Кафедра биологии почв



жүктеу 313.66 Kb.
Дата30.07.2018
өлшемі313.66 Kb.
түріИсследовательская работа


МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени М. В. ЛОМОНОСОВА

ФАКУЛЬТЕТ ПОЧВОВЕДЕНИЯ

КАФЕДРА БИОЛОГИИ ПОЧВ



Влияние борщевика на биологическую активность почв

Проектно-исследовательская работа

Ученицы 10 класса Н

СУНЦ МГУ


Полиновой Альмины

Научный руководитель:

ст. преп., к.б.н. Костина Н.В.
Москва 2015

1. Введение


Инвазия чужеродных видов растений и животных на новые территории и влияние их на экосистемы в наше время становится все более животрепещущей проблемой. Одна из пяти главных целей Европейской стратегии сохранения растений – борьба с инвазивными видами. Специальные программы по ограничению распространения и уничтожению борщевиков проводятся во многих европейских странах. Для обозначения инвазивных видов используются различные термины: неаборигенные, ненативные, экзотические, иноземные, новые. Глобальной программой по инвазивным видам используется следующее определение: «Чужеродный инвазивный вид – чужеродный вид, чье проникновение и распространение угрожает экосистемам или видам и причиняет экономический или экологический ущерб».

Изменения, происходящие в экосистеме после внедрения в нее инвазивных видов, в частности, изменения в доступности ресурсов и разнообразии микробного сообщества снижают богатство аборигенных видов и изменяют состав растительных сообществ [42].

В научной литературе имеется ряд исследований, доказывающих влияние инвазивных видов, в том числе борщевика, на химические свойства почв [37, 39], однако его влияние на биологическую активность почв в известных нам источниках задокументировано не было.

Поэтому целью работы стало определение активности процессов трансформации азота и углерода в ризосфере борщевика в течение его вегетационного периода.

Задачи исследования:

1) определение активности процессов трансформации азота (азотфиксации, денитрификации) в ризосфере борщевика и контрольных вариантах в разные периоды вегетации растений;

2) определение динамики эмиссии метана из почв, заселенных борщевиком, и контрольных почв;

3) определение функциональных особенностей микробных сообществ для заселенных борщевиком и контрольных почв.



2. Литературный обзор

2.1. Борщевик как инвазивный вид.

Чужеродные инвазионные виды, к которым относятся и гигантские борщевики, наиболее агрессивным и конкурентоспособным представителем которых является борщевик Сосновского, будучи занесенными в регион из других мест, в течение десятилетий могут произрастать, осваиваясь на новом месте, без какого-либо дальнейшего распространения. Однако затем их распространение и/или численность могут стихийно увеличиться, и скорость распространения этих видов часто становится экспоненциальной. В таких случаях сложно контролировать распространение вида и бороться с ним [3]. С развитием научно-технического прогресса и хозяйственной деятельности человека внедрение инвазивных видов усиливается. Перемещение одних видов ведется человеком преднамеренно для расширения спектра возделываемых растений, используемых в качестве продовольственных, технических, лекарственных ресурсов, а также для целей озеленения. Другая часть видов переносится на новые территории в результате случайного непреднамеренного заноса. Это могут быть как целые растения, так и их диаспоры – семена, клубни, луковицы, части корневищ, способные дать начало новому растению.

Попадая на новые территории, эти виды нередко находят благоприятные условия для массового размножения. Этому способствует и отсутствие в новых условиях вредителей и болезней, которые могли бы ограничивать их численность. Неконтролируемое распространение чужеродных видов приводит к угнетению и даже полному вытеснению из природных экосистем аборигенных растений, появлению новых вредителей и сорняков на посевах сельскохозяйственных культур и изменению почвенных свойств.

В последние годы одним из таких инвазивных видов стало растение из рода Heracleum, так называемый гигантский борщевик, с большой скоростью распространяющийся на территориях стран Европы и СНГ.
2.2. Биология борщевиков.

Для России характерны два вида: борщевик Сосновского и борщевик сибирский, но наибольшую угрозу представляет именно борщевик Сосновского (H. sosnowskyi). Также на территории России могут присутствовать борщевик Лемана (H. ehmannianum), борщевик шероховато-окаймленный (H. trachyloma), а также наиболее распространенный в западноевропейских странах борщевик Мантегацци (H. mantegazzianum). Все эти виды внешне схожи и могут скрещиваться, что вызывает определенную неясность в точном определении видов.

Борщевик Сосновского, один из наиболее распространенных видов в нашей стране, является монокарпическим двулетним или многолетним растением. В высоту достигает 3 м, хотя первоначальное описание данного растения в его естественном ареале обитания составляет 100-150 см [15]. Стебель борщевика ребристый, слабо опушенный. Листья взрослых растений делятся в той или иной степени: либо на три примерно равных части, каждая из которых может быть также разделена, либо более, чем на три части, образуя ряды вокруг главного черешка. Края листьев имеют короткие закругленные зубчики. Верхняя часть листьев гладкая, нижняя – слабо опушенная. Цветки белые, реже розоватые. Внешние лепестки расходятся радиально, их длина составляет 9-10 мм. Цветки организованы в несколько соцветий 30-50 см в поперечнике. Зонтики имеют 30-75 слабо опушенных лучей. Цветение обычно длится с июня по август. Мерикарпии имеют яйцевидную или овальную форму, 9-16 мм длиной и 5-9 мм шириной, в незрелом состоянии часто опушены. Спелые плоды имеют крылья с многочисленными шипами, а также заметные масляные каналы.

