Микроорганизмы палеопочв Республики Татарстан

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ КАЗАНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА

Том 150, кн. 2

Естественные науки

2008

УДК 630:576.8

МИКРООРГАНИЗМЫ ПАЛЕОПОЧВ РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН

Р.И. Тухбатова, Д.И. Тазетдинова, Ф.К. Алимова, Л.В. Мельников

Аннотация

Проведены микробиологические исследования палеопочв Мурзихинского II могильника (VI - VIII вв. до н. э.) и Больше-Кляринского городища (IX - XI вв. н. э.). Впервые изучены микробные сообщества погребенных почв, определены биомасса микроорганизмов, дыхательная и азотфиксирующая активность, численность микроорганизмов различных трофических групп и грибных колониеобразующих единиц.

Ключевые слова: палеопочвы, численность микроорганизмов, бактериальные сообщества, биомасса, дыхательная и азотфиксирующая активность.

Введение

Почва - уникальный продукт тонкого слоя материнской породы, который за миллиарды лет превратился в специфическую структуру, обеспечивающую симбиоз и ассоциативное взаимодействие микроорганизмов, населяющих почву, с зелеными растениями. Значительное усиление естественных процессов разрушения, а также возникновение и широкое распространение антропогенных форм деградации естественных экосистем сопровождаются трансформацией почвенного покрова и потерей биосферных и биогеоценотических функций почв. В связи с этим особое значение приобретает изучение параметров их устойчивости как за относительно короткие, так и длительные хронологические интервалы. Формирование зрелых почвенных профилей - длительный процесс, поэтому исследование почвенной динамики на больших временных отрезках, столетиях и тысячелетиях, приобретает особое значение. Почвенные микроорганизмы являются неотъемлемой составной частью почвы. Практически все процессы, протекающие в ней, в той или иной степени связаны с жизнедеятельностью микроорганизмов. В последнее время был опубликован ряд работ, посвященных ископаемым почвам (палеопочвам) разных регионов Земли пермского и триасового возраста [1]. В этих работах только констатируется наличие живых микроорганизмов в погребенных почвах. На территории Республики Татарстан (РТ) микробиологический анализ палеопочв проводился впервые.

Цель настоящей работы - сравнительный анализ микробиологической активности палеопочв и современных горизонтов на территории РТ.

1. Экспериментальная часть 1.1. Материалы

1.1.1. Отбор образцов почвы из Мурзихинского II могильника Алексе-евского района РТ. Мурзихинский II могильник расположен в 3-3.5 км к востоку от бывшего с. Мурзиха, в 5 км к северо-западу от с. Алексеевск. Образцы почвы были отобраны из внутренней части 2 человеческих черепов, обнаруженных во время археологических раскопок на Мурзихинском II могильнике. Структурно-агрегатный анализ показал, что, несмотря на весьма низкое для данной разновидности по гранулометрическому составу содержание гумуса по сравнению с собственно целинными аналогами (6.6% при содержании физической глины 65% и илистой фракции 45%), почва характеризуется хорошим структурным состоянием. Распределение гумуса во фракциях однородное.

Табл. 1

Характеристика исследованных почвенных образцов

Объект исследования Образец Генетический горизонт Глубина, см pH гумус

Мурзихинский II могильник Мк [Ai] 0-20 6.2 6.5

М1 - раскоп 162 [Ai] 70-110 6.6 6.6

М2 - раскоп 196 [Ad 80-120 6.7 6.6

Больше-Клярин-ское городище Гк [Ai] 0-20 6.i 6.8

Г1 [BAi] 122-130 6.3 7.9

Г2 [Ali] 130-148 6.3 7.9

Ак [Ai] 0-52 7.2 5.8

А1 [Aii] 52-77 6.9 6.3

А2 [Ai2] 77-89 7.3 6.7

1.1.2. Отбор образцов почвы из Больше-Кляринского городища. Основание Больше-Кляринского городища относится к булгарскому раннему периоду. Расположено оно в 1 км к северо-западу от с. Большие Кляри Камско-Усть-инского района РТ на левом берегу речки Сухой Улемы. Площадь 33000 м . Больше-Кляринское городище - характерное для данной культуры городище-убежище, представляющее собой комплекс сопряженных валов и рвов. Время строительства объекта относится к VIII - X вв., что подтверждается найденными на раскопе осколками булгарской керамики раннего (домонгольского) периода. Современный почвенный покров в пределах района исследований представлен пахотной и залежной разновидностью среднемощного среднегумусно-го тяжелосуглинистого выщелоченного чернозема.

