Сравнительная характеристика микробиоты черноземов в заповедных и антропогенно преобразованных сообществах

Автор: Проценко Е.П., Караулова Л.Н., Проценко А.А., Чаплыгина О.В., Медянцев П.Л., Сошнин П.Г.

Журнал: Известия Самарского научного центра Российской академии наук @izvestiya-ssc

Статья в выпуске: 1-5 т.13, 2011 года.

Бесплатный доступ

Дана сравнительная характеристика состава микробных сообществ верхнего слоя черноземов типичных абсолютно заповедной степи Центрально-Черноземного заповедника им. В.В. Алехина и черноземов, которые находятся в сельскохозяйственном использовании, то есть испытывают антропогенную нагрузку различного уровня. Показано, что суммарное количество бактерий, определенное методом газовой хроматографии - масс-спектрометрии, было примерно одинаковым в почвах вариантов с сельскохозяйственным использованием и в 2 раза ниже в черноземе заповедной степи.

Микробные сообщества, химические маркеры, почвенные бактерии, ассоциативная азотфиксация, черноземы типичные

Короткий адрес: https://sciup.org/148199833

IDR: 148199833

Текст научной статьи Сравнительная характеристика микробиоты черноземов в заповедных и антропогенно преобразованных сообществах

Исследования проводились на территории Центрально-Черноземного заповедника им. В.В. Алехина на участке абсолютно заповедной степи и прилегающих полях сельскохозяйственного назначения. Режим абсолютного заповедования предполагает отсутствие вмешательства человека в развитие экосистемы степи и поддерживается на протяжении 60 лет. Объектами исследования явились образцы чернозема типичного, отобранные в июле 2010 г. на 3 участках: абсолютного заповедования в Стрелецкой степи; на участке с бессменным возделыванием озимой пше-ницы–N40P40K40 ежегодно; на поле с зернопаропропашным севооборотом, представленным чередованием следующих культур: чёрный пар– P80K80, озимая пшеница–N40, сахарная свекла – N180P160K80, ячмень –N40P40K40. Средняя проба почвы отбиралась на площадках площадью 1 м2 в верхнем слое (0-20 см).

Методика. Состав микробного сообщества определяли молекулярным методом газовой хроматографии–масс-спектрометрии (ГС-МС). Анализ проводили на ГХ-МС системе HP-5973 Agilent Technologies (США). Метод позволяет по химическим компонентам жирно-кислотного состава мембранных структур-маркеров и математическому соотнесению их с имеющимся банком

Чаплыгина Ольга Вячеславовна, аспирантка

Медянцев Павел Львович, кандидат биологических наук, старший преподаватель

Сошнин Павел Геннадьевич, аспирант данных по этому показателю определять состав и структуру сообщества микроорганизмов. Метод позволяет анализировать сообщества микроскопических грибов и бактерий, в том числе акти-номицетов [6].

Результаты и обсуждение. Суммарное количество бактерий было примерно равно в почвах вариантов с сельскохозяйственным использованием и в 2 раза ниже в черноземе заповедной степи (рис.1, табл. 1). Ранее при анализе количества микроорганизмов в почвах природных зон России (средне - и южнотаежной, лесостепной, степной и сухостепной) было показано, что в целинных почвах этот показатель в 4-5 раз выше по сравнению с пашней, за исключением сухостепной зоны (темно-каштановые и каштановые почвы, поливное земледелие). В этих почвах сельскохозяйственного использования численность микроорганизмов была в 2 и более раз выше целинных участков [1]. Это свидетельствует о том, что используемая система земледелия на изучаемом типичном чернозёме не ведет к подавлению развития микробоценоза почвы.

Анализ состава сообщества микроорганизмов типичного чернозема заповедной степи при разных системах выращивания культур показал (табл. 1), что он достаточно разнообразен (43-45 видов, относящихся к 37 родам). Сравнение вариантов опыта по показателю индекса Шеннона не выявил существенных различий между почвами – он равнялся 4,6-4,7. Однако по количеству отдельных видов в сообществе почвы существенно отличались. Так, для почвы заповедной степи характерно более высокое содержание только 4 штаммов – 3 вида бактерий Acetobacter sp., Arthrobacter sp., Mycobacterium sp. и актино-мицета Streptomyces sp. (табл. 1). Суммарное количество данных видов внутри сообщества составляет 10-14%.

