научная статья по теме ПОЧВЕННЫЙ МИКРОБИОЦЕНОЗ КАК ПОКАЗАТЕЛЬ СТАБИЛЬНОСТИ ЛУГОВЫХ СООБЩЕСТВ ПРИ ХИМИЧЕСКОМ ЗАГРЯЗНЕНИИ СРЕДЫ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ Охрана окружающей среды. Экология человека

Текст научной статьи на тему «ПОЧВЕННЫЙ МИКРОБИОЦЕНОЗ КАК ПОКАЗАТЕЛЬ СТАБИЛЬНОСТИ ЛУГОВЫХ СООБЩЕСТВ ПРИ ХИМИЧЕСКОМ ЗАГРЯЗНЕНИИ СРЕДЫ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ»

ЭКОЛОГИЯ, 2014, № 2, с. 83-90

УДК 579.6:579.26:579.87

ПОЧВЕННЫЙ МИКРОБИОЦЕНОЗ КАК ПОКАЗАТЕЛЬ СТАБИЛЬНОСТИ ЛУГОВЫХ СООБЩЕСТВ ПРИ ХИМИЧЕСКОМ ЗАГРЯЗНЕНИИ СРЕДЫ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ

© 2014 г. И. Б. Ившина*, **, Л. В. Костина*, Т. Н. Каменских*, В. А. Жуйкова***,

Т. В. Жуйкова***, В. С. Безель****

*Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН 614081 Пермь, ул. Голева, 13 e-mail: ivshina@iegm.ru **Пермский государственный национальный исследовательский университет 614990 Пермь, ул. Букирева, 15 ***ГОБУВПО Нижнетагильская государственная социально-педагогическая академия 622031 Нижний Тагил, ул. Красногвардейская, 57 e-mail: hbfnt@rambler.ru ****Институт экологии растений и животных УрО РАН 620144 Екатеринбург, ул. 8 Марта, 202 e-mail: bezel@ipae.uran.ru Поступила в редакцию 24.04.2013 г.

Почвенный микробный комплекс — важнейшее звено природных экосистем — рассмотрен в качестве одного из факторов, определяющих стабильность луговых сообществ. В условиях Среднего Урала в градиенте многолетнего загрязнения луговых почв тяжелыми металлами изучены разнообразие и обилие основных экологически значимых групп микроорганизмов. Получены данные, свидетельствующие о стабильности сформированного микробного сообщества. Выявлено инициирование функциональной активности отдельных физиологических групп (азотфиксаторов, денитри-фикаторов, целлюлозоразрушающих бактерий) и дыхательной активности микробных сообществ в условиях загрязнения почвы тяжелыми металлами. Обсуждается возможное влияние этих изменений на процессы минерализации растительных остатков в луговых сообществах.

Ключевые слова: почва, микробные сообщества, коэффициент сукцессии, коэффициент олиготроф-ности, дыхательная активность, минерализация растительных остатков, тяжелые металлы, промышленное загрязнение.

DOI: 10.7868/S0367059714020036

Известно, что устойчивое функционирование природных биоценозов в значительной мере определяется стабильностью биогенного обмена химических элементов, важная часть которого — минерализация органического вещества в почвах. Ключевая роль в этих процессах принадлежит микробиоценозам. Комбинированное воздействие физических, химических и биологических факторов окружающей среды может привести к дестабилизации и потере исходных микробиологических свойств почвы, из-за чего возможны изменение стратегии выживания микроорганизмов, патогенизация свободноживущих форм, усиление роста паразитарной и патогенной микрофлоры (Артамонова, 2002).

В последние годы в России повысился интерес к проблеме эколого-микробиологического мониторинга природной среды в различных аспектах, в том числе при химическом загрязнении среды. Необходимо отметить, что происходящие под влиянием антропогенных факторов изменения трудно отличить от естественной динамики микробиологических

процессов в почве, поскольку они в любом случае непосредственно связаны с заменой одних активно функционирующих микроорганизмов другими (Хазиев, 2011). Кроме того, на функциональную активность почвенной мик-робиоты могут оказывать влияние и другие факторы, в том числе погодно-климатические условия, соотношение основных биогенных элементов (С, N Р), уровень химического загрязнения среды и т.д. (Паршина, 2007; Помаз-кина, 2011).

