Оценка микробного пула углерода в черноземе и дерново-подзолистой почве разных типов сельскохозяйственного землепользования методом люминесцентной микроскопии

Углерод микробной биомассы (С_мик) является биологически активным пулом почвенного органического вещества и чувствительным индикатором, реагирующим на изменения в землепользовании гораздо раньше, чем содержание общего органического углерода и других пулов в его составе. Метод люминесцентной микроскопии позволяет оценивать не только общее содержание С_мик, но и определять структуру микробной биомассы: количество спор и длину мицелия грибов, а также количество бактериальных клеток и гиф актиномицетов. Целью исследования было оценить структуру микробного пула углерода в профилях чернозема типичного и дерново-подзолистой почвы в зависимости от типа сельскохозяйственного землепользования (сенокос, залежь, пашня, пастбище) методом люминесцентной микроскопии. Микробный пул углерода в поверхностном слое дерново-подзолистой почвы составлял от 258 до 446 мкг/г почвы в зависимости от типа землепользования, в черноземе – 387 мкг/г для почвы залежи и 161 мкг/г для почвы пашни. До глубины 30 см С_мик в черноземе залежи был в 1.5–3 раза выше по сравнению с пашней. В более глубоких горизонтах различия между разными землепользованиями становились менее явными, но сохранялись для ряда микробиологических показателей. В микробном пуле углерода обеих почв полностью преобладал (97–99%) грибной компонент, представленный преимущественно мицелием. Длина мицелия грибов в дерново-подзолистой почве и черноземе уменьшалась с глубиной на порядок от сотен м/г к десяткам м/г почвы. Большая часть показателей структуры микробного пула углерода (численность грибов, длина мицелия грибов и актиномицетов, биомасса прокариот) были выше в черноземе залежи по сравнению с пашней, однако эти закономерности не наблюдались для дерново-подзолистой почвы. Биомасса и доля прокариот, а также длина мицелия были отмечены как показатели структуры микробного пула углерода, определяемые методом люминесцентной микроскопии, которые ассоциировались с разными типами землепользования для обоих типов почв. Очень высокие значения соотношений грибы/бактерии, вероятно, обусловлены недоучетом биомассы бактериальных клеток используемым методом. Несмотря на выявленные ограничения метода, люминесцентная микроскопия может быть использована в качестве дополнения к более точным методам оценки микробного пула углерода, позволяя определить размеры и структуру грибной биомассы в почвах разных типов сельскохозяйственного землепользования.

1. Ананьева Н.Д., Полянская Л.М., Стольникова Е В., Звягинцев Д.Г. Соотношение биомассы грибов и бактерий в профиле лесных почв // Известия Российской академии наук. Серия биологическая. 2010. № 3. С. 308–317.

2. Благодатская Е.В., Семенов М.В., Якушев А.В. Активность и биомасса почвенных микроорганизмов в изменяющихся условиях окружающей среды. М.: Товарищество научных изданий КМК, 2016.

3. Булышева А.М., Хохлова О.С., Бакунович Н.О., Русаков А.В., Мякшина Т.Н., Рюмин А.Г. Изменение карбонатного состояния черноземов Приазовья при переходе их из пашни в залежь // Почвоведение. 2020. № 8. С. 1025–1038. DOI: https://doi.org/10.31857/S0032180X2008002X.

4. Добровольская Т.Г., Звягинцев Д.Г., Чернов И.Ю., Головченко А.В., Зенова Г.М., Лысак Л.В., Манучарова Н.А., Марфенина О.Е., Полянская Л.М., Степанов А.Л., Умаров М.М. Роль микроорганизмов в экологических функциях почв // Почвоведение. 2015. № 9. С. 1087–1087. DOI: https://doi.org/10.7868/S0032180X15090038.

5. Звягинцев Д.Г. Методы почвенной микробиологии и биохимии. М.: Изд-во МГУ, 1991. 304 с.

6. Курганова И.Н., Ермолаев А.М., Кузяков Я.В. Изменение пулов органического углерода при самовосстановлении пахотных черноземов // Агрохимия. 2009. № 5. С. 5–12.

