Федеральное государственное автономное
образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Институт фундаментальной биологии и биотехнологии
Базовая кафедра биотехнологии
Реферат
Биология 020201.65
Микробные сообщества криогенных почв послепожарных сукцессий лиственничников Центральной Эвенкии
Магистр _________
Научные руководители _________
_________
Красноярск 2012
Содержание
1. Микрофлора криогенных почв. 3
2. Влияние пожаров на структуру микробоценозов. 5
3. Устойчивость почвенных экосистем. 6
1. Микрофлора криогенных почв
В настоящее время все больше исследований посвящается обнаружению и изучению метаболической активности микробиоты в условиях низких (отрицательных и близких к 0°С) температур. Причем, если раньше основное внимание уделялось водным арктическим экосистемам, полярным льдам и многолетнемерзлым почвам, то в последнее время все больший интерес вызывает жизнедеятельность микроорганизмов в сезоннопромерзающих и длительно-сезоннопромерзающих почвах[[1]]. Этот интерес вызван многочисленными данными, показывающими, что в замерзших почвах идет интенсивное выделение углекислого газа, по всей видимости, являющееся следствием жизнедеятельности микрофлоры. Предполагается, что вклад зимнего и летнего дыхания почвенной микрофлоры в годовую эмиссию СО2 примерно одинаков, но в летний период это сложно проследить вследствие жизнедеятельности высших растений, почвенных водорослей и т. п.
Микробиологами предложено выделять два основных класса микроорганизмов, способных к росту и активности при температуре ниже 5˚С. Первый класс, приспособленный к устойчивым холодным условиям, представлен стенотермными бактериями, выделенными из морей и некоторых ледяных пещер. Эти организмы имеют максимальную температуру роста ниже 20˚С и весьма чувствительны к температурам, превышающим этот максимум. Второй класс микроорганизмов, обитающих в неустойчивых холодных условиях, отличается более широкой областью температур роста и активности, которые нередко на 20-30˚С превышают максимальную температуру окружающей среды.
Изучая микрофлору промерзающих почв, исследователи чаще всего сталкиваются с микроорганизмами, которые принято называть психрофилами или психротрофами, с оптимумом роста при +15˚С, максимумом при +20˚С и минимумом при 0˚С и ниже [[2]]. Однако, существуют данные, показывающие рост и метаболическую активность бактерий при –10-15˚С. Поскольку точные температурные диапазоны до сих пор не определены, предложено говорить о «психроактивности» микроорганизмов. Приуроченности психроактивной микрофлоры к определенным таксономическим группам обнаружено не было. и др. (1993) было показано, что психроактивные культуры были обнаружены среди олиготрофных бактерий из разных родовых таксонов. Возможно существование коррелятивных связей между олиготрофностью и психроактивностью микроорганизмов.
В условиях севера Средней Сибири (Центральная Эвенкия) основная функция микробных комплексов криогенных почв – разложение органических веществ – осуществляется в короткий вегетационный период, когда преобладают температуры выше 0°С. Поэтому следует ожидать определённые особенности в структуре, динамике и функциональной активности микроорганизмов в почвах региона.
Преобладание в регионе на протяжении большей части года низких температур воздуха и почв предполагает адаптацию микроорганизмов к низким температурам окружающей среды. Лабораторными исследованиями установлено, что основная часть бактерий хорошо развивается при пониженных температурах.
В микробных комплексах почв основную массу составляют олиготрофные и олигонитрофильные микроорганизмы, способные утилизировать элементы минерального питания и азот из рассеянного состояния. Эти группы бактерий важны для экосистем, поскольку препятствуют потере почвой азота, вовлекая в круговорот малейшие количества аммиака. Развиваясь в условиях низкого содержания азота и минеральных элементов, именно эти микроорганизмы доводят до конца минерализацию органических остатков.
Микробиологические анализы доминирующих в почвах Эвенкии бактерий показывают, что преимущественное распространение здесь имеют неспоровые формы, обладающие полифункциональным ферментативным аппаратом. Такая тенденция определяется биоклиматическими условиями природных экосистем высоких широт [[3]].
2. Влияние пожаров на структуру микробоценозов
Леса постоянно испытывают воздействие различных факторов, приводящее к нарушениям в природном балансе. Одним из таких факторов, особенно сильно влияющим на лесные экосистемы являются пожары. Микробные сообщества, осуществляющие различные процессы разложения и питания, играют важную роль в процессах восстановления и устойчивости лесов к подобным воздействиям.
Пожары чрезвычайно сильно влияют на лесные экосистемы. Температуры поверхности во время прохождения пожара достигают 1000 °С, что значительно меняет физико-химические свойства почвы. Уничтожение растительности и подстилки снижает альбедо (рассеивающая способность), что в свою очередь ведет к еще большему повышению поверхностных температур.
Пожары оказывают огромное влияние на почвенные микробоценозы. Кроме того их косвенное влияние продолжается в течение десятилетий, во время протекания вторичной сукцессии. Однако, даже в пределах одной экосистемы отклик почвенной микробиоты на воздействие пожара может быть различным.
Во-первых, он зависит от типа и интенсивности пожара. Во-вторых, степень его воздействия также зависит от периодичности его возникновения. При нормальном развитии лесных сообществ частота прохождения пожара на одном и том же участке может варьировать от 40-100 и до 200лет. Кроме того большое значение имеют максимальные температуры во время пожара, и их перенос в поверхностные и глубинные слои почвы.
