Исследователь Исследователь

Исследователь
  
новости  |  о проекте  |  карта сайта  |  форум  |  подписка на новости
Разделы сайта

Другие материалы
ПРАКТИКА
Версия для печати

Роль нематод в разложении органического вещества в почве.


Автор: Титова Надежда
Научный руководитель: Бызов Борис Алескеевич

Введение.

Разложение и минерализация органического вещества — важнейшие процессы в экосистемах. В результате этих процессов осуществляется биологический круговорот углерода и биогенных элементов. Разложение осуществляет сложный комплекс организмов - микроорганизмов и беспозвоночных животных, образующие сложные пищевые сети.

В почвенном органическом веществе преобладают полимерные соединения (целлюлоза, лигнин, гумусовые соединения), разложение которых могут осуществлять только микроорганизмы. Почвенные беспозвоночные, напротив, не способны к минерализации растительных полимеров. Считается, что их роль состоит в регулировании состава и активности микробных сообществ в почве.

Регулирование микробной активности животными связано с их питанием. Основным ресурсом питания животных являются микроорганизмы.

Нематоды — одни из наиболее активных участников процессов разложения в почве. Их по праву считают господствующей группой среди многоклеточных почвенных беспозвоночных. Биомасса их в культурных почвах достигает 5 г/м². Нематоды составляют 2% от общей зоомассы в почве, и 90—99% от общей численности беспозвоночных. Однако, до сих пор количественные оценки степени участия нематод в разложении малочисленны.

В настоящей работе мы проводили оценку участия нематод в минерализации органического вещества и зависимости скорости минерализации от численности нематод. Мы пронаблюдали динамику дыхательной активности почвы при разложении крахмала как модельного субстрата в почве, простерилизованной от нематод, и в почве с разной плотностью естественного комплекса нематод.

Обзор литературы

Разложение растительных остатков в почве

Основная масса ежегодно поступающего в почву органического вещества заключена в отмирающих остатках и прижизненных выделениях высших растений. Биомасса животных и микроорганизмов составляет незначительную долю от общей массы растительного происхождения (не более 10%). Размеры ежегодного опада растительной массы выражаются величинами от 20?109 до 50?109т.

Основная масса растительного опада накапливается на поверхности почвы. Из этого материала в лесных экосистемах формируется подстилка, под травянистыми формациями — ветошь и степной войлок.

Превращение опада в подстилку осуществляется сложным комплексом организмов, включая и представителей почвенной фауны. Характер разложения и его скорость определяются тремя главными факторами: составом растительного материала, водно-термическим режимом и комплексом организмов — разлагателей. В процессе разложения одна часть веществ полностью минерализируется, другая — консервируется, третья — включается в гумус. При этом синтезируется живая биомасса обитателей подстилки, живущих сапротрофно за счет разлагаемого мертвого органического субстрата; 85% и более выделяющегося при разложении диоксида углерода приходится на долю микроорганизмов, на долю животных — приходится менее 10%.

Почвенные нематоды и их экологические функции

Нематоды и их среда обитания.

Нематоды (Nematoda) — круглые черви наиболее разнообразны и многочисленны из всех многоклеточных животных, живущих в почве. Их по праву считают господствующей группой среди многоклеточных почвенных беспозвоночных. Размеры свободноживущих нематод от 0,05 до 5 мм. Биомасса их в культурных почвах достигает 5 г/м². Нематоды составляют 2% от общей зоомассы в почве, и 90—99% от общей численности беспозвоночных. Их плотность измеряется миллионами на 1м² и сильно варьирует в разных ландшафтах (Стриганова, 1980).

Нематоды — водные организмы и нуждаются, по крайней мере, в пленочной воде, по которой двигаются. Нематоды двигаются между частицами синусоидальным способом. Очевидно, что их движение в почве зависит от структуры, аэрации и влажности почвы (Зунке, Перри, 1998).

