Потоки углерода в почвенных системах при внесении глюкозы и кадмия

С.Ю. Селивановская1, А.Р. Гильмуллина1, Я.В. Кузяков2, П.Ю. Галицкая1

1Казанский (Приволжский) федеральный университет, г. Казань, 420008, Россия

2Гёттингенский университет имени Георга-Августа, г. Гёттинген, 37073, Германия

Полный текст PDF

Аннотация

Закрепление углерода в почве, его трансформация и минерализация являются важными этапами круговорота углерода, регулирующими почвенное плодородие. Внесение органических удобрений и токсичных веществ, например тяжелых металлов, приводит к изменению естественного потока углерода. В работе проанализировано изменение содержания органического и растворимого органического углерода, микробной биомассы и оценена дыхательная активность почвы, отобранной с различной глубины, под воздействием глюкозы и кадмия. Внесение органического вещества в виде растворимых соединений (глюкозы) приводит к резкому увеличению метаболической активности, но не приводит к значительному закреплению углерода в почве в виде микробной биомассы или нерастворимых соединений. Тяжелые металлы в почве снижают скорость потока углерода через пул растворимого углерода, не увеличивая при этом углерод микробной биомассы. Наблюдаемый эффект кадмия наиболее выражен в почве глубже 20 см с низким содержанием органического вещества.

Ключевые слова: поток углерода, экология почвенных микроорганизмов, кадмий, глюкоза, тяжелые металлы

