Влияние температурного фактора на биологическую активность бактериальных сообществ формирующихся Антарктических почв (стр. 1 )

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМ. М. В.ЛОМОНОСОВА

ФАКУЛЬТЕТ ПОЧВОВЕДЕНИЯ

Кафедра биологии почв

Влияние температурного фактора на биологическую активность бактериальных сообществ формирующихся Антарктических почв

Выпускная квалификационная

работа студента 4 курса

Руководители работы:

к. б.н.

к. б.н.

МОСКВА 2014

Содержание работы

Глава 1. Обзор литературы

Особенности почвообразования в условиях континентальной Антарктики. Жизнеспособные бактерии в антарктических почвах и мерзлых осадках. Биохимические исследования арктических и антарктических почв и осадков. Факторы, оказывающие влияние на сохранение жизнеспособности бактериальных клеток в условиях замораживания - оттаивания. Комплексный структурно функциональный метод характеристики микробных популяций.

Глава 2. Экспериментальная часть.

Объекты и методы. Результаты и обсуждение Общая численность бактерий и динамика восстановления роста бактерий в процессе оттаивания образцов почв. Число культивируемых клеток в условиях циклов замораживания - оттаивания. Динамика активности каталазы и дегидрогеназы в разные сроки после оттаивания образцов почв. Сравнительный морфологический анализ культивируемых бактерий при замораживании – оттаивании. Функциональное разнообразие бактериальных сообществ.

Введение

С недавнего времени ведутся интенсивные микробиологические исследования почв оазисов Восточной Антарктиды, которые характеризуются полным отсутствием таких важных почвообразователей и источников гумуса, как сосудистых растений с развитой корневой системой, за исключением бриофитов, имеющих очень ограниченное распространение. Согласно современным представлениям, большая часть исследуемой территории представляет собой снежниковую криптогамную пустошь, где развиваются цианобактерии, реже хлорофиты и лишайники, либо пустошь, в которой отсутствуют первичные продуценты и развиваются бактериальные комплексы, реже грибы.

Микробиологическая характеристика почв холодных биотопов с низким почвообразующим потенциалом важна не только для понимания процессов минерализации и образования почв, но и может представлять интерес для изучения современных аналогов почвенных тел, сформировавшихся до появления высших растений. Изучение культивируемых форм микроорганизмов и их потенциальной жизнеспособности не утратило своего значения для характеристики физиологического состояния, биологической активности и устойчивости к внешним воздействиям антарктических микроорганизмов, участвующих в первичном почвообразовании.

В настоящее время ведутся микробиологические исследования почв оазисов Холмов Ларсеманна. Исследуются грибные и бактериальные сообщества, определяются их численность, жизнеспособность и биологическая активность, однако, не исследованными остаются формирующиеся почвы, образцы которых отобраны в других точках данного оазиса

В настоящей работе расширены исследования почв оазиса Холмов Ларсеманна, а также изучены образцы почв в районе оазиса Холмы Тала, микробиологические исследования которых ранее не проводились.

Цель работы - выявление особенностей функционирования бактериальных сообществ ранее не исследованных антарктических почв различных типов и условий формирования.

Задачи исследования:

Изучить общую численность потенциально жизнеспособных бактерий и культивируемых форм гетеротрофных бактерий в образцах почв, отличающихся гидрологическими и мерзлотными условиями формирования. Определить устойчивость гетеротрофных бактериальных сообществ к температурным воздействиям в нативных образцах почв. Изучить физиологическое разнообразие гидролитического бактериального комплекса и физиологическое состояние его членов в профилях формирующихся почв, отличающихся условиями формирования.

Глава 1. Обзор литературы

Особенности почвообразования в условиях континентальной Антарктики.

В настоящее время начались систематические исследования российскими специалистами почв и почвоподобных тел в береговой части Восточной Антарктики и на труднодоступных участках Западной Антарктики, расположенных в области российских антарктических станций.

Первые работы были опубликованы в 1958-1959 г. г. (Глазовская, 1958; Сыроечковский, 1959), в последующем почвы изучались при ландшафтных исследованиях (Симонов, 1971; Александров, 1985), а собственно почвенно-мерзлотные исследования возобновились в 1994-1998. Результатом этих исследований была серия публикаций с американскими соавторами по микроорганизмам, обитающим в почве и мерзлоте (Wilson et al., 1996; Friedmann et al., 1996; Gilichinsky et al., 2007). Позже в работе (2002) было показано интенсивное биохимическое выветривание основных пород под лишайниками субантарктического острова Кинг-Джордж.

Основные характеристики факторов почвообразования по российским антарктическим станциям изложены в серии монографий (Марков с соавт., 1968; Симонов, 1971). В настоящее время опубликованы подробные обзоры по исследованию формирующихся антарктических почв в Антарктиде (Горячкин с соавт, 2012, Мергелов с соавт., 2012).

В основе геологического строения Антарктиды лежит платформа и складчатая область Трансантарктических гор, идущих к Антарктическому полуострову. В качестве почвообразующих пород преобладают легкие по гранулометрическому составу элювии и ледниковые дериваты гранитов, гнейсов, эндербитов и чарнокитов (гранитоидов с амфиболами). Осадочных пород немного, некоторые из них содержат карбонаты. В целом же преобладают исходно бескарбонатные отложения.

