Eurasian Soil ScienceEurasian Soil Science0032-180X3034-5618Russian Academy of Science10.31857/S0032180X22601347Respiratory Activity and Biodiversity of Microbiomes in Podzolic Soils of Post-Pyrogenic Spruce Forests in the Krasnoyarsk Territory and the Komi RepublicДыхательная активность и биоразнообразие микробиомов подзолистых почв постпирогенных еловых лесов Красноярского края и Республики КомиGrodnitskayaI. D.ГродницкаяИ. Д. igrod@ksc.krasn.ruИнститут биологии ФИЦ Коми НЦ УрО РАН; МГУ им. М.В. ЛомоносоваInstitute of Biology, Komi Scientific Center, Ural Branch of the Russian Academy of Science; Lomonosov Moscow State University010620236758773

Data on the microbiological properties of podzolic soils (Retisols) of old-growth spruce forests in the middle taiga of the Krasnoyarsk Krai and the Komi Republic are presented. It is shown that, despite the geographical distance, the soils of the regions are characterized by similar morphological and physicochemical properties. It was noted that in the soils of the spruce forests of the European North (R. Komi) and middle Siberia (Krasnoyarsk Krai), no significant difference in the accumulation of microbial biomass and the rate of microbial respiration was found. However, the content of carbon and nitrogen in soils, as well as microbial biomass, had significant differences in the qualitative composition of microbiomes in pyrogenic and non-pyrogenic soil horizons. A significant effect of the pyrogenic factor on the α-diversity of bacteria and fungi was noted. It was shown that representatives of the dominant phyla of bacteria (Proteobacteria, Actinobacteria and Planctomycetes) and fungi (Ascomycota, Basidiomycota and Mucoromycota) actively participate in the assimilation of organic matter with the presence of pyrogenic carbon. The microbiomes of the upper pyrogenic subhorizons include groups of carbotrophic bacteria (Thermomonosporaceae, Isosphaeraceae, Bacillaceae, Xanthobacteraceae) and fungi from the classes Dothideomycetes (Cenococcum), Eurotiomycetes (Penicillium), Sordariomycetes (Trichoderma), Leotiomycetes (Oidiodendron), Umbelopsidomycetes (Umbelopsis), which are capable of converting pyrolysis products into accessible and non-toxic substrates for other organisms.

Представлены данные по микробиологическим свойствам подзолистых почв (Retisols) старовозрастных еловых лесов на территории средней тайги Красноярского края и Республики Коми. Несмотря на различное географическое положение, почвы этих регионов характеризуются близкими морфологическими и физико-химическими свойствами. В почвах ельников Республики Коми и Красноярского края не обнаружено достоверной разницы в накоплении микробной биомассы и скорости микробного дыхания. Однако содержание в почвах углерода и азота, а также микробной биомассы оказывало значимое влияние на качественный состав микробиомов пирогенных и непирогенных горизонтов почв. Отмечено существенное влияние пирогенного фактора на α-разнообразие бактерий и грибов. Показано, что при освоении органического вещества с наличием пирогенного углерода активно участвуют представители доминантных фил бактерий (Proteobacteria, Actinobacteria и Planctomycetes) и грибов (Ascomycota, Basidiomycota и Mucoromycota). В состав микробиомов верхних пирогенных подгоризонтов входят группы карботрофных бактерий (Thermomonosporaceae, Isosphaeraceae, Bacillaceae, Xanthobacteraceae) и грибов из классов Dothideomycetes (р. Cenococcum), E-urotiomycetes (р. Penicillium), Sordariomycetes (р. Trichoderma), Leotiomycetes (р. Oidiodendron), Umbelopsidomycetes (р. Umbelopsis), которые способны к преобразованию продуктов пиролиза в доступные и нетоксичные субстраты для других организмов.

