РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ КРИОЛИТОЗОНЫ На правах рукописи
реклама
РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ БИОЛОГИЧЕСКИХ ПРОБЛЕМ КРИОЛИТОЗОНЫ На правах рукописи Иванова Татьяна Ивановна СТРУКТУРА И ДИНАМИКА АКТИВНОСТИ МИКРОБНЫХ СООБЩЕСТВ МЕРЗЛОТНЫХ ПОЧВ ЦЕНТРАЛЬНОЙ И ЮЖНОЙ ЯКУТИИ 03.00.16 – экология 03.00.07 – микробиология ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата биологических наук Научный руководитель: доктор биологических наук А.П. Чевычелов Научный консультант: доктор биологических профессор Б.Б. Намсараев Якутск, 2006 наук, 2 ОГЛАВЛЕНИЕ ВВЕДЕНИЕ. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ……...4 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ Глава I. Почвенно-экологические условия функционирования микробных сообществ Центральной и Южной Якутии…………………………..7 1.1.Климат и особенности гидротермического режима почв………..........7 1.2.Растительность……………………………………………………..........10 1.3.Свойства основных типов мерзлотных почв……………………….…12 Глава II. Микроорганизмы в почвах мерзлотной области………………………19 2.1.Почвообразующая роль микроорганизмов…………………..………...19 2.2.Криолитозона как среда обитания микроорганизмов ……………..….23 2.3.Разнообразие микроорганизмов, выделенных из многолетнемерзлых пород ………………………………………………….25 2.4.Факторы, влияющие на микробиологический состав почв…………...27 2.5.Сезонная динамика численности и биомассы микроорганизмов по профилям зональных типов почв…………………………………………...30 2.6.Микроорганизмы из почв Крайнего Севера…………………...………34 2.7.Микроорганизмы из почв Якутии…………………………………...……40 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Глава III. Объекты и методы исследования…………………………………...….44 3.1.Отбор почвенных проб для микробиологического анализа…………..47 3.2.Метод определения абсолютно сухого веса (АСВ) почвенных образцов……………………………………………………………...……….52 3.3.Подготовка почв к микробиологическим анализам……………….…..53 3.4.Определение количества клеток методом на твердые среды (чашечный метод Коха) ………………………………………………… ... 53 3.5.Среды для культивирования различных микроорганизмов…………..55 3.6.Методы определения свободноживущих азотфиксаторов…………....57 3 3.7.Методика выделения целлюлозолитических микроорганизмов и определения целлюлазной активности………………………………….…58 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Глава IV. Численность и состав основных групп микроорганизмов мерзлотных почв Южной Якутии……………………………………..………………………...59 Глава V. Структура и функциональная характеристика микробиоценозов мерзлотных лесных почв Центральной Якутии…………………………………72 5.1.Численность и состав основных групп микроорганизмов……….…..72 5.2.Межгодовая динамика микробиологической активности мерзлотных лесных почв в зависимости от почвенно-экологических факторов……..86 5.3.Сезонная динамика микробиологической активности мерзлотных лесных почв в зависимости от почвенно-экологических факторов……………………………………………………………………...90 5.4.Целлюлозолитическая активность мерзлотных лесных почв Центральной Якутии……………………………………………………….105 Глава 6. Структура и функциональная характеристика микробиоценозов мерзлотных лугово-степных почв Центральной Якутии………………………121 6.1.Численность и состав основных групп микроорганизмов……….….121 6.2.Сезонная и межгодовая динамика микробиологической активности мерзлотных лугово-степных почв Центральной Якутии в зависимости от почвенно-экологических факторов………………………………………..130 ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………………143 ВЫВОДЫ………………………………………………………………………….147 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………...148 4 ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы. Микробиоценозы мерзлотных почв, формирующиеся в суровых условиях криолитозоны и адаптированные к ним, обладают рядом таксономических особенностей, специфической физиологической активностью метаболизма и отношением к окружающим факторам среды. Изучение проблемы влияния низких температур на структуру и функционирование микробного комплекса почвы требует более детального изучения распределения численности микроорганизмов по профилю зональных типов мерзлотных почв. Между тем, деятельность почвенных микроорганизмов Якутии, которая расположена в зоне многолетней мерзлоты, изучена недостаточна. Изучение микробного населения почв на территории Якутии ранее проводилось эпизодически (Мазилкин, 1955-1956, Напрасникова,1988), до сих пор нет целостной картины количественного и качественного состава микрофлоры почв мерзлотных ландшафтов. Характеристика микробных сообществ разных мест обитания особенно актуальна в связи с изучением и сохранением биоразнообразия экосистем. В последние годы несомненный интерес вызывает изучение микрофлоры в мерзлотных почвах разного типа и генезиса. Цель исследований. Изучение численности и характеристика морфологического разнообразия микроорганизмов в различных по составу, строению и генезису почвах Центральной и Южной Якутии, а также динамики их активности в зависимости от почвенно-экологических факторов. Основные задачи: 1. Определить численность различных физиологических групп микроорганизмов в основных типах почв Центральной и Южной Якутии; 2. изучить сезонные и межгодовые колебания численности микроорганизмов в основных типах мерзлотных лесных и луговостепных почвах Центральной Якутии; 3. выявить влияние экологических факторов (температуры, влажности 5 и условий питания) на динамику численности некоторых групп микроорганизмов; 4. определить скорость разложения целлюлозы в основных типах почв Центральной и Южной Якутии; 5. выделить накопительные и чистые культуры азотфиксаторов и целлюлозолитиков. Научная новизна. Впервые на единой методической основе для криолитозоны Центральной и Южной Якутии приведена общая микробиологическая характеристика основных типов мерзлотных почв в зависимости от их состава, строения, генезиса и почвенно-экологических факторов. Проведенные исследования дали представление о структуре, профильном распределении и активности микробных сообществ мерзлотных лесных и лугово-степных почв. Впервые даны количественные показатели скорости разложения целлюлозы и численности азотобактера в основных типах мерзлотных почв Центральной и Южной Якутии и изучено влияние абиотических факторов окружающей среды (температуры, влажности), а также типа растительного сообщества на темпы микробиологической деструкции. Защищаемые положения: 1. Наиболее значимым почвенно-экологическим фактором, в условиях криолитозоны Центральной микробиологическую активность Якутии, мерзлотных обуславливающим почв является влажность. 2. Численность большинства изученных групп микроорганизмов в почвах криоаридной территории Центральной Якутии имеет два пика сезонной активности - в начале и конце периода вегетации. 3. Характерной особенностью мерзлотных почв Якутии является высокая численность бактерий по всему профилю исследованных почв и эта тенденция не зависит от погодно-климатических условий года. Практическая ценность. Полученные количественные данные распространении микроорганизмов разных физиологических групп и о их 6 активности в различных типах мерзлотных почв Якутии позволят не только выявить роль микроорганизмов в формировании специфики режимов почвогрунтов криолитозоны, но и количественно оценить эмиссию парниковых газов в атмосферу при различных прогнозных сценариях изменения климата и природной среды. Результаты исследований о распространении и активности азотфиксирующих и целлюлозолитических бактерий в почвах Якутии могут быть использованы для составления кадастра земель и характеристики почвенного плодородия. Полученные результаты могут быть применены для планирования и проведения комплекса природоохранных мероприятий в Якутии, а также биоиндикации техногенных загрязнений в почвах зоны многолетней мерзлоты в аспекте почвенно-экологического мониторинга. Апробация результатов. Основные результаты работы доложены на научных конференциях студентов и молодых ученых Республики Саха (Якутия) ”Лаврентьевские чтения“ (Якутск, 1999,2002), на первой международной конференции ”Роль мерзлотных экосистем в глобальном изменении климата “ (Якутск, 2000), на научно-практической конференции «Проблемы прикладной экологии Севера (Якутск, 2002), на второй международной конференции ”Роль мерзлотных экосистем в глобальном изменении климата “ (Якутск, 2002), на III Всероссийской научной конференции «Современные проблемы почвоведения и оценки земель Сибири», посвященной 75-летию кафедры почвоведения ТГУ (Томск, 2005). Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 работ. Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, 6 глав основного текста, заключения, выводов и списка литературы. Работа изложена на 158 страницах машинописного текста, включая 23 таблицы и 33 рисунка. Список литературы содержит 111 наименований работ, в том числе 16 работ иностранных авторов. 7 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ Глава I. Почвенно-экологические условия функционирования микробных сообществ Центральной и Южной Якутии 1.1 Климат и особенности гидротермического режима почв Исследуемая территория Южной Якутии приурочена к центральной части Алданского нагорья и южной части Лено-Алданского плато. Это преимущественно низко – и среднегорная территория с абсолютными отметками плато – 450-600 м, нагорья – 600-900 м и возвышающимися над ними горными хребтами с высотами 1500-2000 м над уровнем моря (Коржуев, 1965). Южная Якутия находится в зоне явно избыточного увлажнения, здесь при годовом количестве атмосферных осадков 500-600 мм, максимально возможный расход влаги за лето составляет 220-280 мм (Еловская, Коноровский, 1978). Поэтому около 300 мм выпадающих осадков ежегодно сбрасывается в отрицательные формы рельефа в виде поверхностного и внутрипочвенного стока. Это обусловливает интенсивное промывание почв водораздельных повышений и развитие заболачивания на слабо покатых склонах и в долинах рек (Коноровский, 1984). При этом здесь средние значения коэффициентов увлажнения (Ку) за вегетационный период (май-сентябрь) изменяются от 0,8 для зоны умеренного увлажнения, до 1,0 –1,2 для зоны избыточного увлажнения (Семенова, 1987). Средняя годовая температура (tr) составляет минус 6-90С, а продолжительность вегетационного периода – 60-80 дней. По обеспеченности растений теплом (Шашко, 1971) на исследуемой территории выделяются холодный (выше 900 м абс. выс.) с суммой активных температур (Σt>100С) выше 100 всего лишь 400-10000 и холодно-умеренный пояса (ниже 900 м абс. выс) с Σt>100С выше 1000-14000. Многолетняя мерзлота вследствие высокой гумидности климата на исследуемой территории не имеет сплошного распространения, здесь отмечается прерывистое распространение многолетне-мерзлых пород (ММП), при этом отмечается значительная глубина 8 сезонного (зимнего) промерзания порядка 7-10 м (Коржуев, 1965). В условиях преимущественно горного сильнорасчлененного рельефа Южной Якутии отмечается перераспределение климатических показателей, обусловленных эффектом «криоаридной котловинности» (Коноровский, 1990). Последнее выражается в большей относительной сухости и прогреваемости межгорных котловин в летнее время года и их охлаждаемости в зимний период по сравнению с окружающими поверхностями водораздельных склонов. Значение коэффициентов континентальности климата (Кк) по Н.Н. Иванову изменяется от 230 (г. Алдан) до 272 (г. Томмот). В целом климат Южной Якутии может быть охарактеризован как гумидный умеренно и резко континентальный холодный и холодно-умеренный. Состояние атмосферного климата, как правило, целиком обусловливает специфику гидротермического режима автоморфных почв. Наблюдения показали, что подзолистые почв Южной Якутии (Конаровский, 1984) характеризуются промывным, а торфяно-болотные - застойно-промывным характером водного режима. Так, в средние по увлажнению годы влажность подзолистой супесчаной почвы в слое 0-50 см в основном изменялось в пределах ВРК-НВ и НВ-ПВ, достигая полной влагоемкости с образованием надмерзлотной верховодки во влажные периоды летнего сезона. В тоже время в гидроморфной торфянисто-болотной почве в данном слое влажность возрастала до НВ-ПВ с более продолжительным периодом сохранения состояния полной влагоемкости. Длительно-сезонномерзлотные минеральные почвы Южной Якутии обладают низкими тепловыми ресурсами. Так, здесь слой с биологически-активными для жизнедеятельности микроорганизмов температурами, как правило, не превышает 20 см и данный период длится всего 20-40 дней. При этом тепловые ресурсы органогенных болотных почв еще более малы, чем минеральных на водоразделах. Климат Центральной Якутии в пределах Центрально-Якутской равнины более теплый и континентальный, и в тоже время менее влажный по сравнению с климатом Южной Якутии. Климат Центрально-Якутской равнины 9 формируется комплекса в условиях (Скрыбыкина, влияния депрессионного Чевычелов, 2003). ороклиматического Поэтому закономерные максимальные значения Кк (302), Σt>100С (15650) и минимальное Ку (0,3) здесь отмечается в Центральной части равнины (г. Якутск). Последнее связано с большей сухостью приходящих масс воздуха, так как данная территория почти лишена влияния морских воздушных масс. Зима отличается сильными морозами, малой облачностью и преобладанием штилей, что влечет за собой сильное охлаждение. Значения tr отрицательные и изменяются от –10 до –120С. ММП здесь распространены повсеместно и достигают мощности 180-400 м, причем средняя мощность ММП в Центральной Якутии составляет 300-350 м (Катасонов, Иванов, 1973). Лето короткое, но жаркое. Средняя температура июня 18-190, абсолютный максимум 380С. Продолжительность безморозного периода времени 64-80 дней. По количеству атмосферных осадков ЦентральноЯкутская равнина сходна со степными и сухостепными районами России. В среднем выпадает от 240 до 260 мм в год. Наибольшее количество осадков приходится на июль, август. Высокая температура лета в сочетании с малым количеством осадков и продолжительной инсоляцией обусловливает продвижение на север в зону тайги типичных степных ландшафтов с хорошо развитыми лугово-степными долинными и аласными, в том числе и засоленными почвами (Еловская, Коноровский, 1978). Анализ запасов влаги в профиле лесных палевых почв Центральной Якутии показывает, что в слое 0-50 см они колеблются на уровне В3-НВ, в слое 50-150 см близок к ВРК и в нижележащих толщах в пределах НВ и только в редких случаях доходит до ПВ. В тоже время в профиле целинной лугово-черноземной почвы данной территории в вегетационный период запас влаги в слое 0-50 см был близок к ВРК, в слое 50-100 см – на уровне ВРК-НВ, а в толще 150-200 см почти равен НВ (Саввинов, 1976). Таким образом, в целом мерзлотные почвы Центральной Якутии менее обеспеченные влагой, но более теплообеспеченные особенно лугово-степные почвы безлесных пространств. Помимо этого на температурный режим исследуемых почв также сильно влияет 10 их положение в рельефе, состав напочвенного растительного покрова, гранулометрический состав почвы и характер подстилающей многолетней мерзлоты. В целом более легкие почвы, развитые на положительных элементах рельефа, с разреженным напочвенным покровом, подстилаемые т.н. «сухой», а не льдистой многолетней мерзлотной являются более теплыми и следовательно более благоприятными для развития микроорганизмов. 1.2. Растительность На территории Южной Якутии в связи с горным характером рельефа проявляется вертикальная поясность растительного покрова. Здесь выделяются три вертикальные зоны: 1. горных тундр и гольцов, с высотами более 1100-1150 м; 2. лиственничных и сосново-лиственничных редколесий на высотах 9001100 м; 3. среднетаежных лиственничных, реже сосновых лесов ниже 900 м. В лесном покрове данной территории преобладают горные среднетаежные леса из лиственницы (76%), сосны (10%) с большим участием зарослей кедрового стланика (12%) и небольшим ели, осины и березы (Щербаков, 1975). Ель поднимается в горах до гольцов, кедр и осина в виде примеси – значительно ниже. Под пологом лесных насаждений обычно присутствуют береза кустарниковая, ольха, рододендрон и кедровый стланик. Нередки здесь выходы камней и курумников. Кедровый стланик в горных тундрах дает чистые разреженные заросли. Во всех водораздельных лесах очень мало травянистых растений, в напочвенном кустарничково-моховом покрове обычны брусника, багульник, голубика, мхи и лишайники. По долинам рек нагорий господствуют ерниковые заболоченные заросли и багульниково сфагновые лиственничные редколесья, а ближе к руслам рек – пушицевосфагновые болота и осоково-вейниковые кочкарники. Леса в пределах Лено-Алданского плато имеют относительно высокий бонитет и богатый видовой состав травянисто-кустарничкового покрова. Такие растения, как башмачок пятнистый и крупноцветковый, кокушник комариный и 11 яртышник и другие, в своем распространении тяготеют к более плодородным остаточно-карбонатным почвам плато. В этой части территории Южной Якутии также находятся основные массивы небольших по площади лугов. Они встречаются узкими полосами вдоль русла реки Алдан, а также в приустьевых расширениях наиболее крупных его притоков, таких как Селигдар, Якокут и других, и вокруг пойменных озер (Андреев и др., 1975). По составу растительного покрова Центрально-Якутская равнина входит в Восточно-Сибирскую подобласть светлохвойных лесов Евразиатской хвойной лесной области. Здесь преобладает таежная растительность. Господствуют сухие лиственничные травяно-кустарничковые (брусничные), реже моховокустарничковые леса, иногда с участием заболоченных или сырых листвягов. Из травянистых большое участие принимают овсяница якутская, лимнас Стеллера, из кустарничков арктоус красноплодный, брусника, толокнянка. Как отмечают исследователи (Щербаков, 1975; Скрябин, Караваев, 1991; Тимофеев, 2003 и др) леса здесь изрежены, тайга часто прерывается многочисленными безлесными пространствами лугового или лугово-степного типа, приуроченными к аласам. В плоских нерасчлененных местах в районе распространения замкнутых депрессий лиственничные леса часто заменяются лиственнично-березовыми и травянистыми редколесьями, чередующимися с полянами луговой и лугово-степной, часто с пятнами солонцовой и солончаковатой растительности. На песчаных почвах развиты сосновые леса толокнянковые, лишайниковые и мертвопокровные. Широко представлена луговая и лугово-степная растительность, приуроченная к аласным и озерным понижениям и лугостепным полянам среди тайги. Аласные и приозерные луга – преобладающий тип лугов древней аллювиальной равнины. Они особенно широко представлены на ЛеноАмгинском и Лено-Вилюйском водоразделах. Аласы бывают различной величины и формы. Одни являют собой плоские едва заметные замкнутые округлые или вытянутые депрессии (бассейн Вилюя), другие – глубоко врезанные резко очерченные замкнутые котловины с остаточным озером (Лено- 12 Амгинский водораздел) (Еловская, Коноровский, 1978; Босиков, 1991). В составе и строении растительности аласов отличается закономерная поясность в зависимости от степени увлажнения и засоления аласных почв (Десяткин, 1984; Савинов и др., 2005). Обычно вокруг озера, залегающего на дне аласной конловины, развита прибрежноводная растительность, состоящая из высоких зарослей камыша, троснянки, крупных водных осок. Затем идет пояс мокрых злаково-осоковых лугов. Следующий пояс образуют бекманиево-осоковые, лисохвостовые или полевицево-осоковые луговые ассоциации. За ним располагаются разнотравно-злаковые луга, которые ближе к периферии аласа сменяются бескильницевыми или остепненными лугами из осочки твердоватой на черноземовидных солонцеватых почвах. В аласах также могут встречаться и пятна солончаков с изреженной растительностью или лишенные ее с выцветами солей. 1.3. Свойства основных типов мерзлотных почв Исследуемые районы Южной Якутии входят в состав (Еловская, Коноровский, 1978) Приалданской горной провинции, которая характеризуется преобладанием в почвенном покрове (ПП) промерзающих подбуров и подзолистых почв нагорий (на высотах более 600 м), мерзлотно-таежных, дерново - и перегнойно-карбонатных почв плато (с высотами до 550 м). Подбуры преобладают в горной тундре и подгольцовом поясе, где господствуют сосново-лиственничные лишайниковые редколесья. Подбуры, как правило, маломощны, каменисты, гранулометрический состав водопроницаемостью и и малой имеют поэтому легкий супесчаный отличаются водоудерживающей хорошей способностью. Морфологическое строение профиля: А0А1 – Вfe - ВС - СD. В горизонте Вfe отмечается иллювиальное накопление валового и подвижного железа, содержание гумуса составляет 2-4%, в нижележащих слоях – 0,5-1,5%. Иллювиальное накопление гумуса и железа в горизонте Вfe является главным образом следствием их вымывания из горизонта А0А1 в условиях кислой среды и недостатка обменных оснований. Верхние горизонты подбуров ненасыщены 13 на 50-60% и имеют рН водной суспензии 4-4,7 (Петрова, 1971). Количество поглощенных оснований в минеральных горизонтах низкое (3-8 мг-экв/100 г), в них также мало валового и подвижного азота и фосфора. Подзолистые почвы преобладают в ПП среднетаежной подзоны нагорий, а также в комплексе с подбурами формируются в подгольцовом поясе на грубообломочном элюво-делювии кислых кристаллических пород – гранитогнейсов и характеризуются следующим строением профиля: А0А1– А2 – В – ВС – СD. Элювиальные горизонты А2 небольшой мощности (5-10 см), обычно кислые (рН 4,1-4,8) и не насыщены основаниями. Горизонт А0А1 представлен слаборазложившимися растительными остатками. Состав гумуса, как правило, фульватный (С г.к.: С.ф: к =0,2-0,3), при этом во всех горизонтах наблюдается большое количество преимущественно состава. Для углерода супесчаного, подзолистых в нерастворимом либо почв суглинистого Южной Якутии остатке. Почвы гранулометрического характерен также аккумулятивный и резко убывающий тип распределения гумуса, в них также отмечается высокая ненасыщенность основаниями при малом запасе обменных катионов (2-5 мг – экв/100 г), а также низкая обеспеченность подвижными формами азота и фосфора. Мерзлотно-таежные почвы, а по современной терминологии (Еловская, 1987) палево-бурые почвы формируются в условиях Южной Якутии на легкосуглинистых почвообразующих породах нагорий, занимая обычно слабопокатые участки водоразделов нагорий. На их поверхности всегда выражен полигонально-трещиновытый микрорельеф, а на глубине около 1 м отмечается многолетняя мерзлота. Поэтому вследствие мерзлотного массообмена, несмотря на переувлажненность и наличие условий для кислотного гидролиза, в данных почвах слабо обособляются генетические горизонты, в том числе и элювиальные. Строение профиля: А0А1– А1 (А1А2) В-ВС. Данные почвы имеют, кислую реакцию среды, не насыщены основаниями. Поверхностный горизонт А0А1 содержит много слаборазложившегося органического вещества и часто бывает оторфован. По 14 гранулометрическому составу мерзлотно-таежные почвы относятся преимущественно к средне – и тяжелосуглинистым разновидностям, их обменная и гидролитическая кислотность значительно меньше, нежели у подзолистых почв. Дерново– формируются и на перегнойно-карбонатные остаточно-карбонатной почвы Южной коре выветривания Якутии доломитов известняков плато. Строение профиля дерново-карбонатных почв: АОА1(А1А2)-В-ВСсар-СD, а перегнойно-карбонатных – АО-Аh-А1-Вса-ВСсарСD. В последних, обычно отмечается обособленный темно-серый органогенный горизонт Ah, располагающийся под слоем лесной подстилки (Шиндлер, Чевычелов, 1992). В связи с большой расчлененностью рельефа данные почвы характеризуются также имеют высокой гранулометрическому маломощный щебнистостью составу укороченный и преобладают профиль каменистостью. тяжело-суглинистые и По и легкоглинистые разновидности. Остаточно-карбонатные почвы обладают высокой емкостью поглощения, насыщены основаниями, имеют слабокислую (рН 5,7-6,5) реакцию верхних горизонтов и слабощелочную – нижних (рН 7,78,7). Характерной чертой является маломощность и грубогумусность горизонта А0А1 и гуматно-фульватный тип гумуса. В горизонте Вса и ВСсар отмечается устойчивый характер вскипания от НСl в связи с наличием подвижных карбонатов. Данные почвы отличаются потенциально высоким плодородием, поэтому в условиях Южной Якутии на них произрастают наиболее высоко бонитетные и производительные леса (Петрова, 1971). Болотные почвы Южной Якутии распространены по понижениям водоразделов и долинам рек и представлены на исследуемой территории болотными верховыми, переходными и низинными почвами. Морфологическое строение профиля: АО-Т-G. В зависимости от мощности торфяного горизонта выделяют торфянисто – (до 20 см), торфяно-болотные почвы (20-50 см) и торфяники (более 50 см). Данные болотные почвы формируются в условиях дополнительного поступления вод поверхностного и внутрипочвенного стока с 15 водоразделов, наличия мерзлотного водоупора и более холодного микроклимата долин. При этом показатели горизонта Т. в большой степени зависят от состава болотной растительности и поверхностно-стоковых вод, питающих болото. Так, если верховые торфа имеют кислую реакцию среды (рНводн.4,0-4,6), содержит мало валового N (0,3-0,7%) и Р (0,05-0,10%), а также низкозольны (2-3%), то переходные и низинные торфа содержат значительно больше N (0,7-1,5%) и Р (0,15-0,35%), отличаются большей зольностью (8-50%, чаще 10-15%). Вместе с тем, болотные низинные почвы также характеризуются, как правило, слабокислой или нейтральной реакцией среды, содержат большее количество поглощенных оснований Са+2 и Mg+2, а содержание обменного Н+ незначительно. Исследуемые районы криоаридной территории Центральной Якутии относятся к Центрально-Якутской характеризуется таежно-аласной абсолютным преобладанием провинции, которая в ПП зональных лесных мерзлотных палевых почв, а также распространением лугово-степных черноземовидных, формирующихся по открытым лугово-степным участкам речных долин и аласных котловин в комплексе с интразональными засоленными почвами. Мерзлотные палевые почвы – это зональный тип лесных почв среднетаежной подзоны Центральной Якутии, формирующихся в условиях хорошо выраженной котловинно-депрессионной зональности ПП (Чевычелов, Скрыбыкина, 2005). Они обычно развиты на лессовидных карбонатных суглинках под пологом лиственнично-брусничных травянистых разреженных лесов в пределах древней аллювиальной равнины. Морфологическое строение профиля: АОА1 – А1 (А1А2) – В - Вса- Сса. Образование данного типа почв происходит в условиях непромывного, реже периодически промывного водного режима. Реакция среды изменяется по профилю от слабокислой - нейтральной до щелочной, в морфологически и физико - химически хорошо выраженном иллювиально-карбонатном горизонте Вса отмечается бурное вскипание от НСl. Органическое вещество органогенных горизонтов представлено слаборазложившимися остатками 16 лесной растительности. Состав гумуса гумусово-аккумулятивных горизонтов, как правило, гуматно-фульватный, а в нижнележащих горизонтах – гуматнофульватный. Содержание общего N в этих почвах низкое (0,15-0,23% в гумусовом горизонте и 0,10% - в последующих), а содержание валового Р (0,190,16%) мало изменяется по всему почвенному профилю. Данные почвы насыщены основаниями, сумма обменных катионов (22-35 мг-экв/100 г) довольно высокая. Среди последних преобладает Са+2 (55-70%), при одновременно относительно высокой доле Mg+2 (30-35%) и Na+ (3-10%), что придает им слабо солонцеватые свойства. Мерзлотные таежные палевые почвы обладают довольно высоким уровнем потенциального плодородия среди таежных почв Якутии (Еловская, Коноровский, 1978). Мерзлотные лугово-черноземные почвы Центральной Якутии развиваются под лугово-степной растительностью и занимают пологие склоны увалов надпойменных террас долины Средней Лены, а также формируются в пределах степного пояса аласных котловин. Чаще всего они образуют комплексы почв надпойменных террас, сочетаясь с черноземами на увалах и ниже расположенными черноземно-луговыми почвами лощин и солончаками. Морфологическое строение профиля: Аd-А-АВ-Вса-С. Данные почвы имеют нейтрально-слабощелочную реакцию среды (рН=7,6-8,6). Содержание гумуса в незасоленных лугово-черноземных почвах составляет: в горизонте А - 7,5 - 8, АВ -3-4% и с глубиной резко уменьшается, при этом состав гумуса данных горизонтов фульватно-гуматный. Азота валового соответственно: 0,2-0,3 и 0,100,15, а фосфора – 0,20-0,30 и 0,15-0,20%. Почвенно-поглощающий комплекс (ППК) данных почв насыщен основаниями, максимальное количество которых отмечается в горизонте А и АВ. В составе поглощенных оснований отмечается повышенное содержание обменного Na+, особенно в горизонте АВ, что объясняется солонцеватостью почв. Мерзлотные лугово-черноземные почвы наряду с черноземами являются в Центральной Якутии основным объектом орошаемого земледелия. Однако урожайность на их целинных аналогах зависит в большой степени от условий увлажненности, когда в засушливые годы 17 растения страдают не только от недостатка влаги, но и от повышенных концентраций солей в почвенных растворах (Еловская, 1987). Мерзлотные черноземно-луговые почвы встречаются в депрессиях надпойменных террас и на лугово-степных полянах среди тайги в местоположениях, достаточно обеспеченных влагой или даже временно избыточно увлажненных, растительностью. под Поверхность пышно этих развитой почв всегда лугово-разнотравной всегда покрыта полигональными морозобойными трещинами, за лето они оттаивают в среднем на 1,3 – 1,6 м. Строение профиля следующее: Аd - А - АВ - Вса - Сg, при этом в горизонте Сg, особенно на границе с многолетней льдистой мерзлотной, всегда отмечается сезонное оглеение в виде чередующихся сизых и ржавых пятен гидроокислов железа. Черноземно-луговые почвы имеют нейтральную и слабощелочную реакцию (рНводн.7,0-7,8), мало изменяющуюся по всему профилю. Содержание гумуса в гор. А – 9-10, АВ – 5-6 и нижележащих горизонтах – 1-2%. В гумусовом горизонте N валового 0,6-0,75%, в надмерзлотных – 0,15%. Емкость поглощения высокая – 35-40 мг/экв. на 100 г почвы, в составе ППК преобладает обменный Са+2. Если эти почвы расположены в незамкнутых понижениях, имеющих сброс талых вод, то засоление в них отсутствует. В бессточных понижениях при отсутствии сбора верховодки эти почвы засоляются, в них появляются признаки засоленности и осолодения. Черноземно-луговые почвы – это высоко плодородные почвы Центральной Якутии, однако засоление очень резко снижает их плодородие, при этом особенно много засоленных черноземно-луговых почв отмечается в долине Средней Лены (Еловская, 1987). Таким образом, из представленной весьма краткой характеристики состава ПП и свойств почв исследуемых районов Якутии, очевидно, что почвенно-экологические условия данного региона чрезвычайно контрастные. Так, если почвы преимущественно горной, умеренно-континентальной гумидной территории Южной Якутии, как правило, маломощны, щебнисты и каменисты, характеризуются кислой реакцией среды, незначительными 18 запасами грубоперегнойного гумуса фульватного состава, ненасыщенны основаниями, формируются в условиях промывного водного режима и наличия так называемой «сухой» мерзлоты, то есть являются в большей степени длительно-сезонномерзлотными. Центральной Якутии То отличаются почвы криоаридной значительной мощностью территории профиля, выраженностью и обособленностью генетических горизонтов, нейтральнослабощелочной реакцией среды, насыщенностью ППК обменными основаниями, достаточными запасами гумуса и в основном его фульватногуматным составом, нередко засолены, характеризуются непромывным или периодически промывным водным режимом и постоянным наличием многолетней мерзлоты. Все это в комплексе в условиях конкретных биотопов и весьма изменчивой сезонной и межгодовой динамики гидротермических факторов создает очень контрастные условия для функционирования микробных сообществ исследуемой территории. Поэтому в этом смысле логично ожидать значительную изменчивость как общей численности и состава основных групп микроорганизмов, так и сезонной и межгодовой динамики их биологической активности в исследуемых типах почв криолитозоны Якутии. 19 Глава II. Микроорганизмы в почвах мерзлотной области 2.1. Почвообразующая роль микроорганизмов Почва густо населена микроорганизмами, которых она обеспечивает питательными веществами, воздухом, влагой, благоприятной температурой. Развитие микрофлоры в большой степени зависит от водно-физических и физико-химических свойств почвы (Войнова-Райкова и др., 1986). Численность микроорганизмов в целинных экосистемах составляет сотни миллионов и даже миллиарды клеток в грамме почвы. Несмотря на небольшие размеры, живая микробная биомасса может достигать десятков тонн на га. На ее долю приходится 1-3 % органического углерода почвы. Микроорганизмы разлагают 95 % органических веществ, поступающих в почву. Разрушая остатки растений, трупы животных, осуществляя трансформацию минеральных удобрений, деградацию пестицидов и различных отходов, микробы способствуют очищению почв. Можно себе представить последствия гибели всех почвенных микроорганизмов: жизнь на Земле не просуществовала бы и 30 лет (Демченко, Маринеску,2000). Среди почвенных микроорганизмов наиболее распространены бактерии, численность которых составляет 70% от всех почвенных микроорганизмов. В необрабатываемых почвах их количество составляет 1 млн. на г, а в окультуренных – миллиарды (Войнова-Райкова и др., 1986). При изучении микроорганизмов, выделенных из любой почвы, поражает их разнообразие, но главное то, что они обладают часто противоположными и несовместимыми для одной среды обитания свойствами. Из почвы выделяются гетеротрофы и автотрофы, аэробы и анаэробы, олиготрофы и копиотрофы, гидролитики и негидролитики, термофилы и психрофилы, ацидофилы и алкалофилы, микробы-антагонисты и чувствительные к их антибиотикам микроорганизмы. В почве развиваются различные микроорганизмы (бактерии, грибы, актиномицеты) и водоросли. Их количество колеблется в широких пределах – от миллионов до миллиардов в 1 г почвы. Наибольшим содержанием 20 микроорганизмов характеризуются черноземные и сероземные, наименьшим – почвы тундры и северной тайги. Содержание микрофлоры и ее активность подвержены определенной динамике в годичном цикле почвообразования в связи с изменениями повторяющимися гидротермического генерациями режима и микроорганизмов. многократными Формирование микробиологических ценозов и интесивность деятельности микроорганизмов зависят от гидротермического режима почвы, ее реакции, количественного и качественного состава органического вещества в почве, условий аэрации и минерального питания. Для большинства микроорганизмов оптимум гидротермических условий в почве характеризуется температурой 25-350С и влажностью около 60% полной влагоемкости почвы. Все группы микроорганизмов наиболее активны при реакции среды, близкой к нейтральной. Большинство бактерий, в частности такие важные для плодородия почвы, как нитрификаторы, азотфиксаторы, клубеньковые бактерии, угнетаются при кислой реакции. Более устойчивы к подкислению среды грибы. Особое значение для развития микроорганизмов имеет наличие в почве органического вещества, поскольку подавляющая часть микроорганизмов – гетеротрофы. Органическое вещество для них – источник энергии, углерода, азота и других важных элементов. Влияние органических веществ на численность микроорганизмов и их активность в почвах зависит от их содержания и состава. Наиболее благоприятны растительные остатки, богатые белками, растворимыми углеводами. Распределение микроорганизмов в почвенном профиле связано с содержанием гумуса и поступлением свежих органических остатков, и поэтому максимальное их количество приурочено к верхним горизонтам, а в пределах каждого горизонта – к прикорневой зоне (ризосфере), обогащенной органическими соединениями корневых выделений и органическими веществами отмирающих корневых волосков (Кауричев, 1989). С деятельностью микроорганизмов тесно связаны формирование и динамика биохимического, питательного, окислительно - восстановительного, воздушного режимов почвы, их щелочно-кислотных условий. Все это 21 свидетельствует об исключительной роли микроорганизмов в развитии почвенного плодородия. Аэробные микроорганизмы осуществляют окисление белков, жиров, углеводов и других сложных органических соединений, входящих в состав растительных и микробных остатков, до аммиака, воды и углекислого газа. В почве широко распространены спорообразующие (Вас. mycoides, Bac. subtitles и др.) и неспорообразующие (Рseudomonas fluorescens, Рseudomonas pyacyanea и др.) аэробные гетеротрофные бактерии. Важная роль в превращении органических веществ принадлежит также грибам и актиномицетам. Минерализации подвергаются не только органические остатки растительного и животного происхождения, но и специфические органические вещества почвы – ее гумус. С жизнедеятельностью анаэробных бактерий связаны процессы гниения компонентов растительных и микробных клеток с образованием также простых, но не до окисленных органических, а затем минеральных соединений. Качественная и количественная характеристики аммонифицирующих и нитрифицирующих групп микроорганизмов и их соотношение дают один из важных показателей процессов минерализации, происходящих в почве. В круговороте азота, под минерализацией понимается разложение сложных органических азотсодержащих соединений до составляющих. В почве этот процесс представлен разложением органического вещества опада до нитратного азота доступного для питания растениями. Аммонификаторы или гнилостные микроорганизмы используют в качестве источника азота органические соединения (гетеротрофы). Аммонификация происходит при распаде белков с выделением азота в виде аммиака. Аммонификация белковых веществ - первый микробиологический процесс по превращению азотистых соединений в природе. Аммонифицирующими микроорганизмами могут являться бациллы, бактерии, актиномицеты и плесневые грибы. Нитрифицирующие микроорганизмы переводят аммиачные соединения в нитриты и нитраты и выделяются только на минеральных средах (автотрофы). Грибы участвуют в превращении органических веществ, поступающих в почву. 22 Многие из них способны разлагать трудно гидролизуемые соединения. Актиномицеты или лучистые грибы являются активными участниками почвообразовательного процесса (Семенов,1990). Примерно 30% почвенной микрофлоры представлено актиномицетами, которые составляют весьма обширную группу грамположительных бактерий, в пределах которой можно обнаружить разнообразные случаи перехода от достаточно простой клеточной дифференциации к более сложной. Широкое распространение актиномицетов в природе определяется их устойчивостью к высушиванию, временному отсутствию питательных веществ в среде обитания и эффективностью расселения их спор. В настоящее время представители почти всех известных родов актиномицетов выделены из почвы или обнаружены в почве. Однако, закономерности распределения мицелиальных прокариот в почвах до недавнего времени были исследованы только в отношении представителей родов Streptomyces и Streptoverticillium. Деятельность актиномицетов в черноземах сосредоточена в основном в почвенном ярусе в отличие от серых лесных почв. В них доминирует род Streptomyces, а в черноземах - целый спектр: Micromonospora, Actinomadura. Nocardia, Saccharomonospora, Saccharopolyspora, Streptosporangium,так же встречаются виды, принадлежащие к секции Cinereus (C.Achromogenes, C. Chromogenes, C. Aureus) (Головченко, Полянская, 1996). Актиномицеты представляют собой единое звено в трофической цепи любой экосистемы, осуществляя в ней функции микробов-редуцентов. Основная роль мицелиальных прокариот состоит в разложении таких сложных полимеров как лигнин, хитин, целлюлоза, гумусовые соединения. Актиномицеты участвуют также в накоплении в почве биологически активных веществ и формировании азотного баланса почв. Таким образом, почва оказывается не только лучшей средой обитания для разнородных микроорганизмов, но и лучшей средой для их сохранения и выживания. Известно, что микробы могут находиться много лет в сухом или замершем состоянии. В таком виде они сохраняются, но не размножаются. В вечномерзлых погребенных почвах многочисленные и достаточно 23 разнообразные бактерии сохранили жизнеспособность на протяжении 1 млн. лет (Звягинцев, 1987). 2.2. Криолитозона как среда обитания микроорганизмов Свыше 80% земной биосферы, включая полярные регионы, принадлежат к постоянно холодным областям. Мировой океан занимает 71% земной поверхности и 2/3 его вод имеют температуру около 20С. Большая часть Арктики представляет собой безлесную тундру со среднегодовой температурой мерзлоты —9 - —130С. Количество осадков от 160 до 300 см в год. В Антарктике условия более суровые по сравнению с Арктикой. Среднегодовая температура на побережье Антарктики колеблется в пределах —10 - —200С, в сухих долинах —20 - —250С. Среднегодовое количество осадков составляет 15 см в морских районах и менее 10 см в сухих долинах. Почвы континентальной зоны состоят в основном из песка и гравия, а старые почвы в сухих долинах классифицируются как пустынные. Температура осадочных пород колеблется в пределах —18 - —270С, почвенный слой значительно засолен (Воробьева и Мамукелашвили, 1997). В целом, мерзлоту Антарктиды от мерзлоты Арктики отличают пониженные отрицательные температуры, отсутствие видимых растительных осадков и низкое содержание органического вещества. В почвах Арктики и Антарктики присутствует обильная микрофлора, которая в почве над слоем вечной мерзлоты часто почти не отличается по своей численности от таковой в почвах районов с умеренным климатом. В мерзлых осадочных породах численность микроорганизмов лишь незначительно (на один порядок) ниже, чем в почвах (Хлебникова и др., 1990; Воробьева и Гиличинский, 1997; Воробьева и др., 1997). Так, в мерзлых осадках Арктики микроорганизмы обнаружены с общим количеством клеток на 1г почвы 1071010 (Звягинцев и др., 1985; Гиличинский и др., 1996; Воробьева и Мамукелашвили, 1997), в Антарктиде соответственно 106-108 кл/г, т.е. численность варьировала в более узком интервале (Friedmann et al., 1996; цит. по Воробьева и др., 1997). Кроме того, жизнеспособные микроорганизмы 24 распространены в литосфере до значительных глубин, вплоть до 550 м в осадочных породах и 2000 м в грунтовых водах (Pedersen, 1993; цит. по: Воробева, 1997). Запасы биомассы микроорганизмов в осадочных слоях литосферы с учетом толщи осадков (мощность 20-50 м) значительно превосходят содержание живого вещества в почвенном покрове. Чистый лед в криосфере практически стерилен (Казанский, 1932; цит. по Воробьева, 1997). Жизнеспособные клетки в ископаемых льдах Арктики не были выявлены (Гиличинский и др., 1989; Хлебникова и др., 1990), в ледниковом покрове Антарктиды обнаружены лишь в незначительном количестве, но различных таксономических групп (Абызов, 1990), при этом достоверные данные относятся к молодым (не древнее голоцена) клеткам. Относительную стерильность ископаемых льдов, вероятно, можно объяснить механическим разрушением клеток кристаллами растущего льда снаружи или гибелью клеток в результате собственного метаболизма из-за накопления продуктов в результате отсутствия транспортных систем (Воробьева, 1997). Способ выживания микроорганизмов в мерзлоте в течение длительного времени, т.е. находятся ли клетки в полном анабиозе или в состоянии, близком к нему, пока не ясен (Gilichinsky et al., 1992; Gilichinsky & Wagner, 1994). В пользу того, что клетки находятся в мерзлоте не в состоянии анабиоза, хотя теоретически это возможно (Аксенов, 1982), свидетельствует доминирование среди мерзлотных микроорганизмов неспорообразующих форм, большая вероятность накопления клетками в состоянии анабиоза за несколько миллионов лет летальных радиоционных повреждений (достижение LD50 за 200 000 лет), возможность существования активного метаболизма при низких температурах, хотя и с низкой скоростью (Friedmann, 1994) Характерной чертой бактериальных сообществ при оттаивании мерзлых пород и почв является "взрывной рост". В основном это свойственно психротрофным бактериям, не образующим специализированных покоящихся форм, а в последнее время активный рост после таяния мерзлых образцов показан и для дрожжей (Остроумова и др., 1997). В криогенных почвах доля 25 гипометаболических клеток по отношению к глубоко покоящимся выше, чем в современных почвах, что, вероятно, является критерием для оценки адаптации микробов к эктремальным условиям. О наличии гипометаболической активности и развития адаптивных процессов может также свидетельствовать обеднение спектра утилизации субстратов. 2.3. Разнообразие микроорганизмов, выделенных из многолетнемерзлых пород К настоящему времени достоверно установлен феномен длительного (до нескольких миллионов лет) сохранения жизнеспособных микроорганизмов в мерзлоте (Звягинцев и др., 1985; 1990; 1992; Gilichinsky et al, 1988; 1992; Хлебникова и др., 1990; Friedmann, 1994; Vorobyova & Soina, 1994; Gilichinsky & Wagener, 1994, 1995; Shi et al, 1996; Воробьева и Гиличинский, 1997; Ривкина и др., 1997; и др.). Однако, в основном подобные микробные комплексы остаются малоисследованными, хотя их местообитания являются уникальными, а изучение мерзлотных микробоценозов представляет интерес с точки зрения ряда актуальных современных направлений микробиологии - для изучения биоразнообразия "ископаемой микрофлоры"; для исследования пределов длительности естественного криоанабиоза и близких к нему состояний, например, феномена жизнеспособного, но не культивируемого состояния аспорогенных бактерий, а также факторов, благоприятствующих этому; для выяснения особенностей экологии и эволюции микроорганизмов (эволюции плазмид, скорости хода "биологических часов", эволюции видов на популяционном уровне и др.); для исследования механизмов структурнофункциональных адаптаций микроорганизмов к эктремальным условиям; определения нижней границы биосферы в континентальной части области "вечной" мерзлоты (Звягинцев и др., 1990; Хлебникова и др., 1990) и т.п. Кроме того, с помощью возможно микробиологического анализа многолетнемерзлых пород воссоздание палеоэкологических условий прошлых эпох 26 (Гиличинский и др., 1989; Gilichinsky, 1993; Gilichinsky et al., 1993; Lebedeva & Soina, 1994; Вишнивецкая и Губин, 1997). Численность микроорганизмов в вечномерзлотных породах с учетом мощности осадочных толщ существенно превышает биомассу микробов в почвенном покрове. В связи с этим оценка потенциального и реального вкладов этих микроорганизмов в динамику биосферных процессов является проблемой фундаментальной значимости (Gilichinsky & Wagner, 1994; Воробьева и др., 1997). Подобные исследования могут оказаться полезными для решения вопросов космической микробиологии, поднимающихся в литературе (Cameron & Morelli, 1974; цит. по: Gilichinsky & Wagener, 1994; Friedmann & Koriem, 1989; Gilchinsky et al., 1992; 1993; Soina et al, 1994; 1995; Hoover, 1997), таких как возможность переноса жизни через космическое пространство, поиски ее следов на других планетах, планетный карантин и т.п. Многие планеты и тела солнечной системы, особенно интересен Марс, относятся к криогенному типу, т.е. вечная мерзлота Земли может служить удобной моделью для решения экзобиологических проблем. Появившиеся данные (Дмитриев и др., 1997), свидетельствующие о устойчивости в определенных условиях криоконсервации эукариотных микроорганизмов, могут изменить взгляды о панспермии в пользу идеи о переносе сообщества эукариотов и прокариотов одновременно. В настоящее время интенсивно изучаются микроорганизмы, длительное время находившиеся многолетнемерзлых в условиях отложениях и природной ледниках. криоконсервации в Микробиологические исследования осадочных пород Колымской низменности возрастом до 1,8 млн. лет свидетельствуют о том, что в них сохраняется значительное число жизнеспособных, в основном прокариотных микроорганизмов, относящихся к разным родам. В результате были обнаружены нитрифицирующие, пурпурные несерные и сульфатвосстанавливающие бактерии. Образцы отбирались в районе Колымской низменности, где начало непрерывного подземного оледенения относится к рубежу плиоцена и раннего плейстоцена (Соина и др., 27 1991). В результате исследования удалось обнаружить жизнеспособные нитрифицирующие бактерии, численность которых колебалась от 2,5⋅102 кл/г до 9,5⋅102 кл/г. Были выделены аммоний окисляющие бактерии, среди которых преобладали представители рода Nitrosospira. В накопительной культуре нитроокисляющих бактерий преобладали организмы, которые по строению клеток были отнесены к роду Nitrobacter (Соина и др., 1991). Из мерзлой породы речных древних отложений Колымской низменности выделена пурпурная несерная бактерия, относящаяся к роду Rhodopseudomonas. Она хорошо растет в фотогетеротрофных и автотрофных условиях. Оптимальный рост культуры происходит при рН = 6,5-7,0, температуре 25° (Бурашникова, Гоготов, 1994). Сульфатвосстанавливающая бактерия выделена из пробы 343, представленной Д. А. Гиличинским. Исходно проба была получена бурением вечномерзлых отложений древнего русла реки (Колымская низменность) с глубины 4,2-4,5 м. Возраст отложений составляет 20-30 тыс. лет. Бактерия принадлежит к роду Desulfotomaculum, наиболее близок D. orientis. Это изогнутые подвижные палочки. По типу клеточной стенки относятся к грамположительным. Способны выживать в условиях вечной мерзлоты в виде спор (Ванштейн, Гоготова, Хиппе, 1995). По данным Гиличинского, в тундровой мерзлотной торфянистоперегнойной почве в торфянистом и перегнойном горизонтах доминируют коринеподобные бактерии и кокки, встречаются споровые и неспоровые грамположительные бактерии и дрожжи. Минеральные горизонты характеризуются наличием только коринеподобных бактерий и кокков, в надмерзлотном появляются дрожжи, очевидно, вымытые из верхних горизонтов. (Хлебникова и др., 1990). 2.4. Факторы, влияющие на микробиологический состав почв Распространение микроорганизмов в природе зависит от многих условий, среди которых наиболее важными являются наличие питательных веществ, 28 температура, влажность, благоприятная реакция субстрата. Все эти условия имеются в почве, она представляет собой, пожалуй, единственную природную среду, где имеются все условия для нормального развития микробов. В почве практически нет участков, не заселенных микроорганизмами, их расселению помогает высокая адаптационная способность к внешним условиям среды. В некоторых промежутках времени численность микроорганизмов в почве находится на определенном постоянном уровне. Это значение численности можно рассматривать как важную характеристику почв, а именно запас, или пул микроорганизмов, который почва в состоянии поддерживать (Звягинцев, 1987). О специфическом влиянии типа почвы на количество и состав микрофлоры мнения различны. Так, Мишустин (1972) считает, что микроорганизмы распространены в строгой географической зональности. Например, соотношения Asotobacter, клубеньковых бактерий, Bacillus mycoides и другие меняются в соответствии с почвенно-географическими условиями. По мнению Мишустина , по распространению отдельных микроорганизмов можно судить о характере и плодородии почвы. Наиболее часто в качестве такого показателя принимают численность и активность бактерий рода Azotobacter, которые особенно чувствительны к изменению почвенно-экологических условий. По мнению Красильникова (1949), численность и состав почвенной микрофлоры зависит от окружающих условий, т.е. от экологических факторов. Температура – один из них. В почве наиболее многочисленны мезофильные бактерии. В зависимости от географической зональности различают психрофильные и термофильные микроорганизмы. Важным фактором является и влага: в зонах с низкой влажностью преобладают ксерофитные формы, к основным представителям которых относится микобактерии и актиномицеты. Распространение и состав микроорганизмов зависят не от типа почвы, а от сочетания факторов, характерных для данной местности. Численность микроорганизмов, 29 соотношение между отдельными группами, интенсивность процессов, в которых они участвуют, видовой состав и т.д. существенно зависят от почвенно-климатических условий. Это мнение, что распределение и состав микроорганизмов зависят не от типа почвы, а от сочетания климатических и антропогенных (в т.ч. техногенных) факторов, характерных для данной местности поддерживают и другие исследователи (Войнова-Райкова и др.,1986). В северных почвах решающее влияние на количество микроорганизмов могут оказать одновременно и температура и влажность, поскольку в условиях криолитозоны в течение дня они сильно варьируют. При повышенной температуре количество микроорганизмов в почве лимитируется их влажностью. С другой стороны, при температуре около 100С и ниже, как правило, характерна дождливая погода. В этот период влажность, почвы не является лимитирующей для количества микроорганизмов, и она определяется лишь пониженной температурой (Гецен, Костяев, 1989). Кислотность почв является одним из селективных факторов, которые либо ограничивают, определенных либо способствуют таксономических групп. Так распространению известно, что бактерий азотобактер обнаруживается только в нейтральных либо слабощелочных почвах, его нет ни в почвах тундр, ни в болотных, ни в подзолистых почвах. Артробактер также чувствителен к рН среды и не обнаруживается в подзолистых почвах и торфяниках. В то же время спириллы и факультативно-анаэробные бактерии с успехом развиваются и часто доминируют в кислых почвах таежной зоны. Многие формы бактерий чувствительны к повышенной концентрации солей в почве. Галотолерантными являются лишь бациллы, микрококки и некоторые стрептомицеты. Таким образом, бактериальное разнообразие разных типов почв определяется многими экологическими факторами: влажностью, кислотностью среды, концентрацией солей и т.д. От сочетания этих факторов, определяющих тип почвообразования, зависит соотношение таксонов в бактериальных комплексах почв (Добровольская и др., 1996). 30 2.5. . Сезонная динамика численности и биомассы микроорганизмов по профилям зональных типов почв Усилия почвенных микробиологов традиционно были направлены на изучение микробного населения верхних почвенных горизонтов, где сосредоточены основные запасы почвенного органического вещества и преимущественно протекают микробиологические процессы. Менее изучены бедные органическим веществом нижние горизонты, переходные между гумусированным слоем и подстилающими породами. Между тем, уровень заселенности микроорганизмами средних и нижних горизонтов представляет как теоретический, так и немалый практический интерес. Дело в том, что на огромных площадях происходят неконтролируемые процессы эрозии и «вчерашние» нижние горизонты оказываются «сегодняшним» пахотным слоем, а его микробное население влияет на плодородие, токсичность, патогенность. Особый интерес изучения распределения микроорганизмов по почвенному профилю представляется в свете недавно полученных данных о том, что микробная биомасса относительно равномерно распределена по всей многометровой толще (Полянская и др., 1995). Максимум численности микроорганизмов на подошве деятельного слоя характерен и для Колымской тундры (Гиличинский и др., 1996). Высокая численность аэробных организмов в глубинных горизонтах предполагает наличие здесь экологического оптимума. Изучению сезонной динамики численности и биомассы микроорганизмов по профилю почвы приковано внимание многих исследователей. Значительный теоретический и практический интерес представляет вопрос о том, как меняется численность и биомасса микроорганизмов во времени, а также динамика микроорганизмов в нижних почвенных горизонтах, как в силу новизны самой проблемы, так и в силу того обстоятельства, что доминирующая часть микробного сообщества в этих местообитаниях представлена грибами и, несмотря на бедность этих горизонтов органическим веществом, грибы большей частью жизнеспособны. Головченко и Полянская (1996,2000) изучили 31 сезонную динамику численности и биомассы микроорганизмов (бактерий, актиномицетного мицелия, мицелия и спор грибов) в почвах спелых еловых экосистем Южной тайги. В качестве объектов исследования были выбраны так называемые “буро-подзолистые ” (подзолисто-глеевые оторфованные) почвы и почвы с бурым недифференцированным профилем, отнесенные к бурозему. Эти почвенные разности являются наиболее контрастными представителями мезоморфного ряда почвообразования на территории Центрального лесного государственного биосферного заповедника (Тверская обл., Нелидовской район). Первые сформированы на плоских водоразделах под ельниками черничниковыми. Буроземы распространены на выпуклых элементах склонов под ельниками сложными. Численность одноклеточных прокариотных микроорганизмов была максимальна во все сезоны в подстилках исследуемых ельников. Она колебалась в пределах от 11 до 50 млрд. кл/г в подстилке буро-подзолистой почвы и от 2 до 41 млрд.кл/г – в подстилке бурозема. На границе подстилка – почвенные горизонты зарегистрировано резкое уменьшение численности бактерий во все сезоны: более резкое – для буро-подзолистой почвы (4-8 раз) и менее – в 2-4 раза для бурозема. В минеральных горизонтах исследуемых почв содержание прокариотных клеток плавно убывает по профилю. Численность бактерий в них определяется цифрами одного порядка и составляет миллиарды клеток на грамм. Влияние сезонных колебаний на плотность бактериальных популяций оказалась более существенным для подстилок исследуемых почв, чем для минеральных горизонтов. В подстилке буро-подзолистой почвы зарегистрировано нарастание бактериального титра в 1.5 –3 раза от весны к осени. Для подстилок буроземов максимальная концентрация бактериальных клеток была выявлена в летний период. Плотность актиномицетного мицелия по профилю буро-подзолистой почвы в весенний и летний периоды сохраняется практически на одном уровне, а к осени возрастает в подстилках в 4 - 7 раз, в минеральных горизонтах в 2-5 раз (Головченко, Полянская, 1996). 32 В 1994 г. авторы проанализировали более глубокие слои исследуемых почв. Образцы отбирались до переходных к подстилающим породам горизонтов (мощность анализируемых профилей при этом стала достигать одного метра). Запасы микробной биомассы составили 30-40% от суммарной биомассы микроорганизмов. Следует отметить и специфическую структуру микробной биомассы в этих горизонтах – доля прокариотных микроорганизмов и спор грибов была выше по сравнению с другими горизонтами. Увеличение численности бактерий к нижним горизонтам почвенного профиля регистрировал и метод посева (Головченко,Полянская, 2000). Жизнедеятельность почвенного микробного сообщества во многом определяется его структурой, задающей закономерности годовой сукцессии в почве. Но было бы большим упрощением считать, что из года в год в одни и те же сроки воспроизводятся одни и те же сукцессионные события, неправильно игнорировать возмущающие воздействия, возникающие в результате деятельности человека или без вмешательства оного. Главным из факторов, могущих внести существенные коррективы в жизнедеятельность почвенной микробиоты, являются погодные условия, которые могут сильно различаться по годам. Влажность и температурный режим могут оказать влияние не только на видовой состав, но и на численность основных групп микроорганизмов. В течении годовой сукцессии численность микроорганизмов уменьшается от лета к осени, наибольшие флуктуации численности характерны для грибного мицелия. Одним из главных факторов, оказывающих существенное влияние на жизнедеятельность почвенной микробиоты, являются погодные условия определяющие гидротермический существовании 2 основных режим максимумов почв. в Можно развитии говорить о микрофлоры: ранневесеннем и в конце лета, на рубеже июля-августа. Весенний пик численности обусловлен повышением температуры, таянием снега, в результате чего с талыми водами в почву попадают доступные элементы питания, выщелачиваемые из перезимовавшего опада (Звягинцев, 1992). Раннеосенний максимум в развитии микрофлоры связан с поступлением 33 в почву корневых выделений, наземного и корневого опада, а также продуктов выделений микро - и мезофауны, активность которых в этот период достаточно высока. Рядом авторов, Добровольской, Лысак и Звягинцевым (1996), исследована динамика структуры бактериальных сообществ в буро-, дерново-, торфянисто-подзолистых, дерново-луговых почвах и буроземах. Было показано, что в периоды длительного переувлажнения почв, наблюдающегося в результате затяжных дождей, в бактериальных сообществах доминируют типичные представители водной фазы почв, т.е. гидробионты. Они представлены большей частью спириллами, миксобактериями и другими формами подвижных грамотрицательных бактерий. И, наоборот, в те сезоны, когда происходило иссушение почв, доминантами становились бациллы и бактерии актиномицетной линии. Таким образом, в одном и том же типе почв в зависимости от степени насыщенности их влагой таксономический состав бактериальных комплексов будет разным (Добровольская и др., 1996). Павловой О.С., Полянской Л.М. и др. (2000), оценены запасы сухой микробной биомассы в пяти биогеоценозах Окского заповедника, которые могут достигать нескольких десятков т/га, причем биомасса эукариот значительно превышает биомассу прокариот. Впервые проведена работа по сравнительному изучению сезонной динамики численности основных групп микроорганизмов в разные годы. Исследования проводили в Окском государственном заповеднике, расположенном в подзоне европейской тайги. Образцы отбирали в сентябре 1992 г., июне и сентябре 1993 г в следующих биогеоценозах: 1- ельник кисличник; 2- сосняк беломошник; 3- сосняк зеленомошник; 4 –пойменная дубрава; 5 – пойменный луг, злаковоразнотравный; 6 – березняк. 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. Отмечено, что численность разных групп микроорганизмов и запасы 34 микробной биомассы меняются по сезонам. Наибольшая численность бактерий зарегистрирована осенью 1992 г. в верхнем слое подстилки пойменной дубравы - 28х109 кл/г почвы. В остальных типах леса (сосняки и ельник) максимальная концентрация бактерий наблюдается в нижележащих горизонтах подстилки и составляет 3 - 15х109 кл/г. В почвенном ярусе всех исследуемых типов почв численность бактерий на порядок меньше, чем в подстилке. Причем, в минеральных горизонтах численность микроорганизмов ещё на порядок ниже, чем в органо-минеральных. Колебания численности характерны в первую очередь для подстилок, т.е. для самых подвижных фитоценотических горизонтов. В минеральных горизонтах большинства типов исследуемых почв колебания численности выражены слабее. Причем дождливой осенью 1993 г. численность была ниже, чем осенью 1992 г (Павлова и др., 2000). 