Климат Антарктиды, как известно, самый холодный на Земле. Береговые оазисы имеют среднегодовые температуры около -10оС. От высоких широт Северного полушария климат оазисов отличается существенно более холодным летом (средняя температура января – до +3оС), но менее суровыми зимними температурами (в основном выше -30оС).

На самых теплых для Южного полушария склонах северной экспозиции температура скал летним днем нередко превышает +30 оС. Отличительной особенностью являются ветры и осадки. Сильный ветер (до 70 м/с на станции Русская) переносит не только мелкозем, но и мелкие камни. Осадки выпадают в твердом виде (за исключением Антарктического полуострова и оазиса Грирсона), и перераспределяются, не успев достигнуть поверхности. В связи с этим такая важная для оценки развития почв в других районах Земли величина как сумма осадков, в Антарктиде не имеет большого значения. Особенности климата определяют и характер оттаивания, и температуру мерзлоты в почвах. (Gilichinsky et al., 2010), Горячкин с соавт, 2012, Мергелов с соавт., 2012).

Растительность представлена разреженным покровом мхов, лишайников и водорослей, приуроченных, как правило, к понижениям, где есть талая снеговая вода. Два вида цветковых растений (колобантуса кито (Colobanthus quitensis) из семейства гвоздичные и луговика антарктического (Deschampsia antarctica) из семейства злаки) появляются только на Антарктическом полуострове и прилегающих островах.

По мнению ряда авторов (Горячкин с соавт, 2012, Мергелов с соавт., 2012).

Примитивные антарктические почвы можно в предварительном порядке сгруппировать не по их классификационным именам в какой-либо системе, а по характеру проявлений органоминеральных взаимодействий:

1) Органоминеральные почвы с макропрофилями (при привносе органических веществ из моря – «орнитогенные» и «пост-орнитогенные» и из озер (см. ниже) – в них идет взаимодействие гуано или донных органических остатков с минералами почв;

2) Органоминеральные почвы с микропрофилями в первые несколько сантиметров на мелкоземе подо мхами, лишайниками и водорослями;

3) «Безгумусовые» (“ahumic soils” по Тедроу и Уголини) профильно анизотропные почвы на мелкоземе без видимых признаков макрожизни – анизотропность создается абиогенными процессами: криогенным оструктуриванием, выдуванием мелкозема из верхних горизонтов, засолением и др.;

4) Эндолитные почвы, продуктом педогенеза в которых являются внутритрещинный мелкозем и новообразованные минералы – (гидр)оксиды железа, как остающиеся в трещинах, так и попадающие на поверхность камней и придающие им буроватую и красноватую окраску; по площади это, наверное, самые распространенные почвы Антарктиды. Жизнь в материковой Антарктиде уходит прямо в камень. Из-за больших перепадов температур здесь в плотных породах образуются многочисленные мелкие трещины, куда под прозрачные пропускающие свет минералы проникают повсеместно обнаруживаемые автотрофы – водоросли, роль в преобразовании минералов которых поистине колоссальна. В трещинах идет растворение железистых минералов, выход двухзарядного железа из решетки и его окисление, в результате чего на породе, имеющей зеленовато-серую окраску 5Y и 2.5Y (по Манселлу), формируются как поверхностные, так и внутритрещинные пленки красно-бурого и даже красного цвета до 10R. Кроме того, внутри глыб идет травление полевых шпатов и кварца и формирование мелкопесчаного и пылеватого мелкозема (подробнее см. ниже);

5) Мало изученные эпилитные почвы под лишайниками на камнях. ;

6) Эпилитные и эндолитные почвоподобные тела, сформированные на поверхности камня или внутри трещин, по-видимому, без участия организмов, например, за счет окисления тех минералов, которые могут окисляться и абиогенно. К ним относится часть «пустынных» или «скальных загаров»

7) «Ледовые почвы» (по украинскому микробиологу ) – органо-аккумулятивные образования, возникающие в углубленных проталинах льда, где накапливаются продукты гетеротрофного разрушения фотосинтезирующих микроорганизмов, поселяющихся непосредственно на льду (Hodson et al., 2008; Таширев, 2009).

В классификационном отношении в материковой Антарктиде, очевидно, преобладают не Криосоли (по WRB – FAO, 2006) и Гелисоли (по Почвенной таксономии США – Soil Survey Staff, 2010), так как почвы зачастую ближе подстилаются скалами, чем мерзлотой из-за мелкого рыхлого чехла. Геокриологические данные по станции Молодежной и оазису Бангера показали, что рыхлые почвы могут оттаивать глубже метра (при отсутствии криотурбаций они тогда уже не Криосоли). Преобладают же Лептосоли (WRB) или Энтисоли (Почвенная таксономия США), причем в основном Нудилитик Лептосоли, к которым могут быть отнесены и эндолитные почвы, или Литик Гелортенты, недавно появившиеся в Почвенной таксономии (Soil Survey Staff, 2010).