■ Заповедная степь

Зернопаропропашно

С/

□ Бессменная пшеница

Рис. 1. Количество бактерий, определенное методом газовой хроматографии – масс-спектрометрии, в черноземной почве под сельскохозяйственным использованием и в черноземе типичном заповедной степи

Таблица 1. Состав сообщества микроорганизмов чернозема типичного заповедной степи и агро-педоценозов

Микроорганизмы, кл/г х10⁶	Заповедная степ ь	Зерн опа-ро-пропаш-ной с/о	Бессменная пшеница
Acetobacter sp.	0,72	1,02	0,98
Agrobacterium radiobacter	0,34	0,00	0,17
Methylococcus sp.	0,19	0,22	0,21
Pseudomonas fluorescens	0,14	1,54	0,96
P.putida	0,17	0,93	0,52
P. vesicularis	0,21	0,58	0,29
Riemirella sp.	0,08	0,25	0,16
Sphingobacterium spiritovorum	0,05	0,23	0,20
Sphingomonas adgesiva	0,12	0,27	0,26
Sphingomonas capsulata	0,08	0,38	0,33
Xanthomonas sp.	0,12	0,57	0,35
FeRed	0,42	1,26	0,42
Aeromonas hydrophila	0,09	2,27	1,00
Ochrobactrum sp.	0,06	0,13	0,18
Bacteroides hypermegas	0,01	0,21	0,01
Bacteroides ruminicola	0,08	0,14	0,09
WARB*	0,16	0,37	0,31
Desulfovibrio sp.	0,06	0,00	0,20
Chlamydia sp.	0,02	0,00	0,00
Cytophaga sp.	0,03	0,29	0,18
Arthrobacter sp.	0,97	1,74	1,30
Caulobacter sp.	0,22	0,00	0,20
Bacillus subtilis	0,00	0,04	0,15
Актиномицеты, кл/г х 10⁶
Rhodococcus equi	0,41	0,72	0,47
Rhodococcus terrae	0,58	0,27	0,37
Pseudonocardia sp.	0,16	0,27	0
Bacillus sp.	0,14	0,54	0,38
Clostridium pasteurianum	0,19	0,22	0,21
C.perfringens	0,02	0,03	0,01
Acetobacterium sp.	0,04	1,19	0,26
Butyrivibrio 1-2-13	0,05	0,21	0,00

Butyrivibrio 1-4-11	0,00	0,01	0,01
	Продолжение таблицы 1
Butyrivibrio 7S-14-3	0,36	1,51	0,49
Bifidobacterium sp	0,02	0,17	0,06
Corynebacterium sp.	0,22	0,30	0,27
Eubacterium sp.	0,00	0,00	0,01
Eubacterium lentum	0,07	0,13	0,08
P. freudenreichii	0,13	0,00	0,26
Propionibacterium sp.	0,65	0,53	0,57
Mycobacterium sp.	1,15	1,19	2,31
Rhodococcus equi	0,41	0,72	0,47
Rhodococcus terrae	0,58	0,27	0,37
Ruminococcus sp. +**	0,15	0,00	0,08
Pseudonocardia sp.	0,16	0,27	0,00
Streptomyces sp	1,06	1,03	1,36
Nocardia carnea	0,06	0,08	0,15
Nocardiopsis sp.	0,12	0,05	0,05
Actinomadura roseola	0,10	0,26	0,27
Сумма	10	21	16

