Алексей львович биологическая активность муравейников lasius niger l.

На правах рукописи

УДК 595.796 Новоселов Алексей Львович БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ МУРАВЕЙНИКОВ LASIUS NIGER L.

Специальность 03.02.08 – экология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Москва – 2010

Работа выполнена на кафедре общей экологии Биологического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.

Научный консультант:

доктор биологических наук Д.Г. Замолодчиков

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, профессор О.Р. Бутовский кандидат биологических наук М.В. Горленко

Ведущая организация: Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН (ИФХиБПП РАН), Московская обл., г. Пущино

Защита состоится 4 июня 2010 г. в _ на заседании Диссертационного совета Д.501.001.55 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата биологических наук при Московском государственном университете им. М.В.

Ломоносова по адресу: 119992 Москва, Ленинские горы, МГУ, Биологический ф-т, ауд.

389.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке биологического ф-та Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова.

Отзывы (в двух экземплярах) просим направлять по адресу: 119992 Москва, Ленинские горы, Биологический ф-т МГУ, ученому секретарю Диссертационного совета Д.501.001.55.

Факс: 939-4309 E-mail: [email protected] Автореферат разослан «_» 2010 г.

Ученый секретарь Совета, кандидат биологических наук Н.В. Карташева 1.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В естественных биогеоценозах большую часть зоомассы составляют безпозвоночные, на долю позвоночных приходится до 4,3% (Тарко, 2005).

Муравьи — наиболее многочисленные представители отряда перепончатокрылых Hymenoptera. Для них характерен колониальный, общественный образ жизни. На данный момент насчитывается 12 470 видов муравьёв;

300 из них встречается на территории СНГ, 20 видов относятся к роду Lasius. Виды рода Lasius являются одними из наиболее часто встречающихся на территории голарктической области. Они обитают в лесной и лесостепной зонах умеренного пояса и рассматриваются как наиболее обычные и массовые виды муравьёв. Самыми распространенными из них являются черный садовый муравей L. niger L. и желтый луговой муравей L. flavus F. (Длусский, 1990). Популяции муравьев могут достигать большой численности и плотности, так плотность гнёзд L. niger на лугах может составлять до 2145 на гектар, создавая особенный микрорельеф. Сооружая гнезда, муравьи оказывают серьезное воздействие на почву. В процессе гнездостроения муравьи обрабатывают не менее 26 м3 почвы на 1 га. По оценкам некоторых авторов суммарный объем гнезд этих видов достигает 270 м3/га (Зрянин, 2003). Плотность гнезд может достигать и более высоких значений: на одном гектаре может находиться до 7- тыс. муравейников, причем число гнезд менее тысячи на 1 га – явление редкое. В луговой степи Центрально-Черноземного заповедника вклад этих муравьев в ежегодный вынос почвы при сооружении гнезд оценивается в 50 м3/га (Павлова, 1977;

Зрянин, 2003). В тайге Северного Урала их роль в комплексе с другими мелкими видами (Myrmica, Serviformica) не так велика, вместе они выносят 1.5-15 м3/га почвы (Зрянин, 2003).

Большинство научных исследований муравьёв посвящено социальным и поведенческим аспектам их биологии. При изучении биоценотической роли муравьев необходимо учитывать их социальный образ жизни, влияющий на всю их деятельность.

Единицей воздействия на биоценоз является не единичная особь, а семья, представленная в пространстве гнездом и окружающим его кормовым участком (Сейма, 2008).

Исследования последних лет показали, что значение муравьев в биогеоценозах может быть более существенным, чем считали ранее. Имея ничтожную по сравнению с растениями биомассу, муравьи играют большую роль в регулировании их роста (Тарко, 2005). В зоне активной жизнедеятельности муравьев изменяется целый ряд физических и химических свойств почв. Воздействие муравьёв рода Lasius на почву приводит к изменению в почве содержания азота, калия и бария. (Jakubczyk, Czerwinski, Petal, 1972).

Муравьи улучшают аэрацию почвы, увеличивают показатели порозности в пределах гнезда, изменяют параметры водного режима. Их деятельность влияет на структуру почвы и сказывается на почвенном плодородии (Eldridge, 1993;

Dean et. al, 1997). В зоне интенсивной жизнедеятельности муравьев видовое разнообразие и обилие почвенных беспозвоночных и растений отличается от окружающей территории (Lavelle et. al., 1997).

Муравьи существенно преобразуют среду обитания (Wright, Jones, 2006), в том числе интенсифицируя круговорот биогенных элементов. Характер воздействия муравьев на почву может быть различен и зависит от параметров биогеоценоза, характеристик почвы и экологических особенностей вида муравьев (Levan, 1983).

Процессы, приводящие к изменениям свойств почвы в зоне воздействия муравейников, связаны с деятельностью микроорганизмов, обильно населяющих муравьиные гнезда (Бабьева и др., 1975). Показано, что муравьи могут влиять на биологические свойства почв, численность бактерий и актиномицетов (Jakubczyk et al., 1972). В муравьиных гнёздах формируются специфические микробные комплексы (Jouquet, 2006). Однако, до сих пор нет общего понимания влияния муравьев на микробиологические процессы, протекающие в муравейниках, и сопряженные модификации потоков парниковых газов.

Цель нашей работы состояла в изучении микробиологической активности муравейников L. niger. В задачи исследования входили:

1. Оценка активности микробиологических процессов азотфиксации, денитрификации, дыхания и метаногенеза в муравейниках по сравнению с контрольной почвой.

2. Оценка содержания углерода и азота в почвах муравейников в сравнении с контрольной почвой.

3. Изучение видового и группового состава микроорганизмов (грибов и бактерий), населяющих почвы муравейников.

Впервые количественно охарактеризованы модификации Научная новизна.

муравьями микробиологических потоков углекислого газа, метана и закиси азота.

