Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние микрофауны на продукцию и групповой состав комплекса почвенных микроорганизмов

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Мамилов, Анвар Шамилевич, Москва

¿//ж -

МОСЖОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕШШЙ УНИВЕРСИТЕТ им. М. В. ЛОМОНОСОВА ФАКУЛЬТЕТ ПОЧВОВЕДЕНИЯ

ВЛИЯНИЕ МИКРОФАУНЫ НА ПРОДУКЦИЮ И ГРУППОВОЙ СОСТАВ КОМПЛЕКСА ПОЧВЕННЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ

Специальность 03.00.07 - микробиология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

На правах рукописи

МАМИЛОВ Анвар Шамилевич

Научный руководитель:

доктор биологических наук

профессор Д. Г. Звягинцев

Москва 1999

СОДЕРЖАНИЕ

1. ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................5

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................8

2.1. Почва как среда обитания.....................................................................8

2.2. Методические подходы к определению биомассы почвенных микроорганизмов....................................................................................11

2.2.1. Метод фумигации-инкубации........................................................11

2.2.2. Метод фумигации-экстракции.......................................................16

2.2.3. Метод субстрат-индуцированного дыхания.................................18

2.2.4. Метод, основанный на определении концентрации в

почве АТР.........................................................................................21

2.3. Экологическая характеристика представителей почвенной

фауны.........................................................................................................25

2.4. Роль трофических взаимодействий в функционировании

почвенной экосистемы...............................................................................35

3. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.............................................47

3.1. Объекты исследования.............................................................................47

3.2. Методы исследования..............................................................................47

3.2.1. Определение общей биомассы почвенных микроорганизмов.....47

3.2.2. Дифференцированное определение грибной и бактериальной биомассы.................................................................49

3.2.3. Определение численности почвенных нематод и микроартропод.................................................................................49

3.2.4. Определение интенсивности дыхания почвы.................................50

3.2.5. Определение концентрации растворимого органического вещества (РОВ)..................................................................................50

3.2.6. Определение содержания в почве минеральных форм азота........51

3.2.7. Определение функционального разнообразия микробного комплекса............................................................................................51

3.2.8. Изучение влияния почвенных нематод и микроартропод на формирование микробной биомассы и интенсивность дыхания...52

3.2.9. Изучение роли качества субстрата в характере трофического влияния микрофауны.........................................................................54

3.2.10. Изучение влияния численности естественного комплекса нематод на продукцию почвенных микроорганизмов..................54

3.2.11. Изучение регулирующего влияния микрофауны на продукцию микробной биомассы и скорость минерализации.........................55

3.2.12. Статистическая обработка..............................................................56

4. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ.................................................................57

4.1. Разработка способа дефаунирования почвы............................................57

4.2. Влияние нематод и микроартропод на формирование микробной биомассы и интенсивности дыхания.........................................................61

4.3. Дифференцированный учет грибной и бактериальной биомассы

в почве, обогащенной растительными остатками...................................74

4.4. Влияние почвенных нематод и микроартропод на продукцию микроорганизмов в ходе разложения различных по составу растительных остатков..............................................................................86

4.5. Определение уровня оптимальной трофической активности нематод.......................................................................................................98

4.6. Изучение механизмов регулирования микрофауной комплекса почвенных микроорганизмов.................................................................105

4.7. Концептуальная модель трофической регуляции микрофауной микробного комплекса почвы...............................................................113

5. ВЫВОДЫ.......................................................................................................117

6. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................................119

L ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Продукция комплекса почвенных микроорганизмов определяет важные аспекты функционирования почвенных экосистем, связанные с минерализацией поступающего органического вещества, круговоротом питательных элементов и потоками энергии, В почвах умеренных широт большую роль в функционировании микробного комплекса играет почвенная фауна (Persson, 1983; Anderson, 1987), несмотря на то, что ее доля в общей почвенной биомассе и вклад в гетеротрофную продукцию СО2 составляет* не более 1-10% (Reichte, 1975).

