Chemical composition and biological activity of peat deposits of oligotrophic bog

Full Text

Введение

Олиготрофные торфяные болота широко распространены на территории Западной Сибири и имеют важное средообразующее значение. Болотные экосистемы являются уязвимыми, и поэтому усиливающееся на них антропогенное воздействие вызывает необходимость исследования естественных болот. Одними из наиболее чувствительных показателей среди параметров биологической активности на изменяющиеся внешние условия являются численность микроорганизмов и активность ферментов. Запасы микробной биомассы, соотношение основных ее компонентов, а также энзимологическая активность варьируют в различных слоях торфяной залежи, что отражается на химическом составе торфа. Определение этих показателей позволяет диагностировать некоторые биохимические процессы, протекающие в почвах и торфяных залежах, такие как минерализация, гумификация, нитрификация и т.д. [1, с. 102–103; 2, с. 8; 3, с. 47–52].

В настоящее время существует ряд работ, посвященных исследованию микробоценозов, ферментативной активности олиготрофных болот Западной Сибири [4, с. 1468–1473; 5; 6, с. 607–613; 7, с. 121–125; 8], однако таких сведений очень мало, что подчеркивает актуальность проводимых исследований.

Цель работы: изучение химического состава, микробной биомассы и ее структуры, а также ферментативной активности торфов, слагающих торфяную залежь олиготрофного болота Газопроводное.

Объекты и методы

Исследования проводились на олиготрофном болоте Газопроводное, возрастом приблизительно 3700 лет. Болото состоит из двух участков, которые разделены песчаной гривой. Площадь болота составляет примерно 123 га, максимальная глубина торфяной залежи – 2,5–2,7 м. Болото представляет типичный для междуречья Оби и Томи вариант рослого ряма. Согласно более ранним исследованиям, его лесная стадия развития не прерывалась на протяжении всего его существования. Среди деревьев на болоте преобладает сосна обыкновенная, встречается сосна сибирская. Микропонижения заняты осоково-сфагновыми ассоциациями, а по бугоркам распространены мшисто-мелко-кустарничковые ассоциации (черника, брусника). Болото Газопроводное, включаясь в природный реестр биоразнообразия лесных территорий, играет водорегулирующую и многоресурсную роль [9, с. 15].

Для исследований на болоте был выбран пункт наблюдений, где при помощи бура ТБГ-1 были отобраны пробы торфа через каждые 25 см до минерального грунта.

В отобранных образцах определяли ботанический состав и степень разложения микроскопическим методом (ГОСТ 28245–89), зольность – путем сжигания навески торфа в муфельной печи при температуре 800 °С в течение 5 часов (ГОСТ 10538–87), обменную кислотность торфа – потенциометрическим методом (ГОСТ 11623–65) на приборе «Иономер И-500» (Аквилон, Россия). Подвижные элементы: азот (NH₄⁺, NO₃⁻) (ГОСТ 27894.3.88, ГОСТ 27894.4.88), фосфор (Р₂O₅) (ГОСТ 27894.5.88), железо (Fe₂О₃) определялось по ГОСТ 27894.7.88 на спектрофотометре Helios Gamma (Intertech Corporation, США).

Биомассу микроорганизмов исследовали прямым методом с использованием люминесцентной микроскопии в шестикратной повторности. Препараты просматривали на люминесцентном микроскопе МИКМЕД-2 [10, с. 14–16]. Активность каталазы определяли газометрическим методом в модификации Ю.В. Круглова и Л.Н. Пароменской [1, с. 50–51]; активность полифенолоксидазы и пероксидазы – методом Л.А. Карягиной и Н.А. Михайловской [1, с. 56–59] в трех повторностях. Статистическую обработку данных проводили в программе Microsoft Office Excel при 95% уровне надежности.

Результаты исследований

Торфа болота Газопроводное относятся преимущественно к древесно-травяной и моховой группам верхового типа. В пункте наблюдений мощность залежи достигает 3,25 м. Придонные слои торфяной залежи (ТЗ) сложены низинными осоковыми и осоково-гипновыми торфами. Выше (175–200 см) залегает травяно-гипновый переходный торф. Верхняя, почти двухметровая, часть торфяной залежи сформирована верховыми видами торфа (рис. 1) [8]. Торфа малозольные (2,3–10,9%), сильнокислые (2,2–3,6 ед. рН), степень разложения торфа варьирует от 20 до 50%.

