Регистрация / Вход
Прислать материал

Использование метода мультисубстратного тестирования в оценке экологического состояния таежных почв Европейского Северо-Востока

Сведения об участнике
ФИО
Лаптева Елена Морисовна
ФИО (на английском языке)
Lapteva Elena Morisovna
Название организации
Институт биологии Коми НЦ УрО РАН
Информация о докладе
Вид доклада
Устный доклад
Секция
Биоиндикация и химический анализ в экологическом мониторинге
Название доклада
Использование метода мультисубстратного тестирования в оценке экологического состояния таежных почв Европейского Северо-Востока
Соавторы доклада (ФИО, организация, город, страна)
Виноградова Ю.А., Институт биологии Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкар, Россия; Перминова Е.М., Институт биологии Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкар, Россия
Аннотация
Исследованы особенности формирования микробных сообществ в почвах еловых лесов европейского северо-востока России. Оценены особенности профильного распределения микробной биомассы и численности различных групп микроорганизмов в подзолистых и глееподзолистых почвах, определены закономерности их изменения в ряду почв: подзолистая (глееподзолистая) – торфянисто-подзолисто-глееватая – торфяно-подзолисто-глеевая. Показано, что автоморфные почвы (подзолистые и глееподзолистые) отличаются достаточно высоким функциональным потенциалом микробных сообществ, маркирующим условия трансформации органического материала в их верхних горизонтах. Антропогенное воздействие дестабилизирует экологическое состояние микробных сообществ таежных почв, обусловливая снижение их функционального разнообразия и функциональной активности. Наиболее резко в биоклиматических условиях средней и северной тайги реагируют на техногенное воздействие микробные сообщества автоморфных почв – подзолистых и глееподзолистых.
Ключевые слова
подзолистые и болотно-подзолистые почвы, микробные сообщества, мультисубстратное тестирование, антропогенное воздействие, вырубки
Введение

Таежные почвы, формирующиеся в хвойных лесах европейского северо-востока России (ЕСВР), в отличие от почв южной и центральной части России, испытывают существенно меньший техногенный и агрогенный пресс. Однако и они, в связи с промышленными рубками, разработкой нефте-газовых месторождений, развитием инфраструктуры, подвержены процессам антропогенной трансформации, которая зачастую проявляется на уровне изменения химических и биологических свойств почв, без изменения их морфологической структуры. Учитывая слабую изученность микробиоты подзолистых и болотно-подзолистых почв Республики Коми, занимающей значительную по площади территорию ЕСВР, нами была проведена комплексная оценка почвенных микробных сообществ, а также рассмотрена возможность применения мультисубстратного тестированяи (МСТ) для характеристики экологического состояния таежных почв Севера и оценки его изменения под влиянием природных и антропогенных факторов. 

Методы и материалы

В работе использовали стандартные методы микробиологических исследований. Численность и соотношение эколого-трофических групп микроорганизмов (ЭТГМ) определяли методом посева, содержание микробной биомассы – методом люминесцентной микроскопии (Методы…, 1991), функциональную активность микробных сообществ – методом мультисубстратного тестирования (Горленко, Кожевин, 2005). Объектами исследования послужили ряды почв, формирующиеся в градиенте влажности еловых лесов. В подзоне средней тайги такой ряд представлен подзолистой – торфянисто-подзолисто-глееватой почвой, в подзоне северной тайги – глееподзолистой – торфянисто-подзолисто-глееватой – торфяно-подзолисто-глеевой. Кроме того, были исследованы ряды почв, испытывающих различную антропогенную нагрузку. В подзоне средней тайги такими объектами послужили подзолистые почвы ельников черничных и их аналогов, представленных на разновозрастных вырубках, в подзоне северной тайги – почвы еловых лесов, подвергшихся трансформации в процессе строительства автомобильной дороги, а также воздействия разлива дизельного топлива.

Полученные результаты

Как показали проведенные исследования, распределение ЭТГМ в профилях рассмотренных почв имеет типичную для таежных экосистем картину. Максимум численности микроорганизмов приходится на верхнюю часть подстилочно-торфяных горизонтов с их снижением в нижней части лесных подстилок на 2-3 порядка. При переходе от органогенных к минеральным горизонтам отмечаются резкое уменьшение общего количества ЭТГМ и изменение их соотношения. В верхней части подстилки основной вклад вносят аммонификаторы, в нижней – микроорганизмы, ассимилирующие минеральные формы азота, и олиготрофы. Оценка численности микроорганизмов с помощью люминесцентной микроскопии показала несколько иную картину. Максимум численности бактерий, спор грибов и длины грибного мицелия приходится на нижнюю часть органогенных горизонтов, где протекают основные процессы трансформации растительного материала и гумификации.  В структуре биомассы основную роль играет мицелий микроскопических грибов. На его долю, в зависимости от типа почвы, генетического горизонта и погодных условий года, может приходиться от 70 до 99 % общей биомассы микроорганизмов. В направлении от органогенных к минеральным горизонтам доля грибного мицелия снижается при существенном возрастании в структуре биомассы микромицетов доли спор грибов. Переувлажнение почв в ельниках долгомошных и ельниках сфагновых обусловливает закономерное снижение численности бактерий, длины грибного мицелия и суммарной биомассы микроорганизмов в болотно-подзолистых почвах.