H. sosnowskyi содержит фотосенсибилизирующие вещества фуранокумарины, которые вызывают фитотоксические реакции (жжение, волдыри) в коже человека после контакта с растением и последующего УФ-облучения. Фототоксическая реакция может быть активирована через 15 мин после контакта, пик чувствительности приходится на промежуток времени между 30 мин и 2 ч. Пораженные участки кожи могут быть чувствительны к ультрафиолету в течение многих лет [44].

Борщевик Сосновского размножается исключительно семенами. Семена прорастают в начале весны и нуждаются в предварительной стратификации от 2 [43] до 4-6 месяцев [18]. При благоприятных условиях прорастание возможно и осенью. Эксперименты в Чехии показали, что банк семян очень быстро истощается ввиду быстрых прорастаний весной и семена не выживают в течение более чем одного сезона. Прорастание семян H. sosnowskyi в лабораторных условиях составляет очень высокий процент (71-94% при различных температурных режимах) [43].

Саженцы появляются в начале весны, и на данном этапе они морозостойкие и светолюбивые. В течение первого года (ов) растение развивает один или несколько листьев, чтобы сформировать листовую розетку. На второй или третий год (или позже, в зависимости от накопленных питательных веществ, уровня конкуренции и т.д.) растение образует цветущий стебель. Переход к генеративной фазе характеризуется повышенной «перистостью» листьев [24]. Цветет борщевик с июня по август и цветы опыляются насекомыми, а именно рядом перепончатокрылых, двукрылых и жуков. При посадке на биомассу и для производства силоса растение может жить до 11 лет [25].

Одно растение борщевика Сосновского в Ленинградской области продуцирует в среднем 8836 семян [32]. Большинство семян (98,2%) распространяются в верхнем слое почвы (0-5 см) и лишь малая их часть - в более глубоких слоях (6-10 см и 11-15 см) [43]. Семена рассеиваются вблизи материнского растения или на большие расстояния по водотокам.

 Борщевик Сосновского хорошо развивается на дерново-подзолистых окультуренных почвах легкого и среднего механического состава со слабокислой или нейтральной реакцией среды – супесях, легких и средних суглинках, подстилаемых мореной или песками, а также на дерновых и дерново-карбонатных почвах с временным переувлажнением [12]. Почвы в естественных условиях занимает в большинстве случаев переходные от лесных к горно-луговым с мощным гумусовым горизонтом, хорошо увлажненные, плодородные с нейтральной и слабокислой реакцией. На бедных и кислых, а также неплодородных почвах он растет плохо, на кислых почвах при рН 4 солевой вытяжки борщевик погибает [33]. Предпочитает хорошо аэрируемые, плодородные, богатые доступными питательными веществами, особенно азотом, почвы. В то же время борщевик Сосновского не выносит длительного затопления в период весеннего отрастания, а также почвы с сильно уплотненным иллювиальным горизонтом, залегающим на глубине 60–70 см, бесструктурные почвы тяжелого механического состава. Борщевик Сосновского – растение морозо- и холодостойкое (под снегом выдерживает морозы до –40...50°С).

Растение обладает высокой экологической пластичностью и встречается в основном в искусственных (дороги, участки, находящиеся в состоянии сукцессии, сельскохозяйственные угодья) и полуприродных местах обитания (луга, парки, пастбища, заброшенные огороды и сады). H. sosnowskyi быстро поражает не только открытые участки, но и пространства вдоль водоемов, дорог и лесов. Борщевик является энергичным доминирующим видом, и поэтому растительные сообщества, в состав которых входит борщевик, отличаются бедным разнообразием видов [40, 41].

2.3. История появления борщевика и его распространение.

Естественный ареал обитания для борщевика Сосновского – восточная часть Кавказских гор, а также юго-западное и восточное Закавказье [15]. Борщевик Сосновского нативным видом для таких стран, как Грузия, Армения, Азербайджан и Турция.

В Европе растение распространено в основном в восточной части, что отражает историю посадки борщевика на территории бывшего СССР. Борщевик вторгся в Эстонию, Латвию, Литву, есть сообщения об инвазии борщевика в Беларуси, Венгрии, Польше, Украине и России.

После Второй Мировой войны были проведены эксперименты по выращиванию борщевика в качестве силосной культуры. В сравнительных испытаниях борщевик Сосновского по урожаю, зимостойкости, устойчивости к вредителям и болезням превзошел другие виды и был рекомендован к внедрению как кормовая силосная культура. Однако возделывание борщевика Сосновского в производственных масштабах не получило распространения по ряду причин, главной из которых являлось его влияние на вкусовые качества молока и мяса животных, которые ели борщевик. Однако искоренить вид оказалось не просто – началось проникновение борщевика в растительные сообщества [13].

В настоящее время одичавший борщевик Сосновского освоил в России территории Поволжья [23], Южного Урала [1], республик Карелия [10], Коми [7], Мордовия [5], а также Псковской [29], Ленинградской [14, 17], Кировской [35], Московской [11, 22], Рязанской [21], Тульской [19], Вологодской [20], Сахалинской [27, 28], Орловской [26] и многих других областей Центрального и Северо-Западного регионов РФ [4, 36], где распространение этого инвазионного растения уже принимает масштабы экологического бедствия.

Считается, что борщевик Сосновского ежегодно увеличивает занятую им площадь на 10%, но есть информация о более интенсивном его распространении. Исследования показывают, что скорость распространения борщевика Сосновского в значительной степени зависит от экологических условий произрастания и возрастает по мере увеличения засоренной борщевиком территории [3].

2.4. Использование борщевика в качестве биотоплива.

