Микробиология лесных пожаров
В то время как была проделана большая работа по изучению влияния лесных пожаров на наземные экосистемы, относительно мало исследований было посвящено влиянию лесных пожаров на почвенную микробиоту или микробной природе самих лесных пожаров.
В результате лесного пожара температура поверхности почвы может достигать более 1000°C, что примерно соответствует температуре лавы, извергающейся из вулкана. Такие экстремальные температуры, помимо изменения физических свойств и химической структуры почвы, также негативно влияют на грибы и бактерии, населяющие ее верхний слой. В целом, выживанию благоприятствуют микробные сообщества, обитающие в более глубоких слоях почвы, а бактерии лучше переносят жару, чем грибы.
В 2019 году Уитман и соавторы исследовали влияние лесных пожаров на микробные сообщества в бореальных лесах северо-западной Канады и обнаружили, что состав сообществ на сгоревших участках значительно отличается от состава сообществ на несгоревших участках, с повышенным обилием бактерий родов Massilia и Arthrobacter и грибов родов Penicillium и Fusicladium.
Микита-Барбато и соавторы изучали структуру микробного сообщества в почвах органического горизонта (слой почвы над верхним слоем почвы, на поверхности которого находятся в основном органические вещества, такие как разлагающиеся листья, ветки, мох и лишайники) в Сосновых землях Нью-Джерси в течение 2 лет после пожара. Они обнаружили, что состав бактерий, грибов и архей изменялся более резко в течение первого года и медленно в течение второго года, но все же значительно отличался от несгоревшей почвы.
В другом исследовании анализировалось влияние различной интенсивности пожара (низкой, умеренной и высокой) на состав бактериального сообщества в верхнем слое почвы (0-10 см) и подпочве (10-20 см) через 6 месяцев после пожара. Авторы наблюдали несколько различий в бактериальных сообществах, населяющих верхний слой почвы и подпочву, и эти различия коррелировали с различиями в pH, общем азоте и аммонийном азоте между двумя типами почв. В совокупности эти результаты свидетельствуют о том, что восстановление физико-химических свойств и микробных сообществ в почве после лесного пожара может происходить очень медленно, прогнозируя долгосрочные последствия для почвенной экосистемы.
Восстанавливающийся сухой склерофилловый лес в Национальном парке "Брисбен Уотер", Австралия, через 76 дней после контролируемого пожара, проведенного в мае 2013 года. Фото: flickr.com
Биоаэрозоли дыма лесных пожаров
Еще одной малоизученной областью исследований является микробиология самих лесных пожаров. Аэрозольная природа дыма лесных пожаров может переносить золу, пыль и вредные химические вещества на большие расстояния. Проведены обширные исследования негативного влияния твердых частиц в дыме лесных пожаров на здоровье сердечно-сосудистой и дыхательной систем человека. Последние данные свидетельствуют о том, что дым лесных пожаров может также аэрозолировать и переносить живые организмы, включая бактерии, грибки и продукты их метаболизма. Эта область "пироаэромикробиологии", которая находится на пересечении экологии пожаров, атмосферных наук и микробиологии, имеет потенциал для раскрытия роли лесных пожаров в распространении патогенных и полезных микробов в экосфере.
Как и сам огонь, температура дыма от лесных пожаров может превышать допустимую для многих форм жизни. Однако изменчивость вида топлива, доступность кислорода и другие метеорологические факторы могут создавать широкий спектр биологических ниш, которые могут благоприятствовать различным популяциям микробов в пространстве и времени.
Существуют доказательства того, что микробы непосредственно переносят твердые частицы, содержащиеся в дыме лесных пожаров. Пирогенный углерод, образующийся в результате лесного пожара, может быть временным субстратом для аэрозольных почвенных микробов, а затемнение ультрафиолетового излучения твердыми частицами повышает жизнеспособность биоаэрозолей. Дикие пожары порождают конвективные воздушные потоки, которые несут горячий огонь прямо вверх, в то время как охлаждающий воздух опускается вниз, создавая циклический тепловой столб. Такие динамические движения еще больше увеличивают концентрацию биоаэрозолей, включая споры грибов, в дыме.
Исследования также свидетельствуют о положительной корреляции между показателями сгоревшей биомассы и присутствием грибов в твердых частицах. Фактически, Центры по контролю и профилактике заболеваний США (CDC) относят пожарных дикой природы к группе повышенного риска кокцидиодомикоза (также известного как "долинная лихорадка") - инфекции, вызываемой грибком, который аэрозолируется при разрушении почвы.
В октябре 2020 года Мур и его коллеги продемонстрировали, что образцы дыма, выделяемого при регулируемых выжиганиях в регионах Северной Флориды, содержат в 5 раз более высокие концентрации микробов по сравнению с окружающим воздухом, что эквивалентно ~7.2 × 109 клеткам на м2 выжженной площади. Приблизительно 80% этих клеток были жизнеспособны, несмотря на воздействие температуры лесного пожара. Авторы также провели эксперименты по контролируемому сжиганию в лаборатории и обнаружили более высокое содержание биоаэрозолей и культивируемых бактерий, выделяемых при сжигании мертвой растительности по сравнению со свежим кустарником. Авторы смогли культивировать ~6% микробов и обнаружили, что многие бактерии были связаны с таксонами, обычно встречающимися в почве, на тканях растений и корневых узелках.
Как влияние лесных пожаров на микробную экологию, так и изучение микробов в дыме лесных пожаров являются новыми областями. Большинство исследований было проведено во время контролируемых пожаров (пожары, специально организованные группой пожарных экспертов для восстановления здоровой экосистемы в определенном месте) или во время пожаров, созданных в лабораторных условиях.
Изучение естественных лесных пожаров по-прежнему представляет собой серьезную проблему, поскольку их непредсказуемость затрудняет получение образцов до возгорания, а также невозможность воспроизведения исследований точно таким же образом для получения статистически значимых данных. Изучение микробного состава из разных частей света с уникальными климатическими и почвенными условиями будет необходимо для углубления знаний в области экологии пожаров и создания прогностических моделей переноса и воздействия дыма. Такие инструменты будут полезны для смягчения будущих проблем, связанных с лесными пожарами, вызванных изменением климатических условий, для восстановления лесов до здорового состояния, а также для предотвращения инфекций, вызванных биоаэрозолями, генерируемыми пожарами.
