научная статья по теме ОСОБЕННОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛЕРОДА МИКРОБНОЙ БИОМАССЫ ПОЧВЫ МЕТОДОМ СУБСТРАТ-ИНДУЦИРОВАННОГО ДЫХАНИЯ Сельское и лесное хозяйство
Цена:
Авторы работы:
Научный журнал:
Год выхода:
Текст научной статьи на тему «ОСОБЕННОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛЕРОДА МИКРОБНОЙ БИОМАССЫ ПОЧВЫ МЕТОДОМ СУБСТРАТ-ИНДУЦИРОВАННОГО ДЫХАНИЯ»
ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2011, № 11, с. 1327-1333
ОСОБЕННОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛЕРОДА МИКРОБНОЙ БИОМАССЫ ПОЧВЫ МЕТОДОМ СУБСТРАТ-ИНДУЦИРОВАННОГО ДЫХАНИЯ*
© 2011 г. Н. Д. Ананьева, Е. А. Сусьян, Е. Г. Гавриленко
Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, 142290, Пущино,
Московской обл., ул. Институтская, 2 e-mail: ananyeva@rambler.ru Поступила в редакцию 09.11.2009 г.
Изучены особенности определения углерода микробной биомассы методом субстрат-индуциро-ванного дыхания (МБсид) в зависимости от условий инкубации (концентрация глюкозы, температура) и предынкубации (продолжительность, температура) почвенных образцов, отобранных летом (тундровая глеевая, дерново-подзолистая почва, чернозем) и по сезонам года (серая лесная почва). Показано, что концентрация глюкозы, обеспечивающая наибольшее СИД в изученных почвах, составила 2—15 мг/г. Величины МБсид почв, отобранных летом и предынкубированных при температуре 10 и 22°С (7 сут), достоверно не различались. Величины МБсид серой лесной почвы, предынкубированной при 3, 6 и 10°С (зима, весна/осень и лето соответственно) и 22°С (рекомендовано авторами метода СИД), достоверно не различались для пашни во все сезоны, луга — зимой, летом и осенью и леса — только летом. Показано, что для сравнительной оценки МБсид почв разных экосистем образцы следует отбирать осенью или летом. Почвенные образцы (100—500 г) рекомендовано предынкубировать в течение 7 сут при 22°С и 60% полной влагоемкости, а затем — инкубировать навески (1—2 г) с глюкозой (10 мг/г, 22°С, 3—5 ч).
Метод субстрат-индуцированного дыхания (СИД) основан на измерении первоначального максимального выделения СО2 из почвы, обогащенной глюкозой в интервале не превышающем шести часов [2]. Метод СИД предполагает соблюдение условий, связанных, прежде всего, с количеством внесенной в почву глюкозы, температурой предынкубации (до внесения глюкозы) и инкубации (после внесения глюкозы) почвенного образца. Концентрация глюкозы, обеспечивающая наибольший первоначальный отклик почвенного микробного сообщества в виде образовавшегося СО2, определяется экспериментально для каждого типа почвы и составляет в основном от 1 до 20 мг глюкозы/г почвы [13, 16, 17]. Метод не предполагает применения очень низких (недостаточное количество для всех микроорганизмов почвы) и очень высоких (возможно токсическое влияние) концентраций глюкозы.
Известно, что продуцирование двуокиси углерода почвой, в основе которого лежит и деятельность гетеротрофных микроорганизмов, зависит от гидротермических условий: температуры и влажности. При определении углерода почвенной микробной биомассы методом СИД (С мик—МБсид, МБсид) влажность образца, как правило, должна состав-
*Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант № 07-0400631).
лять не менее 60% полной влагоемкости (оптимальная для микроорганизмов). Однако температура при отборе почвенного образца, предынку-бации и инкубации его с глюкозой может оказать влияние на величину измеряемой микробной биомассы. Обогащенный глюкозой почвенный образец инкубируют согласно методике при 22°С [7], что соответствует температуре верхнего горизонта почв в летний период в большинстве стран Западной Европы. В ряде регионов европейской России температура почвы на глубине, например 5 см, не превышает 10°С даже в самое теплое время года. Поэтому на примере почвы умеренной зоны нашей страны была проведена оценка МБсид в почвенных образцах, отобранных в разные сезоны года, в том числе и зимой.