Представители рода Aсetobacter (7,2% в сообществе) – уксуснокислые бактерии – играют существенную роль в трофических (пищевых) взаимоотношениях в микробном сообществе, способны к азотфиксации и продуцированию фитогормонов, в частности, индолилуксусной кислоты. Arthrobacter sp. (9,7% в сообществе) – автохтонный вид, способный к ассоциативной азотфиксации, а также к использованию собственного органического вещества почв. Кроме того, Arthrobacter globiformis и Mycobacterium sp. (11,5%) обладают антифунгальной активностью [10] Artrobacter globiformis способен стимулировать рост растений, продуцируя ростовых веществ – ауксинов и гиберрелин подобных соединений [9]. Представители рода Streptomyces sp. (10,6% в сообществе) относятся к активным гид-ролитикам сложных полимеров и способны к окислению многих органических веществ до состояния полной минерализации. Кроме того, Streptomyces sp. способен к азотфиксации, а также к продуцированию ряда антибиотиков, в том числе, и инсектицидов. Показано, что все исследованные штаммы Streptomyces sp. способны к выработке железопереносящих соединений – сидерофоров [7]. Благодаря данным веществам стрептомицет выступает как фактор, регулирующий состав ценоза, подавляя развитие одних видов и обеспечивая условия для размножения других.

По сравнению с почвами, находящимися под сельскохозяйственным использованием, черноземы заповедной степи отличаются повышенным содержание бактерии Agrobacterium radiobacter и актинобактерий Rhodococcus terrae и Nocardiopsis sp. (рис. 2). Все остальные отмеченные виды представлены в меньшем количестве, что не обеспечивает повышения общей численности бактерий в черноземе заповедной степи.

Агробактерии составляют в сообществе 3,4% от общего числа видов. В качестве источника углерода эти бактерии используют различные углеводы, соли органических кислот и аминокислот. Актинобактерия Rhodococcus terrae

(содержание в сообществе 5,8%) и актиномицет Nocardiopsis sp. (1,2%), напротив, обладают обширным комплексом гидролитических ферментов, который позволяет им использовать полимерные углеводы, поставляя исходные органические субстраты для метаболизма агробактерий. К положительным свойствам агробактерий относится их способность к мобилизации фосфора [7]. По-видимому, именно этот консорциум микроорганизмов составляет основное трофическое ядро в черноземе типичном заповедной степи. В сравнении с составом микробного сообщества чернозема, находящегося в сельскохозяйственном использовании, почва заповедной степи содержит в 2 раза больше (в сравнении с вариантом бессменной пшеницы) олиготрофной бактерии Caulobacter sp. (2,2% в сообществе). В почве варианта с зернопаропропашным севооборотом этот вид не выявлен в концентрации выше 104 (чувствительность метода). Этот вид бактерий играет в почве агрегатообразующую роль, а в трофическом отношении входит в микробном сообществе в структурную группу олиготрофов [4, 7].

Рис. 2. Сравнение количества микроорганизмов в типичном черноземе заповедной степи и такой же почвы, находящейся в длительном сельскохозяйственном использовании

Сравнение микробного сообщества почв на вариантах с разной системой сельскохозяйственного использования показало (табл. 1, рис. 1), что эти почвы мало отличаются между собой по общей численности микроорганизмов, однако, в составе микробоценоза есть отличия. Так, по содержанию факультативных и облигатных анаэробов почвы зернопаропропашного севооборота наиболее богаты, в сравнении с почвами под бессменной пшеницей и заповедной степью (табл. 2). Из «полезных» анаэробных видов можно отметить Clostridium pasteurianum. Его содержание в почве зернопаропропашного севооборота в два раза выше, чем в почве под бессменной пшеницей и в 4 раза выше, чем в черноземе заповедной степи.

К «полезным» видам для почвенного плодородия можно отнести Bifidobacterium sp благодаря его способности к выделению ряда ферментов, аминокислот и регуляторов роста растений. Его количество также выше в черноземе, используемом в зернопаропропашном севообороте в два раза. По количеству актиномицетов исследуемые черноземы не отличались (табл. 2). Повышенным содержанием Nocardiopsis отличались только черноземы заповедной степи, что было обсуждено выше (рис. 2).

