Научный журнал

Фундаментальные исследования

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Семенова И.Н. 1 Ильбулова Г.Р. 1 Суюндуков Я.Т. 1

---

1 ГАНУ «Институт региональных исследований» Академии наук Республики Башкортостан, Сибай

В работе рассмотрена эколого-трофическая структура микробных сообществ почв, находящихся в зоне воздействия горнорудного производства. Установлено, что при приближении к источнику загрязнения почвы тяжелыми металлами увеличивается численность олиготрофной микрофлоры, удовлетворяющей свои потребности за счет веществ, постоянно присутствующих в почве и не нуждающихся в наличии легкодоступных источников энергии, в то время как количество аммонифицирующих микроорганизмов, наоборот, уменьшается. Загрязнение почв медью, цинком и другими металлами оказывает влияние на такие показатели микробиологической активности, как коэффициенты минерализации, педотрофности, сукцессии. Степень воздействия зависит от дозы токсиканта в почве, и выраженный эффект наблюдается лишь при высоких уровнях загрязнения.

Статья в формате PDF

428 KB

тяжелые металлы

микробные сообщества

горнорудные предприятия

1. Булавко Г.И. Влияние различных соединений свинца на почвенную микрофлору // Изв. Сиб. отд. АН СССР. – 1982. – Вып. 1. Сер. биол. – №5. – С. 79–86.

2. Виноградский С.Н. Микробиология почвы. – М.: АН СССР, 1952. – 792 с.

3. Евдокимова Г.А., Кислых Е.Е., Мозгова Н.П. Биологическая активность почв в условиях аэротехногенного загрязнения на Крайнем Севере. – Л., 1984. – 120 с.

4. Загуральская Л.М., Зябченко С.С. Воздействие промышленных загрязнений на микробиологические процессы в почвах бореальных лесов района Костамукши // Почвоведение. – 1994. – №5. – С. 105–110.

5. Ильбулова Г.Р. Биологическая активность почв Зауралья Республики Башкортостан в условиях техногенного загрязнения предприятиями горнорудного комплекса: автореф. дис. ... канд. биол. наук. – Уфа, 2009. – 18 с.

6. Колесников С.И., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. Экологические последствия загрязнения почв тяжелыми металлами. – Ростов н/Д: Изд-во СКНЦ ВШ, 2000. – 232 с.

7. Тяжелые металлы как фактор антропогенного воздействия на почвенную микробиоту / С.В. Левин и др. // Микроорганизмы и охрана почв. – М., 1989. – С. 5–46.

8. Сорокин Д.Ю. Окисление соединений азота гетеротрофными организмами // Успехи микробиологии. – М.: Наука, 1990. – Т. 24. – С. 100–127.

9. Wang W. The response of Nitrobacter ot toxicity // Environ. Int. – 1984. – Vol. 10, №1. – P. 21–26.

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

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

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.

Библиографическая ссылка