Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора
биологических наук: 03.02.03 – микробиология, 03.02.13 –
почвоведение. — Институт физико-химических и биологических проблем
почвоведения РАН. — Пущино, 2011. — 50 с.
Научный консультант: д.б.н., профессор В.Н. Кудеяров.
Цель работы — усовершенствование системы методов
оценки микробной биомассы и ее активности в почве и разработка
модели круговорота азота и углерода в почве, описывающей динамику
микробной биомассы и пригодной для расчета экосистемных потоков
СO2 и N2O из почвы.
Научная новизна, теоретическая и практическая значимость исследований
Доказана целесообразность применения регидратационного метода определения азота микробной биомассы для количественных исследований роли микроорганизмов в азотном питании растений.
Предложена модификация фумигационного и регидратационного методов определения азота микробной биомассы в почве, основанная на измерении отношения C:N в почвенных экстрактах после фумигации или регидратации.
Впервые определена зависимость изменения скорости оборачиваемости микробной биомассы от доступности азота и углерода в почве. Установлено, что поток азота и углерода через микробную биомассу меняется при наличии растений и в зависимости от количества вносимых удобрений.
Впервые показано, что внесение азота может подавлять или стимулировать дыхание почвы в зависимости от наличия доступного источника углерода и энергии.
Предложена новая модель (NiCa), описывающая рост микроорганизмов в почве, минерализацию органического вещества и внутрипочвенный цикл азота. Используемый подход основан на классических уравнениях микробного роста с включением переменной физиологического состояния, которая характеризует микробную активность. Новая модель способна описывать такие особенности микробного роста в почве, как 1) переход популяции микроорганизмов из активного в покоящееся состояние при лимитировании роста углеродом или азотом; 2) «затравочный эффект», т.е. изменение скорости разложения нерастворимого органического вещества почвы при росте микроорганизмов на легкодоступном субстрате; 3) уменьшение эффективности микробного биосинтеза при дефиците азота.
Впервые на основе современных научных представлений были одновременно смоделированы следующие почвенные процессы: разложение и минерализация растительных остатков и почвенного гумуса; динамика микробной биомассы (С и N); денитрификация с описанием образования и потребления интермедиатов; автотрофная нитрификация с описанием роста нитрификаторов и процесса денитрификации у нитрификаторов; гетеротрофная нитрификация и хемоденитрификация. Динамическое изменение соотношения между аэробной и анаэробной частями почвы и транспорт газов и растворимых субстратов между этими зонами и по профилю почвы завершает систему уравнений в новой модели MiCNiT, которая может использоваться для расчета интенсивности эмиссии парниковых газов (CO2, N2O, NO) разными почвами, а в перспективе – и для оценки и инвентаризации потоков парниковых газов в региональном и глобальном масштабах.
Материалы диссертации используются в курсах лекций Пущинского государственного университета «Учение о биосфере» и «Микробоценозы в агроэкосистемах», а также включены в коллективную монографию «Пулы и потоки углерода в наземных экосистемах России» (2007). Модель MiCNiT в составе комплексной платформы MoBiLE может быть использована для выполнения прогнозных оценок потоков парниковых газов для территории Российской Федерации, разработки мер по регулированию этих величин и оценки эффективности предлагаемых мер в рамках выполнении обязательств Российской Федерации, предусмотренных рамочной Конвенцией ООН об изменении климата и Киотским протоколом.
Научная новизна, теоретическая и практическая значимость исследований
Доказана целесообразность применения регидратационного метода определения азота микробной биомассы для количественных исследований роли микроорганизмов в азотном питании растений.
Предложена модификация фумигационного и регидратационного методов определения азота микробной биомассы в почве, основанная на измерении отношения C:N в почвенных экстрактах после фумигации или регидратации.
Впервые определена зависимость изменения скорости оборачиваемости микробной биомассы от доступности азота и углерода в почве. Установлено, что поток азота и углерода через микробную биомассу меняется при наличии растений и в зависимости от количества вносимых удобрений.
Впервые показано, что внесение азота может подавлять или стимулировать дыхание почвы в зависимости от наличия доступного источника углерода и энергии.
Предложена новая модель (NiCa), описывающая рост микроорганизмов в почве, минерализацию органического вещества и внутрипочвенный цикл азота. Используемый подход основан на классических уравнениях микробного роста с включением переменной физиологического состояния, которая характеризует микробную активность. Новая модель способна описывать такие особенности микробного роста в почве, как 1) переход популяции микроорганизмов из активного в покоящееся состояние при лимитировании роста углеродом или азотом; 2) «затравочный эффект», т.е. изменение скорости разложения нерастворимого органического вещества почвы при росте микроорганизмов на легкодоступном субстрате; 3) уменьшение эффективности микробного биосинтеза при дефиците азота.
Впервые на основе современных научных представлений были одновременно смоделированы следующие почвенные процессы: разложение и минерализация растительных остатков и почвенного гумуса; динамика микробной биомассы (С и N); денитрификация с описанием образования и потребления интермедиатов; автотрофная нитрификация с описанием роста нитрификаторов и процесса денитрификации у нитрификаторов; гетеротрофная нитрификация и хемоденитрификация. Динамическое изменение соотношения между аэробной и анаэробной частями почвы и транспорт газов и растворимых субстратов между этими зонами и по профилю почвы завершает систему уравнений в новой модели MiCNiT, которая может использоваться для расчета интенсивности эмиссии парниковых газов (CO2, N2O, NO) разными почвами, а в перспективе – и для оценки и инвентаризации потоков парниковых газов в региональном и глобальном масштабах.
Материалы диссертации используются в курсах лекций Пущинского государственного университета «Учение о биосфере» и «Микробоценозы в агроэкосистемах», а также включены в коллективную монографию «Пулы и потоки углерода в наземных экосистемах России» (2007). Модель MiCNiT в составе комплексной платформы MoBiLE может быть использована для выполнения прогнозных оценок потоков парниковых газов для территории Российской Федерации, разработки мер по регулированию этих величин и оценки эффективности предлагаемых мер в рамках выполнении обязательств Российской Федерации, предусмотренных рамочной Конвенцией ООН об изменении климата и Киотским протоколом.