CC BY
155
Известия Тульского государственного университета Естественные науки. 2010. Вып. 1. С. 204-214 Биология
УДК 631.427.2 + 582.341
Микробиологическая характеристика торфов Тульской области
Е.М. Волкова, А.В. Головченко, Н.В. Самощенкова, Е.Н. Музафаров
Аннотация. Исследовано состояние микробных комплексов различных торфов Тульской области, показаны различия между разными видами и типами торфа по содержанию грибных и бактериальных диаспор.
Ключевые слова: болота, торф, грибные и бактериальные диаспоры, Тульская область.
Введение
Уникальность болотных экосистем связана с рядом выполняемых ими функций, среди которых следует выделить климаторегулирующую, газорегуляторную, геохимическую, гидрологическую и др. [1]. Выполнение этих функций возможно благодаря формированию торфяных отложений, поскольку именно торф как «депо» углерода и других элементов, обладает водоудерживающими и фильтрационными свойствами.
Скорость образования торфа и, соответственно, вертикальный рост болот, зависят от интенсивности разложения болотных растений. Этот процесс коррелирует с обилием и активностью микроорганизмов, участвующих в деструкции органического вещества.
Наиболее изученными являются регионы, характеризующиеся высокой заболоченностью (Белоруссия, Карелия, Западная Сибирь и т.д.). Изучением микробных сообществ в торфяниках этих регионов занимались Зименко, Вавуло, Загуральская, Гантимурова, Клевенская, Жданникова, Головченко, Добровольская, Инишева, Смагина и др.
Тульская область характеризуется низкой заболоченностью (0,07%). Однако положение региона между разными болотными зонами (зона верховых сосново-сфагновых и низинных травяных болот и зона низинных осоковых и тростниковых болот) [2] обуславливает формирование разных типов болот, отличающихся по характеру растительного покрова и строению торфяных залежей [3]. Известно, что наибольшие площади заняты пойменными болотами, которым свойственен эвтрофный характер растительности и залежи низинного типа. В лесной полосе области часто встречаются, занимая небольшие площади, болота карстово-суффозионного происхождения. Среди
них обнаружены болота с мезо- и олигомезотрофной растительностью и переходными торфами. Крайне редко в приокской части области формируются олиготрофные болота, характеризующиеся наличием верховых торфов в залежи. Несмотря на выявленное разнообразие болот, микробиологический мониторинг торфяных отложений этого региона не проводился.
В связи с этим, целью настоящей работы стало изучение показателей обилия микроорганизмов в торфяных отложениях болот разных типов Тульской области.
Материалы и методы
Объектами исследования являлись болота, различающиеся как по положению в рельефе, так и по типу водно-минерального питания. Среди водораздельных болот Тульской области доминируют болота, сформированные в депрессиях карстово-суффозионного происхождения. Торфяная залежь может быть сплошной или сплавинной, глубина — от 2 до 5, иногда — 10 и более метров. По характеру растительности такие болота чаще эвтрофного типа (болото Озерный, Ленинский район; болото Источек, м/з «Ясная Поляна», Щекинский район), реже — олиготрофного (болото Клюква, Белевский район). Олиготрофные болота также сформированы на террасах Оки. В отличии от водораздельных, они являются мелкозалежными, поскольку глубина торфа — не более 1 м (болото Варушицы, Суворовский район).
Пойменные болота представлены 2-мя объектами и характеризуются эв-трофной растительностью (болото Большое Березовское, Богородицкий район; болото Кочки, Новомосковский район). Более детальная характеристика болот представлена в табл. 1.
Таким образом, объекты исследования отражают основные типы болот, сформированные на территории Тульской области. Это позволяет считать их репрезентативными для данного региона.
Образцы торфа отбирали на болотах разных типов при помощи торфяного бура в середине вегетационного сезона с каждых 10 см залежи до глубины
1 м, далее — через каждые 50 см до минерального дна болота. Отдельно отбирали придонный образец торфа. Образцы помещали в стерильные полиэтиленовые пакеты и хранили в морозильной камере до проведения эксперимента в лаборатории.
Численность грибов определяли методом посева на подкисленную ага-ризованную среду Чапека. Для учёта бактерий использовали крахмалоаммиачный агар (КАА) [4](см. табл. 2).
Данные по численности микроорганизмов, определённой методом посева, выражали количеством колониеобразующих единиц (КОЕ) на 1 г сухого торфа.
