Сезонная динамика плотности обрастания стекол микроорганизмами в степных экосистемах Западного Забайкалья

Степи как естественные угодья Забайкалья — весьма ценные кормовые ресурсы, поэтому они с давних времен интенсивно используются коренными жителями под пастбища. Но в настоящее время аридизация климата, промышленное использование степных территорий и различные антропогенные воздействия (бессистемный выпас домашнего скота, вспашка земель, выжигание растительности и др.) привели к отчуждению, интенсивному их использованию и деградации. Поэтому одной из современных проблем является сохранение степных экосистем.

Коренное преобразование экологии природных экосистем сопровождается, прежде всего, изменением структуры микробных ассоциаций, их биохимической и функциональной деятельности и в конечном итоге — снижением плодородия почвы, продуктивности фитоценозов, питательной ценности травостоя и другими нежелательными процессами.

Таким образом, изучение современного состояния структуры и деятельности микробных сообществ этих уникальных природных экосистем Забайкалья имеет большой научный и практический интерес.

Основной целью наших исследований было изучение сезонной динамики плотности обрастания стекол микроорганизмами в степных экосистемах Западного Забайкалья.

Объекты и методы исследования

Исследования микробных сообществ степных экосистем Западного Забайкалья проводились с 2011 по 2014 г. на стационарных экспериментальных площадках. Три площадки (№ 1–3) заложены в Тугнуйской котловине Мухоршибирского района, в отрогах хребта Барского (южный склон хребта Саган-Дабаан), две площадки (№ 4–5) — в предгорьях хребта Хамар-Дабан Иволгинского района на высоте 598–686 м над ур. м с координатами 51008/–51036/ с. ш. и 107003–1070768/ в. д.

Растительность представлена ковыльно-разнотравными сообществами, почвы — каштановыми.

Микробные сообщества в исследуемых степных экосистемах изучены методом обрастания стекол [1]. Стекла обрастания были заложены на поверхности почв в полевых условиях на пробных площадках в различные годы и сезоны года.

Заселенность микроорганизмов на стеклах обрастания оценивали по 5-балльной шкале [2]. Морфологические признаки микроорганизмов изучали, используя микроскоп (Axiostar plus Zeiss), увеличение 1 000 раз.

Результаты исследования

На стеклах обрастания мы наблюдали различные таксономические группы микроорганизмов: бактерии, грибы и водоросли и различные формы их существования. Главенствующее положение в данных микробоценозах занимают бактерии.

При микроскопировании данных стекол плотность обрастания в основном представлена бактериями (оценена в 2,0–4,0 балла) в виде палочковидных (1–5 мкм), овальных (2–3 мкм) и кокковидных форм (0,5–1 мкм) (в основном микрококки, а также редко диплококки). Незначительно на стеклах представлены гифы грибов (0–2,0 балла), мицелии актиномицетов (0–1,5 балла), а также водоросли (0,5–2,0 балла). Благодаря сложности рельефа, мозаичности растительного покрова в исследуемых степных экосистемах на поверхности почвы наблюдается набор различных микросред, в каждой из которых создаются совершенно различные условия для развития отдельных групп микроорганизмов. В пользу данной концепции свидетельствуют полученные материалы исследования микробных пейзажей. На стеклах обрастания, заложенных на одном и том же участке, отмечены скопления как одних бактерий, так и различных групп микроорганизмов: бактерий, грибов и водорослей.

Анализ микробных пейзажей стекол обрастания в разные годы исследования незначительно отличается. В сухой 2014 г. наблюдается более низкая плотность обрастания микроорганизмами. Однако отмечены определенные закономерности плотности обрастания стекол (микробных пейзажей) в разные сезоны года.

Более высокая плотность стекол обрастания микроорганизмами отмечена в летний и раннеосенний период, наиболее благоприятный по гидротермическим показателям для жизнедеятельности микроорганизмов во всех исследуемых экосистемах. «Микробные пейзажи» представлены на некоторых стеклах обрастания в виде крупных скоплений палочковидных, кокковидных и овальных форм бактерий. Значительными размерами скоплений отличались кокковидные формы бактерий. Часто можно встретить одиночные мелкие палочковидные и овальной формы клетки, а также сцепленные палочки, состоящие из 2–3–4 клеток.