В настоящее время производство биотоплива - перспективное направление в сельском хозяйстве, и использование борщевика Сосновского для получения биотоплива кажется оптимальным вариантом. Борщевик является высокоурожайной культурой и дает до 27 т/га сырой массы, до 3% которой составляют сахара. Из расчета на единицу абсолютно сухого вещества, которое составляет в среднем 13%, в ней содержится 32,1% сырого протеина, 12,5% сырой клетчатки и 21,2% сахара, что больше, чем в озимом рапсе и зерновых культурах. Высокое содержание углеводов в борщевике позволяет получать различные спирты, являющиеся основой биотоплива. В средней полосе России борщевик относится к абсолютным рекордсменам по плодовитости. Для получения максимального урожая зеленой массы с 1 га первый укос проводят в период с конца бутонизации до массового цветения растений, второй - не позже, чем за месяц до наступления устойчивого похолодания. Урожайность семян составляет 1,5 т/га. Плоды содержат эфирное масло (19,8%), в состав которого входят различные органические кислоты (линолевая, стеариновая и др.). При этом выход эфирных масел из листьев и плодов, получаемых способом гидродистилляции, составляет 11%, главным компонентом (около 80 %) которых является октиловый эфир уксусной кислоты. Для получения 1 т этанола, входящего в состав биотоплива, расходуется 980 кг масла (себестоимость 1 л рапсового масла - в среднем 6 руб.) или 2,5 т сухого вещества. Таким образом, очевидно, что борщевик является весьма перспективным и выгодным сырьем для производства биотоплива, способным заменить используемые в этих целях пищевые продукты.

Повсеместное распространение борщевика снижает расходы по его выращиванию, так что затраты необходимы только в процессе заготовки и переработки сырья. Очевидно, что подобный подход позволяет решить и проблему по ограничению распространения и вредоносности борщевика как агрессивного инвазионного вида [9].

В 2012 г. Стребков Д.С., Доржиев С.С., Базарова Е.Г., Патеева И.Б. получили патент на производство биотоплива из борщевика (РФ № 2458106 «Биоэтанол из борщевика как дикорастущего, так и культивируемого»). Выдержка из патента:

«Изобретение относится к области биоэнергетики, спиртовой промышленности и может быть использовано в качестве жидкого печного или моторного биотоплива. Способ получения биоэтанола включает предварительную обработку сырья. Проводят сбор и измельчение зеленой массы сырья с получением сока. Добавляют дрожжи или специальные спиртовые бактерии к полученному соку. Осуществляют процесс брожения в течение 3-5 дней. Проводят дистилляцию с получением спирта-сырца, а затем ректификацию спирта-сырца с получением конечного продукта - биоэтанола. При этом в качестве сырья для получения биоэтанола используют борщевик дикорастущий и культивируемый, содержащий сахарозу 17-31% от фазы бутонизации до фазы цветения. Технический результат - снижение использования культур продовольственного назначения в качестве исходных компонентов для получения биоэтанола, ограничение распространения и вредоносности борщевика как агрессивного инвазионного вида [2]».


3. Объекты и методы исследования

3.1. Объекты исследования.

Объектами исследования служили различные образцы среднесуглинистой среднеокультуренной дерново-подзолистой почвы из ризосферы борщевика, собранные в течение вегетационного периода, а также контрольные почвы с глубины 0-15(20) см. Были собраны в УОПЭЦ «Чашниково» МГУ, 42 км от Ленинградского шоссе, с края поля, заросшего борщевиком, а именно с участков, где инвазия борщевика длилась с 1980-х, 1990-х, 2000-х и 2010-х годов.

Для проведения экспериментов образцы дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы были просеяны через сито с диаметром отверстий 1 мм и хранились в холодильнике. Непосредственно перед проведением опытов почву увлажняли до 60% от ПВ и инкубировали в эксикаторе при влажности воздуха 100% в течение 5-7-суток.

В почвенных образцах изучали показатели, характеризующие состояние почвенных микроорганизмов и интенсивность процессов микробной трансформации азота и углерода. Определение биологической активности выполняли стандартными методами, предложенными кафедрой биологии почв [15]. Активность азотфиксации, денитрификации, эмиссии метана определяли методами газовой хроматографии [15, 29, 44], функциональные свойства микробных сообществ методом мультисубстратного тестирования [6].
3.2. Методы исследования.
3.2.1. Измерение потенциальной и актуальной эмиссии углекислого газа в почве.

Для измерения потенциальной эмиссии СО2 брали навески почвы (2 г): контрольной почвы и почвы из ризосферы борщевика. Затем вносили глюкозу (из расчета 2,5 мг на 1 г воздушно-сухой почвы), герметично закрывали резиновыми пробками с металлическими зажимами и инкубировали в течение суток при температуре 28 ºС.

Количество выделившегося углекислого газа измеряли на газовом хроматографе «Кристалл-2000».

Использовали колонки из нержавеющей стали диаметром 3 мм, длиной 3 м. Колонки заполняли адсорбентом Полисорб-1.

Характеристики прибора: длина колонки – 3 м, диаметр – 3 мм, наполнитель – Полисорб-1, температура катарометра – 1000 ºС, температура измерительных элементов - 1500 ºС, сила тока - 148 мА, температура термостата - 300 ºС, температура камеры впрыска - 400 ºС, скорость потока газа-носителя (гелий) - 30 мл/мин. Пробы газа отбирали шприцем (объем пробы газа - 0,5 мл). Определение проводили в пяти- (трех-) кратной повторности. Активность азотфиксации выражали в нг С2Н4/г×час.

В случае измерения актуальной эмиссии СО2 навеску свежей почвы (2 г) помещали в пенициллиновые флаконы без добавления глюкозы, герметично закрывали резиновыми пробками и инкубировали в течение суток при температуре 28 ºС.