 

Рисунок 1 – Общетехнические свойства торфов олиготрофного болота Газопроводное. Условные обозначения: А – зольность, %; R – степень разложения торфов, %. Виды торфов: 1 – древесно-травяной, 2 – осоково-гипновый, 3 – осоковый, 4 – осоково-сфагновый, 5 – древесно-сфагновый, 6 – сфагновый, 7 – пушицевый

 

Ранее проведенные исследования группового состава органического вещества торфяной залежи болота Газопроводное показывают [11, с. 196–198], что содержание водорастворимых и легкогидролизуемых веществ в торфяной залежи варьирует в пределах 25,3–46,5% органической массы, снижаясь с глубиной. Содержание гуминовых кислот с глубиной увеличивается, достигая максимума (36,1%) в придонном слое низинного торфа. Фульвокислоты распределены по залежи неравномерно, их содержание изменяется от 12,0 до 24,7%.

Важное значение для биохимических процессов имеют азотсодержащие соединения. Количество аммонийного азота в торфяной залежи болота Газопроводное изменяется от 7,61 до 146,96 мг/100 г сухого торфа (далее – с.т.), при среднем содержании 61,56 мг/100 г с.т. (рис. 2). При этом содержание N-NH₄ cверху вниз изменяется неравномерно, но в целом наблюдается тенденция увеличения содержания данной формы азота с глубиной. Максимальное значение (146,96 мг/100 г с.т.) зафиксировано в слое 275–300 см, сложенном осоковыми торфами со степенью разложения 50%. Повышение содержания аммонийного азота отмечается в слоях 75–100 и 125–150 см, образованных высоко разложившимися сфагново-осоковыми торфами. Содержание нитратного азота по торфяной залежи варьирует в пределах 1,18–122,88 мг/100 г с.т., при среднем значении 24,09 мг/100 г с.т. В распределении нитратного азота отмечается противоположная тенденция: максимальные значения содержания N-NO₃ отмечаются в верхних слоях залежи, при этом увеличение концентрации нитратного азота наблюдается на глубинах 0–25 и 50–75 см. В более глубоких слоях содержание нитратной формы азота уменьшается, что согласуется с литературными данными [12, с. 72–73; 13, с. 16–17]. Известно, что максимальная концентрация нитратного азота фиксируется в аэробном слое, который характеризуется высокими температурами, устойчивыми окислительными условиями и низкими влагозапасами. В целом торфа, формирующие торфяную залежь болота Газопроводное, по данным Г.П. Гамзикова [14], можно отнести к высокообеспеченным нитратной формой азота.

В отличие от азота, соединения фосфора обладают очень слабой миграционной способностью [15, с. 59–60] и выносятся растениями в небольших количествах. Содержание подвижных соединений фосфора в исследуемой торфяной залежи изменяется от 0,44 до 11,20 мг/100 г с.т., при среднем – 6,74 мг/100 г с.т. (рис. 2). По классификации Кирсанова [16] торфа исследуемой ТЗ болота Газопроводное являются среднеобеспеченными подвижными соединениями фосфора. Максимальное количество подвижных соединений фосфора отмечается в верхнем слое и обусловлено биологической аккумуляцией в прикорневой зоне растений.

Из литературных источников известно [16, с. 186–187], что содержание обменных форм железа изменяется в верховом торфе от 2 до 3,5% от его валового количества. Для верховых сфагновых малоразложившихся торфов (со степенью разложения не выше 5%) характерна невысокая подвижность соединений железа, т.к. основная часть железа связана в хелатных комплексах органического вещества торфа. Содержание подвижных соединений железа в исследуемой торфяной залежи варьирует от 24,07 до 343,23 мг/100 г с.т. (рис. 2). Наименьшее содержание Fe₂O₃ отмечено в слое 100–125 см, сформированном хорошо разложившимся сосново-пушицевым торфом. В сфагново-осоковых торфах с различной степенью разложения содержание Fe₂O₃ выше в 5–15 раз и достигает максимального значения 343,23 мг/100 г с.т.

 

Рисунок 2 – Содержание подвижных соединений азота, фосфора и железа в торфяной залежи болота Газопроводное

 

Железо, как элемент с переменной степенью окисления, активно участвует в процессах, протекающих в торфяной залежи. Так, соединения железа наряду с каталазой принимают участие в процессе разложения перекиси водорода, играя роль абиотического катализатора. Это подтверждается наличием корреляционной связи между подвижными соединениями железа и активностью абиотического разложения перекиси водорода, определенной параллельно с активностью фермента каталазы (r = 0,69).

Процесс трансформации органического вещества торфов в торфяных залежах осуществляется различными группами микроорганизмов. Очень долго считали, что торфяные болота очень бедны микроорганизмами, особенно их нижние слои. Говорили даже об их полной стерильности, объясняя это низкими значениями рН, высокой влажностью, плохой аэрацией, относительно низкой температурой, бедностью минеральными солями и др. Но многочисленные исследования [17; 18, с. 713–716; 19, с. 368–372; 20, с. 319–320; 5, с. 40–41] показали, что торфяные болота богаты различными группами микроорганизмов (бактерии, актиномицеты, грибы, дрожжи), которые развиваются по всему профилю торфяной залежи.

В торфяной залежи исследуемого болота обнаружены бактерии, актиномицетный мицелий и споры грибов, содержание которых снижается вниз по профилю (рис. 3). Уменьшение численности микроорганизмов с глубиной отмечалось и ранее в работах М.В. Смагиной [21], А.В. Головченко и др. [4; 18; 19].

Выявлено, что численность бактерий достигает максимальных значений в верхних слоях (20,6–22,4 млрд кл/г), которые характеризуются благоприятными условиями для жизнедеятельности большинства микроорганизмов. С глубиной количество бактерий снижается, к срединным слоям примерно в 2 раза, придонным – в 3–4 раза (6,3–7,4 млрд кл/г). Сравнение полученных результатов с данными других исследователей [18, с. 713–716; 19, с. 368–372] указывает на более низкую плотность бактерий в исследуемой торфяной залежи.

 

Рисунок 3 – Микробная биомасса в торфяной залежи болота Газопроводное

 

В грибной составляющей микробной биомассы на всех глубинах преобладают споры. Грибной мицелий был выявлен преимущественно в верхних слоях торфяной залежи (до глубины 175 см), максимальные его значения отмечаются в верхних слоях (25,4–36,8 м/г). Отсутствие грибного мицелия на глубине ниже 150 см может быть связано с физическими свойствами торфов. На этой глубине тип торфа меняется с верхового на переходный, а далее – на низинный, в поровом пространстве которого преобладают ультрамикропоры, размер которых составляет менее 5 мкм [22, с. 1004–1008]. В таких микропорах, как отмечает Д.Г. Звягинцев [23, с. 118–124], выше активность бактерий, а развитие микроскопических грибов затрудняется. Кроме того, известно, что грибы следуют за легкогидролизуемым органическим веществом, так как являются сапротрофами [24]. В исследуемой торфяной залежи до глубины 150 см основными растениями-торфообразователями являются сфагновые мхи, которые отличаются высоким содержанием легкогидролизуемых веществ. Это подтверждает и проведенный корреляционный анализ, который показал прямую зависимость грибного мицелия от содержания легкогидролизуемых веществ (r = 0,84). Согласно шкале, предложенной Д.Г. Звягинцевым, торфа до глубины 200 см по степени обогащенности микроорганизмами можно отнести к «очень богатым», а ниже 200 см – «богатым» [25, с. 50].

Оценить биологическую активность торфов также можно путем определения активности ферментов, которая зависит как от жизнедеятельности микроорганизмов, так и от химических, физико-химических свойств торфа, содержания органического вещества и других факторов [6, с. 612–613; 1, с. 76–92; 26, с. 156]. Важная роль в процессах трансформации органического вещества принадлежит ферментам из класса оксидоредуктаз (каталаза, полифенолоксидаза и пероксидаза) [1, с. 14–15; 27, с. 78].

