Микробные комплексы верховых торфяников : структура, биомасса, экология

• Автор: Богданова, Ольга Юрьевна
• Шифр специальности: 03.02.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 137 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Научная новизна
Практическая значимость
Апробация работы
Публикации
Объем и структура работы
1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
ЕЕ Торфяные почвы: распространение, классификация, среда обитания
микроорганизмов
1.2. Микробный пул в торфяниках
1.3. Жизнеспособность микроорганизмов в торфяниках
1.4. Таксономический состав и функции микроорганизмов в торфяниках
1.5. Анализ экологических факторов, лимитирующих функционирование микробных комплексов в верховых торфяниках
1.5.1. Недостаток кислорода
1.5.2. Кислая реакция среды
1.5.3. Низкие температуры
1.5.4. Недостаток элементов минерального питания
1.5.5. Токсичность фенольных соединений
1.5.6. Устойчивость сфагновых мхов
2. ОБЪЕКТЫ
3. МЕТОДЫ
4. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
4.1. Жизнеспособность микроорганизмов верховых торфяниках
4.1.1. Грибной мицелий
4.1.2. Бактерии
4.2. Динамика показателей обилия и активности микроорганизмов в верховом торфянике в модельных опытах
4.2.1. Микроаэрофильные условия
4.2.2. Усиление аэрации за счет перемешивания слоев
4.2.3. Низкие температуры
4.2.4.Нарушение структуры сфагнума путем его механического разрушения
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Торфяные болота являются крупнейшим депозитарием устойчивого органического углерода. Мировой пул углерода торфов составляет около 455 млрд. т (Gorham, 1991; Smith et al., 2004), не менее трети этого пула приходится на Россию (Вомперский и др., 1999). Верховые болота на территории нашей страны по площади и запасам торфа преобладают над всеми другими типами болот. Показано, что верховые торфяники являются бесценными природными кладовыми микроорганизмов. Об этом свидетельствуют данные прямых микроскопических методов, с помощью которых была выявлена высокая численность микроорганизмов в их толще (Головченко и др., 2007, 2008). Верховые торфяники, обладая высокими запасами микробной биомассы, тем не менее характеризуются низкими темпами минерализации торфа.
Анализ причин замедленной деструкции верхового торфа, который проводится уже более века, продолжает привлекать внимание исследователей. В качестве факторов, тормозящих процесс деструкции верхового торфа, различные авторы (Moore, 1989; Aerts et al., 1999; Verhoeven, 1997; Заварзин, 2003; Freeman, 2004; Бамбалов, 2006; Turetsky et al., 2008; Stalheim et al., 2009; Hajek et al., 2011) называют анаэробиоз, повышенную кислотность, низкую температуру, недостаток элементов минерального питания, токсичность фенольных соединений, разобщенность субстрата, ферментов и микробных клеток, химическую устойчивость сфагнума. Несмотря на множество высказанных гипотез, на основании которых ученые пытаются объяснить, какие именно экологические факторы определяют скорость деструкции верхового торфа, этот вопрос до сих пор остается дискуссионным. Кроме того, нет обстоятельных исследований, в которых было бы изучено, как влияют различные экологические факторы на микробные сообщества, осуществляющие процесс разложения растительных остатков в верховых торфяниках. Остается нерешенным вопрос о жизнеспособности микроорганизмов в верховых
торфяниках, особенно на глубине, где возраст слоев определяется тысячелетиями.
Целью работы стала оценка влияния экологических факторов на численность, биомассу и активность микроорганизмов в верховых торфяниках.
Были поставлены следующие задачи:
1. Определить жизнеспособность микроорганизмов в верховых торфяниках.
2. Изучить в динамике показатели обилия и активности микроорганизмов в верховом торфянике:
2.1. в микроаэрофильных условиях;
2.2. при перемешивании слоев;
2.3. при низких температурах;
2.4. при механическом измельчении сфагнума.
НАУЧНАЯ НОВИЗНА
Впервые с помощью прямых люминесцетно-микроскопических методов определена жизнеспособность бактерий в толще верховых торфяников. Живые клетки бактерий удалось обнаружить по всему профилю. Их доля была максимальной в верхних слоях (до 55%), с глубиной она убывала и не превышала 25% в нижней толще. В торфяниках оказалась самой высокой доля покоящихся клеток, которая увеличивалась вниз по профилю до 75-95%, и самой низкой была доля мертвых клеток. Впервые, моделируя разные условия для разложения верхового торфа в условиях микрокосма, установлено, что недостаток кислорода в толще верхового торфяника определяет резкое снижение микробной биомассы с глубиной за счет угнетения развития как грибов, так и бактерий. Улучшение водно-воздушного режима за счет перемешивания слоев торфа активирует деятельность главных деструкторов растительных остатков - грибов. В хорошо аэрируемых образцах в 2-7 раз увеличивается их биомасса, и в 2 раза возрастает эмиссия СОг. Впервые

В естественной среде питательные элементы (азотсодержащие вещества, фосфор и др.) находятся в очень низких концентрациях. Рост в данном случае будет зависеть от способности организмов поглощать эти редкие элементы в условиях значительной конкуренции с другими видами [Nedwell, Gray, 1987].
Недостаток элементов минерального питания в почвах обусловлен взаимодействием следующих факторов:
1) источник питательных элементов;
2) абиотические факторы (например, pH);
3) состав растительных сообществ [Chapin et al., 2004].
Некоторые исследователи полагают, что недостаток элементов минерального питания в верховых торфяниках способен существенно ограничивать скорость деструкции растительных остатков.
Низинные торфяники содержат достаточные количества химических элементов, необходимых для жизнедеятельности микроорганизмов, разлагающих органическое вещество. Зольность низинных торфов составляет 5-18% [Ковда, 1988]. В олиготрофных болотах содержание элементов минерального питания многократно меньше. Верховые торфяники лимитированы, главным образом, по фосфору и азоту [Verhoeven et al., 1990]. Многочисленными экспериментальными работами было показано, что процесс разложения сфагновых мхов, содержащих мало биогенных элементов в своем составе, характеризуется крайне низкими скоростями [Coulson, Butterfield, 1978; Bartsch, Moore, 1985; Johnson, Damman, 1993; Aerts et al., 1999].
Было показано, что при внесении извести и NPK убыль остатков мха от первоначальной массы составила 47%, тогда как без внесения удобрений она составляла 20% [Германова, 1978, 1982]. Также доказано, что недостаток Р и К ограничивает микробную активность [Brake et al., 1999; Francez et al., 2000; Добровольская и др., 2013]. Экспериментально показано [Шинкарева, 1976], что при недостатке в торфяной залежи элементов минерального питания микроорганизмы не способны разлагать органическое вещество чистой