Нами была исследована погребенная почва под периферийным валом трансформировавшаяся в гидроморфных условиях, и целинный выщелоченный чернозем с напольной стороны городища (табл. 1).

1.2. Методы

Определение численности микроорганизмов в почве проводили методом прямого подсчета в люминесцентном микроскопе. Для учета таксономических и эколого-трофических групп микроорганизмов использовали стандартные

среды: бактерии, мобилизующие органические источники азота, учитывали на мясо-пептонном агаре (МПА), актиномицеты и бактерии, утилизирующие минеральные источники азота, определяли на среде Гаузе, микромицеты - на среде Чапека, картофеле-глюкозном агаре, олиготрофные формы - на почвенном агаре, олигонитрофилы - на среде Эшби, целлюлозоразрушающие микроорганизмы - на среде Гетчинсона. Спорообразующие бактерии учитывали на смешанной среде МПА : сусло-агар. Дыхательную и азотофиксирующую активность микроорганизмов определяли методом газовой хроматографии на хроматографе «Хром-4» [2].

2. Результаты и обсуждение

Оценка численности почвенных микроорганизмов имеет первостепенное значение для понимания происходящих в почве микробиологических процессов [3]. Биотопами с максимальной концентрацией бактериальных клеток явились горизонты Гк и Г2, а с минимальными - Г1 и А2. Распределение бактерий гетеротрофного блока в автоморфных горизонтах имеет тенденцию к снижению вниз по профилю почвы. В гидроморфных горизонтах количество бакте-рий-гетеротрофов на поверхности вала и в погребенной почве (Г2) практически одинаково. Резкое снижение их количества отмечено в коричневой новообразованной почве (Г1). В образцах из могильника (Мк, М1, М2) не обнаружено существенной разницы в содержании бактерий-гетеротрофов.

Для более точной количественной характеристики состояния микробной системы необходимо использовать как прямой учет (люминисцентная микроскопия), так и чашечный метод (посев на питательные среды). Соотношение этих показателей будет указывать на степень зрелости экосистемы. Так, известно, что зрелые сообщества характеризуются возрастанием коэффициента зрелости (К), а молодые - уменьшением. Отношение К = М/р между количеством бактерий по данным люминесцентной микроскопии (М) и таковым по посеву (р) для исследованных образцов почвы небольшое (3.90-5.95). Возрастание значений К может указывать на более поздние этапы сукцессии, для которых характерна низкая скорость роста микроорганизмов. Соответственно, низкое значение К - индикатор начальных этапов сукцессии («молодая» экосистема) с более высоким темпом размножения [3]. Коэффициент К уменьшается вниз по почвенному профилю в образцах из гидроморфных горизонтов (Гк -Г1 - Г2). В остальных образцах такой тенденции не наблюдается. В образцах из могильника и автоморфных горизонтов городища отмечены более высокие значения К у погребенных почв (М1, М2 и А1, А2) по сравнению с современными горизонтами (Мк и Ак). Возможно, это говорит о том, что на момент «консервации» экосистемы находились на более поздних стадиях сукцессии, чем современные. Сохранение низкого значения К в современных горизонтах, вероятно, связано с непосредственным поступлением питательных веществ (опада) в почву, и таким образом поддерживается состояние относительно «молодой» экосистемы.

На основании полученных данных по численности основных групп микроорганизмов были рассчитаны биомассы и их распределение по профилю почв.

Максимум биомассы отмечается в тех горизонтах, где велика численность грибов (М2, М1, А1).

В исследованных образцах отмечена тенденция к снижению относительной доли бактерий и увеличению содержания доли грибов по глубине залегания почвенного образца: достоверное снижение наблюдается в автоморфных горизонтах (Ак, А1, А2) и образцах почвы из могильника (Мк, М1, М2). Снижение количества бактерий связано, вероятно, с уменьшением доступного органического вещества.

