Влияние различных древесных видов на микробные комплексы ризосферы и их биологическую активность

Корневые системы древесных растений играют значительную селекционную роль в развитии микробных популяций. По этому вопросу высказываются две точки зрения на природу специфичности микрофлоры ризосферы. Одна точка зрения сводится к следующему. Так как виды растений различны, то и корневые выделения их должны быть различными и специфичными для каждого вида. Согласно другой точке зрения, специфичной является только эндофитная микрофлора, тесными узами связанная с растениями: микробы-паразиты и симбионты. Специфичность эндофитных микроорганизмов не вызывает сомнения, так как они приспособились к действию внутренних специфических факторов иммунитета растений. Мы считаем, что нельзя придавать решающего значения в отборе микрофлоры только корневым выделениям, так как от изменения источников питания вид микроорганизма не изменяется. Но при этом необходимо учитывать, что может значительно меняться соотношение доминантов и содоминантов [Сорокин, 1981, 1990].

При увеличении численности микроорганизмов ризосферы и росте качественного разнообразия видов следует ожидать повышения биологической активности в прикорневой зоне.

Так или иначе, вопрос о специфичности ризосферных микроорганизмов имеет важное значение при микробиологической диагностике лесных почв: в какой степени качественный и количественный состав, структура и динамика микробных комплексов корней отличается от таковых в почве, насколько существенны различия в микрофлоре корней разных древесных видов. При оценке деятельности корнеобитаемых микроорганизмов выделяются три основные сферы их развития: ризосферная, прикорневая и корневая. Имеющиеся в литературе данные касаются в основном характеристики ризосферной и прикорневой микрофлоры и лишь в слабой степени – корневой, находящейся в непосредственном контакте с корнями.

Цель работы . Исследование количественного и качественного состава микробных комплексов, их биологической активности в ризосфере и на корнях разных лесообразующих видов Сибири.

Объекты и методы исследований . Поскольку возраст древостоя оказывает существенное влияние на количественное соотношение микроорганизмов корнеобитаемой зоны, изучение микробоценозов в зоне корней проводили у одновозрастных деревьев разных видов.

Исследования микрофлоры и ферментативной активности проводились в сосняке брусничнозеленомошном, ельнике бруснично-зеленомошном и березняке зеленомошном, возраст деревьев в пределах 90–100 лет. Древостои принадлежат к IV классу бонитета и имеют в своем составе примеси соответственно ели и березы – в сосняке, сосны и березы – в ельнике, сосны и ели – в березняке. Почвенный фон, несмотря на разные типы леса, представлен серыми лесными почвами.

За основу стационарных и лабораторных исследований микрофлоры и биологической активности почв взято руководство (Методы …, 1977), а также общепринятые методики [Егоров, 1976; Звягинцев, 1991; Schiner et al., 1996].

Анализ микрофлоры ризосферы проводили по методике, рекомендованной Е.З. Теппер (1972), но адаптированной для древесных насаждений. Исследовали ферментативную активность протеазы, уреазы, каталазы и инвертазы в ризосферной почве и почве, удаленной от корней сосны по методикам Ф.Х. Хазиева (1976, 2005).

Для установления видового состава бактерий и актиномицетов применяли определители Н.А. Красильникова (1949), Berge (1994). Идентификацию микроскопических грибов проводили по определителям [Thom, 1956; Литвинов, 1969; Добровольская и др., 1989].

Результаты исследований . Установлено, что в корневых зонах сосны, ели и березы четко проявляется ризосферный эффект (табл. 1). Причем соотношение R/S у сосны и ели колеблется в пределах 18,6– 20,4, а у березы снижается до 10,5, несмотря на то, что численность ризосферных микроорганизмов у березы в 2–3 раза выше, чем у сосны и ели. Это связано с тем, что вместе с ростом числа микробных клеток на корнях увеличивается обсемененность контрольной почвы в березняках из-за более благоприятных трофических условий в лиственных древостоях. В количестве прикорневых микроорганизмов у исследуемых видов насаждений достоверных различий нет.

