CC BY
38
УДК 579.6; 577.29
1А.Р.. Хабибуллина, 1Т.В. Кирилина, А.С. Сироткин, 2Й. Трогл
'Казанский национальный исследовательский технологический университет, aida_khabibullin@mail.ru 2Университет Яна Евангелиста Пуркине, Чешская Республика, Josef.Trogl@ujep.cz
БИОЛОГИЧЕСКИЙ МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ ПОЧВЫ В ПРОЦЕССАХ ЕЕ ВОССТАНОВЛЕНИЯ
Проведены исследования образцов почв в процессах их восстановления. На основании оценки ферментативной активности почвенного биоценоза и анализа фосфолипидных жирных кислот сделаны выводы о восстановлении почв и влиянии стрессоров на микроорганизмы. Отмечено, что искусственное восстановление почв протекает интенсивнее естественного; возвышенные участки северных территорий являются более благоприятными для восстановления.
Ключевые слова: почва; почвенные микроорганизмы; восстановление; ферментативная активность; фосфолипиды.
Введение
Быстрые темпы развития промышленности в современном обществе приводят к увеличению нагрузки на экосистемы. В связи с этим охрана окружающей среды осуществляется на государственном уровне и поддерживается множеством федеральных законов, предусматривающих рациональное использование природных ресурсов.
В результате многолетних научных исследований накоплен богатый материал, доказывающий необходимость и возможность применения системы мероприятий, обеспечивающей устранение причин ухудшения свойств земель.
Данная работа выполнялась в рамках долгосрочного международного проекта по восстановлению земель после прекращения добычи угля открытым способом. Анализируемые образцы почвы отбирались с территорий отработанных угольных разрезов, предназначенных для восстановления земельных ресурсов.
Цель работы заключалась в мониторинге состояния почв в процессе их восстановления на основании оценки жизнедеятельности почвенных микроорганизмов.
Материалы и методы исследования
Объектами исследований в данной работе выступали образцы почвы, отобранные с территорий, ранее использованных для добычи угля, а затем отсыпанных грунтом в районе Радовеши-це (Яа^уе8юе) в окрестности г. Усти над Лабем, Чешская Республика.
Отбор проб почвы осуществлялся с глубины в среднем 5 см, поскольку именно на этой глубине активно развиваются корни растений и большинство почвенных микроорганизмов (Хлебникова, 1980).
В настоящее время обследованная территория находится в процессе рекультивации и естественного восстановления. Рекультивация осуществляется за счет высадки деревьев, а естественное восстановление связано с процессом сукцессии под действием природных факторов, без каких-либо специальных мероприятий.
Для выявления стрессовых факторов, влияющих на почвенные микроорганизмы в процессе естественного восстановления, пробы отбирались с различных участков обследованной территории: с северной и южной сторон, возвышенности и низменности.
В качестве контроля в данной работе выступала почва с сельскохозяйственных полей, поскольку после завершения процессов рекультивации и естественного восстановления почву планируется использовать в земледелии.
Для обеспечения статистически надежных результатов с каждого участка отбор проб осуществлялся в 4 повторностях. Статистическая обработка проводилась с использованием процедур статического анализа пакета прикладных программ Microsoft Excel.
В работе оценивалась активность таких ферментов как глюкозидаза, протеаза, арилсульфатаза, фосфатаза и дегидрогеназа. Данные ферменты обусловливают круговорот самых необходимых для растений биогенных элементов: углерода, азота, серы и фосфора.
Идентификация микроорганизмов и оценка влияния стрессовых факторов, их активность проводились на основании анализа фосфолипид-ных жирных кислот в составе клеточных мембран почвенных микроорганизмов. Воздействие стрессовых факторов на микробиоценоз методом анализа фосфолипидов определяют по наличию
18
российский журнал прииой экологии
Таблица ¡.Ферментативная активность почвенных микроорганизмов
Фермент Активность, мг фермента/г почвы
Контроль Рекультивация Естественное восстановление
Глюкозидаза 0.0057±0.0004 0.0050±0.0007 0.0035±0.0010
Протеаза 0.0205±0.0021 0.0362±0.0029 0.0125±0.0040
Арилсульфатаза 0.0159±0.0026 0.0040±0.0007 0.0021±0.0008
Фосфатаза 0.1317±0.0347 0.0742±0.0280 0.31300±0.0180
цис-транс-изомерии или циклов из 3 атомов углерода на концах радикалов фосфолипидных жирных кислот.
В данной работе использовались стандартные методики определения ферментативной активности (Тазетдинова, 2008; ISO 23753-1:2005) и анализ фосфолипидных жирных кислот клеточных мембран (Trogl, Jirkovaetc, 2013).
Результаты и их обсуждение
Согласно полученным данным для отобранных почвенных образцов уровень ферментативной активности почвенных микроорганизмов аналогичен практически для всех групп анализируемых ферментов (табл.1).
Отмечено, что ферментативная активность почвенных микроорганизмов в условиях естественного восстановления почв ниже, чем в образцах контрольной и рекультивируемой почв. При этом значения ферментативной активности микроорганизмов в рекультивируемых почвах близки к показателям контрольных образцов. Исключением является протеолитическая активность микроорганизмов (табл.1). Более высокие значения активности протеаз в образцах почв, отобранных с рекультивируемых территорий, по сравнению с контрольной пробой, могут быть обусловлены неравномерным распределением микроорганизмов в почве и, соответственно, погрешностью отбора проб.
В качестве общего показателя активности почвенных микроорганизмов была выбрана их дегидрогеназная активность (рис.1), поскольку эта группа ферментов класса оксидоре-дуктаз участвует в процессах углеводного и жирового обмена, а также биологического окисления. Значения дегидрогеназной активности микроорганизмов в условиях естественного восстановления почв ниже, чем в образцах контрольной и рекультивируемой почв.
Таким образом, полученные результаты (табл. 1, рис. 1) свидетельствуют о меньшем количестве жизнеспособных почвенных микроорганизмов в условиях естественного восстановле-
ния, поскольку активность ферментов - общий показатель жизнедеятельности биологического материала (Гамаюрова, Зиновьева, 2011).
Рис. 1. Дегидрогеназная активность почвенных микроорганизмов
Результаты идентификации микроорганизмов (рис.2) демонстрируют доминирование Гр- бактерий в контрольной пробе и в процессе рекультивации. При этом в процессе естественного восстановления в почве преобладают Гр+ бактерии.
□ Гр+ "Гр- Щри§ы □ Другие
а б в
Рис. 2. Соотношение микробных групп в почвенных образцах: контрольная проба (а), пробы с территорий рекультивации (б) и естественного восстановления (в)
Однако следует отметить, что процесс естественного восстановления подразумевает сукцессию - последовательную смену одних биологических сообществ другими. Полученные результаты подтверждают большую длительность восстановления плодородия почвы естественным путем.
В качестве комплекса возможных стрессовых факторов окружающей среды в условиях естественного восстановления анализируемых почв на различных участках обследованной территории рассматривались температура, влажность, концентрация кислорода, доступность субстрата.
1/2016
19
Таблица 2. Ферментативная активность почвенных микроорганизмов в условиях естественного восстановления
Фермент Значение активности, мг фермента/г почвы
Север, верх Север, низ Юг, низ Юг, низ
Глюкозидаза 0.0042±0.0009 0.0032±0.0012 0.0025±0.0006 0.0041±0.0013
Протеаза 0.0144±0.0030 0.0171±0.0088 0.0096±0.0023 0.0091±0.0021
Арилсульфатаза 0.0031±0.0006 0.0016±0.0006 0.0014±0.0007 0.0022±0.0011
Фосфатаза 0.0392±0.0185 0.0276±0.0088 0.0210±0.0088 0.0373±0.0333
Согласно полученным результатам, наибольшей ферментативной активностью характеризуются микроорганизмы в почвах возвышенной местности, что может быть обусловлено более высокой температурой по сравнению с низменностями и одновременно оптимальным содержанием влаги (табл.2).
Избыточное количество воды в низменных территориях может быть связано с высоким уровнем грунтовых вод, избытком увлажнения и изменением рН почвы (Поруцкий, 1975; Pandey, Chauhan, Jain, 2009). Лимитирующим фактором развития микроорганизмов на северном участке, вероятно, является пониженная температура почвы (рис.3).