Общее влияние интенсивности пожара на микробные сообщества очень сильно варьирует в зависимости от видового состава этих сообществ.
3. Устойчивость почвенных экосистем
Почвы во многом определяют устойчивость биосферы. Устойчивость почв к различным воздействиям определяется их способностью возвращаться к нормальному функционированию и противостоять различным стрессам. Познание процессов самоочищения и механизмов устойчивости почв является необходимым для поисков путей сохранения биосферы.
Изучение изменения структуры и активности микробного сообщества почв при различных воздействиях является попыткой понять функционирование природной системы и предотвратить нежелательные изменения в ней в связи с возрастающим антропогенным вмешательством. Почвы – важнейшие природные системы – несомненно, обладают устойчивостью. Устойчивость – это свойство, внутренне присущее системе, которое позволяет ей выдерживать изменения, создаваемые внешними воздействиями, или сопротивляться им. Экосистемы сложились в процессе длительной эволюции и приспособления видов и популяций организмов друг к другу и окружающей среде. Они являются слаженными устойчивыми механизмами, способными путём саморегулирования противостоять как изменениям в среде, так и в численности организмов.
Различные подходы для оценки устойчивости природных систем дают представление о сложности объекта, межфакторных связях, его определяющих, а также региональных и глобальных уровнях их изучения. Отсюда методы оценки устойчивости почв как природной системы должны опираться на более чувствительные параметры, характеризующие состояние почв. В настоящее время понятие устойчивости почв не получило пока однозначного определения. Однако исследования в этом направлении можно условно разделить на почвенные и почвенно-микробиологические.
На практике оценка устойчивости почв представляется, как правило, широким набором многих имеющихся методов определения почвенных показателей. Не умаляя значения физико-химических и геохимических показателей почвы для оценки их устойчивости, обращает на себя внимание использование для этой цели микробиологических показателей почвы. Именно «живое» вещество представляет интерес для оценки устойчивости почв, в том числе и на ранних стадиях нарушения. Функционирование почвенной системы обусловлено в значительной степени деятельностью микроорганизмов. Микроорганизмы почвы составляют около 85% всей биомассы почвенных организмов и привносят около 90% всего потока CO2 суши. И хотя микробная биомасса составляет лишь 1-5% от почвенного органического вещества, но это «игольное ушко», через которое проходит весь органический материал, поступающий в почву. Такие особенности почвенных микроорганизмов, а также их чувствительность к любым нарушениям в почве позволяют исследователям использовать почвенно-микробиологические характеристики для оценки состояния почвы. Предположительно устойчивость почвы во многом может определяться устойчивостью почвенного микробного сообщества.
Показателем устойчивости микробного сообщества почвы может служить отношение скорости дыхания микроорганизмов к их биомассе, оно получило название микробного метаболического коэффициента [[4]]. Теоретически предполагается, что чем ниже величина отношения дыхания сообщества к его биомассе, тем устойчивее данная экосистема. Величина метаболического коэффициента должна быть выше в молодых или нарушенных экосистемах, чем в старых или стабильных.
За последние годы исследования почв, в которых определяли величину метаболического коэффициента и его связь с различными воздействиями, существенно возросли. Использование метаболического коэффициента в экологических исследованиях перспективно, так как это: 1) показатель физиологического статуса микробного сообщества; 2) легкоизмеряемый биоиндикатор, чувствительный к нарушениям в почве; и предположительно, 3) параметр, по величине которого можно количественно оценить продолжительность и «глубину» нарушений в экосистеме.
В наших исследованиях мы будем рассматривать устойчивость почв через функционирование почвенных микробных сообществ, используя для этого интегральный показатель их состояния – микробный метаболический коэффициент.
Величину метаболического коэффициента, представляющего собой отношение скорости базального дыхания микроорганизмов (БД) к микробной биомассе (Смик), в литературе обозначают сокращённо qCO2. Для расчетов этого коэффициента используют значения микробной биомассы, определяемой физиологическим или респирометрическим, фумигационным, кинетическим или калориметрическим методами. В некоторых работах величину метаболического коэффициента определяют как соотношение скоростей базального (БД) и субстрат-индуцированного (СИД) дыханий, и в этом случае его величина выражается в безразмерных единицах, получивших сокращённое обозначение QR. Метаболический коэффициент определяется величинами, входящими в формулу его расчёта.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
[1] Mahsa Haei Effects of soil frost on growth, composition and respiration of the soil
microbial decomposer community / Soil Biology & Biochemistry2077
http://dx. doi. org/10.1016/j. soilbio.2011.06.005
[2] Garwai Leung Characterisation of cold-tolerant fungi from a decomposing High Arctic moss / Soil Biology & Biochemistry1979
http://dx. doi. org/10.1016/j. soilbio.2011.05.003
[3] Holm Bach L. Tree influence on soil microbial community structure/ Soil Biology & Biochemistry (2010) p
http://dx. doi. org/10.1016/j. soilbio.2010.07.002
[4] Thomas Wutzler Soil microbial biomass and its activity estimated by kinetic respiration analysis Statistical guidelines / Soil Biology & Biochemistry12
http://dx. doi. org/10.1016/j. soilbio.2011.10.004
