к.с.-х.н. Г. Романов
Научные интересы: биологическая азотфиксация, экология, природовосстановление
Биологическое разнообразие растений и микроорганизмов может рассматриваться как ресурсная основа для решения проблем природовосстановления. Среди многообразия растений во флоре северо-востока европейской части России для этих целей представляет интерес растения, вступающие в симбиотические отношения с микроорганизмами-азотфиксаторами, которые обогащают почвы азотом, способствуя тем самым естественному и более быстрому восстановлению почвенно-растительного покрова, нарушенного в результате антропогенной деятельности. Усваивать молекулярный азот атмосферы в процессе биологической азотфиксации и переводить его в доступные растениям азотистые соединения способны микроорганизмы, осуществляющие этот процесс как независимо, так и в симбиозе с растениями. Симбиотическая азотфиксация по количеству фиксированного азота значительно превосходит азотфиксацию свободноживущих микроорганизмов, что в значительной степени определяет повышенный интерес исследователей именно к этому процессу. В настоящее время известны три основных типа азотфиксирующих симбиозов микроорганизмов с растениями: симбиоз синезеленых водорослей с голосеменными, ризобий с бобовыми и актиномицетов с небобовыми покрытосеменными растениями. Примером последнего типа симбиоза во флоре Республики Коми могут служить представители рода Alnus – ольха черная и ольха серая, причем вторая, в отличие от первой, относится к числу лесообразующих пород и издавна привлекает к себе внимание как почвоулучшатель. Насаждения ольхи серой образуют узкие полосы вдоль берегов рек, по окраинам лугов, полей и обочинам дорог. Наибольшие их площади встречаются в южных районах – Прилузском, Сысольском и Сыктывдинском, в целом же, площадь, занимаемая сероольшаниками в Республике Коми, не превышает 1000 га [1]. Впервые описанные в 1829 г. [6] на корнях ольхи серой корневые клубеньки образуются из боковых ветвей корня при внедрении в них грибного организма и имеют вид коралловидных наростов размером до 10 см [2]. В 1910 г. выделенный в культуру из клубеньков ольхи микроорганизм был описан как представитель лучистых грибов Actinomicetes – Actino-mices Alni. С тех пор актиномицетная природа клубеньков ольхи серой стала общепризнанной. Тем не менее, длительное время при изучении данного типа симбиоза не удавалось выделить из клубеньков чистые культуры актиномицетов, что сдерживало изучение актиноризного симбиоза, в частности у ольхи серой. Описание [9] рода Frankia, объединившего актиномицеты, способные образовывать азотфиксирующие клубеньки, было сделано на основании изучения свойств актиномицетов in vivo. И только в 1978 г. была получена первая чистая культура актиномицетов, и в настоящее время имеется целый ряд чистых инфекционных культур франкий [8]. Франкии – широко распространенные в различных почвах аэробные актиномицеты, имеющие септированный мицелий и образующие спорангии с неподвижными спорами [8]. Впервые способность усваивать азот атмосферы ольхой была показана в 1897 г. [6]. Процесс азотфиксации у франкий локализован в особых структурах (везикулах) размером 3-5 мкм [12] и происходит в течение всего периода вегетации [11]. Интересно, что по количеству фиксированного азота на единицу массы клубенька франкии значительно превосходят клубеньковые бактерии, а по энергетической экономичности азотфиксации симбиоз актиномицетов с растениями превосходит все известные типы азотфиксирующих симбиозов [2]. Как и бобовые, ольха серая обогащает почву азотом и оказывает влияние на ботанический состав произрастающих с ней растений, их химический состав и урожайность. Однако в какой мере это справедливо в отношении ольхи серой для условий Республики Коми до настоящего времени не изучено. Предварительно проведенные нами исследования корней ольхи серой, произрастающей по берегам р. Важелъ-ю и в придорожных экотопах Сысольского и Сыктывдинского районов (в окрестностях г. Сыктывкар), показали наличие у нее многочисленных клубеньков оранжевого цвета, по форме и размерам подобных описанным в литературе. Тестирование клубеньков на ацетиленредукцию в лаборатории показало наличие у них нитрогеназной активности (азотфиксации), по уровню значительно выше таковой в почве без растений. Отсюда возникла возможность ответить на вопрос – какова продуктивность азотфиксации ольхи серой, и может ли в связи с этим она представлять интерес для целей природовосстановления на нарушенных землях в пределах ее ареала в