2.6. Микроорганизмы из почв Крайнего Севера Известно, что содержание микроорганизмов наименьшее в подзолистых почвах, постепенно повышается к почвам тундры и самой богатой является чернозем. Количество микробов в 1 г почвы достигает колоссальных размеров от 200 млн. бактерий в глинистой почве, до 15 млрд. в перегнойно-глеевой (Звягинцев, 1987). По физиологическому составу в северных почвах в основном определяются неспорообразующие бактерии, актиномицеты, коринебактерии. Неспорообразующие бактерии (роды Pseudomonas, Bacterium, Mycobacterium) – пионеры освоения органических остатков почвы (Мишустин,1972). Более основательно изучены группировки спорообразующих бактерий, развитие которых связано с наличием в почве переработанного органического вещества. Можно было ожидать, что состав почвенных бацилл будет отражать особенности почвы. На самом деле имеющиеся данные показывают, что каждому типу почв свойственен характерный набор преобладающих бацилл. Например, для почв Крайнего Севера характерны группировки Bacillus agglomeratus и Bac. cereus, в подзолах – Bac. mycoides и Bac. cereus. В черноземах энергично размножаются группировка Bac. idosus и Bac. 35 megaterium. Интересно то, что в почвах с более энергичными мобилизационными процессами преобладают бациллы, использующие не только органический, но и минеральный азот (Bac. megaterium, Bac. mesentericus, Bac. subtilis). Наоборот, в почвах со слабо протекающими минерализационными процессами преобладают спорообразующие бактерии для которых необходим органический азот (Bac. cereus, Bac. mycoides и др.) (Мишустин,1972). В другой работе дана общая характеристика комплекса почвенных микроорганизмов тундры и северной тайги Колымской низменности. Исследование проводилось в трех природных зонах: в арктической и субарктической тундре и северной тайге (Спирина, Федоров-Давыдов, 1998). Численность аэробных прокариотических микроорганизмов в почвах Колымской низменности, учтенная методом посева на КАА, составляет 105 – 4,3х108 кл/г. в органо-аккумулятивных, 3,0х103 – 3,1х107 кл/г в минеральных почвенных и 0 – 5,8х105 кл/г в подпочвенных горизонтах; содержание актиномицетов может доходить до 4,3х106 кл/г, а численность грибов – до 3х103 – 3,6х106 кл/г. Содержание грибов в таежных почвах было выше, чем в тундровых. А в пределах тайги они тяготели к плакорным криоземам, где наблюдалась более высокая их численность по сравнению с интразональными вариантами. Во всех случаях грибы были сосредоточены в верхней части профиля, хотя обычно в тех или иных количествах встречались и в нижележащих слоях. Содержание грибов в таежных криоземах было сопоставимо с таковым в подзолах Кольского п-ва, в палевых почвах Центральной Якутии и в разнообразных мерзлотно-таежных почвах Магаданской обл. Численность дрожжей в почвах региона крайне низка. В работе Г. С. Спириной (1998) проведено сравнительное изучение микробных сообществ различных почв Колымской низменности, выявлена зависимость различий между типами почв по содержанию микроорганизмов от таких факторов как зональное положение, интенсивность криотурбаций, гранулометрический состав, кислотность, степень гидроморфизма и 36 окислительноразнообразия восстановленный выделенных режим. культур Изучение показало морфологического преобладание в составе прокариотного комплекса коринеподобных бактерий. Значительная часть микробоценозов проявляла черты олиготрофностью характеризуется психрофильности. микрофлора Наибольшей песчного подбура, а наименьшей - тундровой глеевой почвы. Кислотоустойчивые бактерии повсеместно тяготеют к органогенным горизонтам, их содержание и доля в сообществах таежных почв выше, по сравнению с тундровыми (Спирина,1998). Интересно отметить, что многие авторы отмечают увеличение численности бактерий на границе почвы и вечной мерзлоты. Некоторые авторы объясняют это явление вымыванием сюда клеток из выше лежащих горизонтов, другие считают, что бактерии развиваются именно здесь, в основном это коринебактерии (Звягинцев, 1992). В морфологическом отношении большая часть почвенных прокариот Колымской низменности, как и других регионов Крайнего Севера была представлена коринеподобными бактериями, относящимися главным образом к роду Arthrobacter (25-85%). Далее по доле в микробном сообществе идут споровые (2-50%), кокки (5-33%) и грамотрицательные палочки (1-16%). По отношению к температурному фактору микробные комплексы могут быть охарактеризованы как психрофильно- психротрофные. Для большей части микроорганизмов максимум лежит в интервале температур между 20 и 30 0С. Спектры микробного роста расширяются и несколько смещаются в сторону более высоких температур при переходе от тундровых почв к таежным. Для олиготрофных и ацидотолерантных групп бактерий распределения численности по почвенным разностям имело схожий вид. Наибольшее их содержание было отмечено в таежных экосистемах. Тундровые почвы отличались значительно более низкой концентрацией олиготрофов и ацидотолерантов. Численность ацидолерантных прокариот во всех случаях превышает численность эукариот, учитываемых на тех же питательных средах (Спирина, Федоров- Давыдов, 1998). 37 Распространение некоторых азотфиксаторов, например представителей рода Clostridium, связано с определенными зонами. Т.к. C. pasteurianum в больших количествах встречается в подзолистых и дерново-подзолистых почвах. Azotobacter развивается в почвах, богатых доступными соединениями фосфора с близкой к нейтральной реакции средой и достаточным количеством органического вещества и воды. Комплекс таких условий встречается далеко не везде, даже в зоне черноземов. Вот почему Azotobacter в северной зоне обнаруживается главным образом в сильно окультуренных почвах и на поймах (Мишустин, Емцев, 1970). В тундровой зоне микрофлора почв изучена на примере различных подзон Таймыра. В исследованных почвах южных тундр из свободноживущих азотфиксаторов азотобактер редок или вовсе отсутствует (Паринкина, 1971). Незначительна роль анаэробного фиксатора азота Clostridium pasterianum. Ничтожно мало в верхних горизонтах тундровых почв Таймыра и количество аммонифицирующих микроорганизмов. Азотный баланс верхних слоев почвенного профиля в воркутинской, кольской и таймырской тундрах поддерживают олиготрофные олигонитрофильные микроорганизмы, способные довольствоваться ничтожным содержанием в среде элементов питания. Эти бактерии на южном Таймыре составляли более половины общего количества микроорганизмов, определяемых в большинстве исследуемых почв (Паринкина, 1989). В почвенных микробоценозах широко распространены актиномицеты, составляющие примерно четвертую часть и играющие исключительно важную роль в экологии почв (деструкция сложных органических веществ, формирование азотного баланса, накопление биологически активных веществ и др.) (Зенова и Звягинцев, 1994). Не составили исключение и мерзлотные почвы, характеризующиеся преобладанием коринеформных бактерий, кокков и мицелильных актиномицетов (Звягинцев и др., 1990; Хлебникова и др., 1990). В примитивных почвах, на поверхности которых поселяются первоначально лишь лишайники, пионерами среди бактерий являются представители актиномицетной линии – корине- и нокардио подобные бактерии. О 38 доминировании этой группы бактерий объединяемых ранее под названием «микобактерии», в таких примитивных биогеоценозах сообщалось в работах Красильникова (1949), Аристовской (1980). Если перейти на современный уровень таксономического лексикона, то следует вычленить из этой сборной группы артробактер (род Arthrobacter) как организм, доминирующий в олиготрофных местообитаниях. Это получило подтверждение и при изучении бактериальных комплексов в почвах тундры Западного Таймыра. Бактерии рода Arthrobacter преобладали на поверхности голых пятен, в глеевых горизонтах, породах, т.е. олиготрофных эконишах. В диаметрально противоположных по содержанию органического вещества биотопах – очесе мха, торфянистых почвах трещин – доминировали спорообразующие бактерии рода Bacillus. А для рода Pseudomonas в качестве благоприятных местообитаний называются влажные почвы со слаборазложившимся опадом – осоково-моховые и ерниково-моховые тундры. В зоне тундр надземная фитомасса значительно превышает подземную ее часть, а отсюда следует и высокая экологическая значимость микробной биоты эпифитного комплекса фитобионтов, в частности дрожжевых грибов. В тундровых почвах их очень мало по численности, и по видовому разнообразию. Во всех почвах тундры, принадлежащих к разным типам: тундровых глеевых, арктотундровых, арктических, примитивных, торфянистых, дерновых почвах тундровых лугов формируется один и тот же тип дрожжевого населения с Cr. gilvescens в качестве доминанта и Mrakia gelida, Cr. albidus в качестве сопутствующих видов. Среди мицелиальных микромицетов доминантами в почвах Таймыра выступают такие виды, как Penicillium kapuscinskii, Geomyces pannorum и Sporormiella minimoides, достигающие в некоторых почвах 100% встречаемости, а также S. Intermedia, Podospora tetraspora и Mortierella sp. с встречаемостью 60 – 80% (Паринкина,1989). Своеобразие микобиоты тундровых почв состоит в том, что представители многих таксонов, широко распространенные и доминирующие в других районах, здесь отсутствуют. С другой стороны, виды-доминанты в 39 тундре обычны и для почв умеренных широт. Большой процент стерильных форм в Арктике может быть обусловлен неподходящими условиями споруляции, и различные виды микромицетов могут попадать в группу Mycelia sterilia. Собственно криоморфных педобионтный почвах беден и комплекс видов микромицетов характеризуется высокой в долей психротолерантных видов. Таким образом, подводя итоги исследованиям грибного населения тундровых почв, можно отметить следующие характерные для него черты: редукция таксономического состава, выпадение крупных групп, малая представленность собственно почвенных видов, высокая доля психрофильных и психротолерантных форм. Экологические функции грибов в экосистемах тундры сводятся, в основном, к иммобилизации и трансформации легкодоступных соединений в короткий период вегетации растений. Эти процессы протекают в фитоярусе и на поверхности почв, что приводит к накоплению неразложившихся растительных остатков и торфообразованию (Паринкина,1989). Особенности таксономического состава микробных комплексов в почвах Байкальского региона были изучены Звягинцовым с сотр. (1999). Почвы Бурятии рядом отличаются микробиологических от почв показателей: европейских аналогов целым численность бактерий сапротрофного комплекса в них на 1-2 порядка выше, а таксономическое разнообразие значительно меньше. В них доминируют бактерии, обладающие устойчивостью к высушиванию и голоданию: актиномицеты, бациллы, артробактер, отсутствуют виды дрожжей, характерные для большинства почв разных природно-климатических зон. Численность бактерий по методу посева во всех типах почв (по верхним гумусированным горизонтам) колеблется от 10 до 100200 млн./г, что значительно превышает цифры, отражающие концентрацию бактерий в соответствующих типах почв европейской части России. Так, например, в черноземах под луговыми и типичными степями Русской равнины численность бактерий в гор.А 1 составляла 1-2 млн. КОЕ/г, в то время как в 40 черноземах Бурятии в этих же горизонтах она колебалась в пределах 20-60 млн. КОЕ/г. 2.7. Микроорганизмы из почв Якутии. Одним из мало изученных вопросов региональной экологии Якутии является микробиоценозы мерзлотных почв. До последнего времени микробиологические почвенные исследования, проведенные в криолитозоне Якутии, носили фрагментарный характер. исследования И.А. Мазилкина В этом плане выделяются (1955-1956) по микробиологической характеристике дерново - и перегнойно-карбонатных почв Олекминского района ЯАССР, выполненные ещё в начале 50х годов прошлого столетия на волне всплеска почвенных работ, проводимых в это время в Восточной Сибири и, в частности, в Якутии. Согласно данному автору вся совокупность материалов по микробиологическому анализу дерново-карбонатных почв свидетельствовала о том, что в климатических условиях Якутии процесс разложения растительных остатков в почвах совершается замедленными темпами. При этом, значительная роль в разложении растительных остатков, особенно их лигно- целлюлозного комплекса, принадлежит многочисленным базидиальным и микроскопическим грибам. В этих почвах, по мнению Мазилкина, также слабо развиты целлюлозоразрушающие, нитрифицирующие бактерии и азотобактер. К сожалению, нужно констатировать, что после работ данного автора, предметные почвенные микробиологические исследования на обширной и контрастной в ландшафтно – климатическом отношении территории Якутии до последнего времени практически не проводились. Поэтому в общественном научном сознании прочно закрепилось мнение о бедности микроорганизмами почв Якутии, которое до последнего времени ещё не преодолено Спустя полвека, накоплен обширный материал о микрофлоре тундры, однако, микрофлора тайги в зоне вечной мерзлоты практически не изучена. Много публикаций, посвящено изучению микроорганизмов обитающих в вечной мерзлоте в Колымской низменности (Звягинцев и др., 1985,1988,1992; 41 Gilichinsky et al, 1988, 1992; Хлебникова и др., 1990; Воробьева, Гиличинский, 1997; Ривкина и др.1997), но в этих работах обычно не изучалась микрофлора растительного яруса. Биологическая активность мерзлотно-таежной палевой слабоосолоделой почвы Центральной Якутии была изучена в работе Е.В. Напрасниковой с соавторами в 1988 г. Авторами установлено, что общее количество микроорганизмов определенное методом посева в изученной почве исчисляется миллионами клеток на 1 г почвы. Преобладающую часть при этом составляют бактерии. С глубиной численность микроорганизмов резко уменьшается. Так, например, количество бактерий, усваивающих органический азот, в почве под лесом при переходе от горизонта А к горизонту АВ уменьшилось почти в 40 раз. Наиболее полное представление о содержании микроорганизмов в изучаемых почвах авторы получили с помощью прямого микроскопирования. Общая численность бактерий при этом в верхних горизонтах колебалась от 2,2 до 2,9 млрд. на 1 г почвы. Согласно оценочной шкале Д.Г.Звягинцева, авторы оценили численность и биомассу бактерий в исследуемой почве ниже средней. Кроме числа микроорганизмов авторы определяли ферментативную активность почв. Анализ инвертазной активности показал, что относительно высокой инвертазной активностью обладают только органогенные горизонты. С глубиной активность этого фермента резко уменьшается, но максимально увеличивается в карбонатном горизонте. Активность фосфотаз в пахотной почве несколько выше, чем в целинной, причем здесь обнаружили второй максимум активности фермента на глубине 50-60 см.. В качестве важного дополнительного показателя биологической активности авторы использовали интенсивность продуцирования СО2 почвой (дыхание). Расчет количества СО2 на единицу массы почвы показал, что дыхание почвы на целине (46,1 мг/100г почвы за сутки) в 2 раза интенсивнее, чем на пашне (21,1 мг/100г почвы за сутки). Авторы предполагают, что это связано с высоким содержанием органического вещества в целинной почве и значительным содержанием микрофлоры лесных почв (Напрасникова и др.,1988). 42 Влияние экологических факторов на биологическую активность мерзлотной таежной палевой почвы Центральной Якутии было исследовано Прибылых Е.И. в 2005 г. Общая численность микроорганизмов в пахотной почве по данным Е.И. Прибылых достигает высоких значений 108 кл/г или 200 млн. в 1 г/почвы. В динамике общей численности микроорганизмов установлен один максимум в июле, когда в среднем по вариантам она составляет 146,3 млн. в 1 г почвы. Установлена тесная корреляционная связь между влажностью почвы и содержанием в почве грибов, которая составляет r=0,94. В годы исследований в вариантах опыта содержание бактерий уменьшается к концу вегетации, а грибов увеличивается, вследствие изменений гидротермического режима почвы. Е.И. Прибылых выявлено, что в условиях Центральной Якутии на мерзлотной таежной палевой окультуренной почве целесообразно совместное применение минеральных и органических удобрений в дозах NPK 60 + навоз 40 т/га и NPK 90+ навоз 60 т/га, так как это повышает биологическую активность в 3-5 раз, что приводит к улучшению минерального питания растений и дает прибавку урожая картофеля в годы исследований до 5,7 т/га. Окультуренная мерзлотная таежная палевая почва, по данным Прибылых Е.И., характеризуется крайне незначительным периодом биологической активности, приуроченным к летне-осеннему сезону, с максимумом в июле. Потенциальная физиологическая активность микроорганизмов в них проявляется недостаточно (Прибылых, 2005). В настоящее время микробиологическими исследованиями мерзлотных почв Якутии под пахотными угодьями занимаются в ЯНИИСХ СО РАСХН (Данилова М.С. 1989-1996 гг.; Степанов А.И., Прибылых Е.И.), изучением ферментативной активности почв - в ЯГУ (Щелчкова М.В.), идентификацией и определением биологически активных групп микроорганизмов (бациллы, микобактерии, азотбактер, клубеньковые бактерии) - в ЯНИИСХ СО РАСХН (Тарабукина Н.П., Неустроев М.П., Парникова С.И., Прокопьева Н.И., Прибылых Е.И., Яковлева М.Т.) исследования ведутся разрозненно и бессистемно. Необходимы взаимосвязанные комплексные микробиологические 43 исследования для объективной оценки использования, охраны и восстановления мерзлотных почв Якутии. Анализируя опубликованные данные, можно констатировать, что в настоящее время нет единого мнения по поводу численности микроорганизмов в мерзлотных почвах Якутии. По некоторым данным почвы Якутии бедны микроорганизмами, по другим в них имеется большая численность и значительная биомасса микроорганизмов, которые не уступают другим природным регионам. При этом, подтверждается положение Д. Г. Звягинцева о том, что в зонах, где имеются неблагоприятные для протекания микробиологических процессов гидротермические условия, природа создает большой микробный пул, который дает возможность переработать количество органического вещества, примерно эквивалентное синтезируемому растениями за год, даже за короткий, благоприятный для протекания биохимических процессов период. По мнению Л.М.Полянской и Д. Г. Звягинцева одной из главных причин устойчивости почвы к неблагоприятным воздействиям является наличие в ней «избыточной» микробной биомассы в сочетании с избыточным же видовым разнообразием микроорганизмов. До настоящего времени отсутствуют критерии «нормального» состояния обоих важнейших параметров, однако ощущается потребность в разработке таких критериев с перспективой выхода на практические проблемы экологического мониторинга (Полянская и Звягинцев, 2005) . Исходя из изложенных данных, мы пришли к необходимости изучения численности и характеристики морфологического разнообразия микроорганизмов в различных по составу, строению и генезису почвах Центральной и Южной Якутии, а также динамики их активности в зависимости от почвенно-экологических факторов. 44 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Глава III. Объекты и методы исследования В основу диссертационной работы положены результаты исследований, проведенных в 1998-2004 гг. в Южной и Центральной Якутии. В Южной Якутии исследования проводили в центральной части Алданского нагорья и южной части Лено-Алданского плато в начале сентября 1998 г в шести биотопах в характерный целом для отражающих них рельеф, разнообразие почв Южной растительности, тип Якутии, высотное и экспоненциальное положение (табл.1). Микробиологический состав изучали в основных типах мерзлотных почв данной территории: дерново-карбонатных, перегнойно-карбонатных, палево-бурых, подзолистых и подбуров. Почвенные образцы из Южной Якутии были отобраны сотрудником ИПЭС АН РС (Я) Шелчковой М.В. Свойства исследуемых почв нами специально не изучались, однако почвенный покров (ПП) и свойства зональных почв Центральной Якутии достаточно хорошо изучены (Зольников, 1954). Данные почвы характеризуются, как правило, суглинистым гранулометрическим составом, нейтрально-слабощелочными условиями среды, насыщенностью почвенно-поглощающего комплекса (ППК) обменными катионами, достаточными запасами почвенного органического вещества (ОВ) и продуктивной влаги в почвенном профиле. В Центральной Якутии исследования проводили с 1999 по 2003 гг. на территории лесного научного стационара ”Спасская падь“ Института биологических проблем криолитозоны СО РАН, расположенного в 30 км севернее Якутска (62015΄с.ш., 129037΄ в.д.) (Максимов,2005). Леса данного стационара в лесотипологическом отношении отражают основные черты, свойственные лесам Центральной Якутии, по основным признакам они признаны типичными для данного региона (Исаев,1988; рис. 1). Исследования проводили на трех площадках, расположенных в пределах трёх типов биогеоценозов (сосняк, березняк, Таблица 1 Краткая характеристика биотопов Южной Якутии Почва Местоположение Экспозиция, высота над уровнем моря Тип леса Период с активными tº-ми, дни Мерзлотная перегнойнокарбонатная на элювии доломитов, р.25-86 Лено-Алданское плато, Iя надпойм.терраса р.Амга, 2 км ниже п. Верхняя Амга Нижняя часть склона южной экспозиции, 270 м Редкостойный лиственничник бруснично-моховой 20-30* 0 Лено-Алданское плато, 1,5 км к северу от п. Алексеевск Вершина водораздела, 450 м Лиственнично-сосновый с примесью березы разнотравно брусничный лес 40-50 20-40 Мерзлотная палево-бурая на аллювии, р. 23-89 Лено-Алданское плато, II-я надпойм. терраса р.Алдан, 2 км к юговостоку от п. Алексеевск Горизонтальная поверхность, 300 м Лиственничник бруснично-моховой 40-50 20-40 Длительно сезонномерзлотый подбур на элювии гранитов, р.34-97 Алданское нагорье, 28 км к северу от п. Большой Нимныр Средняя часть склона юговосточной экспозиции, 850 м Алданское нагорье, 8 км к югу от п. Хатыми Верхняя часть склона юговосточной, экспозиции, 900 м Редкостойный сосноволиственничный с примесью кедрового стланика брусничнолишайниковый лес Редкостойный сосноволиственничный брусничнолишайниковый лес Алданское нагорье, 10 км к югу от п. Чульман Вершина водороздела, 700 м Сосново-лиственничный лишайниковый лес Мерзлотная дерновокарбонатная на элювии доломитов, р.26-89 Длительно сезонномерзлотная подзолистая на элювии гранитов, р.43-97 Длительно сезонномерзлотная подзолистая на элювии аркозовых песчаников, р.35-97 60-80 50-60 50-70 50-60 40-50 20-40 *-в числителе− продолжительность периода с активными температурами ≥10°С в слое почвы 0-10 см; в знаменателе – то же в слое почвы 10-20 см. 46 Лиственничный лес Сосновый лес Березовый лес Рис.1. (Стационара «Спасская падь» ИБПК СО РАН) Фото А.П. Исаева 47 листвяг), характеризующих наиболее распространенные типы почв и среднетаежной растительности Средней Лены в пределах Центральной Якутии. В 2002-2004 гг. также проведено исследование лугово-степных почв биостанции Якутского государственного университета расположенной в 10 км к юго-западу от г. Якутска по Покровскому тракту, на второй надпойменной террасе р. Лены, на берегу Атласовских озер, занимающей площадь 3 га. Микробиологический состав изучали на следующих типах лугово-степных почв: дерново-луговой глееватой, палево-бурой оподзоленной, лугово- черноземной, на четырёх площадках, расположенных в пределах биостанции и представляющих разные ландшафтные комплексы (рис.2 - 5). Площадка № 1 – “у озера” (8 м. от воды), заболоченное место занятое осоково-разнотравной растительностью, почва мерзлотная дерново-луговая глееватая. Площадка № 2 – “сосняк”, мерзлотная таежная, оподзоленная почва под соснами. Площадка № 3 – “участок”, между коллекционными участками, лугово- черноземная почва, развитая по суходолу (вторичная по палевой почве), окультуренная почва. Площадка № 4 – “целина”, не культивируемая почва, естественный степной биотоп, почва лугово-черноземная. 3.1. Отбор почвенных проб для микробиологического анализа Образцы почв для микробиологических исследований брали по слоям с глубин 15, 30, 60, 90 см. Отбор проб производился по стандартной методике "Отбор почвенных образцов для микробиологических исследований" (Методы почвенной микробиологии,1991). Для отбора почвенных образцов использовали: почвенный бур, стерильные бюксы и шпатели, этиловый спирт. Пробы отбирали следующим образом. Во-первых, очищали поверхность земли от опада. Во-вторых, пробы отбирали из керна скважин, бурение которых проводилось колонковым способом путем простого механического вращения пробоотборника без промывки и добавления химических реагентов. Почвенный бур стерилизовали спиртом после отбора почвы с каждого горизонта. Итого на каждой точке бур стерилизовали 4 раза. Отобранные образцы помещали с помощью стерильного шпателя в стерильные бюксы и 48 Разрез 1Б-05 заложен в среднем поясе аласа в пределах плоской обсыхающей котловины, луг нормального увлажнения, злаково – осоковый разнотравный. Географические координаты: широты – N 61° 58, 038 ′ с.ш.; E 129° 37, 256′ в.д. абсолютная местности Н = 93,6 м. высота Строение профиля: Аd (0-1) – АВ (1-24) – ВС (24-65) – С (65-130) 1. Аd (0-1) см. Бурый, рыхлый, влажный, разнотравно злаково-осоковая дернина. 2. АВ (1-24) см. Буровато– светло-серый, влажный, бесструктурный, супесчаный, переход постепенный. 3. ВС (24-65) см. Сероватобурый, супесчаный, бесструктурный, сырой, переход постепенный. 4. С (65 – 130) см. Светло-бурый с сизоватым оттенком, мелкопесчаный, мокрый, по стенке инфильтрует верховодку, разрез на глазах заполняется водой. Почва: дерново-луговая глееватая. Рис.2.Площадка № 1 – приозерный участок на берегу Атласовского озера (“у озера”). 49 Разрез 2Б-05 заложен в куртине соснового остепненного леса, сосняк разнотравно-злаковый. Плоское понижение, недалеко от гривного повышения с разрезом Р.3 Б-05. Географические координаты: N 61° 58, 032′ с.ш.; E 129° 37, 328 ′ в.д. Н = 94,8 м. Строение профиля: Аd (0-2) – А1 (2-11) – А2 (11-19) – Вg (19-46) – ВС (46-54) – С (54110) Аd (0-2) см. Бурый, рыхлая дернина, влажная, переход заметный. А1 (2-11) см. Серый, влажный, непрочно мелкокомковато - пылеватый, легкий суглинок, пронизан корнями, переход заметный по цвету и механическому составу. А2 (11-19) см. Белесовато-светлосерый, непрочно мелкокомковато - пылеватый, легкий суглинок, влажный, переход заметный, встречаются черные древесные угли по всей массе горизонта. Вg (19-46) см. Серовато-охристый с сизоватым оттенком, влажный, непрочно мелкокомковато - пылеватый, легкий суглинок. На общем сизоватом фоне охристые пятна железа, переход постепенный. Затеки гумуса по ходам корней. ВС (46-54) см. Сизовато-светло-бурый, влажный, супесчаный, бесструктурный, переход постепенный. С (54-110) см. Сизовато-бурый, супесчаный, влажный, бесструктурный. Почва: палево-бурая оподзоленная Рис.3.Площадка № 2 – участок остепненного разнотравно - злакового соснового леса (“сосняк”). 50 Разрез 3Б – 05 заложен на гривном повышении, суходол, вероятнее всего на месте бывшего остепненного леса. Географические координаты: N 61° 58, 079 ′ с.ш. E 129° 37 , 314 ′ в.д. Н =96,0 м. Строение профиля: Апах (0-30) – АВ (30-49) – ВС (4992) – С (92-126) Апах (0-30) см. Серый, легкий суглинок, слабо увлажнен, непрочно мелкокомковато - пылеватый, переход заметный. Встречаются включения мелких древесных углей по всей массе горизонта. АВ (30-49) см. Палевый, легкосуглинистый, слабо увлажнен, непрочно мелкокомковато - пылеватый. Встречаются мелкие черные древесные угли и разложившиеся бурые остатки корней, переход заметный. ВС (49-92) см. Неоднородный по цвету и механическому составу, представляет чередование прослоек бурого легкого суглинка и светло-серой супеси, переход постепенный, слабоувлажненный, бесструктурный. С (92 – 126) см. Неоднородный по цвету и механическому составу, представляет чередование грязно-бурой супеси и светло-серого песка: песок – 60%, супесь – 40% по объему. Почва: лугово-черноземная. Рис.4.Площадка № 3 – коллекционный участок (“ участок”) 51 Разрез 4Б -05 заложен на месте естественного степного биотопа. Лугово – черноземная почва. Суходол на месте бывшего остепненного участка леса. Географические координаты: N 61° 58, 079 ′ с.ш. E 129° 37, 314 ′ в.д. Н = 96,0 м. Строение профиля: Апах (0-30) – АВ (30-49) – ВС (4992) – С (92-126) Апах (0-30) см. Серый, легкий суглинок, слабоувлажнен, непрочно мелкокомковато - пылеватый, переход заметный. Встречаются включения мелких древесных углей по всей массе горизонта. АВ (30-49) см. Палевый, легкосуглинистый, слабо увлажненный, непрочно мелкокомковато - пылеватый. Встречаются мелкие черные древесные угли и разложившиеся бурые остатки корней, переход заметный. ВС (49-92) см. Неоднородный по цвету и механическому составу, представляет чередование прослоек бурого легкого суглинка и светло-серой супеси, переход постепенный, слабо увлажненный, бесструктурный. С (92 – 126) см. Неоднородный по цвету и механическому составу, представляет чередование грязно-бурой супеси и светло-серого песка: песок – 60%, супесь – 40% по объему. Почва: лугово-черноземная. Рис.5.Площадка № 4 – целинный участок (“целина”). 52 замораживали, через 1-2 часа после отбора. Бюксы подписывали: горизонт, дата, температура воздуха и место отбора. Методика отбора, хранения и доставки образцов исключала возможность их оттаивания и заражения посторонними микроорганизмами. 3.2. Метод определения абсолютно сухого веса (АСВ) почвенных образцов Абсолютно-сухой вес (АСВ) почвенных образцов весом 1 г определяли на галогенном анализаторе влажности HR73 фирмы Меттлер Толедо, (Швейцария). Работа прибора основана на термогравиметрическом принципе: сначала прибор определяет вес образца, затем образец быстро нагревается галогенным модулем сушки, и влага из образца испаряется. Во время анализа прибор непрерывно измеряет вес образца и показывает на дисплее количество испаренной влаги. При окончании анализа на дисплее отображается окончательный результат – содержание влаги или сухого остатка в образце. Практический опыт показывает, что решающим фактором при определении влагосодержания является скорость нагревания образца. По сравнению с обычным инфракрасным нагреванием или сушкой печи, галогенный нагреватель достигает максимальной мощности теплового излучения гораздо быстрее и позволяет использовать высокие температуры – это существенно сокращает время анализа. Пробы весом в 1г высушивали в течение 30 минут, затем измеряли АСВ и еще через 30 минут, определяли окончательный АСВ пробы. Всего пробы высушивали в течение 1 часа. Рассчитывали влажность почвенных образцов в %. Метеорологические и гидрологические исследования на территории научного стационара «Спасская падь» ИБПК СО РАН проводили в рамках проекта GAME/Siberia. Определение объемной влажности почвы производили вручную в день отбора почвенных образцов при помощи рефлектометра TDR (Moisture Point, Enviromental Sensors, Inc.,Canada) на глубинах 0-15, 15-30, 3060, 60-90 и 90-120 см в 3-кратной повторности. Использованы средние данные по горизонтам. Подвижные формы азота и среднесуточную температуру 53 определяли принятыми в почвоведении стандартными методами (Аринушкина, 1970) 3.3. Подготовка почв к микробиологическим анализам Для этого из центральной части мерзлого керна стерильно брали 1 г почвы, увлажняли ее до состояния пасты и растирали в ступке резиновым пестиком в течение 5 мин. Затем готовили суспензии в 100 мл (первое разведение 10-1) дистиллированной стерильной воды, которые высевали на плотные среды. Численность микроорганизмов определяли методом посева на плотные питательные среды. Количество бактерий, использующих органический азот, учитывали на МПА, использующих минеральный азот бактерии и актиномицеты – на КАА, олигонитрофильные бактерии – на среде Эшби (Методы почвенной микробиологии и биохимии, 1991). Количество грибов учитывали на подкисленной среде Чапека; аэробных целлюлозоразлагающих бактерий на среде Гетчинсона и Клейтона (Семенов, 1990). Засеянные чашки Петри инкубировали при 30оС. Морфологию клеток культур изучали методами световой микроскопии при помощи микроскопа “Биолам Р-15” (увеличении 1250). Колонии бактерий учитывали на 3-4 сутки, грибов – 7-10 сутки (на 5 параллельных чашках с пересчетом на 1 г абсолютносухой почвы). При посевах использовали разведения 1:103, 1:105, 1:107. Бактерии подсчитывали на 3-4 сутки, грибы - через 7-10 суток. Посевы инкубировали при 280С. Просчитав количество колоний на 5 параллельных чашках, определяли среднее количество колоний на чашке и затем делали пересчет на 1 г абсолютно-сухой почвы (АСВ). 3.4. Определение количества клеток методом высева на твердые среды (чашечный метод Коха) Сущность метода заключается в высеве определенного объема исследуемой суспензии микроорганизмов на плотную среду в чашки Петри и последующем подсчете выросших колоний. При этом исходят из того, что каждая колония является результатом размножения одной клетки. Чашечный метод особенно широко используется для определения количества 54 микроорганизмов в почве и других естественных субстратах. Однако следует учитывать, что для микроорганизмов, образующих цепочки или другие скопления клеток, результаты по определению их числа будут всегда несколько занижены. Работа этим методом включала три этапа: приготовление разведений, посев на плотную среду в чашки Петри, подсчет выросших колоний. Приготовление разведений. Численность популяций микроорганизмов обычно достаточно велика, поэтому для получения изолированных колоний готовили ряд последовательных разведений. Разведения готовили в дистиллированной воде, используя постоянный коэффициент разведения равный 10. В ходе опыта использовали один и тот же коэффициент разведения, т.