Рис. 3. Дегидрогеназная активность почвенных микроорганизмов в условиях естественного
восстановления Оценка воздействия стрессовых факторов на микроорганизмы методом анализа фосфолипидов свидетельствует о наименьших значениях изомеризации фосфолипидных жирных кислот у микроорганизмов, находящихся в возвышенных местностях, что связано с уменьшением влагосодер-жания почвы и повышенной температурой (табл.3). На северных территориях в качестве стрессового фактора, вероятно, выступает температура. Результаты анализа фосфолипидных жирных кислот коррелируют с невысокой ферментативной активностью соответствующих проб.
Согласно полученным данным, возвышенные участки являются наиболее благоприятными территориями вследствие более высокой температуры, большего содержания кислорода и возможности быстрого поступления субстрата.
Заключение
Таким образом, оценка активности микробных ферментов в анализируемых образцах почвы показала, что в процессе рекультивации ферментативная активность микроорганизмов выше, чем в условиях естественного восстановления в среднем на 20%.
Результаты идентификации почвенных микроорганизмов с помощью фосфолипидных жирных кислот свидетельствуют о незавершенности процесса восстановления микробных экосистем в почвенном слое. На основании полученных данных можно обоснованно говорить об искусственном восстановлении почвы как о более быстром процессе.
Для процесса естественного восстановления почвенного слоя наиболее благоприятными являются возвышенные участки северной стороны обследованной территории вследствие поддержания оптимальной температуры и содержания влаги в почве.
Методы, описанные в работе, наравне с физико-химическими методами оценки состояния почв могут использоваться для мониторинга почвенных экосистем, поскольку специфика микроорганизмов, их разнообразие и активность определяют особенности почв разных типов и различия в их плодородии (Зайдельман, 2003).
Список литературы
1. Гамаюрова В.С., Зиновьева М.Е. Ферменты: Лабораторный практикум: учебное пособие. СПб.: Проспект Науки, 2011. 256 с.
2. Поруцкий Г.В. Биохимическая очистка сточных вод органических производств. М.: Химия, 1975. 256 с.
Таблица 3. Количество цис-транс изомеров в составе фосфолипидных жирных кислот клеточных мембран почвенных микроорганизмов
Место отбора пробы Север, возвышенность Север, низменность Юг, возвышенность Юг, низменность
Значение изомерации 0.19 0.21 0.25 0.22
20 российский журнал орииной экологии
3. Тазетдинова Д.И. Биологическая активность выщелоченных черноземов Юго-Востока республики Татарстан: Дисс. ... канд. биол. наук: 03.00.04, 03.00.07. Казань: Казан. гос. ун-т, 2008. 168 с.
4. Хлебникова Г.М. Сравнительная характеристика биологической активности почв и подпочвенных осадочных пород: Автореф. дисс. ... канд. биол. наук. М., 1980. 24 с.
5. ISO 23753-1:2005. Soil quality. Determination of dehydrogenase activity in soils. Part I: method using triphenyltetra-zolium chloride (TTC).
6. Pandey J., Chauhan A., Jain R.K. Integrative approaches for assessing the ecological sustainability of in situ bioremedia-tion // FEMS Microbiology Reviews. 2009. V. 33(2). P. 324-375.
7. Trogl J., Jirkovaetc I. Estimation of bacteria encapsulated in Lentikats Biocatalyst via phospholipid fatty acid content: a preliminary study // Folia Microbiol. 2013. V. 58. P. 135-140.
A.R. Khabubillina, T.V. Kirilina, A.S. Sirotkin, J.Trogl. Biological monitoring of soil condition in the processes of its recovery.
Researches of soil samples in the processes of their recovery were conducted. On the basis of the enzymatic activity assessment of the soil biocenosis and the analysis of phospholipid fatty acids conclusions on recovery of soils and influence of stressors on organisms were drawn. It was noted that the artificial soils recovery is more intense than natural ones; elevated areas of the northern territories are more favorable for recovery.
Keywords: soil; soil organisms; recovery; enzymatic activity; phospholipids.
1/2016
21
