CC BY
42
УДК 579.6; 577.29
А. Р. Хабибуллина, Т. В. Кирилина, А. С. Сироткин, J. Trogl
БИОМОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ ПОЧВЫ В ПРОЦЕССАХ ЕЁ РЕКУЛЬТИВАЦИИ И ЕСТЕСТВЕННОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ
Ключевые слова: почва, почвенные микроорганизмы, восстановление, ферментативная активность, дыхательная
активность, органический углерод.
Проведены исследования образцов почвы в процессах ее восстановления. Получены результаты количественной оценки ферментативной, дыхательной активности почвенных микроорганизмов и содержания органического углерода, на основании которых сделаны выводы о восстановлении почв и влиянии стрессовых факторов на почвенные микроорганизмы. Отмечено, что восстановление почвы в процессе ее рекультивации протекает интенсивнее, чем в естественных условиях, а наиболее благоприятной местностью для рекультивации являются возвышенные участки с северной стороны.
Keywords: soil, microorganisms of soil, recovery, fermentative activity, respiratory activity, organic carbon.
Investigations of soil samples in the process of their recovery were studied. Based on the assessment of enzymatic activity, respiratory activity of the soil's biocenosis and organic carbon content findings were made on the recovery of soils and the effect of stressors on organisms. It is noted that the artificial soil recovery is more intense than natural and elevated areas of the northern territories are more favorable for recovery.
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 законодательных актов,
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 [1].
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 почвы в процессе ее 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 Радовешице (Radovesice) в окрестности г. Усти над Лабем, Чешская Республика.
Отбор проб почвы осуществлялся на площади 10 м2 с глубины в среднем 5 см, поскольку именно на этой глубине активно развиваются корни растений и большинство почвенных микроорганизмов [2].
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 только природных факторов и 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 угодий, поскольку после завершения процессов рекультивации и естественного восстановления почву планируется использовать в земледелии.
Для обеспечения статистически надежных результатов осуществлялся четырехкратный отбор проб с каждого участка обследованной территории. 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, таких как углерод, азот, сера и фосфор. Кроме того, в работе проводился анализ активности микроорганизмов в составе образцов почвы на основании оценки их общей дегидрогеназной и дыхательной активности.
Для оценки общего количества биомассы в анализируемых почвенных образцах определяли содержание органического углерода.
В данной работе использовались стандартные методики определения содержания органического углерода [3], ферментативной [4,5] и дыхательной активностей [6,7].
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).
Таблица 1 - Значения ферментативной активности почвенных микроорганизмов
ферментативной активностью соответствующих проб.
Фермент Зна мг ф тение активности, )ермента/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
Арил-сульфатаза 0,0159± 0,0026 0,0040± 0,0007 0,0021± 0,0008
Фосфатаза 0,1317± 0,0347 0,0742± 0,0280 0,313± 0,0180
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, поскольку эта группа ферментов класса оксидредуктаз участвует в процессах углеводного и жирового обмена, а также биологического окисления [8].
При этом значения дегидрогеназной активности микроорганизмов в условиях естественного восстановления почв ниже в среднем на 22%, чем в образцах контрольной и рекультивируемой почв.
Таким образом, полученные результаты (табл.1) свидетельствуют о низкой активности почвенных микроорганизмов в условиях естественного восстановления, поскольку активность ферментов -общий показатель жизнедеятельности
биологического материала [9].
Значения дыхательной активности
микроорганизмов почвы, находящейся в процессе рекультивации, выше, чем в контрольных образцах, что свидетельствует о пригодности исследуемой почвы по данному показателю к использованию в сельском хозяйстве (рис.1). Дыхательная активность микроорганизмов в условиях естественного восстановления коррелирует с невысокой
0,00 Рис. 1
Место отбора проб Дыхательная активностьпочвенных
микроорганизмов
Содержание органического углерода в почве является важным показателем, применяемым для оценки состояния почв в сельском хозяйстве. Согласно полученным данным содержание органического углерода в почве, находящейся в процессе рекультивации, практически совпадает с содержанием в контрольных образцах (рис. 2). Однако следует учитывать, что данный показатель характеризует почвенную биомассу в целом, включающей как микроорганизмы, так и растения [10].
Место отбора
Рис. 2 - Содержание органического углерода в почвенных образцах
В качестве комплекса возможных стрессовых факторов окружающей среды в условиях естественного восстановления анализируемых почв на различных участках обследованной территории рассматривались температура, влажность, концентрация кислорода.
Согласно полученным данным, 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 изменения рН почвы [11,12]. Лимитирующим фактором развития микроорганизмов на северном участке, вероятно, является пониженная температура почвы.
При этом микроорганизмы, обитающие в почвах низменных участков обследованной территории,
характеризуются наибольшей дыхательной активностью, что может быть связано с пониженной концентрацией кислорода в данных местах в сравнении с возвышенностями (рис. 3). Для возвышенностей характерно большее насыщение почв воздухом, и в данном случае избыток кислорода может выступать в качестве лимитирующего фактора развития анаэробных и микроаэрофильных микроорганизмов [13,14,15].
Таблица 2 - Ферментативная активность почвенных микроорганизмов в условиях естественного восстановления
Значение активности.