Количество выделившегося углекислого газа рассчитывали по формуле:

Э = S×k×V1/T×m×V2, [мкмоль СО2/г×час], где

S - площадь хроматографического пика; K - пересчетный коэффициент; T - время инкубации, [ч]; V1 - объем газовой фазы флакона, [мл]; m - масса навески, [г]; V2 - объем пробы, [мл].
3.2.2. Измерение потенциальной и актуальной активности азотфиксации (ацетиленовый метод).

Измерение активности азотфиксации проводили ацетиленовым методом в аэробных условиях [30, 33]. Метод основан на низкой субстратной специфичности нитрогеназы и ее способности при наличии в атмосфере ацетилена (C2H2) переключаться с восстановления азота до аммиака на восстановление ацетилена до этилена (C2H4).

Для измерения потенциальной азотфиксации навески почвы (5 г), просеянной через сито (1 мм) помещали в пенициллиновые флаконы, добавляли 2% глюкозы от массы воздушно-сухой почвы, увлажняли водой до влажности 60% от полной влагоёмкости. Почву тщательно перемешивали для полного распределения глюкозы, флаконы закрывали ватной пробкой и помещали в термостат при температуре 28 ºС на сутки. Через сутки инкубации флаконы герметично закрывали резиновой пробкой с металлическим зажимом, вводили ацетилен (1 мл) и инкубировали в термостате в течение одного-двух часов. Для измерения актуальной азотфиксации глюкозу к почвам не добавляли. Далее из флаконов шприцем отбирали пробу (1 мл) и на хроматографе “Кристалл-2000” с пламенно-ионизационным детектором (ПИД) определяли количество образовавшегося этилена.

Характеристики прибора: длина колонки – 1 м, диаметр – 3 мм, наполнитель – PorapakN 80/100, температура колонки – 60 ºС, температура детектора – 160 ºС, температура испарителя – 100 ºС, расход газа-носителя (N2) – 50 мл/мин, воздуха – 280 мл/мин, водорода – 28 мл/мин. Определение проводили в пяти- (трех-) кратной повторности. Активность азотфиксации выражали в нг С2Н4/г×час.

АФ = 1000×K×V1/V2×t×m×М [нмоль C2H4/г×час], где

К - количество выделившегося этилена, [мкг/мл]; t - время инкубации, [ч]; V1 - объем газовой фазы флакона, [мл]; V2 - объем вводимой пробы, [мл]; m - масса навески, [г]; М – молярная масса этилена (28 г/моль).
3.2.3. Определение потенциальной и актуальной денитрификации.

Денитрификация представляет собой сумму микробиологических процессов восстановления нитратов до оксидов азота. Общая схема восстановления выглядит так:

NO3- → NO2- → NO → N2O → N2

Каждая ступень катализируется определённым ферментом (нитратредуктаза, NO-образующая нитритредуктаза, редуктаза окиси азота и редуктаза закиси азота).

Определение денитрификации имеет важное практическое значение, так как закись азота является парниковым газом, сохраняется в атмосфере до 250 лет.

Интенсивность денитрификации растёт пропорционально количеству NH4+ и NO3- в почве, уменьшается в хорошо аэрируемых почвах.

Прокариоты проводят денитрификацию для получения энергии. Диссимиляционная денитрификация происходит в анаэробных условиях, так как в этом случае нитраты и нитриты используются вместо кислорода для окисления веществ. Поэтому для измерения интенсивности денитрификации в исследуемых образцах должны быть созданы анаэробные условия – чрезмерное увлажнение почвы либо замена воздуха инертным газом (аргоном).

Ещё одним методическим приёмом является введение ацетилена во флаконы с образцами. Самым устойчивым из продуктов денитрификации (кроме конечного азота) является закись азота. Измерение образующегося азота не представляется целесообразным из-за присутствия достаточного количества азота в воздухе. Введённый ацетилен ингибирует редуктазу закиси азота, катализирующую последнюю стадию денитрификации. Поэтому становится очень удобно измерять на газовом хроматографе именно закись азота, а не азот.

Появление в почве легкоразлагаемого органического вещества увеличивает интенсивность денитрификации и, соответственно, эмиссию закиси азота. Таким образом, добавление глюкозы в исследуемые образцы позволяет определить максимальную (потенциальную) активность денитрификаторов.

Для измерения потенциальной денитрификации навески почвы (5 г) помещали в пенициллиновые флаконы, затем вносили глюкозу (из расчета 2,5 мг на 1 г воздушно-сухой почвы), нитрат калия (0,3 мг на 1 г почвы) и добавляли 3 мл стерильной воды, флаконы закупоривали резиновой пробкой. Для создания микроаэрофильных условий воздух из флаконов вытесняли аргоном в течение 30 сек, затем шприцем вводили 1 мл ацетилена для ингибирования редуктазы закиси азота. Флаконы тщательно встряхивали и помещали в термостат при 28 ºС на сутки, после чего проводили измерение концентрации закиси азота.

Для определения актуальной денитрификации навеску свежей почвы (5 г) помещали в пенициллиновые флаконы. Герметично закрывали резиновыми пробками и в течение 1 минуты продували аргоном, вводили 1 мл ацетилена и инкубировали при температуре 28 ºС. Измерение концентрации закиси азота проводили на 3-5 сутки.

Анализ газа (закиси азота) проводили на газовом хроматографе “Кристалл-2000” с детектором электронного захвата (ДЭЗ).