Микроорганизмы и беспозвоночные животные составляют биотическое сообщество любой почвы. Взаимодействия этих групп основываются на трофических и метаболических связях. Трофические взаимодействия микроорганизмов и беспозвоночных были предметом интенсивных экспериментальных исследований в последние годы. Показано, что в присутствии беспозвоночных увеличивается скорость минерализации труднодоступных субстратов, повышается содержание минеральных форм питательных элементов и увеличивается продукция растений (Coleman et а!., 1983; Huhta et al., 1991), беспозвоночные влияют на интенсивность дыхания и рост микроорганизмов в почве (Андерсон, Инесон, 1987). К настоящему времени вопрос о механизмах регуляции состава и продуктивности микробного комплекса со стороны фауны остается открытым.

Несмотря на то, что трофическая деятельность почвенной микрофауны -нематод и микроартропод является более специфичной в отношении микробного комплекса, чем для представителей макрофауны (дождевых червей, многоножек, мокриц и др.) (Anderson, 1985), остается неясным в какой степени нематоды или

микроартроподы формируют микробную продукцию, состав и физиологическое состояние почвенных микроорганизмов.

С появлением современных методов в биологии почв, таких как оценка функционального разнообразия, определение живой микробной биомассы, интенсивности дыхания и др., стало возможным изучение микробного комплекса в естественной среде обитания. Разрабатываемая в последние годы техника микрокосмов дает возможность, контролируя физико-химические и биологические свойства почвы, моделировать трофические взаимодействия, оценивать их результат и экологическую функцию в почве.

Цель: Оценить роль трофической деятельности нематод и микроартропод в формировании состава и продукции комплекса почвенных микроорганизмов.

Задачи:

1) Разработать метод дефаунирования почвы для моделирования трофических взаимодействий микрофауны и комплекса почвенных микроорганизмов.

2) Оценить влияние микрофауны на краткосрочную динамику микробной продукции, общей и удельной интенсивности дыхания, соотношение грибной и бактериальной биомассы в ходе разложения растительных остатков.

3) Оценить особенности влияния почвенной фауны на формирование микробной биомассы в ходе разложения субстратов с различным соотношением С:1Ч.

4) Установить зависимость между микробной продукцией, скоростью минерализации и популяционной плотностью нематод.

5) Установить возможные механизмы регуляции микробного роста и активности со стороны микрофауны.

Новизна. Предложена модификация метода дефаунирования почвы, позволяющая эффективно элиминировать нематод и микроартропод, не меняя

такие микробиологические характеристики почвы как микробная биомасса, интенсивность дыхания, функциональное разнообразие, оцениваемое на основе физиологического подхода, а также содержание растворимого органического вещества. Предложена модификация метода субстрат-инАудированного дыхания для определения грибной и бактериальной биомассы в почве, обогащенной растительными остаткам!.

Показано, что характер трофического влияния почвенной микрофауны на микробную продукцию определяется степенью доступности лимитирующих питательных элементов для почвенных микроорганизмов (показано на примере азота), и может изменяться от сдерживающего микробный рост и интенсивность дыхания до стимулирующего.

Механизм стимулирования микробной продукции и скорости минерализации в большей степени связан с изменением активности почвенных микроорганизмов, чем с ускорением оборота питательных элементов.

Практическая значимость, Результаты работы могут быть использованы при экологической оценке почвенного плодородия и роли фауны в его сохранении. Предложенные модификации методов дефаунирования и субстрат-индуцированного дыхания могут быть использованы для экспериментальных исследований трофических взаимодействий и продуктивности микробного комплекса в почвах. Результаты работы используются в лекциях "Биология почв" и "Почвенные беспозвоночные: экологические функции и взаимодействия" на факультете почвоведении МГУ.

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

2.1. Почва как среда обитания.