Кроме того, на одном из объектов исследования была определена численность и биомасса микроорганизмов люминесцентно-микроскопическим методом. Предварительно десорбировали клетки на ультразвуковом диспер-
Таблица 1
Характеристика болот, являющихся объектами исследования
Название болота, площадь Георгра- фическое положение Положение в рельефе Тип водноминерального питания Характер расти- тельности Свойства торфа
Клюква, 1 га Белевский район, дд. Кураково и Хутора водораздел (карстово- суффозион- ное понижение) олиготроф- ное грядово- мочажинный комплекс, сосново- кустарничко- во (пушицево)- сфагновое сообщество 0—50 см — верховой торф (сфагновый, пу-шицево-сфагновый); 50-100 см — переходный торф (древесно-сфагновый, древесно-травяной, травяно-сфагновый); 100-260 см — низинный торф (травяной, травяно-гипновый, травяно-сфагновый)
Варуши- цы, 2,4 га Суворовский район, Д. Вару-шицы терраса Оки олиготроф- ное сосново- сфагновое сообщество 0-23 см — верховой торф (сфагновый); 23-70 см — низинный торф (древесный, травяной)
Озерный, 1 га Ленинский район, п. Озерный водораздел (карстово- суффозион- ное понижение) мезотрофный центр сплавины, эвтрофные окрайки березово- травяно- сфагновое сообщество (окрайка) 0-400 см — низинный торф (травяно-сфагновый, осоково-сфагновый, сфагновый. древесно-осоковый)
Источек, 0,16 га Щекинс-кий район, м/з Ясная Поляна водораздел (карстово- суффозион- ное понижение) эвтрофное березово- сфагновое сообщество 0-320 см — низинный торф (древесно-сфагновый, осоково-сфагновый, вахтовый, гипновый)
Большое Березовс- кое, 17 га Богородицкий район, д. Большая Березовка пойма р. Непрядва эвтрофное березово- тростниковое сообщество 0-230 см — низинный торф (травяной, тростниковый)
Кочки, 1,8 га Новомосковский район, д. Кочки пойма р. Марковка эвтрофное травяное сообщество 0-120 см — низинный торф (травяной, хвощовый, тростниковый)
Таблица 2
Среда Чапека и крахмало-аммиачный агар
Состав среды Чапека г/л дистиллированной воды Состав среды КАА* г/л дистиллированной воды
2 (NH4)2SO4 2
K2HPO4 1 K2HPO4 1
MgSO4 *7H2O 0,5 MgSO4*7H2O 1
т 0,5 1
FeSO4 0,01 (следы) CaCOз 3
сахароза 20 (NH4)2SO4 2
агар-агар 20 агар-агар 20
*Крахмал приливают к среде, предварительно растворив его в небольшом количестве воды.
гаторе УЗДН-1. Для окраски мицелия и спор грибов применяли калькофлуор белый, для учета клеток бактерий и актиномицетного мицелия — акридин оранжевый [4]. Число клеток микроорганизмов в 1 г торфа рассчитывали по формуле:
М = (4аН/р)1010,
где 4 — площадь квадрата, см2; а — среднее число клеток в поле зрения; р — площадь поля зрения, мкм2; Н — показатель разведения; 1010 — коэффициент при измерении площади мазка в мкм и пересчете на разведение, мл.
Расчёты прокариотной биомассы проводили, учитывая, что биомасса сухого вещества для одной бактериальной клетки объёмом 0,1 мкм3 составляет
2 х 10-14 г, 1 м актиномицетного мицелия диаметром 0,5 мкм — 3, 9 х 10-8 г. Эукариотную микробную биомассу вычисляли с учётом замеренного диаметра спор и мицелия грибов по формуле (для спор — 0, 836г3 х 10-12 г, для мицелия — 0, 628г2 х 10-6 г [5].
Результаты и обсуждение
Изучение показателей обилия микроорганизмов в торфяных отложениях разных типов болот позволило выявить ряд отличий между ними и выявить зависимость численности микроорганизмов от вида торфа и некоторых абиотических показателей.
