Почвоведение, 2019, № 10, стр. 1198-1202

ВВЕДЕНИЕ

Олиготрофные торфяники играют значимую роль в регуляции газового состава атмосферы, являясь с одной стороны мощным резервуаром органического углерода, а с другой – источником углеродсодержащих парниковых газов: CH₄ и CO₂. Токсичность фенольных соединений, содержащихся в сфагнуме, ингибирует деятельность многих гидролитических ферментов и является основной причиной медленной деструкции сфагнового торфа [2].

В то же время микроорганизмы фиксируют азот из атмосферы, осуществляют процессы нитрификации и денитрификации, тем самым микробные комплексы болот выполняют особую роль в глобальном круговороте углерода и азота в биосфере [6]. Микробная фиксация азота служит одним из главных путей поступления в болотные экосистемы азотных соединений, доступных для растений и микроорганизмов, и является одним из факторов, лимитирующим их рост. Такие экосистемы адаптированы к низким концентрациям доступного азота, свыше 80% ежегодно фиксированного азота остается внутри торфяников [10]. При этом основная масса азота переходит в нижележащие торфяные слои и там иммобилизуется. Потеря фиксированного азота в атмосферу происходит в верхних аэрированных слоях торфа, главным образом, в форме N₂O [12].

Существующие оценки нитрогеназной активности для сфагновых болот часто противоречивы. Полученные на основе ацетиленового и изотопного методов величины азотфиксирующей активности низки и не превышают 0.5–1.5 кг азота/(га год) [11]. В то же время есть сведения о высокой интенсивности азотфиксациии на осоковых участках верхового болота до 40–90 кг азота/га за вегетационный сезон [10]. По другим оценкам ежегодное количество фиксированного азота в верховых торфяных почвах составляет 0.7 кг азота/га. В низинных торфяниках эти показатели значительно больше, они варьируют от 5.3 до 21 кг азота/га [17]. Формирующиеся здесь сообщества диазотрофов немногочисленны, в их структуре преобладают анаэробные формы. Возможно, процесс азотфиксации обеспечивается другими формами диазотрофов. В частности, в нем могут принимать участие метанотрофные бактерии, использующие большие запасы метана [5].

В анаэробных условиях болот часто развиваются денитрифицирующие бактерии. Численность культивируемых денитрификаторов составляет около 10⁷ кл./г, в то время как плотность железовосстанавливающих бактерий и метаногенов значительно ниже – 10⁴–10⁵ кл./г почвы [15]. В грибной составляющей микробной биомассы по всему профилю залежи преобладают споры, в то время как мицелий был обнаружен лишь до глубины 175 см. Проведенный корреляционный анализ показал прямую зависимость количества грибного мицелия от содержания легкогидролизуемых веществ [7].

Денитрификация в почве регулируется температурой, влажностью, количеством углерода, реакцией среды. Наибольшее влияние на активность денитрификаторов в торфяных почвах оказывают температура и содержание нитратов. Причем низкие температуры ограничивают активность N₂О-редуктазы больше, чем других ферментов [1, 9].

Метан образуется в торфяной залежи в анаэробных условиях в ходе разложения органического вещества под действием анаэробов. Явитт с соавт. [18] обнаружили, что образование метана на глубине 30–40 cм происходит в основном через восстановление СО₂, и скорость процесса ограничена доступностью Н₂. Добавление глюкозы, Н₂ и СО₂ в торфяные почвы стимулировало образование метана, в то время как добавление ацетата ингибировало метаногенез.

Метан является высокоэнергетическим субстратом, который используется метанотрофами в качестве единственного источника углерода и энергии [16]. Эмиссия CH₄ может значимо регулировать азотфиксацию в качестве энергетического субстрата для азотфиксирующих метилотрофов, поскольку эти микроорганизмы в лесных и болотных экосистемах проявляют высокую активность на протяжении всего вегетационного периода [13].

Верховые болота с малой интенсивностью обменных процессов рассматриваются как наиболее мощный источник метана. Разнообразные болотные системы продуцируют метан в разных количествах: олиготрофные сосново-кустарничково-сфагновые – 0.04–0.91, мезотрофные крупнобугристые – 0.01–0.45, согры – 0.01–0.91 мгC/(м² ч). Интенсивность выделения метана на этих же болотах значительно меньше интенсивности выделения CO₂ [4].