Почва представляет собой особую сложную биогенную среду обитания (Звягинцев, Добровольская, 1992). Ее формирование происходит в результате взаимодействия геофизических оболочек - атмосферы, литосферы, гидросферы и биосферы (Ковда, 1973). Анализ разнообразных функций почв, как в отдельных экосистемах, так и в биосфере в целом получил признание и активно развивается (Бабьева, Зенова, 1989). Комплексы микроорганизмов почв и водоемов выполняют важные биосферные функции, связанные с минерализацией и круговоротом биогенных элементов (Звягинцев, 1979). Во многих отношениях почвы являются главным вместилищем живого вещества -почвенных животных, корней растений, микроорганизмов, а также приемником продуктов метаболизма, пожнивных остатков и источником водного, азотного, зольного питания растений и других организмов (Кордуняну, 1990; .Тепкашоп, 1988).

Специфика почвы, как среды обитания, состоит в том, что это трехфазная система с развитой твердой поверхностью, находящейся во взаимодействии с жидкой и газообразной (Звягинцев, 1987). Твердые частицы и агрегаты делят почву на многочисленные микро- и мезозоны, с соответствующими разнообразными условиями. Этим объясняется одновременное существование организмов-антагонистов, как например, ацидо-и алкалофилы, термо- и психрофилы и т.д., с противоположными функциями -

азотфиксация, нитрификация и денитрификация, дыхание и автотрофная фиксация СОг (Звягинцев, Голимбет, 1984).

Установлено, что для всех почвенных микроорганизмов характерно явление адгезии в большей или меньшей степени к твердой фазе почвы (Звягинцев, 1972). Она экологически оправдана, так как препятствует вымыванию (Кожевин, 1989). Почва, в целом, на протяжении большей части времени представляет собой бедную среду с рассеянным доступным органическим веществом, поэтому другим важным аспектом является то, что микроорганизмы оказываются на границе раздела твердой и жидкой фаз, где сосредоточены питательные вещества. Таким образом, адгезия способствует улавливанию веществ из рассеянного состояния, при этом, ассоциированные с почвенными частицами, микроорганизмы взаимодействуют не непосредственно с минеральной поверхностью, а ч^>ез органоминеральный гель (Звягинцев, 1987). Адгезия влияет на физиологическую активность микроорганизмов - азотфиксацию, нитрификацию, окисление метана, спиртовое брожение. В экологическом отношении, почва резко отличается от таких местообитаний, как рубец жвачных животных, ротовая полость или активный ил, в которых проявляются закономерности соответствующие проточному культивированию - непрерывно поступает доступное органическое вещество и большинство клеток находится в состоянии деления (Звягинцев, 1979). Один из механизмов, обеспечивающих функционирование комплекса почвенных микроорганизмов основан на существовании микробного пула - организмов, не обеспеченных доступным органическим веществом и другими элементами питания. Значение микробного пула велико для выживания каждого вида микроорганизма, а следовательно и

полной переработки, поступающих в почву веществ (Кожевин, Звягинцев, 1980). В связи с этим необходимы данные о размерах комплекса почвенных микроорганизмов - микробной биомассе. На протяжении всего развития почвенной микробиологии представления о численности микроорганизмов в почве сильно изменялись, причем учитываемое количество постоянно росло. Сначала применяли метод посева на питательные среды и таким образом, учитывали сравнительно немного микроорганизмов - порядка нескольких млн. на 1 г почвы. Применение прямого микроскопического метода Виноградского позволило учесть в тысячи раз больше - от сотен млн. до 1-2 млрд. клеток в 1 г почвы. Использование люминесцентной микроскопии в отраженном свете еще более увеличило, учитываемое количество микроорганизмов (Кожевин, 1989). Электронная микроскопия позволила выявить ультрамикроскопические и редкие формы (Гузев и др., 1984; Никитин и др., 1966). Количество бактерий составляет от 1 до 10 млрд., а иногда и несколько десятков млрд. клеток на 1 г почвы (Звягинцев, 1987). В последнее время, для характеристики размеров комплекса почвенных микроорганизмов перешли от микробного числа к микробной биомассе. Мотивировано это тем, что сухой вес отдельных бактерий - около 0,1*10"6 мкг углерода, и поэтому малые изменения (порядка 10%) в биомассе, например, с 500 на 550 мкг С/г - представляют 5*108 бактерий, что может казаться значительным, определяя изменения прямым счетом, тем более что вклад микроорганизмов в функционирование экосистемы не пропорционален их количеству (Sparimg, 1985).