Содержание микроорганизмов в ризосфере и на корнях сосны, ели и березы, тыс. КОЕ×г-1 сухой почвы (среднее за вегетационный период)

Таблица 1

Место взятия образца	Бактерии на МПА	Бактерии на КАА	Грибы на СА	Суммарное	Актино-мицеты	Олигонитрофилы	Споровые	R/S
Ризосфера сосны	33993	42011	16	34038	29	17850	938
Корни сосны	5104	3055	-	5104	-	411	27	18,6
Почва	1769	2057	34	1830	27	4190	161
Ризосфера ели	21783	26054	34	21828	11	18980	504
Корни ели	4806	3930	-	4806	-	306	10	20,4
Почва	999	1137	57	1070	14	5311	176
Ризосфера березы	56618	6010	64	56700	18	11370	1076
Корни березы	5313	3111	-	5317	4	184	14	10,5
Почва	5350	5672	41	5430	39	8130	204

Примечание. КОЕ микроорганизмов, изолированных с корней, рассчитывали на грамм корней.

Качественный состав ризосферных микроорганизмов сосны, ели и березы в условиях той же возрастной категории (90–100 лет) и однотипных почв практически одинаков (табл. 2), меняется лишь количественное соотношение доминирующих видов. Если на корнях березы преобладают Pseudomonas radiobacter, Ps. denitrificans, Bacillus megaterium , то ризосфера сосны и ели богаче видами Ps. herbicola, Ps. fluorescens, Bac. mycoides, Bac. cereus . Видовое разнообразие и количественный состав микроорганизмов, развивающихся непосредственно на корнях, значительно беднее по сравнению с ризосферой, а отличия между видами насаждений не существенны.

Здесь, несомненно, сказывается селекционирующее влияние корневых выделений, которые не отличаются высокой специфичностью, и, таким образом, питательный рацион микроорганизмов не позволяет увеличивать их качественное разнообразие. В то же время в прикорневой фракции, где корневые выделения обогащают ризосферную почву, резко возрастает видовое разнообразие.

В корнеобитаемой зоне трех древесных видов на основе ежедневного учета определены параметры численности и биомассы бактерий ризосферной и прикорневой почвы. Установлено, что количество бактерий в почве под различными древесными видами подвержено кратковременным пульсационным колебаниям. Наиболее значительные пульсации обнаружены в прикорневой зоне всех видов, где они отличаются резкими подъемами и спадами и происходят в более короткие сроки – 2–3 дня (рис. 1). Характер пульсаций, размеры продукции и гибели живой массы бактерий, число генераций в течение месяца отличаются незначительно. В прикорневой зоне сосны и ели было отмечено по 8 достоверных подъемов численности бактерий в ризосфере и контроле – по 6. В прикорневой зоне березы зафиксировано 8 достоверных подъемов численности бактерий, а в ризосфере и контроле по 5. Общая продукция микробных клеток в прикорневой и ризосферной зоне превышает биомассу микроорганизмов в контрольной почве в 1,5–2 раза. Размеры прироста и убыли количества бактериальных клеток в каждой зоне близки между собой. Следовательно, количество бактерий в почве колеблется около какой-то характерной для данной почвы или зоны величины. Полученные нами результаты согласуются с данными Т.В. Аристовской (1977), Р.А. Евдокимовой (1976), Тен Хак Муна (1977), Н.Д.Сорокина (2009), Swaby (1959). Эти и другие авторы указывали, что помимо внешних экологических факторов и внутренних популяционных закономерностей на развитие микроорганизмов и накопление биомассы огромное влияние оказывают продукты выделения и разложения корней.

Полученные нами данные показывают, что почва корнеобитаемой зоны по сравнению с контрольной отличается высокой биологической активностью (табл. 2). Средние величины протеазной, каталазной, уреазной и инвертазной активности в ризосферной почве разных типов сосняков в 2–3 раза превышают величины энзиматической активности в контрольной почве.