подзолистые почвы (Retisols) старовозрастные ельники микробиомы пирогенные и непирогенные горизонты биоразнообразие прокариот и грибовподзолистые почвы (Retisols) старовозрастные ельники микробиомы пирогенные и непирогенные горизонты биоразнообразие прокариот и грибовАвторы благодарят к. б. н. А.С. Прокушкина за помощь в организации и проведении полевых работ в окрестностях п. Зотино (Красноярский край).Авторы благодарят к. б. н. А.С. Прокушкина за помощь в организации и проведении полевых работ в окрестностях п. Зотино (Красноярский край).Ананьева Н.Д. Микробиологические аспекты самоочищения и устойчивости почв. М.: Наука, 2003. 222 с.Богородская А.В., Кукавская Е.А., Каленская О.П., Буряк Л.В. Микробиологическая оценка состояния почв хвойных лесов Средней Сибири после пожаров разной интенсивности // Лесоведение. 2019. № 2. С. 138–156. https://doi.org/10.1134/S0024114819010030Воздействие пожаров на компоненты экосистемы среднетаежных сосняков Сибири. Новосибирск: Наука, 2014. 232 с.Гладков Г.В.,Чебыкина Е.Ю., Евдокимова Е.В., Иванова Е.А., Кимеклис А.К., Зверев А.О., Кичко А.А., Андронов Е.Е., Абакумов Е.В. Восстановление почвенного микробиома в различных почвенных горизонтах после верхового и низового лесных пожаров // Экологическая генетика. 2020. Т. 18. № 3. С. 343–356.Гродницкая И.Д., Карпенко Л.В., Сырцов С.Н., Прокушкин А.С. Микробиологические особенности и стратиграфия торфов двух типов болот северной части Сым-Дубчесского междуречья (Красноярский край) // Известия РАН. Сер. Биологическая. 2018. № 2. С. 179–190.Гродницкая И.Д., Карпенко Л.В., Пашкеева О.Э., Гончарова Н.Н., Старцев В.В., Батурина О.А., Дымов А.А. Влияние лесных пожаров на микробиологические свойства торфяных олиготрофных почв и торфяно-подзолов глеевых в болотах северной части Сым-Дубческого междуречья (Красноярский край) // Почвоведение. 2022. № 4. С. 454–468.Дымов А.А., Дубровский Ю.А., Габов Д.Н., Жангуров Е.В., Низовцев Н.А. Влияние пожара в северотаежном ельнике на органическое вещество почвы // Лесоведение. 2015. № 1. С. 52–62.Дымов А.А. Сукцессии почв в бореальных лесах Республики Коми. М.: ГЕОС, 2020. 336 с. https://doi.org/10.34756/GEOS.2020.10.37828Забоева И.В. Почвы и земельные ресурсы Республики Коми. Сыктывкар: Коми книжное издательство, 1975. 343 с.Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена, 2004. 342 с.Красильников П.В. Устойчивые соединения углерода в почвах: происхождение и функции // Почвоведение. 2015. № 9. С. 1131–1144. https://doi.org/10.7868/S0032180X15090075Лесные экосистемы Енисейского меридиана / Под ред. Плешикова Ф.И. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2002. 356 с.Методы почвенной микробиологии и биохимии / Под ред. Звягинцева Д.Г. М: Изд-во МГУ, 1991. 303 с.Медведева М.В., Бахмет О.Н., Ананьев В.А., Мошников С.А., Мамай А.В., Мошкина Е.В., Тимофеева В.В. Изменение биологической активности почв в хвойных насаждениях после пожара в средней тайге Карелии // Лесоведение. 2020. № 6. С. 560–574. https://doi.org/10.31857/S0024114820060066Осипов А.Ф., Старцев В.В., Прокушкин А.С., Дымов А.А. Запасы углерода в основных типах лесных почв и древесных пород Красноярского края // Теоретическая и прикладная экология. 2023. № 1. (в печати)Руднева Е.Н., Забоева И.В., Урусевская И.С. Почвенно-географическое районирование центральной и восточной частей европейской территории СССР // Подзолистые почвы центральной и восточной частей европейской территории СССР. Л.: Наука, 1981. 200 с.Теория и практика химического анализа почв / Под ред. Воробьевой Л.А. М., 2006. 400 с.Хабибуллина Ф.М., Кузнецова Е.Г., Васенева И.З. Микромицеты подзолистых и болотно-подзолистых почв в подзоне средней тайги на Северо-Востоке Европейской части России // Почвоведение. 2014. № 10. С. 1228. https://doi.org/10.7868/S0032180X14100049Anderson J.P.E., Domsch K.H. A physiological method for the quantitative measurement of microbial biomass in soils // Soil Biol. Biochem. 1978. V. 10. № 3. P. 314–322.Bates S.T., Berg-Lyons D., Caporaso J.G., Walters W.A., Knight R., Fierer N. Examining the global distribution of dominant archaeal populations in soil // ISME J. 2010. V. 5. P. 908–917.Bolger A.M., Lohse M., Usadel B. Trimmomatic: a flexible trimmer for Illumina sequence data // Bioinformatics. 2014. V. 30(15). P. 2114–2120.Caporaso J.G., Kuczynski J., Stombaugh J., Bittinger K., Bushman F.D., Costello E.K., Fierer N. et al. QIIME allows analysis of high through put community sequencing data // Nature Methods. 