Микробная биомасса почв — важный показатель для экологических исследований, поэтому вопросы, связанные с методами ее определения и сезонными изменениями, приобретают особую актуальность.
Цель работы — определение содержания углерода микробной биомассы разных почв методом суб-страт-индуцированного дыхания в зависимости от условий предынкубации, инкубации образца с глюкозой и температуры отбора (сезон года).
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Объектом исследования служили почвы естественных экосистем (0—10 см): тундровая глеевая (Ненецкий АО: С орг 11.74%, рН Н20 4.1 и близ г. Воркута: С орг 5.5%, рН Н20 4.0), дерново-подзолистая (Архангельская обл., хвойный лес: С орг 1.08%, рН Н20 4.2) и чернозем выщелоченный (Пензенская обл., целина: С орг 5.98%, рН Н20 5.8), образцы которых были отобраны летом. Образцы серой лесной почвы (Московская обл., близ г. Пущино) трех экосистем (лес смешанный: С орг 1.87%, рН Н20 5.73; луг сеянный старовоз-растный: С орг 1.69%, рН Н20 6.73; и пашня под озимой пшеницей: С орг 0.94%, рН Н20 5.95) были отобраны по сезонам года: зимой (январь), весной (апрель), летом (июнь) и осенью (ноябрь) 2006 г. из верхнего гумусового горизонта (0—10 см) фиксированных точек экосистем. Растительный опад всех изученных почв в анализ не включали. Зимой и весной образцы серой лесной почвы отбирали и предынкубировали в виде монолитов (10 х 10 см), летом и осенью — усредняли и просеивали (диаметр ячеек сита 3 мм). Среднесуточная температура воздуха при отборе образцов серой лесной почвы составляла —8; 1/1; 15°С зимой, весной/осенью и летом соответственно. Высота снежного покрова была 34; 44 и 43 см в январе и 15, 19, 3 см — в апреле в лесу, на лугу и пашне соответственно. В самое холодное время года (январь) почва разных экосистем сильно не промерзала: прожилки льда были, но она резалась ножом. Зимой 2005—2006 гг. низкие температуры воздуха (—25. —30°С) на территории европейской России были продолжительный период (около месяца).
До начала респирометрических измерений образцы тундровой, дерново-подзолистой и черноземной почв были предынкубированы 7 суток при 10 и 22°С, влажность почвы составляла 60% полной влагоемкости (ПВ). Образцы серой лесной почвы (одна часть) были предынкубированы при температуре 3 (зимой), 6 (весной, осенью) и 10°С (летом) в течение 1 и 7 суток, влажность около 60% ПВ. Вторая часть образцов, отобранных по сезонам, были предынкубированы при 60% ПВ и 22°С (температура рекомендована авторами метода).