Болото Клюква. Максимальная численность грибов (5-9 тыс. КОЕ/г торфа) была приурочена к поверхностным слоям торфяной залежи (табл. 3). С глубиной численность грибов убывала. В слоях 30-50, 190-200, 240-250 см она была на порядок меньше, чем в верхней толще. Такое распределение грибов по профилю связано с формированием в отдельных локусах анаэробных условий. Кроме того, следует помнить, что колонии на агаризованных средах вырастают на 90% из грибных спор [6], следовательно, мы имеем
208 Е.М. Волкова, А.В. Головченко, Н.В. Самощенкова, Е.Н. Музафаров
Таблица 3
Численность микроскопических грибов (103 КОЕ/г торфа) в торфяных залежах болот Тульской области
Глубина, см Название болота
Клюква Вару- шицы Озер- ный Источек Большое Березов- ское Коч- ки
0-10 Нет образца 7,1 3,5 Нет образца 27,8 24,1
10-20 5,4 8,4 3,0 0,4 18,1 20,9
20-30 9,5 6,9 5,2 0,1 38,7 38,7
30-40 0,4 3,6 1,5 0,3 3,4 14,8
40-50 0,5 3,0 1,5 0,4 3,0 19,3
50-60 * 3,4 _ _ — 30,6
60-70 — 2,7 _ _ —
90-100 3,2 0,4 _ 1,6
140-150 _ 1,2 0,4 1,9
190-200 0,2 2,3 0,2 0,9
220-230 _ _ _ 0,9
240-250 0,3 _ 0,3
250-260 4,5 _ _
290-300 5,0 0,09
340-350 _
390-400 0,07
* Численность в этом слое не определяли.
дело с численностью грибных спор, особенно если речь идет о глубоких слоях торфяной залежи. Однако, в придонном слое залежи (250-260 см) и на глубине 90-100 см была обнаружена высокая плотность грибов (сравнимая с таковой в верхних горизонтах), что свидетельствует о хорошей сохранности грибных спор в этих слоях, представленных древесно-травяным переходным торфом и низинным торфом, в котором содержание древесных остатков более 20%.
Болото Варушицы. Грибы были обнаружены по всему профилю этого мелкозалежного верхового болота. Высокие показатели численности (7-8 тыс. КОЕ/г торфа) были выявлены в верхней 30-см толще, также как и на предыдущем объекте исследования. Однако, в отличие от болота Клюква, с глубиной наблюдалось не резкое, а постепенное снижение их плотности (табл. 2). С одной стороны, такое распределение грибов по профилю может быть обусловлено более благоприятным водно-воздушным режимом в этом маломощном торфянике, с другой стороны — сменой типа торфа. Залежь
этого болота сложена до 30 см верховым торфом, а глубже — древесным (вначале — сосновым, затем — березовым) низинным торфом. При разложении древесных остатков, отличающихся более высоким содержанием грибов в покровных тканях и проводящей системе, могут формироваться торфа с высоким грибным пулом.
Болото Озерный. Анализируемые образцы были отобраны на окрайке болота, где торфяные отложения состоят из 2 частей: придонного слоя и перекрывающей его сплавины, что диагностирует особенности заболачивания этой части болота [7].
Образцы из верхних слоёв этого болота отличаются от образцов болот, проанализированных нами ранее, по ботаническому составу. Они сложены низинным торфом. Численность грибов в этих слоях в среднем в 2 раза ниже, чем в поверхностных слоях верхового торфа болот Варушицы и Клюква (табл. 2). В целом по профилю сохраняется тенденция снижения численности грибов. Кроме того, прослеживается влияние ботанического состава торфа на обилие грибов. Так, в слое 290-300 см, представленном низинным торфом с присутствием древесных остатков, обнаружена численность грибов (5 тыс. КОЕ/г торфа), сравнимая с таковой в верхних слоях, а в придонном травяном торфе, содержащем остатки гипновых мхов, была выявлена их минимальная плотность (0,07 тыс. КОЕ/г торфа). Это следует объянять тем, что растительные сообщества на ранних этапах заболачивания карстового провала характеризовались повышенным обводнением и низкой аэрацией, что могло оказать неблагоприятное влияние на развитие грибного сообщества в этот период.
Болото Источек. Прежде всего, обращают на себя внимание низкие показатели численности грибов в торфяной залежи этого болота. Они на один-два порядка меньше показателей, полученных для других болот. Возможно, низкое содержание грибов в торфяной залежи связано с особенностями её формирования. Исследуемое болото расположено на вершине водораздела, соответственно оно использует для своего питания атмосферные и поверхностные (делювиальные) воды. При этом поверхностные воды, богатые минеральными солями, принимают активное участие в питании болота только в весенний период. Большую часть лета и осень болото использует, в основном, атмосферные осадки. Такой тип питания способствует распространению сфагновых мхов в растительном покрове, объясняет низкую степень разложения торфа (в среднем, 15-18%) и активный вертикальный рост болота.