Образцы из могильника характеризуются максимальной концентрацией педотрофных бактерий и преобладанием их в структуре бактериального сообщества. Вниз по профилю почвы происходит увеличение количества педотро-фов. В образцах почвы из автоморфных горизонтов, напротив, отмечена тенденция к снижению доли педотрофных бактерий по глубине. Активность автохтонной микрофлоры, способной разлагать гумус и потреблять фульвокислоты, может быть оценена по значению коэффициента педотрофности (КП). Отмечено снижение КП в гидроморфных и автоморфных погребенных почвах по сравнению с современными горизонтами. Изменение КП указывает на снижение активности педотрофных бактерий, прямо пропорциональное их количеству.

Анализ других физиологических групп микроорганизмов позволил выявить тенденцию к увеличению численности спорообразующих бактерий по профилю почвы в могильнике. В остальных исследованных образцах изменение численности спорообразующих бактерий носит флуктуирующий характер. Увеличение или уменьшение численности спорообразующих бактерий не оказывает прямого влияния на их место в структуре бактериального сообщества. Известно, что увеличение в структуре бактериального сообщества спорообразующих бактерий связано в почвах с недостатком минеральных форм азота. Для споро-образующих бактерий характерно возрастание количества колониеобразующих единиц на 1 г почвы в неблагоприятных условиях экологической ниши. Максимальное количество спорообразующих бактерий отмечено в образцах Ак и Гк, а минимальное - в Г1 (новообразованном коричневом слое погребенной почвы).

В структуре бактериальных сообществ, выделенных из могильника, отмечено минимальное содержание доли олиготрофных бактерий по сравнению с остальными образцами почв. В автоморфных погребенных горизонтах (А1, А2), наоборот, самая большая группа в бактериальном сообществе представлена олиготрофами. Для автоморфных горизонтов характерно снижение численности олиготрофов по профилю почвы и обратно пропорциональное возрастание их доли в структуре сообщества. В гидроморфных почвах содержание олиго-трофных бактерий достоверно снижается в горизонте Г1 (коричневый слой) и резко возрастает в нижнем горизонте.

Максимальное количество бактерий, потребляющих минеральные формы азота, представлено в гидроморфных почвах. Минимальная концентрация бактерий, выявленных на среде Гаузе, отмечена в автоморфных горизонтах. Распределение бактерий, потребляющих минеральные формы азота, вниз по профилю почв имеет случайный характер. Об интенсивности процессов минерализации позволяет судить коэффициент минерализации (КМ). Увеличение КМ свидетельствует об активных процессах минерализации органического азота.

Изменение КМ в нашем случае связано с колебаниями численности бактерий, потребляющих минеральные и органические формы азота, а не с изменениями микробиологической активности. Распределение актиномицетов по профилю почв имеет флуктуационный характер - снижение количества вниз от поверхности, а затем снова увеличение. Максимальное количество актиномицетов отмечено в гидроморфной погребенной почве (Г2).

Известно, что потенциальная азотфиксирующая способность почвы является одним из показателей уровня ее биологической активности. Самая низкая активность азотфиксации отмечена в современных горизонтах (Мк, Ак, Гк). Максимальные значения азотфиксации отмечены в горизонтах М2, А1, Г2 и ri.

В настоящее время для характеристики микробных сообществ используют такие признаки, как скорость базального (Vbasal) и субстрат-индуцированного (Vsir) дыхания почв. Величина Vbasal отражает доступность органического вещества для микроорганизмов и интенсивность его разложения. В гидроморфных почвах и могильнике максимальные значения Vbasal отмечены в горизонтах Г2 и М2 (самых нижних). Минимальная интенсивность разложения органического вещества отмечена в горизонтах Ак и А2. Величина Vsir указывает на изменение активности микробиоценоза, направленность процесса разрушения (ингибиро-вание или стимуляция). Микробиоценозы с низкой активностью выявлены в автоморфных почвах и могильнике, с высокой - в гидроморфных горизонтах.

