Микробиологические процессы образования и поглощения парниковых газов в осушенных торфяных почвах
На правах рукописи
Поздняков Лев Анатольевич МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ ОБРАЗОВАНИЯ И ПОГЛОЩЕНИЯ ПАРНИКОВЫХ ГАЗОВ В ОСУШЕННЫХ ТОРФЯНЫХ ПОЧВАХ Специальность 03.02.03 – микробиология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Москва – 2011
Работа выполнена на кафедре биологии почв факультета почвоведения Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.
Научный консультант: доктор биологических наук, профессор Алексей Львович Степанов
Официальные оппоненты:
доктор биологических наук Надежда Дмитриевна Ананьева кандидат биологических наук, доцент Александр Петрович Шваров Ведущее учреждение: Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К.А.Тимирязева (РГАУ - МСХА)
Защита диссертации состоится 26 апреля 2011 года в 15:30 в аудитории М-2 на заседании Диссертационного совета Д 501.002.13 в МГУ им. М.В. Ломоносова по адресу:
119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д.1, корп. 12, факультет Почвоведения.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ им.
М.В. Ломоносова.
Автореферат разослан « 22 » марта 2011 года.
Приглашаем Вас принять участие в обсуждении диссертации на заседании Диссертационного совета или прислать отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, д.1, корп. 12, факультет Почвоведения, Ученый совет.
Ученый секретарь диссертационного совета:
доктор биологических наук, профессор Г.М. Зенова Актуальность темы. Углерод заболоченных и переувлажненных территорий составляет 12-15% от общих запасов педосферы - третьего по значимости резервуара после мирового океана и литосферы. Не менее трети мировых запасов торфа находится на территории России (Тюремнов, 1949;
1976).
Ненарушенные функционирующие торфяники являются естественным стоком для атмосферного углерода. Осушенный торфяник, оказавшийся в аэробных условиях, начинает разлагаться. Его мощность уменьшается со скоростью до 0,5 см в год (Скоропанов, 1969;
Скрынникова, 1961). Поток углерода в атмосферу после осушения достигает величин на порядок превосходящих темпы его аккумуляции, то есть осушение всего 9-10% торфяных болот полностью нивелирует положительный эффект связывания атмосферного углекислого газа. В то же время в осушенных торфяниках резко снижается интенсивность метаногенеза, растет интенсивность аэробного поглощения метана микроорганизмами (Bouwman, 1990;
Заварзин, 1993, 2001).
Аэробное окисление метана не является единственным путем поглощения этого парникового газа микроорганизмами. Последние десятилетия ведутся интенсивные исследования процесса анаэробного окисления метана за счет таких окислителей как сульфаты, нитраты, нитриты и т.д. Абсолютное большинство работ, однако, проведено на примере водных местообитаний. Предполагается, что микроорганизмами донных отложений Мирового океана анаэробно окисляют от 75 до 300 Тг CH4 в год (Hinrichs, 2002). Эти значения не только многократно превосходят интенсивность итогового поступления метана из океана в атмосферу (около 10-15 Тг/год), но и оказываются сопоставимы с общей его эмиссией (около 500-600 Тг/год) (IPCC Report, 2001). Тем не менее, попыток оценить значение анаэробного окисления в наземных экосистемах, в том числе и в почвах, пока не предпринималось.
Цель работы - оценка интенсивности и пространственного распределения скоростей процессов образования углекислого газа, метана, денитрификации (основной источник N2O), аэробного и анаэробного окисления метана в окультуренных эутрофных торфяных почвах.
Задачи исследования:
• Оценить изменение величин образования и поглощения парниковых газов в процессе антропогенной трансформации торфяных почв.
• Определить возможность протекания и интенсивность анаэробного окисления метана в торфяных почвах.
• Изучить комплекс анаэробных метанотрофов в почвах.
• Разработать способ экспресс-оценки пространственного распределения скоростей образования парниковых газов в осушенных торфяных почвах.
Научная новизна. Установлена возможность протекания процесса анаэробного окисления метана в наземных экосистемах, в частности, в осушенных торфяных и в автоморфных дерново-подзолистых почвах. За счет высокой гетерогенности почвы, как среды обитания микроорганизмов, процесс протекает одновременно с образованием метана и его аэробным окислением. При этом образование и анаэробное окисление метана, протекающие в сходных условиях анаэробных микролокусов, наиболее тесно сопряжены.
Показана однозначная и тесная связь между скоростями микробиологического образования CO2, N2O и CH4 и свойствами торфяной почвы, в особенности с зольностью. Интенсивности первых двух процессов связаны с удельным электрическим сопротивлением почвы (опосредованно через зольность), что впервые показано в рамках данной работы.
Продемонстрирована трансформация вида этой зависимости в процессе освоения торфяных почв, что вызвано деятельностью микроорганизмов, преобразующих (истощающих) собственную среду обитания.
Сформулированные в диссертации положения и полученные результаты исследования позволяют расширить представления о двусторонних взаимосвязях между микробиологическими процессами и почвенными физико-химическими свойствами.
Предложено скорректировать традиционную схему баланса метана в наземных экосистемах, включив в нее в качестве самостоятельного члена анаэробное окисление метана. В настоящее время, как известно, эта схема предусматривает только образование метана в анаэробных условиях, а поглощение - только в аэробных.