к. это уменьшало вероятность ошибки. Для приготовления разведений стерильную воду разливали по 9 мл в стерильные сухие пробирки. Затем 1 мл исследуемой суспензии стерильной пипеткой переносили в пробирку с 9 мл стерильной воды – это 2-е разведение, 10-2. Полученное разведение тщательно перемешивали новой пипеткой, вбирая в пипетку и выпуская из нее полученную взвесь. Эту процедуру выполняли 3-5 раз, затем этой же пипеткой отбирали 1 мл полученной суспензии и переносили во 2-ю пробирку – получали 3-е разведение, 10-3. Таким же образом готовили и последующие разведения. Степень разведения зависила от плотности исследуемой популяции микроорганизмов; соответственно она тем больше, чем больше плотность популяции. Для приготовления каждого разведения обязательно использовали новую пипетку. Проведение посева поверхностным способом. Перед посевом разливали расплавленную, чаще всего агаризованную, питательную среду в ряд стерильных чашек Петри по 15-20 мл в каждую. Чашки оставляли на горизонтальной поверхности, пока среда не застынет. После того, как среда была готова, на ее поверхность стерильной пипеткой наносили точно измеренный объем (1 каплю) соответствующего разведения и распределяли его стерильным шпателем по поверхности среды. Высевы на плотную среду 55 проводили, как правило, из 3-х последних разведений, причем из каждого делали 2-4 параллельных высева. Для каждого разведения использовали новый стерильный шпатель. После посева чашки Петри помещали в термостат крышками вниз. Подсчет выросших колоний. Колонии бактерий подсчитывали обычно через 3 суток. Подсчет проводили, не открывая чашки Петри. Для удобства чернилами по стеклу отмечали просчитанную колонию точкой на наружной стороне дна чашки. При большом количестве колоний дно чашки Петри делили на секторы, подсчитывали число колоний в каждом секторе и результаты суммировали. Просчитав количество колоний на всех параллельных чашках, определяли среднее количество колоний на чашке и затем делали пересчет на 1 г абсолютно сухой почвы (АСВ) по формуле: а= бвг д где а - количество клеток в 1 г почвы, б - среднее количество колоний на чашку, в - разведение, из которого сделан посев, г - количество капель в 1 мл суспензии, д - масса абсолютно сухой почвы, взятой для анализа (Методы почвенной микробиологии и биохимии, 1991). 3.5. Среды для культивирования различных микроорганизмов Для накопления, выделения, культивирования и сохранения микроорганизмов использовали следующие условия (табл.2) и питательные среды: Мясо – пептонный агар (МПА) для различных хемоорганолитотрофных бактерий (в г/л дистиллированной воды): пептон – 10; дрожжевой экстракт – 1; глюкоза – 2; агар – 18. Крахмало - аммиачный агар (КАА) для актиномицетов и бактерий (в г/л дистиллированной воды): (NH4)2SO4 – 2; K2HPO4- 1; MgSO47H2O – 1; NaCl- 1; CaCO3 – 3; крахмал растворимый – 10; агар – 20. Крахмал предварительно размешивали в небольшом количестве воды и затем приливали к основной среде. Среда Чапека – для грибов (в г/л дистиллированной воды): KCl- 0,5; K2HPO4 – 1; FeSO4 - 0,01; NaNO3 - 2; CaCO3- 3; MgSO4 х7 Н2О- 0,5; сахароза - 56 30; агар – 20. Для подкисления среды употребляли 50%-ный раствор лимонной кислоты – 10 мл на 1 л срелы или 15 мл 0,1 н. раствора серной кислоты. Среда Эшби – для олигонитрофильных микроорганизмов (в г/л дистиллированной воды): K2H2PO4- 0,2; MgSO4- 0,2; NaCl- 0,2; K2SO4- 0,1; CaCO3- 5; сахароза- 20; агар - 20. Среда Эшби (твердая) – для аэробных азотфиксирующих микроорганизмов (в г/л дистиллированной воды): K2HPO4 – 0,2; MgSO4– 0,2; NaCl - 0,2; K2SO4 – 0,1; CaCO3 – 5; манит – 20; агар – 20. Среда Виноградского (жидкая) – для анаэробных азотфиксаторов (в г/л водопроводной воды): глюкоза – 20,0; K2HPO4 – 1,0; MgSO4 – 0,5; NaCl – 0,5. Среду разливали в высокие пробирки, на дно которых насыпали по 100-200 мг СаСО3 ,стерилизовали при 0,5 атм. Среда Гетчинсона и Клейтона для выделения аэробных целлюлозолитических микроорганизмов (в г/л дистиллированной воды): К2 НРО4 - 1; СаСl2 - 0,1; MgS04 x 7Н2О - 0,3; NaCl - 0,1; FeCl3 - 0,01; NaNO3 - 2,5. Среда Омелянского для выделения мезофильных анаэробных целлюлозоразрушающих микроорганизмов (в г/л дистиллированной воды): (NH4)2 SO4 – 2; K2 HPO4 – 1; MgSO4 -1; NaCl – 1; СаСО3 – 2. Таблица 2. Среды и условия культивирования МПА 2. Гетеротрофные бактерии Актиномицеты и бактерии Условия культивирования Время, t0C сутки 300С 3 КАА 280С 7 3. Грибы Чапека 24260С 7-10 4. Олигонитрофильные бактерии Эшби 280С 14 5. Аэробные азотфиксирующие 300С 4-6 6. Анаэробные Азотфиксирующие Аэробные целлюлозолитические Анаэробные целлюлозоразрушающие Эшби безазотистая Виноградского 300С 4-5 1:103, 1:107 1:103, 1:105, 1:107 1:103, 1:105, 1:107 1:103, 1:105, 1:107 Без разведений Без разведений Гетчинсона 300С 8 1:102 Омелянского 300С 20 1:10 № 1. 7. 8. Группа микроорганизмов Среда Разведение 57 3.6. Методы определения свободноживущих азотфиксаторов Для выявления азотобактера в почве и определения относительного его содержания использовали метод Виноградского (почвенных комочков) на агаре. Навеску почвы увлажняли стерильной водопроводной водой до пастообразного состояния. На без азотистую среду Эшби в чашке Петри раскладывали 50 комочков почвы, пользуясь капилляром, смоченным в воде. Использовали две чашки на каждый образец почвы. Чашки с посевом помещали в эксикатор над водой при температуре 280С. Элективность среды создается отсутствием связанного азота и аэробными условиями среды. После 5-6 дней инкубации при наличии клеток азотобактера комочки почвы обрастают его колониями. Колонии азотобактера обычно слизистые, тестообразной консистенции, белые не прозрачные, с возрастом наблюдается появление коричневатого пигмента на 4-6 сутки инкубирования. Под микроскопом клетки выглядят как короткие палочки или кокки, часто соединенные попарно – «восьмерки», окруженные капсулой. Для сравнительной оценки населенности азотобактера в разных почвах определяли процент обросших комочков от общего числа комочков на чашке. Для получения накопительной культуры анаэробного азотфиксатора Clostridium pasteurianum использовали элективную среду Виноградского. Высокие пробирки заполняли на 2/3 ее объема жидкой средой. Для инокуляции в среду внесли 0,2 грамма исследуемой почвы и закрыли ватными пробками. После этого пастеризовали в течении 10 мин при 800С. Пробирки с посевами помещали в термостат при 300С. На 4-6 сутки можно отмечали помутнение среды и обильное образование газов. После 4-5 дней инкубации культуру подвергали анализу. Наличие анаэробных азотфиксирующих микроорганизмов фиксировали, если были следующие признаки: запах масляной кислоты; наличие газа (Н2;СО2); наличие пленки. Для обнаружения Cl. pasteurianum содержимое пробирки размешивали и в течении 15-20 с. давали осесть грубым частицам, после чего из середины субстрата пипеткой брали немного материала и наносили каплю на предметное 58 стекло. К ней добавляли каплю раствора Люголя, затем накрывали покровным стеклом и микроскопировали с иммерсионной системой. Клетки Cl. pasteurianum, содержащие гранулезу, приобретали фиолетовый цвет (Теппер и др. 1993). 3.7. Методика выделения целлюлозолитических микроорганизмов и определения целлюлазной активности Для выделения аэробных целлюлозолитических микроорганизмов была использована питательная среда Гетчинсона и Клейтона. Посев проводили по методу Пушкинской из разведенной почвенной агаризованную среду, поверх суспензии на которой накладывали кружки стерильной фильтрованной бумаги. Вокруг вырастающих колоний появлялись зоны разложения клетчатки. Далее проводили микроскопирование. Для количественного учета анаэробных целлюлозолитических бактерий использовали метод титров. Посев разведений почвенной суспензии производили в пробирки с жидкой средой Омелянского и полосками фильтровальной бумаги. О развитии целлюлазных бактерий судили по разрушению полосок фильтрованной бумаги. Наряду с визуальными наблюдениями, остатки неразложившейся фильтровальной бумаги переносили на воронку с бумажным фильтром, масса которого заранее известна. Сюда же смывали из пробирки горячей водой всю слизь и отдельные волокна бумаги, находящиеся на стенках пробирки. Затем осадок на фильтре промывали горячим 1 %-ным раствором соды, затем соляной кислотой. Кислоту смывали горячей дистиллированной водой. После высушивания определяли массу оставшейся клетчатки. Зная исходную массу и массу в конце опыта, по разности вычисляли процент разложившейся клетчатки (Методы почвенной микробиологии, 1991). Статистическая обработка данных выполнена стандартными методами вариационно-статистического анализа (Лакин,1989). 59 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Глава IV. Численность и состав основных групп микроорганизмов мерзлотных почв Южной Якутии Микробиологический состав изучали в основных типах почв Южной Якутии: дерново-карбонатных, подзолистых и подбуров в перегнойно-карбонатных, связи с их палево-бурых, физико-химическими и гидротермическими особенностями. Исследования проводили в начале сентября 1998 г в шести биотопах, расположенных на территории Лено-Алданского плато и Алданского нагорья, в целом отражающих разнообразие почв Южной Якутии, характерный для них рельеф, тип растительности, высотное и экспозиционное положение (табл.1). На территории Южной Якутии многолетняя мерзлота не имеет сплошного распространения. Поэтому в почвенном покрове данного региона наряду с мерзлотными представлены и длительно сезонномерзлотные почвы. К мерзлотным относятся исследованные нами перегнойно-карбонатные, дерновокарбонатные и палево-бурые почвы. Подзолистые почвы и подбуры являются длительно сезонномерзлотными. Рассматриваемые нами почвы характеризуются различным гидротермическим режимом (табл.1). В наиболее холодных и влажных условиях формируются перегнойно-карбонатные почвы. Они приурочены к нижним частям пологих вогнутых склонов водоразделов и по характеру увлажнения являются полугидроморфными. В их профиле в летний период всегда обнаруживается льдистая мерзлота, которая оказывает не только постоянный охлаждающий эффект на почвы, но и служит непроницаемым водоупором. В силу этих причин перегнойно-карбонатные почвы часто бывают переувлажнены и плохо прогреваются. Активные температуры (>100C) в них редко проникают на глубину 10 см даже в самые теплые годы. Палево-бурые почвы, также как и перегнойно-карбонатные, приурочены к отрицательным элементам рельефа или выровненным 60 Таблица 3 Физико-химические свойства почв Почва Перегнойнокарбонатная, разрез.25-86 Дерновокарбонатная, разрез.26-89 Палево-бурая, разрез.23-89 Подбур, разрез.34-97 Подзолистая, разрез 43-97 Подзолистая, разрез 35-97 Гори зонт Глуби на, см Ah A Bca Bca AoA1 B BCса A2В B BC A2В B BC AoA1 A2 B AoA1 A2 B BC 0-5 5-10 20-30 30-40 0-5 10-20 30-40 0-5 5-10 20-30 0-3 3-12 30-40 0-2 2-12 12-25 0-3(5) 3(5)-8 10-20 20-30 Гумус, Азот, % % 54,6 31,9 5,7 5,0 39,3 5,1 1,7 7,6 2,5 1,0 7,7 1,1 0,4 29,9 1,1 1,0 42,7 1,2 1,4 0,7 1,47 1,37 0,3 0,37 1,12 0,21 0,10 0,25 0,10 0,06 0,23 0,05 0,84 0,04 0,06 - С:N 21,5 13,5 11,0 7,8 20,4 14,0 9,8 17,7 14,6 9,2 19,3 12,2 29,5 16,8 13,9 - Запасы* N-NO3в слое0-30см, мг/м2 365,2 588,5 *в числителе – средние данные за вегетационный период 1997 г., в знаменателе – средние данные за вегетационный период 1998 г. 346,4 392,2 308,2 358,4 106,2 144,9 248,0 236,0 ------364,0 pH воды 6,8 6,8 7,2 7,2 5,8 6,1 6,8 5,4 5,3 5,3 4,6 4,7 5,0 4,6 4,9 5,3 4,3 4,7 5,5 5,4 Обменные катионы, мг-экв./100 г ++ Ca Mg++ H+ 24,8 10,7 9,8 18,6 10,3 8,1 17,6 13,2 10,9 4,2 2,7 3,3 10,8 1,9 1,4 1,7 15,6 9,3 7,8 15,4 8,7 5,4 14,9 6,4 5,4 4,3 3,3 3.9 5,4 0.8 0,8 0,2 0,66 0 0 0 1,34 0 0 1,84 3,67 2,86 11,24 8,57 10,10 113,1 12,9 7,5 4,0 Фракции, % <0,001 <0,01 30,4 14,2 24,1 31,8 17,2 13,0 6,5 11,0 6,3 65,8 47,3 42,4 49,2 36,2 25,4 13,2 18,8 11,0 61 поверхностям и временно избыточно переувлажнены. Они образуются на бескарбонатных почвообразуюших породах и широко распространены на Алданском нагорье. Палево-бурая почва, выбранная для исследования нами, сформирована на аллювиальных отложениях в долине р.Алдан и по гидротермическим показателям занимает среднее положение в ряду исследованных нами почв. По теплообеспеченности автоморфные дерново-карбонатные почвы Лено-Алданского плато и подзолистые почвы Чульманской впадины близки (табл.1,3).Однако гидрологический режим их различен. Слабая водоудерживающая способность подзолистой почвы, обусловленная легким гранулометрическим составом и щебенистостью почвенного профиля способствует быстрой фильтрации осадков в период дождей и значительному снижению влажности (не ниже ВРК) в сухие периоды (Коноровский, 1984). Гидрологический режим дерново-карбонатной почвы более стабилен и уровень влажности в ней обычно колеблется между полной и наименьшей влагоемкостью. Подбуры и подзолистые почвы, формирующиеся преимущественно на южных, юго-восточных и юго-западных склонах Алданского нагорья под редкостойными сосново-лиственничными и лиственнично-сосновыми лесами относятся к группе наиболее теплых почв (табл.1,3).Высотное и экспозиционное положение, отсутствие сомкнутости крон повышает приток солнечной радиации на поверхность почв и обеспечивает значительное прогревание маломощного почвенного профиля. В жаркие периоды верхний 10сантиметровый слой этих почв может иссушаться, в то время как в наиболее глубоких слоях влажность сохраняется на уровне, достаточном для активного протекания биологических процессов. Все исследованные нами почвы сохраняли высокую влажность в верхнем 10-см слое. При этом наибольшие значения влажности – 66,7 - 70,6 % отмечены в перегнойном горизонте перегнойно-карбонатной и подстилке 62 подзолистой почвы, а наименьшее – 3,6 % в горизонте ВС подзола разр.35-97 (табл.4). Таблица 4 Полевая влажность почвенных образцов из Южной Якутии, в % Глубина, Пер-карб. Дерн-карб. Пал-бур. Подбур Подзол Пал-бур. см р.25-86 р.26-89 р.23-89 р.34-97 р.35-97 Пятилетка Ао 36,0 57,91 70,59 63,3 0-5 66,7 34,3 50,54 49,1 36,9 28,5 5-10 55,6 27,8 39,4 34,2 17,2 16,3 10-20 38,4 21,2 28,32 19,4 20,6 15,7 20-30 21,1 22,6 24,5 3,7 15,2 30-40 16,9 16,1 20,73 - 3,6 11,7 Исследованные почвы различаются не только по гидротермическим показателям, но и по физико-химическим свойствам (табл.3). Дерново-карбонатные и перегнойно-карбонатные почвы, развитые на карбонатных породах Лено-Алданского плато, характеризуются повышенным содержанием гумуса и высокой емкостью катионного обмена, насыщены основаниями, имеют нейтральную и слабощелочную реакцию среды и тяжелый гранулометрический состав. Подзолистые почвы и подбуры характеризуются кислой реакцией среды, не насыщены основаниями, преимущественно супесчаного либо легкосуглинистого гранулометрического состава. Содержание органического вещества и азота в верхних гумусово-аккумулятивных горизонтах данных почв высокое (7,7-42,7%) и резко снижается вниз по профилю (табл.3).Верхние органогенные горизонты представлены, как правило, слаборазложившимися растительными остатками. В отличие от подзолистых почв и подбуров палевобурые почвы относятся, как правило, к средним или тяжелосуглинистым разновидностям (Петрова, 1971; Коноровский,1984; Шиндлер, Чевычелов, 1992). Отмеченные гидротермических различия показателях в почв физико-химических предопределяют свойствах и разнообразие их 63 биологических режимов и отражаются на численности и морфологическом разнообразии микроорганизмов населяющих их. Результаты исследований по определению численности почвенных микроорганизмов методом посева на разные среды приведены в табл.5-7.Они свидетельствуют, что во всех исследованных почвах Южной Якутии в достоверном количестве были обнаружены жизнеспособные микроорганизмы. При сравнении количества микроорганизмов на разных средах выявились следующие особенности. В больших количествах были выявлены бактерии на среде Эшби в меньшем количестве на МПА и КАА средах (табл.5). Таблица 5 Численность микроорганизмов из почв Южной Якутии на разных средах, кл/г АСВ Горизонт, Среды Перегнойно- Дерновосм карбонатная карбонатная Ао 0-5 ВС 30-40 МПА КАА Эшби МПА КАА Эшби 5.0 х104 5.3 х104 2.0 х106 3.2 х104 1.9 х104 2.0 х106 4.0х106 1.35х106 3.15х107 5.9х103 2.9х103 6.0х105 Подбур Подзолистая Палевобурая 7.0 х106 7.2 х104 6.0 х107 2.0х105 5.0х105 6.0х107 2.7х102 2.1х103 0 1.3х104 4.0х104 8.1х103 2.6х105 3.75 х105 8.45х106 9.7 х103 9.9 х104 0 Численность микроорганизмов в разных биотопах и горизонтах почв колебалась в пределах от 102 до 107 кл/г АСВ. Наибольшая численность олигонитрофильных бактерий (107) отмечена на среде Эшби в гумусоаккумулятивном горизонте дерново-карбонатной почвы и в обоих горизонтах подбура (табл.5,рис.6). Подбуры, как указывалось выше, наиболее теплые почвы Южной Якутии, также как и дерново-карбонатная почва богаты органическим веществом, поэтому эти условия способствовали высокой численности олигонитрофильных бактерий. К олигонитрофилам относятся микроорганизмы, которые развиваются в условиях недостатка азота: азотфиксирующие, нитрифицирующие, тионовые, 64 некоторые железобактерии и ряд других. Преобладание группы олигонитрофильных бактерий объясняется особенностью данных экосистем низким содержанием доступных форм азота в исследованных почвах. При этом, отсутствие олигонитрофилов отмечено в подстилке подзолистой и минеральном горизонте палево-бурой почвы (табл.5,рис.6). Из пяти типов исследованных нами почв наиболее насыщенны не только олигонитрофилами, но и гетеротофными бактериями и актиномицетами оказались дерново-карбонатная почва и подбур (табл.5). Лето 1998 г. было жарким и сухим. За 3 летних месяца на территории Ленно-Алданского плато и Алданского нагорья (по данным метеостанций «Буяга», «Алдан» и «Чульман») осадков выпало в 4 раза меньше, чем за тот же период 1997 г., а среднемесячные температуры воздуха были выше на 4-50С. Это привело к изменению гидротермических показателей почв, что в свою очередь отразилось на составе микробиоты. Среди выросших микроорганизмов доминировали гетеротрофные грамположительные бактерии (МПА) и мицелиальные актиномицеты (КАА). Высокое содержание актиномицетов в почвах Южной Якутии осенью 1998 г. по всей видимости, обусловлено исключительно жаркими засушливыми условиями вегетационного периода. Считается, что столь высокие показатели характерны для почв степной и сухостепной зон: южных черноземов, каштановых почв (Наплекова, 1974). Наряду с этим существует прямая зависимость численности актиномицетов от температуры и обратная - от влажности в сезонном цикле. Повышение температуры и снижение влажности в почвах привело, вероятно, к качественному изменению микробного населения почвы, в том числе и доминированию актиномицетов 1,35х106 в дерново-карбонатной почве (табл.5). Для исследованных нами почв, была не характерна резкая дифференциация микрофлоры по профилю. При переходе от органогенных горизонтов к минеральным численность микроорганизмов резко снизилась только в палево-бурой и дерново-карбонатной почвах. В остальных почвах она не изменилась, или даже повысилась. С увеличением глубины рост содержания 65 бактерий отмечен в подзолистой почве и подбуре, причем на всех испытанных средах (табл. 5). Это связано с обсыханием данных почв в верхних горизонтах и большим сохранением влаги в нижней части их профиля. Количество млн. кл / г АСВ 60 Пер-карб. Дерн-карб. 50 Подбур Подзол Чульман 40 Мерз-таеж. 30 Мерз-таеж. Подзол Чульман 20 Подбур 10 Дерн-карб. 0 Пер-карб. 0-5 30-40 Глубина почвенного разреза, см Рис. 6. Количество олигонитрофильных бактерий в почвах Южной Якутии, 1998 (среда Эшби) Сравнение основных типов почв Южной Якутии обогащенности микроорганизмами проводили по по степени Д.Г.Звягинцеву (1987), учитывая условный критерий, который гласит, что существенное значение бактерии имеют в том случае, если число их клеток не менее 1 млн. на 1 г субстрата, хотя бы в какой-то сезон года. По степени обогащенности микроорганизмами почвы Южной Якутии были бедными (табл.6). Наиболее бедными были подзолистые почвы, их обогащенность не имела существенного микробиологического значения, что хорошо коррелировало с физико-химическими свойствами данных почв. По критерию Звягинцева, средняя обогащенность бактериями была в верхнем слое дерново-карбонатной почвы и минеральном горизонте подбура что, повидимому, связано с благоприятными гидротермическими и воздушными 66 условиями и относительно высоким содержанием в них органического вещества. Таблица 6 Степень обогащенности микроорганизмами основных типов почв Южной Якутии Кол-во кл/г, на глубине 0-5 см Степень обогащенности Кол-во кл/г, на глубине 30-40 Степень обогащенности Перегнойнокарбонатная Дерновокарбонатная 4.1х105 Очень бедная 2.4х105 Очень бедная 2.8х106 Бедная 4.9х104 Очень бедная Подбур 6.7х105 Очень бедная 4.3х106 Средняя Бедная 4.5х104 Очень бедная Очень бедная 6.5х102 Не существенно Тип почвы Подзол Палевобурая Помимо 1.6х106 4.9х105 изучения численности актиномицет, гетеротрофных олигонитрофильных бактерий, осенью 1998 г. нами проводилось исследование численности целлюлозолитических и и также азотфиксирующих бактерий. Эти исследования показали, что в изучаемых почвах Южной Якутии целлюлозолитические микроорганизмы представлены исключительно аэробными формами. Их численность в основном коррелировала с характером распределения гетеротрофных и олигонитрофильных бактерий (табл.6). Больше всего целлюлозолитических бактерий было в автоморфных дерново- карбонатных и палево-бурых почвах. Самым многочисленным компонентом микрофлоры, участвующим в разложении клетчатки, оказались актиномицеты на долю которых приходится до 90% колоний. Остальные 10% представлены миксобактериями (рис.7). Грибы в составе целлюлозоразлагающих микроорганизмов обнаружены не были. Известно, что грибы по сравнению с другими микроорганизмами обладают наиболее разнообразным ферментативным аппаратом и наилучшим образом адаптированы к разложению свежего органического вещества при 67 Рис.7. Аэробные целлюлозолитические бактерии р.Myxobacter из дерновокарбонатной почвы Южной Якутии, 1998 г ( желтые колонии на бумажном фильтре, среда Гетчинсона, 8 сутки). низких температурах (Паринкина, 1989). Тем не менее, доля участия актиномицетов в составе целлюлозолитической микрофлоры северных почв также может быть значительной. По данным И.А. Мазилкина (1955), в профиле якутских дерново-лесных солонцевато-осолоделых почв насчитывается от 34% до 78% актиномицетов, обладающих целлюлозолитической мерзлотных почвах верховий Колымы они активностью. В составляют до 50% целлюлозоразрушающей микрофлоры (Гришкан, 1994). В отдельных случаях, например, в почвах Воркутинской тундры отмечено абсолютное преобладание актиномицетов (Мишустин, Мирзоева, 1966). В целом, численность целлюлозоразрушающих микроорганизмов была средней – 1.2-3.6х105 в подстилках и от 1.3х102 до 4.5х103 КОЕ/г в нижележащих горизонтах (табл.7). Наименьшее их количество наблюдалось в подзолистых почвах, что соответствует литературным данным (Аристовская, 1980; Наплекова, 1974). Подзолистая почва Чульманской впадины (р.35-97) отличалась от других полным отсутствием в момент определения целлюлозоразлагающих микроорганизмов. Данная почва была самой кислой, имела низкие значения рН от 4,3 до 5,5 (табл.3), а целлюлозолитики, как известно, растут в нейтральной или слабощелочной среде, т.к. при росте 68 Таблица 7 Численность целлюлозолитиков и азотфиксирующих бактерий в почвах Южной Якутии Почва Горизонт Перегнойнокарбонатная разр.25-86 Ао Ah Ah В B ca B ca Дерновокарбонатная разр.26-89 Ао AоА1 В B BС ca BС ca Ао AВ В B BС BС АоА1 Вh Вh АоА1 А2 В Ао AоА1 А2 B BС Палевобурая разр.23-89 Подбур разр.34-97 Подзолистая разр.43-97 Подзолистая разр.35-97 Палевобурая Пятилетка Ао А В ВС(В) ВС Глубина см 10 - 0 0-5 5-10 10 - 20 20 - 30 30 - 40 0 - 20 8-0 0-5 5 - 10 10 - 20 20 - 30 30 - 40 2-0 0-5 5 -10 10 - 20 20 - 30 30 - 40 0-5 5 - 10 10 - 20 0-5 5 - 10 10 - 20 1-0 0-5 5 - 10 10 - 20 20 - 30 30 - 40 1-0 0-5 5-10 20-30 40-50 Численность микроорганизмов Влажность, Целллюлозолитики, Азотфиксиру% кл/г ющие, % 27,8 4 66,7 1,2х10 33 55,6 1,1х104 65 21,1 0 78 16,9 0 0 20 36 34,3 21,2 22,2 16,1 57,9 50,5 28,3 20,7 49,1 19,4 31,4 12,5 3,5 70,6 36,9 17,2 20,6 3,7 3,6 63,3 28,5 16,3 15,2 11,7 2,6х104 3,4х103 1,2х102 0 0 0 3,6х105 4,1х102 5,8х102 0 9,8х103 1,3х102 1,6х102 1,8х102 0 0 0 0 0 0 5,1х103 4,5х103 0,7х103 0 0 60 44 30 0 0 5,5 50 0 37 0 0 62 0 0 0 83 40 0 5 60 65 15 выделяют кислоты. При переходе от органогенных горизонтов к минеральным численность целлюлозолитических микроорганизмов резко падала. Так, в палево-бурой, 69 перегнойно- и дерново-карбонатной почвах уже на глубине 10-20 см целлюлозоразлагающие микроорганизмы не обнаруживались. В почвах наиболее теплых местообитаний - подбуре (разр.34-97) и подзолистой (разр.4397), на этой же глубине отмечалось немногим более тысячи клеток на один грамм (табл.7). Кроме того, о биологической активности изученных почв судили по наличию в них свободноживущих азотфиксирующих бактерий. Они играют огромную роль при почвообразовании. Азотфиксирующие микроорганизмы являются тест – объектами для определения плодородия почв. Из всех микроорганизмов наибольшей азотфиксирующей способностью обладают азотобактер и его разновидности. Азотобактер требователен к субстрату и особенно реагирует на дефицит фосфора. На бедных почвах он не развивается. Это послужило основанием для использования азотобактера в качестве индикатора на содержание в почве фосфора и калия (Аникеев, Лукомская, 1977). Азотобактер плохо развивается в кислой среде, он растет в среде с pH 5,5-7,8 и более влаголюбив, чем другие микроорганизмы почвы. По этому и некоторым другим признакам азотобактер напоминает водоросли. Чувствительность азотобактера к кислотности позволяет использовать его как тест-организм при определении потребности почв в известковании. Рост азотобактера напоминает слизь, которая вначале белая, а затем буреет и приобретает коричневый оттенок (Ассонов, 1980). Определение азотобактера методом обрастания почвенных комочков на без азотистой среде Эшби показало, что в исследованных почвах Южной Якутии содержится от 5 до 83 % аэробных азотфиксирующих бактерий. Наибольшая численность азотобактера обнаружена в перегнойно- и дерновокарбонатных почвах, а также в подзолистой почве Чульманской впадины (р.3597) и палево-бурой. Эти почвы отличались повышенным содержанием влаги, в которой нуждается азотобактер. Почвы теплых местообитаний – подбур и подзолистые, а также палевобурая (разр.23-89), в верхних гумусированных иссушенных горизонтах 70 азотобактера не содержали. В данных почвах азотобактер появляется на глубине 10-20 см и ниже, что связано с сохранением здесь остаточной влажности в жаркий и сухой вегетационный период 1998 г. По качественному составу в изученных почвах Южной Якутии выделены представители рода Azotobacter vinilandi, на плотных средах образующие сарциноподобные скопления, белые, слегка желтоватые, слизистые колонии и обнаруженные нами в 2003 г из почвогрунтов г.Мирного (Западная Якутия) штаммы рода Azotobacter croococcum . Azotobacter croococcum фиксирует азот в аэробных условиях. Колонии темно-коричневого, почти черного цвета (рис.8). Корреляционный анализ показал отсутствие достоверной связи между численностью азотфиксирующей, целлюлозоразлагающей микрофлоры в почвах и содержанием в них гумуса и, подвижных форм азота. Так, наиболее богатые органическим веществом и минеральным азотом остаточно- карбонатные почвы не отличались повышенным содержанием изученных 1 2 Рис.8. Свободноживужие аэробные азотфиксаторы из почв Южной Якутии: 1 - Azotobacter vinilandi, сентябрь 1998 г и 2 - Azotobacter croococcum из почвогрунтов г. Мирного, август 2003 г. групп микроорганизмов по сравнению с более бедными почвами кислого ряда палево-бурой и подбуром. Вероятно, в этом случае содержание 71 микроорганизмов в почве в первую очередь определяется экологическими факторами, такими как температура, влажность и условия аэрации. Наряду с перечисленными абиотическими факторами, повышение численности азотфиксирующих регулироваться содержанием микроорганизмов нитратного азота. в почве может Большую численность азотобактера в полугидроморфной перегнойно-карбонатной почве жаркой осенью 1998 г. мы связываем с накоплением в ней значительных количеств нитратного азота (588 мг/м2) и переувлажненим (табл.3-4). Суммируя полученные результаты по исследованию основных типов почв Южной Якутии, следует отметить, что диапазон проявления микробиологической активности в почвах Южной Якутии очень узок. По распределению микроорганизмов эти почвы делятся на четкие группы: от средней обогащенности до очень бедных и практически не содержащих микроорганизмов. Наибольшая общая численность бактерий (107) отмечена в гумусо-аккумулятивных горизонтах дерново-карбонатной почвы и в обоих горизонтах подбура. С увеличением глубины относительный рост содержания бактерий отмечен в подбуре и подзолистых почвах. Почвы Южной Якутии – это относительно богатые целлюлозолитическими и азотфиксирующими микроорганизмами почвы. В целом же микрофлора почв данного региона складывается в напряженной биоклиматической обстановке. Краткость вегетационного периода, малая глубина прогревания почв в связи с наличием многолетней или длительносезонной мерзлоты, изменчивый водный режим обуславливают высокую вариабельность микрофлоры. численности и специфический состав их 72 Глава V. Структура и функциональная характеристика микробиоценозов мерзлотных лесных почв Центральной Якутии 5.1. Численность и состав основных групп микроорганизмов Лесные криоаридные почвы Центральной Якутии формируются в условиях резко континентального климата и условно относятся к категории “мерзлотных сухих”. Эти почвы не имеют аналогов ни в Западной Сибири, ни на территории европейской части России. Необходимо также подчеркнуть, что до последнего времени микробиологические почвенные исследования, проведенные в криолитозоне Якутии, общая площадь территории которой превышает 3 млн.кв.км, носили фрагментарный характер. В этом плане выделяются исследования И.А. Мазилкина (1955-1956) по микробиологической характеристике дерново- и перегнойно-карбонатных почв (рендзин)* Олекминского района ЯАССР, выполненные ещё в начале 50х годов прошлого столетия на волне всплеска почвенных работ, проводимых в это время в Восточной Сибири и, в частности, в Якутии. Согласно данному автору вся совокупность материалов по микробиологическому анализу дерново- карбонатных почв свидетельствует о том, что в современных климатических условиях Якутии процесс разложения растительных остатков в почвах совершается замедленными темпами. При этом, значительная роль в разложении растительных остатков, особенно их лигно- целлюлозного комплекса, принадлежит многочисленным базидиальным и микроскопическим грибам. В этих почвах также слабо развиты целлюлозоразрушающие, нитрифицирующие бактерии и азотобактер. К сожалению, нужно констатировать, что после работ данного автора (Мазилкин, 1955-1956), * В скобках приведены современные названия типов почв по классификации почв Якутии (Еловская,1987) и России (Классификация почв России, 2000). 