14 июля 2023
Команда российских ученых при участии сотрудников биологического факультета и факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова изучила азотные и углеродные циклы при разложении древесных остатков ели обыкновенной. Оказалось, пик активности азотфиксирующей микробиоты приходится на начальной стадии разложения, а максимум микробного дыхания и, как следствие, потоков CO2 в атмосферу приходится на поздние стадии разложения валежа ели. Исследование было выполнено при поддержке Минобрнауки РФ в рамках национального проекта «Наука и университеты» (соглашение № 075-15-2021-1396), его результаты опубликованы в журнале Eurasian Soil Science.
Многие из экологических практик, считавшихся передовыми в XX веке, сейчас признают спорными. В частности, чилийская программа восстановления леса оказалась малоэффективной с экономической точки зрения и привела к снижению биоразнообразия. Для разработки грамотных экологических практик необходимо фундаментально изучать биогеохимические циклы основных элементов-биогенов и особенно – углерода.
Крупные древесные остатки – один из трех крупнейших резервуаров углерода в таежных экосистемах, наряду с почвенным органическим веществом и древостоем. Недоучет потока СО2 в атмосферу при разложении древесины, может привести к завышенным оценкам долговременного связывания атмосферного СО2 в наземных экосистемах и прогнозах по изменению климата.
В разложении древесины ведущую роль играют грибы, которым существенно помогают бактерии и беспозвоночные, при этом часть углерода и других биогенных элементов закрепляется в их клетках, а часть выделяется во внешнюю среду, в первую очередь в виде углекислого газа в атмосферу. Процесс разложения древесины растянут на десятилетия, так как целлюлоза и особенно лигнин очень трудно разрушаемые сложные полимерные соединения. Экологи выделяют 5 стадий разложения древесины, которые отражают не только преобразование углеродсодержащих соединений, но и биогеохимические циклы других элементов. От микробиологических превращений азота зависит разложение соединений углерода — и изучение этих процессов в связке важно для понимания функционирования экосистемы. Эти процессы, в свою очередь, зависят от множества климатических факторов и могут существенно отличаться в разных природных зонах.
Коллектив российских исследователей поставил задачу провести сравнительный анализ активности выделения CO2, микробной биомассы, ее физиологического состояния, скоростей денитрификации и азотфиксации, а также химического состава древесных остатков в зависимости от стадий их разложения. Предполагали, что это даст новую информацию о закономерностях функционирования сообщества деструкторов и интенсивности разложения древесных остатков. Для этого учёные отобрали образцы ели обыкновенной (Picea abies), доминирующей в тайге древесной породы. Для этого они образцы с экспериментальных площадей, заложенных в Центрально-лесном государственном биосферном заповеднике (Тверская область), а в лаборатории провели химические и микробиологические тесты.
Стадии разложения древесины / Источник: АлександрКураков, биологический факультет МГУ
Результаты показали, что наибольшие изменения происходят на границе между стадиями разложения III и IV. Основные выбросы CO2 тоже связаны с этими стадиями. Максимальная активность микробиоты по фиксации атмосферного азота наблюдается на стадии II, в то время как наибольшее количество биомассы микроорганизмов формируется на стадии распада IV.
Полученные данные позволяют прогнозировать, когда после ветровалов и вырубок выбросы СО2 при разложении крупных древесных остатков в южной тайге будут максимальны. Если период деструкции крупного валежа ели в этой подзоне протекает в течение около 80-100 лет, то максимальный пик выделения углекислого газа будет приходиться на 30-50 годы после начала разложения древесины, то есть экологический эффект оказывается сильно отложенным во времени. Это необходимо учитывать при моделировании поступления парниковых газов в атмосферу и углеродных балансов в таежной экосистеме.
«Дальнейшей задачей будет изучить как на основе классических методов посева на питательные среды, полевых сборов плодовых тел грибов, так и с применением современных молекулярно-генетических подходов высокопроизводительного секвенирования ДНК из природных образцов динамику грибных и бактериальных сообществ при разложении древесных остатков ели в южной тайге, – пояснил один из авторов исследования, доктор биологических наук, заведующий кафедрой микологии и альгологии МГУ Александр Кураков. – Это даст возможность глубже понять взаимосвязь изменения активности биогеохимических процессов с видовым и трофическим разнообразием микро- и микобиоты в природных местообитаниях».
В исследовании также принимали участие сотрудники Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН (Пущино).
Трутовый гриб Ganoderma applanatum – активный деструктордревесины / Источник: Александр Кураков, биологический факультетМГУПресс-служба МГУ
