Почвенное дыхание. Микроорганизмы в арктических городах дышат активнее загородных

Ученые выяснили, что микроорганизмы, живущие в почвах арктических городов, в два раза более интенсивно, чем микробы на природных территориях, осуществляют химические превращения, приводящие к выделению углекислого газа в атмосферу. При этом наибольшее выделение углекислого газа, называемое почвенным дыханием, наблюдается весной в период таяния снега, когда часть «заснувших» на зиму микроорганизмов возвращается к активной жизнедеятельности. Такие наблюдения позволяют оценить вклад дыхания почвы в арктических городах в изменение климата.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в Journal of Soils and Sediments.

Значительнее всего потепление климата отражается на арктическом регионе, где снежный покров становится тоньше и тает вечная мерзлота. Из-за повышения температуры создаются более благоприятные условия для жизнедеятельности почвенных микроорганизмов: они активнее превращают углерод, «захороненный» в мерзлоте, в углекислый газ и тем самым повышают активность почвенного дыхания. Углекислый газ — один из ключевых парниковых газов, — в свою очередь, попадая из почвы в атмосферу, способствует дальнейшему росту температуры у поверхности Земли. Подобные процессы достаточно подробно изучены на природных территориях, однако остается не до конца понятным, как меняется почвенное дыхание в арктических городах, где температура часто выше, чем в загородных условиях, а почвы формируются искусственно и удобряются.

Ученые из Российского университета дружбы народов имени Патриса Лумумбы (Москва) и Кольского научного центра РАН (Апатиты) исследовали годовые выбросы углекислого газа из почв города Апатиты, расположенного в арктической зоне. Авторы взяли почвенные образцы на трех участках — из двух общественных зон в центре и на окраине города, а также из лесной зоны на окраине, которая служила примером природной территории. В лабораторных условиях исследователи проанализировали химические и микробиологические свойства почв, а в полевых условиях измерили их температуру и влажность, а также количество выделяющегося из них углекислого газа.

Анализ показал, что в поверхностном слое городских почв по сравнению с «природными» аналогами углерода содержалось в 2,4 раза меньше, а температура была выше в среднем на 3℃. Кроме того, почвенных микроорганизмов на этих участках оказалось почти в пять раз меньше, но городские микробы активнее «природных» осуществляли химические превращения с углеродсодержащими молекулами. Из-за этого суммарные уровни почвенного дыхания на городских территориях оказались до двух раз выше, чем в природной почве. Это можно объяснить более благоприятными условиями для микробной деятельности: повышенной среднегодовой температурой почвы в городе и большим запасом доступных для микроорганизмов органических веществ.

При этом наиболее активно (в 3–5 раз больше, чем в другие периоды наблюдений) углекислый газ выделялся из всех почв в весенний период, когда температура воздуха повышалась и таял снежный покров. Это объясняется тем, что в период таяния снега резко меняются условия жизни микроорганизмов, и некоторые из них буквально «просыпаются», то есть переходят из неактивного состояния в активное, тем самым «запуская» химические превращения и почвенное дыхание.

Наше исследование показало, что микроорганизмы городских почв активнее, чем обитающие в природных субстратах, выделяют углекислый газ и тем самым вносят серьезный вклад в потепление климата. В дальнейшем мы планируем более детально изучить, какое конкретно изменение температуры оказывается наиболее критичным для микробного сообщества в арктических условиях на примере разных почвенных смесей, используемых при озеленении арктических городов. В результате мы хотим разработать рекомендации по использованию почвенных субстратов оптимального состава в северных городах с учетом экологических эффектов — минимальных выбросов углекислого газа и максимальной функциональной активности и разнообразия микробных сообществ.

Мария Корнейкова, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, заместитель директора по научной работе РУДН им. Патриса Лумумбы

Изображение: места сбора образцов почвы и карта температур города Апатиты в июле 2021 года.
Источник: Saltan et al. / Journal of Soils and Sediments, 2024

Фото на обложке: полевые работы по сбору образцов почвы. Источник: Мария Корнейкова, предоставлено пресс-службой РНФ