Таблица 2

Ферментативная активность в ризосферной почве (Р) и почве, удаленной от корней сосны (П) (n=28)

Тип фитоценоза	Протеаза ного N×1 за 24	, мг амин-г-1 почвы часа	Уреаза, мг NH 4 ×100 г-1 почвы		Каталаза, см3 О 2 за 5 мин		Инвертаза, мг ин-верного сахара × 1 кг-1 почвы
	П	Р	П	Р	П	Р	П	Р
Сосняк брусничнорододендроновый	0,09	0,21	33±4	36±4	25,4	32,6	38,3	71,7
Сосняк брусничнозеленомошный	0,24	0,47	38±6	15±6	16,6	34,6	41,5	70,4
Сосняк разнотравный	0,71	0,97	41±4	46±4	14,3	37,4	49,9	86,4
Сосняк брусничноразнотравный	0,46	0,74	20±3	25±4	22,6	31,4	40,6	56,4

Повышенное содержание гумуса и обилие микроорганизмов, по мнению Л.В. Федоровой (1968), имеют большое значение в активизации ферментативных процессов в ризосферной почве. По расчетам автора, между активностью ферментов, содержанием гумуса и микроорганизмов существует тесная корреляционная зависимость (r=0,60–0,99). Возрастание микробиологической активности в ризосфере влечет за собой интенсивное образование минеральных элементов, доступных для растений.

Интегральным показателем минерализации органических компонентов и ускоренного поглощения минеральных элементов растениями является выделение углекислоты микроорганизмами и корневыми окончаниями [Сорокин, 1981, 1990; Greaves, 1972; Meyer, 1986].

Нами установлено, что количество выделенной углекислоты, так же как и ферментативная активность, зависит от возраста сосны и фенологической фазы роста и в меньшей степени – от разных видов одновозрастных древостоев (табл. 3).

Таблица 3

Тип фитоценоза и возраст древостоя	Интенсивность выделения СО 2 , кг×га-1 за 1 час
	I фенофаза	II фенофаза	III фенофаза	IV фенофаза
Сосняк рододендроновобрусничный, 5 лет	1,6±0,4	1,2±0,3	0,85±0,2	1,7±0,4
Сосняк    рододендрово брусничный, 20 лет	1,9±0,4	2,2±0,5	1,2±0,3	1,7±0,4
Сосняк       бруснично зеленомошный, 60 лет	2,4±0,3	1,7±0,4	1,0±0,3	1,9±0,3
Сосняк       бруснично разнотравный, 80 лет	3,4±0,5	2,9±0,3	1,3±0,4	3,1±0,5
Сосняк разнотравный, более 100 лет	5,1±0,5	5,2±0,4	3,3±0,4	4,6±0,5

Продукция углекислоты ризосферной почвой в сосняках разного возраста (n=28)

Прямую связь между интенсивностью выделения углекислоты и численностью микроорганизмов установили Т.С. Александрова, Э.М. Шмурова (1962), А.Д. Рагуотис (1967).

Исследователи [Козлов, 1965; Рунов, Терехов, 1960] также считают, что существует тесная взаимосвязь продукции СО 2 , ферментативной активности и численности микроорганизмов.

По нашим данным, четкой корреляции между активностью ферментов и количеством ризосферных микроорганизмов не наблюдается. Очевидно, что такую связь надо искать между определенными группами микроорганизмов и конкретными ферментами.

Выводы

• 1.    Установлено, что ризосферный эффект (R/S) в наибольшей степени выражен у сосны и ели, где соотношение численностей колеблется в пределах 18,6 – 20,4 и в наименьшей степени у березы – 10,5.

• 2.    Качественный состав микробных комплексов, развивающихся в ризосфере и на корнях у разных видов деревьев, близок. Меняется лишь количественное соотношение доминирующих видов микроорганизмов.

• 3.    В корнеобитаемой зоне, так же как и в почве вне зоны влияния корней, выявлены кратковременные (суточные) колебания количества микроорганизмов от 5 до 8 генераций численности и биомассы в месяц.

• 4.    Почва ризосферы, по сравнению с контрольной, отличается высокой биологической активностью. Величины протеазной, уреазной, инвертазной и каталазной активности в ризосферной почве в 2–3 раза превышают уровень энзиматической активности в контрольной почве.