Установлена значимость этих модификаций на экосистемном уровне. Исследована динамика этих процессов в сезонном аспекте. Выявлены различия в сезонной динамике процессов дыхания, метаногенеза, азотфиксации и денитрификации. На количественном уровне оценена степень влияния муравьев на биогеохимические циклы на зарастающих сельскохозяйственных угодьях. Впервые показано, что микробиологический комплекс муравейника отличается постоянной численностью бактерий и изменчивой структурой актиномицетов. Выявлено значимое воздействие актиномицетов на формирование и развитие микробного комплекса муравейника, в частности, участие актиномицет в поддержании постоянной общей численности бактерий. Выявлены различия грибного комплекса между структурными элементами муравейника и контрольной почвой.

Теоретическое и практическое значение. Теоретическое значение работы связано с качественной и количественной характеристикой малоизученных взаимодействий между биотическими компонентами биоценоза, а именно, муравьями и сообществами микроорганизмов. Практическое значение работы определяется выявлением роли муравьев как модификаторов биогеохимических циклов, в том числе эмиссий парниковых газов. Индуцированные муравьями модификации круговоротов парниковых газов приобретают особое значение на зарастающих землях, вышедших из сельскохозяйственного оборота. Учет этих процессов необходим для уточнения территориальных бюджетов парниковых газов, построение которых предписывается международными климатическими соглашениями.

Апробация. Результаты исследования были представлены на V международной конференции по изучению грибов в биогеоценозах (Пермь, 2009 г.), XIII всероссийском мирмекологическом симпозиуме «Муравьи и защита леса» (Нижний Новгород, 2009 г.), XIII международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов 2006» (Москва 2006 г.), XII всероссийском мирмекологическом симпозиуме «Муравьи и защита леса» (Новосибирск, 2005 г.), международной научной конференции «Экология и биология почв» (Ростов-на-Дону, 2005 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе статья в рецензируемом научном журнале из списка изданий, рекомендуемых ВАК для публикации результатов кандидатских диссертаций.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав и списка цитируемой литературы, насчитывающего 101 источников, в том числе 52 зарубежных.

Работа изложена на 116 страницах машинописного текста, включая 38 рисунков и таблиц.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

2.1. Объекты и методы Объектом исследования служило поле, расположенное в окрестностях с.

Ермолово, в 19,5 км на восток от города Касимов в Касимовском районе Рязанской области, на высоком берегу р. Унжа. Климат района исследования умеренно континентальный, среднегодовое количество осадков составляет 725,3 мм, средняя температура июля равна +19,9С, средняя температура января - 8,3 С. В зимнее время преобладают ветры южных румбов, летом — западных и северо-западных. Рельеф полого волнистый. Район исследования находится в зоне смешанных хвойно-широколиственных лесов, почва представлена постагродерново-подзолом глееватом супесчаном на аллювиально-деллювиальных отложениях (освоенная супесчаная дерновоподзолистая почва по классификации почв 1977 г.). Поле выведено из сельскохозяйственного оборота в 1995 г. До этого использовалось для выращивания преимущественно кормовых культур (овес, горох). Растительный покров представлен разнотравьем и редкостойным возобновлением древесных пород. Среди травянистых растений доминируют злаки тимофеевка (Phleum pratense), ежа (Dactylis glomerata. L.), мятлик (Poa pratensis L), костёр (Bromus erectus Huds). Из древесных пород преобладает береза (Betula pendula Roth) с высотой 6-8 м и возрастом 5-10 лет. Плотность муравейников на площадке составляла около 10 гнезд на 100 м2.

Отбор образцов почвы проводили из разрезов под муравейниками и из контрольных разрезов, которые закладывали на расстоянии 20 м от муравейников.

Образцы отбирали в трехкратных повторностях в начале (май), середине (июль) и конце (август) вегетационных периодов 2004-2009 гг. При характеристике почвы, слагающей надземную (купол) и подземную части муравейников, использовали стандартную методику описания почвенных горизонтов. Кроме того, отмечали морфологические особенности почвы муравейников. В начале вегетационного периода в куполе муравейника и нижележащих горизонтах располагались камеры и ходы муравьёв. В конце вегетационного периода скопления муравьёв располагались в камерах, расположенных ниже уровня поверхности почвы (на глубине около 30 см.

Потенциальные микробное дыхание, азотфиксацию, денитрификацию и эмиссию метана определяли газо-хроматографическими методами в образцах, освобожденных от корней, растертых в ступке и просеянных через сито (1-2 мм) образцах. Содержание углерода (C%) и азота (N%) оценивали на элементном анализаторе Vario (l 3) в образцах, просеянных через сита 1 и 0,25 мм.

Численность и групповой состав микроорганизмов в образцах определяли методом посева на агаризированные среды. В качестве основного приема предварительной обработки образцов для анализа прокариот использовали ультразвуковое диспергирование на низкочастотном диспергаторе типа УЗДН-1 (22 кГц, 0,44 А, 2 мин).

Посев на среды проводился из ряда последовательных разведений предварительно обработанных почвенных суспензий. Для выявления микробов-антагонистов и изучения их антибиотической активности применяли метод агаровых блоков.

Определение численности и таксономического состава прокариот осуществляли методом посева разведений почвенных суспензий на глюкозо-пептонно-дрожжевую среду (ГПД). Родовую идентификацию выделенных прокариот проводили на основе изучения морфологических и хемотаксономических признаков, руководствуясь «Определителем бактерий Берджи» (Берджи, 1997). Среди выделенных мицелиальных прокариот доминировали стрептомицеты, для видовой идентификации которых использовали определитель Г.Ф. Гаузе с соавт. (Гаузе, 1983).

Для определения численности и видового состава грибов проводили посевы на агаризованную среду Чапека из последовательных разведений почвенной суспензии (1:10, 1:100). При предварительной обработке образцы взбалтывали на качалке в течение 10 минут. Определение грибов до вида проводили по определителями соответствующих групп грибов (Domsh et all., 1993, Pitt, 1991).

Статистическую обработку результатов, включая дисперсионный и кластерный анализы, а также поиск по методу главных компонент, проводили в пакете Statistica 6.0.

