Влияние полевок (microtus rossiaemeridionalis и clethrionomys glareolus) на биологическую активность почв
На правах рукописи
Манаева Елизавета Сергеевна
Влияние полевок (Microtus rossiaemeridionalis и Clethrionomys
glareolus) на биологическую активность почв
03.02.08 – экология
(биологические наук
и)
03.02.13 – почвоведение
(биологические науки)
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Москва - 2013
Работа выполнена в Лаборатории экологии и функциональной морфологии высших позвоночных Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института проблем экологии и эволюции имени А.Н. Северцова Российской академии наук Научные руководители:
Наумова Елена Ивановна, д.б.н., профессор, гл.н.с. Лаборатории экологии и функциональной морфологии высших позвоночных Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института проблем экологии и эволюции им.
А.Н. Северцова РАН Умаров Марат Мутагарович, д.б.н., профессор факультета почвоведения Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова
Официальные оппоненты:
Стриганова Белла Рафаиловна, д.б.н., член-корр. РАН, профессор, заведующая Лаборатории почвенной зоологии и общей эномологии Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН Жигарев Игорь Александрович, д.б.н., профессор, заведующий кафедрой зоологии и экологии биолого-химического факультета Федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Московского педагогического государственного университета
Ведущая организация:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Почвенный институт им. В.В. Докучаева Россельхозакадемии
Защита состоится 12.11.2013 г в 11:00 на заседании диссертационного совета Д 002.213.01 в Институте проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН по адресу г. Москва, Ленинский просп., д.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН Автореферат разослан 11.10.2013 г
Ученый секретарь диссертационного совета: к.б.н. Кацман Елена Александровна
Общая характеристика работы
Актуальность проблемы и степень ее разработанности Почва – уникальная по физическим и химическим свойствам полидисперсная многокомпонентная система – является практически идеальной средой для развития большинства микроорганизмов и по микробному генофонду почва – самый богатый природный субстрат (Умаров и др., 2007). Протекающие в почве процессы микробной трансформации азота и углерода в почвах определяют не только такие их важнейшие свойства как плодородие, биологическая продуктивность, биологическое разнообразие, но и непосредственно влияют на характер и направление глобальных изменений биосферы. Высокая информативность показателей интенсивности этих процессов является главной причиной, почему они широко используются при оценке биологической активности почв. Полифункциональность и высокая чувствительность микроорганизмов позволяет регистрировать их быстрый отклик на изменение характеристик окружающей среды. Биологическая активность почв, зависящая от множества биотических и абиотических факторов, позволяет выявить изменение их свойств (и, соответственно, свойств наземных экосистем) на самых ранних этапах, задолго до появления химических, физических и морфологических признаков таких изменений.
Известно, что обитающие в почве беспозвоночные животные, в частности дождевые черви, активизируют микробиологическую деятельность в почве (Стриганова, 1989;
Lee, 1991;
Rose, 1997;
Костина и др., 2011). Данных о воздействии на почвенные микроорганизмы позвоночных животных сравнительно мало. Известна их роль в формировании микрорельефа (Ралль, 1940;
Кучерук, 1983;
Динесман, Киселева, 1991) и в изменении некоторых физических и химических свойств почв за счет привнесения растительных остатков (Абатуров, 1984;
Кучерук, 1983;
Динесман, Киселева, 1991).
Полевки – повсеместно распространенные животные, которые в процессе своей жизнедеятельности создают плотную обширную сеть нор и тропинок.
Почвы, на которых находятся их поселения (колонии), занимают значительные площади и существенно отличаются от зональных почв по основным морфологическим и физико-химическим показателям. Наиболее отчетливо это заметно при изучении массовых по численности поселений животных, таких как мелкие грызуны, длительно использующих одну территорию. (Карпачевский, 1997). Тем не менее, к настоящему времени опубликованы лишь отрывочные сведения о биологической активности почв, и, в особенности, о напряженности процессов трансформации углерода и азота в почвах, хотя именно эти процессы в наибольшей степени определяют биологическую продуктивность и биологическое разнообразие территорий (Добровольский, Умаров, 2004).
Активная деятельность грызунов (создание жилищ, питание, продукты жизнедеятельности) существенно влияет на количество и состав микроорганизмов в почве. Тем более что полевки - типичные зеленоядные грызуны, в связи чем и особый интерес представляют населяющие их пищеварительный тракт микроорганизмы – продуценты ферментов, не синтезируемых организмом хозяина, азотфиксирующие и целлюлолитические. Таким образом, внутренние цепи питания грызуна служат дополнительным ресурсом в активации процессов биологической активности почв.
Объектами исследования выбраны полевки двух видов, широко распространенные в Европейской части России - Microtus rossiaemeridionalis и Clethrionomys glareolus. Один из видов предпочитает поля и склонен к синантропизму, а другой – типично лесной. Итак, изучали влияние двух видов полевок, обитающих в разных биотопах с различными типами почв и другими условиями среды обитания. С учетом данных, полученных в этой области ранее, решение поставленной задачи позволяет получить комплексную оценку влияния грызунов на биологическую активность почв.
Цель работы:
Установить особенности диазотрофно-целлюлолитического комплекса микроорганизмов в пищеварительном тракте двух видов полевок и оценить его влияние на биологическую активность почв.
Задачи:
1. Изучение особенностей диазотрофно-целлюлолитического комплекса микроорганизмов в разных отделах желудочно-кишечного тракта двух видов полевок.
2. Определение общего содержания азота и углерода в химусе полевок и в почвах их местообитаний.
3. Оценка структур и функциональных возможностей сообществ микроорганизмов в почвах поселений полевок.
4. Исследование влияния полевок на азотфиксацию, денитрификацию, эмиссию углекислого газа и метана в почве.
5. Оценка влияния полевок на биологическую активность почв в летний и осенний периоды.
Научная новизна работы В работе впервые выявлены диапазоны и сезонная динамика активности диазотрофно-целлюлолитического комплекса микроорганизмов в пищеварительном тракте полевок, населяющих разные типы почв. Впервые проведена комплексная оценка сезонного влияния полевок на почвы их поселений на основании описания таксономического состава микроорганизмов, функциональных возможностей микробных сообществ, а также по интегральным показателям микробиологической активности (азотфиксации, денитрификации, эмиссии углекислого газа и метана). Впервые изучено влияние полевок на места их обитаний как на относительно бедных почвах, так и на почвах, богатых органическим веществом. Установлено, что наибольшее увеличение напряженности процессов цикла углерода и азота наблюдается в плодородных почвах, а также в наиболее бедных горизонтах небогатых почв за счет активного привнесения органического вещества полевками в процессе их жизнедеятельности.
Теоретическая и практическая значимость Данные по бактериальной активности в желудочно-кишечном тракте (ЖКТ) полевок могут быть использованы при расчете баланса азота и углерода у этих животных, а также в соответствующих биогеоценозах при расчете экологических и агротехнических прогнозов. Динамика активности диазотрофно целлюлолитического комплекса микроорганизмов выявляет сезонные особенности кормовой базы полевок, наблюдение за которыми затруднительно в нативных условиях. Кроме того, результаты исследования могут быть использованы в учебных курсах по биогеоценологии, микробиологии, зоологии и почвенной биологии в высших и средних учебных заведениях.
Методология и методы исследования Работа построена на оценке влияния диазотрофно-целлюлолитического комплекса двух видов полевок на биологическую активность почв, заселенных ими.
Оценку влияния диазотрофно-целлюлолитического комплекса проводили с помощью изучения структуры и функциональных возможностей сообществ микроорганизмов, а также с помощью измерения нитрогеназной и целлобиогидролазной активностей в основных отделах желудочно-кишечного тракта.
Биологическую активность почв, заселенных полевками, оценивали как с помощью изучения структуры и функциональных возможностей сообществ микроорганизмов, так и по основным процессам, характеризующим биологическую активность почв: аэробного и анаэробного дыхания почвы, активности азотфиксации и денитрификации.
Положения, выносимые на защиту:
Диазотрофно-целлюлолитический микробный комплекс 1.
пищеварительного тракта полевок активно вовлечен в трансформацию углеводосодержащих бедных азотом кормов.
Полевки, в пищеварительном тракте которых происходит расщепление 2.
структурных углеводов и возрастает содержание азота, существенно усиливают биологическую активность населяемых ими почв.
Степень достоверности и апробация результатов Основные положения диссертации были представлены: на XVIII международной научной конференция студентов, аспирантов и молодых ученых “Ломоносов” (2011);
на международной научной конференции молодых ученых и специалистов РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева (2012);
на VI всероссийской конференции молодых ученых “Стратегия взаимодействия микроорганизмов и растений с окружающей средой” (2012);
на 13 международной конференции по биологии грызунов (2012);
на V и VI съезде Всероссийского общества почвоведов им. В.В. Докучаева (2008, 2012). Работа также неоднократно обсуждалась на разных ее этапах на семинарах лаборатории Экологии и функциональной морфологии высших позвоночных и межлабораторных семинарах ИПЭЭ РАН.
Публикации По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, из них 3 в журналах, поименованных в списке ВАК.
Объем и структура Диссертация изложена на 127 страницах машинописного текста;
состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов и списка литературы. Работа иллюстрирована 14 рисунками и 5 таблицами. Список литературы включает источника, из которых 54 на иностранном языке.
Благодарности Автор выражает глубокую и искреннюю благодарность: к.б.н.
Н.В. Костиной, к.б.н. Т.Г. Добровольской, к.б.н. М.В. Горленко, Н.О. Ломовцевой, а также сотрудникам лаборатории экологии и функциональной морфологии высших позвоночных ИПЭЭ РАН.
Работа поддержана грантом РФФИ № 10-04-01437-а.
Содержание работы Глава 1. Литературный обзор Обобщены основные опубликованные данные по теме диссертации.
Глава 2. Материалы и методы Для работы были выбраны две площадки: первая – агрозем текстурно дифференцированный профильно-глееватый легкосуглинистый на моренных валунных легких суглинках в Ботаническом саду МГУ, заселенный восточноевропейскими полевками, вторая – дерново-среднеподзолистые слабоглеевые легкосуглинистые почвы на моренных валунных легких суглинках на территории научно-экспериментальной базы “Черноголовка” ИПЭЭ РАН, заселенные рыжими полевками. По пищевым предпочтениям исследованные полевки относятся к разным эколого-трофическим группам: восточноевропейская – к зеленоядным видам грызунов, а рыжая – к видам со смешанным типом питания.
Исследования проводились в период с сентября 2010г. по июнь 2012г.
Восточноевропейские полевки (15 взрослых особей обоих полов) были отловлены на территории Ботанического сада МГУ, рыжие полевки (8 взрослых особей обоих полов) — на территории научной базы института в Черноголовке. В весенне-летний сезон были отловлены три рыжих и пять восточноевропейских полевок, в осенний сезон - пять рыжих и семь восточноевропейских полевок;
еще три восточноевропейских полевки были пойманы в марте. Для лабораторных исследований отбирали пробы содержимого (химуса) преджелудка, слепой и ободочной кишок (с участками стенки), а также экскременты (из прямой кишки).
Образцы почв с мест поселений восточноевропейских полевок ( образцов), рыжих полевок (17 образцов) и контрольных участков (10 образцов) были отобраны с тропинок и из разных сегментов нор грызунов (входов, ходов, тупиковых и гнездовых камер). Контрольными служили образцы почв с территорий, не заселенных полевками, из тех же почвенных горизонтов, что и образцы из нор.
Активность азотфиксации, денитрификации, эмиссии углекислого газа и метана измеряли по стандартным методикам (Методы…, 1991).
Целлобиогидролазную активность (ЦА) в содержимом желудочно кишечного тракта измеряли на анализаторе “Флюорат-02-Панорама” (Россия) флуориметрическим методом (Синицын и др., 1990), оптимизированным для таких субстратов как содержимое ЖКТ и почва (Варшавский, 2004).
Анализ содержания общего азота и углерода в почвах и в ЖКТ животных проводили на CHNS-анализаторе (Elementar Analysensysteme GmbH VarioEL).
Выделение микроорганизмов из образцов почв и из ЖКТ полевок проводили методом посева на среду Эшби и глюкозо-пептонно-дрожжевую.
Определение функционального разнообразия микробного сообщества почв проводили методом мультисубстратного тестирования (МСТ) (Горленко, 2001).
Статистическую обработку данных проводили при помощи пакета Statistica 8.0. В связи с малыми объемами выборок использовали непараметрическую статистику. Для межгрупповых и межвидовых характеристик нор и ЖКТ, а также разных отделов кишечника использовали Kruskal-Wallis ANOVA тест;
для групповых сравнений характеристик – Mann-Whitney U тест. Для количественных данных указана стандартная ошибка.
Глава 3. Диазотрофно-целлюлолитический комплекс микроорганизмов полевок По данным посева на среду Эшби с целлюлозой микробное сообщество пищеварительного тракта восточноевропейских полевок отличалось большим разнообразием с доминированием во всех исследованных отделах типичных представителей ЖКТ грызунов (Bacteroides sp., Bacillus sp., Staphylococcus sp. и порядка а также микроорганизмов, тесно связанных с Myxococcales), растительными субстратами – В. subtilis, Arthrobacter sp. и нокардий. У рыжих полевок структура микробного сообщества в ЖКТ оказалось существенно беднее.
Активные целлюлолитики — представители рода Bacteroides, имели высокую численность (не менее 106 КОЕ/г) во всех исследованных отделах ЖКТ полевок.
Пищеварительные функции преджелудка и толстого отдела кишечника грызунов полностью зависят от функциональной специфики симбионтов. И то, как реализуется это взаимодействие, во многом определяет всю систему пищеварения хозяина. Грызуны, являясь самым многочисленным и разнообразным отрядом растительноядных млекопитающих, имеют целый ряд физиологически естественных способов получения энергии и белка от микроорганизмов, населяющих ЖКТ. Зеленые корма, составляющие значительную часть кормового рациона восточноевропейской и рыжей полевок, дефицитны по содержанию белка и отдельных незаменимых аминокислот, и содержат структурные углеводы, которые могут быть использованы в качестве нутриента только с помощью микроорганизмов. Одним из путей восполнения недостатка азота в кормах может быть микробная азотфиксация в желудочно кишечном тракте (ЖКТ) животных, протекающая при использовании ими в пищу растительных углеводов. Поэтому при исследовании микробных сообществ ЖКТ млекопитающих-фитофагов особый интерес представляют микроорганизмы, являющиеся продуцентами ферментов, не синтезируемых организмом хозяина, — азотфиксирующие и целлюлолитические.
Одним из путей получения организмом грызуна доступных углеводов является разложение целлюлозы. У восточноевропейских полевок во все периоды измерения в преджелудке обнаружена минимальная целлобиогидролазная активность, а в слепой и ободочной кишках отмечена сезонная динамика процесса - значения в октябре были ниже, чем в весенне-летний период (Таблица 1). У рыжих полевок целлобиогидролазная активность отличалась большим разбросом значений, особенно в летнее время.
Активность азотфиксации была выявлена у обоих исследованных видов полевок и достоверно различалась в разных отделах пищеварительного тракта:
минимальные значения азотфиксации обнаружены в преджелудке и фекалиях, а максимальные — в слепой кишке. У восточноевропейских полевок в слепой кишке нитрогеназная активность достоверно различалась по сезонам и достигала максимума в мае-июне (15,25 нмоль С2Н4/г · час) (Рисунок 1, 2). У рыжих полевок сезонная динамика не выявлена.
Таблица 1. Целлобиогидролазная активность в содержимом ЖКТ полевок, мкмоль/г химуса в мин Восточноевропейская полевка Рыжая полевка Сезон предже слепая ободоч фекали предже слепая ободоч фекал лудок кишка ная и лудок кишка ная ии кишка кишка н/о н/о н/о н/о 0.003/ 0.067/ 0.007/ 0.011/ Март 0.003/ 0.114/ 0.013/ 0.044/ 0.028* 0.180 0.191 0. 0.002/ 0.078/ 0.073/ 0.055/ 0.001/ 0.002/ 0.006/ 0.01/ Июнь 0.003/ 0.109/ 0.084/ 0.096/ 0.003/ 0.021/ 0.007/ 0.048/ 0.040 0.112 0.109 0.137 0.004 0.084 0.007 0. 0.004/ 0.007/ 0.003/ 0.003/ 0.003/ 0.009/ 0.011/ 0. Октябрь 0.012/ 0.073/ 0.003/ 0.003/ 0.004/ 0.021/ 0.016/ 0.042 0.094 0.033 0.054 0.007 0.318 0. * Нижний квартиль/медиана/верхний квартиль.
Содержание общего азота в пищеварительном тракте обоих видов полевок было минимальным в преджелудке (от 2,31%), а максимальным - в слепой и ободочной кишке (Таблица 2). Содержание углерода в разных отделах желудочно кишечного тракта у изученных видов полевок значимо различалось:
максимальные значения были в преджелудке, а минимальные — в фекалиях. У обоих видов полевок обнаружено достоверное снижение соотношения углерода и азота в химусе по мере прохождения по отделам желудочно-кишечного тракта.
Рисунок 1. Азотфиксирующая активность в желудочно-кишечном тракте восточноевропейской (1) и рыжей (2) полевок в раннелетний период, 3 — медиана значений, — квартильный размах (2575%) распределения величин (для рис. 1,2).
Рисунок 2. Азотфиксирующая активность в ЖКТ восточноевропейской (1) и рыжей (2) полевок в осенний период.
Таблица 2. Содержание азота и углерода в содержимом желудочно-кишечного тракта полевок, % Восточноевропейская полевка Рыжая полевка Элеме Сезон нт преджелу слепая ободочна фекалии преджелу слепая фека док кишка я кишка док кишка лии 2.5 ± 0.2 4.6 ± 0.9 н/о 3.8 ± 0.4 н/о н/о н/о N 50.6 ± 6.4 37.7 ± 4.4 32 ± 1. C 20.6 ± 0.1 8 ± 1.3 8.8 ± C/N Март N* 2.7 5.7 4. 3.4 ± 0.6 6.8 ± 1.2 4 ± 0.1 2.3 ± 0.6 7 ± 0. N 7.3 4. 46.2 ± 5.2 41.8 ± 2.6 45.7 38.9 ± 2 40.8 ± 23 41.7 ± 3.2 41. C 14 ± 3.1 6.3 ± 1.1 9.6 ± 0.8 15.9 ± 5 5.9 ± 0. C/N 6.2 8. Июнь N* 3.8 7.9 4.1 3 7. 2.8 ± 0.2 6.8 ± 1.2 6.5 ± 2 4.8 ± 2.3 3 ± 0.4 8 ± 0. N 3. 46.8 ± 1.9 42.1 ± 1.5 41.7 ± 3.8 34.6 ± 12 41.3 ± 1.3 41.1 ± 0.9 37. C 16.5 ± 1.2 6.4 ± 1.3 6.5 ± 2.3 8.4 ± 4.1 13.8 ± 1.6 5.2 ± 0. C/N 11. Октябрь N* 3 8.5 9.2 7.8 3.5 Примечания. н/о - не определялось (для табл. 1–3).
* Максимальные значения содержания азота.
Результаты исследования подтвердили, что высокий уровень нитрогеназной активности в слепой кишке (в 2 раза больший, чем в преджелудке) сопровождается значительным увеличением концентрации общего азота в ее содержимом. Исходя из полученных данных, мы полагаем, что организм животного около трети азота получает за счет его ассимиляции микроорганизмами-диазотрофами ЖКТ.
Глава 4. Характеристика биологической активности почв в местах обитания полевок Микроорганизмы, обитающие в организме травоядного животного, помогают ему усваивать растительные субстраты, которые содержат много целлюлозы, не усваиваемой самими животными, и, кроме того, служат источником белка, необходимого для их нормальной жизнедеятельности. В ходе нашего исследования была предпринята попытка оценить, насколько это весомый вклад в процессы усвоения и восполнения недостающих веществ в диете, и понять, насколько внутренние цепи питания грызунов влияют на состав и активность микроорганизмов в почве, в которой они живут.
Структура микробного сообщества. Так же, как и для содержимого пищеварительного тракта восточноевропейских полевок, в структуре бактериального сообщества почв, заселенных этими полевками, отмечено увеличение доли бактерий, как ассоциированных с растительными субстратами, так и типичных представителей ЖКТ – Bacteroides sp. и Staphylococcus sp.
В то же время в местах обитания рыжих полевок структура микробного сообщества была ассоциирована только с растительными субстратами и оказалась беднее.
Эмиссия углекислого газа. В агроземе, заселенном восточноевропейскими полевками, четко прослеживается сезонная динамика актуальной эмиссии углекислого газа: летом значения в 2-3 раза выше, чем осенью (Рисунок 3а, б). В летний период отмечено достоверное увеличение эмиссии углекислого газа по сравнению с контролем, а осенью отмечено увеличение эмиссии углекислого газа лишь на тропинках грызунов.
Рисунок 3. Актуальная эмиссия CO2 в почвах, заселенных восточноевропейской (1) и рыжей (3) полевками и в контрольных почвах (2) летом (а, в) и осенью (б, г).
Тр – тропинка, ВН – вход в нору, ХН – ход норы, Т – тупик, Г – гнездо (для рис. 1 5).
Влияние рыжих полевок на эмиссию углекислого газа из дерново подзолистых почв различалось в разных отделах нор (Рисунок 3в, г). Так, наблюдалось достоверное увеличение актуальной эмиссии углекислого газа из образцов нижних отделов нор, залегающих в пределах бедного элювиального горизонта, по сравнению с контролем. В верхних отделах нор и на тропинках значение этого показателя, наоборот, уменьшалось.
Осенью у обоих видов полевок потенциальная эмиссия углекислого газа была более чем в два раза выше актуальной эмиссии. Однако тенденции, отмеченные ранее для актуальной эмиссии углекислого газа, сохранились:
увеличение по сравнению с контролем активности процесса потенциальной эмиссии углекислого газа в верхних отделах нор и на тропинках восточноевропейских полевок, так же как и в нижних отделах нор рыжих полевок.
Эмиссия метана имеет четкую сезонную динамику процесса: значения в осенний период достоверно выше значений летнего периода: на два порядка - для восточноевропейских полевок и на порядок - для рыжих (Рисунок 4). При этом эмиссия метана из образцов почв, взятых с мест обитания восточноевропейских полевок, как в летнее, так и в осеннее время выше, чем из контрольных образцов.
Рисунок 4. Эмиссия CH4 из почв.
Тенденция изменения эмиссии метана в образцах из нор рыжих полевок наблюдалась та же, что и для эмиссии углекислого газа: уменьшение показателя по сравнению с контролем в верхних отделах нор и увеличение — в нижних.
Активность азотфиксации и денитрификации. Примечательно, что для показателей нитрогеназной активности почв в летнее время наблюдались те же межвидовые различия, что были выявлены при изучении активности процессов цикла углерода. А именно: существенное увеличение нитрогеназной активности в верхних отделах нор для восточноевропейских полевок, а для рыжей наоборот — повышение азотфиксации в элювиальном горизонте (Рисунок 5). В осенний период нитрогеназная активность двух видов полевок была ниже, чем в контроле.
Рисунок 5. Активность азотфиксации в почвах.
Активность денитрификации в образцах почв, взятых с мест обитания восточноевропейских полевок, осенью была значимо выше по сравнению с контролем, а летом повышение было лишь в нижних отделах нор (Рисунок 6а, б).
Осенью значения денитрификации в почвах с мест поселений рыжих полевок также были выше, чем в контроле, а летом было заметно некоторое уменьшение активности процесса в верхних отделах нор (Рисунок 6в, г).
Содержание азота и углерода. Анализ содержания общего углерода и азота в образцах почв, отобранных с мест поселений восточноевропейских полевок, показал, что в летний период содержание углерода и азота в норах грызунов ниже, чем в контрольных почвах, а осенью наоборот. По-видимому, эти различия можно объяснить накоплением органического вещества за теплый период года, что подтверждается уменьшением нитрогеназной активности и увеличением денитрификации и метаногенеза осенью.
Рисунок 6. Активность денитрификации в почвах.
Функциональное разнообразие сообществ. Для оценки функционального разнообразия сообществ были взяты образцы контрольных почв и почв из нор с разных глубин. В образцах почв из нор восточноевропейских полевок, вне зависимости от глубины, отмечено достоверное увеличение параметров функционального разнообразия микроорганизмов по сравнению с контролем, а коэффициент рангового распределения d,отражающий стабильность сообщества, увеличивался во всех отделах нор, что свидетельствует о снижении стабильности микробного комплекса агрозема под действием грызунов (Таблица 4).
Кластерный анализ полученных результатов показал, что почвы из нор (вход в нору, ход и гнездо) восточноевропейских полевок и почвы контрольных участков образуют разные группы, причем образцы почв хода норы и гнезда наиболее близки.
В дерново-подзолистой почве, заселенной рыжими полевками, максимальное число потребляемых субстратов было обнаружено в образцах из верхнего горизонта (40), а минимальное в элювиальном горизонте (7) (Таблица 4).
Таблица 3. Содержание азота и углерода (%) в почвах, заселенных восточноевропейскими и рыжими полевками Восточноевропейские Рыжие полевки полевки Почва Почва N C N C Лето 0.52 ± 0.05 6.61 ± 0.66 0.45 ± 0.05 6.86 ± 0. ВН Тр (0.59 ± 0.06) (7.71 ± 0.77) (0.49 ± 0.05) (7.42 ± 0.74) 0.48 ± 0.05 6.01 ± 0.60 0.38 ± 0.04 6.00 ± 0. ХН ВН (0.56 ± 0.06) (7.98 ± 0.80) (0.49 ± 0.05) (7.42 ± 0.74) 0.47 ± 0.05 7.60 ± 0. ХН (0.19 ± 0.02) (2.21 ± 0.22) 0.49 ± 0.05 6.15 ± 0. Г (0.52 ± 0.05) (7.51 ± 0.75) 0.54 ± 0.05 9.35 ± 0. Т (0.19 ± 0.02) (2.21 ± 0.22) Осень 0.57 ± 0.06 7.09 ± 0.71 0.55 ± 0.06 8.05 ± 0. Тр ХН (0.46 ± 0.05) (5.39 ± 0.54) (0.37 ± 0.04) (4.08 ± 0.41) 0.79 ± 0.08 9.28 ± 0. Т (0.78 ± 0.08) (9.73 ± 0.97) 0.3 ± 0.03 2.69 ± 0. Т (0.37 ± 0.04) (4.08 ± 0.41) 0.57 ± 0.06 5.54 ± 0. Г (0.44 ± 0.04) (5.28 ± 0.53) Примечание. Значения в скобках – контроль, Тр – тропинка, ВН – вход в нору, ХН – ход норы, Т – тупик, Г – гнездо.
Под влиянием рыжих полевок уменьшалось количество потребляемых субстратов в верхнем отделе норы (с 40 до 32), а в нижнем отделе увеличивалось в пять раз с 7 до 35. Это свидетельствует о значительном расширении функционального разнообразия микробных сообществ под действием рыжих полевок. Рассматривая коэффициент рангового распределения d, следует отметить его увеличение в верхних отделах нор рыжей полевки, а в нижних отделах, наоборот, наблюдалось существенное уменьшение этого коэффициента.
Таким образом, в нестабильной микробной системе элювиального горизонта под влиянием рыжих полевок происходит существенное улучшение показателей биоразнообразия и стабильности бактериального сообщества, что подтверждает тенденцию, выявленную при изучении процессов азотфиксации, метаногенеза и дыхания в этих почвах.
Таблица 4. Показатели функционального разнообразия микробных сообществ почв из нор полевок и контрольных почв, определенные МСТ Образец, см d N W H E Восточноевропейская полевка К 0–5 0.261 30.00 1371.42 4.78 0. Н 0–5 0.483 42.00 1829.24 5.28 0. К 5–10 0.132 35.00 1471.77 5.07 0. Н 5–10 0.169 43.00 1661.44 5.31 0. К 10–15 0.258 35.00 1657.29 5.00 0. Н 10–15 0.655 41.00 1702.61 5.17 0. Рыжая полевка К 0–5 0.084 40.00 1774.26 5.24 0. Н 0–5 0.776 32.00 1707.92 4.87 0. К 5–10 2.325 7.00 865.21 2.57 0. Н 5–10 0.069 35.00 1794.49 5.04 0. Примечание. К – контроль, Н – нора, d – устойчивость, N – количество потребляемых субстратов, W – метаболическая активность, H – индекс Шеннона, E – выравненность.
Результаты анализа данных МСТ показали, что наблюдается высокая степень влияния полевок на функциональные показатели микробных сообществ исследованных почв. Почвы из нор полевок отличаются большим функциональным разнообразием микробных сообществ, но при этом снижены показатели стабильности микробиоценозов.
Глава 5. Влияние полевок на биологическую активность почв У полевок разных эколого-трофических групп диазотрофно целлюлолитическая активность обнаружена в преджелудке, слепой и ободочной кишках. Максимальная активность процессов была отмечена в слепой кишке, где наблюдалось увеличение численности азотфиксирующих и целлюлолитических микроорганизмов, а также повышенное содержание общего азота и углерода.
У восточноевропейской полевки с зеленоядным типом питания обнаружена сезонная динамика целлюлазной и нитрогеназной активностей в слепой кишке ЖКТ. Максимальные значения ЦА в пищеварительном тракте восточноевропейской полевки отмечены весной и летом, когда в рационе полевок преобладает кора и зелень растений, богатая клетчатковыми волокнами. Пик активности азотфиксации также имел место летом, когда обилие свежей зелени предоставляет достаточное количество энергии для активации процесса. В осенний период с увеличением доли концентрированных кормов в рационе восточноевропейских полевок активность процессов азотфиксации и целлобиогидролазной активности была минимальной. В ободочной кишке и в преджелудке восточноевропейских полевок таких закономерностей не обнаружено из-за нерегулярности заполнения и вытекающей из этого недостаточной активности процессов. Напротив, рыжая полевка как типичный представитель грызуна со смешанным типом питания не имела четких сезонных отличий активностей процессов азотфиксации и ЦА.
Исходя из результатов исследования, можно сделать вывод, что диазотрофно-целлюлолитический комплекс играет важную роль в пищеварении растительноядных млекопитающих. И, что закономерно, чем больше в рационе животного зеленых частей растений и молодых побегов, тем большую роль в его пищеварении играют микроорганизмы-азотфиксаторы и целлюлолитики, как аэробные, так и анаэробные.
Морфофункциональные особенности исследованных видов полевок демонстрируют высокую степень влияния внутренних цепей питания на среду обитания этих грызунов, т.е. почву. Так, в структуре бактериального сообщества почв, заселенных восточноевропейскими полевками, присутствовали микроорганизмы – типичные представители ЖКТ, и бактерии, ассоциированные с растительными субстратами. В почвах, заселенных рыжими полевками, структура комплекса микроорганизмов, как и при посевах содержимого ЖКТ, существенно беднее.
Агрозем плодородная почва и деятельность восточноевропейских полевок увеличивает и без того высокие значения ее биологической активности, особенно в органогенном горизонте. В дерново-подзолистой почве, заселенной рыжими полевками, значения показателей биологической активности не столь велики, но в бедном элювиальном горизонте значительно увеличивается активность процессов трансформации азота и углерода по сравнению с контрольными почвами.
Результаты анализа данных МСТ показали, что имеет место высокая степень влияния полевок на функциональные показатели микробного сообщества исследованных почв. В почвах из нор восточноевропейских полевок зафиксировано увеличение функционального разнообразия микробного сообщества, но показатели стабильности микробиоценоза снижены. А в элювиальном горизонте почв, заселенных рыжими полевками, крайне нестабильное микробное сообщество не только увеличивает свое функциональное разнообразие, но и существенно повышает свою устойчивость. Это подтверждает тенденцию, выявленную при изучении процессов азотфиксации, метаногенеза, дыхания почв и содержания азота и углерода в почвах.
Обнаружено, что в почвах, заселенных полевками исследованных видов, идет более активная аэробная и анаэробная минерализация органического вещества, на что указывает повышение эмиссии углекислого газа и метана, а также увеличение активности денитрификации и снижение азотфиксации.
Отмеченные изменения биологической активности почв связаны не только с привнесением органического вещества полевками и их роющей деятельностью, но и с изменением структуры и параметров функционального разнообразия микробного сообщества почв, о чем свидетельствуют данные, полученные методом МСТ.
Заключение Высокая активность микробных ферментов диазотрофно целлюлолитического комплекса в ЖКТ полевок сопряжена с повышением биологической активности почв. Это следует и из сравнительной характеристики активности нитрогеназ и целлобиогидролаз двух видов полевок, и из особенностей биологической активности контрольных и населенных полевками почв. Даже бедная дерново-подзолистая почва, заселенная рыжими полевками, показывающими не такой высокий уровень активности нитрогеназы и целлобиогидролазы, как восточноевропейская полевка, заметно обогащается благодаря функционированию диазотрофно-целлюлолитического звена внутренних цепей питания полевок.
Результаты исследования позволяют сделать заключение о заметном влиянии полевок на активность основных процессов цикла азота и углерода в почве, на численность и микробный состав, а также на функциональные возможности микробного сообщества изученных почв.
Дальнейшее исследование конкретных и количественных аспектов взаимодействия микроорганизмов пищеварительного тракта грызунов и населяемой ими почвы может иметь практическое значение в плане разработки биотехнологий, влияющих на плодородие и продуктивность почв.
Выводы Активность микробных ферментов диазотрофно-целлюлолитического 1.
комплекса в пищеварительном тракте восточноевропейской полевки значительно выше в сравнении с рыжей полевкой, что обусловлено морфофункциональными особенностями данных видов.
Установлена сезонная смена целлобиогидролазной активности и 2.
азотфиксации в слепой кишке восточноевропейских полевок, связанная с изменениями кормовой базы. У рыжих полевок, тяготеющих к более концентрированным кормам, такой зависимости не обнаружено.
Показана взаимосвязь структур бактериальных сообществ 3.
пищеварительного тракта и почв в поселениях полевок. В почвах, заселенных полевками, происходит значительная перестройка структуры сообществ микроорганизмов, причем этот процесс наиболее выражен в местах обитания восточноевропейских полевок.
В почвах, заселенных полевками, происходит увеличение 4.
функционального разнообразия микробиоценоза, при этом в элювиальном горизонте дерново-подзолистой почвы микробное сообщество становится значительно стабильнее.
Интенсивность основных процессов цикла азота и углерода меняется 5.
не только за счет привнесения полевками органического вещества, но и под влиянием особенностей функционирования внутренних цепей питания полевок.
Список работ, опубликованных по теме диссертации:
Манаева Е.С., Наумова Е.И., Костина Н.В., Умаров М.М., 1.
Добровольская Т.Г. Функциональные особенности микробного сообщества пищеварительного тракта полевок (Microtus rossiaemeridionalis и Clethrionomys glareolus). // Изв. РАН. Сер. биол. 2012. № 4. С. 415-419.
Манаева Е.С., Ломовцева Н.О., Костина Н.В., Горленко М.В., Умаров 2.
М.М. Биологическая активность почв поселений восточноевропейской (Microtus rossiaemeridionalis) и рыжей (Clethrionomys glareolus) полевок. // Изв.
РАН. Сер. биол. 2013. № 4. С. 495-504.
Варшавский А.А., Манаева Е.С., Наумова Е.И. Диазотрофно 3.
целлюлолитическое звено внутренних цепей питания у полевок (Microtus и Clethrionomys glareolus) в зависимости от пищевой rossiaemeridionalis специализации. // ДАН. 2013. В издательстве.
Умаров М.М., Костина Н.В., Кузнецова Т.А., Вечерский М.В., Манаева 4.
Е.С. Микробиологическая трансформация азота в почвах мест поселений животных // Материалы V съезда Всероссийского общества почвоведов им.
В.В. Докучаева. Ростов-на-Дону. 2008. С. 135.
Манаева Е.С., Матвеева Н.О. Особенности азотфиксации в 5.
пищеварительном тракте полевок и их влияние на биологическую активность почв // XVIII Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых “Ломоносов”. Москва. 2011. С. Манаева Е.С., Матвеева Н.О. Биологическая активность почв, 6.
заселенных восточноевропейской и рыжей полевками // Международная научная конференция молодых ученых и специалистов РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева. 2012. В редакции.
Умаров М.М., Костина Н.В., Кузнецова Т.А., Вечерский М.В., Манаева 7.
Е.С. Микробиологическая трансформация азота в почвах мест поселений животных // Материалы VI съезда Всероссийского общества почвоведов им.
В.В. Докучаева. Петрозаводск. 2012. В редакции.
8. Alexander Varshavskiy, Elizaveta Manaeva. Symbiotic enzymatic activity in cecum of southern and bank voles // The 13th Rodents et Spatium | International Conference on Rodent Biology.
Abstract
No. Манаева Е.С. Функциональные особенности микробного сообщества 9.
пищеварительного тракта полевок (Microtus rossiaemeridionalis и Clethrionomys glareolus). // Стратегия взаимодействия микроорганизмов и растений с окружающей средой / Материалы VI Всероссийской конференции молодых ученых, Саратов, 24-28 сентября 2012г. Саратов: Научная книга, 2012. С.