Характеристика прибора: длина колонки – 1м, диаметр – 3мм, наполнитель – PorapakN 80/100, температура колонки – 50 ºС, температура детектора – 240 ºС, испарителя – 100 ºС, расход газа-носителя (N2) – 90 мл/мин. Определение активности денитрификации проводили в пятикратной повторности. Активность денитрификации выражали в мкг N2O/г×час.

Количество выделившейся закиси азота рассчитывали по формуле:

ДН = Х×V1/T×m×V2, [мкг N-N2O/г×час], где

Х – количество выделившейся закиси азота, [мкг N2O/мл]; T - время инкубации, [ч]; V1 - объем газовой фазы флакона, [мл]; m - масса навески, [г]; V2 - объем пробы, [мл].
3.2.4. Определение эмиссии метана.

Для определения эмиссии метана навески почвы помещали в пенициллиновые флаконы. Флаконы закрывали резиновыми пробками с зажимами, продували аргоном и инкубировали в течение 3-5 суток при температуре 28 ºС. Эмиссию метана измеряли на газовом хроматографе «Кристалл 2000» с пламенно-ионизационным детектором (ПИД).

Количество выделившегося метана рассчитывали по формуле:

М = Х×V1/T×m×V2, [мкг СН4/г×сут], где

Х – количество выделившегося метана, [мкг СН4/мл]; T - время инкубации, [сут]; V1 - объем газовой фазы флакона, [мл]; m - масса навески, [г]; V2 - объем пробы, [мл].
3.2.5. Определение функциональных особенностей микробных сообществ с помощью метода мультисубстратного тестирования.

Оценку состояния микробных сообществ в исследуемых образцах почвы и подстилки проводили на основе спектров потребления органических субстратов методом мультисубстратного тестирования (МСТ) [6]. Метод МСТ является стандартным методом почвенной микробиологии и выполняется в соответствии с «Методикой выполнения измерений интенсивности потребления тест-субстратов микробными сообществами почв и почвоподобных объектов фотометрическим методом» (ФР.1.37.2010.08619). Пробы почв массой 0,7 г помещали в центрифужный стаканчик, заливали дистиллированной водой (1:50) и полученную суспензию обрабатывали в течение одной минуты на шейкере типа Vortex для отделения бактериальных клеток от минеральных частиц почвы, которые впоследствии осаждали центрифугированием (2000g, 2 мин). К выделенной фракции микробного сообщества добавляли индикатор потребления субстратов (соль тетразолия), перемешивали и вносили по 200 мкл в каждую лунку 96-луночного планшета «Эко-Лог», содержащего набор из 47 тест-субстратов в двух повторностях (табл.1). Используемые тест-субстраты включали сахара, аминокислоты, полимеры, нуклеозиды, соли органических кислот, спирты.

Табл. 1. Список и расположение субстратов в тест-планшете «Эко-Лог».






1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

A

Инозит [1]

L+ арабиноза [2]

L+ рамноза [3]

Дульцит [4]

D+ сорбит [5]

лактоза [6]

D-маннит [7]

D+ мальтоза [8]

D+ глюкоза [9]

Сахароза [10]

Ксилоза [11]

пуллулан [12]

B

Ацетат [13]

Аспартат [14]

Цитрат [15]

Сукцинат [16]

Малеинат [17]

целлобиоза [18]

октаноат (каприлат) [19]

Глицин [20]

Пролин [21]

Рибоза [22]

Галактоза [23]

Манноза [24]

C

норлейцин [25]

1-глюкозо фосфат [26]

Гистидин [27]

норвалин [28]

Треонин [29]

Aланин [30]

аспарагин [31]

D-L валин [32]

Серин [33]

Lфенилаланин [34]

лактат [35]

Lглутамин[36]

D

Lаргинин [37]

L лизин [38]

Тимидин [39]

Ацетилглюкозамин [40]

Твин 80 [41]

Путресцин [42]

крахмал [43]

Фруктоза [44]

Рафиноза [45]

Глицерин [46]

креатин [47]

Контроль [48]

E

Инозит [49]

L+ арабиноза [50]

L+ рамноза [51]

Дульцит [52]

D+ сорбит [53]

лактоза [54]

D-маннит [55]

D+ мальтоза [56]

D+ глюкоза [57]

Сахароза [58]

Ксилоза [59]

пуллулан [60]

F

Ацетат [61]

Аспартат [62]

Цитрат [63]

Сукцинат [64]

Малеинат [65]

целлобиоза [66]

октаноат (каприлат) [67]

Глицин [68]

Пролин [69]

Рибоза [70]

Галактоза [71]

Манноза [72]

G

норлейцин [73]

1-глюкозо фосфат [74]

Гистидин [75]

норвалин [76]

Треонин [77]

Aланин [78]

аспарагин [79]

D-L валин [80]

Серин [81]

Lфенилаланин [82]

лактат [83]

Lглутамин[84]

H

Lаргинин [85]

L лизин [86]

Тимидин [87]

Ацетилглюкозамин [88]

Твин 80 [89]

Путресцин [90]

крахмал [91]

Фруктоза [92]

Рафиноза [93]

Глицерин [94]

креатин [95]

Контроль [96]

Планшеты инкубировали в термостате при 28°С до появления визуально регистрируемой окраски ячеек (72 ч), вызванной развитием микроорганизмов в ячейках, восстанавливающих трифенилтетразолий в формазан, придающий среде в ячейке красное окрашивание. Концентрация формазана и обусловленная им оптическая плотность ячейки определяются интенсивностью роста группы микроорганизмов, способных потреблять тест-субстрат, содержащийся в данной ячейке. После окончания инкубации осуществляли фотометрическое считывание оптической плотности ячеек в диапазоне 510 нм, программно-аппаратным комплексом «Эко-Лог» [6].

