В круговороте веществ в экосистемах Земли огромную роль играют микроорганизмы, являющиеся связующими звеньями в биологических циклах. Именно микроорганизмы выполняют функцию редуцентов экосистем, минерализуют органические вещества, тем самым превращая их в доступные для продуцентов соединения.
В почвах различных типов содержатся сообщества микроорганизмов с характерным видовым составом, разнообразием и количественным соотношением различных групп. В условиях повышенного антропогенного загрязнения структура микробных сообществ изменяется, при этом наблюдается уменьшение видового разнообразия почвенной микрофлоры, изменение представленности и появление не свойственных данным зональным условиям видов, утрата ряда особенностей пространственно-временной организации сообществ.
Под действием высоких доз тяжелых металлов происходит снижение количества микроорганизмов [7]. При техногенном загрязнении экосистем снижается как общая численность микроорганизмов, так и резко уменьшается содержание аммонификаторов и нитрификаторов, а количество денитрификаторов и олигонитрификаторов возрастает. Увеличивается также численность фосфатрастворяющих и железоредуцирующих бактерий, а численность целлюлозоразрушающих микроорганизмов имеет тенденцию к снижению [8].
Наиболее чувствительными к загрязнению почв являются аммонифицирующие бактерии, использующие минеральный азот, некоторые споровые бактерии, целлюлозолитические бактерии и актиномице-
ты [3]. Однако не во всех случаях зафиксировано снижение численности почвенных микроорганизмов. В ряде работ отмечено увеличение общей численности микрофлоры [1, 4]. По предположению некоторых исследователей, это объясняется гибелью чувствительных микроорганизмов и активным развитием устойчивых форм, использующих в качестве питания энергетический материал погибших клеток. Имеются сведения об отсутствии достоверных изменений количества микроорганизмов в загрязненных почвах [9]. Ряд авторов указывает на обнаружение изменения численности микроорганизмов только при концентрации загрязнителя, на два порядка превышающей фоновую [6, 7].
Тяжелые металлы, воздействуя на почвенные микроорганизмы, увеличивая численность одних (микроскопических грибов) и уменьшая численность других (бактерий, актиномицетов), приводят к изменению структуры микробного ценоза, вызывая сукцессионные изменения почвенного биоценоза. По степени толерантности к действию тяжелых металлов основные группы почвенных микроорганизмов располагаются следующим образом: микроскопические грибы > актиномицеты > бактерии > спорообразующие бактерии.
Цель данной работы - изучить эколого-трофические группы микробных сообществ почв, подверженных загрязнению тяжелыми металлами со стороны горнорудного производства.
Материалы и методы исследования
Исследования проводились в г. Сибай Республики Башкортостан в зоне влияния крупного предприятия - Сибайского филила Учалинского горно-обогатительного комбината (СФ УГОК). Все пробные площадки (ПП) отбирались методом трансект по розе ветров в восточном, юго-восточном и северно-восточном направлениях на удалении 0,5; 5; 10 км от Сибайской обогатительной фабрики, рассматриваемой в качестве источника загрязнения почвенного покрова тяжелыми металлами (ИЗ) (рисунок). Почвенный покров пробных площадок представлен черноземом обыкновенным среднемощным среднегумусным (7-8 %) легкоглинистым и тяжелосуглинистым. Почвообразующими породами являются делювиальные отложения. Характеризуется нейтральными и щелочными значениями кислотности (рН 6,0 и более). Содержание подвижного фосфора не превышает 4-6 мг на 100 г почвы, содержание общего калия колеблется от 1,2 до 2,4 %, подвижного калия - от 10 до 50 мг на 100 г почвы. Преобладающие ветры - северо-западного и юго-западного направлений.
Расположение пробных площадок в зоне влияния СФ УГОК:
в восточном направлении: ПП1 - 0,5 км, ПП2 - 5 км, ПП3 - 10 км, в юго-восточном: ПП4 - 5 км, ПП5 - 10 км, ПП6 - 15 км; в северно-восточном: ПП7 - 5 км, ПП8 - 10 км, ПП9 - 15 км от ИЗ
Валовое содержание металлов определяли методом атомной абсорбционной спектрометрии в лаборатории Центра агрохимической службы «Башкирский» РБ. В качестве экстрагента использовали 5 М HNO3. Отбор проб и культивирование микроорганизмов проводили общепринятыми методами. Относительные показатели степени минерализации органических веществ в почве определяли следующим образом: - коэффициент минерализации как отношение численности микроорганизмов, выросших на крахмало-аммиачном агаре (КАА), к численности микроорганизмов, выросших на мясо-пептонном агаре (МПА) (КАА/МПА); коэффициент олиготрофности как отношение численности микроорганизмов, выросших на голодном агаре (ГА), к численности микроорганизмов, выросших на МПА (ГА/МПА); коэффициент педотрофности как отношение численности микроорганизмов, выросших на почвенном агаре (ПА), к численности микроорганизмов, выросших на МПА (ПА/МПА). Коэффициент сукцессии рассчитывали по формуле:
К = М/П,
где M - общее количество бактерий, учитываемых прямым методом микроскопии при окрашивании карболовым эритрозином; П - численность бактерий, учтенных на МПА.