2.2. Методические подходы к определению биомассы почвенных

микроорганизмов.

Для того чтобы понять сложные механизмы, контролирующие потоки питательных элементов и энергии в почвенной экосистеме, требуется точное определение микробной биомассы. Количество иммобилизованных в микробной биомассе питательных элементов часто превышает годовое количество, вносимое с удобрениями. Высвобождение или связывание их определяется динамикой микробной биомассы. Существует ряд методов определения углерода биомассы почвенных микроорганизмов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Выбор конкретного метода определяется спецификой поставленных научных задач.

2.2.1. Метод фумигации-инкубации.

Метод фумигации-инкубации был предложен на основании наблюдаемого феномена, когда микробная активность была выше в почве после частичной стерилизации путем экспозиции в парах бромоформа (СНВгз), хлороформа (СНСЬ), высушивании при 80° С и подверженной ионизирующему облучению. Все четыре обработки вызывали сопоставимую величину выделения СОг из почвы со сходной долей меченого углерода. Сходность результатов трудно объяснить полагая, что частичная стерилизация делает часть мертвого органического вещества более минерализуемой. Если это так, то четыре различные обработки должны действовать на одну и ту же часть почвенного органического вещества в равной степени. Общим объяснением действия всех

этих обработок являлось бы то, что они убивают микроорганизмы, и всплеск минерализации углерода и азота может быть вызван только их разложением. В добавок к этому было обнаружено, что в образцах почв, вторично подверженных частичной стерилизации, количество СОг , выделяющегося из образца было незначительным (.Гепктйоп, 1966), что говорит о том, что повторная стерилизация убивает значительно меньше микроорганизмов и не влияет на минерализацию немикробного почвенного органического вещества. Это дало основания сделать заключение, что величина вспышки выделения СО2 после фумигации представляет оценку содержания микробной биомассы.

В настоящее время нашел повсеместное применение метод фумигации-инкубации для определения углерода микробной биомассы, предложенный позднее. Этот метод был четко развит в серии из пяти работ (1еп1ап8оп е1 а1., 1976а; 1епкт80п е! а1., 1976Ь; Лпктвоп й а1. 1976с, Ромркоп е1 а1. 1976; .Гепктзоп, 1976). Для получения точных результатов необходимо выполнение двух основных требований. (1) Количество СОг, продуцируемое за счет разложения убитых микроорганизмов, должно быть на много больше в фумигированном образце, чем выделяющееся за счет разложения микроорганизмов, отмирающих в нефумигированной почве в ходе 10 дней инкубации. (2) Количество СО2, продуцируемое за счет разложения немикробной части почвенного органического вещества должно быть одинаковым в фумигированной и нефумигированной почве. В соответствии с этими требованиями контроль не должен содержать более высокое количество мертвых организмов, что может быть в случае когда исследуется сухая почва. В таких условиях рекомендуется прединкубация увлажненной почвы в течение по крайне мере 10 суток. Сходная обработка желательна для почв, хранившихся в замороженном состоянии.

Второе условие наиболее важно, так как многие научные интересы сосредоточены на формировании микробной биомассы в почвах, вовлеченных в сельскохозяйственный оборот, где необходимо определение в почвах, получающих дополнительные органические добавки в виде органическ