Предложена новая область применения Практическая значимость.
электрофизических методов в почвоведении, а именно – оценка с их помощью скоростей образования таких парниковых газов как CO2 и N2O. Использование этих методов в сочетании с классическими методами газовой хроматографии позволяют заметно снизить затраты времени и сил на обследование обширных территорий. Кроме того, полученные представления о взаимосвязях химических, физических и биологических свойств торфяных почв, а также их трансформации после осушения, позволят с большей точностью говорить о стадии эволюции почвы и предлагать способы ее возможного использования для минимизации потерь органического вещества и эмиссии парниковых газов.
Апробация работы. Основные положения работы были представлены на V съезде Всероссийского общества почвоведов (Ростов-на-Дону, 2008), международной научно практической конференции «Осушительная мелиорация в нечерноземной зоне РФ: состояние и прогноз» (Тверь, 2009), V международной конференции «Эволюция почвенного покрова:
история идей и методы, голоценовая эволюция, прогнозы» (Пущино, 2009), а также на российско-китайском семинаре «Transformation of hydrocarbons by soil microorganisms:
ecological and applied aspects» (Москва, 2010).
Ряд направлений работы выполнялись в рамках Программы фундаментальных и приоритетных прикладных исследований Россельхозакадемии на 2006-2010 гг по заданию 03.03 «Разработать адаптивные агротехнологии рационального использования осушаемых земель с целью воспроизводства плодородия почв, повышения продуктивности и экологической устойчивости агроландшафтов гумидной зоны» и гранта РФФИ: «Биосферно ландшафтные функции торфяных болот при антропогенных нагрузках. 07-04-00246-а».
Публикации. Материалы диссертации изложены в 15 публикациях, из них 4 статьи в реферируемых журналах из списка ВАК.
Объем работы. Диссертация изложена на 135 страницах, состоит из 3 глав, сопровождается 26 иллюстрациями и 7 таблицами. Список литературы включает наименований, из которых 46 на иностранном языке.
Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю проф. А.Л.
Степанову, сотрудникам кафедры биологии почв, в особенности Н.А. Манучаровой, сотрудникам ИНМИ И.К. Кравченко и Л.Е. Дулову, а также сотрудникам ДФ ВНИИМЗ, кафедры физики и мелиорации почв ф-та почвоведения МГУ и кафедры почвоведения и экологии почв биолого-почвенного факультета СПбГУ.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ГЛАВА 1. Литературный обзор состояния вопроса Дан подробный обзор экологии, физиологии, биохимии и таксономической принадлежности микроорганизмов, отвечающих за основные процессы образования и поглощения парниковых газов в почве. Большое внимание уделено процессу анаэробного окисления метана в водных экосистемах. К настоящему моменту установлено, что он имеет полностью биологическую природу, и доказано существование по меньшей мере двух его типов: сопряженного с сульфатредукцией и с денитрификацией. Первый процесс изучен более полно, относительно второго пока имеется лишь несколько работ. Сочетая изотопные и молекулярные методы, удалось установить, что он проводится консорциумом архей и эубактерий-сульфатредукторов, причем археи предположительно используют для окисления метана ферменты метаногенеза, катализирующие не прямые, а обратные реакции.
ГЛАВА 2. Объекты и методы исследования Работа проводилась на торфяных низинных хорошо окультуренных почвах поймы (долины) р. Яхромы в Дмитровском районе Московской области. Исследовались почвы двух стационаров ДФ ВНИИМЗ: «Ближний», где осушение ведется с 1914 года;
и «Дальний», интенсивно мелиорированный в 1961-1965 годах. Таким образом, эти участки представляют собой примеры двух разновременных стадий эволюции торфяных почв после мелиорации.
На участке «Ближний» количество точек опробования составляло 27, на участке «Дальний» 11, образцы отбирались с GPS-привязкой из пахотного горизонта, а также из не затронутых современным почвообразованием слоев на глубине 60-80 см.
Рис. 1. Карта стационаров ДФ ВНИИМЗ с указанием расположения точек опробования.
Почвенные контуры: I, ICa, IFe - торфоземы на разнотравно гипновом и гипновом торфе, в некоторых случаях с обогащением карбонатами и карбонатно-железистыми отложениями;
II - торфоземы, развитые на древесном торфе, подстилаемые залежью травяного, осокового торфа;
III – торфоземы, развитые на мощной древесной торфяной залежи;
IVA, IVAT - торфоземы агроминеральные.
Концентрацию метана определяли на хроматографе Chrom-41 с пламенно ионизационным детектором. Наполнитель колонки – Spherosil, газ-носитель – аргон. Закись азота определяли на хроматографе модели 3700/4 завода «Хроматограф», с детектором по теплопроводности (катарометром) на колонке с адсорбентом Полисорб-1. В качестве газа носителя служил гелий. Содержание кислорода измерялась на хроматографе Кристалл 5000. с детектором по теплопроводности. Объем анализируемой пробы во всех случаях составлял 0,5 см3.
Производились измерения отклика поглощения метана на внесение в почву акцептора электрона. Использовали KNO3 и Na2SO4, для которых была доказана возможность использования анаэробными метанотрофами. Инкубация образцов почвы массой 3 г производилась во флаконах объемом 15 мл. Количество добавляемого KNO3 составляло 0, мг/г, как и по стандартной методике определения денитрификации ацетиленовым методом.
Сульфат натрия вносили в эквивалентном количестве 0,3 мг/г, полагая, что он будет восстановлен до сульфида, что характерно для родственных анаэробным метанотрофам организмов. При добавлении хлорида аммония его количество составляло 0,21 мг/г, глюкозы – 2,5 мг/г. Почва насыщалась водой до полной влагоемкости, флакон продувался аргоном в течение минуты, затем в него вводили 1 мл ацетилена – ингибитора ММО, блокирующего также восстановление N2O. Концентрация метана, создаваемая в газовой фазе флакона, составляла 600-900 ppm. «Начальное» содержание метана измерялось через сутки после внесения субстратов, конечное – через четверо суток инкубации при комнатной температуре.
Табл. 1. Описание использованных нуклеотидных зондов Зонд Целевая группа Целевой Нуклеотидная последовательность Форма NaCl, Ссылка мМб организмов участок зонда (5’-3’) мид, %а 16S pPHK EUB338 I Bacteria GCT GCC ТСС CGT AGG AGT Amann et.
EUB338 II Bacteria al., GCA GCC ACC CGT AGG TGT (Planctomycetales) 338-355 20 Bacteria ЕUВ338Ш (Verrucomicrobiales) GCT GCC ACC CGT AGG TGT ARCH915 915-934 GTG СТС ССС CGC САА ТТС СТ Stahl et al., Archaea 30 112 Raskin et al., 344- ARC344 TCG CGC CTG CTG CIC ССС GT а - концентрация формамида в гибридизационном буфере б - концентрация NaCl в буфере для промывки Образцы дерново-подзолистой почвы с добавлением нитрата и сульфата, прошедшие инкубацию по описанной выше методике, а также контрольный образец, подвергшийся перед инкубацией только увлажнению, были изучены методом FISH. Для гибридизации использовался набор рРНК-специфичных олигонуклеотидных зондов, разработанных ранее для детекции представителей доменов Bacteria и Archaea (табл. 1). Синтез зондов, меченных флуоресцентным красителем СуЗ, осуществлялся компанией Синтол (Москва, Россия).
Подробно методика описана в тексте диссертации. Препараты анализировали с использованием люминесцентного микроскопа Zeiss Mikroskop Axioskop 2 plus.
Численность целевых популяций микроорганизмов в образцах определяли путем учета количества гибридизованных с зондами клеток в 80 полях зрения микроскопа на одной ячейке с последующим пересчётом на 1 г почвы.
Для измерений поглощения метана радиоизотопным методом во флакон с почвенным образцом с помощью микрошприца вносили 50 мкл раствора СН4 (3 мкКю) и инкубировали при комнатной температуре в течение 48 часов. Затем пробу фиксировали мл 2н раствора КОН и хранили при -18оС до анализа. Разделение и анализ образовавшихся С-продуктов проводились согласно (Гальченко и др., 2001). Меченая углекислота отгонялась в течение 1 часа в системе для отгонки с обратным холодильником в токе аргона при слабом кипячении. СО2 улавливалась ловушками с 10% раствором 2-фенилаланина в толуольной сцинциляционной жидкости ЖС-106 (Монокристалл, Украина). После удаления летучих продуктов определяли включение С в органическое вещество, используя метод СО2 в присутствии K2S3O8 при 105оС. Радиоактивность «мокрого» сжигания до определялась на жидкостном сцинцилляционном счетчике RackBeta 1219 (LKB, Швеция).
Удельное электрическое сопротивление измеряли прибором Landmapper ERM- (США-Россия). В лаборатории для анализа образцов применяли пластиковые кюветы со встроенными медными электродами. В полевых условиях использовали прямолинейную симметричную четырехэлектродную установку AMNB со стальными электродами, расположенными на пластиковой раме в 30 см друг от друга;
измеренное таким образом с поверхности почвы электрическое сопротивление отражает усредненные свойства 30 сантиметровой толщи пахотного горизонта.
Составление карт распределения величин велось при помощи программы Surfer 8.0 с методом интерполяции Kriging. Статистическая обработка результатов производилась с помощью программы Statistica 6.0. Привязка точек отбора образцов осуществлялась GPS приемником Garmin-72.
В диссертации дана общая характеристика почв Яхромской поймы, которая использовалась при анализе основного материала. Она включала морфологическое описание эутрофных торфоземов на древесных, древесно-разнотравных и гипновых торфах, данные по зольности, степени разложения, ЕКО, содержанию органики, Nвал;
К2O;
Р2О5 и др., полученные совместно с сотрудниками ДФ ВНИИМЗ, кафедр физики и мелиорации почв ф та почвоведения МГУ и СПбГУ.
ГЛАВА 3. Результаты и обсуждение Пространственное распределение и варьирование скоростей образования парниковых газов в почвах Яхромской поймы.
Пространственное распределение таких свойств торфяных почв, как содержание Сорг, ЕКО, зольность, гидролитическая кислотность и ряд других, подчиняется подразделению поймы на прирусловой, притеррасный и центральный участки (Рис. 1, 2). Распределение величин потенциальной продукции CO2 почвой также соответствуют этому делению (Рис. 3).