Почвенные нематоды распространены во всех зонах земного шара — от жарких до полярных пустынь. Они способны переносить длительное воздействие неблагоприятных условий в неактивном состоянии, отличаются короткими циклами развития и могут быстро «накапливаться» в очагах разложения растительных остатков.

Класс нематод в целом характеризуется признаками биологического прогресса: численность их постоянно возрастает, происходит захват новых сред обитания и увеличивается многообразие форм. Предполагают, что число видов нематод достигает миллиона (Бабьева, Зенова, 1989).

Свободноживущие почвенные нематоды менее чем, например, клещи или коллемболы участвуют в непосредственном разрушении растительных остатков. Но благодаря тому, что они потребляют в пищу микробную биомассу с высоким содержанием белка, их выделения богаты азота. Поэтому значение почвенных нематод следует, по-видимому, оценивать и с позиций их влияния на баланс азота в почве (Бабьева, Зенова, 1989).

Классификация нематод.

В настоящее время имеется несколько трофических классификаций нематод:

  • по признаку механического состава пищи. Это была первая классификация создана О. Нильсеном, разделившим трофические группировки: 1) потребители жидкой пищи с вооружением ротовой полости в виде копья или стилета; 2) потребители мелких частиц, взвешенных в воде, — бактерий и одноклеточных водорослей, с невооруженной ротовой полостью; 3) потребители крупных организмов — простейших, нематод, коловраток. Это хищники с зубчиками и перетирающими пластинками в ротовой полости; 4) нематоды с неопределенной пищевой избирательностью (цит. по Стригановой, 1980).
  • по особенностям питания. Yeates et al. Выделяют восемь трофических групп нематод: (1) растительноядные, (2) питающиеся гифами грибов, (3) бактериядные, (4) поглотители твердых частиц, (5) хищные по отношению к животным, (6) потребители одноклеточных эукариотов, (7) распространяющие инфекционные стадии паразитов и (8) всеядные.
  • по характеру строения и функционирования их ротовой полости, по способу приема пищи. Среди нематод выделяют по типу питания колющие, сосущие, кусающие, глотающие, схватывающие и скребущие формы (Зунке, Перри, 1998).

Период переваривания пищи у них составляет всего 3 мин. Учет количества потребляемой пищи очень сложен. Одни формы прокалывают стенки грибных гиф и внедряются стилетом внутрь в течение нескольких секунд, другие высасывают одну гифу за 1—1,5ч (Стриганова, 1980).

По некоторым оценкам нематоды съедают в почве огромную массу микроорганизмов. Например, в луговых почвах Дании они утилизируют до 800 кг/га микробиальной массы в год (Nielsen, 1961; цит. по Стриганова, 1980).

Роль взаимодействий между микроорганизмами и беспозвоночными в процессе разложения органического вещества

Участие почвенных беспозвоночных в разложении органического вещества может быть прямым и косвенным. Под прямым участием подразумевают механическое и химическое разрушение живого или мертвого органического вещества, которое происходит в процессах питания животных.

В почвенном органическом веществе преобладают полимерные соединения (целлюлоза, лигнин, гумусовые соединения) к перевариванию которых большинство животных не способны, поскольку не образуют сами специальных ферментов (исключение составляют термиты и некоторые растительноядные животные). Поэтому прямой вклад беспозвоночных в минерализацию почвенного органического вещества незначителен. Он оценивается не более чем в 1—10% от общего уровня. Функцию химического разложения выполняют в почве микроорганизмы: грибы и бактерии, населяющие почву, подстилку и пищеварительный тракт беспозвоночных. Участие беспозвоночных в механическом разрушении растительных остатков, наоборот, очень велико. Только они в почве способны измельчать растительный опад и перемешивать его с почвой.

Косвенное участие беспозвоночных в разложении состоит в регулировании состава и активности почвенных микроорганизмов — главных разлагателей органического вещества (Андерсон, Инесон, 1987).

Регулирование микробной активности животными связано с их трофической деятельностью, т. е. с питанием. В почве беспозвоночные занимают следующий за микробами уровень в пищевых цепях, поэтому, в соответствии с правилом экологической пирамиды, на построение их тела и покрытия энергетических потребностей может быть использовано не более 10% массы микроорганизмов. Так, одна бактериядная нематода нуждается в массе бактерий, в 2—3 раза превышающей массу ее тела, однако, в почве общая масса бактерий в сотни и иногда в тысячи раз превышает массу нематод (Зунке, Перри, 1998). Таким образом, в почве животные нуждаются в небольшой доле общего количества микроорганизмов для роста и развития.

Накопилось достаточно доказательств того, что в процессах питания почвенные животные в значительной степени определяют скорость протекания процессов, осуществляемых микроорганизмами. Показано, что в присутствии фауны увеличивается содержание форм питательных элементов, доступных растениям, скорость минерализации труднодоступных субстратов, увеличивается продукция растений; беспозвоночные влияют на интенсивность дыхания и рост микроорганизмов в подстилке и в почве. Существуют две точки зрения, объясняющие эти эффекты. Согласно одной беспозвоночные активизируют микробный комплекс, потребляя часть микробной биомассы и высвобождая в почву за счет экскреции связанные в биомассе питательные элементы. Согласно другой точке зрения беспозвоночные могут влиять на физиологическое состояние почвенных микроорганизмов (цит. по Мамилов и др. в печати). Проявление обоих механизмов возможно, однако не ясны условия, в которых они реализуются.

Цель:оценка участия свободноживущих нематод в процессе минерализации органического вещества (на примере крахмала).

Задачи:

отработка способа дефаунирования почвы для моделирования взаимодействия нематод с микроорганизмами;

определение численности нематод в динамике;

сравнение интенсивности минерализации крахмала в дефаунированной почве и почве, содержащей разное количество нематод.

Объекты и метроды их исследования.

Объекты исследования

Почва

Использовали дерново-подзолистую под лиственным лесом (береза, липа) на территории Почвенного стационара факультета почвоведения МГУ им. М. В. Ломоносова. Образцы отбирали из гумусированного горизонта (А1) в конце октября 1999 г. Перед анализами почву освобождали от корней и просеивали через сито с диаметром ячеек 5 мм. Почву хранили при естественной влажности при 120 С.

Нематоды

Использовали естественный комплекс нематод дерново-подзолистой почвы.

Методы исследования

Дефаунирование почвы

Для стерилизации почвы от нематод почву с естественной влажностью прогревали дважды в течение 5 час при 550 с перерывом 2 недели. При этом полагали, что в промежутке между обработками развиваются нематоды, выжившие при первом прогреве.

Разведение нематод в почве

Для разведения нематод в 500 г почвы вносили люцерновую муку (2% по весу) и инкубировали 1 месяц при комнатной температуре. Нематод экстрагировали, объединяли в один объем и определяли их число. Этих нематод затем заселяли в дефаунированную почву.

Определение численности нематод

Нематод экстрагировали по методу Бермана. В экстрактах под световым микроскопом JENAVAL при увеличении 32 Х учитывали численность нематод.

Определение интенсивности дыхания почвы

Интенсивность дыхания определяли по скорости выделения СО2 из почвы. Определение количества СО2 проводили на газовом хроматографе ЛХМ-80 (Мамилов, 1999). Для расчета использовали формулу:

A = K * L * S * V * 2 / (m * t), где
K — 0,18
L — длина пика (см)
S — чувствительность
V — объем газовой фазы во флаконе
M — масса почвы
t — время
А (мкг С-СО2/г/время)

Изучение влияния численности нематод на интенсивность дыхания при разложении крахмала (постановка эксперимента)

