БИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ
БИОЛОГИЯ ЖИВОТНЫХ
ПЕЧАТНАЯ ВЕРСИЯ
ЭЛЕКТРОННАЯ ВЕРСИЯ
 
КАК ПОДАТЬ РУКОПИСЬ
 
КАРТА САЙТА
НА ГЛАВНУЮ

 

 

 

 

doi: 10.15389/agrobiology.2020.1.163rus

УДК 631.58:631.461:577.2

Исследования проводились с использованием оборудования ЦКП «Геномные технологии, протеомика и клеточная биология» (ФГБНУ ВНИИСХМ). Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ № 18-016-00208а «Влияние биоугля на биохимические и микробиологические процессы трансформации органического вещества почв».

 

ИЗМЕНЕНИЯ ТАКСОНОМИЧЕСКОГО СОСТАВА И СТРУКТУРЫ
ПРОКАРИОТНОГО СООБЩЕСТВА АГРОДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ
ПОЧВЫ ПРИ ВНЕСЕНИИ БИОУГЛЯ

В.Ю. ШАХНАЗАРОВА1, 2, Н.Е. ОРЛОВА1, Е.Е. ОРЛОВА1,
Т.А. БАНКИНА1, К.Л. ЯККОНЕН1, Е.Я. РИЖИЯ3, А.А. КИЧКО2

В настоящее время в научной литературе активно обсуждается целесообразность применения в земледелии биоугля — одного из новых видов органогенных мелиорантов, получаемого из древесины или отходов растительного происхождения. Биоуголь рекомендуют использовать для увеличения биологической активности почв, повышения продуктивности культур, в ряде стран его активно внедряют в агротехнологии. Однако многие аспекты влияния биоугля на свойства и состояние агроценозов исследованы крайне слабо. Основное беспокойство вызывают данные о влиянии биоугля на минерализацию гумуса, так как дегумификация может привести к потере почвенного плодородия и снижению экологической устойчивости почв, особенно дерново-подзолистых, для которых характерно невысокое содержанием гумуса и слабая гумифицированность. Такие почвы исходно имеют низкую экологическую устойчивость и достаточно уязвимы для воздействия человека. При их использовании необходимо уделять значительное внимание микробиологическим и биохимическим процессам трансформации почвенного органического вещества. Воздействию биоугля на состав и состояние микробиоты почв в России посвящены единичные исследования, а для дерново-подзолистых почв северо-западного региона России оно изучено нами впервые. Целью работы была оценка влияния биоугля на особенности сообществ прокариот хорошо окультуренной агродерново-подзолистой супесчаной почвы. Образцы отбирали в Ленинградской области. Биоугль получали быстрым пиролизом из древесины березы и осины при 550 °С. К почвенным образцам добавляли 1 % биоугля. Исследования проводили в инкубационном эксперименте при комнатной температуре (7 и 90 сут, 20-22 °С; повторность вариантов опыта 3-кратная). Общепринятыми агрохимическими методами определяли содержание общего органического углерода и азота, минеральных форм азота и рН почвенной суспензии. Для анализа таксономического состава почвенных прокариот использовали метод высокопроизводительного секвенирования вариабельного участка гена 16S рРНК. Кластеризацию последовательностей и таксономическую идентификацию полученных операционных таксономических единиц (ОТЕ, OTU — Operational Taxonomic Unit) проводили с помощью программы QIIME. Разнообразие и выравненность бактериальных сообществ агродерново-подзолистой почвы оценивали по числу ОТЕ и индексу Шеннона (H)Статистическую обработку данных осуществляли с помощью программы IBM SPSS Statistics, Version 25 («IBM», США). Достоверность различий между вариантами оценивали по результатам однофакторного дисперсионного анализа с помощью критериев Дункана (Duncan’s test) или Стюдента-Ньюмена-Кейлса (Student-Newman-Keuls test) при p < 0,05. При внесении биоугля в почву отмечали усиление процессов минерализации органического вещества. За период наблюдений содержание гумуса в почве снизилось с 4,41 до 3,83 %, то есть на 11 % больше, чем в контроле. Активизация трансформации органического вещества протекала на фоне изменений состояния прокариотного сообщества. Сообщество было представлено в основном бактериями фил Actinobacteria, Firmicutes, Proteobacteria, Chloroflexi, Acidobacteria, Planctomycetes, Verrucomicrobia. Внесение биоугля в почву сопровождалось возрастанием общего разнообразия бактерий и увеличением обилия представителей фил Planctomycetes,Verrucomicrobia, Proteobacteria и FBP, а также уменьшением обилия представителей фил Actinobacteria, Nitrospirae,Firmicutes и Fibrobacteres. В целом под влиянием биоугля в прокариотном сообществе возросло обилие олиготрофов и сократилась доля копиотрофов. Угнетение бактерий филы Nitrospirae может объясняться снижением концентрации доступного аммония. Кроме того, при внесении биоугля в почве увеличилось обилие некоторых таксонов, включающих бактерии, которые также участвуют в разложении сложных природных биополимеров (порядки Myxococcales и Xanthomonadales, класс Sphingobacteriia и др.). С этими изменениями, вероятно, связана интенсификация процессов трансформации трудномобилизуемых органических веществ при внесении биоугля в агродерново-подзолистую почву.