Таблица 2. Численность анаэробных и факультативно-анаэробных видов в почве чернозема типичного заповедной степи и агропедоценозов,%

Микроорганизмы	Заповедная степь	Зерно-паропр опаш-ной с/о	Бессме нная пшеница
FeRed	0,9	10,8	6,3
Aeromonas hydrophila	4,2	6,0	2,6
Bacteroides hypermegas	0,1	1,0	0,1
Bacteroides ruminicola	0,8	0,7	0,6
WARB*	1,6	1,8	1,9
Desulfovibrio sp.	0,6	0,0	1,3
Bacillus subtilis	0,0	0,0	0,1
Bacillus sp.	3,6	7,2	3,1
Clostridium pasteurianum	0,2	0,8	0,4
C.perfringens	0,0	0,0	0,1
Acetobacterium sp.	0,7	0,6	0,5
Butyrivibrio 1-2-13	1,3	0,0	1,6
Butyrivibrio 1-4-11	6,5	2,5	3,6
Butyrivibrio 7S-14-3	0,0	0,0	0,1
Bifidobacterium sp.	3,6	7,2	3,1
Eubacterium sp.	0,0	0,0	0,1
Eubacterium lentum	0,7	0,6	0,5
P. freudenreichii	1,3	0,0	1,6
Propionibacterium sp.	6,5	2,5	3,6
Сумма	33	44	31

Выводы:

1. Суммарное количество бактерий было примерно равно в почвах вариантов с сельскохозяйственным использованием и в 2 раза ниже в черноземе заповедной степи.
2. По сравнению с почвами, находящимися под сельскохозяйственным использованием, черноземы заповедной степи отличаются повышенным содержание бактерии Agrobacterium radio-bacter и актинобактерий Rhodococcus terrae и Nocardiopsis sp.
3. По индексу биоразнообразия существенных различий между почвами заповедной степи и находящимися под сельскохозяйственным использованием не выявлено – он равнялся 4,6-4,7.
4. По содержанию факультативных и облигатных анаэробов почвы зернопаропропашного севооборота наиболее богаты, в сравнении с почвами под бессменной пшеницей и заповедной степью.

Список литературы Сравнительная характеристика микробиоты черноземов в заповедных и антропогенно преобразованных сообществах

Верховцева, Н.В. Микробные консорциумы почв агроценозов разных природных зон России с учетом их сельскохозяйственного использования/Н.В. Верховцева, Г.Е. Ларина, Ю.Я. Спиридонов и др.//Проблемы агрохимии и экологии. 2008. № 2. C. 37-43.
Верховцева, Н.В. Метод газовой хроматографии-масс-спектрометрии в изучении микробных сообществ почв агроценоза/Н.В. Верховцева, Г.А. Осипов//Проблемы агрохимии и экологии. 2008. №2. С. 51-54.
Вильдфлуш, И.Р. Ресурсосберегающие приемы повышения эффективности удобрений при возделывании сельскохозяйственных культур/И.Р. Вильдфлуш, Т.Ф. Персикова, А.Р. Цыганов//Проблемы агрохимии и экологии. 2008. №2. С. 7-12.
Микробные сообщества и их функционирование в почве/Сб. науч. тр. Киев: Наук. думка, 1981. 280 с.
Определитель бактерий Берджи. Т.1. 1997. 430 с.
Осипов, Г.А. Способ определения родового (видового) состава ассоциации микроорганизмов//Патент РФ № 2086642.С12 N 1/00, 1/20, C12Q 1/4. Приоритет от 24 дек.1993.
Современная микробиология. Прокариоты. Т. 1, 2 [под ред. Й. Ленгелера, Г. Древса, Г. Шлегеля].-М.: Мир. 2005. 654 с., 493 с.
Katsnelson, H. Auxin Production by Species of Arthrobacter/H. Katsnelson, J.C. Sirois//Nature. 1965. Vol. 191. P. 1323-1324.
Katsnelson, H. Production of a gibberellin-like substance by Arthrobacter globiformis/H. Katsnelson, J.C. Sirois, E.C. Shirley//Nature. 1962. Vol. 196. P. 1012-1013.
Kerr, J.R. Bacterial inhibition of fungal growth and patogenicity//Microbial Ecology in Health and Disease. 1999. Vol. 11. P. 129-142.

Еще

Статья научная