Сельскохозяйственная биология, 2018, том 53, № 3, с. 557-569.
(для цитирования)

doi: 10.15389/agrobiology.2018.3.557rus

УДК 631.48:631.461:577.2

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 17-16-01030 «Динамика почвенной биоты в хроносериях посттехногенных ландшафтов: анализ почвенно-экологической эффективности процессов восстановления экосистем».

ДИНАМИКА РАСТИТЕЛЬНОГО СООБЩЕСТВА И МИКРОБИОМА
ХРОНОСЕРИЙ ПОСТТЕХНОГЕННЫХ ПОЧВ В ИЗВЕСТНЯКОВОМ
КАРЬЕРЕ В УСЛОВИЯХ РЕКУЛЬТИВАЦИИ

Я.А. ДМИТРАКОВА¹, Е.В. АБАКУМОВ¹, Е.А. ПЕРШИНА²,
Е.А ИВАНОВА², Е.Е. АНДРОНОВ²

Посттехногенные экосистемы — удобная модель для изучения процессов начального почвообразования и восстановления экосистем. Их можно рассматривать как естественные модели восстановления микробных сообществ во времени (временные ряды и хроносерии). Исследование разновозрастных стадий почвообразования на отвалах карьеров разного типа позволяет получить фактическую информацию о скорости и направленности почвообразования в разнообразных субстратно-фитоценотических комбинациях. Среди карьеров нерудных полезных ископаемых особенное место в структуре горной добыче на Северо-Западе занимают участки по добыче известковых пород, приуроченные к Ижорской возвышенности. Целью настоящей работы было изучение динамики фитоценозов и почвенного микробиома в процессе сукцессии на отвалах различного возраста при естественном самозарастании и рекультивации известнякового карьера. Исследование проводили на карьере Печурки (Сланцевский р-н, Ленинградская обл.) весной и летом 2016 года. Проективное покрытие растительности и видовой состав оценивали на каждом экотопе карьера. Также для каждого участка измеряли рН, количество органического углерода; базальное и субстрат-индуцированное дыхание почв; гранулометрический состав; содержание СО2 карбонатов и влаги. Из образов (0,2 г) выделяли ДНК с помощью набора PowerSoil® DNA Isolation Kit («Mo Bio Laboratories, Inc.», США). Анализ нуклеотидной последовательности вариабельного участка v4 рДНК гена 16S рРНК проводили с помощью секвенатора третьего поколения GS Junior («Roche», Швейцария). Результаты были обработаны с использованием программы QIIME. Для сравнения микробных сообществ проведен анализ a- и b-разнесения. Согласно полученным результатам, основные различия между растительными сообществами были обусловлены позицией в рельефе, а наиболее похожие сообщества колонизировали сходные экотопы. Микробиомы старых (35 и более лет) отвалов отчетливо обособлялись, сообщества микроорганизмов молодых (8-16 лет) и средневозрастных (28-30 лет) отвалов проявляли тенденцию к группировке в отдельные кластеры. По сравнению с молодыми и средневозрастными отвалами старые характеризовались значительным (в 6-8 раз) увеличением доли представителей семейств Micromonosporaceae и Sinobacteraceae. В сообществах молодых отвалов отмечалась несколько большая доля Pseudomonas (в 4,2 раза) и Micrococcaceae (в 3,8 раза), чем в старых. Сообщества влажных террас также несколько отличались от микробиомов остальных участков (сухих террас, оснований отвалов), однако достоверных различий выявить не удалось. Основная проблема успешной рекультивации заключается в восстановлении микробного сообщества. Было выявлено, что на более поздних этапах сукцессии в почвах преобладали олиготрофы, то есть те организмы, которые участвуют в разложении органического вещества. На более ранних стадиях почвообразования более типичными становятся копиотрофные микроорганизмы. Установлено, что процессы, связанные с трансформацией органического вещества служат микробиологическими драйверами почвообразовательного процесса, что особенно важно для начальных стадий восстановления почвенных тел. Таким образом, неблагоприятный гранулометрический состав становится лимитирующим фактором развития растительности вследствие высокой каменистости. При разработке оптимального плана рекультивации и дальнейшем использовании территорий для сельскохозяйственного назначения необходимо проводить мониторинг каждого участка карьера, поскольку эдафические условия могут различаться в зависимости от положения в рельефе и способа воздействия на земли.

Ключевые слова: первичная сукцессия растительности и микроорганизмов, известняковые карьеры, педогенез, метагеном, рекультивация.

Полный текст

DYNAMICS OF THE PLANT COMMUNITY AND MICROBIOM OF
CHRONO-SERIES OF POST-TECHNOLOGICAL SOIL IN LIMESTONE
QUARRY IN THE CONDITIONS OF RECULTIVATION

Ya.A. Dmitrakova¹, E.V. Abakumov¹, E.A. Pershina², E.A. Ivanova²,
E.E. Andronov²

Post-technogenic ecosystems represent informative natural models of initial pedogenesis and restoration under the abandoned and reclamation practices. These soils can be considered as natural experiments on restoration of microbial communities within the age row (time series or chronoseries). Investigation of different aged stages of soil formation on the spoil banks of the quarries give a possibility to obtain initial data on the rate and trends of the pedogenesis in various combinations of substrates and phytocenosis. Among the quarries of mineral substrates in North-West region, particular place is devoted to quarries for lime stone exploitation located on Izhora upland. The purpose of this study conducted in one of the largest limestone quarries of Leningrad region was to examine succession of plant and microbial communities. Species composition and vegetation cover were estimated for different plant communities within each ecotype of quarry. Also at the each plot the following characteristics of soil were measured: pH; organic carbon; soil basal respiration and substrate induced respiration; texture; CO₂ of carbonates and moisture content. Total soil DNA was exctracted using PowerSoil® DNA Isolation Kit (Mo Bio Laboratories, Inc., USA), sequencing of v4, the variable region of 16S rRNA gene pDNA, was conducted using a third-generation GS Junior sequenator (Roshe, Switzerland). The results were processed using the QIIME software. To compare microbial communities, the alpha and beta diversity analyses were performed. Our results highlighted that the main difference between plant communities of different plots were due to position in the landscape, most similar communities colonize similar ecotypes. The microbial communities of the old (35 years or more) dumps are essentially specific, and communities of microorganisms of young (8-16 years) and middle-aged (28-30 years) dumps tend to group into separate clusters. As compared to young and middle age dumps, old dumps are characterized by a significant (6-8-fold) increase in the counts of Micromonosporaceae and Sinobacteraceae representatives. Communities of young dumps have 4.2 times more Pseudomonas and 3.8 timesmore Micrococcaceae members than the communities of old ones. The communities of wet terraces also differ from the microbiomes of the other ecotopes (dry terraces, the bases of the dumps), however, no significant differences could be identified. The main issue for successful soil reclamation is the restoration of the microbial community. It was shown that copiotrophes, the microorganisms adapted to high concentration of soil nutrients, dominate in the youngest soils. As microbial succession proceeded, oligotrophs which are involved in organic matter decomposition become dominating. It was established that the processes connected with transformation of organic matter became the main drivers of soil formation, which is especially important for initial stages of soil body restoration. Data on soil microbiomes and microbiomes of soil-vegetation complexes could be the most important tools for reclamation practices.

Keywords: primary succession of plant and microbial communities, limestone quarries, pedogenesis, metagenome, reclamation.