2010. V. 7(5). P. 335–336. https://doi.org/10.1038/nmeth.f.303Comeau A.M., Li W.K.W., Tremblay J-E., Carmack E.C., Lovejoy C. Arctic Ocean Microbial Community Structure before and after the 2007 Record Sea Ice Minimum // PLoS ONE. 2011. V. 6(11). P. e27492. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0027492Dedysh S.N., Ivanova A.A. Planctomycetes in boreal and subarctic wetlands: Diversity patterns and potential ecological functions // FEMS Microbiol Ecol. 2019. 95(2). https://doi.org/10.1093/femsec/fiy227Dymov A.A., Gorbach N.M., Goncharova N.N., Karpenko L.V., Gabov D.N., Kutyavin I.N., Startsev V.V., Mazur A.S., Grodnitskaya I.D. Holocene and recent fires influence on soil organic matter, microbiological and physico-chemical properties of peats in the European North-East of Russia // Catena. 2022. V. 117. P. 106449. https://doi.org/10.1016/j.catena.2022.106449Guerrero C., Mataix-Solera J., Gómez I., García-Orenes F., Jordán M.M. Microbial recolonization and chemical changes in a soil heated at different temperatures // Int. J. Wildland Fire. 2005. V. 14. P. 385–400.Khodadad C.L., Zimmerman A.R., Green S.J., Uthandi S., Foster J.S. Taxa-specific changes in soil microbial community composition induced by pyrogenic carbon amendments // Soil Biol. Biochem. 2011 V. 43(2). P. 385–392. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2010.11.005Knicker H. How does fire affect the nature and stability of soil organic nitrogen and carbon? A review // Biogeochemistry. 2007. V. 85 P. 91–118. https://doi.org/10.1007/s10533-007-9104-4Lehmann J., Liang B., Solomon D., Lerotic M., Luizão F., Kinyangi J., Schafer T., Wirick S., Jacobsen C. Near-edge X-ray absorption fine structure NEXAFS) spectroscopy for mapping nano-scale distribution of organic carbon forms in soil: Application to black carbon particles, Global Biogeochem. Cycles. 2005. V. 19. P. GB1013. https://doi.org/10.1029/2004GB002435Mataix-Solera J., Guerrero C., García-Orenes F., Bárcenas G.M., Torres M.P. Forest fire effects on soil microbiology // Fire Effects on Soils and Restoration Strategies. Eds. A. Cerdà Science Publishers: Enfield, 2009. P. 133–175.McMurdie P.J., Holmes S. phyloseq: An R Package for Reproducible Interactive Analysis and Graphics of Microbiome Census Data // PLoS ONE. 2013. V. 8(4). P. e61217. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0061217Osipov A.F., Bobkova K.S., Dymov A.A. Carbon stocks of soils under forest in the Komi Republic of Russia // Geoderma Regional. 2021. V. 27. P. e00427. https://doi.org/10.1016/j.geodrs.2021.e00427Pandey A., Chaudhry Sh., Sharma A., Choudhary V.S., Malviya M.K., Chamoli S., Rinu K., Trivedi P., Palni L.M.S. Recovery of Bacillus and Pseudomonas spp. from the ‘Fired Plots’ Under Shifting Cultivation in Northeast India // Current Microbiology. 2011. V. 62. P. 273–280. https://doi.org/10.1007/s00284-010-9702-6Pietikäinen J., Hiukka R., Fritze H. Does short-term heating of forest humus change its properties as a substrate for microbes? // Soil Biol. Biochem. 2000. V. 32. P. 277–288.Preston C.M., Schmidt M.W.I. Black (pyrogenic) carbon: A synthesis of current knowledge and uncertainties with special consideration of boreal regions // Biogeosciences. 2006. V. 3(4). P. 397–420. https://doi.org/10.5194/bg-3-397-2006Quast C., Pruesse E., Yilmaz P., Gerken J., Schweer T., Yarza P., Peplies J., Glöckner F.O. The SILVA ribosomal RNA gene database project: improved data processing and web-based tools. 2013.Sparling G.T. The substrate-induced respiration method // Methods in applied soil microbiology and biochemistry. Academic Press, 1995. P. 397–404.Startsev V.V., Yakovleva E.V., Kutyavin I.N., Dymov A.A. Fire Impact on Carbon Pools and Basic Properties of Retisols in Native Spruce Forests of the European North and Central Siberia of Russia // Forests. 2022. V. 13. P. 1135. https://doi.org/10.3390/f13071135Sun H., Santalahti M., Pumpanen J., Köster K., Berninger F., Raffaello T., Asiegbu F.O., Jussi Heinonsalo J. Bacterial community structure and function shift across a northern boreal forest fire chronosequence // Sci Rep. 2016. V. 6. P. 32411. https://doi.org/10.1038/srep32411World Reference Base for Soil Resources 2014, International Soil Classification System for Naming Soils and Creating Legends for Soil Maps, World Soil Res. Rep. no. 106, update 2015. FAO, Rome. www.fao.orgWright E.S. Using DECIPHER v2.0 to Analyze Big Biological Sequence Data in R. // The R J. 2016. 8(1), 352–359. https://doi.org/10.1007/BF02927260http://web.uri.edu/gsc/files/16s-metagenomic-library-prep-guide-15044223-b.pdf