Особенности бактериальных сообществ гидроморфных почв северных регионов

БИОЛОГИЯ ПОЧВ

УДК 631.46

ОСОБЕННОСТИ БАКТЕРИАЛЬНЫХ СООБЩЕСТВ ГИДРОМОРФНЫХ ПОЧВ СЕВЕРНЫХ РЕГИОНОВ

О.С. Кухаренко, Н.А. Манучарова, Т.Г. Добровольская

Проведен анализ численности и таксономической структуры гетеротрофного блока аэробных и факультативно-анаэробных бактерий гидроморфных почв тундры и тайги. Снижение температуры культивирования с 20° до 5° не привело к уменьшению численности бактерий. Спектр бактериальных доминантов в северных криогенных почвах шире при 4—6°, что свидетельствует об адаптации бактерий к низким температурам. В составе бактериальных сообществ исследованных почв преобладают олиготрофы и копиотрофы. Однако среди бактерий-гидролитиков обнаружены активные деструкторы хитина, представленные родами Bacillus и Janthinobacterium.

Ключевые слова: гидроморфные почвы, бактериальные сообщества, эколого-трофические группы, хитинолитическая активность, низкие температуры.

Почвы северных заболоченных территорий имеют важные глобальные функции, которые влияют на состав атмосферы и климат. Северные болота являются главными источниками диоксида углерода, метана и других парниковых газов, выделяющихся при микробном разложении, однако бактериальная структура и разнообразие этих почв еще малоизучены. Микроорганизмы, развивающиеся в ряде почв северных регионов, в течение года оказываются в условиях низких положительных, а часто и отрицательных температур [6]. Поэтому при изучении экологии микроорганизмов почв важно знать, может ли большинство из них достаточно активно существовать при низких температурах, каков количественный и качественный состав микроорганизмов, специфически приспособившихся к этим условиях.

Объекты и методы исследований

В 2005—2006 гг. для исследования были отобраны образцы почв п-ова Ямал: торфянисто-подзолистая перегнойно-глеевая на песчаных отложениях (подзона северной тайги); торфянисто-гле-евая песчаная на песчаных слоистых отложениях (подзона лесотундры); криозем грубогумусовый типичный, торфяно-глеезем типичный (подзона типичной тундры). В 2007 г. исследовались образцы верховой болотной переходной почвы, взятые из верхового торфяника под сосняком андромедово-пу-шицево-сфагновым (территория Западно-Двинского лесоболотного стационара Института лесоведения РАН, подзона южной тайги). Субстраты анализировались в пространственно-сукцессионном ряду при помощи традиционного метода посева. Навески образцов (1 г) переносили в колбы со 100 мл стерильной воды, суспензии обрабатывали на ультразвуковом диспергаторе УЗДН-1 (22 кГц; 0,44 А;

2 мин.) [2]. Для учета бактерий и актиномицетов использовали глюкозо-пептонно-дрожжевую среду (ГПД). Для ингибирования грибов на 0,5 л среды добавляли 50 мг нистатина. Посев проводили в 5-кратной повторности из экспериментально подбираемых разведений. Чашки инкубировали при комнатной температуре (20°) и температуре 4—6°. Подсчитывали суммарное число колоний, выросших на данной среде. Полученную величину использовали для определения общей численности бактерий, которую выражали количеством колониеобразующих единиц (КОЕ) на 1 г почвы. Проводили дифференцированный учет колоний бактерий разных таксономических групп. Для этого в каждой чашке выделяли макроморфологические типы колоний и подсчитывали их количество. Основных представителей выделяли в чистую культуру. Выделенные штаммы идентифицировали до рода на основании морфологических, культуральных и хемотаксономических признаков, используя определители [2, 5]. Наличие протеазной и лецитиназной активности у бактериальных культур определяли методами, описанными в руководстве [2]. Оценку интенсивности потребления хитина чистыми культурами бактерий проводили на основании газохроматографического и спектрофотометрического анализов. В качестве параметров, подтверждающих разложение хитина, использовали показатели активности дыхания [3, 7] и накопление биомассы [4] исследуемыми культурами микроорганизмов.

