Scientific journal

Fundamental research

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

Общеизвестно, что тяжелые металлы (ТМ) приводят к изменениям физических и химических свойств почв, в значительной мере влияют на почвенный микробоценоз и биохимические процессы. Бактерии рода Azotobacter традиционно используются как индикаторы химического загрязнения почвы [1].

Целью данной работы являлось изучение возможности применения свободноживущих азотфиксирующих бактерий Azotobacter для оценки состояния загрязненных тяжелыми металлами почв г. Алматы.

Материалы и методы исследования

Объектом исследований выбраны образцы светло-каштановых почв г. Алматы, отобранные в 3 точках территории города вдоль пр. Райымбека в широтном направлении на пересечении главных автомагистралей (транспортные), а также район ТЭЦ-1 (промышленный); для контроля (фон) был выбран участок за городом - в том же широтном направлении на запад (25 км за городской чертой и в 1 км от трассы). Места отбора почвенных проб обозначены следующим образом: т. 1 - пр. Райымбека (пересечение с ул. Пушкина); т. 2 - пр. Райымбека (пересечение с пр. Сейфуллина); т. 3 - пр. Райымбека (пересечение с ул. Розыбакиева); т. 4 - район ТЭЦ-1; т. 5 - 25 км от города (фон или контроль) и показаны на рис. 1.

Рис. 1. Расположение участков отбора почвенных проб на карте г. Алматы (красные квадраты)

Согласно общепринятой методике отбора проб для проведения почвенного мониторинга [2] образцы почв были взяты на глубине 0-25 см методом «конверта» (в 5 повторностях).

Для микробиологических исследований отбор проб производился стерильными инструментами в стерильные пакеты.

Обилие азотфиксирующих бактерий рода Azotobacter учитывали методом комочков обрастания на агаризованной безазотной среде Эшби [2] с подсчетом КОЕ. Индекс токсичности рассчитывали по Р.Р. Кабирову, Р.Х. Хазиповой [3].

Подготовку проб для определения ТМ (Pb, Cd, Cu и Zn) проводили по методике выполнения измерений массовой доли кислоторастворимых форм металлов [4]. Содержание ТМ определяли на атомно-абсорбционном спектрометре с электротермической атомизацией АА-6650 фирмы «Shumadzu» [5].

Результаты исследования и их обсуждение

Известно, что в городских почвах накапливаются разнообразные соединения естественного и антропогенного происхождения, обусловливающие загрязненность урбаноземов. Основные их загрязнители - ТМ, присутствие которых связано с токсичностью почв, а их количество - со степенью токсичности.

Изучение содержания ТМ в почвенных образцах г. Алматы показало, что перекрестки с интенсивным транспортным движением имели полиметаллическое (Cd, Pb, Cu, Zn) загрязнение, но их содержание варьировало в зависимости от места отбора. Содержание Cd во всех опытных образцах превышало контроль (максимальное превышение составило примерно 4,2 раза в т. 3). В этой же точке отбора почвенные образцы имели повышенное содержание Cu (превышение по сравнению с контролем составило 2,5 раза); превышение по Pb и Zn - 2,6 и 1,5 раза соответственно. Таким образом, почвенные образцы из т. 3, (позже подтвержденные как токсичные по результатам экспериментов с культурой Azotobacter), содержали наибольшее количество TM (кроме Pb). Анализ содержания TM в почвенных образцах т. 4 показал максимальное превышение концентрации Pb по сравнению с контролем в 3,2 раза, содержание остальных TM было также значительным и превышение составило: Cd - 2,6, Cu - 2,0, Zn - 1,5 раза (табл. 1).

Таблица 1

Содержание тяжелых металлов в почвенных образцах

Для оценки степени химического загрязнения почв был использован коэффициент опасности (К_о), который показывал, во сколько раз содержание элемента-экополлютанта в почвенной пробе выше его ПДК. Наибольшие значения К_о отмечены для Pb - от 1,3 до 2,0, Cd - около 1,3 и Cu - от 1,0 до 1,6.

В большом количестве КОЕ бактериальной культуры Azotobacter выросли из почвенных образцов степной зоны (25 км от города) и в некоторых нейтральных и слабощелочных почвах г. Алматы (т. 1).

В настоящем исследовании интегральный показатель биологического состояния почвы был рассчитан по следующим параметрам: обилие КОЕ бактерий рода Azotobacter, средний диаметр их колоний и индекс токсичности (ИТ).

Наибольшее значение ИТ имели пробы почв, взятых на интенсивном транспортном перекрестке (т. 3), число КОЕ Azotobacter и средний диаметр колоний в них минимальные, т.о. эту почву можно отнести к токсичной. Почвенный образец возле ТЭЦ-1 находился на 2-м месте по токсичности (т. 4). Изучение состояния почвенных образцов из 2 других магистралей (т. 1 и т. 2) показало, что показатели токсичности, количество КОЕ Azotobacter и их диаметр были близки между собой и соответствовали категории «среднетоксичных» почв. В контрольном варианте (степная зона за городом) по всем 3 показателям выявлены значения, свидетельствовавшие о благополучии в почвенных образцах (табл. 2).

Таблица 2

Некоторые параметры роста и развития культуры Azotobacter
в анализируемых почвенных образцах

Таким образом, азотфиксирующая культура Azotobacter произрастала в анализируемых почвах по-разному, наблюдались различия в скорости роста, количестве колоний и их диаметре; выявлена зависимость между показателями роста и развития данной тест-культуры и содержанием ТМ в почвенных образцах.