Данные фотометрического измерения значений оптической плотности по всем ячейкам (всем субстратам), представляет собой спектр потребления субстратов (СПС) для данного почвенного микробного комплекса.


4. Результаты и обсуждение


В ходе изучения влияния борщевика на биологическую активность почв сравнивали активности процессов, происходящих в дерново-подзолистой почве под борщевиком. В качестве контрольных почв, с которыми происходило сравнение была взята почва с того же поля в тех местах, где борщевик не рос.
4.1. Влияние борщевика на азотфиксацию.

Рис. 1. Потенциальная азотфиксация (мкг С2Н4/г×час) в почве из ризосферы борщевика и контрольных образцах.


Для образцов почвы, собранных из-под борщевика, инвазия которого длится с 80-х годов, характерно снижение всех показателей. Для инвазии с 90-х годов – повышение показателей в начале вегетационного периода. Для инвазии с 2000-х годов – повышение показателей с мая по июнь. Для инвазии с 10-х годов – отмечается увеличение активности в конце вегетационного периода.

Рис. 2. Актуальная азотфиксация (мкг С2Н4/г×час) в почве из ризосферы борщевика и контрольных образцах.

Отмеченные результаты схожи с вышеизложенными для потенциальной азотфиксации.


    1. Влияние борщевика на денитрификацию.

Рис. 3. Потенциальная денитрификация (мкг N2O/г×сут) в почве из ризосферы борщевика и контрольных образцах.


Для образцов почвы, собранных из-под борщевика, инвазия которого длится с 80-х годов, характерно снижение всех показателей. Для инвазии с 90-х годов – повышение показателей в начале вегетационного периода. Для инвазии с 2000-х годов – повышение показателей с мая по июнь. Для инвазии с 10-х годов – значительных изменений не выявлено.

Рис. 4. Актуальная денитрификация (мкг N2O/г×сут) в почве из ризосферы борщевика и контрольных образцах.


Отмеченные результаты схожи с вышеизложенными для потенциальной денитрификации.


    1. Влияние борщевика на эмиссию метана.

Были проведены измерения лишь актуальной эмиссии метана из почв, так как данные актуальной и потенциальной эмиссии метана различаются незначительно.

Рис. 5. Актуальная эмиссия метана (нг СН4/г×сут) в почве из ризосферы борщевика и контрольных образцах.
Для образцов почвы, собранных из-под борщевика, инвазия которого длится с 80-х годов, характерно снижение всех показателей. Для инвазии с 90-х годов – повышение показателей в начале вегетационного периода. Для инвазии с 2000-х годов – повышение показателей с мая по июнь. Независимо от срока инвазии к концу вегетационного периода отмечается снижение показателей в ризосфере по сравнению с контрольной почвой.


    1. Влияние борщевика на функциональные особенности микробных сообществ.

По данным мультисубстратного тестирования можно заключить об увеличении количества потребляемых субстратов в ризосфере борщевика по сравнению с контрольной почвой. На фотографии (рис. 6) можно подсчитать ярко окрашенные ячейки, красный цвет индикатора свидетельствует об активном потреблении данного субстрата. Таким образом, почвенное микробное сообщество потребляет 16-18 субстратов, а ризосфере борщевика – 40-41субстрат.

Рис. 6. Функциональные особенности микробных сообществ в почве из ризосферы борщевика и контрольных образцах в 90-е годы.


Количество ярко окрашенных ячеек в планшете с экспериментальным образцом заметно выше, нежели в планшете с контрольным образцом, что свидетельствует о большей метаболической работе микробного сообщества в ризосфере борщевика, чем в почве, где борщевик не рос.

5. Заключение


Долгосрочность влияния борщевика на дерново-подзолистую почву рассматривалась по следующим градациям: краткосрочная – до 5 лет, среднесрочная (I) – до 15 лет, среднесрочная (II) – до 25 лет и долгосрочная инвазия более 35 лет. На участках, где инвазия отмечена с 80-х гг., было установлено достоверное снижение активности всех исследованных нами процессов в ризосфере борщевика по сравнению с контролем в течение всего вегетационного периода. Максимальное положительное влияние на биологическую активность почв отмечено при среднесрочной инвазии. При инвазии до 25 лет увеличение биологической активности почв было установлено только в начале вегетационного периода, а для инвазии до 15 лет характерно ее увеличение с начала вегетации до периода цветения растения. При этом активность процессов в ризосфере была в 2-3 раза выше, чем в контроле, а для азотфиксации различие было максимальным, нитрогеназная активность в ризосфере была выше в 1000 раз. К концу вегетационного периода для участков со среднесрочной инвазией отмечено снижение всех изученных показателей. При краткосрочной инвазии отмечается только незначительное (до 20-30%) увеличение показателей биологической активности, сохраняющейся до конца вегетационного периода. Исключения составляла эмиссия метана. К концу вегетационного периода независимо от срока инвазии было отмечено снижение метаногенеза в ризосферной почве, связанное, по-видимому, со снижением влажности и значительным разрыхлением почвы мощной корневой системой борщевика.

6. Выводы




  1. При долгосрочной инвазии в ризосфере борщевика наблюдается снижение активности всех рассмотренных процессов: азотфиксации, денитрификации и эмиссии метана.

  2. Максимальное положительное влияние на биологическую активность почв отмечено при среднесрочной инвазии:

  1. до 25 лет – в начале вегетационного периода;

  2. до 15 лет – с начала вегетации до периода цветения.

  1. При краткосрочной инвазии отмечается незначительное увеличение показателей биологической активности, сохраняющееся до конца вегетационного периода.