условиях Республики Коми. Поэтому в 1996 г. в период с мая по август нами был исследован сероольшаник хвощевой, расположенный в окрестностях г. Сыктывкар (на 17-м километре шоссе Сыктывкар-Киров). Сообщество сформировалось по обочине дороги при ее строительстве, на насыпном, преимущественно супесчаном, грунте и занимает около 1 га. Древостой средневозрастный, образован ольхой серой с единичной примесью березы пушистой. Нередко рядом с основным стволом имелась молодая поросль из корневых отпрысков ольхи. Из травянистых растений преобладает хвощ лесной. Подробное геоботаническое описание сероольшаника приведено в [1]. Цель исследований – изучение биомассы клубеньков ольхи и динамики суточной и сезонной активности симбиоза в полевых условиях для оценки продуктивности азотфиксации в сероольшанике на техногенном субстрате. Почва участка – слабо преобразованный преимущественно супесчаный грунт, сформированный вдоль дорожного полотна в виде вала с пологим склоном в сторону дороги и резким – в сторону леса. Мертвый покров представлен лиственным опадом и сухими веточками ольхи, березы и ивы. Ниже идет тонкий слой хорошо переработанного органического вещества темно-серого цвета мощностью 3-5 см. Под ним расположена агрегированная масса коричневого цвета, легко рассыпающаяся на отдельности, влажная. В органогенном субстрате и опаде нередко встречались дождевые черви. Верхний 20-сантиметровый слой характеризовал следующий химический состав (мг/100 г): N гидр. – 4.28, P2O5 – 7.16, К2О – 8.04, поглощенные Ca и Mg – 8.85 и 4.17 соответственно, гумус – 2.59 %, рН сол. – 4.0. Количественное изучение корневых клубеньков ольхи серой в сероольшанике проводилось на площадках размером 0.1 кв. м, которые закладывали последовательно друг за другом от стволов отдельных деревьев в виде траншей, глубиной до 10-15 см (на глубину проникновения клубеньков), направленных как за пределы границы сероольшаника, так и внутрь его. Всего была заложена 151 площадка (131 – внутри сообщества и 20 – за его пределами), на каждой из них корни откапывали и освобождали от земли, корни с клубеньками отрезали и помещали в бумажные пакеты. В лаборатории клубеньки тщательно осматривали, освобождая от налипших песчинок, высушивали при 105 оС и взвешивали на технических весах с точностью до 0.1 г. Азотфиксирующую активность клубеньков ольхи измеряли ацетиленовым методом [10] в дневные и ночные часы. Для этого корни со всеми клубеньками на площадке сразу после откапывания помещали в специальные герметически закрывающиеся сосуды со специальным устройством на крышке для ввода и эвакуации газов, через которое вводили ацетилен – 10 % объема сосудов. Время экспозиции клубеньков в ацетилене – 15-20 мин – было установлено экспериментально в процессе предварительных исследований. Контролем служили сосуды с клубеньками без ацетилена. Устройство прибора для измерения активности азотфиксации, эвакуация газов, описаны нами ранее [7]. Компонентный состав газа в сосудах с клубеньками анализировали на газовом хромато-графе "Хром-5" (Чехословакия), со стальной колонкой длиной 1 м и диаметром 3 мм, сорбент – Spheron-Oxin. Газ-носитель – гелий, температура испарителя 70 oС. Для ионизации газов использовали фотоионизационный детектор ФИД-1020. Соотношение этилена к азоту было принято 3:1. Наряду с измерением дневной активности азотфиксации, проводили измерения динамики суточной ее активности в начале (последняя декада мая), середине (июль) и в конце (сентябрь) вегетации. Сосуды размещали в группе одновозрастных деревьев в 4-кратной повторности. При этом параллельно проводили измерения освещенности (люксметр ОИ-19), температуры (электрическим термометром ТЭТ-2) и влажности почвы (термостатно-весовым способом). После окончания измерений клубеньки вынимали из сосудов, высушивали и взвешивали отдельно. Все расчеты симбиотической активности азотфиксации приведены в пересчете на массу сухих клубеньков в час. Продуктивность симбиотической азотфиксации за сезон рассчитывали по методике [5]. При закладке траншей внутри сообщества и вне его предполагали, что масса клубеньков по мере удаления от стволов деревьев будет снижаться. Однако анализ пространственного распределения клубеньков показал, что это справедливо только для траншей, направленных вовне сообщества, в то время как в траншеях внутри сообщества такой закономерности выявлено не было. Это различие в пространственном распределении клубеньков объясняется тем, что корни ольхи с клубеньками на них сильно изгибаются в горизонтальном