Ферме мг фермента/г почвы
нт Север, верх Север, низ Юг, низ Юг, низ
Глюко 0,0042±0, 0,0032±0, 0,0025±0, 0,0041±0,
зи-даза 0009 0012 0006 0013
Проте 0,0144±0, 0,0171±0, 0,0096±0, 0,0091±0,
аза 0030 0088 0023 0021
Арил- 0,0031±0, 0,0016±0, 0,0014±0, 0,0022±0,
сульфа 0006 0006 0007 0011
таза
Фосфа 0,0392±0, 0,0276±0, 0,0210±0, 0,0373±0,
таза 0185 0088 0088 0333
Рис. 3 - Дыхательная активность почвенных микроорганизмов в условиях естественного восстановления
Содержание органического углерода в почвах в условиях естественного восстановления позволяет оценить влияние стрессовых факторов на растения и микроорганизмы в совокупности (рис.4).
Рис. 4 - Содержание органического углерода в условиях естественного восстановления
Согласно полученным данным, возвышенные участки обследованной территории являются наиболее благоприятными территориями вследствие более высокой температуры, большего содержания кислорода и возможности быстрого поступления субстрата [13,14,15].
Заключение
Таким образом, оценка активности микроорганизмов и их ферментов в анализируемых образцах почвы показала, что в процессе рекультивации ферментативная и дыхательная активность выше, чем в условиях естественного восстановления в среднем на 20% и 40%, соответственно.
Содержание органического углерода в пробах почвы коррелирует со значениями активности микроорганизмов. В почвах, находящихся в процессе рекультивации, содержится в среднем на 27% больше органического углерода по сравнению с территориями естественного восстановления.
При этом для процесса естественного восстановления наиболее благоприятными являются возвышенные участки северной стороны обследованной территории вследствие поддержания оптимальной температуры и содержания влаги в почве. Однако следует принимать во внимание возможное лимитирование развития отдельных групп микроорганизмов возвышенных участков избыточным содержанием воздуха в почвенном слое.
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 [15].
Литература
1. Л. П. Розов Мелиоратное почвоведение/ Под ред. Шаумяна В. А., Астапова С. В. - М.: Государственное издательство сельскохозяйственной литературы, 1956. -439 с.;
2. Г.М. Хлебникова Сравнительная характеристика биологической активности почв и подпочвенных осадочных пород: автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. биол. наук (03.00.07) - Москва, 1980;
3. I. S. Organization. Soil Quality: determination of organic carbon in soil by sulfochromic oxidation. ISO.1998;(14235);
4. Д. И. Тазетдинова Биологическая активность выщелоченных черноземов Юго-Востока республики Татарстан: диссертация кандидата биологических наук : 03.00.04, 03.00.07; Казан. гос. ун-т, Казань, 2008 168 c. : 61 08-3/659;
5. I.S. Organization. Soil quality: determination of dehydrogenase activity in soils. Part I: method using triphenyltetrazolium chloride (TTC) ISO. 2005:(23753-1);
6. Frouz J, Cajthaml T, Knbek B, et al. Deep, subsurface microflora after excavation respiration and biomass and its potential role in degradation of fossil organic matter. Folia Microbiologica. 2011;56(5):389-396;
7. Helingerova M, Frouz J, Santrackova H. Microbial activity in reclaimed and unreclaimed post-mining sites near
Sokolov (Czech Republic) Ecological
Engineering. 2010;36(6):768-776;
8. А. Ленинджер Основы биохимии: в 3 т. Т. 2 M.: Мир, 1985. - 367 с.;
9. В. С. Гамаюрова Ферменты: Лабораторный практикум: учебное пособие. — Спб.: Проспект Науки, 2011. — 256 с.;
10. Иванушкина Н.Е. Влияние температуры и водного потенциала на рост и развитие почвенных грибов: диссертация кандидата биологических наук: 03.00.07/Иванушкина Н.Е.; Московский гос. ун-т, Москва, 1984 221 с.;
11. Поруцкий Г.В. Биохимическая очистка сточных вод органических производств. - М.: Химия, 1975. - 256 с. с ил.;
12. Pandey J, Chauhan A, Jain RK. Integrative approaches for assessing the ecological sustainability of in situ bioremediation. FEMS Microbiology Reviews. 2009;33(2):324-375;
13. Tyagi M, da Fonseca MMR, de Carvalho CCCR. Bioaugmentation and biostimulation strategies to improve the effectiveness of bioremediation processes. Biodegradation. 2011;22(2):231-241;
14. Sarkar D, Ferguson M, Datta R, Birnbaum S. Bioremediation of petroleum hydrocarbons in contaminated soils: comparison of biosolids addition, carbon supplementation, and monitored natural attenuation. Environmental Pollution. 2005;136(1):187-195.
15. Зайдельман Ф.Р. Мелиорация почв. 3-е изд., исправ. и доп. - М.: Изд-во МГУ, 2003. - 448 с.
© А. Р. Хабибуллина - студент каф. промышленной биотехнологии КНИТУ, aida khabibullin@mail.ru; Т. В. Кирилина -канд. техн. наук, доцент каф. промышленной биотехнологии КНИТУ, tvkirilina@gmail.com; А. С. Сироткин - д-р техн. наук, профессор, зав. каф. промышленной биотехнологии КНИТУ, asirotkin66@gmail.ru; J. Trogl - канд. наук, доцент, зав. кафедрой технических наук факультета окружающей среды университета Яна Евангелиста Пуркине, Чешская республика, Josef.Trogl@ujep.cz.
© A. R. Khabibullina - Bachelor-Student of industrial biotechnology department, KNRTU, aida_khabibullin@mail.ru; T. V. Kirilina - PhD. science, associate professor of industrial biotechnology department, KNRTU, tvkirilina@gmail.com; A. S. Sirotkin- doctor of technical science, professor, head of the department of industrial biotechnology, KNRTU, asirotkin66@gmail.com; J. Trogl -associate professor, head of the department of technical sciences, Jana Evangelisty Purkyne University, Czech Republic, Josef.Trogl@ujep.cz.