Высокая концентрация промышленных предприятий на территории индустриально развитых районов Среднего Урала — основной источник загрязнения атмосферного воздуха, а также почвенного и растительного покрова тяжелыми металлами, полициклическими ароматическими углеводородами и другими высокотоксичными экополлютанта-ми. Химическое загрязнение оказывает значительное влияние на микробиологический компонент почв, что определяет в конечном итоге состав, структуру и устойчивое функционирование природных биогеоценозов.

Таблица 1. Некоторые физико-химические характеристики исследованной почвы

Показатели

1 3 6 23 30

рНводн 6.3 6.8 6.5 7.6 8.6

Гумус, % 3.6 3.9 3.7 4.1 4.0

С % 1.7 6.7 2.3 3.6 1.6

^легкогидролизуемых соединений, мг/100 г ПОчВЫ 4.6 4.8 4.5 4.1 4.5

Гигроскопическая влага, % 6.6 3.2 2.7 2.7 2.3

Подвижные формы калия (К20), мг/100 г почвы 23.2 39.0 12.0 57.8 26.5

Подвижные формы фосфора (Р205), мг/100 г почвы 2.6 34.3 1.7 69.6 10.8

Токсическая нагрузка, отн. ед.

Цель настоящей работы — исследование разнообразия основных экологически значимых групп микроорганизмов в условиях многолетнего загрязнения луговых почв Среднего Урала тяжелыми металлами и влияния микробиоты на скорость минерализации растительных остатков в луговых сообществах.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

Исследования проводили во время полевого сезона с мая по октябрь 2011 г. на участках, расположенных в зоне воздействия Нижнетагильского металлургического комбината (ОАО "НТМК", предприятие "Евраз Груп", Свердловская обл., 60° в.д., 58° с.ш.). В результате длительной (более 300 лет) истории развития горнометаллургической промышленности на Урале сформировалась высокая техногенная и антропогенная нагрузка на прилегающие территории.

Объектом исследования служила загрязненная тяжелыми металлами почва луговых сообществ вторичного происхождения. Тип почвы — дерново-подзолистая суглинистая со сложным органопро-филем и различной степенью оподзоленности с преобладанием (до 67%) фракций почвенных частиц диаметром 5—10 мм (мелкокомковатая почва). Основные физико-химические характеристики почвы приведены в табл. 1. Геоботаническое описание луговых сообществ и схема отбора проб почвы подробно рассмотрены нами ранее (Жуйкова и др., 2012). Подготовку почвенных образцов для лабораторного определения физико-химических параметров, биологической активности почвы и анализа тяжелых металлов проводили согласно методическим рекомендациям (Инструментальные методы..., 1982; Хавезов, Цалев, 1983; Практикум., 1991). Для более эффективной десорбции микроорганизмов с поверхности почвенных частиц осуществляли предварительную подготовку образцов почвы, включающую ультразвуковую обработку почвенной суспензии (1 : 10) в течение 2—5 мин с помощью низкочастотного диспергатора Soniprep 150 (MSE) (Sanyo, Япония). Скорость разложения образцов

сухих растительных (злаковых, бобовых, разнотравья) остатков определяли в условиях полевого опыта в верхнем (3-4 см) слое почвы с использованием капроновых мешочков (Экологическая токсикология., 2001; Воробейчик, Пищулин, 2011). Убыль в массе растительных остатков, по которой судили о скорости их минерализации, измеряли по истечении 12 мес.

В табл. 2 приведены средние значения концентрации тяжелых металлов в почве на участках наблюдения. В качестве интегрального показателя загрязнения использовали индекс суммарной токсической нагрузки (S), вычисляемый как сумма отношений содержания приоритетных (Cd, Cu, Pb, Zn) токсикантов в почве исследованных участков к региональному фону (Безель и др., 1998). Общий уровень химического загрязнения биотопов изменялся от 1 до 30 отн. ед. В соответствии с интегральным показателем загрязнения исследованные участки отнесены к фоновой (Si = = 1 отн. ед.), буферной (Si = 3—6 отн. ед.) и им-пактной (Si = 23—30 отн. ед.) зонам.