Рис. 2. Распределение содержания углерода (А);
ЕКО (Б);
зольности (В) и гидролитической кислотности (Г) в пахотном горизонте торфяных почв стационара «Ближний» после 95-100-летнего сельскохозяйственного использования.
В целом, образование диоксида углерода в пахотном и подпахотном горизонтах торфяных почв участка «Ближний» Яхромской поймы менялось довольно значительно, от 315 до 926 мкмоль CO2/г почвы в сутки. Наибольшие значения достигались в центральной части поймы, где почва все еще богата слаборазложенной органикой, а при приближении к руслу реки и притеррасной части поймы, где торф переслаивается минеральными наносами, рассматриваемый показатель снижался в 2 и более раз. Статистический анализ показал, что именно содержание минеральных веществ (зольность), является тем фактором, который оказывает наибольшее влияние на варьирование величин образования CO2. Тем же закономерностям подчиняется распределение активности процесса денитрификации, изменяющейся в еще более широких пределах - от 40 до 220 нмоль N2O/г в сутки (Рис. 3).
Рис. 3. Распределение потенциальных скоростей продукции СО2, N2О, CH4 и содержания валового азота в пахотных горизонтах торфяных почв стационара «Ближний».
Потенциальная эмиссия метана из пахотного и подпахотного горизонтов торфяных почв колебалась от 0,646 до 1,385 нмоль CH4/г в сутки, принципиально не различаясь для глубин 0-30 и 50-80 см. Однако эмиссия определялась не положением на прирусловой, притеррасной или центральной частях поймы, а положением точки на квартале, то есть поле, отличающимся типом землепользования и способом осушения (Рис. 3). Можно сделать вывод о минимальной зависимости метаногенеза от таких относительно инертных свойств торфа как зольность или ботанический состав, в отличие от скоростей образования CO2.
Анаэробное окисление метана в почвах.
Наряду с очевидными изменениями в водно-воздушном режиме после осушения, на Яхромской пойме изменилось и содержание валового азота из-за интенсивного использования минеральных удобрений. Участки, различающиеся по этому показателю, также принимают не поперечную, а продольную форму (Рис. 3, Г). При этом рост содержания азота сопровождается снижением образования метана. Это заставило нас обратиться к исследованию анаэробного окисления метана (АОМ) с помощью нитратов, возможность которого была показана на других объектах несколько лет назад в работах А.Рагхёбарсинг с коллегами (Raghoebarsing, 2006).
Для оценки возможности анаэробного окисления метана нами производились измерения отклика поглощения метана на внесение в почву акцептора электрона. В качестве таковых известных акцепторов использовали KNO3 и Na2SO4. Все исследования проводились в присутствии ацетилена – ингибитора метанмонооксигеназы, что исключало протекание окисления метана по аэробному пути (Гвоздев, 1987).
Рис. 4. Изменения содержания метана в процессе инкубации на примере двух образцов исследуемых почв.
Было обнаружено более быстрое поглощение метана в образцах с добавлением нитратов и сульфатов, чем в контроле. Наиболее ярко различия проявлялись обычно к 4- суткам (Рис. 4). Поэтому в дальнейшем исходное содержание метана измерялось нами через сутки после внесения субстратов, конечное – через четверо суток инкубации.
Интенсивность поглощения метана возрастала при добавлении нитратов и сульфатов на треть (Рис. 5, А). Можно выдвинуть следующие объяснения данного прироста, помимо стимулирования анаэробных метанотрофов акцепторами электрона. Это стимулирование их улучшением условий минерального питания;
увеличение соокисления метана при росте анаэробов на иных субстратах;
или же активность обыкновенных аэробных метанотрофов, использующих остаточный кислород во флаконах.
Рис. 5. Эффект добавления акцепторов электрона на поглощение метана в анаэробных условиях торфяной почвой. А – без внесения глюкозы, Б – с внесением глюкозы.
Активность аэробных метанотрофов мы считаем возможным исключить. Введение нами во флаконы ацетилена, являющегося ингибитором обеих форм метанмонооксигеназы, позволяет ожидать полного их подавления (Prior, 1985;
Гвоздев, 1987;
Kravchenko, 2002;
Streese-Kleeberg, 2009). Ферментный комплекс аэробных метанотрофов полностью и необратимо разрушается под действием ацетилена, и активность этих организмов отчасти восстанавливается в лишь течение нескольких суток после удаления газа (Miller, 1998). В то же время известно, что анаэробные метанотрофы используют иную ферментную систему, не подверженную воздействию ацетилена (Ettwig, 2008;
Hallam, 2004).
Оценка остаточной концентрации кислорода также свидетельствует о невозможности протекания аэробного окисления метана даже в гипотетических микрозонах, куда мог не продиффундировать ацетилен. Оптимум для аэробных метанотрофов составляет от 15 до 45% кислорода;
при концентрации менее 1% наблюдается подавление развития исследованных в этом отношении культур (Гальченко, 2001). В нашем исследовании содержание кислорода составляло еще меньше - от 0,05 до 0,4%. Наконец, наиболее важен тот факт, что без вытеснения воздуха аргоном и без внесения ацетилена, измеряя обычное аэробное окисление метана, мы не смогли обнаружить значимого прироста окисления, даже наоборот, в ряде случаев наблюдали его снижение. Таким образом, разработанная методика позволяет оценивать интенсивность именно процесса АОМ, а не тривиального окисления метана за счет остаточной концентрации кислорода.