В задачи исследования входило определение интенсивности дыхания олиготрофной торфяной почвы, активности азотфиксации и денитрификации, активности поглощения N₂O в процессе денитрификации, скорости окисления CH₄ микробным сообществом, а также изучение влияния метана на активность азотфиксации в олиготрофном торфянике.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Исследования интенсивности процессов биологической трансформации азота и углерода осуществляли в образцах, отобранных из олиготрофной торфяной почвы (Fibric Histosol) Центрально-лесного государственного природного биосферного заповедника Тверской области Нелидовского района. Отбор образцов производили на территории открытого грядово-мочажинного комплекса болотного массива “Старосельский мох”. Растительный покров типичен для верховых болот этой зоны: окрайки на пологих склонах формируются лесными сообществами Vacinio uliginosi-Pinetum sylvestris, первый ярус которых сформирован относительно высокими (до 20 м) деревьями сосны, а в нижних ярусах преобладают кустарнички. На плоских участках окраины формируются сообщества из Caricetum rostratae с разреженным древостоем сосны, реже березы или вовсе без древостоя.

Исследуемая почва относится к типу торфяные подтипу торфяные олиготрофные (ТО–ТТ), имеет олиготрофно-торфяный горизонт мощностью до 50 см, состоящий преимущественно из сфагновых мхов разной степени разложения. Олиготрофно-торфяный горизонт имеет светлую окраску, низкую (менее 6%) зольность и сильнокислую или кислую реакцию. В течение значительной части вегетационного периода насыщен водой. Торфяной горизонт сменяется органогенной породой, которая представляет собой торфяную толщу. Степень разложения обычно увеличивается с глубиной. Соответственно меняется цвет торфа – от желто-бурого до темно-бурого или коричневого. С глубиной происходит уменьшение биологической активности и изменяется водопроницаемость почвы.

Торфяная олиготрофная почва характеризуется кислой реакцией среды (величина pH 3.2–4.2), низкой зольностью (2.4–6.0% на сухое вещество), очень низкой плотностью твердой фазы (0.03–0.10 г/см³). Твердая фаза в торфяном горизонте составляет 0.14–0.65% объема почвы. Влагоемкость почв достигает 700–1500% влаги на сухое вещество. Емкость поглощения – 80–90 смоль(экв)/кг. Валовое содержание CaO, K₂O составляет от сотых до десятых долей процента. Валового азота содержатся довольно много, но из подвижных форм присутствует только аммоний.

При определении активности дыхания образцы (2 г), отобранные с глубины 10–15 см торфяной олиготрофной почвы, помещали в пятикратной повторности в пенициллиновые флаконы объемом 15 мл и инкубировали в термостате при 28°С в течение суток. Активность дыхания почв определяли по скорости накопления CO₂ в газовой фазе флаконов [3].

Для измерения актуальной азотфиксации в пенициллиновые флаконы с теми же образцами почвы (2 г) вводили ацетилен 1 см³ и, проинкубировав в тех же условиях, проводили измерения. Для измерения субстрат-индуцированной (потенциальной) азотфиксации в пенициллиновые флаконы добавляли раствор глюкозы из расчета 2.5 мг глюкозы/г почвы.

Для измерения интенсивности поглощения CH₄ в пенициллиновые флаконы с образцами почвы (2 г) в трехкратной повторности вводили по 1 см³ CH₄. Для измерения интенсивности поглощения N₂O в газовую фазу вводили шприцем 0.5 мл N₂O в качестве конечного акцептора электронов.

Для измерения субстрат-индуцированной (потенциальной) активности денитрификации в пенициллиновые флаконы с образцами почвы (2 г) вносили раствор глюкозы (2.5 мг/г) и нитрата калия (0.4 мг/г) в пятикратной повторности, затем флаконы герметично закрывали. Условия пониженной концентрации кислорода, необходимые для процесса денитрификации, создавали путем добавления воды до полного погружения исследуемых образцов очеса, с последующим вытеснением воздуха потоком аргона. Инкубацию проводили при 28°С в течение 24 ч. Затем из газовой фазы каждого флакона шприцем отбирали пробы воздуха объемом 0.5 мл. В отобранных газовых пробах измеряли концентрацию N₂O на газовом хроматографе с детектором по теплопроводности [8].

Концентрацию CO₂ и N₂O определяли на хроматографе Московского опытного завода “Хроматограф”, модель 3700/4, с детектором по теплопроводности (катарометром) на колонке с адсорбентом Полисорб-1 из нержавеющей стали внутренним диаметром 2.0 мм и длиной 3.2 м. В качестве газа-носителя служил гелий, поступающий со скоростью 30 мл/мин. Температура детектора составляла 100°С, ток измерительных элементов 148 мА. Температура термостата 30°С, температура камеры впрыска 40°С.