73 предметные почвенные микробиологические исследования на обширной и контрастной в ландшафтно –климатическом отношении территории Якутии до последнего времени (Напрасникова и др.,1988; Щелчкова и др.,1999; Иванова,1998) практически не проводились. В силу этого, по нашему мнению, особое значение имеет изучение микроорганизмов в лесных почвах Центральной Якутии. С 1999 г. по 2003 г. нами проведено сравнительное исследование микробных сообществ почв березового, лиственничного и соснового леса ИБПК стационара «Спасская падь» СО РАН. Стационар занимает небольшую площадь в составе среднетаежной подзоны таежно-мерзлотной области, в зоне сплошного распространения многолетней мерзлоты. Его природные условия подробно охарактеризованы в ряде сводок (Зольников,1954; Еловская,1987). Стационар расположен в 30 км севернее г. Якутска на участке площадью 440 га, на абсолютной высоте 220 м над уровнем моря. Приблизительный возраст лиственничного леса около180 лет, а таковой соснового леса оценен в 150 лет. Леса данного стационара в лесотипологическом отношении отражают основные черты, свойственные лесам Центральной Якутии, по основным признакам они признаны типичными для данного региона. Исследования проводились на трех площадках, расположенных в пределах трёх типов биогеоценозов (сосняк, березняк, листвяг), характеризующих наиболее распространенные типы почв и среднетаежной растительности Средней геоморфологическом Лены отношении в пределах почвы Центральной стационара Якутии. «Спасская В падь» приурочены к средним уровням террас древней аллювиальной равнины левобережья р. Лены. Террасы сложены супесчано-галечниковым и суглинистым аллювием, на котором и формируются исследуемые нами почвы. При этом под сосняком развита мерзлотно-таежная (палево-бурая) оподзоленная, под листвягом – палевая осолоделая почва, а под березняком – их трансформированные пирогенные аналоги. В данном случае исследуемый березняк вероятнее всего следует рассматривать как пирогенную сукцессию 74 выстановления коренного лиственничного леса. Свойства исследуемых почв нами специально не изучались, однако почвенный покров (ПП) и свойства зональных почв Центральной Якутии достаточно хорошо изучены (Зольников,1954; Еловская,1987). Согласно этим представлениям палевые осолоделые почвы являются зональным типом почв среднетаежной подзоны криоаридной территории Центральной Якутии. Данные почвы характеризуются, как правило, суглинистым гранулометрическим составом, нейтрально-слабощелочными условиями среды, насыщенностью почвеннопоглощающего комплекса (ППК) обменными катионами, достаточными запасами почвенного органического вещества (ОВ) и продуктивной влаги в почвенном профиле. Почвы березняка по сравнению с почвами листвяга, вероятно содержат меньше ОВ, вследствие его частичной минерализации во время низового лесного пожара, имевшего здесь место ранее. Мерзлотнотаежные оподзоленные почвы сосняка характеризуются облегченным – супесчаным гранулометрическим составом и вследствие этого, меньшим запасом продуктивной влаги, то есть. большей “cухостью,” а также повышенной актуальной и обменной кислотностью, вследствие развития в них процесса оподзоливания, который вероятно также обуславливает одновременно и низкое содержание в них минеральных питательных веществ. В современный период, ландшафт стационара – представляет собой холмистую равнину с относительным превышением холмов около 100 м. Режим климата – резко континентальный. Годовой ход температуры воздуха имеет большие амплитуды по сезонам. Продолжительность безморозного периода – с 1 декады июня до 1 декады сентября, когда среднесуточная температура воздуха вновь падает ниже 00С. Предел колебания июльских температур в 1999 г: 20 - 300С, в 2000 г.: 16-20°С, в 2001 г.: 23-330С. В районе Якутска в 1999 и 2000 гг. максимальное количество жидких атмосферных осадков пришлось на июнь (табл. 1). Лето 1999 г. оказалось дождливым и холодным, анализ гидротермических параметров показал, что температура 75 воздуха была в пределах среднегодовых, но примерно на 30С ниже, чем в более жарком 1998 г. (табл.8). Таблица 8 Температура воздуха в июне-августе 1998-2001 гг.,(0С) Якутск 1998 1999 2000 2001 Среднемноголетняя за период 1936-1996 Июнь 20.2 16.8 19.0 15.8 15.4 Июль 21.96 20.0 14.8 22.16 18.8 Август 18.28 13.2 5.4 14.74 15.1 Средняя 20.14 16.7 13.7 17.6 16.4 Таблица 9 Количество осадков в июне-августе 1998-2000 гг, (мм) Якутск 1998 1999 2000 Среднемноголетняя за период 1936-1996 Июнь 16.4 65.6 39.0 32.4 Июль 18.6 58.6 28.0 40.0 Август 10.7 65.0 17.0 23.8 Сумма 45.7 189.2 84.0 96.2 В 1999 г. количество осадков превысило в 2 раза среднемноголетнюю норму за 60-летний период наблюдений (табл. 9, рис.9). 1999 2000 70 Cумма осадков, мм 60 50 40 30 20 10 0 1 2 3 4 5 6 7 М есяц ы 8 9 10 11 12 Рис.9. Динамика среднемесячных осадков за 1999-2000 гг., г. Якутск 76 Жизнеспособные микроорганизмы в достоверном количестве были обнаружены в 1999 г., во всех исследованных почвенных образцах разных почвенных типов и генетических горизонтов. Количество микроорганизмов, населяющих лесные почвы стационара, по данным посева на плотные питательные среды, колебалось от 2х103 до 85х108 кл/г почвы (табл.10-12) Столь высокая численность выдерживалась не во всех исследованных почвах и в разные сроки. Наибольшая общая численность бактерий от 2 млрд. до 8,5 млрд. КОЕ/г отмечена на средах МПА и Эшби в палевых осолоделых почвах лиственничного и березового лесов. Колебания численности микроорганизмов в этих почвах составили от 105 до 109 КОЕ/г. В палево-бурой оподзоленной почве соснового леса обнаружено меньшее содержание микроорганизмов, в среднем на 2 порядка (103 –107) КОЕ/г (табл.10-12) . Известно, что степень обогащенности почвы микробами зависит от её химического состава, климатических условий и других факторов. Содержание микроорганизмов наименьшее в подзолистых почвах, постепенно повышается к почвам тундры, а самой богатой почвой является чернозем. При этом количество микробов в 1 г почвы достигает колоссальных величин от 200 млн. бактерий в глинистой почве до 15 млрд. в перегнойно-глеевой (Звягинцев, 1987). В этом плане также были, оценены запасы сухой микробной биомассы в пяти биогеоценозах Окского заповедника, расположенного в подзоне европейской тайги (Павлова и др., 2000). Наибольшая численность бактерий зарегистрирована осенью 1992 г. в верхнем слое подстилки пойменной дубравы - 28х109 кл/г почвы. В остальных типах леса (сосняки и ельник) максимальное количество бактерий наблюдается в нижележащих горизонтах подстилки и составляет 3 - 15х109 кл/г. Другие авторы (Головченко, Полянская, 1996) также изучили сезонную динамику численности и биомассы микроорганизмов (бактерий, актиномицетного мицелия, мицелия и спор грибов) в почвах спелых еловых экосистем Южной тайги. Численность одноклеточных прокариотных 77 микроорганизмов спелых еловых экосистем на территории Центрального лесного государственного биосферного заповедника (Тверская область, Нелидовский район) по данным авторов максимальна в подстилках. Она колеблется в пределах от 11 до 50 млрд.кл/г (5х1010) в подстилке буроподзолистой почвы и от 2 до 41 млрд.кл/г – в подстилке бурозема. На границе подстилка – почвенные горизонты зарегистрировано резкое уменьшение численности бактерий во все сезоны. В минеральных горизонтах исследуемых почв содержание прокариотных клеток плавно убывает по профилю. Численность бактерий в них определяется цифрами одного порядка и составляет миллиарды клеток на грамм. Таблица 10 Содержание микроорганизмов в почве березового леса из Спасской пади КОЕ /г АСВ Дата 01.07.99 12.07.99 26.07.99 12.08.99 02.09.99 12.09.99 Глубина , см 10 40 70 100 10 40 70 100 10 40 70 100 10 40 70 100 10 40 70 100 10 40 70 100 МПА --* 6х107 20х108 5х105 10х108 2х108 2х108 2х107 10х107 40х107 20х108 -50х107 10х107 48х108 39х108 33х107 14х108 5х108 20х107 13х108 17х107 61х107 27х108 Бактерии КАА 40х108 5х107 2х108 10х108 4х108 20х108 --6х108 ---3х108 1х107 83 х107 35х108 -27х107 13х108 57х106 59х108 10х108 -24х106 Эшби 30х108 2х108 70х 108 3х 105 2х107 2х107 2х108 -20х108 3х107 20х107 -30х108 1х107 18х107 47х108 11х108 23х108 78х107 18х108 34х108 19х108 3х108 69х106 Грибы Чапек ---2х106 -- 3х105 ---300х108 ---2х106 ---- 16х108 ---- --- -- * - Прочерк означает отсутствие микроорганизмов 78 Таблица 11 Содержание микроорганизмов в почве лиственничного леса из Спасской пади КОЕ / г АСВ Дата Горизонт, см 01.07.99 20.07.99 28.07.99 14.08.99 14.09.99 10 40 70 100 10 40 70 100 10 40 70 100 10 40 70 100 10 40 70 100 По данным Д.Г. бактерий прямыми Бактерии МПА КАА Грибы Чапек Эшби 10х107 47х104 45х106 10х108 4х107 3х108 0 32х108 1,93х108 -8 5 60х10 15х10 -6 6 27х10 15,1х10 1,4х107 -16х108 -5 5 4х10 4х10 2х105 2х108 1х108 -5 2х10 0 5х107 Содержание не определялось 85х108 30х108 2х108 1х107 3х107 20х108 20х108 2х108 7 8 10х10 -30х10 -50х107 10х108 60х108 -8 8 7 35х10 45х10 49х10 -8 8 8 -20х10 57х10 10х10 34х108 39х108 6х107 -Содержание не определялось 60х108 10х107 10х107 -8 8 8 30х10 40х10 50х10 -6 8 7 5х10 4х10 5х10 -Содержание не определялось Звягинцева (1992), при определении численности микроскопическими методами в пробах особенно обогащенной микробами почвы тундры обнаруживается 109-10кл/г, т.е. столько же или даже больше, чем в черноземе. В наших исследованиях 1999 г., количество микроорганизмов в лесных почвах Центральной Якутии, оказалось меньше на порядок 3-8,5 млрд.кл/г, чем в почвах европейской и южной тайги 28-50 млрд.кл/г. В почве решающее влияние на количество микроорганизмов могут оказать одновременно и температура и влажность, поскольку в условиях криолитозоны в течение вегетационного периода они сильно варьируют. При повышенной температуре количество микроорганизмов в почве лимитирует их 79 влажность. С другой стороны, при температуре около 100С и ниже, как правило, погода была дождливой. В этот период влажность, почвы не Таблица 12 Содержание микроорганизмов в почве соснового леса из Спасской пади КОЕ / г АСВ Дата 01.07.99 18.07.99 22.07.99 30.07.99 17.08.99 28.08.99 29.08.99 16.09.99 Горизонт, см 10 40 70 100 10 40 70 100 10 40 70 100 10 40 70 100 10 40 70 100 10 40 70 10 40 70 100 10 40 70 100 Бактерии МПА 2х103 -2х105 2х105 2х106 1х106 4х107 3х106 30х107 30х107 60х107 60х107 --2х107 2х106 1х105 2х104 2х104 2х104 3х105 3х104 4х104 2х105 2х103 4х106 3х103 6х105 6х104 2х105 -- КАА 1,6х103 3,4х104 2х106 4х106 5х104 1х104 -6х106 3х106 1х107 -4х107 -4х104 -4х106 6х104 2х104 1х105 2х105 6х105 4х104 2х105 5х105 3х104 2х104 2х102 9х104 2х102 5х102 2х106 Грибы Эшби 6,3х103 2,2х104 -3х106 1х105 3х104 5х104 1х107 60х107 4х107 9х107 30х107 -3х106 3х105 -1х105 2х104 4х105 5х104 5х105 3х104 2х105 5х105 3х104 3х105 7х104 2х105 2х104 1х103 1х105 Чапек -2х102 --1х106 2х104 --1х106 ---2х105 3х104 ---2х104 ---------2х104 2х103 --- являлась лимитирующим фактором для количества микроорганизмов, и она определялась лишь пониженной температурой. Определение влажности в 96 почвенных образцах, отобранных из брусничного листвяга (Laricetum vacciniosum), толокнянкового сосняка 80 (Pinetum arctostaphylosum) и разнотравного березняка (Beluletum mixtoherbosum) стационара «Спасская падь» в июле, августе и сентябре 1999 г., показало, что рассматриваемые нами почвы характеризуются различным гидротермическим режимом (табл.13). Таблица 13 Влажность почвенных образцов из Спасской пади, 1999 г ( %) Сосняк 01.07 18.07 22.07 30.07 17.08 29.08 16.09 10 3,9 0,5 2,8 0,9 0,4 3,9 0,8 40 2,1 0,8 0,7 0,9 2,8 6,1 0,8 70 0,3 0,9 0,4 0,6 1,1 0,8 0,8 100 0,3 0,7 0,5 0,6 0,6 0,8 0,6 Березняк 01.07.99 12.07.99 26.07.99 12.08.99 02.09.99 12.09.99 10 17,8 27,5 11,4 19,6 31,6 13,4 40 2,4 9,9 1,3 5,3 9,3 0,9 70 10,8 20,4 3,6 10,4 3,9 2,1 100 12,9 19,4 3,9 6,6 8,5 1,7 Лиственничник 01.07.99 20.07.99 28.07.99 14.08.99 28.08.99 14.09.99 _ 10 6,9 14,9 1,9 10,5 5,6 1,3 40 5,3 4,5 0,9 10,6 0,5 0,7 70 0,9 16,1 1,2 5,5 5,6 3,8 100 9,4 _ * 1,2 _ * _ * _ * * - при отборе почву не смогли достать из лунки, из-за высокой влажности. Наиболее влажной была переходная постпирогенная палевая осолоделая почва березового леса. Поверхностная температура в ней колебалась от 6,3 (в сентябре) до 15,30С – (в июле) (табл.14).Влажность почвенных образцов в 10 см слое в сентябре была 31,6% (табл.13).Положительная температура и повышенная влажность в июле и сентябре способствовали бурному росту 81 микроорганизмов в этой почве, их количество достигло значительных величин 2 – 7 млрд.кл/г (табл.10). Таблица 14 Поверхностная температура лесных почв Спасской пади (в слое 0-5 см), в 1999 г., 0С Дата 28.06 10.07 15.07 26.07 11.08 15.08 02.09 14.09 Березняк 9.6 13.6 13.9 15.3 11.7 7.45 10.9 6.3 Листвяг 8.5 9.8 10 7.4 6.2 8.2 7.8 3.4 Сосняк 11.9 15.8 17.2 11.3 7.5 10.5 3.9 На втором месте по степени увлажненности оказалась палевая осолоделая почва лиственничного леса с брусничным покровом. Влажность почвенных образцов достигла здесь максимума (16,1%) к 20 июля на глубине 70 см и была выше влажности верхнего 10 см слоя (14,9%). Гидрологический режим этой почвы более стабилен и уровень влажности в ней обычно колеблется между полной и наименьшей влагоемкостью. Из-за большой влажности на глубине около 100 см, в срок с 20 июля по 14 сентября, при отборе почвенных образцов, с этой глубины, почву не смогли достать из лунки. Поэтому эта почва, сохраняла высокую влажность на глубине 100 см и была наиболее холодной в надмерзлотном горизонте. Поверхностная температура почвы листвяга колебалась в пределах от 1,9 до 100С (табл.15). Таблица 15 Температура почвы лиственничного леса Спасской пади в 1999 г., 0С Глубина, см 28.06 20.07 26.07 29.07 15.08 25.08 30.08 12.09 15.09 5 8.5 9.8 10 7.4 6.2 8.2 7.8 3.4 1.9 10 12.9 20.3 11 10.3 12.3 12.6 12.6 8.8 4.8 40 6 10.6 7.8 6.6 7.2 7.2 7.2 5 3.5 80 1.2 4.2 4.2 4.2 3.9 3.9 4.1 3.4 3 Положительная температура в данной почве сохранялась за весь период наблюдений на глубине 80 см вплоть до сентября, а самые высокие температуры отмечались на глубине 10 см (табл.15) На этой же глубине в 82 гумусовом горизонте в палевой осолоделой почве листвяга 28 июля зафиксировали 8,5 млрд.кл/г гетеротрофных бактерий. Наименьшей полевой влажностью в пределах от 0,3 до 6,1% характеризовалась палево-бурая оподзоленная почва соснового леса. Слабая водоудерживающая способность песчаной почвы соснового леса, обусловленная легким гранулометрическим составом, способствовала быстрой фильтрации осадков в период дождей и значительному снижению её влажности в сухие периоды. Это обусловило и меньшую относительную обогащенность микроорганизмами данной почвы (102-107) (табл.12) Уменьшение сомкнутости крон повышает приток солнечной радиации на поверхности почв и обеспечивает значительное прогревание маломощного почвенного профиля. В жаркие периоды верхний 10-сантиметровый слой этих почв может иссушаться, в то время как в наиболее глубоких слоях влажность сохраняется на уровне, достаточном для активного протекания биологических процессов. Поверхностная температура сосновых почв в середине июле достигла максимума - 17,20С, тогда же наблюдали наибольшую микроорганизмов (гетеротрофных, олигонитрофильных, численность актиномицетных бактерий и грибов) их численность достигала 300-600 млн.кл/г (табл.12,14). Численность микрофлоры довольно сильно меняется не только в течение года, но и на протяжении значительно меньших отрезков времени. Это является следствием динамики температуры и влажности почвы, состояния растительного покрова и других причин. В наших экспериментах количество микроорганизмов и влажность находились в прямо пропорциональной зависимости. Чем выше была влажность в почвах березового и лиственничного леса, тем больше микроорганизмов в них было обнаружено. Меньшая влажность палево-бурой оподзоленной, супесчаной почвы соснового леса обусловила и меньшее содержание микроорганизмов в ней. С нашими данными по содержанию микроорганизмов хорошо согласуются результаты по определению углерода и азота в этих же почвах (Dolman et.al,2004) (табл.16). 83 По данным Dolman, наибольшее содержание органического С 17,45 кг/кв. м наблюдается в почвах лиственничного леса, наименьшее - 7,03 кг/кв. м в почвах соснового леса. Таблица 16 Содержание углерода и азота в лесных почвах Спасская падь в 1993 г. (Dolman et.al,2004.) Тип леса Глубина Листвяг 120 Сосняк 180 Березняк 150 Содержание в составе компонент активного слоя, кг/кв. м Углерода Азота 1* 2,24 0,07 2 17,45 1,96 3 0,17 1 1,43 0,03 2 7,03 0,90 3 0 1 0,75 0,03 2 9,78 1,17 3 2.27 - *- Примечание: 1- горизонт А0; 2- органические вещества; 3- карбонаты. По физиологическому составу в северных почвах в основном определяются неспорообразующие бактерии, актиномицеты, коринебактерии. Неспорообразующие бактерии являются пионерами освоения органических остатков, попадающих в почву (Наплекова. Булавко, 1985). В наших экспериментах основную массу неспорообразующие гетеротрофные актиномицеты, меньшем в бактерий и составляли олигонитрофильные количестве – также бактерии, целлюлозолитические, азотфиксирующие и мицелиальные грибы. Известно, что азотный баланс верхних слоев почвенного профиля в воркутинской, кольской и таймырской тундрах поддерживают олиготрофные олигонитрофильные микроорганизмы, способные довольствоваться ничтожным содержанием в среде элементов питания (Паринкина,1989). Эти бактерии на южном Таймыре составляли более половины общего микроорганизмов, определяемых в большинстве исследуемых почв. количества 84 В наших исследованиях основную массу бактерий также составляли олигонитрофильные микроорганизмы, бактерии. К олигонитрофилам относятся которые развиваются в условиях недостатка азота: азотфиксирующие, нитрифицирующие, тионовые, некоторые железобактерии и ряд других. Они проявили сходную динамику в распределении по месяцам, характерную для основной массы бактерий почв березового, лиственничного и соснового леса Спасской пади (табл.10-12). В 2000 г. местообитаниями с максимальной концентрацией микроорганизмов также были почвы лиственничника и березняка. Самая высокая численность бактерий зарегистрирована в минеральном горизонте (на глубине 60 см) лиственничного леса − 5,3х107. В сосняке обнаружено меньшее содержание микроорганизмов, в среднем на 2 порядка величин меньше (105) кл/г АСВ. Летом и осенью 2001 г., в исследованных почвах были выявлены микроорганизмы с пределами численности 103-106 КОЕ/г почвы. В 2001 г. также большая численность микроорганизмов наблюдается в почвах лиственничного и березового леса. Наибольшая численность бактерий зарегистрирована в минеральном горизонте (на глубине 60 см) лиственничного леса − 6х106. В сосняке обнаружено меньше на порядок содержание микроорганизмов (102 –105) кл/г. В лесных почвах Спасской пади в 2001 г. преобладали гетеротрофные бактерии, актиномицеты и олигонитрофилы. Что касается мицелиальных грибов, то в 1999 году они почти полностью отсутствовали, тогда, как в 2000 году их максимум достигал 2,4х108 в верхних горизонтах палевой почвы березняка. В июле и в сентябре 2001 г. в почве лиственничника максимальное содержание грибов равное 13 млн.КОЕ/г. наблюдали Численность эукариотических микроорганизмов в почве березового леса была на 1 порядок меньше и имела два пика (на глубине 60 см): в июне 5,8 млн. КОЕ/г, в сентябре 85 – 5,1 млн. КОЕ/г. В верхнем 15 см слое почвы их количество составило в июне – 4,9 млн, в сентябре – 4,7 млн. КОЕ/г. В 2002 г численность гетеротрофных бактерий в лесных почвах Якутии была на 1-2 порядка выше (107 -108), чем в 2000 и 2001 гг. В этом году наибольшее количество микроорганизмов, как эукариот, так и прокариот выявлено в почве лиственничного леса, там же находилось максимальное количество гетеротрофных бактерий (18,9х108). Второе место по численности гетеротрофных и олигонитрофильных бактерий занимает почва березняка. В березняке же обнаружено самое большое количество эукариотических мицелиальных грибов (8,7х108). Гетеротрофные и олигонитрофильные микроорганизмы в почве березняка присутствовали в заметных количествах в верхних слоях почвы. Почва соснового леса была наиболее бедной по численности микроорганизмов, как в верхних, так и в нижних горизонтах (табл.17). Таблица 17 Численность прокариотных и эукариотных микроорганизмов в лесных почвах стационара «Спасская падь» в 2002 г (КОЕ/г почвы) Прокариоты Эукариоты Гетеротрофные Олиготрофы Актиномицеты Грибы Фитоценоз бактерии (Эшби) ( КАА) (Чапека) (МПА) 15 см 90 см 15 см 90 см 15 см 90 см 15 см 90 см 12х107 18,9х108 89х106 65х106 4х107 13х107 4,5х108 3,41х107 Лиственничник 15.07 31.08 15.07 31.08 20.08 31.08 15.07 31.08 10,8х107 51х106 13х107 8х106 3х106 1,5х107 8.7х108 9х106 Березняк 15.07 15.07 15.07 30.07 15.07 30.07 15.07 15.07 Сосняк 31х106 15.07 5,2х108 15.07 16х106 30.07 6х105 30.07 1х106 15.07 2х105 30.07 91х106 15.07 10х106 31.08 В сильно увлажненном 2003 г численность гетеротрофных бактерий в лесных почвах Якутии была на порядок меньше (106- 107), чем в 2002 г. В 2003 г, в почве скопилось много воды, что наряду с низкими почвенными температурами отрицательно сказалось на размножении бактерий и грибов. Особенно заметное снижение микробного пула произошло в подстилках, до 103 -105 КОЕ/г, что вероятно, связано и с вымыванием из них клеток. Самая 86 высокая численность бактерий (77,4 млн. клеток/г) была зарегистрирована 10 августа 2003 г в березовом лесу на глубине 15 см. При этом общая численность всех исследованных бактерий в 2003 г. колебалась в лесных почвах Якутии от 700 тыс до 82 млн. клеток/г. Таким образом, в дождливом и холодном 1999 г., количество микроорганизмов в палево-бурой почве сосняка составляло от 200 до 600 млн.кл/г и было меньше на 2 порядка их количества (50 млрд.кл/г) в почвах зрелой южной тайги Европейской территории России. Тогда как в палевых осолоделых почвах березняка и лиственничника Центральной Якутии микроорганизмов было меньше только на 1 порядок (8,5х 109), чем в почвах европейской и южной тайги (50х109). По микроорганизмов, исследованные почвы запасам численности в порядке возрастания образуют ряд: сосняк < березняк < лиственничный лес. 5.2. Межгодовая динамика микробиологической активности мерзлотных лесных почв в зависимости от почвенно-экологических факторов. Изучение межгодовой динамики микроорганизмов в почвах позволяет интерпретировать данные по содержанию численности микроорганизмов в различных генетических горизонтах в зависимости от климатических особенностей года и сезона, а также способствует выявлению ведущих экологических факторов, влияющих на структуру микробных сообществ этих почв. Чтобы оценить влияние различных факторов на изменчивость показателей численности основных компонентов микробной биомассы, был проведен факторный анализ. Рассматривали влияние следующих факторов: тип леса (лиственничный, березовый, сосновый); тип субстрата (подстилка, гумусовые и минеральные горизонты); год исследования (1999, 2000, 2001, 2002, 2003); сезон (лето, осень); тип почвы (мерзлотные палевые осолоделые почвы лиственничного березового леса; леса; палево-бурые мерзлотные палевые оподзоленные переходные почвы соснового почвы леса). 87 Поскольку исследуемые почвы расположены в среднетаежной подзоне мерзлотно-таежной недостаточным области увлажнением, Центральной актуальность Якутии, характеризующейся исследования микробных комплексов в разные годы, с отличающимися погодными гидротермическими условиями, несомненна. Фактические данные по количеству атмосферных осадков за июнь-август 1998-2003 гг. в лиственничном лесу приведены на рис.10 Исследованные годы сильно отличались по гидротермическому режиму (июнь-август). По количеству атмосферных осадков вегетационные периоды растений разделены на засушливые -2000 и 2002 гг. (близкие к средним многолетним данным с допуском ±20%), крайне засушливые – 1998 и 2001 гг. (в 2.5 раза ниже средних многолетних) и увлаженные годы -1999 и 2003 гг. (в 2 раза выше средних многолетних). Среднее многолетнее количество атмосферных осадков за 19362003 гг. в районе исследований составляет 205 мм в год при средне годовой температуре воздуха равной – 110С (1829-2003 гг.) (Максимов и др.,2005). Таким образом, 1998 г был самым жарким и засушливым, а 1999 г холодным и увлаженным. Самым холодным, но и засушливым - 2000 г. Летний сезон 2001 г оказался жарким и крайне засушливым, осадков выпало в 5 раз меньше, чем в дождливый 2003 г. 2002 г. - наиболее жаркий из всех изученных годов и засушливый. Лето 2003 г напротив оказалось максимально дождливым и теплым. Анализ гидротермического режима 2003 г показал, что температура воздуха была выше среднегодовой, а количество осадков превысило в 2 раза средне – многолетнюю норму за 60-летний период наблюдений (рис.10). Сравнение микробной численности лесных почв Центральной Якутии проводили по степени обогащенности почв микроорганизмами по таблице Звягинцева, учитывая условный критерий (Звягинцев. 1987). По этому критерию лесные почвы Центральной Якутии различающимися в разные годы наблюдений (табл.18) оказались существенно 88 300 Осадки, мм 20 Tем-ра, єC 200 18 150 17 100 2003 увлажненный 2002 засушливый 15 2001 крайне засушливый 0 2000 засушливый 16 1999 увлажненный 50 Т, °С 19 1998 крайне засушливый Осадки, мм 250 Рис10. Сумма атмосферных осадков и температура воздуха за теплые периоды в районе Спасской пади Центральной Якутии (Максимов и др.,2005) Очень богатыми по содержанию микроорганизмов оказались почвы лиственничника и березняка в более холодном и дождливом 1999 г. В сухом и холодном 2000 г. очень бедной на микроорганизмы оказалась почва соснового леса в обоих горизонтах, а очень богатой почва лиственничного леса, причем в минеральных почвенных горизонтах. Гумусированные горизонты всех исследованных почв в это время были крайне бедны микроорганизмами, а их минеральные аналоги в порядке возрастания составили ряд: сосняк < березняк < лиственничный лес. В жарком и крайне засушливом 2001 г. лесные почвы были крайне бедны по содержанию микробов как по горизонтам почвы в пределах одного типа леса, так и на межтиповом уровне. В наиболее жарком и сухом 2002 г. лесные почвы были очень богаты и не отличались по содержанию микробов как на надтиповом уровне, так и в пределах генетических горизонтов почв. Стоит отметить, что минеральные горизонты всех исследованных почв в это время 89 Таблица 18 Степень обогащенности микроорганизмами лесных почв Центральной Якутии (по численности гетеротрофных микроорганизмов на МПА) Год Тип леса Численность (КОЕ/г, 10 см) Сосняк 1999 Березняк Увлж., Листвен холодный ничник Сосняк 2000 Засуш., Березняк оч.холод- Листвен ный ничник Сосняк 2001 Крайне Березняк засуш., Листвен жаркий ничник Сосняк 2002 Засуш., Березняк очень Листвен жаркий ничник Сосняк 2003 Макс. Березняк увлаж., Листвен теплый ничник Степень Численность Степень обогащенности (КОЕ/г, 40 см) обогащенности 6,0х106 66,2х107 Средняя Очень богатая 6,0х105 12,2х108 Очень бедная Очень богатая 25,1х108 Очень богатая 24,0х108 Очень богатая 4,2х105 3,9х106 Очень едная Бедная 3,5х105 4,8х106 2,6х106 Бедная 5,3х107 Очень богатая 3,2х105 1,7х106 2,7х106 Очень бедная Бедная 2,5х104 7,0х105 3,5х105 Очень бедная Средняя 31х107 10,8х107 Очень богатая Очень богатая 5,2х108 51х107 Очень богатая Очень богатая 12,2х108 Очень богатая 18,9х108 Очень богатая 5,7х106 8,2х106 Богатая Очень богатая 7,6х106 2,3х107 Богатая Очень богатая 5,2х107 Очень богатая 3,1х107 Очень богатая Бедная Очень бедная Средняя Бедная были наиболее насыщенны микроорганизмами (18,9х108). В дождливом и теплом 2003 г. лесные почвы были богаты и очень богаты микроорганизмами, как и в 1999 г. (табл.18). Таким образом, из гидротермических условий на численность микроорганизмов в мерзлотных лесных почвах Центральной Якутии наиболее сильное влияние оказывала влажность. Так в увлаженные годы, один из которых был холодным (1999), а другой теплым (2003) по численности микроорганизмов исследованные почвы были богатыми или очень богатыми. С другой стороны, крайне засушливый (2001) год был самым бедным по содержанию микроорганизмов в почвах. Из трех засушливых годов: 2000, 2001 и 2002 выделяется 2002 г. Первый был самым холодным, второй – крайне сухим, а третий – несмотря на то, что был самым жарким, количество осадков в 90 нем все же превысило 2001 г. Поэтому почвы в этом году были очень богаты микробиотой, как и в дождливые годы. Вероятно, высокая температура способствовала бурному размножению микроорганизмов, причем в нижних минеральных горизонтах, в которых из-за оттайки мерзлоты в жаркие месяцы, содержалось больше влаги, чем в верхних горизонтах почвы, что способствовало созданию здесь экологического оптимума. 5.3. Сезонная динамика микробиологической активности мерзлотных лесных почв в зависимости от почвенно-экологических факторов Изучение сезонной динамики выявило тенденцию к накоплению микроорганизмов в нижних горизонтах и повышению их количества к осени в почвах лиственничного и березового леса в 1999 г., в сосняке же численность В 1999 г. в лиственничном и микроорганизмов к осени уменьшилась. березовом лесах численность почвенных бактерий была наибольшей. В лиственничном лесу в органогенных горизонтах палевой почвы их численность достигла 8,5 млрд.кл/г, а в березовом лесу в минеральных горизонтах палевой переходной почвы - 7 млрд.кл/г. (табл.10-11, рис.11) Динамика размножения бактерий в верхних гумусированных горизонтах этих почв имела 2 пика: первый пик - в июле, второй - в сентябре (рис.11). В нижних минеральных горизонтах (на глубине 70 см) по содержанию гетеротрофных бактерий доминировала почва березового леса, также с 2 максимумами, в июне и августе, а в сентябре в ней наблюдали небольшой третий пик повышения численности. В оподзоленной песчаной почве сосняка, как в верхних, так и нижних горизонтах в размножении бактерий наблюдали только один пик в июле. В сосновом лесу численность почвенных бактерий в 1999 г. резко упала к осени (табл.12, рис.11). Большое содержание бактерий в палевой осолоделой лиственничного леса с брусничным напочвенным покровом наблюдали в почве 91 9000 Листвяг Количество бактерий, млн.кл/г 8000 7000 Березняк 6000 5000 4000 Сосняк 1июля 12 июля 12 августа 2 сентября 14 сентября Сосняк Березняк Листвяг 2000 1000 0 26 июля 3000 Листвяг 5000 4500 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 Березняк 1 июля 12 июля 26 июля 12 августа 2 сентября 14 сентября Сосняк Березняк Сосняк Листвяг Количество бактерий, млн.кл/г А Б Рис.11. Динамика гетеротрофных бактерий (МПА) в мерзлотных лесных почвах стационара «Спасская падь» Центральной Якутии в 1999 г, на глубине 10 (А) и 70 см (Б) верхних горизонтах (на глубине 10 и 40 см). Влажность почвенных образцов нижних горизонтов, даже после их хранения, оставалась большой. В почве 92 лиственничного леса в момент отбора она была настолько велика, что не позволила отобрать пробы с глубины 1 м. Высокую численность бактерий10х108 наблюдали 1 июля, на глубине 1 м и 26 июля она оставалась столь же высокой 5х108. В другие сроки наблюдений пробы с этой глубины отобрать не удалось (табл.11, рис.11). Интересно отметить, что многие авторы отмечают увеличение численности бактерий в почве на границе многолетней мерзлоты. Некоторые авторы объясняют это явлением вымывания сюда клеток из вышележащих почвенных горизонтов, другие считают, что бактерии развиваются именно здесь, в основном это коринебактерии (Звягинцев, 1992). Динамика олигонитрофильных бактерий в березовом лесу, определенная при посеве на среде Эшби, имела три пика 1 июля 7 млрд. кл/г, 12 августа 4,7 млрд. и 2 сентября 1,8 млрд.кл/г в нижних (на глубине 70 и 100 см) горизонтах (табл.10). Большое содержание бактерий в трансформированной постпирогенной палевой почве березового леса, связано как с большим содержанием органики, так и с высокой влажностью этой почвы. Наиболее интересным в этой почве являлось большое содержание микроорганизмов на глубине 70 см и пик микробного пула (27х108) на глубине 100 см, наблюдавшийся 12 сентября (табл.10). Известно, что почвы Севера, особенно их нижние надмерзлотные горизонты, переувлажнены, и окислительные процессы здесь лимитируют не столько низкие температуры, сколько отсутствие кислорода, поэтому предполагается, что СО2 в северных почвах продуцируют в большей степени анаэробы (Заварзин, Кларк, 1987). Но под травянистыми сообществами в нижних горизонтах, по наблюдениям С.А. Зимова с др.(1991) , за сутки в октябре-ноябре окисляется в среднем 3-5 г С/м2. Это сравнимо с величинами, характерными для хорошо аэрируемых почв умеренной зоны в летнее время. Такие потоки могут обеспечить лишь аэробные организмы. Есть данные, которые свидетельствуют, что активность нижних горизонтов северных почв действительно связана с деятельностью аэробов (Паринкина, 1971).