2.2. Дыхательная активность и метаногенез Наибольшая потенциальная активность дыхания выявляется в куполе муравейника (рис. 1A);

ее значения в 3-5 раз выше, чем в постагрогумусовом горизонте (AYpa) контрольной почвы. Различия статистически достоверны при сравнении связанных, простых, нормально распределённых выборок методом двухвыборочного t-критерия Стьюдента. К концу вегетационного периода активность дыхания в контрольной почве несколько снижается, в то время как в образцах купола муравейника отмечается обратный процесс – повышение активности дыхания. С увеличением глубины интенсивность эмиссии СО2 стабильно снижается по сравнению с верхними горизонтами как в контрольной почве, так и в муравейнике. Однако динамика дыхания (в элювиальном горизонте EL контрольной почвы и в горизонте AYpa, подстилающем купол муравейника) в течение вегетационного периода различна. Если в контрольной почве она соответствует динамике в горизонте AYpa, то в горизонте AYpa муравейника максимум дыхания приходится на середину вегетационного периода;

в куполе муравейника дыхание максимально в конце вегетации.

Также отчетливо различается сезонная динамика содержания углерода (С% общ.) в муравейнике и контрольной почве (рис. 1). В контрольной почве максимумы содержания углерода (для гор. AYpa и EL), совпадают и приходятся на середину вегетационного периода – июль (рис. 1A). В куполе муравейника содержание углерода не меняется в течение всего вегетационного периода (при возрастающей к концу вегетационного периода интенсивности дыхания);

при этом содержание углерода в нижележащем горизонте муравейника (АYpa) имеет тенденцию к увеличению. Косвенно это может свидетельствовать об аккумулирующей углерод деятельности муравьев, что подтверждается и литературными данными (Зрянин, 1998).

А Б Рис. 1. Содержание углерода (C общ.%) и динамика эмиссии CO2 (мкмоль C CO2/г*час): А) контрольная почва (гор. AYpa и EL);

Б) муравейник (купол, гор. AYpa).

Результаты дисперсионного анализа данных по эмиссии углекислого газа за все сроки наблюдений (5 сезонов) свидетельствуют о более выровненном характере дыхания в контрольной почве (табл. 1). В куполе муравейника амплитуда колебаний эмиссии углекислого газа за период наблюдений значительно выше (от 0,03 до 9,35 мкмоль C СО2/г*час), чем в контрольной почве (от 0,01 до 1,94 мкмоль C-СО2/г*час). Мы полагаем, что подобное различие обусловлено суточной и сезонной активностью муравьёв в разных частях почвенного профиля;

их деятельностью по распределению органического вещества в пределах муравейника. Из литературных источников известно (Хансен, Вийк, 1981), что муравьи активно перемещаются вдоль по профилю в начале и конце вегетационного периода.

Таблица. 1. Результаты дисперсионного анализа данных по эмиссии углекислого газа (мкмоль CO2/г*час) Объект Медиана Минимум Максимум Квантиль Квантиль 25% 75% Контрольная почва 0,90 0,01 1,94 0,81 1, 2,93 0,03 9,35 0,93 5, Купол муравейника Иная картина, также свидетельствующая о влиянии муравьёв на микробиологические процессы трансформации углерода, наблюдается при анализе данных по эмиссии метана из постагродерново-подзола глееватого и муравейника (Рис. 2).

Так, максимальная эмиссия метана наблюдается из горизонта AYpa контрольной почвы в середине вегетационного периода (0,05 нмоль CH4/г*сутки). В начале и конце вегетационного периода интенсивность метаногенеза несколько ниже (из горизонта AYpa 0,02 и 0,03 нмоль CH4/г*сутки). Отметим, что эмиссия метана из контрольной почвы с глубиной во все сроки наблюдений меняется незначительно. Наибольшая разница между горизонтами AYpa и EL в метаногенной активности наблюдается в середине вегетационного периода и составляет 0,02 нмоль CH4/г*сутки, в то время как в начале и в конце вегетационного периода существенных различий в интенсивности эмиссии метана из этих горизонтов контрольной почвы не выявлено (Рис. 2А). Отметим, что максимум метаногенеза совпадает с максимальным содержанием углерода в контрольной почве и приходится на лето – середину вегетационного периода.

Сезонная динамика эмиссии CH4 из муравейника отличается от рассмотренной выше метаногенной активности контрольной почвы. Так, наибольшая активность метаногенеза отмечается в куполе муравейника в начале вегетационного периода - 0,08 нмоль CH4/г*сутки, что примерно в 4 раза больше, чем в контрольной почве и в горизонте AYpa, расположенном под куполом муравейника. В дальнейшем, к середине вегетации, в куполе муравейника отмечается резкое падение метаногенеза до уровня 0,02 нмоль CH4/г*сутки и некоторое увеличение этого параметра осенью, в конце вегетационного периода – 0, нмоль CH4/г*сутки (Рис. 2Б). В горизонте AYpa, расположенном под куполом муравейника, метаногенная активность в течение всего сезона соответствует контролю, но несколько отличается по динамике. Уровень эмиссии метана из муравейника (купола и нижележащего горизонта AYpa) минимален в середине вегетационного периода. Мы полагаем, что высокое значение уровня метаногенеза весной связано с особыми условиями, создающимися в лишенном растительности и не полностью занимаемом муравьями куполе муравейника при избыточном увлажнении в результате сезонного снеготаяния. Из литературы известно (Хансен, Вийк, 1981), что муравьи зимуют под землей и поднимаются на поверхность, заселяя купол, по мере прогревания верхних почвенных горизонтов.

А Б Рис. 2. Содержание углерода (C общ.%) и динамика эмиссии метана (нмоль CH4/г*час): А) в контрольной почве постагродерново-подзоле глееватом (гор. AYpa и EL);

Б) в муравейнике (купол, гор. AYpa).

Дисперсионный анализ данных метаногенной активности (табл. 2) выявил более выровненный характер эмиссии метана из контрольной почвы (0,02-0,08 нмоль CH4/г*сутки) и большую амплитуду колебаний метаногенеза в муравейнике (0,01-0, нмоль CH4/г*сутки). По этим показателям динамика метаногенной активности в исследуемых образцах подобна таковой у эмиссии углекислого газа.