Результаты исследования и их обсуждение
В состав почвенной микрофлоры входят микроорганизмы с различными требованиями к условиям питания и источникам энергии. Количественные соотношения между ними зависят от экологических условий, в которых складывается тот или иной микробный ценоз. Впервые концепцию об эколого-трофических группах почвенной микрофлоры выдвинул Виноградский С.Н. [2], который описал две функционально различающиеся группировки микроорганизмов: зимогенную и автохтонную. Зимогенная микрофлора ответственна за разложение свежих растительных остатков, автохтонная - за разложение гумуса. По современным представлениям, структура микробного ценоза, состоящая из зимогенной, автохтонной, олиготрофной и автотрофной групп микроорганизмов, непрерывно сменяется. Олиготрофы - эколого-трофическая группа микроорганизмов, удовлетворяющая свои пищевые потребности за счет постоянно присутствующих в почве веществ и в лабораторных условиях культивируется на голодном и почвенном агаре.
Длительная эксплуатация (более 50 лет) месторождений медно-колчеданных руд привела к загрязнению почв г. Сибай тяжелыми металлами, такими как цинк, медь, кадмий свинец и др. Установлено,что в радиусе 5 км от Сибайской обогатительной фабрики превышение ПДК в слое почвы 0-10 см составляло: для валового содержания меди в 14,3 раза, для цинка - в 5,8 раза. По мере удаления от обогатительной фабрики валовое содержание металлов в почве снижалось [5].
В табл. 1 приведены данные о численности микроорганизмов, относящихся к различным эколого-трофическим группам в почвах, расположенных на разном удалении от ИЗ.
Таблица 1
Количество микроорганизмов различных эколого-трофических групп
в почвенном горизонте А исследуемых пробных площадок
|
№ п/п |
Общее количество микроорганизмов, млн/г почвы |
Микроорганизмы на МПА, млн клеток/г почвы |
Микроорганизмы на КАА, млн клеток/г почвы |
Микроорганизмы на ГА, млн клеток/г почвы |
Микроорганизмы на ПА, млн клеток/г почвы |
|
1 |
80000 |
5,8 |
3,5 |
0,832 |
2,280 |
|
2 |
140000 |
11,2 |
9 |
1,200 |
2,800 |
|
3 |
161000 |
17,6 |
11,6 |
0,680 |
0,480 |
|
4 |
181000 |
12 |
10,24 |
0,480 |
0,720 |
|
5 |
106000 |
10 |
9,6 |
0,408 |
1,240 |
|
6 |
112000 |
12,8 |
6,36 |
0 |
0,480 |
|
7 |
144000 |
5,04 |
12,6 |
1,160 |
2,400 |
|
8 |
199000 |
6,52 |
6,24 |
0,480 |
0 |
|
9 |
188000 |
12,76 |
18,4 |
0,800 |
0 |
Из изученных показателей достоверная корреляция с расстоянием от ИЗ (r = -0,76) была выявлена только в случае количества микроорганизмов, учтенных на ПА. Следовательно, при приближении к ИЗ в структуре микробного сообщества увеличивается численность олиготрофной микрофлоры, удовлетворяющей свои потребности за счет веществ, постоянно присутствующих в почве и не нуждающихся в наличии легкодоступных источников энергии. Количество аммонификаторов, учитываемых на МПА, напротив, было минимальным в 0,5 км от ИЗ, хотя достоверной корреляции между этим показателем и растоянием от ИЗ обнаружено не было. Очевидно, что загрязненность почв тяжелыми металлами не является единственным фактором, оказывающим влияние на численность почвенных микроорганизмов.
Одним из показателей интенсификации минерализационных процессов в почве может быть соотношение бактерий, усваивающих органический и минеральный азот. В почвах с более энергичным процессом минерализации микроорганизмы, усваивающие минеральный азот, обычно превышают по численности микрофлору, развивающуюся за счет органического азота.
Нами были изучены показатели мобилизационных процессов в почве, загрязненной тяжелыми металлами (табл. 2).
Наименьшее значение коэффициента минерализации было отмечено для целинных почв ПП6 в 15 км к юго-востоку от ИЗ с минимальным антропогенным воздействием. Практически на таком же уровне находился коэффициент минерализации почв, наиболее загрязненных тяжелыми металлами (ПП1). Наибольшее значение коэффициента минерализации было установлено для почв ПП7. Данный участок находится в 5 км в северо-восточном направлении от ИЗ, и превышение ПДК в его почвенном покрове отмечено только для цинка. Высокая активность минерализационных процессов на данном участке может быть связана с повышенной влажностью, обусловленной наличием поблизости водоема.