и вертикальном направлениях [4] и часто могут быть направлены в противоположную сторону, попадая на одну и ту же площадку дважды. Изучение динамики суточной активности азотфиксации в сероольшанике показало, что данный процесс идет круглосуточно, различаясь по интенсивности в разное время суток и в разные периоды вегетации. Наибольшей активности процесс азотфиксации достигал (см. рисунок) в дневные часы, снижая свою интенсивность ночью. Расчеты зависимости активности симбиотической азотфиксации от факторов внешней среды в одну из дат ее измерения показали, что она имела слабую связь с температурой почвы (r = –0.13) и существенную с влажностью почвы (r = –0.67) и с освещенностью (r = 0.62). В последнем случае различия в активности азотфиксации могли быть опосредованно связаны с суточным ходом процесса фотосинтеза в листьях ольхи серой и динамикой поступления продуктов фотосинтеза в клубеньки для обеспечения процесса азотфиксации энергией. Это предположение подтверждают и данные по сезонной динамике активности симбиотической азотфиксации ольхи серой. Так, в конце мая, когда листовой аппарат ольхи еще не сформировался полностью, активность симбиотической азотфиксации была сравнительно низкой. В период максимального формирования листовой поверхности активность симбиотической азотфиксации также достигла пика и в дальнейшем ее интенсивность могла колебаться в зависимости от погодных условий. Любопытно, что обнаружена слабая корреляция (r = 0.29) между процессом азотфиксации и весом корневых клубеньков. По-видимому, в кораллоидных наростах клубеньки, их образующие, имеют разный возраст и соответственно проявляют различную активность в отношении азотфиксации. Рассчитанная нами продуктивность симбиотической азотфиксации ольхи серой за 49-дневый период измерений показал следующее. В среднем 1 г сухой массы клубеньков способен фиксировать 0.96 мг азота/ч. При средней массе клубеньков 24.5 г/кв. м в сероольшанике фиксировано 270 кг азота воздуха /га. Каким образом фиксированный азот попадает в почву? Об этом косвенно свидетельствуют данные о биомассе надземных растений на площадках, где отбирали клубеньки для анализа. Средняя масса надземной массы травянистых растений на площадках в траншеях внутри сообщества составляет в среднем около 14 г/кв. м и различается между собой незначительно; вне сообщества надземная масса по мере удаления от границ ольшаника уменьшается. Это свидетельствует о том, что травянистые растения получают азот из листового опада ольхи [3]. Таким образом, ольха серая в условия средней тайги обладает способностью фиксировать довольно большое количество азота воздуха, вовлекая его в биологический круговорот, и представляет интерес как перспективный фитомелиорант для целей рекультивации нарушенных территорий. ЛИТЕРАТУРА 1. Дегтева С.В. Серольховые леса // Леса Республики Коми. М., 1999. С. 245-255. 2. Калакуцкий Л.В., Парийская А.Н. Симбиотическая азотфиксация у небобовых растений и ее практическое применение // Cельскохозяйственная биология, 1984. № 1. С. 93-101. 3. Мильто Н.И. Азотонакопительная способность Alnus incana // Докл. АН БССР, 1970. Т. XIV. № 3. С. 270-272. 4. Петров В.В. К биологии размножения ольхи серой корневыми отпрысками // Бюл. МОИП. Отд. биол., 1968. Т. 71. Вып. 3. С. 86-90. 5. Посыпанов Г.С. Методика изучения симбиотической азотфиксации. М.,1987. 256 с. 6. Работнов Т.А., Меднис Я.А. Ольха как азотособиратель // Природа, 1936. № 6. С. 94-99. 7. Романов Г.Г., Костяев В.Я. Модификация ацетиленового метода измерения интенсивности биологической азотфиксации в тундре // Ботан. журн., 1996. Т. 81. № 12. С. 134-137. 8. Backer D.A. Accumulative listing of isolated Frankiae the symbiotic, nitrogen fixing Actinomycetes // Actinomycetes,1982. № 17. Р. 35. 9. Becking I.H. Tranciaceae fam. nov (Actynomycetoles) with one new combination and six species of the genus Frankia Brunchorst 1886 // Int. J. Syst. Bact., 1970. № 20. Р. 201. 10. Hardy R., Burns R., Holsten B. Application of the acetylene-ethylene assay for measurement of nitrogen fixation // Soil Biol. Biochem., 1973. Vol. 5. № 1. Р. 41-83. 11. Johnsrud S.C. Nitrogen fixation by root nodules of Alnus incana in a Norwegian forest ecosystem // Oikos, 1978. № 30. Р. 475-479. 12. Tjepkema I.D., Ormеrod W. Torrey I.C. Factors affecting vesicle formation and acetylene reduction in Frankia sp. Cp 11 // Nature (London), 1980. № 287. Р. 633-635. v
Логотип -
Начало -
Общие
сведения -
Структура -
Научная деятельность 3467 посещений с 13.09.2001 |