Таблица. 2. Результаты дисперсионного анализа данных по эмиссии метана (нмоль СН4/г*сутки) Объект Медиана Минимум Максимум Квантиль Квантиль 25% 75% Контрольная почва 0,024 0,02 0,08 0,021 0, 0,023 0,01 0,18 0,016 0, Купол муравейника Исследованные компоненты углеродного цикла в муравейнике имеют свою специфику и значительно отличаются по динамике от тех же процессов в контрольной почве. Основными отличиями следует считать: для эмиссии углекислого газа – большую активность дыхания в муравейнике в течение всего вегетационного периода и смещение максимума активности на конец вегетационного периода осенью;

для метаногенеза – отчетливо выраженный максимум в куполе муравейника в начале вегетационного периода весной. Характерны также большие амплитуды колебаний значений как дыхания, так и метаногенеза в муравейнике по сравнению с контрольной почвой.

2.3. Потоки азотсодержащих газов Диазотрофная активность в постагрогумусовом горизонте (AYpa) контрольной почвы в течение вегетационного периода существенно отличается от диазотрофной активности муравейника (Рис. 3). Так, в горизонте AYpa минимальная активность азотфиксации отмечена в начале вегетационного периода (2,15 нмоль N2/г*час), к середине вегетационного периода она существенного возрастает и достигает максимума (10,05 нмоль N2/г*час), далее, к концу вегетации, незначительно падает (до 3,9 нмоль N2/г*час). Из полученных данных также следует, что динамика азотфиксации отчетливо совпадает с динамикой содержания азота;

максимальное содержание азота в контрольной почве зафиксировано в середине вегетационного периода (0,2%) и соответствует максимальной диазотрофной активности (Рис. 3А).

Иная динамика азотфиксирующей активности наблюдается в муравейнике.

Максимальная диазотрофная активность в куполе муравейника отмечена в начале вегетационного периода (3,14 нмоль N2/г*час);

к середине вегетационного периода она резко падает (до 0,47 нмоль N2/г*час), а затем, к концу вегетационного периода, вновь увеличивается до, примерно, уровня весенней активности (2,03 нмоль N2/г*час) (Рис. 3Б).

Отметим, что активность азотфиксации в течение вегетационного периода в контрольной почве в среднем выше, чем в муравейнике. По нашему мнению, это может быть обусловлено большей активностью азотфиксирующих бактерий в прикорневой зоне, в то время как исследуемые муравейники были практически полностью лишены растительности.

Характер накопления азота в муравейнике незначительно отличается от характера накопления азота в контрольной почве. Минимальное содержание азота в AYpa горизонте контрольной почвы и близкое к минимальному в куполе муравейника отмечено в начале вегетационного периода (0,07 и 0,09 % соответственно);

максимум содержания общего азота в исследуемых субстратах отмечен в середине вегетации (0,2% в AYpa горизонте контрольной почвы и 0,19% в куполе муравейника);

к концу вегетации содержание азота падает и в контрольной почве, и в куполе муравейника, достигая 0,14% и 0,08%, соответственно.

А Б Рис. 3. Содержание азота (N% общ.) и динамика диазотрофной активности (нмоль N2/г*час): А) контрольная почва постагродерново-подзол глееватый;

Б) купол муравейника и нижележащий горизонт AYpa.

Таким образом, одной из особенностей азотного цикла в муравейнике можно считать максимальное содержание азота в середине вегетационного периода при минимальной диазотрофной активности. Из литературных данных (Хансен, Вийк, 1981) известно, что рацион L. niger меняется в течение вегетационного периода, и в середине вегетации (июле) основным кормом муравьям служит животная пища, к осени в корме муравьев преобладают растительные компоненты. Следовательно, можно предположить, что повышение содержания азота в куполе муравейника в середине вегетации связано не с деятельностью азотфиксаторов, а с накоплением азотсодержащего органического вещества. Активный привнос органического вещества животного происхождения в период хищничества у муравьев, скорее всего, и служит фактором, ингибирующим азотфиксирующую активность в куполе муравейника в середине вегетационного периода.

Косвенно это соображение подтверждается и результатами дисперсионного анализа данных по диазотрофной активности (табл. 3). Меньшая амплитуда колебаний азотфиксирующей активности в куполе муравейнике (0,2-1,6 нмоль N2/г*час), по нашему мнению, свидетельствует о меньшем влиянии муравьев на ход этого процесса в течение вегетационного периода.

Таблица. 3. Результаты дисперсионного анализа данных по нитрогеназной активности (нмоль N2/г*час) Объект Медиана Минимум Максимум Квантиль Квантиль 25% 75% Контрольная почва 0,48 0,02 19,87 0,09 4, 0,47 0,002 10,81 0,22 1, Купол муравейника Сезонная динамика денитрификации – процесса, приводящего к газообразным потерям азота, также отчетливо различается в муравейнике и контрольной почве (рис. 4).

В AYpa горизонте контрольной почвы в начале и средине вегетации активность денитрификации находится на уровне 0,29 и 0,35 нмоль N2O/г*сутки соответственно.

Всплеск активности денитрификации в контрольной почве отмечен в конце вегетационного периода и достигает 0,82 нмоль N2O/г*сутки. Таким образом, уровень денитрификации повышается примерно в 2,3 раза. Мы полагаем, что это увеличение может быть связано с закономерным сезонным повышением влажности и поступлением азотсодержащего органического вещества с опадом, а также в результате всплеска нитрогеназной активности в середине вегетационного периода (Рис. 4А).

А Б Рис. 4. Содержание азота (N% общ.) и динамика активности денитрификации (нмоль N-N2O/г*сутки): А) контрольная постагродерново-подзолистая глееватая почва;

Б) купол муравейника и нижележащий горизонт AYpa.

Сезонный ход денитрификации в муравейнике отличается от такового в контрольной почве. В начале и конце вегетационного периода в куполе муравейника и в нижележащем горизонте денитрификация минимальна. Ее значения примерно соответствуют интенсивности денитрификации верхнего горизонта контрольной почвы в начале и середине вегетации (весной: в куполе муравейника 0,20 нмоль N2O/г*сутки, в нижележащем горизонте 0,22 нмоль N2O/г*сутки;

осенью: в куполе муравейника 0, нмоль N2O/г*сутки, в нижележащем горизонте 0,31 нмоль N2O/г*сутки).

Основным отличием сезонной динамики денитрификации в муравейнике от контрольной почвы, по нашим наблюдениям, можно считать пик денитрификационной активности, отмеченный в куполе муравейника и, в меньшей степени, в нижележащем горизонте в середине вегетационного периода. Значение денитрификации в этот момент в куполе достигает 5,35 нмоль N2O/г*сутки, что в 26,7 раза превосходит значение этого показателя в начале вегетации. Также отметим, что в куполе муравейника максимальная денитирификация совпадает с максимальным содержанием азота (Рис. 4Б) и минимальной азотфиксацией (Рис. 3Б). Увеличение содержания азота в куполе муравейника на середине вегетации может быть связано с привносом муравьями богатого азотом органического вещества в период хищничества. Увеличение доли азота животного происхождения в субстрате приводит к увеличению активности денитрификаторов и ингибирует азотфиксацию. Из результатов дисперсионного анализа (табл. 4) следует, что медианы значений денитрификации в контрольной почве и в муравейнике различаются не значительно, а колебания максимальных и минимальных значений в куполе муравейника имеют амплитуду значительно большую, чем в контрольной почве.

Таблица. 4. Результаты дисперсионного анализа данных по эмиссии закиси азота (нмоль N2O/г*сутки) Объект Медиана Минимум Максимум Квантиль Квантиль 25% 75% Контрольная почва 0,41 0,02 2,72 0,05 0, 0,35 0,02 9,99 0,07 0, Купол муравейника На основании полученных данных были оценены потенциальные потоки исследованных газов из почвы исследованной экосистемы. Сначала были рассчитаны потоки газов в граммах за час с м2 муравейника и контрольной почвы. Вклад подземной части гнезда оценивали по потоку из слоя толщиной 20 см, при этом допускали, что площадь подземной части равная площади купола. Далее по средней численности гнезд и средней площади гнезда определили долю площади, занимаемую муравейниками в исследуемой экосистеме. Оказалось, что гнезда занимают около 21% исследуемой территории. Наконец, с учетом соотношения площадей муравейников и контрольной почвы и средних значений эмиссии газов в данных объектах был рассчитан вклад муравейников в экосистемные потоки газов (табл. 5).

Таблица 5. Вклад муравейников (%) в общие эмиссии газов из почвы исследованной экосистемы Сезон Вегетационный Процесс период весна лето осень Дыхание 19±0,95 48±2,4 24±1,2 30±1, Азотфиксация 24±1,2 4±0,2 1±0,05 6±0, Денитрификация 36±1,8 82±4,1 9±0,04 50±2, Метаногенез 23±1,15 9±0,45 19±0,95 16±0, За весь вегетационный период вклад муравейников в эмиссию углекислого газа из почвы составляет 30%. Уровень азотфиксации в муравейниках ниже, чем в окружающей почве. Это проявляется в том, что доля азотфиксации в муравьиных гнездах составляет всего 6 % от общего уровня азотфиксации. Напротив, вклад в денитрификацию довольно существенен, эмиссия закиси азот из муравьиных гнезд достигает половины общего потока N2O в экосистеме. Уровни эмиссии СН4 в муравьиных гнездах были несколько меньше таковых в окружающей почве. Вклад муравьиных гнёзд в общий поток метана в экосистеме составил 16%.

Как отмечалось выше, гнёзда муравьев занимают 21% территории, в то время как вклады муравейников в потоки СО2 и N2O составляют соответственно треть и половину от общих эмиссий этих газов. Таким образом, в муравейниках биогеохимический цикл азота и углерода претерпевает существенную модификацию. Эмиссия углекислого газа и закиси азота усиливается, а метаногенез и азотфиксация ингибируются.

2.4. Видовой состав бактерий и грибов Численности бактерий, выявляемые методом посева из образцов муравейника и контрольной почвы, характеризуются близкими значениями и составляют сотни тысяч КОЕ/г. В куполе муравейника количество бактерий, обнаруживаемое при посеве на плотные среды, не зависит от срока отбора образцов. Однако численность бактерий, выявляемая при посеве из образцов контрольной почвы, несколько возрастает в осенний период по сравнению с весенним (табл. 6).

Таблица 6. Численность бактерий (105КОЕ/г) в муравейнике, контрольной почве и нижележащих горизонтах в различные вегетационные периоды Объект Год Весна Осень Купол муравейника 3,69 ± 0,18 3,28 ± 0, Контрольная почва, горизонт АYpa 2,59 ± 0,12 5,46 ± 0, Купол муравейника 3,40 ± 0,17 3,16 ± 0, Муравейник, горизонт EL 1,08 ± 0,05 7,43 ± 0, Контрольная почва, горизонт АYpa 1,86 ± 0,09 5,21 ± 0, Контрольная почва, горизонт EL 0,27 ± 0,01 1,80 ± 0, Суммарное количество бактерий в исследуемой контрольной почве изменялось от 2,59105 КОЕ/г в весенний период до 5,46105 КОЕ/г в осенний период 2005 г., т. е.

возрастало вдвое. В 2006 г. в контрольной почве наблюдались сходная динамика численности, что и в 2005 г. В весенний период численность бактерий составляла 1, КОЕ/г, а к осени этот показатель увеличился в 3 раза, достигнув 5,21105 КОЕ/г (табл. 6).

Уровень численность бактерий соответствует этому показателю для дерново-подзолистых почв и почв облегченного гранулометрического состава. Из литературных источников (Полянская, 1996) известно, что в почвах легкого гранулометрического состава численность микроорганизмов может быть меньше, чем в почвах тяжёлого гранулометрического состава.

В горизонтах, расположенных под муравейником, к концу вегетационного периода, как и в контроле, наблюдалось увеличение численности микроорганизмов. Максимальное значение численности бактерий зарегистрировано осенью в муравьиной камере, расположенной под куполом муравейника в элювиальном горизонте (табл. 6).

Таким образом, наблюдение за временной динамикой численности бактерий, позволяет отметить, что в куполе муравейника численность бактерий поддерживается на постоянном уровне. В нижележащих горизонтах и контрольной почве наблюдается закономерное возрастание численности выделяемых прокариот к концу вегетационного сезона.