Субстрат-индуцированное дыхание почвы оценивали по скорости начального максимального дыхания микроорганизмов после обогащения почвы дополнительным источником углерода и энергии (глюкоза) [7]. Из предынкубированного образца почвы отбирали навески (в монолите — из разных точек), равные 2 г, и помещали во флаконы (объем 15 мл), добавляли раствор глюкозы (0.1 мл раствора/г почвы, конечная концентрация 10 мг глюкозы/г), герметично закрывали и фиксировали время. Обогащенные глюкозой на-
вески почвы инкубировали в течение 3—5 ч при разных температурах (3, 6, 10 и 22°С). В предварительных экспериментах с разными типами почв показано, что максимальное первоначальное выделение СО2 после внесения глюкозы происходило в интервале от 2 до 5 ч. Пробу воздуха из флакона отбирали шприцем, вводили в газовый хроматограф СИгош-5 с детектором по теплопроводности и на самописце регистрировали пик СО2. Скорость СИД рассчитывали в объемных и весовых (СО2—С, углерод СО2) единицах СО2 по формулам (1) и (1а) соответственно:
СИД = СИД */(рШ2 X 0.272); (1)
СИД* = ЬРУфл X 60/(тУпрМ), (Ь)
где СИД — скорость субстрат-индуцированного дыхания, мкл СО2/г почвы/ч; СИД* — скорость субстрат-индуцированного дыхания, мкг СО2— С/г почвы/ч; Ь — высота (площадь, регистрация интегратором самописца) пика С02 пробы за вычетом высоты пика С02 атмосферного воздуха; мм (мм2); Р — мкг С02—С стандарта (газовой смеси СО2 и воздуха) на мм (мм2) пика СО2 (расчет см. ниже); Уфл — объем воздушного пространства во флаконе с навеской почвы, мл; Упр — объем газовой пробы, вводимой в хроматограф, мл; АТ — время от закрывания флакона до отбора газовой пробы, мин; т — масса сухой навески почвы, г; 0.272 — содержание углерода в углекислом газе (соотношение массы С и СО2); рС02 — удельный вес СО2 при температуре инкубации почвы, г/л (расчет см. ниже).
Для определения величины Р использовали газовую смесь (стандарт) воздуха с известным объемным содержанием СО2:
Р = 1960 х 12 WcOJ(100 х 44ЬР),
где Р — см. обозначения в формуле (1); WCO2 — концентрация СО2 стандарта, % объемный; ЬР — высота пика (площадь) газовой пробы стандарта, мм (мм2); 1960 — масса 100% СО2 в 1 мл, мкг; 12 и 44 — молярная масса углерода и углекислого газа соответственно, г/моль.
После преобразования формула (2) имеет вид:
Р = 23520 WCO2/(4400ЬР).
Измерение пика С02 газовой пробы из тестируемого флакона и стандарта проводят при одинаковой чувствительности газового хроматографа и при одинаковом объеме газовой пробы из испытуемого флакона и стандарта.
Расчет удельного веса СО2 при разной температуре проводили по формуле:
рС02 = 273.2 х 44/(273.2 + 1)122.4,
Таблица 1. Микробная биомасса (метод СИД) разных типов почв (0—10 см), обогащенных глюкозой в разных концентрациях (величины с разными буквам по критерию Дункана достоверно различаются прир по теме «Сельское и лесное хозяйство»
АНАНЬЕВА Н.Д., ВАСЕНКИНА И.В., ВИРТ С., ЗВЯГИНЦЕВ Д.Г., ПОЛЯНСКАЯ Л.М., СУСЬЯН Е.А. — 2008 г.
АНАНЬЕВА Н.Д., СТОЛЬНИКОВА Е.В., СУСЬЯН Е.А., ХОДЖАЕВА А.К. — 2010 г.
АНАНЬЕВА Н. Д., ЗВЯГИНЦЕВ Д. Г., ПОЛЯНСКАЯ Л. М., СТОЛЬНИКОВА Е. В. — 2010 г.
Источник
Микробная биомасса и базальное дыхание карьерно-отвальных комплексов с различными субстратами
Исследования были проведены на самозарастающих и рекультивированных карьерах Северо-Запада России. Были оценены основные биологические показатели, такие как содержание микробной биомассы, базальное дыхание почв и микробный метаболический коэффициент. Для всех изученных карьеров характерен низкий уровень биологической активности
Ключевые слова: микробная биомасса, базальное дыхание, метаболический коэффициент, карьеры строительных материалов.
Dmitrakova Ianina Aleksandrovna, Abakumov Evgenij Vasilevich.
The study was carried out at nonreclaimed and recultivated quarries with different soils in the North-West of Russia. The basic biological indicators such as microbial biomass content, basal soil respiration and metabolic quotient were measured. For all quarries the level of microbiological activity is low.
Keywords: microbial biomass, basal soil respiration, metabolic quotient, quarries.