  2. Независимо от срока инвазии отмечается снижение метаногенеза в ризосфере борщевика.

  3. В ризосфере борщевика в значительной степени изменяется функциональное разнообразие почвенного микробного сообщества, что может негативно сказываться на устойчивости микробной системы.

Список литературы




  1. Абрамова Л.М. Чужеродные виды растений на Южной Урале. Сорные растения в изменяющемся мире: актуальные вопросы изучения разнообразия, происхождения, эволюции // Материалы I Международной научной конференции. Санкт-Петербург, 6–8 декабря 2011 г. - СПб.: ВИР. - 2011. - С. 5–10.

  2. Скребков Д.С., Доржиев С.С., Базарова Е.Г., Патеева И.Б. Биоэтанол из борщевика как дикорастущего, так и культивируемого. Патент РФ № 2458106 от 10.08.2012. [Библиотека патентов на изобретения] URL: http://www.freepatent.ru/patents/2458106 (дата обращения: 19.05.2015).

  3. Богданов В.Л., Николаев Р.В., Шмелева И.В. Биологическое загрязнение территории экологически опасным растением борщевиком Сосновского // Фундаментальные медико-биологические науки и практическое здравоохранение: сб. науч. трудов 1-й Международной телеконференции (Томск 20 января–20 февраля, 2010). – Томск: СибГМУ. - 2010. - С. 27–29.

  4. Борщевик Сосновского // Русское географическое общество. Информационный портал. - 2013. http://old.rgo.ru/plants/borshhevik-sosnovskogo/

  5. Бочкарев Д.В., Никольский А.В., Смолин Н.В. Трансформация пойменно-лугового фитоценоза при внедрении в него адвентивного сорного вида – борщевика Сосновского // - Вестник Алтайского государственного аграрного университета. - 2011. - № 7 (81). - С. 36–40.

  6. Горленко М.В., Кожевин П.А. Мультисубстратное тестирование природных микробных сообществ: Учебное пособие // М.: МАКС Пресс. -  2005. – С. 88.

  7. Далькэ И.В., Чадин И.Ф., Захожий И.Г., Малышев Р.В., Головко Т.К. Борщевик Сосновского – инвазивный вид в агроклиматической зоне Республики Коми // II-ая Международная научно-практическая конференция "Проблемы сохранения биологического разнообразия и использования биологических ресурсов" Минск, Беларусь, 22–26 октября 2012. - С. 440–443.

  1. Келдыш М.А., Помазков Ю.И. Об использовании борщевика Сосновского // Агро XXI. - 2009. – №7-9. – С. 47

  2. Кравченко А.В. Адвентивная флора Карелии и основные тенденции ее многолетней динамики. Сорные растения в изменяющемся мире: актуальные вопросы изучения разнообразия, происхождения, эволюции // Материалы I Международной научной конференции. Санкт-Петербург, 6–8 декабря 2011 г. – СПб.: ВИР. - 2011. - С. 133–138.

  3. Кривошеина М.Г. Насекомые (Insecta) связанные с борщевиком Сосновского в московской области, и их роль в биоценозах // Бюллетень Московского общ. испытателей природы. Отдел биологический. - 2009. - Т. 114. - Вып. 1. - С. 26–28.

  4. Кудимов М.А., Касач А.Е., Чекалинская И.И., Черник В.В., Чурилов А.К. Интродукция борщевиков в Белоруссии // Мн.: Наука и техника. - 1980. - С. 200.

  5. Ламан Н.А., Прохоров В.Н., Масловский О.М. Гигантские борщевики – опасные инвазивные виды для природных комплексов и населения Беларуси // Институт экспериментальной ботаники им. В.Ф. Купревича НАН Беларуси. – Минск. - 2009. – C. 40.

  6. Лунева Н.Н., Филиппова Е.В. Постоянство присутствия видов сорных растений в посевах сельскохозяйственных культур в Ленинградской области. Сорные растения в изменяющемся мире: актуальные вопросы изучения разнообразия, происхождения, эволюции // Материалы I Международной научной конференции. Санкт-Петербург, 6–8 декабря 2011 г. – СПб.: ВИР. - 2011. - С. 209–215.

  7. Манденова И.П. Кавказские виды рода Heracleum // Тбилиси. - 1950. – C. 104.

  8. Методы почвенной микробиологии и биохимии. Под. ред. Звягинцева Д.Г. // МГУ. -1991.- С. 23-39.

  9. Мысник Е.Н., Лунева Н.Н. Распространение видов сорных растений на территории Ленинградской области. Сорные растения в изменяющемся мире: актуальные вопросы изучения разнообразия, происхождения, эволюции // Материалы I Международной научной конференции. Санкт-Петербург, 6–8 декабря 2011 г. – СПб.: ВИР. - 2011. - С. 241–245.

  10. Николаева М. Г., Разумова М.В., Гладкова В. И. Справочник по проращиванию покоящихся семян // Л.: Наука. - 1985. – C. 100.

  11. О проведении мероприятий по борьбе с борщевиком Сосновского на территории муниципального образования город Новомосковск. Постановление от 16 июля 2010 г. № 1723. Тульская область. [Региональное законодательство] URL: http://www.regionz.ru/index.php?ds=1131880 (дата обращения: 19.05.2015).

  12. Борщевик Сосновского. [Официальный сайт Управления Федеральной Службы по ветеринарному и фитосанитарному надзору по Вологодской области] URL http://www.rsn-vologda.ru/bsosnovsk (дата обращения: 19.05.2015).