Так, 93 детальное изучение вертикального распределения почвенных беспозвоночных, проведенное в тундрах Таймыра, показало, что максимум их численности приурочен к самым верхним, хорошо аэрируемым почвенным горизонтам, с глубиной же она резко падает – вплоть до их полного отсутствия. Однако в глубине деятельного слоя численность организмов вновь возрастает, причем на участках с травянистой высокопродуктивной растительностью загадочный нижний максимум численности всех видов беспозвоночных может быть больше верхнего (Чернов, 1987). В этом же районе аналогичное распределение отмечено и для аэробных микроорганизмов (Паринкина, 1971). Максимум численности обнаруженных микроорганизмов на подошве деятельного слоя характерен и для мерзлотных почв Колымской тундры (Гиличинский и др., 1996). Высокая численность аэробных организмов в нижних почвенных горизонтах мерзлотных почв Севера предполагает формирование здесь специфического экологического оптимума. Сезонная динамика общей численности микроорганизмов на МПА в почве соснового леса в 1999 г. имела прямо противоположный характер, чем в березняке и лиственничном лесу. Она возрастала к середине июля во всех горизонтах, достигая максимума (6х107) 22 июля, затем резко снижалась (2х103-5) на 2-4 порядка, что связано с резким падением температуры почвы c 17.2 до 3.90С (см. табл.14) Таким образом, в августе и сентябре палево-бурая оподзоленная, песчаная почва соснового леса оказалась бедной или средне обогащенной микроорганизмами. Тем не менее, даже в этой почве наиболее богатыми по численности микроорганизмов оказались нижние горизонты (табл.12, рис.11 Б). В холодном и сухом 2000 г. количество микроорганизмов уменьшилось к осени во всех типах леса, что связано, по-видимому, с уменьшением общих запасов продуктивной влаги и температуры воздуха в течение вегетационного периода. В жарком и крайне засушливом 2001 г. численность микроорганизмов была на 3 порядка меньше (105 КОЕ/г), чем в предыдущие годы. Максимальное их содержание было в июне, снижение количества к сентябрю отмечено во 94 всех типах леса. При этом во всех исследуемых типах почв наблюдалось проникновение бактерий по профилю в более глубокие нижние горизонты, вплоть до границы многолетней мерзлоты. Исследование сезонной динамики в самом жарком и засушливом 2002 г., снова выявило тенденцию к накоплению микроорганизмов в нижних горизонтах и повышению их количества к осени в почвах лиственничного леса. В березняке и сосняке же численность почвенных микроорганизмов к осени уменьшилась. В 2002 г. в почве лиственничного леса численность бактерий была большой (18,9х108 КОЕ/г). Она имела два пика в середине июля и к концу августа в верхних горизонтах почвы (рис.12,13 А). Во всех исследуемых типах почв наблюдалось проникновение бактерий по профилю в более глубокие нижние горизонты, вплоть до границы многолетней мерзлоты. Интересно то, что в 2002 г максимальное количество всех исследованных прокариотных и эукариотных микроорганизмов наблюдали к концу августа в нижних горизонтах почвы (рис.12, 13 В). Вероятно, высокая температура жаркого летнего сезона способствовала прогреванию почвы и более глубокому оттаиванию многолетней мерзлоты, к осени, в силу чего в нижних горизонтах почвы было достаточное количество продуктивной влаги и питательных веществ, необходимых для размножения микроорганизмов, а верхние слои почвы были иссушены. По опубликованным данным, (Головченко, Полянская, 2000) численность одноклеточных прокариотных микроорганизмов максимальна во все сезоны в подстилках ельников южной тайги Европейской территории России (ЕТР). Она колеблется в пределах от 11 до 50 млрд. кл/г в подстилке буро-подзолистой почвы и от 2 до 41 млрд.кл/г – в подстилке бурозема. На границе подстилка – почвенные горизонты зарегистрировано резкое уменьшение численности бактерий во все сезоны: более резкое – для буро-подзолистой почвы (4-8 раз) и менее – в 2-4 раза для бурозема. В минеральных горизонтах исследуемых почв 95 II 1400 1600 1200 1400 1000 1200 млн/КОЕ/г. млн/КОЕ/г. I 800 600 400 Листвяг Березняк Сосняк 1000 800 600 400 200 200 0 0 15 июля 30июля 20 августа 31августа 15 июля 30июля 20 августа 31августа А 700 20000 18000 600 16000 500 млн/КОЕ/г млн/КОЕ/г 14000 12000 10000 8000 6000 400 300 200 4000 100 2000 0 0 15 июля 30июля 20 августа 31августа 15 июля 30июля 20 августа 31августа B Рис. 12. Динамика численности гетеротрофных (I) и олигонитрофильных бактерий (II), в лесных почвах стационара «Спасская падь» в 2002 г, на глубине 15 см (А) и 90 см (В). 96 III IV 45 50000 40 45000 Березняк 40000 35 Сосняк 35000 30 млн/КОЕ/г млн/КОЕ/г Листвяг 25 20 15 30000 25000 20000 15000 10 10000 5 5000 0 0 15 июля 30июля 20 августа 31августа 15 июля 30июля 20 августа 31августа 1400 4000 1200 3500 1000 3000 800 2500 млн/КОЕ/г. млн/КОЕ/г. A 600 400 2000 1500 1000 200 500 0 15 июля 30июля 20 августа 0 31августа 15 июля 30июля 20 августа 31августа B Рис. 13. Динамика численности актиномицет (III) и мицелиальных грибов (IV) в лесных почвах стационара «Спасская падь», в 2002 г. на глубине 15 см (А) и 90 см (В) 97 содержание прокариотных клеток плавно убывает по профилю. Численность бактерий в них определяется цифрами одного порядка и составляет миллиарды клеток на грамм. Влияние сезонных колебаний на плотность бактериальных популяций оказалась более существенной для подстилок исследуемых почв, чем для минеральных горизонтов. В подстилке буро-подзолистой почвы зарегистрировано нарастание бактериального титра в 1.5 –3 раза от весны к осени. Для подстилок буроземов максимальная концентрация бактериальных клеток была выявлена в летний период. Плотность актиномицетного мицелия по профилю буро-подзолистой почвы в весенний и летний периоды сохраняется практически на одном уровне, а к осени возрастает в подстилках в 4 - 7 раз, в минеральных горизонтах в 2-5 раз (Головченко, Полянская, 1996). В 1994 г. авторы проанализировали более глубокие слои исследуемых почв. Образцы отбирались до переходных к подстилающим породам горизонтов (мощность анализируемых профилей при этом стала достигать одного метра). Запасы микробной биомассы составили 30-40% от суммарной биомассы микроорганизмов. Следует отметить и специфическую структуру микробной биомассы в этих горизонтах – доля прокариотных микроорганизмов и спор грибов была выше по сравнению с другими горизонтами. Тенденция увеличения численности бактерий к нижним горизонтам почвенного профиля была зарегистрирована и методом посева ((Головченко, Полянская, 2000). В почвах Бурятии плотность бактерий сапротрофного комплекса практически во всех типах почв убывала вниз по профилю от 107 – 108 КОЕ/г в гумусированных горизонтах до 104 – 105 КОЕ/г в горизонтах В и С (Звягинцев и др., 1999). По нашим данным, одной из характерных особенностей мерзлотных почв Якутии является увеличение плотности бактерий вниз по профилю почв, в отличие от длительно- и сезонномерзлотных почв Бурятии и России, где накопление бактерий происходит в подстилках и верхних горизонтах почв. 98 Отмеченный выше характер распределения бактерий по профилю различных типов почв биогеоценозов Якутии, одинаков и не изменялся в зависимости от погодно- климатических условий года. Таким образом, сезонная динамика 2002 г. показала накопление микроорганизмов в нижних горизонтах и повышение их количества к осени в палевой осолоделой почве лиственничного леса Центральной Якутии. В почве березового и соснового леса наоборот, численность почвенных микроорганизмов к осени уменьшилась (рис. 12-13 В). В верхних почвенных горизонтах численность микроорганизмов имеет два пика в июле и в конце августа. В лиственничном лесу вспышка в размножении актиномицет и гетеротрофных микроорганизмов приходилась на 15 июля и 20 августа, далее наблюдался спад, что связано, по-видимому, с уменьшением общих запасов продуктивной влаги и температуры в течение вегетационного периода (рис.1213 А). В дождливом и тёплом 2003 г влажность лесных почв соответственно была в 2 раза выше, чем в жарком и засушливом 2002 г (рис.14-15). Максимальное значение полевой влажности почв в 2003 г составило 39,1% в начале лета в почве берёзового леса на глубине 30 см. (рис.15). Напротив, в 2002 г максимальная наблюдаемая влажность почвы составила всего лишь 19,4% в середине летнего сезона в почве лиственничного леса на глубине 15 см. (рис.14). В целом, на протяжении лета и осени 2003 г наиболее влажной, как и в 2002 г оказалась почва лиственничного леса. В отличие от 2002 г в почве данного типа леса в начале лета наиболее влажными были верхние горизонты, а к концу лета нижние минеральные горизонты. В почве сосняка в отличие от сухого 2002 г наиболее влажными были горизонты почвы на глубине 30 и 60 см, и наблюдался только один пик сезонного увлажнения 22 июня. К осени все сезонноталые горизонты палево-бурой почвы сосняка подошли с одинаковой влажностью приблизительно равной 15 %. Таким образом, по гидротермическим условиям 2 изученных года 2002 и 2003 отличались друг от друга по следующим параметрам. По максимальной 99 А 15 см 30 см 60 см 90см влажность почв, %в 25 20 15 10 5 0 15 июля 30 июля 20 августа 31 августа Б влажность почв, %ь 12 10 8 6 4 2 0 15 июля 30 июля 20 августа 31 августа влажность почв, %и 6 5 4 3 2 1 0 15 июля 30 июля 20 августа 31 августа Рис. 14. Динамика влажности лесных почв стационара «Спасская падь» в лиственничном (А), березовом (Б) и сосновом (В) лесу в 2002 г. В 100 влажность почв, %л А 40 35 30 25 20 15 10 5 0 11 июня 15 30 60 90 22 июня 10 июля 10 августа 30 августа 17 сентября 30 сентября влажность почв,% Б 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 11 июня 22 июня 10 июля 10 августа 30 августа 17 сентября 30 сентября влажность почв, % и В 35 30 25 20 15 10 5 0 11 июня 22 июня 10 июля 10 августа 30 августа 17 сентября 30 сентября Рис.15. Динамика влажности лесных почв стационара «Спасская падь» в лиственничном (А), березовом (Б) и сосновом (В) лесу в 2003 г. 101 температуре воздуха особых отличий не было, но по длительности сохранения стабильно высокой (25 0 С) температуры отмечен более жаркий 2002 г. Изменения температуры почв синхронно повторяли изменения температуры воздуха. Наибольшие различия относились к влажности почв. В дождливом 2003 г почвы были в 2 раза более влажными и равномерно увлажненными по всем почвенным горизонтам. Наименее увлажненными в оба исследованных года оказались почвы соснового леса, причем в верхних гумусированных горизонтах. В дождливом и теплом 2003 г лесные почвы Центральной Якутии содержали микробиоту на среднем уровне. Например, гетеротрофных бактерий в лесных почвах Якутии (107) была численность меньше на порядок, их численности в луговых почвах Бурятии (108) и на 2 порядка меньше, чем и в почвах южной и европейской тайги (109). Изучение сезонной динамики в 2003 г показало, что количество гетеротрофных и олигонитрофильных микроорганизмов в почвах лиственничного леса в верхних горизонтах уменьшалось к осени. При этом их количество колебалось в пределах от 105 – 107 (рис.16 А). В почвах березового и соснового лесов в почвенных горизонтах численность микроорганизмов выявлена в пределах от 200 КОЕ/г до 51 млн. КОЕ/г или 102107 (рис.16 А, В). В 2003 г в лесных мерзлотных почвах также преобладали гетеротрофные и олигонитрофильные микроорганизмы, количество эукариотических грибов было меньше. Численность мицелиальных грибов колебалась от 2 тыс до 44 млн. КОЕ/г. Плотность бактерий во всех типах лесных почв вниз по профилю практически оставалась неизменной от 105 – 107 КОЕ/г в гумусированных горизонтах до 102 – 107 КОЕ/г в минеральных горизонтах (рис.16 А,В) Тогда как в 2002 г в верхних горизонтах количество микроорганизмов к осени уменьшалось, а в нижних горизонтах шло увеличение их численности. В 2003 г количество всех микроорганизмов к осени уменьшилось, как в верхних, так и в Листвяг 60 Березняк 50 Сосняк 35 30 25 40 30 20 15 20 10 10 5 0 10.06 0 10.06 22.06 30.06 10.07 10.08 20.08 млн/КОЕг. 70 млн/КОЕг млн/КОЕг А 22.06 30.06 10.08 20.08 6 30 30 5 25 25 20 15 20 15 10 10 5 5 30.06 10.07 10.08 20.08 млн/КОЕг. 35 22.06 30.06 0 10.06 10.07 10.08 20.08 III 35 0 10.06 22.06 II млн/КОЕг млн/КОЕг I 10.07 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 10.06 4 3 2 1 22.06 30.06 10.07 10.08 20.08 0 11.06 22.06 30.06 10.07 10.08 20.08 В Рис. 16. Динамика численности гетеротрофных (I), олигонитрофильных бактерий (II) и мицелиальных грибов (III) в лесных почвах стационара «Спасская падь», на глубине 15 см (А) и 90 см (В) в 2003 г. Температура, 0С 103 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 15 июля 30 июля листвяг 20 августа березняк 2002 г. 31 августа сосняк 25 Температура, 0 С 20 15 10 5 0 11 июня 22 июня 10 августа 17 сентября 30 сентября 2003г Рис. 17. Динамика температуры лесных почв стационара «Спасская падь» в 2002 – 2003 гг. нижних слоях почвы. Тем не менее, в размножении бактерий наблюдали 2 пика: 10 июня и 10 августа. В размножении грибов, большой пик наблюдали в июне и небольшой подъем 10 августа. В предшествующий год, осенью 2002 г, пул микроорганизмов увеличился, за счёт попадания в почву дождевой влаги. Бактерии, перезимовав в виде спор, на высоком уровне начали цикл 104 размножения в июне 2003 г (1 пик), но усиление влажности и понижение, как следствие, почвенной температуры привели к понижению их общего количества. За исключением вспышки 10 августа (2 пик) наблюдавшейся и в поверхностных и нижних слоях лесных почв Центральной Якутии (рис.16). Высокая численность гетеротрофных бактерий была зарегистрирована 10 августа 2003 г в почве соснового леса в гумусовом горизонте – 57,5х107 кл /г. В это время наблюдали температурный скачок 19,80С в почве сосняка рис.17, что и повлекло бурное размножение микроорганизмов в этой обычно бедной на бактерии песчаной почве. Размножение микроорганизмов привело к резкому выбросу СО2 в атмосферу, что было зафиксировано сотрудниками ИБПК СО РАН (Максимов и др.,2005). Полученные нами результаты исследований свидетельствуют, о том, что в дождливый год размножение почвенных микроорганизмов регулируется температурой. Так, стоило 10 августа 2003 г. повыситься температуре, как произошел всплеск в размножении микроорганизмов. Для исследованных нами лесных почв Центральной Якутии характерна двухпиковая сезонная динамика размножения почвенных микроорганизмов в дождливые годы 1999 г. (июль-сентябрь) и 2003 г. (июнь – август) и в наиболее жаркий и засушливый 2002 г. (июнь-август). В засушливые 2000 и 2001 гг. в размножении гетеротрофных и олигонитрофильных бактерий, актиномицет и мицелиальных грибов наблюдали только один пик повышения их численности в июне или июлемесяце. По нашим данным, одной из характерных особенностей мерзлотных почв Якутии является увеличение плотности бактерий вниз по профилю почв, в отличие от длительно- и сезонномерзлотных почв Бурятии и России, где накопление бактерий происходит, как правило, в подстилках и верхних почвенных горизонтах. Данный выявленный характер распределения бактерий по профилю разных типов биогеоценозов Якутии, одинаков и не менялся в зависимости от погодно- климатических условий года. 105 5.4. Целлюлозолитическая активность мерзлотных лесных почв Центральной Якутии Широко применяемым показателем биологической является определение целлюлазной активности почв. активности Минерализация целлюлозы осуществляется преимущественно аэробными целлюлозоразрушающими микроорганизмами. Интенсивность этого процесса отражает биоклиматические и экологические условия преобразования в почве и активность трансформации органического вещества в ней (Наплекова. 1974). Эти обстоятельства позволяют использовать целлюлозу в качестве стандартного теста при определении биологической активности почв в реальных условиях среды. Целлюлозолитические микроорганизмы очень широко распространены. Они встречаются в почве, в пресных и соленых водоемах, в аллювиальных отложениях водоемов, в торфе и навозе. Микроорганизмы, использующие целлюлозу, включают в себя аэробные и анаэробные мезофильные бактерии, термофильные бактерии, актиномицеты, грибы, проактиномицеты и некоторые простейшие. Все целлюлозолитические микроорганизмы можно разделить на две большие группы: аэробные и анаэробные целлюлозолитические микроорганизмы. Количество целлюлозолитических микроорганизмов, населяющих лесные почвы стационара «Спасская падь», по данным посева на плотные питательные среды, в 2000 г. колебалось от 1х105 до 4,3х107 кл/г АСВ (табл.19). Целлюлозолитические микроорганизмы были представленны в основном аэробными актиномицетами (до 50%), целлюлозолитическими грибами (40%) и в меньшей степени миксобактериями (10%) (рис.18). Изучение годовой динамики выявило тенденцию к накоплению целлюлозолитических микроорганизмов в нижних почвенных горизонтах к осени. Динамика изменения количества целлюлозолитиков лесных почв Центральной Якутии была неодинаковой, но имела общую тенденцию накапливаться к осени, постепенно проникая с поверхности почвы в более 106 Фото 18. Аэробные целлюлозолитические бактерии из палевой почвы березового леса «Спасской пади» Центральной Якутии, 2004 г ( желтые и белые колонии на бумажном фильтре, среда Гетчинсона, 12 сутки). глубокие горизонты почвы. При этом, 7 июля все пробы лесных почв оказались стерильными (табл.19). Палевая почва лиственничного леса была более равномерно по всему почвенному профилю насыщена целлюлозолитическими микроорганизмами, за исключением срока 7 июля. В ней можно выделить в размножении этих бактерий 2 пика повышения в июне и сентябре и спад численности в июле. Наибольшее количество целлюллолитиков 24 млн.кл/г отмечено в верхних гумусированных горизонтах данной почвы 27 июня. В постпирогенной палевой почве березняка целлюлозолитиков отмечен с 19 июля. В этот день устойчивый рост обнаружен пик целлюлозолитических микроорганизмов 16 млн. кл/г. А 5 октября их содержание (3.8 млн.кл/г) почти совпадает с количеством бактерий в почвах лиственничного леса (3.5 млн.кл/г). Интересно, что в этой почве в минеральных горизонтах на большой глубине (60-90см) 16 июня найдено 460750 тыс.кл/г целлюлозолитических микро-организмов, которых не обнаружено в верхней части почвенного профиля, и в то же время, 27 июня уже в верхнем горизонте найдено 450 тыс. кл/г. 107 Таблица 19 Динамика численности целлюлозолитических бактерий в мерзлотных почвах лесного стационара «Спасская падь» (Центральная Якутия) в 2000 г., кл/г Тип леса Сосняк Лиственничник Березняк Глубина, 17.06.00 27.06.00 07.07.00 19.07.00 07.08.00 20.08.00 10.09.00 20.09.00 05.10.00 см 15 30 45 60 90 15 30 45 60 90 15 30 45 60 90 2.1х105 0 2.2х105 0 0 0 0 0 0 0 1.0 х107 2.4х107 1.7х107 1.6х107 0 0 6 6.4х10 0 0 0 0 4.5х105 0 0 0 0 5 7.5х10 0 4.6х105 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 3.3х105 -* 2.9х105 2.9х105 1.6х107 4.5х105 0 0 0 8.5х105 0 0 0 0 4.4х105 0 0 0 1.1х107 9.2х105 4.7х105 0 0 4.3х106 1.7х106 0 0 0 9х105 6х105 0 0 8х106 3.1х106 9.4х105 0 0 6.8х106 2.5х106 8.1х105 0 0 1.3х106 8.9х105 0 6.7х106 2.6х106 4.1х105 0 0 1.5х106 1.2х107 3.2х106 0 0 1.6х106 9.4х105 2.3х105 0 4.2х106 2.5х106 1х105 0 4.3х107 3.0х107 3.4х106 8.6х105 4.3х105 3.5х106 7.9х105 2.8х105 3.8х106 3х106 1.6х106 8.9х105 - Примечание: 0 – отсутствие роста; -* содержание целлюлозолитиков не определялось. 108 Совершенно иная картина наблюдается в сосновом лесу. Здесь,16 июня в верхнем гумусированном горизонте обнаружено 210 тыс. кл/г целлюлозолитиков. Затем, почти все лето (конец июня и весь июль) здесь не было целлюлозолитиков, а 7 августа на глубине 15 см. обнаружено 850 тыс.кл/г. Затем каждые 10-15 дней наблюдается рост и проникновение бактерий в более глубокие почвенные слои. При этом, 5 октября 2000 г. является пиком накопления целлюлозолитических микроорганизмов 43 млн.кл/г (4.3х107) в почве сосняка. Таким образом, количество целлюлозолитиков увеличилось в 200 раз к осени в гумусовом горизонте палево-бурой почвы соснового леса в 2000 г (табл.19). Сезонная динамика размножения целлюлозолитиков в лесных почвах Центральной Якутии показала наличие летнего спада (в июле) и 2 пика повышения в июне и сентябре засушливого и холодного 2000 г. В крайне засушливом и жарком 2001 г численность целлолозолитиков была на порядок больше, чем в 2000 г. Она варьировала от 13 млн.кл/г до 314 млн.кл/г (3.14х108) почвы. В отличие от 2000 г. целлюлозолитические микроорганизмы в большом количестве были обнаружены на глубине 30 см, где больше содержалось влаги, в целом их было в 2 раза больше, чем в верхнем слое (0-15 см). Характер сезонной динамики целлюлозолитиков сохранился свой характер: 2 пика в июне и сентябре и спад в июле. Наибольшее содержание целлюлозолитических микроорганизмов наблюдали в июне. Так, 21 июня почти во всех исследованных слоях лесных почв отмечен большой пул целлюлозолитиков. почве Следует отметить, что 23 сентября на глубине 90 см в лиственничника наблюдали резкое повышение количества целлюлозолитических микроорганизмов до 314 млн.кл /г, хотя летом их на этой глубине не было. Произошло проникновение бактерий вниз по профилю почвы и накопление их в почве осенью. Наиболее равномерно богатой по содержанию целлюлозолитических микроорганизмов по всему почвенному профилю оказалась почва березового леса. В почве этого леса по результатам посева на среде Гетчинсона обнаружено от 13 млн.кл/г до 132 млн.кл/г 109 120 листвяг березняк сосняк 100 тыс.кл/г 80 60 40 20 0 15.07.02. 31.07.02. Листвяг 20.08.02. Березняк 31.08.02. Сосняк 90 80 70 тыс.кл/г 60 50 40 30 20 10 0 11.06.03. 22.06.03. 10.07.03. 10.08.03. 20.08.03. 17.09.03. 30.09.03. Рис. 19. Динамика численности целлюлозолитических бактерий в лесных почвах стационара “Спасская падь” в Центральной Якутии в 2002 – 2003 гг. целлюлозолитических бактерий. Причем пик (132 млн.кл) обнаружен в июне на глубине 90 см.. Почва соснового леса по содержанию этих бактерий была относительно бедна, она имела только один пик в 278 млн.кл/г в июне на глубине 30 см. Таким образом, в крайне засушливом 2001 г, целлюлозолитиков обнаружено в 10 раз больше, чем в 2000 г. на глубине 30 см и ниже. Это 110 связано, по нашему мнению, с иссушением верхних слоев почвы в сухой и жаркий год и более сильном тепловом протаивании и нагревании сезонной мерзлоты в сентябре на глубине 90 см где, по-видимому, осенью создается экологический оптимум. В очень жарком и засушливом 2002 г в лесных почвах целлюлозолитические бактерии либо отсутствовали, либо их было мало (рис.19). Например, на протяжении лета в 2002 г целлюлозолитики отсутствовали в палево-бурой песчаной почве сосняка. Небольшое количество аэробных целлюлозолитических микроорганизмов 1,5х103 КОЕ/г, отмечено в ней только 31 августа. В почве лиственничника они найдены в середине июля и конце августа в количестве 3 тыс.кл/г. Наибольшее содержание целлюлозолитических микроорганизмов 104 тыс.кл/г (1,04х105) наблюдали в палевой почве березняка в конце августа 2002 г (рис.19). Этот максимум численности целлюлолитиков, связан с листопадом в березовом лесу и поступлением нового относительно доступного органического материала. Другие авторы, также описывали раннеосенний пик в численности почвенных микроорганизмов. По данным С.П. Бурюхаева, Б.Б..Намсараева и др., (2003) в почвах болотных экосистем Прибайкалья в августе 1998 целлюлозолитиков содержится 6.0х105 кл/см3 почвы, а в августе 1999 6.0х104 кл/см3. Численность микроорганизмов сапротрофного комплекса в изученных биотопах, по мнению авторов, подвержена сезонным вариациям. Более всего это выражено у целлюлозолитиков. На протяжении года у них выявляются два выраженных пика численности: первый – в середине или конце весны; второй – к концу лета. В январе 1998 численность целлюлозоитиков была наименьшей. Весной, с оттаиванием болот, численность целлюлозолитиков (как аэробов, так и анаэробов) увеличивалась, достигая значительных величин. Неожиданно высокая численность целлюлозолитиков в это время года, помимо благоприятной температуры, связана, по-видимому, с тем, что весной, при оттаивании болот, в среду высвобождается пул усвояемого 111 микроорганизмами органического материала, который остается с осени предыдущего года и, возможно, пополняется в течение холодного периода. В превращении растительного материала в доступную микробам форму могут играть роль механические воздействия, связанные с "замораживаниемоттаиванием" фитомассы в осенне-зимний и весенний периоды. Такие эффекты были ранее отмечены при изучении болотных систем Подмосковья. Поэтому численность целлюлозолитиков весной (в апреле) достигает в биотопах Прибайкалья довольно высоких (до 2.5х106 кл/см3 почвы) значений (Бурюхаев и др., 2003). В наших исследованиях в дождливом и теплом 2003 г целлюлозолитических бактерий в лесных почвах Спасской пади найдено мало от 1,8х103 до 8,0х104кл/г, меньше на 2-3 порядка, чем в 2000 г (105-107) и на 4 порядка меньше, чем 2001 г (107-108). Наиболее богатой по содержанию целлюлозолитических микроорганизмов как в 2002 г, так и в 2003 г оказалась почва березового леса. В 2003 г в почве березового леса максимальное количество целлюлозолитиков 8,0х104 кл/г наблюдали 11 июня, что соответствует «раннелетнему» пику, а затем оно снижалось до начала августа, а 10 августа они полностью исчезли. С 20 августа их количество увеличилось, достигнув второго небольшого пика 17 сентября осенний пик (2,9х104), а к концу сентября уменьшилось до 7,0х103 (рис.19). Сезонная динамика численности целлюлозолитиков с начала июня по конец сентября 2003 г отличалась от таковой в 2002 г. В почве лиственничного численности: в конце июня леса наблюдали и в конце сентября, два пика повышения спад в размножении целлюлозолитиков отмечен в конце июля и начале августе, а 10.08.03 наблюдали их полное исчезновение. В почве сосняка в дождливом 2003 г, в отличие от сухого 2002 г., целлюлозолитики были найдены, хотя и в небольшом количестве. Их полное отсутствие ни разу не наблюдали. В начале июня их было мало, а 22 июня они достигли максимума 5,9х104, затем наступил спад в июле, но не до полного 112 исчезновения, далее резкий подъем 10 августа (5,3х104) и плавное уменьшение до конца сентября, когда их количество стало минимальным – 3,5х103 (рис.19). Наличие целлюлозолитических микроорганизмов в палево – бурой песчаной почве соснового леса в 2003 г, можно объяснить более-менее достаточным количеством влаги, отмечаемой в этот дождливый год. Целлюлозолитические микроорганизмы наиболее важны в почвенном плодородии, так как являются активными деструкторами органических веществ, а их содержание в мерзлотных палевых почвах Центральной Якутии не уступает таковому, отмечаемому в длительно-сезонномерзлотных почвах Бурятии. По мнению Звягинцева и других, для микробиоты тундры и северной тайги характерны интенсивное развитие и высокая продуктивность в короткий летний период (Звягинцев, 1987; Евдокимова, Мозгова, 2001). Это положение также подтверждают и наши данные по большому содержанию целлюлозолитиков в лесных почвах Центральной Якутии. Мерзлотные лесные почвы стационара “Спасская падь” в Центральной Якутии содержали целлюлозолитические микроорганизмы на достаточно высоком уровне от 103 до 108 КОЕ/г. Сопоставление с литературными данными показывает, что мерзлотные лесные почвы Центральной Якутии в зависимости от гидротермических условий года по численности целлюлозолитиков превосходят или уступают почвам Прибайкалья. В засушливый (2000 г) и крайне засушливый (2001 г) годы целлюлозолитиков в почвах относительно много, а в очень жаркий (2002 г) и дождливый (2003 г) годы их мало. В исследованных нами почвах наблюдали два пика повышения численности в июне и сентябре, а спад в размножении целлюлозолитиков отмечен в июле. Определение микробиологической активности лесных почв провели также по скорости разложения целлюлозы. Характерная особенность грибного разложения целлюлозы – выделение целлюлазных ферментов в среду. У бактерий целлюлазы – контактные ферменты, связанные с клеточной 113 поверхностью. Они работают только в нативных условиях, и выделение ферментов из микроорганизмов представляет определенные трудности. Целлюлазная активность хорошо изучена в почвах европейской части России. В Якутии отмечены лишь единичные работы по изучению целлюлазной активности (Петренко, 1978; Иванова, 1998; Щелчкова и др.,1999). При этом под целлюлазной активностью почв понимают интенсивность разложения целлюлозы в почвах. В этом плане почвы стационара были исследованы на наличие анаэробной целлюлозолитической микрофлоры. В результате были получены накопительные культуры, активно разрушающие целлюлозные субстраты (фильтровальную бумагу) в течение 10-20 суток при температуре 300С. Интенсивность потребления субстрата в пробирках определяли по убыли фильтровальной бумаги. Интенсивность разложения целлюлозы в лесных почвах стационара “Спасская падь” также подвержена сезонной динамике, но полного совпадения между численностью и интенсивностью целлюлозоразложения неотмечалось, особенно это касается 2002 г. По результатам анализа 2002 г максимальная скорость разложения целлюлозы (1,9 % в сутки) наблюдалась в почве соснового леса, 20 августа, а минимальная (0,2 % в сутки) в почве лиственничника в этот же день. В 2002 г в почве лиственничного леса, скорость разложения целлюлозы имела 2 повышения, в конце июля (1,4% в сут.) и в конце августа (до 1 % в сут.). В березняке отмечалось только одно повышение 20 августа (до 1 % в сут). Сезонные колебания численности и скорости разложения целлюлозы в лесных почвах стационара более всего совпадали в 2003 г., когда наибольшая численность целлюлозолитиков была в почве березового леса 11 июня, и в этот же день наблюдали высокую скорость разложения целлюлозы - 1,7% в сутки (рис.20,21). По данным различных авторов в иловых отложениях озер за сутки разлагается от 0,04 до 1,8% целлюлозы (Намсараев, 1992). Высокие скорости процесса выявлены в прибрежных и глубоководных частях озер. До 1,8% 114 120 тыс.кл/г 100 80 60 40 15.07.02 Листвяг 31.07.02 20.08.02 31.08.02 11.06.03 22.06.03 10.07.03 10.08.03 20.08.03 17.09.03 0 30.09.03 20 Рис. 20. Численность целлюлозолитических бактерий в лесных почвах стационара “Спасская падь” Центральной Якутии в 2002-2003 гг. Сосняк Березняк Листвяг % в сутки 2,5 2 1,5 1 0,5 15.07.2002 31.07.2002 20.08.2002 Сосняк 31.08.2002 11.06.2003 22.06.2003 10.07.2003 10 августа 20.08.2003 17.09.2003 30.09.2003 0 Рис. 21. Скорость целлюлозоразложения в лесных почвах стационара “Спасская падь” Центральной Якутии в 2002-2003 гг. 115 целлюлозы разлагается в илах канадских озер летом. Высокие значения скорости разложения целлюлозы 2,2% выявленные в водах тропического залива Батабано, пока-зывают, что высокая температура и постоянное поступление целлюло-зосодержащего растительного материала способствуют активной деятельности целлюлозолитиков. В низинных болотах Прибайкалья по данным С.П. Бурюхаева (2003) интесивность целлюлозоразложения менялась от 0,25 до 2,57% в сутки. Полученные нами относительно высокие скорости разложения целлюлозы в лесных почвах стационара “Спасская падь” 1,9 % в сутки можно объяснить высокой численностью целлюлозоразрушающих микроорганизмов в почвах стационара, а также их высокой ферментативной активностью (рис.21). В 1998 г. нами была обнаружена также высокая целлюлазная активность в аласных почвах Центральной Якутии, (алас Чай-Куолэ), равная 1,2-2,5% в сутки (Иванова, 1998). В целом, активность целлюлазных бактерий в лесных почвах стационара не уступает активности их в тропиках, по-видимому, это можно объяснить, тем, что природа создает большой микробный пул целлюлазных бактерий в экстремальных климатических зонах (Звягинцев, 1987,1992). Интенсивность разложения целлюлозы в лесных почвах напрямую зависит от численности целлюлозолитиков и подвержена почти таким же сезонным колебаниям, как и их численность. Причем явной корреляции между ритмами численности и амплитудой колебаний целлюлозоразложения не наблюдается (рис.20-21). Так, на рисунке 20 представлена численность аэробных целлюлозолитических бактерий, а на рисунке 21 скорость разложения целлюлозы в сутки под действием целлюлазных ферментов анаэробных целлюлозолитиков. Основным целлюлозолитических бактерий представителем является анаэробных Clostridium omelynskii .