Чайные пакетики рассказали о микробной активности в почвах Европейской части России

Ученые впервые исследовали микробиологическую активность почв вдоль 3 000 километров от севера к югу Европейской части России методом «чайного пакетика». Данный подход позволяет оценить, насколько быстро почвенные микроорганизмы разлагают растительные остатки разного химического состава и доступности к распаду на примере зеленого чая и чая ройбуш. Оказалось, что на скорость разложения легкодоступного зеленого чая влияет преимущественно температура почвы, а в случае более сложного по химическому составу ройбуша — кислотность и месторасположение почвы (городские или природные условия). Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Science of Total Environment.

Одна из ключевых экологических функций почвенных микроорганизмов — разложение сложных органических веществ, поступающих с опавшей листвой, растительными и животными останками, а также с удобрениями. Скорость разложения органических остатков определяет плодородие почвы и ее роль в глобальном цикле углерода (переходе этого элемента от растений к животным, к почвенным микроорганизмам и далее по кругу). Поскольку, разлагая органические вещества, микробы выделяют углекислый газ — осуществляют так называемое микробное дыхание, — они служат одним из основных биогенных источников поступления парниковых газов в атмосферу. Поэтому ученые отслеживают интенсивность этого процесса. Профессиональные методы мониторинга требуют сложного и дорогостоящего оборудования, тогда как дешевой альтернативой им могут служить массовые методы волонтерской науки, доступные каждому. Метод чайных пакетиков — один их них.

Нейлоновые мешочки с чаем выбрали в качестве стандарта потому, что их исходный вес у разных производителей практически одинаков, что позволяет сравнивать результаты, полученные разными людьми в разных местах. К тому же чайные листья похожи на листовой опад и позволяют понять, как быстро почвенные бактерии его разлагают. При этом сетчатая структура пакетиков удобна, поскольку не мешает микроорганизмам проникать непосредственно к чайным листьям. Чтобы провести измерения, чайные пакетики сначала взвешивают, а затем закапывают в почву на 90 дней и по прошествии этого времени взвешивают повторно. По разнице между исходной и конечной массой оценивают, сколько чая — органического вещества — в пакетике разложилось. Метод чайных пакетиков широко распространен в мировой науке: существуют специализированные проекты и платформы для сбора и обработки данных со всего мира. Однако Европейская часть Россия остается белым пятном на «мировой карте чайных пакетиков».

Специалисты из Российского университета дружбы народов имени Патриса Лумумбы (Москва) с коллегами изучили почвы различных природных зон Европейской части России — лесотундры, северной тайги, смешанных и широколиственных лесов, лесостепи и степи. Авторы суммарно закопали 960 чайных пакетиков в шести городах (Мурманске, Апатитах, Москве, Пущино, Курске и Ростове-на-Дону) и на соответствующих фоновых (загородных) территориях. При этом исследователи использовали два вида чая — зеленый и ройбуш — от распространенных в России торговых марок. Это помогло понять, как на результатах измерений методом «чайного пакетика» отражается выбор напитка, ведь в разных регионах планеты доступны (и, соответственно, используются для измерений) неодинаковые виды чая.

Перед началом исследования авторы отобрали на экспериментальных площадках пробы почв для анализа химических свойств и микробиологической активности. В процессе эксперимента раз в две недели ученые измеряли температуру и влажность почв, отражающие сезонную динамику условий обитания микробного сообщества. Спустя 90 дней эксперимента чайные пакетики выкопали, высушили и взвесили. Оказалось, что зеленый чай в среднем разлагается примерно в 2,2 раза быстрее, чем ройбуш. Интересно, что на скорость разложения пакетиков зеленого чая преимущественно влияла температура почвы: в северных «холодных» почвах масса пакетиков снизилась только на 37%, а в южных «теплых» — на 50%. Это говорит о том, что в северных почвах (например, в Мурманске) разложение органических веществ идет медленнее, чем в южных (в Ростове-на-Дону).

Скорость разложения чая ройбуш зависела от температуры и кислотности почвы. Кроме того, значительной оказалась разница между фоновыми и городскими почвами. Так, в среднем, в городских условиях ройбуш разлагался в 1,3 раза быстрее, чем в естественных. Это можно объяснить тем, что в городские почвы часто вносят органические добавки, и местные микроорганизмы адаптируются к тому, что им необходимо разлагать большое количество органики. Поэтому они делают это эффективнее, чем микроорганизмы природных почв. Более того, в городских условиях температура почвы может быть до 3°С выше, чем в природной среде за городом, что также ускоряет разложение чайных листьев.

«Метод "чайного пакетика" не требует дорогостоящего оборудования и позволяет проводить измерения в полевых условиях, а потому дает возможность детально исследовать почвы на территории всей России. Регулярный мониторинг микробной активности таким способом поможет отслеживать состояние почв, в частности их плодородие и наличие загрязнения органикой. В дальнейшем мы планируем исследовать почвы других регионов, а также протестировать новые марки и типы чая», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Вячеслав Васенев, кандидат биологических наук, доцент Департамента ландшафтного проектирования и устойчивых экосистем Аграрно-технологического института РУДН.

В исследовании принимали участие сотрудники Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН (Пущино), Кольского научного центра РАН (Апатиты), Южного федерального университета (Ростов-на-Дону), Института географии РАН (Москва), Карельского научного центра РАН (Петрозаводск), Кубанского государственного университета (Краснодар) и Научно-исследовательского института наземных экосистем (Италия).