При добавлении глюкозы в вариантах с внесением нитрата и сульфата прирост поглощения метана оказывался заметно меньшим (Рис. 5, Б). Можно заключить, что поглощение метана проводится именно специфическими автотрофными организмами, конкурирующими с гетеротрофами за акцептор электрона.
Рис. 6. Интенсивность включения углерода метана в CO2 газовой фазы и микробную биомассу после инкубации в анаэробных условиях.
С помощью радиоизотопного метода мы проследили судьбу меченого по углероду метана после поглощения его почвой из газовой фазы. Схема опыта была аналогична предыдущему. Прежде всего, выяснилось, что включение изотопа 14С в микробную биомассу значимо не меняется от добавления акцепторов электрона, зато эффект акцепторов на включение С в СО2, то есть непосредственно на окисление метана, весьма ярко выражен (Рис. 6).
Рис. 7. Эффект добавления метана на активность денитрификации.
Кроме того, нами наблюдалось увеличение интенсивности денитрификации при добавлении метана в газовую фазу (Рис. 7). Это еще раз доказывает, что метан является одним из субстратов для денитрификаторов. Наконец, в пользу того, что соединения азота выступают в нашем случае именно как акцептор электрона, говорит то, что вариант опыта с добавлением восстановленного соединения (NH4Cl) не продемонстрировал существенного увеличения поглощения метана.
Таким образом, наиболее вероятное объяснение указанной закономерности стимулирование анаэробных метанотрофов внесением доступных акцепторов электрона.
Рис. 8. Эффект добавления акцепторов электрона на поглощение метана в анаэробных условиях дерново-подзолистой почвой. А – без внесения глюкозы, Б – с внесением.
Учитывая отсутствие работ, посвящённых анаэробному окислению метана в автоморфных почвах, нами был исследован образец дерново-подзолистой почвы водораздела той же почвенно-климатической зоны. Для него также оказались характерны прирост поглощения метана в анаэробных условиях при добавлении нитратов и сульфатов, нивелирующиеся под действием глюкозы (Рис. 8), а также увеличение денитрификации при введении в газовую фазу метана с 62 до 74 нмоль N2O/г сут. Основные отличия могут быть сведены к следующему: во-первых, выявлено малое поглощение метана в контроле, сопоставимое со значениями, наблюдаемыми в обогащенных минеральными наносами почвах прирусловой части Яхромской поймы. Во-вторых, относительный прирост поглощения метана при добавлении нитратов превышал здесь все аналогичные значения, рассчитанные для торфяных почв, в 2,6 раза. Абсолютный прирост при этом соответствовал средним значениям для торфяных почв. Исходя из вышесказанного, проводящие процесс микроорганизмы присутствуют и в дерново-подзолистых почвах, функционируя в анаэробных зонах агрегатов и окисляя биогенный метан. Однако здесь метан является менее важным субстратом для анаэробов, чем в осушенных торфяных почвах;
меньшее число организмов проводят его анаэробное окисление в обычных условиях, значительно увеличивается их активность при устранении лимитирования по азоту. В связи с этим, от дерново-подзолистых почв можно ожидать более резких изменений в структуре микробного сообщества при помещении их в условия, благоприятные для анаэробного окисления метана, чем от торфяных почв. Отличия сообщества, сформировавшегося после вызванной таким образом сукцессии, будут в большей степени обусловлены развитием анаэробных метанотрофов. Такая сукцессия была нами запущена и изучена методом FISH.
В образцах, инкубировавшихся 4 дня в атмосфере аргона и метана с добавлением нитратов и сульфатов, наблюдалось снижение абсолютной численности учитываемых клеток бактерий в 1,8-3,1 раза по сравнению с контролем при одновременном возрастании численности архей в 2,1-2,5 раза (Рис. 9). Это вызывало изменение в структуре прокариотного сообщества почвы. Если в контроле доля архей не превышала 7%, то в варианте с нитратами она достигала 20%, а в варианте с сульфатами – более 35%.
Рис. 9. Изменение численности (вверху) и соотношения бактерий и архей (внизу) в микробном сообществе при добавлении субстратов анаэробного окисления метана.
Наши данные хорошо согласуются с представлениями о структуре микробного комплекса анаэробного окисления метана, сформировавшимся при изучении донных отложений. В состав консорциума, производящего окисление метана при помощи сульфатов, входит в среднем 100 клеток архей групп ANME и 200 эубактерий-сульфатредукторов (Boetius, 2000). При использовании в качестве акцептора электронов нитратов и нитритов соотношение эубактерий к археям оказалось шире и установилось равным 8: (Raghoebarsing, 2006), а через продолжительное время культивации археи оказались вовсе элиминированы (Ettwig, 2008). В нашем исследовании в образце с нитратами сохранялась заметно большая популяция эубактерий по сравнению с сульфатами.
Анаэробное окисление метана в почвах Яхромской поймы.
Для определения почвенных факторов, влияющих на анаэробных метанотрофов, нами была произведена оценка пространственного распределения активности этого процесса на участке «Ближний» (Рис. 10). Использовалось два показателя – общее поглощение метана в контроле и отклик почвенного микробного сообщества на внесение нитратов как более значимого акцептора электронов в торфяных почвах.