Литература

  1. Moinet G.Y.K., Cieraad E., Turnbull M.H., Whitehead D. Effects of irrigation and addition of nitrogen fertiliser on net ecosystem carbon balance for a grassland // Sci. Total Environ. – 2017. – V. 579. – P. 1715–1725. – doi: 10.1016/j.scitotenv.2016.11.199.
  2. Song Y., Zou Y., Wang G., Yu X. Altered soil carbon and nitrogen cycles due to the freeze-thaw effect: A meta-analysis // Soil Biol. Biochem. – 2017. – V. 109. – P. 35–49. – doi: 10.1016/j.soilbio.2017.01.020.
  3. Liao C., Peng R., Luo Y., Zhou X., Wu X., Fang C., Chen J., Li B. Altered ecosystem carbon and nitrogen cycles by plant invasion: A meta-analysis // New Phytol. – 2008. – V. 177. – P. 706–714. – doi: 10.1111/j.1469-8137.2007.02290.x.
  4. Blagodatskaya E.V., Blagodatsky S.A., Anderson T.-H., Kuzyakov Y. Priming effects in Chernozem induced by glucose and N in relation to microbial growth strategies // Appl. Soil Ecol. – 2007. – V. 37, No 1–2. – P. 95–105. – doi: 10.1016/j.apsoil.2007.05.002.
  5. Schlesinger W.H., Andrews J.A. Soil respiration and the global carbon cycle // Biogeochemistry. – 2000. – V. 48, No 1. – P. 7–20. – doi: 10.1023/A:1006247623877.
  6. Abaye D.A., Brookes P.C. Relative importance of substrate type and previous soil management in synthesis of microbial biomass and substrate mineralization // Eur. J. Soil Sci. – 2006. – V. 57, No 2. – P. 179–189. – doi: 10.1111/j.1365-2389.2005.00727.x.
  7. Wang J., Xiong Z., Yan X., Kuzyakov Y. Carbon budget by priming in a biochar-amended soil // Eur. J. Soil Biol. – 2016. – V. 76. – P. 26–34. – doi: 10.1016/j.ejsobi.2016.07.003.
  8. Li Q., Tianc Y., Zhanga X., Xua X., Wanga H., Kuzyakov Y. Labile carbon and nitrogen additions affect soil organic matter decomposition more strongly than temperature // Appl. Soil Ecol. – 2017. – V. 114. – P. 152–160. – doi: 10.1016/j.apsoil.2017.01.009.
  9. Hernández D., Fernández J.M., Plaza C., Polo A. Water-soluble organic matter and biological activity of a degraded soil amended with pig slurry // Sci.  Total Environ. – 2007. – V. 378, No 1–2. – P. 101–103. – doi: 10.1016/j.scitotenv.2007.01.020.
  10. Plaza C., García-Gil J.C., Polo A. Microbial activity in pig slurry amended soils under aerobic incubation // Biodegradation – 2007. – V. 18, No. 2. – P. 159–165. – doi: 10.1007/s10532-006-9051-0.
  11. Yanardağ I.H., Zornoza R., Bastida F., Büyükkiliç-Yanardağ A., García C., Faz A., Mermut A.R. Native soil organic matter conditions the response of microbial communities to organic inputs with different stability // Geoderma. – 2017. – V. 295. – P. 1–9. – doi: 10.1016/j.geoderma.2017.02.008.
  12. Xu N., Tan G., Wang H., Gai X. Effect of biochar additions to soil on nitrogen leaching, microbial biomass and bacterial community structure // Eur. J. Soil Biol. – 2016. – V. 74. – P. 1–8. – doi: 10.1016/j.ejsobi.2016.02.004.
  13. Zavalloni C., Alberti G., Biasiol S., Vedove G.D., Fornasier F., Liu J., Peressotti A. Microbial mineralization of biochar and wheat straw mixture in soil: A short-term study // Appl. Soil Ecol. – 2011. – V. 50. – P. 45–51. – doi: 10.1016/j.apsoil.2011.07.012.
  14. Zornoza R., Acosta J.A., Faz A., Bååth E. Microbial growth and community structure in acid mine soils after addition of different amendments for soil reclamation // Geoderma. – 2016. – V. 272. – P. 64–72. – doi: 10.1016/j.geoderma.2016.03.007.
  15. Eilers K.G., Lauber C.L., Knight R., Fierer N. Shifts in bacterial community structure associated with inputs of low molecular weight carbon compounds to soil // Soil Biol. Biochem. – 2010. – V. 42, No 6. – P. 896–903. – doi: 10.1016/j.soilbio.2010.02.003.
  16. Blagodatskaya E., Yuyukina T., Blagodatsky S., Kuzyakov Y. Three-source-partitioning of microbial biomass and of CO2 efflux from soil to evaluate mechanisms of priming effects // Soil Biol. Biochem. – 2011. – V. 43, No 4. – P. 778–786. – doi: 10.1016/j.soilbio.2010.12.011.
  17. De Nobili M., Contin M., Mondini C., Brookes P.C. Soil microbial biomass is triggered into activity by trace amounts of substrate // Soil Biol. Biochem. – 2001. – V. 33, No 9. – P. 1163–1170. – doi: 10.1016/S0038-0717(01)00020-7.
  18. Dalenberg J.W., Jager G. Priming effect of small glucose additions to 14C-labelled soil // Soil Biol. Biochem. – 1981. – V. 13, No 3. – P. 219–223. – doi: 10.1016/0038-0717(89)90157-0.
  19. Subedi R., Taupe N., Ikovi I., Bertora C., Zavattaro L., Schmalenberger A., Leahy J.J., Grignani C. Chemically and biologically-mediated fertilizing value of manure-derived biochar // Sci. Total Environ. – 2016. – V. 550. – P. 924–933. – doi: 10.1016/j.scitotenv.2016.01.160.
  20. Khan S., Cao Q., Hesham Ael.-L., Xia Y., He J.Z. Soil enzymatic activities and microbial community structure with different application rates of Cd and Pb // J. Environ. Sci. (China). – 2007. – V. 19, No 7. – P. 834–840. – doi: 10.1016/S1001-0742(07)60139-9.
  21. Zoghlami R.I., Hamdi H., Mokni-Tlili S., Khelil M.N., Ben Aissa N., Jedidi N. Changes in light-textured soil parameters following two successive annual amendments with urban sewage sludge // Ecol. Eng. – 2016. – V. 95. – P. 604–611. – doi: 10.1016/j.ecoleng.2016.06.103.
  22. Healy M.G., Ryan P.C., Fenton O., Peyton D.P., Wall D.P., Morrison L. Bioaccumulation of metals in ryegrass (Lolium perenne L.) following the application of lime stabilised, thermally dried and anaerobically digested sewage sludge // Ecotoxicol. Environ. Saf. – 2016. – V. 130. – P. 303–309. – doi: 10.1016/j.ecoenv.2016.04.026
  23. Giller K.E., Witter E., McGrath S.P. Heavy metals and soil microbes // Soil Biol. Biochem. – 2009. – V. 41, No 10. – P. 2031–2037.
  24. Charlton A., Sakrabani R., Tyrrel S., Rivas Casado M., McGrath S.P., Crooks B., Cooper P., Campbell C.D. Long-term impact of sewage sludge application on soil microbial biomass: An evaluation using meta-analysis // Environ. Pollut. – 2016. – V. 219. – P. 1021–1035. – doi: 10.1016/j.envpol.2016.07.050.
  25. Epelde L., Muñiz O., Garbisu C. Microbial properties for the derivation of critical risk limits in cadmium contaminated soil // Appl. Soil Ecol. – 2016. – V. 99. – P. 19–28. – doi: 10.1016/j.apsoil.2015.11.014.
  26. Galitskaya P.Y., Saveliev A.A., Selivanovskaya S.Y. Response of soil microbial community to the simultaneous influence of metals and an organic substance // Contemp. Probl. Ecol. – 2015. – V. 8, No 6. – P. 780–788. – doi: 10.1134/S1995425515060062.
  27. Vig K., Megharaj M., Sethunathan N., Naidu R. Bioavailability and toxicity of cadmium to microorganisms and their activities in soil: a review // Adv. Environ. Res. – 2003. – V. 8, No 1. – P. 121–135. – doi: 10.1016/S1093-0191(02)00135-1.
  28. ISO 14235:1998. Soil quality – Determination of organic carbon by sulfochromic oxidation. – 1998. – 5 p.
  29. ISO 14240-2. Soil quality – Determination of soil microbial biomass – Part 2: Fumigation-extraction method. – 1997. – 10 p.
  30. ISO 16072. Soil quality – Laboratory methods for determination of microbial soil respiration. – 2002. – 19 p.
  31. R: A language and environment for statistical computing. R Foundation for Statistical Computing. – Vienna, Austria. – URL: https://www.R-project.org/.
  32. Barajas-Aceves M. Comparison of different microbial biomass and activity measurement methods in metal–contaminated soils // Biores. Technol. – 2005. – V. 96, No 12. – P. 1405–1414. – doi: 10.1016/j.biortech.2004.09.013.
  33. Niemeyer J.C., Lolata G.B., Carvalho G.M., Da Silva E.M., Sousa J.P. Nogueira M.P. Microbial indicators of soil health as tools for ecological risk assessment of a metal contaminated site in Brazil // Appl. Soil Ecol. – 2012. – V. 59. – P. 96–105. – doi: 10.1016/j.apsoil.2012.03.019.
  34. Spohn M., Chodak M. Microbial respiration per unit biomass increases with carbon-to-nutrient ratios in forest soils // Soil Biol. Biochem. – 2015. – V. 81. – P. 128–133. – doi: 10.1016/j.soilbio.2014.11.008.