Дыхательную активность почвы определяли с помощью респирометра Micro-Oxymax® (Colum-bius Instruments, Ohio, США), активность дегид-рогеназ (ферментов, участвующих в процессе дыхания) — по степени восстановления йодонитро-тетразолия хлорида. Учет общей численности микроорганизмов в почвенных образцах проводили прямым люминесцентным методом по Д.Г. Звягинцеву и П.А. Кожевину с использованием флюорохромного красителя акридина оранжевого (Инструментальные методы., 1982). Подсчет микроорганизмов осуществляли с помощью люминесцентного микроскопа Micros MC 400FP (Австрия), просматривая не менее 30 полей зрения для каждого образца.

Для выявления и учета представителей различных физиологических групп микроорганизмов использовали чашечный метод и метод предельных разведений. При этом подсчет наиболее вероятного числа микроорганизмов определяли по таблице Мак-Креди. Посев почвенных образцов

Таблица 2. Содержание подвижных форм тяжелых металлов в образцах исследованной почвы (М ± т; по данным 2011 г.)

Si,

Содержание микроэлементов, мкг/г

отн. ед. Cd2+ Co2+ Cr2+ Cu2+ Fe3+ Mn2+ Ni2+ Pb2+ Zn2+

1 0.2 ± ± 0.0 6.5 ± ± 0.9 13.1 ± ±0.8 12.6 ± ±0.9 788.9 ± ±50.9 291.6 ± ±27.2 13.0 ± ±0.9 8.1 ± ±0.9 17.5 ± ± 1.6

3 1.3 ± ±0.0 16.8 ± ± 0.2 20.0 ± ± 0.5 38.6 ± ±0.6 964.5 ± ± 1.7 359.0 ± ±9.4 18.0 ± ±0.3 13.2 ± ±0.2 58.1 ± ± 1.1

6 0.9 ± ±0.1 14.5 ± ± 3.6 7.8 ± ± 1.1 101.6 ± ± 11.1 841.1 ± ± 13.2 375.2 ± ±54.0 7.4 ± ± 1.4 38.8 ± ±4.9 262.7 ± ± 39.6

23 1.5 ± ± 0.5 124.2 ± ± 17.8 7.1 ± ±2.3 951.5 ± ± 236.1 - 2364.9 ± ±93.5 7.8 ± ± 1.3 12.4 ± ±3.9 391.0 ± ± 125.9

30 2.8 ± ±0.4 - 51.9 ± ± 3.4 194.6 ± ±6.6 2736.6 ± ±85.4 - - - 850.4 ± ± 18.3

Примечание: Sj — суммарная токсическая нагрузка; "него арифметического; n > 10.

- данные отсутствуют; M — среднее арифметическое; m — ошибка сред-

проводили на элективные культуральные среды (Практикум..., 2002): аммонификаторы — в мясо-пептонный бульон; денитрификаторы и анаэробные азотфиксаторы (Clostridium spp.) — в среду Гильтея; нитрификаторы I и II фазы — в среду Ви-ноградского; гетеротрофы — на мясопептонный агар (МПА); углеводородокисляющие — на агари-зованную минеральную среду К в парах смеси н-алканов (С12—С17); олиготрофы — на агаризо-ванную минеральную среду К без источника углерода (Каталог штаммов., 1994); сульфатвосста-навливающие — в среду Постгейта Б; железо- и марганецвосстанавливающие — в среду Бромфи-льда; аэробные целлюлозоразрушающие — на среду Гетчинсона. Численность свободноживущих аэробных азотфиксаторов рода Azotobacter учитывали методом комочков обрастания на среде Эш-би. Культивирование микроорганизмов проводили при 28—30оС в течение 7—21 сут.

Коэффициент олиготрофности определяли как отношение численности микроорганизмов, выросших на голодном агаре (ГА), к численности микроорганизмов, выросших на МПА (ГА/МПА), коэффициент сукцессии — как отношение общего количества бактерий, учитываемых прямым методом микроскопии при окрашивании акридином оранжевым, к численности бактерий, выросших на МПА (Семенова

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком