Особенности трансформации азота и углерода в гнездах почвообитающих муравьев

УДК 631.411.6

ОСОБЕННОСТИ ТРАНСФОРМАЦИИ АЗОТА И УГЛЕРОДА В ГНЕЗДАХ ПОЧВООБИТАЮЩИХ МУРАВЬЕВ

А.А. Котова, М.М. Умаров, Ю.В. Закалюкина

Почвообитающие муравьи (Lasius niger, L.flavus, Formica cunucularia и Tetramorium caes-pitum) оказывают существенное влияние на процессы трансформации органического вещества в почве, в том числе наиболее важных биофильных элементов — азота и углерода, что отражается в накоплении и перераспределении их вертикально по профилю муравейника. Количество азота и углерода в гнездах муравьев разных видов достоверно выше, чем в контрольной почве, где прослеживается закономерное их снижение вниз по профилю, в то время как в гнездах муравьев с течением времени содержание элементов возрастает.

Биомасса микроорганизмов — важный показатель, от которого зависит накопление и трансформация биофильных элементов. Обнаружено, что в муравейниках она выше, чем в контрольной почве. Активность азотфиксации и денитрификации в почве муравейников, в которых осуществляется основная деятельность муравьев, выше, чем в контрольной.

Ключевые слова: азотфиксация, денитрификация, микробиологическая активность, содержание биофильных элементов, муравьи.

Введение

В отличие от наземных видов муравьев, чья жизнедеятельность сосредоточена в нанесенных муравейниках на поверхности почвы, виды обитающих в почве способны существенным образом изменять ее свойства, создавая новые экологические ниши. Таких почвообитающих муравьев относят к типичным «аллогенным экосистемным инженерам» [12]. Хотя их гнезда представляют собой земляные кочки, лишь слегка выступающие над поверхностью почвы, деятельность может затрагивать почвенный профиль на глубину до 1 м [5]. Плотность поселений таких муравьев в некоторых луговых экосистемах может превышать 2500 гнезд на гектар. При гнездостроении эти насекомые обрабатывают не менее 26 м3 почвы на гектар [4], а суммарный объем гнезд L. niger и Х.Аа-vus достигает 270 м3/га. В зоне интенсивной жизнедеятельности муравьев видовое разнообразие и обилие почвенных беспозвоночных и растений заметно выше, чем на окружающей территории [1]. Муравьи существенно преобразуют среду обитания, в числе прочего интенсифицируя круговороты биогенных элементов — азота и углерода [10]. Ранее мы исследовали особенности сезонной динамики азотфиксации, денитрификации и некоторых других процессов микробиологической трансформации азота и углерода в муравейниках L. niger [2]. Было показано, что активность этих процессов выше, чем в контрольной почве, и имеет сезонную динамику. В настоящей работе предпринята попытка исследовать трансформацию углерода и азота в гнездах муравьев разных видов (X. niger, Х.Аауш, F. cunucularia и T. caespitum), населяющих поле, выведенное из сельскохозяйственного оборота.

Объекты и методы исследования

Объекты исследования — образцы надземных («холмики») и подземных частей муравьиных гнезд, населенных муравьями указанных выше видов, а также образцы горизонтов интактной (контрольной) старопахотной (постпахатной) супесчаной дерново-подзолистой почвы [3]. Их отбирали в течение двух лет в Касимовском р-не Рязанской обл. на поле, выведенном из сельскохозяйственного использования более 15 лет назад и расположенном на высоком берегу р. Унжа.

Общее содержание углерода и азота определяли на элементном анализаторе «Vario E-L3». Для изучения потенциальной азотфиксации и денитрифика-ции почву высушивали, освобождали от корешков, просеивали через сито 1 мм, отбирали навески по 5 г и помещали их в пенициллиновые флаконы; каждую навеску увлажняли 2 мл дистиллированной воды. Флаконы с увлажненной почвой в течение недели при 100% влажности инкубировали в эксикаторах в целях «оживления» [7].

Для определения диазотрофной активности в пе-нициллиновый флакон с «оживленной» почвой вносили 1% глюкозы (от массы абсолютно сухой почвы) и дополнительно увлажняли стерильной водопроводной водой до 80% от полной влагоемкости. Почву тщательно перемешивали, закрывали флакон ватной пробкой и инкубировали в течение суток при 28°. Затем его закрывали резиновой пробкой с зажимом, вводили 1 мл ацетилена и инкубировали в термостате в течение часа. После этого шприцем отбирали пробу газовой смеси и анализировали на газовом хроматографе с пламенно-ионизационным детектором «Кристалл-2000». Активность азотфиксации выражали в нмоль С2Н4Д • ч [7].

Для определения потенциальной денитрифика-ции в тот же пенициллиновый флакон с «оживленной» почвой добавляли 3 мл дистиллированной воды, раствор глюкозы (из расчета 2,5 мг/г почвы) и 1 мл 0,4%-го раствора КМОз. Флаконы герметично закрывали резиновыми пробками с металлическими зажимами и в течение 1 мин продували аргоном, затем шприцем отбирали 1 мл воздуха и вводили 1 мл ацетилена. После этого флаконы тщательно встряхивали и инкубировали при температуре 28° в термостате. Через сутки измеряли концентрацию закиси азота (N20) на газовом хроматографе с детектором электронного захвата «Кристалл-2000». Потенциальную активность денитрификации выражали в мкм ^О/г  ч [7]. Биомассу микроорганизмов оценивали методом суб-страт-индуцированного дыхания [15]. Измерения проводили в 5-кратной повторности; результаты обрабатывали в программе 8ТАП8ТЮА 8.0.

Результаты и их обсуждение

Накопление органического вещества в муравейниках оценивали на основании общего содержания азота и углерода в отобранных образцах (табл. 1). Из полученных данных следует, что в контрольной почве за два года наблюдений происходило его уменьшение в верхних горизонтах — Ап/п и АВ, тогда как количество азота в двух нижних не изменялось.

Иная картина распределения содержания этих элементов наблюдалась в гнездах муравьев всех видов. В отличие от контрольной почвы с течением времени содержание азота и углерода увеличивалось; наиболее заметно это происходило в муравейнике Ь. niger ^ — на 40,5, С — на 54,0%). Несомненно, что перераспределение органического вещества в пределах муравьиных гнезд происходило на фоне изменения содержания данных элементов в муравейнике.

Отдельно отметим максимально высокое содержание углерода в гор. АВ гнезда Ь.Аашъ (1%), которое хорошо коррелирует с высоким уровнем биомассы в этой же части гнезда. Характер накопления и распределения углерода и азота в разных элементах гнезда свидетельствует о фуражной активности муравьев и привносе ими органического вещества в течение вегетационного периода. Подобный характер накопления биофильных элементов хорошо известен и иллюстрирует аккумулирующую функцию муравьев по отношению к биофильным элементам — азоту и углероду.

При рассмотрении трансформации азота в муравейниках необходимо было изучить и такие важные звенья в круговороте элемента, как азотфиксация и денитрификация [6]. Азотфиксация в муравейниках — малоизученный процесс, хотя нет сомнений в его большой важности [8]. К настоящему времени значительная азотфиксация выявлена у муравьев-листорезов Центральной Америки [14]. Для понижения скорости трансформации и баланса азота в муравейниках важен и другой процесс — денитрификация.

Результаты исследования активности азотфикса-ции и денитрификации представлены в табл. 2. Согласно полученным данным, активность азотфиксации в муравейниках и контрольной почве отличается. Так, в верхних горизонтах последней она выше, чем в куполе муравейников и составляет 1,847 нмоль С2Н4Д  ч, в то время как в самих муравейниках этот показатель колеблется от 0,835 до 0,0115 нмоль С2Н4Д -ч. Вероятно, это может быть связано с тем, что в ризосфере и ризоплане контрольной почвы происходит ее активная азотфиксация микроорганизмами. В купол муравейника почва может быть нанесена из разных горизонтов. Поскольку основная деятельность насекомых затрагивает в основном подземную часть гнезда, то активность азотфиксации там должна быть выше, что и подтверждается полученными данными. Мак-

Таблица 1

Изменение содержания общих углерода и азота в гнездах муравьев и в контрольной почве

Образец Cобщ, % ^общ, % Изменение содержания углерода Изменение содержания азота

2008 г. 2009 г. 2008 г. 2009 г.

Formica — купол 0,58 0,38 0,06 0,05 -32,8 -21,1

— гор. Ап/п 0,32 0,53 0,03 0,05 39,6 30,4

Lasius niger — купол 0,59 0,75 0,09 0,10 22,4 12,9

— гор. Апах 0,73 0,33 0,06 0,03 -54,8 -50,8

— гор. АВ 0,23 0,45 0,02 0,04 54,0 40,5

— гор. В 0,11 0,08 0,01 0,01 23,6 -27,3

Lasius flavus — купол — 0,78 — 0,06 — —

— гор. А — 0,39 — 0,03 — —

— гор. АВ — 1,00 — 0,07 — —

Контроль — гор. Апах — гор. АВ — гор. В 0,74 0,32 0,16 0,55 0,30 0,10 0,07 0,03 0,01 0,06 0,03 0,01 -25,7 -4,7 -32,5 -17,8 0 0

Примечание. Горизонты Ап/п — постпахотный, Апах — пахотный.

Таблица 2

Динамика азотфиксации и денитрификации в исследуемых образцах за два года

Азотфиксация, нмоль С2Н4/г • ч Денитрификация, мкм №0/г • ч

1-й год 2-й год 1-й год 2-й год

Lasius flavus — купол — 0,0115 — 0,0055

— гор. Ап/п — 0,011 — 0,0001

— гор. AB — 0,011 — —

Lasius niger — купол 0,835 0,05 0,042 0,0073

— гор. Ап/п 0,6481 0,037 0,0314 0,0004

— гор. AB 0,9071 0,0079 0,0095 0,0002

— гор. B 0,0092 0,01 0,0079 0,0001

— гор. ВС — — —

Formica — купол 0,1626 0,0344 0,0391 0,0023

— гор. Ап/п 0,00578 0,00885 0,0256 0,0001

— гор. АВ — — — —

— гор. В 0,835 — 0,0074 —

— гор. ВС — — — —

Контроль — гор. Адер 1,847 — 0,0379 —

— гор. Ап/п 0,8028 0,0327 0,0132 0,0007

— гор. АВ — 0,0108 — —

— гор. В 0,044 — 0,0741 —

— гор. ВС — — —

симальная активность процесса отмечена в гор. АВ муравейника X. niger (0,91 нмоль С2Н4Д • ч) и гор. В муравейника F. cunicularia (0,835 нмоль С2Щ/г-ч). В контрольной почве она существенно ниже и составляет 0,044 нмоль С2Н4Д • ч в гор. В, из чего вполне отчетлива видна активная работа микроорганизмов в муравейниках [2].

Показатели активности денитрификации в контрольной почве и в муравейниках отличаются незначительно. Так, в куполе муравейника F. ситси1апа и в верхнем горизонте контрольной почвы они составляют 0,0391 и 0,0379 мкм ^О/г-ч соответственно. В постпахотных горизонтах максимальное значение денитрификации отмечено в муравейниках X. niger (0,0314 мкм ^О/г-ч) и F. cunicularia (0,0256 мкм ^О/г • ч).В контрольной почве оно достигает 0,0132 мкм ^О/г • ч. Таким образом, в муравейниках активность денитрификации незначительно выше, чем в контрольной почве, что может быть связано с активной фуражной деятельностью муравьев.

Одним из важнейших показателей, который характеризует накопление и трансформацию биофильных элементов, является биомасса микроорганизмов. Существуют разные методы ее определения. В данной работе ее измеряли методом субстрат-индуцированного дыхания, что в большей степени отражает активность аэробного комплекса микроорганизмов, живущих в почве [15]. При этом исходили из того, что в связи с активной роющей деятельностью муравьев и постоянным перемешиванием почвы [13] количество анаэробных зон в гнездах снижено по сравнению с контрольной почвой.

Из полученных данных (табл. 3) следует, что даже без учета надземных частей гнезд, микробная биомасса в муравейниках выше, чем в контрольной почве. В среднем в подземной части гнезда этот

показатель составляет 584,3, X. niger —483,0, Т. caets-рШт — 509,2, а в контрольной почве — 421,9 мкг С/г почвы. Примечательно, что относительная доля биомассы в надземной части гнезда («холмик») также достаточно велика и составляет у Х.Аа\т 31,7% от ее содержания в нижележащих почвенных горизонтах, у X. niger и Т. caespitum — по 40%. По сравнению с почвой этот показатель еще выше и составляет 44,3% у L.flavus, 46,2% — у X. niger, 48,5% — у Т. caespitum. Наиболее отчетливо такое распределение биомассы микроорганизмов прослеживается в гнезде L.flavus. Максимальное ее содержание отмечено в подземной части гнезда, расположенной в гор. АВ, одновременно именно в гнезде этого вида муравьев наименьшее от-

Таблица 3 Биомасса в исследованных субстратах, мкг С/г почвы

Вид муравьев «Кочка» Горизонт Ап/п Горизонт АВ Горизонт В

Lasius flavus 556,9 571,52 601,9 579,6

Lasius niger 584,9 569,0 456,8 426,3

Tetramorium caespitum 614,4 555,01 507,6 464,9

Контрольная почва — 460,9 481,7 323,3

Примечание. Цифры, выделенные полужирным шрифтом, максимальные значения.

носительное содержание биомассы приходится на надземную его часть. Наши наблюдения подтверждают мнение, что L.flavus является типично почвенным видом муравьев, т.е. лишь они изредка выходят на поверхность, а вся жизнь колонии, в частности, деятельность по добыче корма, протекает под землей [9, 11, 13]. Однако следует иметь в виду, что дыхание и связанная с ним биомасса — весьма лабильный параметр биологической активности почв, во многом связанный с содержанием органического вещества, его доступностью и динамикой поступления. Так, например, ранее было показано, что дыхание в муравейниках имеет сезонную динамику, отличную от контрольной почвы [2], соответственно содержание биомассы так же будет изменяться. В горизонтах муравейников, где выявлена наибольшая биомасса микроорганизмов, количество общего азота и углерода к концу вегетативного сезона было максимальным. Несомненно, что характер распределения микробной биомассы в гнездах муравьев тесно связан с привносом и распределением в них доступного органического материала.

Выводы

• На протяжении двух лет (2008 и 2009 гг.) определяли содержание общего углерода и азота в муравейниках четырех видов. Распределение элементов в образцах муравейников отличается от равномерного вертикального в контрольной почве. Это может быть следствием перемешивания и привнесения извне грунта внутрь муравейника и перераспределением органического вещества в его пределах.

• Выявлено, что биомасса микроорганизмов в муравейниках выше, чем в контрольной почве. Максимальные показатели отмечены в подземных частях муравейника. Характер распределения микробной биомассы в гнездах муравьев может быть тесно связан с перераспределением доступного органического материала в каждом из них.

• Изучение активности процессов азотфиксации и денитрификации показало, что она достоверно выше в муравейниках, что может быть связано с активной фуражной деятельностью муравьев.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бугрова Н.М., Пшеницына Л.Б. Трансформация пространственной структуры травяного покрова вокруг гнезда Formica aquilonia//Успехи соврем. биол. 2003. Т. 123, № 3.