Результаты посевов показали зависимость количества КОЕ Azotobacter от концентрации ТМ в почвенных образцах: в урбаноземах, сильно загрязненных ТМ, наблюдалось максимальное их снижение. По степени токсичности Cd и Pb явились самыми токсичными металлами из исследуемых, о чем свидетельствовало то, что ингибирующее действие ТМ на бактерии рода Azotobacter проявилось весьма значительно в почвенных образцах, взятых в т. 3 (наибольшее содержание Cd = 0,67 мг/кг) и т. 4 (наибольшее содержание Pb = 63,8 мг/кг) (рис. 2).

Рис. 2. Изменение численности Azotobacter (в %) при ингибирующем воздействии TM

Следовательно, рост колоний Azotobacter на среде Эшби составил 53,7 % из почвенных образцов т. 3 и 65,1 % - из образцов почвы, взятых в т. 4, очевидна коррелятивная связь между высокими концентрациями Cd и Pb в этих пробах и количеством колоний Azotobacter (почти на 40-50 % меньше, чем в почвенных пробах за городом). Среднее значение загрязнений почв по Pb г. Алматы (т. 1 и 2) показало уменьшение числа КОЕ Azotobacter примерно на 25 %. Содержание Cu и Zn также оказало определенное ингибирующее воздействие на микробиоту почв по сравнению с контролем. Таким образом, установлена последовательность токсичности тяжелых металлов для Azotobacter в почвах г. Алматы: Cd > Pb > Cu > Zn.

В модельных экспериментах в почвенные образцы вносили растворы солей металлов в следующих вариантах:

1. Pb(CH₃COO)₂⋅7Н₂О, CuSO₄, CdSO₄ и ZnSO₄ в концентрациях, в 2 раза превышавших контрольные.

2. Pb(CH3COO)₂⋅7Н₂О, CuSO₄, CdSO₄ и ZnSO₄ в концентрациях, в 5 раз превышавших контрольные.

3. Pb(CH3COO)₂⋅7Н₂О, CuSO₄, CdSO₄ и ZnSO₄ в концентрациях, в 10 раз превышавших контрольные.

4. Контролем служили естественные урбаноземы, содержавшие определенную концентрацию ТМ (см. табл. 1). Почвенные модельные образцы с внесенными растворами TM инкубировали в эксикаторах (60 % от ПВ, температура 25 °С).

Все исследованные показатели роста и развития культуры Azotobacter (количество КОЕ, средний диаметр колоний и ИТ) снижали свои значения при загрязнении почвы ТМ (табл. 3).

На основании проведенных модельных экспериментов для определения токсичности городских почв можно ввести еще 2 экологических показателя, характеризующих зависимость численности популяции Azotobacter от концентрации ТМ в почвенных образцах: среднесмертельный показатель LD₅₀ и биоцидный показатель LD₁₀₀.

Таблица 3

Экологические характеристики развития культуры Azotobacter в модельном эксперименте

Среднесмертельный показатель LD₅₀ наблюдали при концентрациях ТМ, соответствовавших варианту 2 модельного эксперимента. Летальная доза ТМ LD₁₀₀ для бактерий Azotobacter в данном опыте не выявлена.

Таким образом, нами установлена загрязненность почв г. Алматы тяжелыми металлами (Pb, Cd, Cu, Zn). Для определения степени загрязнения были использованы химические показатели - ПДК и К_о, а также биоиндикатор Azotobacter, определенные биологические показатели роста и развития которого можно применить для диагностики полиметаллического загрязнения почв г. Алматы.

Список литературы

1. Gulyas F. et al. Analysis of soil Toxicity using Azotobacter by soil disk method // Proc. World: Abst. Conf. (Amsterdam, Oct. 25-31, 1987). - Amsterdam, 1988. - P. 753-755.
2. ГОСТ 17.4.3.01-83. Общие требования к отбору проб. (СГ СЭВ 3347-82). - М., 1983. - 44 c.
3. Кабиров Р.Р., Хазипова Р.Х. Альгологический метод оценки токсичности ПАВ // Биоиндикация и биомониторинг. - М.: Наука, 1991. - С. 282-285.
4. ГОСТ 28168-89. Общие требования к отбору проб. - М., 1989. - 52 c.
5. РД 52.18.269-90. Методика выполнения измерения массовой доли подвижных форм металлов. - М.: Госкомитет СССР по «Гидрометеорологии», 1990. - 35 c.
6. Lewis I. M. The cytology of bacteria // Bacteriological Reviews. - 1991. - Vol. 5, № 3. - P. 181-230.
7. Ahmad F., Ahmad I., Khan M. S. Indole Acetic Acid Production by the Indigenous Isolates of Azotobacter and Fluorescent Pseudomonas in the Presence and Absence of Tryptophan // Turkish J. Biol. - 2005. - № 29. - P. 29-34.

Рецензенты:

Тулемисова Ж.К., д.б.н., профессор, зав. кафедрой микробиологии, вирусологии и иммунологии Казахского национального аграрного университета, г. Алматы;

Козыбаева Ф.Е., д.б.н., профессор, ГНС отдела экологии почв Ордена Трудового Красного знамени Казахский научно-исследовательский институт почвоведения и агрохимии имени У.У. Успанова (МСХ АО «КазАгроИнновация), г. Алматы.