Функциональное разнообразие микробных сообществ в мерзлых торфяных почвах бугристых болот лесотундры : FUNCTIONAL DIVERSITY OF MICROBIAL COMMUNITIES IN PERMAFROST AFFECTED PEAT SOILS OF FOREST-TUNDRA PEATLANDS

• Main Authors: Лаптева Елена Морисовна, Виноградова Юлия Алексеевна, Горленко Михаил Владимирович
• Format: Report
• Language: unknown
• Published: Известия Самарского научного центра Российской академии наук 2018
• Subjects: бугристые болота; мерзлота; торфяные почвы; микробное сообщество; функциональное разнообразие; мультисубстратное тестирование.; peatlands; permafrost; peat soils; microbial community; functional diversity; multi-substrate testing.; Betula nana; Ice; Tundra
• Online Access: https://dx.doi.org/10.24411/1990-5378-2018-00108; https://cyberleninka.ru/article/n/funktsionalnoe-raznoobrazie-mikrobnyh-soobschestv-v-merzlyh-torfyanyh-pochvah-bugristyh-bolot-lesotundry/pdf

С использованием метода мультисубстратного тестирования изучено функциональное разнообразие микробных сообществ торфяной залежи плоскобугристых болот лесотундры. Охарактеризована специфика внутрипрофильного изменения метаболической активности прокариотных сообществ в торфяных мерзлотных почвах. Установлена разница в количестве ассимилируемых источников углерода, интенсивности их потребления, метаболической работе микробных ассоциаций, представленных в сезонно-талых слоях (СТС), многолетнемерзлой толще (ММП) торфа, а также на контакте верхней границы мерзлоты. Показано, что максимальным функциональным разнообразием (индекс Шеннона H=4,63) и наибольшей величиной метаболической активности (удельная метаболическая работа W=2472) отличаются наиболее прогреваемые в летний период верхние слои СТС торфяной залежи (глубина 0-4 см), представленные остатками дикрановых мхов, лишайников рр. Cladonia, Cetraria, Flavocetraria, фрагментами листовых пластинок, побегов и корней кустарничков Betula nana L., Ledum decumbens L., Empetrum hermaphroditum L., Vaccinium vitis-idaea L. Ниже (на глубине 4-10 см), несмотря на близкий к поверхностному слою торфа уровень концентрации в почве жизнеспособных (с ненарушенной мембраной) бактериальных клеток (соответственно 1,04±0,13 и 1,67±0,20 млрд кл. г-1 а.с.п.), наблюдается снижение функционального разнообразия бактериальных сообществ (Н=3,33) и практически в 7 раз – их метаболической активности (W=727). Минимальными показателями содержания жизнеспособных клеток прокариот (0,56±0,19 млрд кл. г-1 а.с.п.), их функционального разнообразия (Н=2,41) и удельной метаболической работы (W=363) характеризуется надмерзлотный слой торфа (глубина 47-55 см), представленный слабо разложенными остатками сфагновых мхов, отличающихся избыточным содержанием влаги (360±18%) и максимальной величиной актуальной кислотности (рНводн.=3,85±0,10). Слои ММП (глубина 55-115 см), несмотря на наличие льдистой мерзлоты, характеризуются сравнительно высоким содержанием бактерий с ненарушенной клеточной мембраной (1,48-1,82 млрд кл. г-1 а.с.п), что сопоставимо с таковым в верхних слоях СТС. Природная криоконсервация и сохранение жизнеспособных клеток прокариот в ММП обусловливают высокое функциональное разнообразие микробных сообществ (индекс Шеннона 4,37-4,51) и проявление ими значительного уровня метаболической активности (W=1556-2108) при размораживании. Микробные сообщества СТС и ММП существенно различаются не только по количеству, но и по качественному составу потребляемых источников органического углерода. Наиболее резко меняется, по сравнению с верхними слоями СТС и ММП, соотношение ассимилируемых бактериями углеводов, спиртов и аминокислот в надмерзлотных слоях торфа. Их микробные сообщества, а также бактериальные комплексы образцов торфа с глубины 4-10 см относятся, по результатам расчета показателя стабильности сообщества, к наиболее дестабилизированным системам (d>1). Бактериальные сообщества, функционирующие в торфяной залежи на глубине 0-4 и 55-115 см, отличаются, благодаря своему функциональному разнообразию, большей стабильностью и устойчивостью к возникновению кризисных ситуаций (d=0,05-0,23) : The paper is devoted to functional diversity of microbial communities in peat soils of forest-tundra peatland studied by the method of multi-substrate testing. In profile metabolic activity changes of prokaryote communities in permafrost peats have been identified. Amount of assimilated carbon sources, their consumption intensity, metabolic activity of microbial associations differ among the active layer (AL), permafrost layer (PL), and on the border between these two layers. Upper AL (0-4 cm deep) includes remnants of Dicranum mosses, lichens of the Cladonia, Cetraria, Flavocetraria genera, fragments of Betula nana L., Ledum decumbens L., Empetrum hermaphroditum L., Vaccinium vitis-idaea L. leaf blades, shoots, and roots. It is best-warmed in summer and is marked through a high functional diversity (the Shannon index H=4.63) and metabolic activity (W=2472) values. Downwards at a depth of 4-10 cm, bacterial communities decrease in functional diversity (Н=3.33) and seven-fold in metabolic activity (W=727) though concentration of revivable (with save membrane) bacterial cells is similar to that in upper AL (1.04±0.13 and 1.67±0.20 milliard/g a.d.s., relatively). The in-between layer (47-55 cm deep) includes weakly-decomposed remnants of Sphagnum mosses with excessive moisture content (360±18%) and high actual acidity (рНwater=3.85±0.10). It contains few revivable prokaryotic cells (0.56±0.19 milliard/g а.d.s.), marks through a low functional diversity (Н=2.41) and metabolic activity (W=363) values. In spite of ice condition, the PL sections (55-115 cm) are characterized by a relatively high content of bacteria with save cell membrane (1.48-1.82 milliard/g а.d.s.) which is similar to that in upper AL. Natural cryo-conservation of prokaryotic life vitality in PL responds for a high functional diversity of microbial communities (the Shannon index H=4.37-4.51) and metabolic activity (W=15562108) values after defrosting. Microbial communities in AL and PL greatly differ by both quantity and qualitative composition of organic carbon assimilated sources. The difference is most prominent in case of in-between peat layer. Microbial communities in this layer and taken from depth of 4-10 cm are highly instable systems (d>1). Bacterial communities at depths of 0-4 and 55-115 cm are comparatively stable and resistant to critical situations due to high functional diversity.