Эксперимент проводили в лабораторных микрокосмах. В пеницилиновые флаконы вносили по 5 г дефаунированной почвы и доводили влажность до 26%. В каждый флакон добавляли крахмал (2% по весу), 1 мл воды и инкубировали 1 неделю. Ранее было показано, что к этому моменту интенсивность дыхания достигала максимального уровня (Мамилов и др., в печати). Затем почву заселяли естественным комплексом нематод на разных уровнях численности из расчета 60, 100, 120, 400 и 600 особей/10 г почвы. Нематод вносили в виде водной взвеси в 300 мкл водопроводной воды. Контролем служил вариант без нематод. Флаконы инкубировали при комнатной температуре. Периодически флаконы закрывали резиновыми пробками, инкубировали в течение суток и интенсивность дыхания определяли 11 раз в течение 2,5 месяцев (рис. 1).

В течение опыта во всех вариантах трижды определяли численность нематод.

Статистическая обработка результатов

Эксперимент проводили в 5-тикратной повторности. Численность нематод определяли в 2—3-х кратной повторности. Результаты обрабатывали методом 2-хфакторного дисперсионного анализа с использованием программы STATISTICA 511. Обработку проводил старший научный сотрудник лаборатории почвенных дрожжей кафедра биологии почв факультета почвоведения Иван Юрьевич Чернов.

Результаты и обсуждения.

Динамика численности нематод

Численность нематод в почве в момент отбора составляла 362 ? 1 особей/10 г. Это послужило основой для выбора интервала экспериментальных концентраций нематод (60—600 особей/10 г).

В контрольном варианте численность нематод возросла незначительно за весь срок эксперимента: до 1—26 особей/10 г, что свидетельствует о достаточно высокой эффективности выбранного способа дефаунирования. Во всех вариантах с внесением нематод не зависимо от начального уровня численность возрастала в интервале от 6 до 48 суток в десятки раз и стабилизировалась на 70-есутки на уровне 783 — 1685 особей/10 г, что, по-видимому, является пределом плотности для популяций свободноживущих нематод.

Вариант Время, сутки от момента внесения
6 48 70
Контроль 0 1 11 ? 11 (1—26) мелкие
60 особей/10 г 29 1157 ? 226 1685 ? 572 мелкие
100 особей/10 г 35 ? 2 1631 ? 38  783 ? 206 мелкие
120 особей/10 г 156 1353 ? 320  1055 ? 81 мелкие
400 особей/10 г - - 1427 ? 94 крупные
600 особей/10 г 55 994 1608 ?775 мелкие
Таблица. Динамика численности нематод в почве
Влияние нематод на интенсивность дыхания

На рис. 1 приведены кривые интенсивности дыхания при разложении крахмала в присутствии нематод и без них. Кривые построены методом скользящей средней, т. е. по средним значениям. На первые сутки после внесения нематод дыхательная активность в почве с нематодами сильно отличается от контроля — до 20%. На десятые сутки разность уменьшается до 10—16%. Правда на двадцатые сутки, мы видим сильное отличие. Почти во всех вариантах с нематодами интенсивность дыхания была на 50% выше контроля, но один вариант (400 особей/10 г) стал выбиваться и отличался от контрольного на 70%. На тридцатые сутки отличие почти всех вариантов от контрольного увеличивалось до 75%, а отличие варианта 400 особей/10 г увеличивалось до 125%. На 40-есутки отличие сильно не изменилось и колебалось в этих же пределах. На 50-есутки после увлажнения во всех вариантах активность дыхания повышалась, но разрыв сокращался до 33%, а в варианте с 400 особей/10 г была на 100% выше контроля. Затем эта разница возрастала. Методом дисперсионного анализа рассчитана достоверность различий между вариантами (рис.2). Показано, что по всем срокам опытные варианты достоверно выше от контроля. Причем максимальная достоверность (уровень значимости различий P<0,001) отмечена для варианта 400 особей/10 г.