Азотфиксирующие микроорганизмы нами не обнаружены в лесных почвах стационара, что говорит о в большой степени о относительной сухости лесных почв Якутии. В тундровой зоне микрофлора почв изучена на примере 116 различных подзон Таймыра. В исследованных почвах южных тундр из свободноживущих азотфиксаторов азотобактер редок или вовсе отсутствует (Паринкина, 1971). Незначительная роль анаэробного фиксатора азота Количество бактерий, в % 120 100 80 60 1999 40 2000 2001 20 0 июнь июль август сентябрь октябрь Рис.22. Содержание дрожжей липомицетов в почве лиственничного леса стационара «Спасская падь» в 1999 – 2001 гг., % обрастания. Рис.23. Дрожжи липомицеты из почвы лиственничного леса стационара «Спасская падь» на безазотистой среде Эшби, 2001 г. 117 Clostridium pasterianum. Ничтожно мало в верхних горизонтах тундровых почв Таймыра и количество аммонифицирующих микроорганизмов. В почвенных пробах, отобранных за 1999-2001 гг., при определении анаэробных азотфиксирующих бактерий из лиственничного леса в среде Виноградского в 28 точках, был зафиксирован запах прогорклого масла, характерный запах, свидетельствующий о маслянокислом брожении, которое обычно осуществляют азотфиксирующие бактерии рода Clostridium. Высев на безазотистую среду Эшби, показал, что были найдены дрожжи липомицеты, им тоже присуще маслянокислое брожение, а следовательно и запах испорченного масла (рис.22-23). При сравнении годовой динамики за три года было выявлено, что в лесных почвах Центральной Якутии динамика дрожжей липомицетов имела два пика (рис.22). Самым ярким примером может служить влажный 1999 год, когда первый пик наблюдался в июне, затем выявилось резкое падение численности дрожжей в июле и второй пик повышения появлялся в августесентябре. В холодном 2000 г. динамика дрожжей лиственничного леса изменялась плавно, но тоже имела два пика. Количество этих микроорганизмов весь июль держалось на высоком уровне, затем постепенно падало до конца августа, и начиная с сентября численность липомицетов вновь стала расти. В жарком 2001 г. численность дрожжей была ниже, чем в 1999 и 2000 гг., но также имела два пика сезонной активности (в июле и сентябре). Почвенная экосистема, как и любая другая живая система, представляет собой открытую термодинамическую единицу, устойчивое состояние которой определяется количеством внутренней энергии и круговоротом биогенных элементов. Главным фактором, обусловливающим функционирование биологической экосистемы, будет проходящий через нее поток углерода. При этом состояние системы может квалифицироваться как экологически равновесное, когда “вход” углерода будет равен его “выходу”, как состояние с нарушенным равновесием с тенденцией к деградации и снижению плодородия, когда “вход” углерода устойчиво становится меньше “выхода”, и как состояние 118 с тенденцией к органическому загрязнению, когда “вход” будет значительно превышать размеры “выхода”. При этом, “вход” будет определяться поступлением в почву органических остатков первичной продукции автотрофного населения, а “выход” – дыханием почвенной биоты (Матаруева, 1998). Поскольку, как указывают многие авторы (Звягинцев, 1987; Матаруева, 1998), на долю дыхания микроорганизмов в общем потоке СО2, выделяющегося при “дыхании” почвы, приходится не менее 85 %, можно допустить, что основные закономерности экологического равновесия почвы будут обусловлены деятельностью именно этой части почвенного биоценоза. Для состояния экологического равновесия почвенной системы решающее значение будет иметь количество углерода, выделившегося из почвы в результате биологических процессов. Результаты измерения почвенного дыхания Т.Х. Максимовым с сотр. (2005) в лесных почвах стационара “Спасская падь” ИБПК СО РАН в 2004 г. представлены на рис.24. Эти результаты хорошо согласуются с нашими данными по численности почвенных микроорганизмов в 1999-2003 гг. (см. рис.12,13,16,22). Увеличение пула целлюлозолитических бактерий в 2003 г произошло 11 июня и 10-20 августа (рис.19). Высокая численность гетеротрофных бактерий зарегистрирована 10 августа 2003 г в поверхностных и нижних слоях лесных почв Центральной Якутии (рис.16). Таким образом, результаты по определению интенсивности дыхания почв Центральной Якутии подтвердили наши данные о наличии большого пула микроорганизмов в мерзлотных почвах Якутии. Можно обобщить, что, начиная со второй половины лета (то есть с 6 августа) почвы Центральной Якутии находятся в состоянии с нарушенным равновесием с тенденцией когда “вход” углерода устойчиво становится меньше его “выхода”. В это время 119 Рис.24. Сезонная динамика выделения СО2 лесными почвами в Центральной Якутии в 2004г (218-248 6 августа - 5 сентября, макс 20-26 августа; 170 - 19 июня; 278 - 5 октября) в мерзлотных почвах начинается второй подъем в размножении микроорганизмов. Ведущим фактором, определяющим численность микроорганизмов, в мерзлотных лесных почвах Центральной Якутии являются погодные условия, определяющие гидротермический режим почв. Из представленных данных видно, что в лесных почвах расположенных в криолитозоне и характеризующихся суглинистым гранулометрическим составом, численность микробных ценозов определяется, их влажностью. При этом, увеличение численности почвенных микроорганизмов имело два сезонных пика: в июле – в верхних гумусированных слоях, и в августе в нижних минеральных почвенных горизонтах. Данная двухпиковая микроорганизмов, по специфика нашему количественного мнению, определяется распределения особенностями гидротермического режима мерзлотных лесных почв территории Центральной Якутии, когда оптимальное сочетание данных факторов (тепла и влаги) 120 отмечается в середине и конце периода вегетации. В первом случае, численности микроорганизмов определяется ростом суммы пик активных температур, максимум которых отмечается в июле при ещё сохраняющемся достаточном запасе продуктивной влаги в почве, а во втором – дополнительным поступлением влаги в хорошо прогретую и уже частично обсушенную почву за счёт сезонного максимума (в августе) атмосферных осадков, выпадающих в конце вегетационного периода. 121 Глава 6. Структура и функциональная характеристика микробиоценозов мерзлотных лугово-степных почв Центральной Якутии 6.1. Численность и состав основных групп микроорганизмов Своеобразием растительного покрова среднетаежной Центральной Якутии является распространение степной подзоны растительности, которая находится на большом удалении от основного ареала сибирских и забайкальских степей. Степи здесь занимают в большой степени изолированные участки, расположенные преимущественно по южным склонам коренных берегов рек и предгорий, а также по надпойменным террасам рек (Зольников, 1954). Данные исследования проводили в 2002-2004 гг. на территории биостанции ЯГУ, расположенной в 10 км к юго-западу от г. Якутска по Покровскому тракту, на второй надпойменной террасе р. Лены, на берегу Атласовских озер. Площадь биостанции составляет около 3 га. Свойства исследуемых почв нами специально не изучались, однако почвенный покров и свойства зональных почв Центральной Якутии достаточно хорошо изучены (Зольников, 1954; Еловская, 1987). Согласно этим представлениям почвы надпойменных террас р. Лены в окрестностях г. Якутска на выположенных элементах рельефа представлены мерзлотными луговочерноземными в разной степени солонцеватыми и солончаковатыми разновидностями, преимущественно суглинистыми по гранулометрическому составу. Иногда среди них встречаются пятна сильно солонцеватых почв и солонцов, а также сильно солончаковатых почв и солончаков. В депрессиях рельефа надпойменных террас р.Лены встречаются мерзлотные дерноволуговые и лугово-болотные полугидроморфные и гидроморфные почвы и их солончаковатые разновидности. Слегка повышенные элементы рельефа комплекса надпойменных террас под таежной растительностью заняты мерзлотно-таежными палевыми типичными и осолоделыми суглинистыми 122 почвами, а под чаранами. т.е. березовыми колками формируются палевые серые почвы. На наиболее высоких террасах древней аллювиальной равнины развиты мерзлотно-таежные (палево-бурые) типичные и оподзоленные почвы. На этих почвах в зоне лесостепи развиты солонцеватые степи и остепненные луга в комплексе с березовыми перелесками, солонцеватыми остепененными лугами в ложбинах и сосновыми борами на песчаных гривах. Исследования проводили на четырёх площадках, расположенных в пределах биостанции, представляющих разные ландшафтные комплексы. Площадка № 1 – приозерный участок на берегу Атласовского озера (“у озера”), почва мерзлотная дерново-луговая глееватая. Площадка № 2 – участок остепненного разнотравно - злакового соснового леса (“сосняк”), с мерзлотно- таежной оподзоленной почвой. Площадка № 3 – коллекционный участок (“ участок”) на лугово- черноземной окультуренной почве. Площадка № 4 – целинный участок (“целина”) с лугово-черноземной почвой. Данные почвы в целом характеризуются, как правило, суглинистым гранулометрическим составом, нейтрально-слабощелочными условиями среды, насыщенностью почвенно-поглощающего комплекса обменными катионами, достаточными запасами почвенного органического вещества и дефицитом продуктивной исключением влаги полугидроморфных в корнеобитаемой толще, за лугово-болотных почв, формирующихся в приозерной части аласных котловин. Полученные результаты показали, что в почвах солонцеватых остепененных лугов Центральной Якутии микробиологическая активность сильно зависит от погодно-климатических факторов. Так в жарком и сухом 2002 г численность гетеротрофных бактерий была равна (107-108кл/г) их численности в степных почвах Бурятии (108кл/г) и на 2 порядка выше, чем в почвах европейской части России (106кл/г) таксономическое же разнообразие значительно меньше (табл.20) (Звягинцев, Добровольская и др., 1999; 123 Бурюхаев, Намсараев и др., 2003). Вероятно, высокая температура способствовала сильной оттайке многолетней мерзлоты, в силу чего в почве было достаточное количество продуктивной влаги необходимой для размножения микроорганизмов. В сильно увлажненном 2003 г численность гетеротрофных бактерий в степных почвах Якутии была на 2 порядка меньше (106), чем в степных почвах Бурятии. В 2003 г, в почве скопилось много влаги, что наряду с низкими почвенными температурами отрицательно сказалось на размножении аэробных гетеротрофных бактерий и способствовало их вымыванию (табл.21). Особенности таксономического состава микробных комплексов в почвах Байкальского региона были изучены Д.Г. Звягинцевым с сотр. (1999). По их данным, численность бактерий по методу посева во всех типах почв (по верхним гумусированным горизонтам) колебалась от 10 до 100-200 млн. КОЕ/г, что значительно превышало количества, выявленные в соответствующих типах почв европейской части России. Так, например, в черноземах под луговыми и типичными степями Русской равнины численность бактерий в горизонте А1 составляла 1-2 млн. КОЕ/г (Черняковская и др., 1990), в то время как в черноземах Бурятии в этих же горизонтах она колебалась в пределах 20-60 млн. КОЕ/г. В этом плане в степных почвах Центральной Якутии в 2002 г численность гетеротрофных бактерий оказалась равной, их численности в степных почвах Бурятии. Наибольшая общая численность гетеротрофных бактерий (9,4х108 КОЕ/г) выявлена на среде МПА в почве “участка” на глубине 90 см. По запасам численности в 2002 г. фитоценозы исследованных площадок биостанции в порядке возрастания образовывали ряд: целина < сосняк < у озера (табл.20, рис.25-26). Наибольшая общая участок < численность гетеротрофных бактерий (9,4х108 КОЕ/г) выявлена на среде МПА в лугово-черноземной почве «участка» на глубине 90 см. По запасам численности микроорганизмов в 2002 г. почвы исследованных площадок биостанции в порядке убывания образовывали ряд: дерново-луговая глееватая < лугово-черноземная окультуренная < мерзлотно-таежная < лугово- 124 черноземная (табл.20, рис.25-26). При этом, дерново-луговая глееватая почва оказалась более насыщенной прокариотами: максимальные значения как олигоТаблица 20 Численность прокариотных и эукариотных микроорганизмов в лугово-степных почвах биостанции в 2002 г (КОЕ/г почвы) Фитоценоз и тип почвы У озера (дерноволуговая глееватая) Участок (луговочерноземная окультуренная) Сосняк (мерзлотно-таежная) Целина (луговочерноземная) Гетеротрофные (МПА) 15 см 90 см Прокариоты Олиготрофы (Эшби) 15 см 90 см Актиномицеты ( КАА) 15 см 90 см Эукариоты Грибы (Чапека) 15 см 90 см 4,5х108 4,4х108 7,1х108 5,7х108 4,6х108 7,4х108 3,3х108 3,8х108 9,4х108 5,8х108 4,4х108 1,6х108 5,0х108 6,3х108 5,1х108 2,6х108 7,5х108 5,6х108 4,0х108 2,3х108 3,9х108 7,6х108 7,1х108 5,3х108 1,6х108 1,1х108 2,0х108 8,1х108 5,7х108 8х107 1,8х108 9х107 нитрофильных бактерий (7,1х108 КОЕ/г) так и актиномицет (7,4х108 КОЕ/г) были обнаружены в ней, но эукариот в ней найдено меньше (9х107 КОЕ/г). Лугово-черноземная окультуренная почва по насыщенности, как прокариотами, так и эукариотами оказалась на втором месте, причем в ней обнаружено самое большое количество гетеротрофных бактерий 940 млн. КОЕ/г. Все остальные изученные группы микроорганизмов присутствовали в заметных количествах, чуть меньше было актиномицет в верхнем слое почвы. Мерзлотно-таежная супесчаная почва сосняка заняла третье место по численности, в ней доминировали мицелиальные грибы как в верхнем, так и нижнем слоях (7,6х108 и 7,1х108 КОЕ/г) и гетеротрофные бактерии (7,5х108 КОЕ/г). Луговочерноземная почва целины была наиболее бедной микроорганизмами по сравнению с другими площадками биостанции, но в ней обнаружено присутствие максимального количества эукариотических микроорганизмов – мицелиальных грибов (8,1х108 КОЕ/г), что возможно, связано с кислой реакцией среды данной почвы (табл.20). 125 В течение летне-осеннего периода 2003 г., характеризующегося затяжными дождями, наблюдалось уменьшение общей численности (106) всех исследованных микроорганизмов на 2 порядка, по сравнению с 2002 г (108). Особенно заметно снижение микробного пула произошло в подстилках, до 105 КОЕ/г, что вероятно, связано с вымыванием из них клеток. Самая высокая численность олигонитрофильных бактерий была зарегистрирована 12 июля 2003 г в минеральном горизонте на глубине 60 см в почве коллекционного участка (7,4 млн. КОЕ/г). При этом местаобитаниями с максимальной концентрацией бактерий были минеральные горизонты лугово-черноземной и мерзлотно-таежной почв (табл.21). Таблица 21 Численность прокариотных и эукариотных микроорганизмов в лугово-степных почвах биостанции в 2003 г (КОЕ/г) Фитоценоз Тип почвы У озера Дерново-луговая Участок Лугово-черноземная окультуренная Сосняк Целина Мерзлотно-таежная Лугово-черноземная Прокариоты Гетеротрофные Олиготрофы ( МПА) (Эшби) 15 см 90 см 15 см 60 см 6 6 6 4,1х10 3,7х106 1,1х10 5,5х10 Эукариоты Грибы (Чапека) 15 см 30 см 6 1,3х10 3,9х106 7,9х105 6,1х106 1,0х106 7,4х106 3,7х106 6,0х105 5,1х105 7,8х106 4,9х106 1,9х106 5,8х106 4,9х106 8,0х105 1,8х106 1,3х106 6,9х106 2,4х106 9,0х105 Численность всех исследованных бактерий в 2003 г. колебалась в гумусированных горизонтах лугово-степных почв Центральной Якутии от 20 тыс. до 1,14 млн. клеток/г, а в аналогичных горизонтах степных почв Бурятии от 10 до 100-200 млн. клеток/г (Звягинцев и др., 1999; Бурюхаев и др., 2003). Сравнение микробной численности степных почв Якутии проводили по степени обогащенности почв микроорганизмами по таблице Звягинцева, учитывая условный критерий (1987). По этому критерию степные почвы Центральной Якутии оказались существенно различающимися в исследованные годы (табл.22). Очень богатыми по содержанию микроорганизмов оказались все исследованные типы лугово-степных почв в засушливом и жарком 2002 г. 126 В этом они проявили сходство с изученными нами лесными почвами Центральной Якутии. В дождливом и теплом 2003 г. лугово-степные почвы были бедны или крайне бедны и отличались по содержанию микробов, как по горизонтам почвы в пределах одного типа, так и на межтиповом уровне. Минеральные горизонты всех исследованных почв в это время содержали микроорганизмы на среднем уровне, а их гумусированные аналоги практически не имели микроорганизмов на существенном уровне, за исключением дерново-луговой почвы которая была очень бедна микроорганизмами (1,1 млн.КОЕ/г) (табл.22). Таблица 22 Степень обогащенности микроорганизмами лугово-степных почв Центральной Якутии (по численности микроорганизмов на МПА), КОЕ/г Год Численность на глубине, 15 см Степень обогащенности Численность на глубине, 90 см Степень обогащенности У озера Сосняк Целина Участок У озера Сосняк Целина Участок 45х107 26х107 8х107 38х107 1,1х106 5,1х105 8,0х105 7,9х105 Очень богатая Очень богатая Очень богатая Очень богатая Очень бедная Не имеет Не имеет Не имеет 44х107 75х107 18х107 94х107 5,5х106 7,2х106 1,8х106 6,1х106 Очень богатая Очень богатая Очень богатая Очень богатая Средняя Средняя Бедная Средняя содержанию почвенных Площадка 2002 Засуш., очень жаркий 2003 Макс. увлаж., теплый По микроорганизмов в дождливый год исследованные нами лугово-степные почвы отличались от лесных почв Центральной Якутии. В 2003 г лесные почвы были богаты или очень богаты микроорганизмами, а лугово-степные - бедны или практически не имели микроорганизмов, особенно в верхних горизонтах почв. Таким образом, численность микроорганизмов в лугово-степных почвах Центральной Якутии в разные по гидротермическим условиям годы существенно различалась. Из общего ряда выделялась дерново-луговая глееватая почва. Профильное распределение бактерий в этой почве было довольно равномерным. Кроме того, эта почва доминировала по величине микробного пула в течение всего периода эксперимента, как в сухой, так и во влажный годы, что не удивительно, так как она достаточно богата органическим веществом. 127 Изучение сезонной динамики выявило тенденцию к накоплению микроорганизмов в нижних горизонтах почв и повышению их количества к осени в большей части исследованных почв, за исключением целинного участка, где численность микроорганизмов к осени уменьшилась (рис.25,26 Б). В верхних слоях почвы численность микроорганизмов имела пик в июне на всех исследованных площадках биостанции и спад к октябрю, что связано, повидимому, с уменьшением общих запасов продуктивной влаги и температуры воздуха в течение вегетационного периода (рис.25,26 А). Во всех исследуемых типах почв наблюдалось проникновение бактерий по профилю в более глубокие нижние горизонты, вплоть до границы многолетней мерзлоты. По опубликованным данным, в Бурятии численность бактерий сапротрофного комплекса, определенная методом посева, была максимальной в луговых почвах (более 108 КОЕ/г). Плотность бактерий сапротрофного комплекса практически во всех типах почв убывала вниз по профилю от 107 – 108 КОЕ/г в гумусированных горизонтах до 104 – 105 КОЕ/г в горизонтах В и С (Звягинцев и др., 1999). По нашим данным, одной из характерных особенностей лугово-степных почв Якутии является увеличение плотности бактерий вниз по профилю почв, в отличие от сезонномерзлотных и длительно-сезонномерзлотных почв Бурятии и России, где накопление бактерий происходит в подстилках и верхних горизонтах почв. При этом, характер распределения бактерий по профилю разных типов биогеоценозов Якутии был одинаков и не менялся в зависимости от погодно-климатических условий года. Почти всегда накопление микробной массы шло к микроорганизмов осени в нижних доминировали слоях группы почвы (рис.25,26 гетеротрофных Б). Среди бактерий и мицелиальных грибов, олигонитрофильные бактерии и актиномицеты были представлены в меньшем количестве. Различие в степени увлажнения луговостепных почв биостанции в летне-осенние сезоны 2002 и 2003 гг. оказало исключительно сильное воздействие на численность основных групп микроорганизмов. Следовательно, подтвердилось положение, выдвинутое нами 128 А 800 500 сосняк у озера участок целина 450 400 700 600 350 млн.кл/г 500 млн. кл/г 300 400 250 200 300 150 200 100 100 50 0 0 3.07. 12.07. 22.07. 3.07. 4.10. 12.07. I 22.07. 4.10. 22.07. 4.10. II 600 1000 900 500 800 400 600 млн кл/гг млн. кл/г 700 300 500 400 200 300 200 100 100 0 3.07. 12.07. 22.07. 0 4.10. 3.07. 12.07. Б Рис.25. Динамика численности гетеротрофных (I) и олигонитрофильных бактерий (II) в почвах биостанции на глубине 15 см (А) и 90 см (Б) в 2002 г. 129 А 500 уозера 900 450 сосняк 800 участок 400 700 целина 350 600 млн.кл/г млн.кл/г 300 250 200 500 400 300 150 100 200 50 100 0 0 3.07. 12.07. 22.07. 4.10. 3.07. 12.07. III 22.07. 4.10. IV 800 700 700 600 600 млн. кл/г 800 500 млн.кл/г 500 400 400 300 300 200 200 100 100 0 0 3.07. 12.07. 22.07. 4.10. 3.07. 12.07. 22.07. 4. 10. Б Рис. 26. Динамика численности актиномицет (III) и мицелиальных грибов (IV) в почвах биостанции на глубине 15 см (А) и 90 см (Б) в 2002 г. 130 ранее для мерзлотных лесных почв. Из представленных данных видно, что в лугово-степных почвах биостанции, расположенных в криолитозоне и характеризующихся суглинистым гранулометрическим составом, численность микробных ценозов определяется, прежде всего, влажностью мерзлотных почв. При этом, увеличение численности почвенных микроорганизмов имело два пика: в июне – в верхних гумусированных слоях и в августе-сентябре – в нижних минеральных почвенных горизонтах. Данная двухпиковая специфика количественного распределения микроорганизмов, по нашему мнению, определяется особенностями гидротермического режима мерзлотных луговостепных почв засушливой территории Центральной Якутии, когда оптимальное сочетание данных факторов (тепла и влаги) отмечается в вначале и конце периода вегетации. 6.2. Сезонная и межгодовая динамика микробиологической активности мерзлотных лугово-степных почв Центральной Якутии в зависимости от почвенно-экологических факторов По результатам трехлетних наблюдений 2002-2004 гг. лугово-степных почв биостанции процент обрастания почвенных комочков на без азотистой среде Эшби колебался от 0-2 до 26 % в 2002 г, в таких же пределах (2 - 28%) в 2003 г и от 2 до 100% в 2004 г (рис.27). Определение азотобактера из почв биостанции методом обрастания почвенных комочков, показало, что наиболее богатыми до 26 % по содержанию азотобактера в июле и октябре сухого и жаркого 2002 г. оказалась почва приозерного участка. Это можно объяснить, вероятно, тем, что данная почва влажная и богата органическим веществом, содержащим фосфор и калий совместно с гниющими растительными остатками, которые разлагаются целлюлозолитическими бактериями, живущими в метабиозе с азотфиксаторами. На втором месте по содержанию азотобактера в жарком 2002 г. была лугово-черноземная почва целинного участка. Данная почва – это не культивируемая почва, то есть антропогенно ненарушенная представляет 131 естественный биотоп с нейтрально-слабощелочной реакцией среды, подходящий для азотобактера. На третьем месте была окультуренная луговочерноземная почва коллекционного участка, где небольшое присутствие азотобактера можно объяснить, вероятно, тем, что данный участок является культивируемым, то есть антропогенно – измененным. Здесь регулярно вносятся удобрения, при этом меняется кислотность почвы, то есть значение ее рН и это подавляет распространение и размножение азотобактера, так как известно, что азотобактер развивается при нейтральном рН. Отсутствие азотобактера в мерзлотно-таежной оподзоленной почве лесного участка объясняется тем, что почва была недостаточно увлаженной, а азотобактер, как мы уже указывали выше, влаголюбив. Результаты микробиологических исследований лугово-степных почв биостанции летом и осенью 2003 г показали, что количество аэробных азотфиксаторов колеблется от 2 до 28 %, то есть в тех же пределах, что и в 2002 г (2–26 %). Кроме того, подтвердился факт отсутствия аэробных азотфиксируюших бактерий в супесчаных почвах сосняка, выявленный в 2002 г (рис.27). Сезонная динамика численности азотобактера в почвах биостанции имела два пика в июле и сентябре 2003 г. В почве коллекционного участка максимум клеток отмечен в сентябре 2003 г. – 6 %, а минимальное количество в середине июля –2 %. Такие явления в сезонной динамики микроорганизмов наблюдали и другие исследователи. При изучении низинных болот Прибайкалья С.П. Бурюхаев и др. (2003 г.), наблюдали хорошо выраженную сезонную динамику флуктуаций сапротрофных микроорганизмов, в особенности целлюлозолитиков, имеющую своеобразный "летний спад", хотя температурные и другие факторы среды для них не являются лимитирующими, а также "осенний пик" - факты весьма примечательные (Бурюхаев и др. 2003 г). Эти факты, свидетельствуют о том, что рост и развитие микроорганизмов в изученных биотопах идет с переменной интенсивностью - временами с высокой, а временами с низкой. В луговочерноземной почве целины во всех исследованных пробах дождливого 2003 г. 132 азотобактер найден в достоверном количестве. Причем, плотность популяций аэробных азотфиксаторов в данной почве была высокой с июня по сентябрь 2003 г. Максимальное количество азотобактера наблюдали два раза: 28 % - 5 июля и 24% - в октябре, а минимум клеток – (4 %) 12 июля то есть, когда имел место “летний спад” (рис. 27). Численность аэробных азотфиксаторов, по результатам обрастания почвенных комочков, степных почв биостанции летом и осенью дождливого 2004 г, колебалась от 2 до 100%. Наибольшее их количество оказалось также в лугово-черноземной почве целины в июне и составило 100 %. В лугово-черноземной окультуренной почве участка максимум содержания азотобактеров составил – 44 % 20 сентября 2004 г (рис.27). Известно, что азотобактер развивается в почвах, богатых доступными соединениями фосфора с близкой к нейтральной реакцией среды и достаточным количеством органического вещества и влаги. Комплекс таких условий встречается далеко не везде, даже в зоне черноземов (Ассонов, 1980; Звягинцев, 1987). По нашим данным мерзлотная лугово-черноземная почва целины, представляющая естественный степной биотоп Якутии, соответствовала перечисленным условиям в дождливые 2003 и 2004 гг. Наступление осеннего похолодания приводит к некоторому уменьшению численности азотобактера, хотя и ни так резко, как это можно ожидать, исходя из заметного падения температур. Неожиданно высокая численность азотобактера в это время года, связана, по-видимому, с тем, что появляется более доступный питательный материал. В превращении растительного материала в доступную микробам форму могут играть роль механические воздействия, связанные с “замораживанием – оттаиванием” фитомассы в осенне-зимний период. Такие эффекты были ранее отмечены при изучении почв болотных систем Подмосковья и Прибайкалья (Бурюхаев и др. 2003 г). Таким образом, в мерзлотных лугово-степных почвах биостанции популяции аэробных и анаэробных азотфиксаторов различаются по плотности в разных местах и имеют разную численность в летний и осенний периоды года. 133 У озера С осняк У часток Ц елина Количество клеток, в % 30 25 20 15 10 5 0 3.07. 12.07. 22.07. 4.10. 2002 г. Количество клеток, в %в 30 25 20 15 10 5 0 7 .0 6 . 1 7 .0 6 . 2 6 .0 6 . 5 .0 7 . 1 2 .0 7 . 2 2 .0 7 . 3 .1 0 . 2003 г. 100 Количество клеток, в % в 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1 0 .0 6 . 1 9 .0 6 . 3 0 .0 6 . 1 0 .0 7 . 2 0 .0 7 . 2 5 .0 8 . 2 0 .0 9 . 2004 г. Рис. 27. Динамика численности азотобактера в лугово-степных почвах Центральной Якутии, в 2002-2004 гг. 134 Рис.28. Azotobacter vinilandii из дерново-луговой почвы биостанции, Центральная Якутия, июль 2003 г. Рис.29. Azotobacter vinilandii из лугово-черноземной почвы Центральной Якутии, июнь 2004 г. 135 В палево-бурой оподзоленной песчаной почве сосняка аэробные азотфиксирующие бактерии отсутствовали за весь период наблюдений. Анаэробный азотфиксатор Clostridium pasteurianum обнаружен только один раз в почве сосняка поздней осенью 3 октября 2003 г. Наиболее богатыми по содержанию азотобактера были дерново-луговая глееватая почва приозерного и лугово-черноземная почва целинного участков. По качественному составу в изученных почвах Центральной Якутии выделены представители рода Azotobacter vinilandii, дающие белые, слегка желтоватые, слизистые колонии. Azotobacter vinelandii имеет более крупные размеры, чем Azotobacter chroococcum и отличается большой подвижностью. Движется при помощи пучка жгутиков. Эта форма не образует бурого пятна, но вызывает заметную флуоресценцию среды и дает сарциноподобные скопления клеток (Федоров, 1955). Такие колонии выделены, методом обрастания почвенных комочков на без азотистой среде Эшби, из дерново-луговой и лугово-черноземной почв Центральной Якутии (Рис.28,29). Аэробные целлюлозолитические микроорганизмы были обнаружены, не во всех исследованных почвенных образцах разных типов и горизонтов почв биостанции в 2002-2003 гг. (рис.30). Количество аэробных целлюлозолитических микроорганизмов, населяющих почвы биостанции, в 2002 г. колебалось от 1,5 тыс.КОЕ/г до 75 тыс.КОЕ/г. В почве целинного участка целлюлозолитики не обнаружены в жарком 2002 г. Наибольшая общая численность целлюлозолитических микроорганизмов 7.5х104КОЕ/г отмечена на среде Гетчинсона в дерново-луговой почве приозерного участка 4 октября 2002 г.(рис.30). Эти данные соответствуют второму максимуму – осеннего пика численности целлюлозолитиков. Такой же пик в октябре наблюдали в размножении целлюлозолитиков в почвах Бурятии. Так, в болотных почвах Прибайкалья в октябре 1998 года численность целлюлолитиков была 6.0х105 КОЕ/г (Бурюхаев и др., 2003), то есть почти на порядок выше, чем в почвах Центральной Якутии. Второе место, по содержанию целлюлозолитических микроорганизмов, занимала 136 у озера целина участок сосняк 80 70 тыс.КОЕ/г 60 50 40 30 20 10 0 3 июня 22 июня 4 октября 2002 г. 90 80 70 тыс.КОЕ/г 60 50 40 30 20 10 0 7 июня 17 июня 26 июня 5 июля 12 июля 22 июля 4 октября 2003 г Рис. 30. Динамика целлюлозолитических бактерий в лугово-степных почвах биостанции Центральной Якутии в 2002 –2003 гг. 137 окультуренная лугово-черноземная почва коллекционного участка. Заметное содержание целлюлозолитиков в данной почве возможно, связано с регулярным поливом и внесением азотно – фосфорных удобрений, которые способствуют усилению развития целлюлозолитических микроорганизмов и увеличению среди них числа бактерий (Наплекова, 1974). В почве под сосняком в начале июля целлюлозолитики отсутствовали, их небольшое количество (6.0х103 КОЕ/г) было найдено 22 июля 2002 г. Минимальное содержание аэробных целлюлозолитиков отмечено в супесчаной почве сосняка 4 октября и составило 1,5х103 КОЕ/г (рис.30). Таким образом, в жарком 2002 г. наибольшая численность целлюлозолитических микроорганизмов 7.5 х104 КОЕ/г отмечена в дерново-луговой почве приозерного участка биостанции 4 октября и такое же количество 7.3х104 КОЕ/г в лугово-черноземной почве коллекционного участка, только в июне. В почве целинного участка целлюлозолитики не обнаружены летом и осенью жаркого 2002 г. Целлюлозоразрушающие грибы в 2002 г., обнаружены не во всех почвенных образцах. Их численность была невысокой и при этом, максимальное содержание грибов составляло 4.0х103 КОЕ/г, а минимальное – 1,6 х103 КОЕ/г. Рис. 31. Аэробные целлюлозолитические бактерии из лугово-черноземной почвы Центральной Якутии, 2003 г (среда Гетчинсона, 8 сутки). 138 Наибольшее количество целлюлозолитиков в почве биостанции летом и осенью дождливого 2003 г наблюдали в лугово-черноземной почве целинного и коллекционного участков, в отличие от жаркого 2002 г, когда в целинной лугово-черноземной почве эти бактерии вообще не были обнаружены. В данной почве, при проведении микробиологических исследований в период с июня по октябрь 2003 года, высокую численность 8,3х104 целлюлозолитиков наблюдали в июне (Рис.30,31). Таким образом, лугово-степные почвы биостанции Центральной Якутии содержали целлюлозолитические микроорганизмы на среднем уровне 103-104 КОЕ/г значений между таковыми, характерными для уже исследованных других почв Якутии (Щелчкова и др., 1999) и имеющимися данными по почвам Бурятии и Подмосковья (Намсараев, 1992; Бурюхаев и др., 2003). Численность целлюлозолитиков была подвержена сезонной динамике. Наблюдали два пика в июне и сентябре, и выраженный спад в середине лета. Главное отличие по распределению целлюлозолитиков в почве биостанции между 2002 и 2003 гг. заключалось в том, что наибольшее количество целлюлозолитиков, летом и осенью дождливого 2003 г., наблюдали в лугово-черноземных почвах целинного и коллекционного участков, тогда как в жарком и сухом 2002 г. в целинной лугово-черноземной почве эти бактерии вообще отсутствовали. При сравнении данных по выделению СО2 мерзлотными почвами Якутии (Иванов, Максимов, 1998; Максимов и др.,2005) с нашими исследованиями по динамике численности микроорганизмов в лугово-степных почвах получена прямая корреляционная зависимость. Усиление интенсивности почвенного дыхания в мерзлотных почвах Центральной Якутии отмечалось с 6 августа по 5 сентября 2004 г. При этом, максимальный выход СО2 произошел 20-26 августа. По данным Т.