Анализ функциональной активности микроорганизмов свидетельствует о достаточно высоком функциональном потенциале почвенных микробных сообществ в  еловых лесах Севера. В их органогенных горизонтах микробиотой из 47 субстратов утилизируется 18-38 источников органического углерода, в подзолистых горизонтах – 10-19 субстратов. Микробные сообщества автоморфных почв (подзолистые, глееподзолистые), заселяющие верхние подгоризонты лесных подстилок, сбалансированы по интенсивности потребления различных групп соединений. Здесь микроорганизмами ассимилируются все группы соединений, но наиболее активно – углеводы. В нижней части подстилки спектр потребляемых субстратов смещается в сторону аминокислот и азотсодержащих органических соединений. В минеральных (подзолистых) горизонтах сохраняется высокая доля потребления аминокислот и азотсодержащих соединений при активизации потребления солей низкомолекулярных органических кислот и полимерных соединений. Нарастание уровня увлажнения в почвах водораздельных ландшафтов обусловливает снижение общего количества потребляемых субстратов за счет уменьшения потребления сахаров, аминокислот и спиртов.

Промышленные рубки и последующее естественное восстановление растительного покрова оказывают неоднозначное влияние на функциональное разнообразие почвенных микробных сообществ. С одной стороны, в почвах вырубок отмечено возрастание их функционального разнообразия, что обусловлено расширением спектра поступающих органических веществ в почву и на ее поверхность в результате смены пород. С другой стороны, в горизонтах лесных подстилок почв вырубок наблюдается снижение как численности и биомассы микроорганизмов, так и их функциональной активности. Расчет коэффициентов рангового распределения потребления субстратов d (как меры дестабилизации или возмущенности системы) и интегрального параметра общего благополучия системы G (как отношения биоразнообразия к нестабильности) свидетельствует о дестабилизации почвенных микробных комплексов на ранних стадиях сукцессии после рубки еловых лесов. Это обусловлено ухудшением экологических условий жизнедеятельности почвенных микроорганизмов за счет развития временного переувлажнения почв на вырубках, усиления в них процессов оглеения и повышения кислотности.

«Запечатывание» почв при прокладке автодорог и воздействие на них органических поллютантов существенно меняют экологическое состояние микробных сообществ, что проявляется в снижении общей численности микроорганизмов, их эколого-трофических групп, функциональной активности и функционального разнообразия. Однако наиболее резкое нарушение (изменение стабильности) микробных сообществ прослеживается в почвах, формирующихся в автоморфных позициях рельефа и характеризующихся в биоклиматических условиях таежной зоны наиболее благоприятными условиями существования почвенной микробиоты. 

Заключение

Таким образом, на основе использования комплексного подхода, включающего применение классических (посев на элективные среды) и современных (люминесцентная микроскопия, мультисубстратное тестирование) методов почвенной микробиологии, дана характеристика микробного статуса подзолистых и болотно-подзолистых почв, формирующихся в градиенте влажности средне- и северотаежных еловых лесов. Оценены особенности профильного распределения микробной биомассы и численности различных групп микроорганизмов в подзолистых и глееподзолистых почвах, определены закономерности их изменения в ряду почв: подзолистая (глееподзолистая) – торфянисто-подзолисто-глееватая – торфяно-подзолисто-глеевая. Показано, что автоморфные почвы (подзолистые и глееподзолистые) отличаются достаточно высоким функциональным потенциалом микробных сообществ, маркирующим условия трансформации органического материала в их верхних горизонтах. Антропогенное воздействие дестабилизирует экологическое состояние микробных сообществ таежных почв, обусловливая снижение их функционального разнообразия и функциональной активности. Наиболее резко в биоклиматических условиях средней и северной тайги реагируют на техногенное воздействие микробные сообщества автоморфных почв – подзолистых и глееподзолистых.

 

Цитируемая литература
Дымов А.А., Бобкова К.С., Тужилкина В.В., Ракина Д.А. Растительный опад в коренном ельнике и лиственно-хвойных насаждениях // Лесной журнал, 2012. №3. С.7-18.
Горленко М.В., Кожевин П.А. Мультисубстратное тестирование природных микробных сообществ. М.: МАКС Пресс, 2005. 88 с.
Методы почвенной микробиологии и биохимии / Под. ред. Д.Г. Звягинцева. М.: Изд-во МГУ, 1991. 304 с.
Благодарности
Работа выполнена при финансовой поддержке проекта Комплексной программы УрО РАН №15-12-4-45 «Функционирование и эволюция экосистем криолитозоны европейского северо-востока России в условиях антропогенных воздействий и изменения климата».
Название, авторы, резюме (на английском языке)

The use of multisubstrate testing to evaluate the ecological state of taiga soils in the Russian European Northeast

Lapteva E.M., Vinogradova Yu.A., Perminova E.M.

Institute of Biology Komi SC UrD RAS, Syktyvkar, Russia

 

he features of the formation of microbial communities in soils of spruce forests of the European North-East of Russia. Evaluated features profile distribution of microbial biomass and abundance of different groups of microorganisms in podzolic soils and gleypodzolic soils, identified patterns of changes in the number of soils: podzolic (gleypodzolic) - peaty-podzolic- - peat-podzolic. It is shown that the automorphic soils (podzolic and gleypodzolic) are reasonably high functional potential of microbial communities, marking the transformation of the conditions of the organic material in their upper horizons. Anthropogenic impact destabilizes the ecological state of microbial communities taiga soils, causing a decline in their functional diversity and functional activity. Most dramatically in the bioclimatic conditions of the middle and northern taiga respond to technological impact automorphic soil microbial communities - podzolic and gleypodzolic.