Динамика содержания грибов соответствует выявленной ранее тенденции: древесно-сфагновый торф характеризуется максимальными значениями (0,4 тыс. КОЕ/г торфа), гипновый — минимальными (0,09 тыс. КОЕ/г торфа). Травяные и травяно-сфагновые торфа занимают промежуточное положение (табл. 2).
Показатели обилия микроорганизмов для этой торфяной залежи были определены люминесцентно-микроскопическим методом. Выбор объекта исследования был обусловлен необходимостью проведения детального изуче-
ния микробного комплекса, поскольку численность грибов, полученная методом посева, оказалось крайне низкой. Образцы торфа для люминесцентного анализа отбирали с разных глубин в течение вегетационного сезона.
Как показали результаты годичного мониторинга, исследуемая залежь характеризовалась низкими показателями обилия: грибной и актиномицет-ный мицелий измерялся сотнями метров; численность грибных спор составляла десятки млн. спор/г, бактерий — десятки млрд. клеток/г торфа. Порядок величин, характеризующих плотность микроорганизмов в исследуемой залежи, был на порядок ниже аналогичных показателей для торфяников Томской и Тверской областей.
Вариабельность показателей обилия была выявлена по всему профилю залежи, однако амплитуда колебаний была выше и максимальные значения встречались чаще в верхней 50 см-толще (рис. 1, 2). С глубиной численность одних микроорганизмов резко убывала (грибной мицелий не обнаруживали глубже 50 см), обилие других было сравнимо с таковым в верхних горизонтах или плавно уменьшалось вниз по профилю (бактерии, актиномицетный мицелий, споры грибов). Сезонная динамика показателей обилия была выражена слабо.
Рис. 1. Численность бактерий ) по профилю торфяной залежи болота Источек (^ — млрд.клеток/г)
Запасы микробной биомассы варьировали в слое 0-50 см — от 88 до 205 г/м2, в толще 50-100 см — от 30 до 45 г/м2, на глубине 100-300 см - от 107 до 190 г/м2. Таким образом, амплитуда колебаний микробной биомассы была гораздо выше в верхней полуметровой толще, чем на глубине. Микробная биомасса в расчете на весь профиль была невысокой и варьировала по сезонам от 2 до 4 т/га.
Таким образом, торфяная залежь болота Источек характеризовалась низкими показателями обилия микроорганизмов, что было подтверждено двумя
Рис. 2. Численность грибных спор по профилю торфяной залежи болота
Источек — млн.спор/г)
методами — прямым люминесцентно-микроскопическим методом и методом посева.
Болото Большое Березовское. Болото является пойменным, однако питается не только аллювиальными, но и грунтовыми водами, бьющими из коренного берега. Высокая минерализация этих вод обуславливает эвтроф-ный характер растительности и свойства торфа [8].
В верхних слоях (0-30 см) выявлена максимальная численность микроскопических грибов. Следует также отметить, что среди всех изученных торфяных залежей, верхние горизонты пойменных болот отличаются наибольшими показателям обилия грибов. Они на 1-2 порядка выше, чем в торфах других болот. В слое 30-40 см содержание грибов уменьшалось на порядок, далее по профилю оно варьировало незначительно (табл. 2).
Болото Кочки. Помимо того, что данное болото является пойменным, оно мелкозалежное и осушено, что создаёт благоприятные условия для развития грибов. По всему профилю выявлены максимальные показатели их численности, причём с глубиной обилие грибов не падает резко, а сохраняется на высоком уровне (табл. 2).
Численность бактерий определяли в образцах торфа разных типов болот. В качестве модельных объектов были выбраны олиготрофное террасное болото (Варушицы), эвтрофная окрайка водораздельного болота (Озерный) и эвтрофное осушенное пойменное болото (Большое Березовское).
Максимальные значения численности бактерий, так же, как и грибных пропагул были приурочены к верхним слоям (0-30 см) торфяных залежей, независимо от их типа (табл. 4). Среди верхних горизонтов наибольший бактериальный титр был выявлен в низинном осушенном поименном болоте Большое Березовское. Далее по профилю верхового и низинного водораздельного болота прослеживалась тенденция плавного снижения численности бактерий, тогда как, в пойменном болоте чётких закономерностей в распре-
Таблица 4
Численность бактерий (103 КОЕ/г торфа) в торфяных залежах болот
Тульской области
Глубина, см Название болота
Варушицы Озерный Большое Березов- ское
0-10 610 1430 1853
10-20 515 1500 1061
20-30 423 710 1350
30-40 374 1280 125
40-50 201 905 779
50-100 190 510 686
100-150 865 999
150-200 557 171
200-250 416 767
250-300 426
300-350 165
350-400 55
делении бактерий по профилю обнаружить не удалось — резкие падения численности в одних слоях сменялись подъёмами в других. Не удалось выявить корреляции численности бактерий с ботаническим составом торфа.