2. Голиченков М.В., Нейматов А.Л., Кирюшин А.В. Микробиологическая активность почв, заселенных муравьями Lasius niger // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2009. № 7.

3. Диагностика и классификация почв. М., 2004.

4. Зрянин В.А. Влияние муравьев рода Lasius на почвы луговых биогеоценозов // Зоол. журн. 2003. T. 123.

5. Котова А.А., Голиченков М.В., Умаров М.М. и др. Микробиологическая активность в муравейниках залежных земель (Рязанская область) // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2013. № 2.

6. Мамай А.В., Степанов АЛ, Федорец Н.Г. Микробная трансформация соединений азота в почвах средней тайги // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2013. № 4.

7. Методы почвенной микробиологии и биохимии / Под ред. Д.Г. Звягинцева. М., 1991.

8. Рогожина Е.В., Костина Н.В., Малюкова Л.С. Оценка потенциальной азотфиксирующей активности почв аг-рофитоценозов субтропической зоны России // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2011. № 1.

9. Czechowski W., Radchnko A., Czechowska W.The ants of Poland: Hymenoptera, Formicidae. Warzawa, 2002.

10. Dauber J., Schroeter D, Wolters V. Species specific effects of ants on microbial activity and N-availability in the soil of an old-field // Eur. J. Soil Biol. 2001. Vol. 37. P. 259—261.

11. Holec M, Frouz J. The effect of two ant species Lasius niger and Lasius flavus on soil properties in two contrasting habitats // Ibid. 2006. Vol. 42. P. 213—217.

12. Jones C.G., Lawton H.J., Shachak M. Organisms as ecosystem engineers // Oikos. 1994. Vol. 69. P. 373—386.

13. NNkem J.N., Lobry de Bruyn L.A., Grant C.D., Huluga-le N.R. The impact of ant bioturbation and foraging activities on surrounding soil properties // Pedobiol. 2000. Vol. 44. P. 609—621.

14. Pinto-Tomas AA, Anderson M.A., Suen G. et al. Symbiotic nitrogen fixation in the fungus gardens of leaf-cutter ants // Science. 2009. N 1120.

15. WestA.W, Sparling G.P. Modifications to the substrate-induced respiration method to permit measurement of mic-robial biomass in soils of differing water contents // J. Micro-biol. Methods. 1986. N 5. P. 177—189.

Поступила в редакцию 15.06.2014

FEATURES OF TRANSFORMATION OF NITROGEN AND CARBON

IN THE ANTHILLS IN THE SOIL

A.A. Kotova, М.М. Umarov, Yu.V. Zakalukina

Ants which used to make their nests from soil (Lasius niger, L. flavus, Formica cunucularia and Tetramorium caespitum) have a significant influence on the transformation of organic matter in the soil, including the most important biophylic elements such as nitrogen and carbon, which is reflected in the accumulation and redistribution of these elements within soil profile. The content

of nitrogen and carbon in nests of different species of ants significantly higher than in the control soil, where the content is getting lower down on the profile, while at the nest of ants content increases. The biomass of microorganisms is an important indicator that affects the accumulation and transformation of biophylic elements. It have been found that the biomass of microorganisms in the ant nests is higher than in the control soil as well as the nitrogen fixation and denitrification activity.

Key words: nitrogen fixation, denitrification, microbial activity, biphylic elements content, ants.

Сведения об авторах

Котова Александра Артуровна, аспирант каф. биологии почв ф-та почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. E-mail: sashakotova@rambler.ru. Умаров Марат Мутагарович, докт. биол. наук, профессор каф. биологии почв ф-та почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. Тел.: 8(495) 939-44-46; e-mail: mumarov@mail.ru. Закалюкина Юлия Владимировна, канд. биол. наук, мл. науч. сотр. каф. биологии почв ф-та почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. E-mail: juline@rambler.ru.