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.