Первые описания сложных взаимоотношений между живыми и косными системами появились в работе В. В. Докучаева «Русский чернозем». Именно он собрал воедино множество факторов, влияющих на педогенез, и указал на необходимость изучения различных типов почв, в частности нарушенных в результате деятельности человека [7]. Стоит отметить, что идеи великого русского ученого и в настоящее время имеют ведущее значение в современных исследованиях природы нашей страны.
Почвенные микроорганизмы – обязательный компонент любого биогеоценоза, выполняющий ряд важных метаболических и экофизиологических функций. Они участвуют в восстановлении растительного покрова и процессах круговорота веществ, способствуют поддержанию почвенного плодородия и регулируют отдельные звенья процесса гумификации [5,6]. Первоочередная роль почвенной биоты в корневом питании растений состоит в её способности переводить недоступные и малодоступные формы химических соединений, в элементы, которые способны усваиваться растениями [3]. Установлено влияние почвенных микроорганизмов на стабилизацию кислотно-основного баланса, трансформацию корневых эксудатов, выделение ферментов, активно действующих на растения, кроме того было показано снижение уровня негативных последствий токсичных веществ на компоненты биогеоценозов [4]. Некоторые авторы отмечают способность биоты разрушать и синтезировать гуминовые вещества, улучшать физические параметры почв, воздушный, водный и другие режимы почв [8]. Биологическое состояние почв, которое в большей степени оценивается по микробиологической активности, рассматривается некоторыми исследователями как критерий почвообразовательных процессов [1]. Таким образом, положительные функции микробного сообщества можно свести к трансформации почвенных компонентов и свойств, трансформации чужеродных загрязняющих элементов и восстановлению естественного профиля почв [4, 2].
Карьеры по добыче строительных материалов могут характеризоваться высоким уровнем эмиссии СО2 в атмосферу, постепенно, по мере восстановления сообществ начинают преобладать процессы депонирования (секвестрации) углекислого газа из атмосферы. Принято считать, что микробная биомасса является индикатором процессов накопления и минерализации органического вещества [13]. Во многих странах содержание углерода микробной биомассы, оцененное методом субстрат индуцированного дыхания, рассматривается как индекс качества почвы [12]. Состояние микробоценозов реплантоземов изучено довольно плохо, при этом именно этот компонент играет важнейшую роль в поддержании устойчивости сообществ и развитии экосистем. Кроме того, принимая во внимание все вышеупомянутые аспекты, особенно актуальным является изучение состояния микробиологического компонента на техногенных местообитаниях. Целью данного исследования являлась оценка количественного содержания микробного компонента и его активности.
Объекты и методы
Исследование проводили на территории 7 карьерно-отвальных комплексов. Пять из них расположены на территории Ленинградской области: 2 карьера по добыче известняка в поселках Елизаветино и Печурки, 1 – по добыче известнякового туфа в пос. Пудость, карьер по добыче песчано-гравийных отложений в п. Колтуши, месторождение фосфоритов в Кингисеппском районе, и 2 карьера расположено в Новгородской области – карьер по добыче песчано-гравийных отложений в дер. Окуловка и карьер по добыче огнеупорных глин в Устье-Брынкино (рис. 1).
Рис. 1. Месторасположение объектов исследований
Обозначение карьеров: 1 – карьер по добыче известняка (Елизаветино); 2 – карьер по добыче известнякового туфа (Пудость); 3 – карьер по добыче известняка (Печурки); 4 – месторождение фосфоритов в Кингисеппском районе; 5 – карьер по добыче песчано-гравийных отложений (Колтуши); 6 – карьер по добыче песчано-гравийных отложений (Окуловка); 7 – карьер по добыче огнеупорных глин (Устье-Брынкино).
На каждом карьере были выделены основные экотопы, соответствующие элементарному почвенному ареалу, и проведен отбор образцов для лабораторных исследований. Характеристика объектов исследования приведена в таблице 1.
Таблица 1 – Характеристика объектов исследования
Карьер по добыче известняка (Елизаветино, Ленинградская область)
Самозарастающий отвал отсева с зарослями ивы
Источник