Сотрудники Института экологии растений и животных УрО РАН нашли слабое звено в одном из ключевых методов почвенной экологии — тесте приманочных пластин, который во всем мире используют для оценки здоровья почв. Выяснилось, что дождевые черви способны искажать его результаты, механически выталкивая приманку из отверстий. Уральские исследователи предложили простое решение, которое позволяет сделать этот тест точнее.
Авторы работы — заведующий лабораторией экотоксикологии популяций и сообществ ИЭРиЖ УрО РАН доктор биологических наук Евгений Воробейчик и старший научный сотрудник той же лаборатории кандидат сельскохозяйственных наук Игорь Бергман. Именно они показали, что в одном из самых распространенных почвенно-экологических тестов скрывается источник серьезной погрешности. Результаты исследования, выполненного при поддержке РНФ, опубликованы в международном журнале “Applied Soil Ecology”.
Почва только кажется чем-то молчаливым и неподвижным, на самом деле это огромная живая система. Каждую осень на ее поверхность ложатся тонны опавших листьев, хвои, сухой травы. Если бы этот растительный «мусор» не перерабатывался, питательные вещества навсегда оставались бы законсервированными в нем, а сама поверхность Земли постепенно покрывалась бы все более толстым слоем неразложившихся остатков. От того, насколько активно почвенные животные перерабатывают опавшие листья и отмершие корни, зависит очень многое: плодородие полей, чистота воды и даже состав воздуха, которым мы дышим. Как подчеркивает Евгений Воробейчик, почва — это самый большой биореактор на планете. Одна из важнейших ее функций — деструкция мертвого органического вещества, то есть его разложение до простых соединений, которые снова включаются в круговорот жизни.
Долгое время считалось, что главную роль в разложении органики играют микроорганизмы, прежде всего бактерии и грибы. Однако сегодня ясно, что без почвенных животных картина будет неполной. Дождевые черви, клещи, ногохвостки, энхитреиды (малощетинковые черви) не просто поедают органику, но и измельчают ее, перемешивают, пропускают через кишечник, создавая для микробов благоприятную среду. Разделить вклад животных и микроорганизмов долгое время было непросто. Именно поэтому за последние десятилетия таким востребованным стал тест приманочных пластин. Его используют при оценке загрязнения почв, изучении влияния пестицидов и даже в климатических исследованиях.
Суть метода проста: в узкую пластиковую полоску с маленькими отверстиями кладут питательную пасту, после чего полоску помещают в почву. Через несколько дней или недель ее извлекают и смотрят, сколько «порций» было съедено. Метод ценен тем, что позволяет быстро и прямо оценить пищевую активность почвенной фауны в естественных условиях. У этого теста есть и еще одно достоинство: в отличие от других способов, например подстилочных пакетов, он дает возможность судить именно о работе животных, а не обо всем процессе разложения сразу. Короткий срок экспозиции делает вклад микроорганизмов минимальным, поэтому исследователь получает сравнительно «чистый» сигнал именно о пищевой активности почвенной фауны. Неслучайно этот метод включен в международные стандарты оценки качества почв и используется по всему миру.
Оказалось, что дождевые черви поступают с приманкой совсем не так, как более мелкие обитатели почвы. Клещи, ногохвостки и энхитреиды действительно аккуратно выедают пасту из лунок. Черви же нередко действуют иначе.
— Первым сигналом стали наши наблюдения во время полевых работ. При извлечении приманочных полосок из почвы мы неоднократно заставали дождевых червей, что называется, «с поличным»: они застревали в отверстиях, используя их как тоннели для передвижения. Возникло подозрение: а что если червь, протискивая свое тело сквозь узкое, всего два миллиметра, отверстие, действует как поршень? Вместо того чтобы аккуратно выедать приманочную пластинку изнутри, как это делают представители мезофауны, он может просто выдавливать мягкую массу наружу в почву, — рассказывает Евгений Воробейчик.
Чтобы проверить гипотезу, исследователи провели серию лабораторных экспериментов с меченой приманкой, добавив в нее безвредный краситель. Если червь съедал пасту, краситель затем должен был обнаруживаться в его экскрементах. Если же он только выталкивал ее, краситель оставался в почве рядом с полоской. Эксперимент подтвердил подозрение: значительная часть исчезнувшей приманки оказывалась не съеденной, а именно вытолкнутой. Иными словами, тест в ряде случаев фиксировал не реальную пищевую активность, а своеобразную механическую «подделку» результата.
Ошибка оказалась далеко не символической. По данным полевых экспериментов, в местах с высокой численностью червей стандартный тест завышал реальную скорость поедания в среднем на 34 %. В отдельных случаях завышение доходило до 80 и даже превышало 100 %, то есть показывало активность вдвое выше реальной. Причем эта погрешность зависела от того, сколько червей обитает на участке в данный момент, а значит, сравнение разных почв могло приводить к неверным выводам о влиянии загрязнения и других факторов среды.
— Главная неприятность в том, что эта погрешность непостоянна, поэтому нельзя просто ввести некий поправочный коэффициент. Численность червей может кардинально различаться даже на соседних грядках или в разных типах экосистем, — поясняет ученый.
Именно поэтому старая конструкция полосок приводила к недостоверности не столько при абсолютных оценках, сколько при сравнении участков с разной численностью дождевых червей. Там, где исследователь видел резкий контраст в активности почвенной фауны, часть этой разницы могла объясняться вовсе не экологией, а дефектом самого метода. Решение, предложенное уральскими исследователями, выглядит удивительно простым.
— Оно основано на элементарной механике: нельзя позволить червю пролезть насквозь. Мы модифицировали полоску, добавив в каждое отверстие тонкую продольную перегородку. В стандартной полоске отверстие сквозное. Червь, проползая через него, выталкивает пасту как пробку. Перегородка превращает тоннель в два глухих «кармана» с едой. Червь утыкается в препятствие. Он не способен пролезть насквозь, а значит, не может создать то самое поршневое давление, которое выдавливает пищу. Ему приходится действовать как цивилизованному едоку: поедать пасту прямо из лунки. Такая конструкция позволяет получать с одной полоски вдвое больше данных, а значит, повышает надежность самого теста, — говорит Евгений Воробейчик.
Значение этой доработки выходит далеко за пределы одной методической детали. Сегодня почвенные животные все чаще рассматриваются как важные участники глобального углеродного цикла, однако в климатических моделях их роль по-прежнему учитывают недостаточно. Между тем потепление нередко сопровождается иссушением почвы, а в таких условиях черви, клещи и ногохвостки могут резко снижать пищевую активность или уходить в более глубокие слои. Без их участия замедляется и работа микроорганизмов. Поэтому точность в оценке активности почвенной фауны важна не только для почвоведов, но и для всех, кто занимается экологическим мониторингом, сельским хозяйством и моделированием экосистемных процессов.
Как подчеркивает Евгений Воробейчик, выиграют все, но по-разному:
— Ученые-экологи и почвоведы получают «чистый сигнал» именно о пищевой активности, отделенный от артефактов процесса переработки почв. Это позволит строить более точные модели деструкции органики и углеродного цикла. Агрономам и фермерам важно точнее отслеживать изменения в здоровье почв, планировать внесение органики и выбирать технологии обработки. Для экотоксикологов новый тест особенно важен при оценке ущерба от разливов нефти, загрязнения тяжелыми металлами или избытка пестицидов, поскольку он не дает этот ущерб завысить.
В. МЕЛЬНИКОВ
Фото предоставлено ИЭРиЖ УрО РАН