В весенний период в контрольной почве и в куполе муравейника основными доминантами были бактерии рода Bacillus (табл. 7). В качестве малочисленных компонентов обнаруживались коринеподобные бактерии, представленные родами Micrococcus, Rhodococcus, Cellulomonas, Arthrobacter, а также скользящие бактерии группы Flavobacterium-Cytophaga sp. Известно, что представители рода Bacillus широко распространены в почве, и могут быть ассоциированы со многими почвенными беспозвоночными;

Rhodococcus sp., были выделены из кишечного тракта многоножек Glomeris connexa, а представители рода Micrococcus sp. выделены из кишечного тракта многоножек Cylindroiulus boleti (Бызов, 2005). Представители группы Flavobacterium Cytophaga. были обнаружены в ассоциации с фараоновыми муравьями Monomorium pharaonis (Lise, 2006).

К концу вегетационного периода уменьшалось разнообразие бактериального сообщества, контрольной почвы и особенно купола. Доминантами оставались представители рода Bacillus, однако, разнообразие малочисленных видов сократилось. В осенний период в контрольной почве не были обнаружены представители рода Arthrobacter и группы Flavobacterium-Cytophaga (табл. 7).

Таблица 7. Динамика структуры численности бактериального сообщества в исследуемых образцах в осенний и весенний период Относительное обилие, % Объект Род весенний период осенний период Bacillus 85,8 83, Rhodococcus 4,6 13, Контрольная почва Cellulomonas 6,3 4, Arthrobacter 2,7 не выявлено Flavobacterium-Cytophaga 0,6 не выявлено Bacillus 79,4 Rhodococcus 8,6 не выявлено Cellulomonas 1,6 не выявлено Купол муравейника Arthrobacter 6,8 не выявлено Flavobacterium-Cytophaga 3,5 не выявлено Micrococcus 0,2 не выявлено Подчеркнем, что в куполе муравейника осенью общая численность микроорганизмов оставалась неизменной. При этом групповой состав бактерий купола муравейника претерпевал существенные изменения. В микробном комплексе не обнаруживались субдоминантные виды, которые были представлены в весенний период. Доля бактерий рода Bacillus, в бактериальном сообществе купола муравейника при этом существенно возрастала (табл. 7).

Анализ численности актиномицетов, выделяемых из образцов муравейника и контрольной почвы, выявил тенденции в динамике численности, сходные с отмеченными для бактериального комплекса. Так, в куполе муравейника количество актиномицетов (как и бактерий) существенно не изменялось в течение периода вегетации. В то же время в контрольной почве численность актиномицетов, так же, как это было отмечено для бактерий, возрастает к концу вегетационного сезона (табл. 8).

Таблица 8. Численность актиномицетов (104 КОЕ/г) в куполе муравейника и контрольной почве Объект Весна Осень Контрольная почва 1,5 ± 0,7 5,2 ± 0, Купол муравейника 11,2 ±2,2 10,9 ± 5, Различия между таксономическим составом прокариот контрольной почвы и материала муравейника выявлены также на примере комплекса актиномицетов рода Streptomyces (табл. 9). Стрептомицеты в контрольной почве в весенний период были представлены одним доминирующим видом S. prasinus. Стрептомицетный комплекс, обнаруживаемый в образцах купола муравейника в тот же период, характеризуется большим разнообразием видов: S. prasinus, S. aburaviesis, S. glaucescens, S. paraguayensis, S. vastus, S. wedmorensis.

Таблица 9. Динамика стрептомицетного комплекса в исследуемых образцах в весенний и осенний период Весенний период Осенний период Объект Вид Обилие % Вид Обилие % S. prasinus S. prasinus 100 S. paraguayensis S. paraguayensis н.о Контрольная S. glaucescens S. glaucescens н.о почва S. prasinus S. albus 32 S. wedmorensis S. diastatochromogenes 18 S. paraguayensis S. paraguayensis 22 Купол муравейника S. aburaviesis S. griseolus 13 S. vastus S. vastus 9 S. glaucescens К концу вегетационного периода в контрольной почве выявлялся ряд ранее не обнаруживаемых видов: S. glaucescens, S. paraguayensis, при этом наблюдалось возрастание численности актиномицетов. Видовой состав стрептомицетов купола муравейника к осени существенно изменился. Были обнаружены S. albus, S. griseolus, S.

diastatochromogenes, но виды, характерные для весеннего сезона (S. wedmorensis, S.

glaucescens, S. aburaviesis, S. prasinus), не были представлены. По-видимому, повышение разнообразия и развитие актиномицетов в куполе муравейника связано с повышенным содержанием в нем хитина, так как актиномицеты считаются активными хитинолитиками (Тиунова и др., 1976;

Белова и др., 2006;

Манучарова и др., 2006).

Характерной особенностью стрептомицетов, благодаря которой они являются объектами пристального внимания исследователей, является способность образовывать антибиотические вещества (Егоров, 2004). Мы исследовали антагонистическое влияние выделенных стрептомицетов на бактерии, обнаруживаемые в образцах купола муравейника и контрольной почвы (табл. 10). Оказалось, что все бактерии, обнаруживаемые в куполе муравейника, в той или иной степени чувствительны к антибиотикам, образуемым актиномицетами. Наиболее чувствительными среди бактерий были представители рода Arthrobacter.

Таблица 10. Антибактериальное действие стрептомицетов (по ширине зоны подавления роста тест-организма, мм) Бактерии Стрептомицеты Arthrobacter Cellulomonas Flavobacterium- Rhodococcus Bacillus sp. sp. Cytophaga sp. ssp.

S.prasinus 10 0 0 0 S.paraguayensis 0 0 0 0 S.wedmorensis 4 0 0 0 S.griseolus 0 0 0 0 S.aburaviesis 0 0 0 0 S.vastus 0 0 0 0 S.glaucescens 20 0 0 0 S.diastatochromogenes 10 0 0 20 S.albus 10 20 20 20 Наиболее активным антагонистом показал себя S. albus – стрептомицет, доминирующий осенью (44%) в актиномицетном комплексе купола муравейника. Он обладал наиболее широким спектром антибактериального действия, наиболее выраженного в отношении грамотрицательных бактерий (Cellulomonas, Flavobacterium Cytophaga). Штамм, идентифицированный как S. paraguayensis, проявил себя как сильнейший, но избирательный антагонист — подавляющий только бактерий рода Bacillus (табл. 10).