Рис. 10. Распределение в пахотном горизонте почв участка «Ближний»: А – величин поглощения метана в контроле, Б – прироста поглощения метана при добавлении KNO3.
Поглощение метана в контроле принимало значения от 6,8 до 35,7 нмоль/г сут (в среднем 18,7 нмоль/г сут), отклик во всех образцах оказался положительным и составил от 0,3 до 8,6 нмоль/г сут (в среднем 3,8 нмоль/г сут). Какой-либо зависимости прироста поглощения метана от контрольных значений для того же образца не выявлено, он составлял относительно контроля от 2,3 до 65,7% (в среднем 26%). Эти величины в осушенных торфяных почвах оказались на несколько порядков меньше, чем данные, полученные по близкой методике для затопленных почв рисовников: 40 мкмоль/г сут в контрольном варианте, 170 мкмоль/г сут при добавлении нитрата калия (Kumaraswamy, 2001). Для нескольких неосушенных торфяных почв значение средней скорости анаэробного окисления метана составило 17 нмоль/кг сек, что соответствует около 1,5 мкмоль/г сут (Smemo, 2007).
Обнаружено, что наибольших величин оба показателя достигают в центральной пойме, при этом карта образования метана накладывается на карту его анаэробного окисления так, что максимум прироста поглощения метана совпадает с минимумом его эмиссии.
Следовательно, метаногенез и анаэробное окисление метана могут быть сопряжены не только in vitro, но и in situ. Таким образом, измеряя даже в микрокосмах скорость образования метана, мы можем измерять на самом деле некую равнодействующую скоростей метаногенеза и анаэробного окисления новообразованного метана. И если окисляется большая часть метана, а, например, в морских осадках его окисляется до 80-90%, то именно варьирование скоростей анаэробного окисления метана может оказывать определяющее влияние на выделение этого парникового газа из анаэробных зон почвы. Совпадение минимума результирующей эмиссии метана и максимума его поглощения, а также на порядок большая активность окисления метана по сравнению с выделением из почвы, являются косвенными свидетельствами того, что именно так и происходит.
Электрофизические методы оценки скоростей образования и поглощения парниковых газов.
Одним из направлений нашей работы стал поиск доступных и быстрых методов оценки варьирования и распределения величин образования, а также поглощения парниковых газов осушенными торфяными почвами. Для этого нами предлагаются электрофизические методы, в частности – измерения удельного электрического сопротивления, имеющего как лабораторные, так и полевые модификации, что особенно важно.
Согласно как литературным данным, так и нашим исследованиям, существует довольно строгая взаимосвязь между свойствами почвы и биомассой, физиологической активностью, а в некотором приближении даже с видовым составом почвенных микроорганизмов (Jelsomino, 1999;
Johnson, 2003;
Меняйло, 2007). С другой стороны, известен ряд однозначных зависимостей между электрическим сопротивлением почвы и содержанием гумуса, ЕКО, грансоставом, а в торфяных почвах и с зольностью (Поздняков, 1996).
Сопротивление может стать тем легко определяемым и емким показателем, по которому можно сделать вывод о состоянии почвы, а стало быть, и состоянии почвенного микробного сообщества.
Измеренное нами сопротивление пахотного горизонта изменялось в полном соответствии с делением торфяных почв по положению в прирусловой-центральной притеррасной частях поймы (Рис. 11). Причем это касается как измеренного в лаборатории при стандартных условиях т.н. истинного сопротивления, так и значений сопротивлений, полученных в поле с поверхности почвы без какого-либо отбора образцов. Значения кажущегося электрического сопротивления, измеренного с поверхности, менялось в пределе от 14 до 40 Ом.м. Истинное сопротивление пахотного горизонта было несколько ниже – 11 37 Ом.м. Наибольшие величины достигались в центральной пойме, где зольность минимальна, а почвенный раствор не так минерализован, то есть несет в себе мало подвижных ионогенных соединений (электрических зарядов).
Рис. 11. Распределение величин удельного электрического сопротивления пахотного горизонта: А – кажущееся сопротивление (поле);
Б – истинное сопротивление (лаборатория).
Рис. 12. Зависимость между скоростью образования СО2 и электрическим сопротивлением измеренным в лаборатории.
Распределение величин дыхания и сопротивления очень близки друг к другу (Рис. 3, 11, 12). Хотя для всей территории участка коэффициент корреляции между ними невысок (поскольку, как будет показано ниже, имеется несколько вариантов зависимостей на разных по положению и свойствам почвах) и делать прямые перерасчёты вряд ли возможно, электрическое сопротивление можно использовать для целей рекогносцировочного картирования. Метод позволяет хорошо оценить топографию распределения величин дыхания, выделить однородные по этому показателю почвенные контуры и объективно подойти к выбору точек для дальнейших точных измерений. Для анаэробных процессов подобная корреляция либо слабее (денитрификация), либо вовсе не характерна (метаногенез).
Образование парниковых газов в условиях антропогенного загрязнения.
Одним из немаловажных факторов, определяющих условия жизни микробного сообщества в антропогенно-преобразованных почвах, является загрязнение. Нами был поставлен модельный эксперимент, позволяющий с одной стороны определить степень влияния загрязнения на физиологическую активность почвенных микроорганизмов, а с другой – проследить обнаруженную зависимость между сопротивлением и дыханием почвы в идеальных условиях варьирования лишь одного почвенного параметра. Навески загрязнялись медным купоросом, моторным маслом и нитратом калия в предельно допустимых концентрациях и при их многократном превышении.