Каталазную активность некоторые авторы рассматривают как показатель функциональной активности микрофлоры в разных экологических условиях. Проведенные нами исследования показывают, что каталазная активность в торфяной залежи олиготрофного болота Газопроводное колеблется в пределах 0,99–7,32 мл О₂/г × 2 мин (далее ед.) при среднем значении – 2,37 ед. (рис. 4). Необходимо отметить высокую активность каталазы в исследуемой залежи по сравнению с результатами, полученными ранее для западно-сибирских торфов олиготрофного типа (0,24–1,64 ед.) [28, с. 42–43]. Максимум общей каталазной активности отмечается в верхнем, хорошо аэрируемом слое 0–25 см, где отмечается и высокое содержание микроорганизмов. Результаты корреляционного анализа свидетельствуют о прямой зависимости каталазной активности от численности бактерий в торфяной залежи и длины актиномицетного и грибного мицелия (r = 0,48; 0,59 и 0,65, соответственно). С глубиной активность фермента снижается в 2–5 раз. В средней части торфяной залежи (до глубины 200–225 см), которая сложена верховыми торфами, активность каталазы невысокая (максимум – 1,94 ед.). В нижней части торфяной залежи, где отмечается смена верховых видов торфа на травяно-гипновый переходный (200–225 см) и осоковый низинный (300–325 см), активность каталазы возрастает в 1,2–2 раза, но не достигает значений, зафиксированных для слоя 0–25 см. Таким образом, можно отметить, что на активность каталазы существенное влияние оказывает ботанический состав торфов, которые слагают торфяную залежь [1, с. 86].

Активность ферментов пероксидазы (ПДО) и полифенолоксидазы (ПФО) является показателем интенсивности процессов гумификации разлагающихся в залежи органических соединений. Проведенные исследования показали, что активность ПФО в торфяной залежи изменяется от 0,13 до 6,72 мг 1,4-бензохинона/г × 30 мин (далее по тексту – ед.), при среднем для залежи – 1,33 ед. (рис. 4). Активность ПФО в торфяной залежи болота Газопроводное выше по сравнению с данными, полученными ранее на олиготрофных болотах [6, с. 610; 7, с. 123]. Активность полифенолоксидазы по торфяной залежи изменяется скачкообразно, что, возможно, связано с наличием в торфяной залежи аэробно-анаэробных микрозон и особенностями фракционного состава органического вещества.

Активность ПДО в торфяной залежи болота Газопроводное изменялась от 0,69 до 26,19 мг 1,4-бензохинона/г × 30 мин (далее – ед.), при среднем значении – 8,80 ед. Слои ТЗ до 175 см, сложенные торфами верхового типа, характеризуется наиболее низкими значениями ПДО (не превышает 8,16 ед.). В то же время в нижней части ТЗ (200–325 см), где верховые торфа сменяются на переходные и низинные, наблюдаются устойчивые восстановительные условия и пониженные температуры, более высокие показатели рНсол и зольности, активность ПДО увеличивается в 3–5 раз по сравнению с вышележащими слоями. Это подтверждают и данные корреляционного анализа. Выявлено, что активность ПДО напрямую зависит от рНсол (r = 0,92), зольности (r = 0,51).

 

Рисунок 4 – Активность оксидоредуктаз в торфяной залежи болота Газопроводное

 

Заключение

Таким образом, выявлено, что наиболее активно биохимические процессы протекают в верхней части торфяной залежи олиготрофного болота Газопроводное, обогащенной легкогидролизуемыми веществами, об этом свидетельствуют значительная численность микроорганизмов, высокая каталазная активность и накопление подвижных соединений некоторых элементов минерального питания. В структуре микробной биомассы преобладает бактериальная составляющая. Грибная биомасса в верхних горизонтах залежи представлена мицелием и спорами, в нижних – спорами. Но и в более глубоких слоях торфяной залежи, где наблюдаются устойчивые восстановительные условия на фоне пониженных температур и происходит смена типов торфа с верхового на переходный и низинный, также осуществляются процессы преобразования органического вещества, что подтверждается высокой активностью полифенолоксидазы и пероксидазы, которые участвуют в биогенезе гумуса.

About the authors

Ekaterina Vladimirovna Porokhina

Tomsk State Pedagogical University

Email: porohkatrin@yandex.ru

candidate of biological sciences, associate professor of Plant Biology and Biochemistry Department

Russian Federation, Tomsk

Margarita Alexandrovna Sergeeva

Tomsk State Pedagogical University

Email: masergeeva80@yandex.ru

candidate of biological sciences, associate professor of Plant Biology and Biochemistry Department

Russian Federation, Tomsk

Olga Alexandrovna Golubina

Siberia State Medical University

Author for correspondence.
Email: mtgolubin@yandex.ru

candidate of chemical sciences, associate professor of Chemistry Department

Russian Federation, Tomsk

References

Supplementary files