TY - JOUR

T1 - Изменения таксономического состава и структуры прокариотного сообщества агродерново-подзолистой почвы при внесении биоугля

AU - Якконен, Кирилл Леонидович

AU - Орлова, Елена Евгеньевна

AU - Орлова, Наталия Евгеньевна

AU - Банкина, Татьяна Александровна

AU - Шахназарова, Влада Юрьевна

N1 - Funding Information: 1Saint Petersburg State University, 7/9, Universitetskaya nab., St. Petersburg, 199034 Russia, e-mail norlo-va48@mail.ru ( corresponding author), orlova55@mail.ru, bankinaagro@mail.ru, yakkonen@mail.ru; 2All-Russian Research Institute for Agricultural Microbiology, 3, sh. Podbel’skogo, St. Petersburg, 196608 Russia, e-mail shahnazarova-v@mail.ru, 2014arki@gmail.com; 3Agrophysical Research Institute, 14, Grazhdanskii prosp., St. Petersburg, 195220 Russia, e-mail alen_rizh@mail.ru ORCID: Shahnazarova V.Yu. orcid.org/0000-0001-9933-7591 Orlova N.E. orcid.org/0000-0002-6768-377X Bankina T.A. orcid.org/0000-0002-6505-3467 Yakkonen K.L. orcid.org/0000-0002-9745-1654 Rizhiya E.Ya. orcid.org/0000-0001-7920-867X Kichko A.A. orcid.org/0000-0002-8482-6226 Orlova E.E. orcid.org/0000-0001-9438-3812 The authors declare no conflict of interests Acknowledgements: The research was carried out using the equipment of the ARRIAM Center for Genomic Technologies, Proteomics, and Cell Biology. Supported financially by Russian Foundation for Basic Research (project No. 18-016-00208а “The effect of biochar on biochemical and microbiological processes of the soil organic matter transformation”) Received September 30, 2019

PY - 2020

Y1 - 2020

N2 - 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.

AB - 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.

KW - Bacteria

KW - Biochar

KW - Fertility

KW - Prokaryotes

KW - Sequencing

KW - Soddypodzolic soil

KW - Structure of microbocenosis

UR - https://www.mendeley.com/catalogue/852d5c94-bce7-32b5-b80c-fc7be9dd97cf/

UR - http://www.scopus.com/inward/record.url?scp=85084470008&partnerID=8YFLogxK

U2 - 10.15389/agrobiology.2020.1.163eng

DO - 10.15389/agrobiology.2020.1.163eng

M3 - статья

VL - 55

SP - 163

EP - 173

JO - СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОЛОГИЯ. СЕРИЯ: БИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ. СЕРИЯ: БИОЛОГИЯ ЖИВОТНЫХ

JF - СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОЛОГИЯ. СЕРИЯ: БИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ. СЕРИЯ: БИОЛОГИЯ ЖИВОТНЫХ

SN - 0131-6397

IS - 1

ER -