Рис. 13. Влияние поллютантов на микробную активность и электрическое сопротивление.
Внесение избыточных доз нитратов привело к росту денитрификации, и снижению скорости азотфиксации. При высоких дозах наблюдалось снижение образования метана, возможно вызванное усилением его анаэробного окисления. Использованное в модельном опыте моторное масло напротив, стимулировало дыхание;
а поскольку нефтепродукты не содержат азот, то и процесс азотфиксации. Сокращалась лишь активность метаногенеза, что связано с невозможностью сбраживания углеводородов. При загрязнении тяжёлыми металлами наиболее сильно подавлялась активность дыхания (Рис. 13).
Взаимосвязь между электрофизическими и биологическими параметрами довольно ярко проявилась и в данном опыте, поскольку загрязнение закономерно изменяло и сопротивление почвы: диссоциирующие в растворе поллютанты снижали его, диэлектрики же (нефтепродукты), повышали. Наиболее тесная связь наблюдалась при этом между сопротивлением и дыханием (Рис. 14). Опыт, на наш взгляд, прекрасно иллюстрирует природу найденных взаимосвязей, вызванных синхронным изменением двух величин под влиянием третьей. Однако в масштабах всей поймы в качестве последней выступает не загрязнение, а зольность торфа.
Рис. 14. Корреляция между образованием CO2 и электрическим сопротивлением в условиях нитратного загрязнения (А), загрязнения нефтепродуктами (Б) и солями тяжелых металлов (В).
Оценка постмелиоративных эволюционных преобразований торфяных почв Яхромской поймы электрофизическими методами.
Наши исследования на Яхромской пойме показали, что между участками с разными сроками освоения отчетливо прослеживаются различия как по величинам эмиссии CO2, так и по сопротивлению. На участке «Дальний» (45-50 лет освоения) между значениями дыхания и сопротивления также наблюдается корреляция, однако зависимость в этом случае не прямая, а обратная (Рис. 15, Б). Абсолютные значения образования углекислого газа при этом в раза выше, чем на «Ближнем» (95-100 лет освоения), а сопротивление почвы выше в 2 раза.
В подпахотном горизонте, состоящем из практически неизмененного, неразложенного торфа, связь дыхания и сопротивления отсутствует (Рис. 15, В).
Рис. 15. Трансформация типа корреляции потенциальной эмиссии СО2 и электрического сопротивления в процессе постмелиоративной эволюции торфяных почв Яхромской поймы. Для участка «Ближний» (А) после 100 лет освоения уравнение зависимости имеет вид: D (мкм/г сут) = 22,17 ER (Ом.м) + 179,21. Для участка «Дальний» (Б) после 50 лет освоения: D (мкм/г сут) = -37,5 ER (Ом.м) + 4767,2;
для подпахотного горизонта, не затронутого минерализацией, зависимость отсутствует (В).
Сопоставление величин дыхания и сопротивления раскрывает периодизацию эволюции торфяных почв после осушения и позволяет определить, насколько торф близок к состоянию равновесия в новых геохимических условиях. На участке «Дальний» (45-50 лет освоения) при интенсивном протекании минерализации в почвах с наиболее высокой скоростью разложения (то есть большими потерями CO2) происходит относительная аккумуляция зольных элементов, что снижает сопротивление. Почвы участка «Ближний» (95-100 лет освоения) близки к равновесному состоянию, по газообразным потерям углерода они в целом сопоставимы с ненарушенными торфяными почвами. При этом относительно интенсивное разложение носит остаточный характер и приурочено к тем точкам, где торф пока ещё менее разложен, его зольность ниже, а сопротивление – выше. Почвенное микробное сообщество, минерализуя торфяную массу, определяет в конечном итоге собственные условия существования, легко диагностируемые по электрическому сопротивлению.
Таким образом, сопротивление можно использовать как основу для методов экспрессной оценки распределения способности почвы к образованию парниковых газов и для характеристики антропогенного воздействия на торфяные почвы, в частности, для определения стадии их освоения.
ВЫВОДЫ 1. Показана возможность протекания анаэробного окисления метана с использованием как сульфатов, так и нитратов, в незатопленных мелиорированных торфяных почвах с преобладанием окислительных условий.
2. Абсолютный прирост поглощения метана в анаэробных условиях при добавлении нитратов (используемых в качестве окислителя) достигает наивысших значений в тех участках поймы, где эмиссия метана минимальна. Таким образом, анаэробное окисление метана может являться одним из важнейших факторов, определяющих интенсивность итоговой эмиссии метана из почвы.
3. При создании благоприятных условий для функционирования анаэробных метанотрофов интенсивно развиваются археи, в особенности это касается случая окисления метана в присутствии сульфатов.
4. Для исследованных почв интенсивность эмиссии CO2 и скорость денитрификации (основной процесс образования N2O) максимальны в центральной части поймы, где расположены хорошо окультуренные торфяные почвы на мощных древесно разнотравных торфах. Это обусловлено физико-химическими свойствами данных почв, прежде всего их низкой зольностью.
5. Выявлена корреляция между электрическим сопротивлением осушенных торфяных почв и скоростями образования в них парниковых газов, прежде всего CO2 и N2O. Эти закономерности могут быть использованы в основе инновационного метода предварительной оценки распределения эмиссии парниковых газов, позволяющего объективно выбирать точки опробования.
6. Взаимосвязь между электрическим сопротивлением осушенной торфяной почвы и интенсивностью образования в ней CO2 возникает и трансформируется в процессе освоения почв по мере их минерализации и увеличения зольности. По характеру зависимости возможна оценка стадии преобразования осушенной торфяной почвы:
прямая формируется при приближении к равновесному состоянию в условиях длительной (до 100 лет) антропогенной нагрузки.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Можарова Н.В., Гольцова Т.В., Поздняков Л.А. Применение экспресс-методов электросъемки в целях диагностики и детального картографирования техногенно нарушенных и загрязненных почв (на примере скважинной зоны Щелковского подземного газохранилища) // Тезисы докладов Международной конференции «Современные проблемы загрязнения почв». Москва, 24-28 мая 2004 г., с. 364-365.
2. Позднякова А.Д., Поздняков А.И., Поздняков Л.А. GIS/GPS-анализ трансформации почвенного покрова торфо-болотных ландшафтов при длительном антропогенном воздействии // Доклады конференции «Современные аспекты экологии и экологического образования». Казань, 19-23 сентября 2005 г., с. 373-375.
3. Васильева Н.А., Милановский Е.Ю., Степанов А.Л., Поздняков Л.А. Амфифильные свойства органических веществ и микробиологическая активность в агрегатах чернозёма // Вестник московского университета. Сер. 17 «Почвоведение». 2005, №3, с.18-21.
4. Поздняков Л.А. Возможности электрических методов при диагностике почв и почвенных процессов // Материалы Всероссийской научной конференции «IX докучаевские молодёжные чтения». Санкт-Петербург, 1-3 марта 2006 г., с. 294-295.
5. Natalia A. Vasilieva, Evgeny Yu. Milanovsky, Alexei L. Stepanov and Lev A. Pozdnyakov, Microbial activity and greenhouse gases production in soil aggregates // 18th World Congress of Soil Science. Philadelphia, Pennsylvania, USA, July 9-15, 2006. Paper # 6. Lev A. Pozdnyakov, Electrogeophysical Methods for Evaluation of Microbiological Activity in Peat Soils // ASA-CSSA-SSSA International Annual Meetings. New Orleans, Louisiana, November 4-8, 2007. Paper #37761, Topic Selection: Symposium – Advancing Measurement Techniques and Modeling Synergy for Environmental Soils Research in Space and Time: Proximal Soil Sensing for Digital Soil Mapping.
7. Степанов А.Л., Поздняков Л.А., Позднякова А.Д. Оценка биологической активности торфяных почв по электрическому сопротивлению в условиях антропогенного загрязнения // Материалы V съезда Всероссийского общества почвоведов им.
В.В.Докучаева. Ростов-на-Дону, 18-23 августа 2008 г., с. 123.
8. Хан К.Ю., Поздняков А.И., Сон Б.К., Поздняков Л.А. Строение почвенных агрегатов и особенности трансформации в них органического вещества // Материалы Российско-Корейского семинара «Современная наука и высокие технологии».
Пущино, 20-21 ноября 2008 г., с. 14-15.
9. Поздняков Л.А. Оценка биологической активности торфяных почв по удельному электрическому сопротивлению // Почвоведение. 2008, №10, с. 1217-1223.
10. Ковалев Н.Г., Поздняков А.И., Мусекаев Д.А., Поздняков Л.А. Общие тенденции трансформация торфяников при мелиорации и длительном сельскохозяйственном использовании // Материалы Международной научно-практической конференции «Осушительная мелиорация в нечерноземной зоне РФ: состояние и прогноз». Тверь, 16-17 июля 2009 г., с. 80-84.
11. Позднякова А.Д., Мусекаев Д.А., Поздняков Л.А. Почвоутомление как заключительная стадия эволюции и деградации торфоагроземов (теория и практика) // Труды V Международной конференции «Эволюция почвенного покрова: история идей и методы, голоценовая эволюция, прогнозы». Пущино, 26-31 октября 2009 г., с. 286-288.
12. Поздняков Л.А. Электрофизическая оценка некоторых аспектов эволюции мелиорированных торфяных почв // Труды V Международной конференции «Эволюция почвенного покрова: история идей и методы, голоценовая эволюция, прогнозы». Пущино, 26-31 октября 2009 г., с. 85-86.
13. Ковалев Н.Г., Поздняков А.И., Мусекаев Д.А., Позднякова А.Д., Бородкина Р.А., Поздняков Л.А. Система мер по предупреждению негативных последствий длительного интенсивного использования осушаемых почв (методическое руководство) - Тверь: ВНИИМЗ, 2009, 36 с.
14. Позднякова А.Д., Поздняков Л.А. Особенности почвоутомления торфоагроземов и факторы на него влияющие (на примере почв Яхромской поймы) // Вестник Оренбургского университета. Спецвыпуск, окт. 2009, с. 322-325.
15. Поздняков Л.А., Степанов А.Л., Манучарова Н.А. Анаэробное окисление метана в почвах и водных экосистемах // Вестник Московского университета. Сер. «Почвоведение». 2011, №1, с. 27-33.