В то же время на отдельных стеклах обрастания можно отметить смешанные популяции бактерий, грибов, актиномицетов и водорослей. Наряду с многочисленными бактериями обнаружено небольшое количество актиномицетов и грибов, представленных в виде мицелий и гифов. Гифы грибов часто окружены скоплениями бактерий кокковидной и палочковидной форм. При этом нередко можно видеть явления лизиса гифов бактериями. Грибы в биохимическом отношении являются наиболее активными и создают вокруг себя среду, насыщенную продуктами своего распада, и тем самым привлекают бактерии, нуждающиеся в этих продуктах.

В изобилии представлены на стеклах обрастания водоросли, среди которых морфологически различимы диатомовые (Pleurosigma sp), зеленые водоросли (Desmidium sp, Closterium sp). Также встречаются цианобактерии (Anabena sp, Oscillatoria sp). Распространение водорослей и цианобактерий наряду с основными деструкторами органического вещества растительного опада бактериями и грибами вполне закономерно. Они снабжают гетеротрофные микроорганизмы углеводами и другими энергетическими соединениями, синтезируемыми ими в ходе фотосинтеза. На поверхности некоторых зеленых водорослей отмечены скопления в основном палочковидных и редко овальных форм бактерий.

Весной обрастание стекол было слабым, причем преимущественно развивались палочковидные, диффузно расположенные бактерии, единичные микроколонии из двух и более клеток, а также небольшие скопления овальных форм бактерий .

Наблюдались одиночные водоросли и редкие диффузно разбросанные мицелии грибов и актино-мицетов.

Результаты плотности обрастания стекол представлены на рис. 1–3.

Рис. 1. Плотность обрастания стекол микроорганизмами в исследуемых степных экосистемах Бурятии (зимний и ранне-весенний период — 02.11.11 — 07.05.12; 02.11.13 — 03.05.14 (1–3 участки) и 04.11.11 — 07.05.12; 04.11.13 — 11.05.14 (4 и 5 участки))

Рис. 2. Плотность обрастания стекол микроорганизмами в исследуемых степных экосистемах Бурятии (конец весны — первая половина лета — 07.05.12–30.07.12; 03.05.14–06.08.14 (участки 1,2,3) и 8.05.12–28.07.12; 11.05.14–03.08.14 (участки 4,5))

Примечание: отсутствие данных на 5-м участке обусловлено пожарами

Балл

□ Бактерии

□ Грибы □ Водоросли ■ Актиномицеты

Рис. 3. Плотность обрастания стекол микроорганизмами в исследуемых степных экосистемах Бурятии (вторая половина лета и осень — 22.07.11–02.11.11; 06.08.14–04.10.14 (1–3 участки) и 4.08.11–04.11.11; 03.08.14–05.10.14 (4–5участки)).

Примечание: отсутствие данных на 5-м участке обусловлено пожарами

Таким образом, проведенные исследования микробных пейзажей выявили большое разнообразие различных таксономических групп микроорганизмов, представленных в основном бактериями, а также грибами и водорослями. Стекла обрастания дают весьма отчетливую картину влияния природно-климатических особенностей исследуемого региона на структуру микробных сообществ. Наличие на стеклах заложенных в благоприятный по гидротермическим показателям летний и ранне-осенний периоды крупных бактериальных скоплений и микроколоний, а также разветвленного мицелия грибов и актиномицетов свидетельствует о бурном размножении и активной биохимической деятельности микробных сообществ. Микробные пейзажи стекол обрастания весеннего периода, когда почвы недостаточно прогреты, представленные единичными диффузно расположенными бактериальными клетками и слаборазвитыми мицелиями грибов и актиномицетов, служат показателем угнетения жизнедеятельности микроорганизмов.