Исследование почвы в малом масштабе дает большие преимущества
При изучении микробных сообществ в почве чем меньше образец, тем лучше. Только приближаясь к масштабу, в котором функционируют и взаимодействуют микроорганизмы — микронному масштабу — ученые могут понять, как работает сообщество. С этой целью специалисты Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории проанализировали почвенные агрегаты субмиллиметрового размера, чтобы определить биомассу и ферментативный потенциал.
Они обнаружили, что во всех случаях наименьшие макроагрегаты демонстрировали наибольшую активность ферментов.
Кроме того, диапазон ферментативной активности, наблюдаемый во всех макроагрегатах, подтверждает их гипотезу о том, что функциональный потенциал в почве неоднороден на уровне агрегатов, и что существуют измеримые «горячие» и «холодные» точки активности. То есть, измеряемая функция распределена пятнисто. Работа описана в журнале Soil Biology and Biochemistry.
Ученые адаптировали четыре ферментативных анализа для работы с отдельными почвенными агрегатами, чтобы изучать релевантные для среды обитания единицы. Это также позволило им описать изменчивость ферментативного потенциала на уровне индивидуальных макроагрегатов. Измерение потенциальной активности фермента в почве дает информацию о способности почвы опосредовать ключевые реакции, такие как реакции, связанные с разложением и другими функциями экосистемы. Эти функции экосистемы способствуют устойчивости почвы к изменениям окружающей среды.
Традиционно почвенные микробиологи изучают микробные сообщества и процессы на партионном масштабе — от нескольких до сотен граммов. Изучение функции на уровне агрегатов, который ближе к масштабу среды обитания микробов, предоставляет больше возможностей связать структуру микробного сообщества с его функцией и может раскрыть больше информации о почве как среде обитания.
В свою очередь, углубленное понимание микробных взаимодействий в почве открывает множество возможностей для управления земельными ресурсами. Если ученые смогут понять, как бактерии живут и функционируют вместе, эти знания могут привести к новым возможностям для смягчения последствий изменения климата и выбросов парниковых газов или для биоремедиации.
Масштаб — ключевой фактор. «Изучение почв в партионном масштабе не показывает нам микробное сообщество, — говорит микробиолог лаборатории доктор Ванесса Бейли. — Чем крупнее образец, тем больше объем, в котором распределены микробы. И по мере увеличения расстояния между микробами вероятность их взаимодействия уменьшается».
«Процессы, опосредуемые микробами, происходят в микронном масштабе, — продолжает Бейли. — Агрегат диаметром менее 1 миллиметра, или чуть тоньше кредитной карты, приближает нас к тому, что микробы внутри него, скорее всего, представляют собой взаимодействующее сообщество, а не просто набор организмов в одном образце».
Для оценки функционального потенциала в масштабе макроагрегатов (диапазон 250–1000 микрометров) ученые разработали метод анализа биомассы и ферментов в отдельных почвенных макроагрегатах. Они взяли десять смежных почвенных кернов с пастбища на опытном поле Министерства сельского хозяйства США недалеко от Пулмана, штат Вашингтон. С помощью сита они отобрали отдельные макроагрегаты трех размерных классов: 250–425, 425–841 и 841–1000 микрометров.
Затем они измерили микробную активность с помощью анализа фермента β-глюкозидазы и микробную биомассу с помощью аденозинтрифосфата (АТФ), чтобы связать биомассу с целлюлолитическим потенциалом. β-глюкозидаза, вероятно, является лимитирующей стадией в деградации целлюлозы. Её присутствие на малом масштабе «пятнистое», что означает существование микроместообитаний, которые могут контролировать её производство и/или стабилизацию. Эти контролирующие факторы могут включать компетентность внутреннего микробного сообщества.
«Мы надеемся в конечном итоге связать структуру сообщества с функцией в такой сложной естественной экосистеме, как почва, — говорит Бейли. — И на основе этого у нас появится потенциал определить, существуют ли биологические правила, постоянные в этих микроместообитаниях, которые помогут нам понять изменчивость явлений в ландшафте».