Активность азотфиксации определяли методом ацетилен-редукции [3]. Скорость накопления этилена исследовали на хроматографе Chrom-41 с пламенно-ионизационным детектором. Длина колонки – 2.2 м, наполнитель –Spherosil, температура термостата 30°С, газ-носитель – аргон, расход газа-носителя – 30 мл/мин, водорода – 20 мл/мин, кислорода – 10 мл/мин. Объем анализируемой пробы – 0.5 см³.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Определение активности азотфиксации показало протекание процесса, но с крайне низкой скоростью. Активность азотфиксации не превышала 0.15 нм C₂H₄/(г сут) (рис. 1).

Рис. 1.

Определение активности актуальной, потенциальной и азотфиксации в присутствии метана в олиготрофной торфяной почве.

Оценка активности азотфиксации после добавления глюкозы свидетельствует о возрастании активности процесса и его зависимости от недостатка легкодоступного органического вещества в олиготрофной торфяной почве. Полученные данные свидетельствуют о высоком потенциале азотфиксации, подавленной отсутствием энергетического источника для деятельности диазотрофных бактерий.

В олиготрофных болотах в качестве доступного углерода азотфиксирующие бактерии могут использовать метан. Оценка нитрогеназной активности в присутствии метана показала рост нитрогеназной активности до 3.6 нмоль C₂H₄/(г сут), что связано с присутствием метанотрофных бактерий, формирующих метановый фильтр [14]. По мнению Клевенской [5], процесс азотфиксации в данном случае обеспечивается именно этими микроорганизмами, использующими большие запасы метана, которые образуются в процессе метаногенеза в торфяной залежи.

Определение активности денитрификации по интенсивности эмиссии N₂O показало протекание процесса на низком уровне (в среднем 0.17 мкмоль N₂O/(г сут)) (рис. 2). Это объясняется тем, что активность денитрифицирующих бактерий определяется не столько концентрацией нитратов, которые всегда в определенном количестве присутствуют в почве, а, прежде всего, лимитируется наличием легкодоступного энергетического материала (например, в виде корневых выделений) [9]. С другой стороны, введение в газовую фазу N₂O сопровождалось ее быстрым исчерпанием. В отобранных образцах поглощение N₂O составило от 10.9 до 7.8 мкмоль N₂O/(г сут) в зависимости от срока измерения. Это позволяет предположить интенсивное поглощение N₂O олиготрофными болотами и рассматривать эти экосистемы как природный сток для N₂O в окружающей среде.

Рис. 2.

Посуточное поглощение N₂O и определение активности денитрификации в олиготрофной торфяной почве.

Определение активности азотфиксации также свидетельствует о снижении нитрогеназной активности с глубиной (рис. 3), что может указывать на значимую роль фототрофных диазатрофов (цианобактерий) в верховом олиготрофном болоте, при этом активность после добавлении глюкозы резко возрастала, особенно в образцах из более глубоких горизонтов сфагнума, что подтверждает выдвинутую нами гипотезу о вкладе фототрофных диазатрофов в процесс азотфиксации в верхних горизонтах олиготрофного болота.

Рис. 3.

Определение активности азотфиксации в зависимости от глубины отбора проб.

Определение интенсивности выделения углекислого газа из образцов, взятых с глубины (0, 5–10 и 15–20 см), показало, что дыхание олиготрофной торфяной почвы в зависимости от глубины отбора проб заметно уменьшалось от 26.7 на поверхности до 13.1 мкмоль СO₂/(г сут)на глубине 15 см (рис. 4).

Рис. 4.

Выделение CO₂ из олиготрофной торфяной почвы в зависимости от глубины отбора проб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Активность азотфиксации протекает в олиготрофной торфяной почве с низкой скоростью (не превышает 0.15 нмоль C₂H₄/(г сут)). Добавление глюкозы значительно стимулирует активность процесса, что свидетельствует о высоком потенциале азотфиксации, подавленной отсутствием энергетического источника для деятельности диазотрофных бактерий.

Обнаружена высокая интенсивность окисления метана в олиготрофной торфяной почве. Сделано предположение о том, что метан в этих условиях может быть использован диазотрофными бактериями в качестве энергетического источника. Определение активности азотфиксации олиготрофной торфяной почвы в присутствии метана показало резкий рост нитрогеназной активности. Важно отметить, что в присутствии метана нитрогеназная активность была больше, даже по сравнению с вариантом с глюкозой.

Установлено преимущественное поглощение закиси азота верхним горизонтом олиготрофного торфяника, что позволяет рассматривать эти экосистемы как природный сток для N₂O.