Таким образом, описанное ранее изменение структуры бактериального комплекса купола муравейника может быть отчасти связано и с воздействием актиномицетов. В частности, абсолютное доминирование бацилл и элиминация минорных компонентов бактериального комплекса, выявляемых весной, следствие преобладания осенью среди стрептомицетов S.albus, обладающего широким спектром активности, но при этом не ингибирующего представителей рода Bacillus.

Мицелиальные грибы важнейший компонент почвенной биоты. Поэтому в исследуемых образцах оценивали также длину грибного мицелия (табл. 11) и видовое разнообразие микроскопических грибов (табл. 12, 13) для начала и конца вегетационного периода. Методом люминесцентной микроскопии было показано, что биомасса грибного мицелия в контрольной почве с глубиной убывает. Весной активное развитие мицелия отмечалось в верхнем почвенном горизонте, а в куполе муравейника и в почвенном горизонте под куполом биомасса мицелия была невелика. В конце вегетационного периода значения биомассы в куполе муравейника были существенно выше, чем весной.

Содержание мицелия в куполе муравейника и горизонте под муравейником было сопоставимо с таковым в горизонтах AYpa и EL контрольной почвы.

Таблица 11. Длина грибного мицелия (м/г) в контрольной почве и в куполе муравейника в весенний и осенний период Период Объект Горизонт весенний осенний Контрольная AYpa 964,62 ± 96 152,4 ± почва EL 92,77 ± 9 64,96 ± купол 50,21 ± 5 151,58 ± Муравейник AYpa 67,34 ± 6 50,29 ± камера не определялась 304,14 ± Интересно отметить, что наибольшая грибная биомасса осенью была отмечена под куполом муравейника в муравьиной камере (на глубине около 30 см). В ней содержание грибного мицелия было выше, чем в куполе и контрольной почве. Отмечены и существенные отличия в структуре грибных сообществ контрольной почвы и муравейника.

В весенний период и в контрольных почвах, и в муравейнике доминировали виды рода Penicillium (табл. 12). Основными доминирующими видами были P. chrysogenum и P.

glabrum. В верхнем горизонте контрольной почвы наряду с представителями Penicillium обнаруживались мукоровые грибы Zygorhynchus heterogamus, Mucor hiemalis а также виды рода Acremonium (A. murorum, Acremonium sp.).

Таблица 12. Разнообразие грибов, выделенных из образцов, отобранных в весенний период Объект Таксон Обилие % Penicillium chrysogenum Thom (1910) 54, Penicillium glabrum (Wehmer) Westling (1911) 41, Купол муравейника Acremonium. sp 2, Fusarium. sp. 1, Penicillium chrysogenum Thom (1910) 59, Penicillium glabrum (Wehmer) Westling (1911) 30, Penicillium implicatum Biourge (1923) Горизонт EL под 2, муравейником Mucor. sp. 2, Acremonium. sp. 2, P. janczewskii K.M. Zalessky (1927) 2, Penicillium chrysogenum Thom (1910) 73, Penicillium glabrum (Wehmer) Westling (1911) Горизонт BHF под 21, муравейником Acremonium. sp. 3, P. janczewskii K.M. Zalessky (1927) 2, Penicillium chrysogenum Thom (1910) 49, Zygorhynchus heterogamus (Vuill.) Vuill. (1903) 19, Penicillium glabrum (Wehmer) Westling (1911) 12, Контрольная почва P. janczewskii K.M. Zalessky (1927) 7, горизонт АYpa Acremonium. sp. 7, Acremonium murorum (Corda) W. Gams (1971), 2, Penicillium implicatum Biourge (1923) 0, Penicillium chrysogenum Thom (1910) 50, Penicillium implicatum Biourge (1923) 20, Контрольная почва Penicillium glabrum (Wehmer) Westling (1911) 12, горизонт El P. janczewskii K.M. Zalessky (1927) 12, Trichoderma harzianum Rifai (1969) 4, Penicillium glabrum (Wehmer) Westling (1911) Контрольная почва 100, горизонт BHF Penicillium glabrum (Wehmer) Westling (1911) 66, Контрольная почва Penicillium chrysogenum Thom (1910) 16, горизонт BHFg Trichoderma harzianum Rifai (1969) 16, Таблица 13. Разнообразие грибов, выделенных из образцов, отобранных в осенний период Объект Таксон Обилие, % Penicillium frequentans westling 1911 68, Penicillium chrysogenum Thom (1910) 17, Trichoderma hamatum (Bonord.) Bainier 8, Камера из муравейника (1906) Zygorhynchus heterogamus (Vuill.) Vuill. 4, (1903) Umbelopsis ramanniana (A. Mшller) W. 47, Gams (2003) Penicillium. janczewskii K.M. Zalessky 19, (1927) Купол муравейника Paecilomyces lilacinus (Thom) Samson 13, (1974) Mucor hiemalis Wehmer (1903 10, Trichoderma hamatum (Bonord.) Bainier 9, (1906) Umbelopsis ramanniana (A. Mшller) W. 82, Горизонт AYpa под Gams (2003) муравейником Celomycetes. sp. 11, стерильный мицелий 5, стерильный мицелий 26, Penicillium chrysogenum Thom (1910) 26, Контрольная почва горизонт Mucor hiemalis Wehmer (1903) 19, AYpa Umbelopsis ramanniana (A. Mшller) W. 16, Gams (2003) Celomycetes. sp. 12, стерильный мицелий 25, Paecilomyces lilacinus (Thom) Samson 20, (1974) Penicillium. janczewskii K.M. Zalessky 15, (1927) Контрольная почва горизонт Acremonium. sp. 15, EL Myrothecium verrucaria (Alb. & Schwein.) 10, Ditmar (1813) Geomyces pannorum (Link) Sigler & J.W. 7, Carmich. (1976) Penicillium. aurantiogriseum 7, Celomycetes. sp. 42, Контрольная почва горизонт стерильный мицелий 28, ВHF Umbelopsis ramanniana (A. Mшller) W. 28, Gams (2003) Состав микроскопических грибов в минеральных горизонтах контрольной почвы был беден и преимущественно представлен пенициллами. Основным отличием грибных комплексов муравейника от контрольной почвы можно считать отсутствие во всех образцах муравейника видов рода Trichoderma. Конкретные причины таких различий указать пока сложно, можно отметить только, что виды рода Trichoderma могут активно разрушать целлюлозу (Domsh et al., 1993). Определенные отличия комплексов микромицетов в муравейнике и контрольной почве подтверждены методом главных компонент (рис. 5). Отчетливо различались грибные группировки в муравейнике и верхних почвенных горизонтах. Отдельный кластер образован грибными комплексами минеральных горизонтов контрольной почвы. Грибной комплекс верхних горизонтов контрольной почвы и муравейника по видовому составу был несколько богаче комплекса минеральных горизонтов.