Ключевые слова: метагеномный анализ, высокопроизводительное секвенирование, почвенный микробоценоз, продукты пиролиза, дерново-подзолистая почва, олиотрофы, копиотрофы, почвенные гидролитики.

 

 

INFLUENCE OF BIOCHAR ON THE TAXONOMIC COMPOSITION
AND STRUCTURE OF PROKARYOTIC COMMUNITIES
IN AGRO SODDY-PODZOLIC SOIL

V.Yu. Shahnazarova1, 2, N.E. Orlova1, Е.Е. Оrlova1, Т.А. Bankina1,
К.L. Yakkonen1, Е.Ya. Rizhiya3, A.A. Kichko2

Currently the scientific literature is actively discussing the feasibility of biochar using in agriculture. Biochar is one of the new types of organic meliorants. It is obtained by pyrolysis of wood or other plant waste in an inert atmosphere converting carbon compounds to a stable state. Its use is recommended to increase the soils biological activity and the agricultural crops productivity and it is actively implement in agricultural technologies of foreign countries. However many aspects of the biochar influence on the agrocenoses properties and state have been poorly studied. There is information about both positive and negative processes occuring in soils under biochar. The main concern is the data on the biochar influence on humus mineralization, since dehumification can lead to loss of soil fertility and ecological stability. This is especially important for soddy-podzolic soils characterized by a low humus content and a weak degree of humification. Such soils initially have low ecological stability and are quite vulnerable to human impact. Therefore using soddy-podzolic soils in agriculture considerable attention should be paid to the microbiological and biochemical transformation of soil organic matter. Studies on the biochar influence on the soil microbiota composition and state in our country are isolated, and for soddy-podzolic soils of the North-Western region of Russia are conducted for the first time. The aim of this work was to assess the influence of biochar on the features of the agro-soddy-podzolic soils prokaryotic community. The research was carried out in incubation experiments on well-cultivated agro-soddy-podzolic sandy loam soil of the Leningrad region. The biochar was produced by fast pyrolysis of birch and aspen wood at 550 °С. Its concentration in the experiment was 1%. The incubation time was 7 and 90 days. The repeat of the variants of the experiment was 3-fold. The content of total organic carbon and nitrogen, mineral forms of nitrogen, and soil suspension pH were determined in soil samples using methods commonly used in agrochemical practice. The method of sequencing the variable region of the 16S rRNA gene was used to determine the taxonomic composition of soil prokaryotes. The sequence clustering and the taxonomic identification of the taxonomic units (OTU, Operational Taxonomic Unit) were performed using the QIIME program. agro-soddy-podzolicStatistical data processing was performed using IBM SPSS Statistics, Version 25 ("IBM", USA). The reliability of the differences between the variants was measured by one-factor variance analysis using the Duncan’s or Student-Newman-Keuls trest at p < 0.05. The intensification of the processes of mineralization of soil organic matter occurred under biochar. The humus content in the soil decreased from 4.41 to 3.83 % which is 11 % more than in the control during the observation period. Activation of organic matter transformation processes took place simultaneously with changes in the state of the prokaryotic community. This community was represented mainly by the bacteria phyla Actinobacteria, Firmicutes, Proteobacteria, Chloroflexi, Acidobacteria, Planctomycetes, Verrucomicrobia. The biochar application was accompanied by an increase in the total bacteria diversity and by the abundance of phyla Planctomycetes, Verrucomicrobia, Proteobacteria and FBP representatives but also by a decrease in the abundance of phyla Actinobacteria, Nitrospirae, Firmicutes and Fibrobacteres representatives. In general biochar application leads to increase in the oligotrophs abundance and to reduce the copiotrophic proportion in prokaryotic community. The inhibition of bacteria from phylum Nitrospirae can be explained by a decrease in the concentration of available ammonium. In addition biochar application leads to increase in the abundance of some taxa containing active hydrolytics of natural polymers (orders Myxococcales and Xanthomonadales, class Sphingobacteriia etc.). Most likely this is due to the intensification of the difficult mobilizing organic substances transformation in agro-soddy-podzolic soils under biochar.

Keywords: sequencing, structure of microbocenosis, bacteria, prokaryotes, biochar, soddy-podzolic soil, fertility.

 

1ФГБОУ ВО Санкт-Петербургский государственный университет,
199034 Россия, г. Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9,
e-mail: norlova48@mail.ru ✉, orlova55@mail.ru, bankinaagro@mail.ru; yakkonen@mail.ru;
2ФГБНУ Всероссийский НИИ сельскохозяйственной микробиологии,
196608 Россия, г. Санкт-Петербург—Пушкин,
ш. Подбельского, 3,
e-mail: shahnazarova-v@mail.ru, 2014arki@gmail.com;
3ФГБНУ Агрофизический научно-исследовательский
институт
,
195220 Россия, г. Санкт-Петербург, Гражданский просп., 14,
e-mail: alen_rizh@mail.ru

Поступила в редакцию
30 сентября 2019 года

 

назад в начало

 


СОДЕРЖАНИЕ

 

 

Полный текст PDF

Полный текст HTML