  13. Палкина Т.А. Региональные особенности сегетальной флоры Рязанской области. Сорные растения в изменяющемся мире: актуальные вопросы изучения разнообразия, происхождения, эволюции // Материалы I Международной научной конференции. Санкт-Петербург, 6–8 декабря 2011 г. – СПб.: ВИР. - 2011. - С. 261– 266.

  14. Полянский Н.В. Гербициды против борщевика Сосновского // Защита и карантин растений. - 1990. - № 8. - С. 29.

  15. Раков Н.С., Сенатор С.А., Саксонов С.В. Чужеродные виды – источник сорных растений в Самаро-Ульяновском Поволжье. Сорные растения в изменяющемся мире: актуальные вопросы изучения разнообразия, происхождения, эволюции // Материалы I Международной научной конференции. Санкт-Петербург, 6–8 декабря 2011 г. – СПб.: ВИР. - 2011. - С. 272–277.

  16. Сацыперова И.Ф. Особенности онтогенеза у видов Heracleum L. флоры СССР // Растительные ресурсы. - 1977. - Т. 13. - Вып. 2. - С. 435-449.

  17. Сацыперова И.Ф. Борщевики флоры СССР – новые кормовые растения// Л.: Наука.- 1984.- C. 223. 

  18. Симонов Г.А., Никульников В.С., Зотеев В.С. Борщевик Сосновского – злостный засоритель полей // Ученые записки Орловского государственного университета. Серия: Естественные, технические и медицинские науки. - 2011. - № 3. - С. 324–326.

  19. Смирнов А.А. Некоторые итоги и перспективы развития ботанических исследований на Сахалине // Вестник ДВО РАН. - 2006. - № 1. - С. 103–108.

  20. Смирнов А.А., Корнева И.Г. Последствия интродукции Heracleum sosnowskyi (Apiceae) на Сахалине // Растительные ресурсы. - 2010. - № 2. - С. 18–23.

  21. Соколова И.Г. Инвазивные виды Псковской области. Сорные растения в изменяющемся мире: актуальные вопросы изучения разнообразия, происхождения, эволюции // Материалы I Международной научной конференции. Санкт-Петербург, 6–8 декабря 2011 г. – СПб.: ВИР. - 2011. - С. 289–295.

  22. Степанов А.Л., Лысак Л.В. Методы газовой хроматографии в почвенной микробиологии // М.: МАКС Пресс. - 2002. – С. 88.

  23. Сэги И. Методы почвенной микробиологии // М.: Мир. - 1983. – С. 296.

  24. Ткаченко К.Г. Особенности цветения и семенная продуктивность некоторых видов Heracleum L., выращенных в Ленинградской области. // Растительные ресурсы. - 1989. - Т. 25. - Вып. I. - С. 52–61.

  25. Ткаченко Ф.М, Синицына А.П., Чубарова Г.В. Силосные культуры // М.: «Колос». -1974. - C. 287.

  26. Умаров М.М. Ассоциативная азотфиксация // М.: МГУ. - 1986. – С. 136.

  27. Филатова И.А., Власов Ю.В. Борщевик Сосновского «осваивает» новые площади // Защита и карантин растений. - 2002. - №12. - С. 38-39.

  28. Черная книга флоры Средней России. Чужеродные виды растений в экосистемах Средней России. 2013. http://www.bookblack.ru/areal/4.htm

  29. Dostál P., Müllerová J., Pysek P., Pergl J., Klinerová T. The impact of an invasive plant changes over time // Ecol. Lett. - 2013. - V.16. - I. 10. - P. 1277-1284.

  30. Dostál P. Long-term impact of Heracleum mantegazzianum invasion on soil chemical and biological characteristics // Soil Biology and Biochemistry. - 2014. - V. 68. - P. 270-278.

  31. Jandová. K.Klinerová. T.Müllerová. J.Pyšek. P.Pergl. J.Cajthaml. T., Dostál. P.
    Long-term impact of Heracleum mantegazzianum invasion on soil chemical and biological characteristics // Soil Biology and Biochemistry. – 2014. - V. 68. - P. 270-278.

  32. Kabuce N. NOBANIS - invasive alien species fact sheet - Heracleum sosnowskyi // Online Database of the North European and Baltic Network on Invasive Alien Species - NOBANIS. - 2006.

  33. Laivins M., Gavrilova G. Heracleum sosnowskyi in Latvia: sociology, ecology and distribution // Latvijas Vegetacija. – 2003. – V. 7. – P. 45-65.

  34. Levine J.M., Vilà M., D’Antonio C.M., Dukes J.S., Grigulis K., Lavorel S. Mechanisms underlying the impacts of exotic plant invasions // Proc. R. Soc. - 2003. - V. 270. - P. 775-781.

  35. Moravcová L., Gudz̆inskas Z., Pys̆ek P., Perglová I. Seed Ecology of Heracleum mantegazzianum and H. sosnowskyi. Two Invasive Species with Different Distributions in Europe // Ecology and Management of Giant Hogweed (Heracleum mantegazzianum). (eds P. Pys̆ek, M.J.W. Cock, W. Nentwig, H.P. Ravn). - Ch10. - 2007. - P. 157–169.

  36. Nielsen C, Ravn HP, Nentwig W, Wade M (eds.). The Giant Hogweed Best Practice Manual. Guidelines for the management and control of an invasive weed in Europe // Forest and Landscape Denmark, Hoersholm. - 2005. – P. 44.

  37. West A. W., Sparling G. P. Modifications to the substrate-induced respiration method to permit measurement of microbial biomass in soils of differing water contents // Journal of Microbiological Methods 5. – 1986. – P. 177-189.




Достарыңызбен бөлісу:


©kzref.org 2017
әкімшілігінің қараңыз

    Басты бет