Поступила в редакцию

15.08.17

 

Селивановская Светлана Юрьевна, доктор биологических наук, профессор кафедры прикладной экологии

Казанский (Приволжский) федеральный университет

ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия

E-mail: svetlana.selivanovskaya@kpfu.ru

Гильмуллина Алия Рамилевна, аспирант кафедры прикладной экологии

Казанский (Приволжский) федеральный университет

ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия

E-mail: gilmullinaar@mail.ru

Кузяков Яков Викторович, PhD, заведующий кафедрой почвоведения экосистем умеренного пояса

Гёттингенский университет имени Георга-Августа

пл. Вильгельмплатц (Wilhelmsplatz), д. 1, г. Гёттинген, 37073, Германия

E-mail: kuzyakov@gwdg.de

Галицкая Полина Юрьевна, кандидат биологических наук, доцент кафедры прикладной экологии

Казанский (Приволжский) федеральный университет

ул. Кремлевская, д. 18, г. Казань, 420008, Россия

E-mail: gpolina33@yandex.ru

 

Для цитирования: Селивановская С.Ю., Гильмуллина А.Р., Кузяков Я.В., Галицкая П.Ю. Потоки углерода в почвенных системах при внесении глюкозы и кадмия // Учен. зап. Казан. ун-та. Сер. Естеств. науки. – 2017. – Т. 159, кн. 4. – С. 589–601.

For citation: Selivanovskaya S.Y., Gilmullina A.R., Kuzyakov Y.V., Galitskaya P.Y. Carbon fluxes in soil systems supplemented with glucose and cadmium. Uchenye Zapiski Kazanskogo Universiteta. Seriya Estestvennye Nauki, 2017, vol. 159, no. 4, pp. 589–601. (In Russian)

 

Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.