Определение соотношения численности микроскопических грибов с другими группами микроорганизмов в исследованных образцах показало, что они составляют вторую по величине часть микробного населения. Несмотря на то, что в процентном соотношении грибы представлены малочисленной группой по сравнению с бактериями, по своей биомассе они могут значительно их превосходить [4]. Максимальное количество грибов выявлено в образцах почвы из могильника. Здесь прослеживается тенденция к увеличению количества грибов вниз по профилю почвы. Наименьшее количество грибов отмечено в коричневом слое Г1 погребенной почвы и в современном горизонте Гк гидроморфной почвы. Родовой и видовой состав грибной микрофлоры в почве однообразен. Это в подавляющем большинстве более устойчивые к неблагоприятным условиям грибы. Всего нами обнаружено 21 видов микромицетов. Кластерный анализ описанных комплексов микромицетов, проведенный на основании представленности и частоты встречаемости видов, показал существенные отличия между современными горизонтами и погребенными почвами. Наибольшим сходством между собой обладают комплексы микромицетов, выделенных из горизонтов: 1) Мк и Гк; 2) М2 и Г2; 3) М1 и А2. Попадание этих образцов в одни кластеры, вероятно, связано с некоторым сходством физико-химических показателей почв (pH, гумус и т. д.) либо сходством в условиях развития сообществ. Другое объяснение образования таких кластеров - наличие индикаторных видов, частота встречаемости которых практически одинакова во всех исследованных образцах. К таким видам можно отнести Penicillum spp. l, T. harzianum, Fusarium spp.

Таким образом, сравнительный анализ микробиологической активности современных и погребенных почв показал, что микробиоценозы исследованных почв функционируют с различной активностью. Соотношение численно-

сти микроорганизмов в палеопочвах отличается от современных горизонтов почв. Суммарная биомасса микроорганизмов возрастает за счёт увеличения доли микроскопических грибов. Показано увеличение интенсивности азотфик-сации и дыхания по мере перехода от современных к древним почвам.

Summary

R.I. Tukhbatova, D.I. Tazetdinova, F.K. Alimova, L.V. Melnikov. Microorganisms from Ancient Soils of Tatarstan Republic.

Microbiological studies of ancient soils from Murzihinsk burial ground II (6th - 8th centuries BC) and the Bolshe-Klyarinsk site of ancient settlement (9th - 11th centuries AD) were carried out. Microbes communities from ancient soils were investigated for the first time, microbes' biomass, respiratory and nitrogen-fixing activity, number of microorganisms of various trophic groups and fungi's colony forming units were defined.

Key words: ancient soils, number of microorganisms, bacterial communities, biomass, respiratory and nitrogen-fixing activity.

Литература

1. Демкина Т. С., Борисов А.В., Демкин В.А. Микробные сообщества палеопочв археологических памятников пустынно-степной зоны // Почвоведение. - 2000. - № 9. -С. 1117-1126.

2. Звягинцев Д.Г., Асеева И.В., Бабьева И.П., Мирчинк Т.Г. Методы почвенной микробиологии и биохимии. - М.: Изд-во Моск. ун-та, 1980. - 224 с.

3. Добровольский Г.В., Бабьева И.П., Богатырев Л.Г. Структурно-функциональная роль почв и почвенной биоты в биосфере. - М.: Наука, 2003. - 364 с.

4. Мирчинк Т.Г. Почвенная микология. - М.: Изд -во Моск. ун-та, 1988. - 220 c.

Поступила в редакцию 04.03.08

Тухбатова Резеда Ильгизовна - аспирант кафедры биохимии Казанского государственного университета.

E-mail: resedushka@yandex.ru

Тазетдинова Диана Ирековна - аспирант кафедры биохимии Казанского государственного университета.

E-mail: tazetdinova_d@rambler.ru

Алимова Фарида Кашифовна - доктор биологических наук, профессор, заведующий кафедрой биохимии Казанского государственного университета.

E-mail: farida_alimova@hotmail.com

Мельников Леонид Валентинович - кандидат биологических наук, доцент кафедры почвоведения Казанского государственного университета.

E-mail: Leonid.Melnikov@ksu.ru