Таблица 2
Показатели микробиологической активности и валовое содержание металлов в почвенном горизонте А исследуемых пробных площадок
|
№ п/п |
Коэффициенты |
Валовое содержание металлов, мг/кг почвы |
||||||||||
|
минерализации |
олиготрофности |
педотрофности |
сукцессии |
Cu |
Zn |
Cd |
Pb |
Fe |
Mn |
Co |
Ni |
|
|
1 |
0,60 |
0,14 |
0,39 |
13793,1 |
157,5 |
553,8 |
0,88 |
33,3 |
27803 |
990 |
12,4 |
28,7 |
|
2 |
0,80 |
0,11 |
0,25 |
12500,0 |
45,9 |
583,9 |
1,0 |
21,9 |
25240 |
1039 |
11,0 |
30,1 |
|
3 |
0,66 |
0,04 |
0,03 |
9147,7 |
29,4 |
104,0 |
0,78 |
18,1 |
24730 |
1051 |
11,2 |
28,6 |
|
4 |
0,85 |
0,04 |
0,06 |
15083,3 |
92,2 |
446,0 |
0,54 |
9,8 |
23520 |
1022 |
10,5 |
36,8 |
|
5 |
0,96 |
0,04 |
0,12 |
10600,0 |
25,9 |
108,2 |
0,98 |
17,3 |
25060 |
907 |
12,8 |
34,5 |
|
6 |
0,50 |
0,00 |
0,04 |
8750,0 |
29,9 |
124,1 |
0,72 |
20,9 |
24790 |
1138 |
13,1 |
31,3 |
|
7 |
2,50 |
0,23 |
0,48 |
28571,4 |
53,0 |
215,0 |
0,58 |
19,2 |
25030 |
1354 |
13,7 |
28,8 |
|
8 |
0,96 |
0,07 |
0,00 |
30521,5 |
49,4 |
142,2 |
1,0 |
17,1 |
29610 |
1182 |
20,1 |
41,6 |
|
9 |
1,44 |
0,06 |
0,00 |
14733,5 |
37,4 |
106,5 |
0,82 |
13,7 |
24990 |
977 |
12,0 |
28,3 |
В целом можно заключить, что загрязнение почв тяжелыми металлами оказывает влияние на активность процессов минерализации в ней, однако, очевидно, что этот фактор является не единственным, воздействующим на микроорганизмы.
В современной экологической терминологии принято подразделять микроорганизмы на r-тратегов, быстро развивающихся за счет легкодоступных соединений, содержащихся в высоких концентрациях в среде, и k-стратегов, способных к медленному росту за счет питательных субстратов, имеющихся в незначительных концентрациях, уже не способных обеспечить рост r-стратегов. В каждой конкретной почве складываются своеобразные микробные ценозы, имеющие определенную структуру. Наряду с активно функционирующими группами микроорганизмов в почве содержится огромное количество пассивных группировок, так называемый микробный пул или запас микроорганизмов, не обеспеченных элементами питания и оптимальными физическими факторами среды, ожидающий благоприятных условий. Поступающее в почву органическое вещество может обеспечить в среднем не более нескольких генераций бактерий за год. Микробный пул обусловливает поддержание гомеостатического состояния почвы, т.е. постоянства химических и других свойств, характерных для данной почвы. При поступлении в почву свежего органического вещества или внесении удобрений в процесс их трансформации включаются микроорганизмы, которые должны привести систему почвы в состояние равновесия.
Сукцессию характеризует коэффициент сукцессии. Высокое значение этого коэффициента характеризует поздние стадии микробной сукцессии, где преобладают популяции К-отбора, низкое значение этого коэффициента указывает на увеличение доли быстрорастущих популяций г- отбора, что характерно для начальных этапов сукцессии.
В наших исследованиях минимальное значение коэффициента сукцессии было в почвах ПП 6 (15 км на юго-восток от ИЗ). Таким образом, почвенный покров данного участка характеризуется не только сниженной минерализационной активностью, но и начальным уровнем микробиологической сукцессии. Наибольшее значение коэффициента сукцессии было характерно для ПП 7 и 8 (5 и 10 км на северо-восток от ИЗ). Очевидно, что высокая активность минерализационных процессов в данном случае привела к формированию зрелого микробного сообщества.
Резюмируя полученные результаты, можно заключить, что загрязнение почв тяжелыми металлами влияет на структуру микробного ценоза, изменяя численность и соотношение эколого-трофических групп микроорганизмов. Однако степень этого влияния зависит от дозы токсиканта в почве, и выраженный эффект наблюдается при более высоких уровнях загрязнения. В целом, качественные и количественные характеристики микробных сообществ зависят от ряда различных факторов, помимо содержания в почве тяжелых металлов. Кроме того, как физиологическая активность, так и численность микроорганизмов являются предметом саморегуляции, а не механическим ответом на условия среды. Возможно, что эта высокая способность к саморегуляции в сочетании с избыточной биомассой и избыточным видовым разнообразием является основанием для устойчивости почвы к внешним воздействиям.
Рецензенты:
Мазгаров И.Р., д.б.н., профессор, зав. кафедрой физиологии человека и животных Сибайского института Башгосуниверситета, г. Сибай;
Янтурин С.И., д.б.н., профессор, зав. кафедрой экологии Сибайского института Башкирского госуниверситета, г. Сибай.
Работа поступила в редакцию 25.10.2011.