Результаты исследований

Численность бактерий, определенная методом посева из торфянисто-глеевой почвы, незначительно уменьшалась с глубиной (менее чем на порядок) и составила немногим более 105 КОЕ/г. В тор-

Рис. 1. Частота доминирования бактериальных таксонов в почвах типичной тундры при разных температурах культивирования: 1 — Aquaspirillum, 2 — Comamonas, 3 — Bacillus, 4 — Pseudomonas, 5 — Myxococcales, 6 — Arthrobacter, 7 — олиготрофные протеобактерии, 8 — Xanthobacter, 9 — Beijerinckia

фянисто-подзолистой почве происходило более резкое уменьшение числа бактерий к нижним горизонтам (от 106 до 104—105). При сравнении бактериальной численности в торфянисто-подзолистой почве при комнатной температуре (20°) и в холодильнике (5°) больших различий не наблюдалось, скорости роста при разных температурах также не отличались. В торфяно-глееземе и криоземе при разных температурах культивирования распределение бактерий по профилю было однотипным. Максимальная численность наблюдалась в очесе — 106—107, затем она плавно убывала на два порядка и вновь возрастала в нижнем горизонте до 105—106.

Выдерживание верховой болотной почвы при температуре 4—6° по сравнению с комнатной также не привело к уменьшению численности. В целом концентрация бактерий в верховом торфянике была примерно такая же, как в торфянистых почвах тундры и лесотундры — 106—107 КОЕ/г.

По составу бактериальных сообществ и спектру доминантов исследованные торфянистые почвы п-ова Ямал практически не отличались друг от друга. В то же время наблюдались четкие изменения в структуре бактериальных комплексов при переходе от мхов и лишайников к почвенным горизонтам. В сфагнуме доминировали бактерии родов Bacillus и Aquaspirillum, а в почвенных горизонтах — Arthrobacter и Pseudomonas. В отличие от почв северной тайги и лесотундры спектр доминантов почв типичной тундры оказался более широким (9 таксонов) (рис. 1). При этом два из них были выявлены только при низкой температуре (Xanthobacter, Beijerinckia).

Общее число бактериальных таксонов в типичной тундре было также выше, чем в лесотундре. Увеличение разнообразия происходило преимущественно за счет выделения большего числа психрото-лерантных видов. В данном исследовании бактериальное разнообразие практически во всех случаях было выше при 5°. В тундре выявлено 18 таксонов,

а в лесотундре 11. Такие бактерии, как Caulobacter vibrioides, Pseudomonas, Janthinobacterium, Methylo-bacterium, Alcaligenes, Xanthobacter, Beijerinckia присутствовали только в типичной тундре.

Для бактериального комплекса верхнего горизонта ТО верховой болотной почвы характерно доминирование протеобактерий рода Aquaspirillum. Вторым доминантом являлись актинобактерии, но их доля резко уменьшалась при низкой температуре — они переходили в разряд минорных компонентов. В горизонтах Т1 и Т2 при 20° примерно в равных долях доминировали спириллы, комамонасы и бациллы. Низкая температура приводила в этих горизонтах к увеличению спорообразующих бактерий.

Все бактерии в исследованных криогенных почвах относятся к разным эколого-трофическим группам, но преобладают олиготрофы и копиотрофы. Практически не выделялись актиномицеты и другие представители актинобактерий, относящиеся к группе гидролитиков. Эксперименты показали, что бактерии родов Flavobacterium, Pseudomonas, Aquaspirillum обладают лецитиназной и протеазной активностью. Бактерии родов Beijerinckia, Alcaligenes — лецитиназной. Разные виды Bacillus и представители родов Aquaspirillum, Comamonas, Pseudomonas являлись активными азотфиксаторами [1]. Бактерии, идентифицированные нами как виды Janthinobacte-rium agaricum, J. lividum (выделенные из торфяно-глеезема), Bacillus cereus и B. firmus-lentus (выделенные из верховой болотной почвы) были проверены на наличие хитинолитической активности. Сравнение динамики образования СО этими культурами показало тенденцию к заметному накоплению диоксида углерода в газовой фазе над культураль-ной жидкостью в случае использования среды с хитином по сравнению с образованием этого газа в контрольном варианте опыта (среда без хитина). Следует отметить, что интенсивность дыхания бактерий B. firmus-lentus превышала таковую у других исследованных бактерий. Так, для бактерии J. lividum содержание диоксида углерода к 16-м сут.

Рис. 2. Динамика эмиссии С02 бактериями при росте на хитине и в контрольной среде

Рис. 3. Динамика накопления биомассы исследованными бактериями при росте на хитине и в контрольной среде

роста на среде с хитином составило около 70 мкг С-С02/мл среды (рис.2), а для В./1гтш-1еШш к 14-м сут. — 170 мкг С-С02/мл (рис. 2). Установлено, что биомасса I. ¡Мйыт и В. /¡гтт-кШш на сре-

де с хитином достигла в те же сроки 600 и 1500 мкг соответственно (рис. 3). Максимальная удельная активность дыхания принадлежала Bacillus cereus.

Выводы

Микроорганизмы, обитающие в почвах северныгх регионов могут осуществлять разнообразные функции. Они обладают потенциальной способностью к деструкции белков, жиров и хитина.

Разнообразие бактериальных комплексов почв лесотундры, тундры и болотной таежной почвы при понижении температуры культивирования не уменьшалось, т.е. все выделенные таксоны бактерий оказались психротолерантными. Бактерии гидролитического блока были представлены в исследованных почвах разнообразными видами бацилл и представителями рода Janthinobacterium.

Авторы признательны вед. науч. сотр. ИНМИ РАН Светлане Николаевне Дедыш за определение вида Janthinobacterium agaricum молекулярно-биологическими методами.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кухаренко О.С., Добровольская Т.Г., Головченко A.B. и др. Структура гетеротрофного блока бактерий в тундровых почвах полуострова Ямал // Почвоведение. 2009. № 4. С. 1-6.

2. Лысак Л.В., Добровольская Т.Г., Скворцова И.Н. Методы оценки бактериального разнообразия почв и идентификации почвенных бактерий. М., 2003.

3. Манучарова H.A., Белова Э.В., Полянская Л.М., Зе-нова Г.М. Хитинолитический актиномицетный комплекс чернозема // Микробиология. 2004. Т. 73, № 1.

4. Манучарова H.A., Власенко А.Н, Белова Э.В. и др. Методологические аспекты определения использования хитина почвенными микроорганизмами //Изв. РАН. Сер. биол. 2008. № 5.

5. Определитель бактерий Берджи. Т. 1, 2. М., 1997.

6. Скворцова И.Н., Бабьева И.П., Звягинцев Д.Г. Психрофильные микроорганизмы почв // Науч. докл. высш. школы. Биол. науки. 1973. № 11.

7. Степанов А.Л., Манучарова Н.А. Образование и поглощение парниковых газов в почвенных агрегатах: Учеб. пособие. М., 2006.

Поступила в редакцию 09.02.2010

CHARACTERISTICS OF BACTERIAL COMMUNITIES

IN HYDROMORPHIC SOILS OF NOTHERN REGIONS

O.S. Kukharenko, N.A. Manucharova, T.G. Dobrovol'skaya

Abundance and taxonomical structure of heterotrophic block of aerobic and facultative-anaerobic bacteria in hydromorphic soils of tundra and taiga were analyzed. Reduction of cultivation temperature from 20° to 5° did not decrease the number of bacteria. Spectrum of bacterial dominants in northern cryogenic soils is wider under 4-6°, that testifies to the adaptation of bacteria to low temperatures. Oligotrophs and copiotrophs prevail in bacterial communities of explored soils. However, there were found active chitin destructors among hydrolytic bacteria, they were presented with genera Bacillus and Janthinobacterium.

Key words: hydromorphic soils, bacterial community, ecologic-trophic groups, chitinolytic activity, low temperature.

Сведения об авторах. Кухаренко Ольга Сергеевна, аспирант каф. биол. почв. E-mail: taru-syanka@yandex.ru. Манучарова Наталья Александровна, канд. биол. наук, доц. каф. биол. почв. Тел. 939-34-05. Добровольская Татьяна Глебовна, канд. биол. наук, вед. науч. сотр. каф. биол. почв. Тел. 939-43-15; e-mail: dobrtata@mail.ru