Х. Максимова и др. (2005) такая же тенденция в динамике выхода СО2 наблюдалась и в 2003 г. Представленные результаты по дыханию исследуемых типов мерзлотных почв хорошо согласуются с нашими данными по численности в них почвенных микроорганизмов в 2003 - 2004 гг. Пики в численности азотобактера в 2004 г наблюдали 19 июня и 25 августа, а 139 увеличение пула целлюлозолитических бактерий в 2003 г происходило в периоды 17-26 июня и с 22 июля по 4 октября. Таким образом, полученные результаты по дыханию почв Центральной Якутии подтвердили наши данные о наличии относительно большого пула микроорганизмов в мерзлотных лугово-степных почвах Якутии. Определение микробиологической активности почв биостанции проводили также по скорости разложения целлюлозы. В результате были получены накопительные культуры, активно разрушающие целлюлозные субстраты (фильтровальную бумагу) в течение 10-20 суток при 300С. Интенсивность потребления субстрата в пробирках определяли по убыли фильтровальной бумаги. Определение скорости разложения целлюлозы в почвах Центральной Якутии по нашим данным свидетельствует о том, что этот процесс активно протекает в почвах региона. Максимальные значения активности целлюлазы равные 2,4% -3,8% в сутки были выявлены в почвах биостанции. Вес бумаги максимально уменьшился на 44,6% в дерново-луговой почве приозерного участка биостанции ЯГУ в июне 2003 г. (рис.33). Этот максимум совпал с выявленной большой численностью целлюлозных бактерий (рис.32). Ранее скорость разложения целлюлозы была изучена в донных осадках различных озер, морей и океанов табл.23. По данным различных авторов в иловых отложениях озер за сутки разлагается от 0,04 до 3,6% целлюлозы (Акимов,1971; Намсараев, 1992; Дамбаев, 2004; Бурюхаев и др. 2003). Высокие скорости процесса выявлены в прибрежных и глубоководных частях озер. До 1,8% целлюлозы разлагается в илах канадских озер летом. Высокие значения скорости разложения целлюлозы 2,2%, выявленные в водах тропического залива Батабано, показывают, что высокая постоянное поступление целлюлозосодержащего температура и растительного материала способствуют активной деятельности целлюлозолитиков. В низинных болотах Прибайкалья скорость целлюлозоразложения менялась от 0,25 до 2,57% в сутки (Бурюхаев и др., 2003). 140 90 80 участок 70 у озера тыс.КОЕ/г 60 50 сосняк 40 30 целина 20 10 04.10.03. участок 22.07.03. 12.07.03. 05.07.03. 26.06.03. 17.06.03. сосняк 07.06.03. 04.10.02. 22.07.02. 03.07.02. 0 Рис. 32. Численность целлюлозолитических бактерий в лугово-степных почвах биостанции Центральной Якутии в 2002-2003 гг. 4 участок 3,5 % в сутки 3 у озера 2,5 2 сосняк 1,5 1 целина 0,5 04.10.03. участок 22.07.03. 12.07.03. 05.07.03. 26.06.03. 17.06.03. сосняк 07.06.03. 04.10.02. 22.07.02. 03.07.02. 0 Рис. 33. Скорость целлюлозоразложения в лугово-степных почвах биостанции Центральной Якутии в 2002-2003 гг. 141 Таблица 23 Скорость разложения целлюлозы в поверхностных слоях некоторых водоемов и в почвах Якутии Район исследований Глубина, м Время анализа Торфяное болото, штат Джорджия, США 0,5 осень, 1989 Оз.Онтарио, Канада 0,5 Карибское море, залив Батабано Рыбный пруд, Московская обл. Оз.Черный Кичиер, Марийская АССР Оз.Мичиган, США 7 1 0,45 0,4 Оз.Белое, Забайкалье Донные отложения Содовые озера Забайкалья Донные отложения Прибайкалье, низинные болота Донные отложения Алас Чай-Кюель, Центральная Якутия Аласные почвы, 0,1 г.Мирный, Западная Якутия г.Мирный, Западная Якутия Оз. Атласовское, Центр. Якутия Стационар «Спасская падь», Центр.Якутия Почвогрунты, 0,4-0,6 Отвалы, 0,4-0,6 Приозерная почва 0,6-0,9 Лесные почвы, 0,6-0,9 август, 1983 осень, 1989 лето, 1966 июнь, 1983 июнь, 1989 апрельавгуст, 2002 август, 2002 апрельиюнь, 1998 сентябрь 1993 Скорость разложения целлюлозы, % в сутки 0,072 1,8 2,2 Литературный источник цит. по Намсараеву (1984) цит. по Намсараеву (1985) Намсараев (1992) 0,046 - 1,3 Акимов (1971) 0,12 - 1,27 Намсараев, (1989) Намсараев (1989) 0,2 - 1,3 0,20 - 1,16 Дамбаев (2004) 0,70 - 3,61 Дамбаев (2004) 2,57 0.029 - 0.069 Бурюхаев и др. (2003) 1,2 - 2,5 Иванова (1998) 2,1 Наши данные 0,5-1,8 Наши данные июнь, 2003 0,2-3,8 Наши данные июньсентябрь, 2003 0,2-2,1 Наши данные август, 2003 август, 2003 142 В донных отложениях содовых озер Забайкалья интенсивность разложения целлюлозы была ещё выше до 3,61% в сутки табл.23. (Дамбаев,2004). Полученные нами данные по высокой скорости разложения целлюлозы в мерзлотных дерново-луговых приозерных почвах Центральной Якутии 3,8% в сутки можно объяснить высокой общей численностью целлюлозоразрушающих микроорганизмов в почвах (86 тыс.кл/г в целинной лугово-черноземной почве), а также повышенным уровнем их ферментативной активности. В 1998 г. нами была обнаружена также высокая целлюлазная активность в аласных почвах (алас Чай-Куолэ) Центральной Якутии, равная 1,2-2,5% в сутки (Иванова, 1998). Интенсивность разложения целлюлозы в почвах биостанции напрямую зависит от численности целлюлозолитиков и подвержена почти таким же сезонным колебаниям, как и их численность. Причем, явной корреляции между ритмами численности и амплитудой колебаний целлюлозоразложения не наблюдается (рис. 32-33). Таким образом, почвы Якутии – это богатые целлюлозолитическими и азотфиксирующими микроорганизмами почвы. Позднее оттаивание и раннее замерзание почв Якутии создает чрезвычайно короткий, казалось бы, период для проявления микробиологической активности. Однако детальное изучение микроорганизмов этих почв показывает, что природа создала в них большой природный пул с своеобразной сезонной динамикой микробиологической активности. Активная деятельность целлюлозолитических и азотфиксирующих микроорганизмов подтверждает распространенный тип взаимоотношений между этими микроорганизмами в почве - метабиоз. Эти организмы в результате жизнедеятельности создают условия, благоприятные для взаимного развития. 143 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Поскольку многолетняя мерзлота является главным определяющим фактором для почв криолитозоны Якутии от зоны тундры, лесотундры до тайги, необходимо оценить вкратце данные, относящиеся к её влиянию в зонально-фациальном аспекте на микрофлору мерзлотных почв. В настоящее время накоплен микрофлоре тундры, обширный фактический материал о который, однако, не поддается строгому научному анализу из-за малой достоверности и случайности многих данных, и общие выводы в этом плане сделать очень трудно. Основная трудность в интерпретации результатов состоит в чрезвычайно развитой в тундре микро- и мезозональности почвенного покрова. Гетерогенность в распределении микробов вообще характерна для всех почв, однако в тундре она выражена наиболее сильно. Можно констатировать, что в тундре имеется большая численность и большая биомасса микроорганизмов, которые не уступают другим природным зонам, а часто и превосходят их. Таким образом, подтверждается установленное Д.Г.Звягинцевым (1987, 1992) положение о том, что в зонах, где имеются неблагоприятные для протекания микробиологических процессов гидротермические условия, природа создает большой микробный пул, который дает возможность переработать количество органического вещества, примерно эквивалентное синтезируемому растениями за год, даже за короткий, благоприятный для протекания биохимических процессов период. Численность аэробных прокариотических микроорганизмов в почвах Колымской низменности, учтенная методом посева на крахмало-аммиачном агаре, составляет 1,0х105 - 4,3х108 кл/г для органоаккумулятивных, 3,0х103-3,1х107 кл/г для минеральных почвенных горизонтов (Спирина, мерзлотных Федоров-Давыдов,1998). почв Центральной По Якутии нашим данным превосходит по микрофлора численности микроорганизмов микрофлору тундровых почв Колымской низменности и микрофлору основных типичных почв Южной Якутии. При этом, численность аэробных прокариотических микроорганизмов в мерзлотных лесных почвах 144 Центральной Якутии, учтенная методом посева на мясо-пептонном агаре, составляет 3,2х105 – 25,1х108 кл/г для органо-аккумулятивных и 2,5х104 - 24,0х108 кл/г для минеральных почвенных горизонтов. Результаты, полученные нами, для основных типов почв Южной Якутии не отражают полностью состояние микробиоценозов почв Южной Якутии, так как образцы были отобраны разово в сентябре жаркого 1998 г. Тем не менее, по полученным нами данным микроорганизмами. почвы Численность Южной Якутии аэробных были бедны прокариотических микроорганизмов в мерзлотных и длительно-сезонномерзлотных почвах Южной Якутии, учтенная методом посева на мясо-пептонном агаре, составляла 4,1х105 - 2,8х106 кл/г для органо-аккумулятивных и 6,5х102 - 4,3х106 кл/г для минеральных почвенных горизонтов. При сравнении общей численности микроорганизмов в мерзлотных лесных и лугово-степных почвах Центральной Якутии, лесные почвы были в 10 раз более насыщенны микроорганизмами, чем лугово-степные. Численность аэробных прокариотических микроорганизмов в мерзлотных лугово-степных почвах Центральной Якутии, учтенная методом посева на мясо-пептонном агаре, составляла 5,1х105 – 4.5х108 кл/г для органо-аккумулятивных и 1,8х106 9,4х108 кл/г для минеральных почвенных горизонтов. Результаты наших исследований в течение семи лет показали, что из гидротермических условий на численность микроорганизмов в мерзлотных почвах Центральной Якутии наиболее сильное влияние оказывала влажность. Микробиоценозы лесных и лугово-степных почв Центральной Якутии по разному отреагировали на дождливые годы, но самый жаркий 2002 г оказал на них одинаковое влияние. Так в увлаженные годы, один из которых был холодным (1999 г.), а другой теплым (2003 г.) по численности микроорганизмов исследованные лесные почвы были богатыми или очень богатыми. С другой стороны, крайне засушливый (2001 г.) год был самым бедным по содержанию микроорганизмов в почвах. Из трех засушливых лет: 2000, 2001 и 2002 гг. выделяется 2002 г. Первый был самым холодным, второй 145 – крайне сухим, а третий – несмотря на то, что был самым жарким, количество осадков в нем все же превысило 2001 г. Поэтому лесные почвы в этом году были очень богаты микробиотой, как и в дождливые годы. Вероятно, высокая температура способствовала бурному размножению микроорганизмов, причем в нижних минеральных горизонтах, в которых из-за оттайки многолетней мерзлоты в жаркие месяцы, содержалось больше влаги, чем в верхних горизонтах почвы, что способствовало созданию здесь экологического оптимума. Лугово-степные почвы также, как и лесные почвы были очень богаты микроорганизмами в жаркий засушливый год (2002 г.), а в дождливый (2003 г.) напротив оказались бедны. Вероятно это связано с тем, что на открытых степных территориях смывающее действие дождевой воды на микроорганизмы сильнее, чем в относительно закрытых лесных экосистемах. Аэробные азотфиксирующие бактерии были обнаружены только в лугово-степных почвах Центральной Якутии, в лесных почвах они нами не найдены. Целлюлозолитические бактерии обнаружены во всех исследованных типах почв Центральной и Южной Якутии, при этом их численность была выше в засушливые годы и меньше в дождливые. По нашим данным, одной из характерных особенностей мерзлотных почв Якутии является увеличение плотности бактерий вниз по профилю почв, в отличие от длительно- и сезонномерзлотных почв Бурятии и России, где накопление бактерий происходит, как правило, в подстилках и верхних почвенных горизонтах. Данный выявленный характер распределения бактерий по профилю разных типов биогеоценозов Якутии, одинаков и не менялся в зависимости от погодно- климатических условий года. Феномен повышения численности микроорганизмов у подошвы сезонноталого слоя (СТС), благодаря которому их распределение приобретает бимодальный характер: первый (верхний) максимум приурочен к органогенным или гумусовым горизонтам, а второй (нижний) – к глубине максимального протаивания в теплое время года, описан также для почв Колымской тундры (Спирина, Федоров-Давыдов,1998). Подобные 146 надмерзлотные максимумы содержания микроорганизмов неоднократно ранее фиксировались исследователями микрофлоры северных почв, которые объясняли их либо аккумуляцией микроорганизмов на мерзлотном водоупоре, вымываемых из верхних горизонтов гравитационной влагой, либо более благоприятными условиями для их размножения в нижней части профиля в связи с обогащенностью ее доступным органическим веществом в результате криогенных процессов. По мнению Спириной с соавтором, приуроченность надмерзлотных максимумов численности микроорганизмов к водораздельным профилям автоморфных мерзлотных почв с промывным типом водного режима и отсутствие у подошвы СТС следов криотурбаций, ретинизации или каких-то других форм накопления гумуса, скорее говорит в пользу вымывания и аккумуляции микроорганизмов на мерзлотном водоупоре, а не размножения последних непосредственно в нижней части профиля. В нашем случае постепенное проникновение микроорганизмов в течение вегетационного периода в более глубокие почвенные горизонты и накопление их к осени свидетельствует о том, что происходит именно размножение их в нижней части профиля, а не вымывание из верхних горизонтов. Это подтверждает и установленный нами факт, о том, что больше всего микроорганизмов было обнаружено в мерзлотных почвах Якутии в засушливый и самый жаркий 2002 г, когда произошло наиболее сильное сезонное протаивание многолетней мерзлоты. Увеличение численности почвенных микроорганизмов имело два пика: в июне-июле – в верхних гумусированных слоях, и в августе-сентябре – в нижних минеральных почвенных горизонтах. Данная двухпиковая специфика количественного распределения микроорганизмов, по нашему мнению, определяется особенностями гидротермического режима мерзлотных лесных и луговостепных почв засушливой территории Центральной Якутии, когда оптимальное сочетание данных факторов (тепла и влаги) отмечается вначале и конце периода вегетации. 147 ВЫВОДЫ 1. Общая численность микроорганизмов (2,5х104 - 25,1х108 кл/г) лесных ландшафтов Центральной Якутии возрастает в ряду фитоценозов: сосняк < березняк < лиственничник, с соответствующими им типами мерзлотных почв: палево-бурой оподзоленной, палевой переходной и палевой осолоделой. Общая численность микроорганизмов в почвах Южной Якутии составляет 6,5х102 - 4,3х106 кл/г 2. По численности целлюлозолитических микроорганизмов (103-108 кл/г) наиболее богатыми оказались трансформированные постпирогенные палевые почвы березового леса. В мерзлотных лесных почвах Центральной Якутии численность целлюлозолитических микроорганизмов была больше в засушливые годы, целлюлазной и меньше - в дождливые. Максимальные значения активности в мерзлотных лугово-черноземных почвах Центральной Якутии достигают значений 2,4-3,8% в сутки. Численность целлюлозолитиков в почвах Южной Якутии составила 1,3х103 – 3,6х105 кл/г. 3. Численность азотфиксаторов в мерзлотных лугово-степных почвах Центральной Якутии, определенная по степени обрастания комочков почвы, изменялась от 0-2 до 26-100 морфофизиологическим свойствам %. Аэробные азотфиксаторы по близки к бактериям рода Azotobacter vinilandii. 4. Численность большинства изученных групп микроорганизмов в мерзлотных почвах криоаридной территории Центральной Якутии имеет два пика сезонной активности - в начале и конце периода вегетации. 5. Численность микроорганизмов в мерзлотных почвах Центральной Якутии зависит в большей степени от их влажности. 6. Характерной особенностью мерзлотных почв Якутии является высокая численность бактерий по всему профилю исследованных почв и этот показатель не зависит от погодно-климатических условий года. 148 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Абызов С. С., Бирюзова В. И., Кострикина Н. А. Актиномицеты из древнейших слоев ледника Центральной Антарктиды // Микробиология. 1990. т. 59. Вып. 6. С. 1094-1101. 2. Аксенов С.И. О предельной продолжительности анабиоза у микроорганизмов // Микробиология. 1982. т. 51. Вып. 5. С. 877-880. 3. Андреев В.Н., Галактионова Т.Ф., Михалева В.М и др. Луга якутии. М.: Наука, 1975. 176 с. 4. Аникеев В.В., Лукомская К.А. Руководство к практическим занятиям по микробиологии. М., Просвещение, 1977.С.99. 5. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. М.: Изд-во МГУ, 1970. 487 с. 6. Аристовская Т. В. Микробиология процессов почвообразования . Л., Наука, 1980. 187с. 7. Асонов Н.Р. Микробиология. М., Колос, 1980. 312 с. 8. Босиков Н.П. Эволюция аласов Центральной Якутии. Якутск: Изд-во ИМЗ СО РАН, 1991. 128 с. 9. Бурашникова Е. Н., Гоготов И. Н. Свойства пурпурной несерной бактерии, выделенной из многолетней мёрзлой породы Колымской низменности // Микробиология, 1994. №5, С. 868-872. 10. Бурюхаев С.П., Намсараев Б.Б., Корсунов В.М., Гончиков Г.Г. Численность микроорганизмов и динамика деструкционных процессов в низинных болотах Прибайкалья // Почвоведение. 2003. № 1, С.81-89. 11. Вайнштейн М. Б., Гоготова Г. Н., Хиппе Х. Сульфатовосстанавливающая бактерия из вечной мерзлоты // Микробиология. 1995. №4. С. 514-518. 12. Вишнивецкая Т. А., Губин С. В. Жизнеспособная микрофлора погребенных почв мерзлых отложений как индикатор палеобстановок // Проблемы криологии земли. Фундаментальные и прикладные исследования: Тез. докл. межд. конф. Пущино, 1997. С. 221-222. 149 13. Войнова - Райкова Ж., Ранков В., Ампова Г. Микроорганизмы и плодородие. М.: Наука, 1986. 120 с. 14. Воробьева Е. А., Гиличинский Д. А. Жизнь в мерзлоте – взгляд на проблему // Проблемы криологии земли. Фундаметальные и прикладные исследования: Тез. докл. межд. конф. Пущино, 1997. С. 41-42. 15. Воробьева Е. А., Гиличинский Д. А., Соина В. С. Жизнь в криосфере: взгляд на проблему // Криосфера Земли. 1997. т.1. № 2. С. 60-66. 16. Воробьева Е. А., Мамукелашвили А. Оценка микробной биомассы в мерзлых осадках Арктики и Антарктиды // Проблемы криологии земли. Фундаметальные и прикладные исследования: Тез. докл. межд. конф. Пущино, 1997. С. 214-216. 17. Гецен М. В., Костяев В. Я. Экология азотфиксации в тундре. АН СССР, Уральское отделение Коми научный центр, Серия препринтов «Научные доклады». 1985. Вып. 218. С. 7-11. 18. Гиличинский Д. А., Хлебникова Г.М., Звягинцев Д. Г., Федоров-Давыдов Д.Г., Кудрявцева Н.Н. Микробиологические характеристики при изучении осадочных пород криолитозоны // Изв. АН СССР. Сер. геол., 1989. № 6. С. 103-115. 19. Гиличинский Д. А. Воробьева Е. А., Соина В. С., и др. Микробиология вечной мерзлоты // Тр. 1-го Съезда геокриологов России. 1996. Часть I. С. 174-183. 20. Головченко А. В., Полянская Л. М. Сезонная динамика численности и биомассы микроорганизмов по профилю почвы // Почвоведение. 1996. № 10. С. 1227-1233. 21. Головченко А.В, Полянская Л.М. Особенности годовой динамики микроорганизмов в почвах южной тайги // Почвоведение. 2000. №4. С. 471 – 477. 22. Гришкан И. Б. Микроорганизмы мерзлотных почв верховий Колымы // Почвоведение, 1994 №7. С. 79-84. 150 23. Дамбаев В.Б. Структура и функциональная активность микробных сообществ приозерных солончаков Забайкалья: Автореф. дисс… . к.б.н. Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН. 2004. 18 с. 24. Демченко Е. Н., Маринеску К. М. Микроорганизмы почв // www. iatp. md/ iatp, 2000. 25. Десяткин Р.В. Почвы аласов Лено-Амгинского междуречья. Якутск: Издво ЯФ СО РАН СССР, 1984. 168 с. 26. Дмитриев В. В., Гиличинский Д. А., Файзутдинова Р. Н., Остроумова Н. В., Голубев В. И., Дуда В. И. Дрожжи в вечномерзлых отложениях Сибири позднеплиоценового-раннеплейстоценового возраста // Криосфера Земли, 1997. Т.1. № 2. С. 67-70. 27. Добровольская Т. Г., Лысак Л. В., Звягинцев Д. Г. Почвы и микробное разнообразие // Почвоведение, 1996. №6. С. 699-704. 28. Евдокимова Г.А., Мозгова Н.П. Сравнительная характеристика микробной биомассы AL-Fe-гумусовых подзолов Кольского полуострова // Почвоведение.2001. №12. С.1465-1472. 29. Еловская Л.Г., Коновровский А.К. Районирование и мелиорация мерзлотных почв Якутии. Новосибирск: Наука, 1978. 176 с. 30. Еловская Л.Г. Классификация и диагностика мерзлотных почв Якутии. Якутск: ЯФ СО РАН СССР, 1987. 172 с. 31. Заварзин Г. А., Кларк У. Биосфера и климат глазами биологов // Природа. 1987. №6. С. 65-77. 32. Звягинцев Д. Г. Почва и микроорганизмы. М.: Наука, 1987. 256 с. 33. Звягинцев Д.Г. Микроорганизмы в вечной мерзлоте // Успехи микробиологии. 1992. №25, С. 705-713. 34. Звягинцев Д.Г., Гиличинский Д. А., Благодатский С. А. и др. Длительность сохранения микроорганизмов в постоянно мерзлых осадочных породах и погребенных почвах // Микробиология. 1985. т. 54. Вып. 1. С. 155-163. 151 35. Звягинцев Д.Г., Федоров-Давыдов Д. Г., Гиличинский Д. А. и др. Микробиологические исследования почв и педолитов в криолитозоне // Естественная и антропогенная эволюция почв. Пущино,1988. С. 57-58. 36. Звягинцев Д.Г., Гиличинский Д. А., Хлебникова Г. М., Федоров-Давыдов Д. Г., Кудрявцева Н. Н. Сравнительная характеристика микробных сообществ многомерзлотных пород различного возраста и генезиса // Микробиология. 1990. т. 59. Вып. 3. С. 491-504. 37. Звягинцев Д.Г., Бабьева И. П., Зенова Г. М., Полянская Л. М. Разнообразие грибов и актиномицетов и их экологическое функционирование // Почвоведение. 1996. №6, С. 705-713. 38. Звягинцев Д.Г, Добровольская Т.Г и др. Особенности таксономического состава микробных комплексов в почвах Байкальского региона // Почвоведение, 1999. №6, С. 727 – 731. 39. Зенова., Звягинцев Д.Г. Актиномицеты в наземных экосистемах // Журн. Общ. биол. 1994. т. 55. №2. С. 198-210. 40. Зимов С. А., Давыдов С. П., Просянников С. Ф., Воропаев Ю. В., Семилетов И. П. Почвы Севера – генератор углекислоты // Вестник АН СССР. 1991. Вып. 8. С.75-76. 41. Зольников В.Г. Почвы восточной половины Центральной Якутии и их использование // Материалы о природных условиях и сельском хозяйстве Центральной Якутии. М.: Изд-во АН ССР, 1954. С. 55-221 42. Иванов Б.И., Максимов Т.Х.. Роль мерзлотных экосистем в балансе парниковых газов // Сиб. экол. журн. 1998.-Т.5, Вып.3-4. С. 233-236. 43. Иванова Т.И. Микробиологические исследования сапропелей в криолитозоне. // Наука и образование. Якутск,1998. №1. С. 39-40. 44. Исаев А. П. Лиственничные леса среднего течения реки Алдана // Докл. VII респ. Науч.-практ. конф. МУЖ. Якутск, 1988. С. 24-25. 45. Катасонов Е.М., Иванов М.С. Криолитология Центральной Якутии (путеводитель). Якутск, 1973. 37 с. 152 46. Кауричев И.С., Панов Н.П., Розов И.И. и др., - М.: Агропромиздат, 1989. 719 с. 47. Классификация почв России. М.: Почвенный институт им. В.В. Докучаева РАСХН, 2000. 236 с. 48. Коноровский А. К. Почвы севера зоны малого БАМа. Новосибирск. Наука, 1984. 120 с. 49. Коноровский А.К. Зональность и мерзлотность почв Якутии. Якутск, 1990. 43 с. 50. Коржуев С.С. Рельеф и геологическое строение // Якутия. М.: Наука, 1965. С.29-114 51. Красильников Н.А. Определитель бактерий и актиномицетов. Москва, 1949. 201 с. 52. Лакин П.Д. Биометрия. М.: Наука, 1989. 53. Мазилкин И.А. Микробиологическая характеристика дерноволесных почв Центральной Якутии // Труды Ин-та биологии. М.-Л., Изд-во АН СССР, 1955. С.45-73. 54. Мазилкин И.А. Микробиологическая характеристика дерноволесных и перегнойно-карбонатных почв Олекминского района ЯАССР.// Материалы о природных условиях и сельском хозяйстве Юго-Запада Якутской АССР. М., 1956. Вып.1. 55. Максимов Т.Х., Иванов Б.И. Мониторинг состояния мерзлотных экосистем: «Спасская падь», Якутск // Сибирский экологический журнал. 2005. №4. С.777-781. 56. Максимов Т.Х, Долман А.Й., Мурс Э.Й., Ота Т., Сугимото А., Иванов Б.И. Параметры круговорота углерода и воды в лесных экосистемах криолитозоны // Доклады АН. 2005. т. 404. № 5. С. 684-684. 57. Максимов Т.Х, Максимов А.П., Кононов А.В., Сугимото А., Долман А.Й., Мурс Э.Й., М.К. Ван дер Молен, Иванов Б.И. Эколого-физиологические особенности фотосинтеза лиственницы Каяндера в криолитозоне // Лесоведение. 2005. № 6. С.3-10. 153 58. Матаруева И.А. Об оценке микробиологической активности дерновоподзолистых почв // Почвоведение. 1998. № 1. С. 78-87. 59. Методы почвенной микробиологии и биохимии. / Отв. ред. Д. Г. Звягинцев. М.: Изд-во МГУ, 1991. 304 с. 60. Мишустин Е. Н., Мирзоева В.Н. Микрофлора почв севера СССР // Микрофлора почв северной и средней части СССР. М.: Наука, 1966. С.2453. 61. Мишустин Е. Н. Микроорганизмы и продуктивность земледелия. М., 1972. 342 с. 62. Мишустин Е. Н., Емцев В. Т.Микробиология. М.: Колос, 1970,320с. 63. Намсараев Б. Б. Геохимическая деятельность целлюлозоразлагающих микроорганизмов в пресных и соленых водоемах // Успехи микробиологии. 1992. № 25. С.143. 64. Наплекова Н. Н. Аэробное разложение целлюлозы микро-организмами в почвах Западной Сибири. М.: Наука, 1974. 250 с. 65. Наплекова Н. Н., Булавко Г. И. Изменение видового состава микроорганизмов дерново-подзолистой почвы и чернозема выщело-ченного под воздействием свинца // Микробоценозы почв при антропогенном воздействии. Новосибирск, Наука, 1985. С. 47-59. 66. Напрасникова Е.В., Макарова А.П., Данилова А.А. Биологическая активность мерзлотно-таежной палевой слабоосолоделой почвы Центральной Якутии // Биологические науки. 1988. № 7. С. 93-97. 67. Остроумова Н. В., Файзутдинова Р. Н., Вишнивецкая Т. А., Гиличинский Д. А. Микрокалориметрические исследования дрожжей, выделенных из вечной мерзлоты // Проблемы криологии земли. Фундаметальные и прикладные исследования: Тез. докл. межд. конф. Пущино, 1997. С. 17218. 68. Павлова О. С., Полянская Л. М., Кочкина Г. А., Иванушкина Н. Е. Особенности микробной сукцессии в почвах Окского заповедника // Почвоведение. 2000. № 3. С. 320-328. 154 69. Паринкина О.М. О микробиологической характеристике некоторых почв Западного Таймыра // Биогеоценозы Таймырской тундры и их продуктивность. Л.: Наука, 1971. С. 32-35. 70. Паринкина О.М. Микрофлора тундровых почв. Экологические особенности и продуктивность. Л.: Наука, 1989. С.59-60. 71. Петренко И.А. Макро - и микромицеты лесов Якутии. Н.: Наука, 1978. 132 с. 72. Петрова Е.И. Почвы Южной Якутии. Якутск, 1971. 168 с. 73. Полянская Л. М., Гейдебрехт В. В., Степанов А. Л., Звягинцев Д. Г. Распределение численности и биомассы микроорганизмов по профилям зональных типов почв // Почвоведение. 1995. № 3. С. 322-328. 74. Полянская Л. М., Звягинцев Д.Г. Содержание и структура микробной биомассы как показатель экологического состояния почв // Почвоведение. 2005. № 6. С.706-714. 75. Прибылых Е.И. Влияние экологических факторов на биологическую активность мерзлотной таежной палевой почвы Центральной Якутии: Автореф. дисс… к.б.н. Новосибирск: Изд-во ГНУ ЯНИИСХ СО РАСХН. 2005. 19 с. 76. Ривкина Е. М., Фридманн Е. И., Маккей К. М., Гиличинский Д. А. Метаболическая активность микроорганизмов в вечной мерзлоте // Проблемы криологии земли. Фундаментальные и прикладные исследования: Тез. докл. межд. конф. Пущино, 1997. С. 197-198. 77. Саввинов Д.Д. Гидротермический режим почв в зоне многолетней мерзлоты. Новосибирск: Наука, 1976. 255 с. 78. Саввинов Д.Д., Миронова С.И., Босиков Н.П. и др. Аласные экосистемы: Структура, функционирование, динамика. Новосибирск: Наука,2005.264с. 79. Семенов С.М. Лабораторные среды для актиномицетов и грибов. Справочник - М.: Агропромиздат,1990. 240 с. 80. Семенова Т.Н. Водный режим мерзлотных луговых почв (на примере Центральной Якутии). Якутск: ЯФ СО АН СССР, 1987. 167 с. 155 81. Скрябин З.С., Караваев М.Н. Зеленый покров Якутии. Якутск, 1991. С.9295 82. Скрыбыкина В.П., Чевычелов А.П. Тренды климатических показателей долинно-котловинной почвенной зональности Центральной и Южной Якутии // Вестник Томского госуниверситета. 2003. №3 (IV). С.294-297 83. Соина В.С. и др. Нитрифицирующие бактерии из многолетнемерзлых отложений Колымской низменности. // Микробиология. 1991- №1, С. 187191. 84. Спирина Г.С. Микробоценозы тундровых почв Колымской низменности. // www. soil. msu. ru., 1998. 85. Спирина Е.В., характеристика Федоров-Давыдов мерзлотных почв Д.Г. Микробиологическая Колымской низменности // Почвоведение. 1998. № 12. С. 1462-1475. 86. Тимофеев П.А. Леса Якутии. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2003. 194 с. 87. Теппер Е.З., Шильникова В.К., Переверзева Г.И. Практикум по микробиологии. М.: Колос, 1993. 216 с. 88. Федоров М.В. Микробиология. М.:Сельхозгиз, 1955. 438 с. 89. Хлебникова Г.М., Гиличинский Д.А., Федоров-Давыдов Д.Г., Воробьева Е.А. Количественная оценка микроорганизмов в многолетнемерзлых отложениях и погребенных почвах.// Микробиология. 1990. №1, С.148154. 90. Чернов Ю. И. Структура животного населения Субарктики. М.: Наука, 1987. С. 95-98. 91. Черняковская Т.Ф., Добровольская Т.Г., Лысак Л.В., Ванина С.А. Закономерности распределения эпифитных и сапротрофных бактерий по компонентам вертикальной структуры степных биогеоценозов// Почвоведение. 1990. №6. С.68-77. 92. Шашко Д. И. Климатические условия земледелия Центральной Якутии. М., 1971. С. 12-14. 156 93. Шиндлер Д.Р., Чевычелов А.П. Микроэлементы в почвах Южной Якутии. Новосибирск: Наука, 1992. 103 с. 94. Щелчкова М. В., Охлопкова А. В., Иванова Т. И. Целлюлозная активность почв Юж. Якутии // Наука и образование. Якутск, 1999. №2, С.30-36. 95. Щербаков И.П. Лесной покров Северо-Востока СССР. Новосибирск: Наука. 1975. 344 с. 96. Dolman A.J., Maximov T.C., Moors E.J., Maximov A.P., Elbers J.A., Kononov A.V., Waterloo M.J., and van der Molen M.K. 2004. Net ecosystem exchange of carbon dioxide and water of far eastern Siberian Larch (Larix cajandrii) on permafrost .// Biogeosciences. 1: 133-146 // www. biogeosciences. net/bg/1/133/ 97. Friedman, E.I., and A.M. Koriem. 1989. Life on Mars: how it dissappeared (it if was ever there) // Adv.Space Res. 9(6):167-172. 98. Friedman, E.I. 1994. Permafrost as microbial habitat. In: Viable microoorganisms in permafrost (D. A. Gilichinsky ed). Russian Academy of Sciences. Pushchino. P. 21-26. 99. Friedman E. I., Gilichincky, D. A., Wilson G. S. et al. Viabl bacteria. Methane and high ice content in Antarctica Permafrost // 8-th ISSM meeting. II-th International Conference of the Origin of the life. Orleans. France. July 5-12. 1996. Abstract – 1. P. 60. 100. Gilichincky, D. A. And G.M. Khlebnicova, D.G. Zvyaginsev, D.G. Fyodorov-Davydov, Kudryavtseva. 1988. The use of microbiological characteristics of rocs in geocryology // Proc. 5 th Int. Conf. Permafrost 1: 749753. 101. Gilichincky, D. A. And G.M. Khlebnicova, D.G. Zvyaginsev, D.G. Fyodorov-Davydov, Kudryavtseva. 1989. Microbiology of sedimentary materials in the permafrost zone // Int. Geol. Rev. 31: 847-858. 157 102. Gilichincky, D. A., Vorobyova E. A., L. G. Erokhina, D. G. FyodorovDavydov and N. R. Chaikovskaya. 1992. Long-term preservation of microbial ecosystems in permafrost // Adv. Space Res. 12 (4): 255-263. 103. Gilichinsky, D.A. 1993. Viable microorganisms in permafrost: the spectrum of possible application to new investigations in science for cold regions // Proc. 5h Int. Conf. Thermal Ingeneering & Science for Cold Regions, Hanover, N.H. P. 211-221. 104. Gilichinsky, D.A., and E.M. Rivkina, V.A. Samarkin. 1993. The microbiological and biogeochemical research in permafrost: Paleoecological implication // Proceeding of the 6 Int. Conf. on permafrost / Beijing / 5-9 july. P. 869-874. 105. Gilichinsky, D.A. and S. Vagener. 1994. Historical review. In: Viable microoorganisms in permafrost (D. A. Gilichinsky ed). Russian Academy of Sciences. Pushchino. P. 7-20. 106. Hoover, B.R. 1997. Meteorites, microfossils, and exobiology // Spie. 3115: 115-136. 107. Lebedeva E., V. Soina. 1994. Nitrifying bacteria as a promising group for paleoecological investigation in the permafrost. In: Viable microorganisms in permafrost (D.A. Gilichincky ed). Russian Academy of Sciences. Pushchino. P. 74-82. 108. Shi, T., R.N. Reeves, D.A. Gilichinsky, E.I. Friedman. 1997. Characterization of iable bacteria from Siberian permafrost by sequencing // Microbial ecology. Vol.33(3): Р.169-179. 109. Soina V., and Vorobyova. 1994. Preservation of microbial cell structures in the permafrost. In: Viable microorganisms in permafrost // (D.A. Gilichincky ed). Russian Academy of Sciences. Pushchino. P. 37-47. 110. Soina, V.S., E.A. Vorobyova, D.G. Zvyagintsev, and D.A. Gilichinsky. 1995. Preservation of cell structures in permafrost: a model rop exobiology // Adv. Space Res. 15(3):237-242. 158 111. Vorobyova, E.A., V. Soina. 1994. Evaluation of the biochemical activity of permafrost deposits during thawing: Physiological and biochemical characteristics of some isolated microorganisms. In: Viable microoorganisms in permafrost (D. A. Gilichinsky ed). Russian Academy of Sciences. Pushchino. P. 99-115.
