Почвовед РУДН выяснил, как бактерии контролируют баланс углерода в почве

Углерод, который содержится в почве в составе органических остатков, определяет здоровье почвы, ее плодородие и устойчивость экосистемы. Почвенные микроорганизмы потребляют растительные остатки и высвобождают из них углерод и питательные вещества (нутриенты), необходимые для них самих и для почвенных ферментов. Количество нутриентов, которое попадает в почву после разложения органики, зависит от количества углерода в растительных остатках и в почве. Однако как именно микроорганизмы контролируют разложение органики и поддерживают этот баланс, до сих пор неизвестно. Почвовед РУДН совместно с коллегами из Германии, Китая, Саудовской Аравии и Швеции выяснили, как это происходит.

«Микробы могут контролировать соотношение углерода к нутриентам внутри своего сообщества в зависимости от того, сколько нутриентов и углерода содержится внутри органических соединений почвы. Кроме того, они регулируют выработку ферментов, которые, в свою очередь, контролируют высвобождение нутриентов в соответствии потребностями микробного сообщества. Получается, что потребность микроорганизмов в питательных веществах становится ключевым регулятором круговорота углерода в почве. Мы выяснили, с помощью каких механизмов происходит эта регуляция», — доктор биологических наук Яков Кузяков, ведущий научный сотрудник центра «Смарт-технологии устойчивого развития городской среды в условиях глобальных изменений» РУДН.

Почвоведы исследовали образцы почвы, полученные с экспериментальных полей в провинции Хунань на юго-востоке Китая. На этих полях с 1989 года поочередно выращивали рис и «мышиный горошек» — астрагал. Образцы взяли с участков полей, которые получали разные удобрения — чистый комплекс NPK (азот-фосфор-калий), NPK с добавлением куриного навоза, NPK с добавлением соломы. В качестве контрольных взяли образцы с полей, которые не удобряли вовсе. Всего почвоведы собрали по пять образцов в трех разных местах для каждого режима удобрений. Почву высушили, просеяли через сито с отверстиями в 2 мм, чтобы удалить остатки растений и камни. Затем в образцы добавили глюкозу, чтобы проверить, как бактерии будут восстанавливать баланс углерода, и залили водой, чтобы сымитировать условия, в которых выращивают рис. Почвоведы измеряли количество выделяемого углекислого газа и метана, а также с помощью фумигации-экстракции хлороформ определяли микробный состав и активность ферментов на 2, 20 и 60 день эксперимента.

Ввод дополнительной глюкозы увеличил соотношение углерода к азоту в почвенной органике и тем самым нарушил баланс веществ в микробной биомассе. Однако оказалось, что микроорганизмы быстро с ним справились. Они стали активнее добывать азот из органических веществ и увеличили производство фермента N-гидролазы. Этот эффект называется прайминг. Когда запасы дополнительного углерода исчерпались, прайминг пошел в обратную сторону — микроорганизмы сократили выработку гидролазы и ограничили потребление углерода. Наиболее выраженным этот эффект оказался для почв, которые удобряли NPK и навозом.

«Почвенные микроорганизмы меняют выработку углерода и N-гидролазы, и таким образом контролируют баланс углерода», — доктор биологических наук Яков Кузяков, ведущий научный сотрудник центра «Смарт-технологии устойчивого развития городской среды в условиях глобальных изменений» РУДН.

Исследование опубликовано в журнале Applied Soil Ecology.