Рис. 5. Сравнение грибных сообществ образцов отобранных в весенний период по методу главных компонент.

Методом главных компонент показал, что осенью грибные сообщества в куполе муравейника, горизонте под муравейником и горизонтах AYpa и EL контрольной почвы различались слабо (рис. 6). В то же время, выявлены существенные отличия грибных сообществ камеры муравейника и минерального горизонта ВHF (А2В по Диагностика и классификация…, 1977) контрольной почвы.

Рис. 6. Сравнение грибных сообществ осеннего периода по методу главных компонент.

В куполе муравейника и горизонте АYpa контрольной почвы доминировал Umbelopsis ramanniana, в камере муравейника представители рода Penicillium: P.

glabrum, P. chrysogenum. В образцах горизонта EL контрольной почвы и горизонта АYpa, расположенного под муравейником, среди доминант выявлены Umbelopsis ramanniana, пикнидиальные грибы и стерильный мицелий. Осенью горизонт BHF контрольной почвы отличался существенно более высоким разнообразием грибов по сравнению с весенним периодом;

в нем были широко представлены Paecilomyces lilacinus, Myrothecium verrucaria, Geomyces pannorum и стерильный мицелий.

В осенний период в строении профиля почвы под муравейником выделен новый морфологический элемент небольшая подземная камера с большим количеством муравьев внутри. Видовой состав грибов муравьиной камеры крайне беден и был представлен всего одним доминирующим видом P. glabrum. Также в муравьиной камере обнаружен Trichoderma hamatum и Zygorhynchus heterogamus (табл. 13).

3. Выводы 1. Муравьи, перераспределяя органическое вещество, влияют на показатели микробиологической активности почвы, в частности, в 4 раза повышают дыхание, на 24% увеличивают продукцию закиси азота и на 35% уменьшают азотфиксацию.

2. Муравьи существенно модифицируют экосистемные циклы углерода и азота.

Занимая 21% от площади исследованной залежи, муравейники обеспечивают 30% от суммарной эмиссии углекислого газа из почвы и 50% эмиссии закиси азота 3. Бактериальный комплекс муравейника характеризуется постоянной численностью бактерий и сезонно меняющейся структурой группировки актиномицетов.

4. Актиномицеты оказывают существенное влияние на формирование и развитие микробного комплекса муравейника, проявляют антагонизм к малочисленным видам и участвуют в поддержании постоянной общей численности бактерий.

5. Имеются заметные различия грибного комплекса между структурными элементами муравейника и контрольной почвой. Наибольшие отличия между куполом муравейника и контрольной почвой наблюдаются весной, а между камерами муравейника и контрольной почвой – в осенний период.

Основные положения диссертации и полученные результаты отражены в следующих публикациях автора.

Статьи в рецензируемых журналах из списка изданий, рекомендованных ВАК для публикации результатов кандидатских диссертаций.

1. Голиченков М.В., Нейматов А.Л.*, Кирюшин А.В.. Микробиологическая активность почв, заселённых муравьями Lasius niger // Почвоведение, 2009. – № 7. – С.

847–852.

Прочие публикации.

1. Golichenkov M.V., Neymatov A.L.*, Kiryushin A.V. Microbiological Activity of Soils Populated by Lasius niger Ants. Eurasian Soil Science, 2009. – Vol. 42. – No 7. – P. 788–792.

2. Новосёлов А.Л.*, Голиченков М.В., Марфенина О.Е., Лапыгина Е.В.

Микромицеты в муравейниках Lasius niger // Изучение грибов в биогеоценозах: сборник материалов V Международной конференции (г. Пермь, 7–13 сентября 2009г.). – Пермь, 2009. – С. 169.

3. Голиченков М.В., Нейматов А.Л.*, Добровольская Т.Г., Закалюкина Ю.В.

Микробиологическая характеристика муравейников Lasius niger // Муравьи и защита леса:

Материалы 13 всероссийского мирмекологического симпозиума (Н. Новгород, 26- августа 2009г.). – Н. Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2009. – С. 39.

4. Нейматов А.Л.* Биологическая активность почв муравейников Lasius niger // Ломоносов-2006: XIII международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых, секция «Почвоведение»;

12-15 апреля 2006 г., Москва, МГУ, Факультет почвоведения: Тезисы докладов. – М.: МАКС Пресс, 2006. 118– 5. Нейматов А.Л.*, Кирюшин А.В., Закалюкина Ю.В., Терехов А.С. Сезонная динамика микробиологической активности серых лесных почв под муравейниками Lasius niger // Муравьи и защита леса. Материалы XII Всероссийского мирмекологического симпозиума и сателлитного совещания «Экология и поведение общественных перепончатокрылых: теоретические проблемы и практическое использование» в рамках Сибирской зоологической конференции. – Новосибирск, 2005. – С. 218–219.

6. Нейматов А.Л.*, Закалюкина Ю.В., Кирюшин А.В. Влияние муравьев Lasius niger на некоторые микробиологические и химические свойства серых лесных почв Рязанской области // Экология и биология почв: Материалы Международной научной конференции.

Ростов-на-Дону: Изд-во Росиздат, 2005. – С. 356–357.

*- Поменял фамилию на Новосёлов.