Таким образом, анализ показателей обилия микроорганизмов в торфяных залежах разных типов болот Тульской области методом посева позволил выявить следующие закономерности:
• максимальные показатели численности микроорганизмов выявлены в верхней 30-см толще;
• с глубиной численность микроорганизмов убывает;
• высокое содержание микроорганизмов свойственно низинным торфяным залежам пойменных болот;
• численность микроорганизмов уменьшается при снижении трофности питающих болото вод.
Удалось установить зависимость показателей обилия микроскопических грибов от ботанического состава торфа: древесные виды торфа характеризовались максимальной численностью, гипновые — минимальной численностью. Другие виды торфов занимали промежуточное положение. Обилие грибов в них определял тип минерального питания болот и характер растительности.
Осушение низинных пойменных болот способствовало созданию благоприятных условий для жизнедеятельности микроорганизмов, что прояви-
лось в увеличении их численности. Если показатели обилия микроорганизмов возрастают, то ускоряется процесс разложения растительных остатков, что может привести к полной минерализации торфяных отложений. Подобный процесс был отмечен для многих мелкозалежных болот Богородицкого и Кимовского районов, что свидетельствует об отрицательном влиянии осушения на функционирование болотных экосистем.
Список литературы
1. Торфяные болота России: к анализу отраслевой информации (под ред. А.А. Сирина и Т.Ю. Минаевой). М., 2001. 190 с.
2. Боч М.С., Мазинг В.В. Экосистемы болот СССР. Л., 1979. 188 с.
3. Волкова Е.М. Особенности болотообразовательного процесса на северо-востоке Среднерусской возвышенности // Фундаментальные проблемы ботаники в начале XXI века: матер. XII съезда Русского ботанического общества и всероссийской конф. 22-27 сентября 2008 / Петрозаводск, 2008. C.49-51.
4. Методы почвенной микробиологии и биохимии (под ред. Д.Г. Звягинцева). М., 1991. 303 с.
5. Полянская Л.М. Микробная сукцессия в почве. Автореферат дис. ... д-ра биол. наук. М., 1991. 96 с.
6. Wainwright M. Origin of fungal colonies on dilution and soil plates determining using nonanoic acid // Trans. Brit. Soc. 1989. V.79, №1. P.178-179.
7. Волкова Е.М., Моисеева Е.В. О развитии сплавинных карстовых болот у пос. Озерный (Ленинский район, Тульская область) // Природа Тульской области: сб. науч. трудов. Тула, 2007. Вып. 1. C.106-114.
8. Волкова Е.М., Кубасова Т.С. Об изучении болотных экосистем Куликова поля // Куликово поле. Исторический ландшафт. Природа. История. Археология: матер. конф. / Тула, 2003. Т.1. C.58-64.
Волкова Елена Михайловна ([email protected]), к.б.н., доцент кафедры ботаники и технологии растениеводства, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого.
Головченко Алла Владимировна ([email protected]), к.б.н., старший научный сотрудник, кафедра биологии почв, Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова.
Самощенкова Наталья Викторовна, студент, кафедра биологии, Тульский государственный педагогический университет им. Л.Н. Толстого.
Музафаров Евгений Назибович ([email protected]), д.б.н., профессор, лаборатория ландшафтной экологии, Институт фундаментальных проблем биологии РАН, Пущино.
Microbiological characteristic of peats of Tula region
E.M. Volkova,A.V. Golovchenko, N.V. Samozhenkova, E.N. Muzafarov
Abstract. Researches of microbial complexes of different peats of Tula region were done. The results showed the differences in content of fungal and bacterial diaspors between different types and kinds of peat.
Keywords: mires, peat, fungal and bacterial diaspors, Tula region.
Volkova Elena ([email protected]), candidate of biological sciences, associate professor, department of botany and plant cultivation technology, Tolstoy Tula State Pedagogical University.
Golovchenko Alla ([email protected]), candidate of biological sciences, senior researcher, department of soil biology, Lomonosov Moscow State University.
Samozhenkova Natalia, student, department of biology, Tolstoy Tula State Pedagogical University.
Muzafarov Evgeny ([email protected]), doctor of biological sciences, professor, laboratory of landscape ecology, Institute of Basic Biological Problems of RAS, Pushchino.
Поступила 15.10.2009