7. Лебедева Т.Н., Соколов Д.А., Семенов М.В., Зинякова Н.Б., Удальцов С.Н., Семенов В.М. Распределение органического углерода между структурными и процессными пулами в серой лесной почве разного землепользования // Бюллетень Почвенного института имени В.В. Докучаева. 2024. Вып. 118. С. 79–127. DOI: https://doi.org/10.19047/0136-1694-2024-118-79-127.

8. Манучарова Н.А., Белова Э.В., Воробьев А.В., Полянская Л.М., Степанов А.Л. Сукцессия хитинолитических микроорганизмов в черноземе // Микробиология. 2005. № 5. С. 693–698.

9. Никитин Д.А., Чернов Т.И., Тхакахова А.К., Семенов М.В., Бгажба Н.А., Железова А.Д., Марфенина О.Е., Кутовая О.В. Влияние низких температур на структуру микробной биомассы в почвенных образцах при их хранении // Бюллетень Почвенного института им. В.В. Докучаева. 2017. Вып. 89. С. 36–53. DOI: https://doi.org/10.19047/0136-1694-2017-89-36-53.

10. Никитин Д.А., Чернов Т.И., Железова А.Д., Тхакахова А.К., Никитина С.А., Семенов М.В., Ксенофонтова Н.А., Кутовая О.В. Сезонная динамика биомассы микроорганизмов в дерново-подзолистой почве // Почвоведение. 2019. № 11. С. 1356–1364. DOI: https://doi.org/10.1134/S0032180X19110078.

11. Никитин Д.А., Семенов М.В., Чернов Т.И., Ксенофонтова Н.А., Железова А.Д., Иванова Е.А., Хитров Н.Б., Степанов А.Л. Микробиологические индикаторы экологических функций почв (обзор) // Почвоведение. 2022. № 2. С. 228–243. DOI: https://doi.org/10.31857/S0032180X22020095.

12. Никитин Д.А., Семенов М.В., Ксенофонтова Н.А., Тхакахова А.К., Русакова И.В., Лукин С.М. Влияние внесения соломы на состояние микробиома дерново-подзолистой почвы // Почвоведение. 2023. № 5. С. 640–653. DOI: https://doi.org/10.31857/S0032180X22601189.

13. Полянская Л.М., Звягинцев Д.Г. Содержание и структура микробной биомассы как показатели экологического состояния почв // Почвоведение. 2005. № 6. С. 706–714.

14. Полянская Л.М., Суханова Н.И., Чакмазян К.В., Звягинцев Д.Г. Особенности изменения структуры микробной биомассы почв в условиях залежи // Почвоведение. 2012. № 7. С. 792–792.

15. Полянская Л.М., Пинчук И.П., Степанов А.Л. Сравнительный анализ методов люминесцентной микроскопии и каскадной фильтрации для оценки численности и биомассы бактерий в почве: роль разведения почвенной суспензии // Почвоведение. 2017. № 10. С. 1216–1219. DOI: https://doi.org/10.7868/S0032180X16100117.

16. Полянская Л.М., Юмаков Д.Д., Тюгай З.Н., Степанов А.Л. Соотношение грибов и бактерий в темногумусовой лесной почве // Почвоведение. 2020. № 9. С. 1094–1099. DOI: https://doi.org/10.31857/S0032180X20090129.

17. Семенов В.М., Иванникова Л.А., Кузнецова Т.В., Семенова Н.А., Тулина А.С. Минерализуемость органического вещества и углерод-секвестрирующая емкость почв зонального ряда // Почвоведение. 2008. № 7. С. 819–832.

18. Семенов М.В., Стольникова Е.В., Ананьева Н.Д., Иващенко К.В. Структура микробного сообщества почвы катены правобережья р. Оки // Изв. РАН. Сер. Биол. 2013. № 3. С. 299–308.

19. Семенов В.М., Когут Б.М. Почвенное органическое вещество. М.: ГЕОС, 2015. 233 с.