Регулирующая роль нематод в разложении органического вещества в почве

В присутствии нематод скорость минерализации крахмала возрастала на 10—100%. Нематоды не способны поглощать крахмал, поскольку размеры крахмальных зерен значительно превосходят диаметр просвета кишечника нематод. По некоторым оценкам размеры зрен крахмала варьируют в пределах от 20 до 200 и более микрон, тогда как просвет кишечника бактериоядной нематоды составляет 10—20 мкм (Бызов, персональное сообщение). Таким образом, ускорение минерализации крахмала в присутствии нематод нельзя объяснить прямым участием их в процессе разложения.

Участие нематод в разложении органического вещества косвенное. Оно состоит в регулировании активности микроорганизмов. Об этом говорит возрастание на 20% интенсивности дыхания уже на 1-есутки после внесения нематод. Разница в интенсивности минерализации в присутствии нематод сохранялась на протяжении более 2-хмесяцев. Максимальной она была в варианте с внесением 400 особей/10 г и достигала в отдельные сроки более 100%.

Результаты нашей работы подтверждают предложенную ранее гипотезу о влиянии нематод на физиологическую активность микроорганизмов (Мамилов и др., 2000, в печати). По-видимому, существует некоторая оптимальная плотность популяций нематод, при которой это влияние максимально.

Выводы

Предложен способ термического дефаунирования почвы (стерилизация) от нематод, позволяющий проводить модельные эксперименты по изучению роли нематод в разложении органического вещества.

Скорость разложения возрастает на 10—100% в присутствии нематод. Степень ускорения разложения зависит от количества нематод. Существует оптимум численности нематод в почве, при котором наблюдается максимальное ускорение микробной минерализации.

Роль нематод в разложении органического вещества (крахмала) в почве состоит в регулировании активности микроорганизмов. Доказательством этого служит ускорение минерализации крахмала на 20% на 1-есутки после внесения нематод и неспособность нематод поглощать из-занесоответствия размеров зерен крахмала диаметру кишечника нематод.

Список литературы.

  1. Андерсон Дж., Инесон П. Взаимоотношения почвенных членистоногих и микробного населения в процессах поступления углерода, азота и минеральных веществ из разлагающегося листового опада. В кн.: Почвенная фауна Северной Европы, 1987, Москва, Наука, 18—33.
  2. Бабьева И. П., Зенова Г. М. Биология почв. М,1989, 336 с..
  3. Зунке У., Перри Р. Нематоды: полезные и вредные. 1998. (русский перевод, в кн.: Soil fauna and ecosystem processes).
  4. Количественные методы почвенной зоологии. 1987, M, Наука, 332 с.
  5. Мамилов А. Ш. Влияние микрофауны на продукцию и групповой состав комплекса почвенных микроорганизмов. автореф. Дисс. Канд. Биол. Наук. М, 1999, 25 с.
  6. Мамилов А. Ш., Бызов Б. А., Покаржевский А. Д., Звягинцев Д. Г. Регуляция микрофауной микробной биомассы и активности микроорганизмов в почве. Микробиология, 2000, в печати.
  7. Советский энциклопедический словарь. Ред. М. С. Гиляров и др. 1983. М. «Советская энциклопедия»
  8. Стриганова Б. Р. Питание почвенных сапрофагов. 1980, М, Наука, 242 с.

Приложение


Рисунок 1. Влияние комплекса нематод на динамику интенсивности дыхания при разложении крахмала. Кривые получены методом сглаживания скользящей средней (n=5; p<0,001 — 400 ос./10 г; p>0,05 — остальные варианты).

Рисунок 2. Сравнение средних значений интенсивности дыхания контрольного и опытных вариантов

Достоверность различий между контролем и вариантом с внесением 400 нематод: p<0.001; достоверность различий между контролем и всеми остальными вариантами: p<0.05; достоверность различий между контролем и всеми вариантами кроме варианта с внесением 400 особей: p >0.0

на первую страницу | наверх

© 2002-2011 Разработка сервера: Межвузовский "Физтех-центр". Администратор сайта : admin@researcher.ru
При создании сервера использованы АРП-технологии.

Arp.site