5 10 13 20 23 30

млрд/г сосняк-зеленомошник

ЯБ2 ИБ1

10 15 20 23 30

млрд/г

АЛ А1 А2Б В1

м

А1А2 А2В В

5 10 13 20 23 30

млрд/г пойменный луг

□ БЗ КБ2 ИБ1

3 10 13 20 23 30

млрд/г березняк

10 13 2 0 23 30

млрд/г

Рис. 4. Распределение численности бактериальных клеток по профилю почв Окского заповедника: Б1 - осень 1992 г., Б2 - лето 1993 г., БЗ - осень 1993 г.

ельник- кисличник

ягз НГ2 ЕЗГ1

поименная дуорава

ягз ЯГ2 0Г1

| А| А2В &

В. V

О МОП 6000 9000 12000 15000

м/г

сосняк- беломошник

О 2000 4000 6000 SOOO

м/г

пойменный луг

Fill ЗЕ

ягз ВГ2 0Г1

Е А1А2 Iv^I. J,,,.

0 2000 4000 6000 8000

м/г

сосняк- зеленомошник

1

ягз

НГ2 0Г1

2000 4000 6000 8000

м/г березняк

ягз аг2 □ п

О 2000 4000 0000 К000

м/г

2000 4000 6000 8000

м/г

О

О

Рис.5. Распределение грибного мицелия по профилю почв Окского заповедника: Г1 - осень 1992 г., Г2 - лето 1993 г., ГЗ - осень 1993 г.

(рис.7). Сухой осенью 1992 года в бактериальном комплексе фил-лопланы доминировали другие группы бактерий: скользящие и ко-ринеподобные бактерии. Аналогичная картина замены доминантов в бактериальном комплексе при переходе от сухого к влажному периоду наблюдается при анализе нижних слоев подстилки и почвенных горизонтов. При низкой влажности в этих биотопах доминируют стрептомицеты, при высокой - спириллы и бациллы. Таким образом, в результате обводнения субстратов всех ярусов, наступающего после затяжных дождей, микроорганизмы оказываются в условиях, близких к таковым в земноводных биотопах, и, так же как в болотах, доминирующими становятся типичные водные формы бактерий - спириллы. В болотах к спириллам присоединяются факультативно-анаэробные бактерии, принадлежащие к различным родам (Головченко и др.,1993). В исследуемых биотопах такие формы прокариот не обнаружены. Кроме спирилл в исследуемых переувлажненных почвах обнаруживаются все группы бактерий, характерные для напочвенного яруса, т.е. эпифитный комплекс бактерий, включающий различных представителей грамотрицательных бактерий, относящихся к классу протеобактерий. Следует отметить, что набор потенциальных доминантов эпифитного комплекса бактерий значительно шире, чем почвенного. На рис.8а изображены шесть потенциальных доминантов, обнаруживаемых в разные сроки в филлоплане разных видов растений, либо в опаде, и их максимальное процентное содержание. Это - цитофаги, миксобактерии, спириллы, разные группы коринеподобных бактерий. Часто встречаются два бактериальных доминанта (содоминанты) в разных соотношениях. Наиболее типичны следующие пары: спириллы-цнгофаги и спириллы -миксобактерии (рис. 86).

Разные типы БГЦ, расположенные на разных элементах рельефа (хвойные леса на террасах, пойменные дубрава и луг), отличались по таксономическому составу доминирующих групп бактерий лишь в засушливые периоды, когда влажность почвы была меньше, чем общая (наименьшая) влагоемкость. В те сроки анализа, когда почва была насыщена влагой почти до ее водовместимости, бактериальные комплексы разных типов БГЦ не отличались друг от друга по набору потенциальных доминантов (рис. 9). Следует иметь в виду, что все исследуемые типы фитоценозов находятся в одной климатической зоне, на одной территории, сформировавшейся в послеледниковый период, и представляют собой ряд сопряженных БГЦ.

Сезонная сукцессия грибов изучена в двух контрастных биогеоценозах - пойменном лугу и сосняке-зеленомошнике. Комплекс микромицетов сосняка-зеленомошника (табл.2) отличает малое разнообразие видов, причем летом оно выше, чем осенью; с глубиной

Рис.6. Частота встречаемости бактериальных доминантов в надземном и подземном ярусах сухой осенью 1992 г. и влажной осенью 1993 г. 1 - стрептомицеты; 2 - миксобактерии; 3 - спириллы; 4 - ро до кокки и микрококки; 5 - бациллы; б - цнтофаги; 7 - коринеподобные бактерии; 8 - целлюломонады.

П

Ш

ч 100

50

О

«

В,и, §,

н

100 т

50} -н 0+-

(а)

|Н,Н,

100 50 1 0

1 2 3 4 5 6 7

12345678

1234567$

100 50 О

(6)

100 50

1 2 3 4 5 6 7 8

(6)

100 50 < О

(6)

1 2 3 4 5 6 7 8

1234567»

1 2 3 4 5 6 7

100 50 I О

100 50 I О

1 2 3 4 5 6 7 »

1 2 3 4 5 6 7

В

о

Рис. 7. Сезонная динамика бактериальных доминантов в различных ярусах БГЦ Окского заповедника. I - живые растения и верхний слой подстилки (Ь); П - разлагающийся материал; дерновый горизонт; подстилка Р+Н; Ш - почвенные горизонты, а - осень 1992 г., б - лето 1993 г., в - осень 1993 г. 1 - цитофаги; 2 - спириллы; 3 - мнксобактернн; 4 - КПБ-Х; 5 - целлюломонады; б - родококки н микрококки; 7 - стрептомицеты; 8 - бациллы.

11 П2

а)

б)

Рнс.8. Варианты потенциальных даминантов бактерий на растениях и в подстилке: а - монодоминанты: 1 - цитофаги, 2 - миксобактерии, 3 - спириллы, 4 - КПБ-Х, 5 - родококки н микрококки, 6 - целлюломоиады; б - пары содоминантов: 1- цитофаги; 2 - спириллы;3 - миксобактерии.

осепь 1992 г.

% осень 1993 г.

ЕыоКные леса террас

В хвойные леса террас

20 О

чл

12 3 4

осень 1992 г.

□ поАневные ландшафты

1 2 1 осень 1993 г.

СИ пойменные ландшафты

40-Р1

20

ГС1

Рис.9. Спектр потенциальных бактериальных доминантов в двух типах ландшафтов сухой осенью 1992 и влажной осенью 1993 гг.

1 - спириллы; 2 - бациллы; 3 - миксобактерии; 4 - КПБ-Х; £ - цитофаги; б - стрептомицеты; 7 - родококки и микрококки; 8 - целлюломоиады.

Табл. 2

Частота доминирования разных видов грибов в почве сосняка-зеленомошника

1-1

I Срок отбора Частота I

I Виды проб доминирования!

I (%) I

I лето 1993 г. I

I P.paxilli Bainier 83 I

I Mycelia sterilia (dark) 50 I

I P. chrysogenum Thorn 50 I

I Chrysosporium carmichaelii nav Oorschot 33 I

I Mortierella isabellina Oudemans 33 I

! P.fellutanum Biourge 33 I

I P.lanosum Westting 33 I

I P.verrucosum D-ierckx 33 I

I Phoma exique Desmazieres 33 I

I V. cephalosporin №. Gams 33 I

I Ul.chartarum (Preuss)Simmons 33 1

1 спороношение отсутствует (кл.Oomycetes) 33 I

I Botrytis sp. 17 I

I Mort.longicollls Dixon-Stewart 17 I

1 P. canescens Sopp 17 I

I P.charlesii G.Smith 17 I

I P.granulatum Bainier 17 I

I P.decumbens Thorn 17 !

I P.melinii Thorn 17 I

I P.raistrickii G.Smith 17 I

I осень 1993 г. I

I P.raistrickii G.Smith 100 I

I Tr.viride Persoon: Fries 83 I

I P.fuscum (Sopp) Biourge 67 I

I P.nalgiovense Laxa 50 I

t CI. sphaerospermum Penzig 33 I

I Ul.atrum Preuss 33 I

I M.hiemalis tfehmer var. hiemalis 17 I

I Mycelia sterilia (dark) 17 I

I P.aurantiogriseum Dierckx - 17 I

I P.paraherquei ¿be ex G. Smith 17 I

I P.paxilli Bainier 17 i

I Ul.chartarum (Preuss)Simmons 17 I

i_I

не происходит снижения разнообразия. Не были обнаружены самые типичные для большинства лесных почв сосняка и ельника виды: Mortierclla rammaniana, M. angulispora, Pénicillium daliae, P. frequentans. Из типичных обнаружены Mucor hiemalis, P. raistrickii, P. nalgiovense, P. fuscum. Присутствуют также виды широко распространенные во многих почвах; P. paxilli, Trichoderma viride, -Ulocladium spp.. Представители рода Cladosporium более типичны для подстилки и поверхности растений, однако осенью они были обнаружены и в почвенных горизонтах.

Частота встречаемости микромицетов меняется в зависимости от сезона. Так, летом доминируют: P. paxilli, P. chrisogenum, Chrisosporium carmichaelii, Mortierclla, Verticillium cephalosporium, осенью - в доминанты выходят Trichoderma viride, P. raistrickii, P. fuscum, P. nalgiovense, Ulocladium spp.

В почве пойменного луга разнообразие грибов выше, чем в почве сосняка, причем, если в пойменном лугу разнообразие выше осенью, то в сосняке-зеленомошнике - летом. Следует отметить для поймешюго луга ту же тенденцию, что и для сосняка: с глубиной не происходит снижения видового разнообразия грибов.

Таким образом, межсезонные колебания численности и таксономического состава основных групп микроорганизмов наблюдаются по всему профилю изученных почв, но наиболее резко они выражены в верхних горизонтах, прежде всего для грибного мицелия. В течение годовой сукцессии численность микроорганизмов убывает от лета к осени.

Заключение

Впервые изучено вертикально-ярусное распределение микроорганизмов в биогеоценозах Окского заповедника. Установлено, что биотопами с максимальной концентрацией микроорганизмов являются лесные подстилки и дернина (пойменный луг). В почвенном ярусе всех исследуемых типов почв численность бактерий на порядок меньше. Такой характер вертикального распределения микроорганизмов является типичным для большинства почв разных климатических зон (Полянская, 1996).

Общая биомасса микроорганизмов может достигать нескольких десятков т/га. Она убывает в ряду: торфянисто-подзолистая, дерново-слабоподзолистая, поверхностно-подзолистая, аллювиально-. дерновая, аллювиально-дерново-луговая. Убывание микробной, биомассы в этих почвах коррелирует со снижением количества органического вещества в них. Минимум приходится на весьма специфические для исследуемого района пойменные почвы, весь профиль которых (кроме небольшого слоя дернины) состоит из песка с

Табл. 3

Частота доминирования разных видов грибов в почве пойменного луга I--л

I Срок отбора Частота I

I Виды проб доминирования!

I {%) I

лето 1993 г.

Mucor hiemalis Wehmer var. hiemalis 100

Penlciilium cru.stosu.rn Thom 100

Trichoderma polysporum (Link: Persoon)Rifai 100

P.minioluteum Dierckx 75

P.janczewskii Zaleski 75

P.terlikowskii К.M.Zatessky 75

Ulocladium atrum Preuss 50

Ul.chartarum (Preuss)Simons 50

Aspergillus niger van rieghem 25

P. aurantiogriseum Dierckx 25

P.decumbens Thom 25

Tr.hamatum (Bonorden)Bainier 25

осень 1993 г.

Mycelia sterllla (dart) 75

P.aurantiogriseum Dierckx 75

P.chrysogenum Thom 75

P.terlikowskii K.M.Zatessky 75

Verticillium puniceum Cooke ct EUis 50

P.decumbens Thom 50

P.crustosum Thom 50

P. janczewskii Zateski 50

Gladosporlum sphaerospermum Penzig 50

P.minioluteum Dierckx 50

U1.atrum Preuss 50

Ul.chartarum (Preuss)Simmons 50

Chaetomium sp.(сумок нет) 25

M.hiemal is Wehmer var. hiemalis 25

P.herquei Bainier et Sartory 25

P.raistrickii G.Smith 25

P.restrictum Gitman and vlbbott 25

Tr.hamatum (Bonorden)Bainier 25

Tr.koningii Oudemans 25

Fusarium poae (PecW Wotlenveber 25

крупными включениями ортштейнов и болотной руды. Биомасса эукариог во всех ландшафтах составляет более 90% от суммарной микробной биомассы. Полученные нами данные как по микробной биомассе, так и по соотношению компонентов в ней, вполне сопоставимы с данными других авторов для других типов почв, полученных с использованием аналогичного метода оценки микробной биомассы (прямой люминисцентной микроскопии) (Головченко, 1992; Головченко и др., 1996; Полянская и др., 1995; Ро1уапзкауа, 2ууа§Ы8СУ, 1995).

Сезонные колебания численности всех основных групп микроорганизмов наблюдаются по всему профилю изученных почв, но наиболее резко они выражены в верхних горизонтах. В течение годовой сукцессии численность микроорганизмов убывает от лета к осени, наибольшие флуктуации численности характерны для грибного мицелия. Снижение длины мицелия грибов от лета к осени, наблюдаемое в почвах Окского заповедника, и противоположная тенденция в динамике грибного мицелия в почвах ЦЛГБ заповедников (Головченко, Полянская, 1996) пока не находит полного объяснения (табл.1). Значительное уменьшение длины грибного мицелия во влажные сезоны, возможно, связано с тем, что в легких песчаных почвах Окского заповедника в период интенсивных дождей происходит вымывание грибного мицелия за пределы почвенного профиля.

Установлен таксономический состав бактериальных комплексов и его изменение во времени. Таксономический состав бактериальных комплексов во всех типах ландшафтов характеризуется узким спектром таксонов. Пойменные ландшафты (дубрава и луг) выделяются как биогеоценозы с максимальным таксономическим разнообразием бактериальных комплексов. Сравнение разных типов биогеоценозов и разных ландшафтов показало, что они отличаются по набору ярусных бактериальных доминантов только в засушливые периоды, во влажные - все исследуемые биотопы характеризуются близкими величинами частоты встречаемости и доминирования бактериальных таксонов, т.е. различия между разными биотопами сглаживаются. Аналогичным образом при сопоставлении разных типов БГЦ и соответствующих им типов почв на территории Западно-Двинского стационара было показано, что сопряженность БГЦ и почв обусловливает однотипность бактериального населения этих биотопов (Головченко и др., 1993).

Сопоставляя полученные нами данные по таксономическому составу бактериальных комплексов разных типов экосистем с данными других авторов (Головченко и др., 1993; Добровольская и др., 1994) убеждаемся, что на прокариотном уровне четкие различия в спектре бактериальных доминантов обнаруживаются лишь при

сравнении таких контрастных географических зон как, например, пустыни и болота. В пределах одной климатической зоны, а тем более микрорайона поиск различий в таксономическом блоке бактерий требует перехода на другой уровень исследований - видовой, что невозможно при крупномасштабных экологических исследованиях. На уровне родов и групп бактерий эпифитно-сапротрофного комплекса его таксономический состав определяется влажностью и типом субстрата, что и было продемонстрировано в настоящей работе.

Таким образом, одним из главных факторов, оказывающих существенное влияние на жизнедеятельность почвенной микробиоты исследуемого района, являются погодные условия, определяющие гидротермический режим почв. Из представленных данных видно, что на исследуемой заповедной территории, расположенной в подзоне южной тайги и характеризующейся легким механическим составом почв, численность и структура микробных ценозов определяется прежде всего, влажностью.

Выводы

1. Максимальная численность микроорганизмов во всех исследованных биогеоценозах, характеризующая концентрацию микроорганизмов в 1 г субстрата, наблюдается в напочвенном ярусе (подстилка и дернина), в то время как максимум микробной биомассы, измеряемой в т/га, приходится на почвенный ярус, благодаря большей мощности и объемному весу почвенных горизонтов по сравнению с подстилкой.

2. Показано, что каждый тип почв характеризуется не только определенным запасом микробной биомассы, но и спецификой ее распределения в пространстве (по профилю) и во времени. В микробной биомассе доминируют грибы, представленные в основном мицелием, а не спорами.

3. Выявлены четкие различия в спектре доминирующих родов бактериального блока между ярусами и типами биогеоценозов. Максимальные показатели численности и биоразнообразия характерны для лесных подстилок и дернины пойменных ландшафтов.

4. Показано, что как численность, так и таксономическая структура микробных комплексов разных ландшафтов заповедника определяются как типом субстрата (ярусностью), так и влажностью сезона.

5. Периоды повышенной влажности характеризуются наименьшими запасами микробной биомассы и более равномерным ее распределением по профилю, определяемым вертикальной миграцией микроорганизмов с влагой. В бактериальном комплексе при этом доминируют протеобактерии, а в засушливые периоды - акти-нобактерии и бациллы.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Микробные комплексы в разных типах биогеоценозов Окского заповедника (в соавторстве с Полянской Л. М., Добровольской Т. Г., Лысак Л. В., Звягинцевым Д. Г.). Микробиология. 1995. Том 64. №4. с. 540-547.

2. Бактериальные комплексы лесных биоценозов Окского заповедника: пространственная структура и таксономическое разнообразие (в соавторстве с Добровольской Т.Г., Полянской Л.М., Звягинцевым Д.Г.). Микробиология. 1995. Том 64. № 6. с.829-833.

3. Особенности микробной сукцессии в почвах Окского заповедника (в соавторстве с Полянской Л.М., Кочкиной Г.А., Ивануш-киной Н.Е., Звягинцевым Д.Г.). Почвоведение, 199? (в печати).

4. Структура микробных комплексов почв Окского заповедника. Тез.конф. «Микрофлора почвы и земледелие», Санкт-Петербург, 1998 (в печати).