20. Семенов М.В., Манучарова Н.А., Степанов А.Л. Распределение метаболически активных представителей прокариот (архей и бактерий) по профилям чернозема и бурой полупустынной почвы // Почвоведение. 2016. № 2. С. 239–248. DOI: https://doi.org/10.7868/S0032180X16020106.

21. Семенов В.М., Когут Б.М., Зинякова Н.Б., Масютенко Н.П., Малюкова Л.С., Лебедева Т.Н., Тулина А.С. Биологически активное органическое вещество в почвах европейской части России // Почвоведение. 2018. № 4. С. 457–472. DOI: https://doi.org/10.7868/S0032180X1804007X.

22. Семенов М.В., Манучарова Н.А., Краснов Г.С., Никитин Д.А., Степанов А.Л. Биомасса и таксономическая структура микробных сообществ в почвах правобережья р. Оки // Почвоведение. 2019. № 8. С. 974–985. DOI: https://doi.org/10.1134/S0032180X19080124.

23. Семенов В.М. Функции углерода в минерализационно-иммобилизационном обороте азота в почве // Агрохимия. 2020. № 6. С. 78–96. DOI: https://doi.org/10.31857/S0002188120060101.

24. Семенов М.В., Ксенофонтова Н.А., Никитин Д.А., Тхакахова А.К., Лукин С.М. Микробиологические показатели дерново-подзолистой почвы и ее ризосферы в полувековом полевом опыте с применением разных систем удобрения // Почвоведение. 2023. № 6. С. 715–729. DOI: https://doi.org/10.31857/S0032180X22601220.

25. Сушко С.В., Ананьева Н.Д., Иващенко К.В., Кудеяров В.Н. Эмиссия СО2, микробная биомасса и базальное дыхание чернозема при различном землепользовании // Почвоведение. 2019. № 9. С. 1081–1091. DOI: https://doi.org/10.1134/S0032180X19090090.

26. Angst G., Mueller K.E., Nierop K.G., Simpson M.J. 2021. Plant-or microbial-derived? A review on the molecular composition of stabilized soil organic matter // Soil Biology and Biochemistry. Vol. 156. P. 108189. DOI: https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2021.108189.

27. Finlay R.D., Thorn R.G. The fungi in soil. Modern Soil Microbiology, Third Edition. 2019. P. 65–90.

28. Kassambara A., Mundt F. Factoextra: extract and visualize the results of multivariate data analyses. 2020. URL: https://CRAN.Rproject.org/package=factoextra.

29. Kramer C., Gleixner G. Soil organic matter in soil depth profiles: distinct carbon preferences of microbial groups during carbon transformation // Soil Biology and Biochemistry. 2008. Vol. 40 (2). P. 425–433. DOI: https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2007.09.016.

30. Lê S., Josse J., Husson F. FactoMineR: an R package for multivariate analysis // Journal of statistical software. 2008. Vol. 25. P. 1–18.

31. Liang C., Amelung W., Lehmann J., K ästner M. Quantitative assessment of microbial necromass contribution to soil organic matter // Global Change Biology. 2019. Vol. 25. P. 3578–3590. DOI: https://doi.org/10.1111/gcb.14781.

32. Rohart F., Gautier B., Singh A., Lê Cao K.A. mixOmics: An R package for ‘omics feature selection and multiple data integration // PLoS computational biology. 2017. Vol. 13 (11). P. e1005752.

33. Semenov M.V., Chernov T.I., Tkhakakhova A.K., Zhelezova A.D., Ivanova E.A., Kolganova T.V., Kutovaya O.V. Distribution of prokaryotic communities throughout the Chernozem profiles under different land uses for over a century // Applied Soil Ecology. 2018. Vol. 127. P. 8–18. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2018.03.002.

34. Wang B., An S., Liang C., Liu Y., Kuzyakov Y. Microbial necromass as the source of soil organic carbon in global ecosystems // Soil Biology and Biochemistry. 2021. Vol. 162. P. 108422. DOI: https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2021.108422

35. Wickham H. ggplot2: Elegant Graphics for Data Analysis. New York: Springer-Verlag, 2016.