Экологическая опасность загрязнения почвы тяжелыми металлами (на примере свинца) Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

ИЗВЕСТИЯ

ПЕНЗЕНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ПЕДАГОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА имени В. Г. БЕЛИНСКОГО ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ № 29 2012

IZVESTIA

PENZENSKOGO GOSUDARSTVENNOGO PEDAGOGICHESKOGO UNIVERSITETA imeni V. G. BELINSKOGO NATURAL SCIENCES № 29 2012

УДК 631.95 . 579.26

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОПАСНОСТЬ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВЫ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ

(НА ПРИМЕРЕ СВИНЦА)

© Л. В. МОСИНА1, Э. А. ДОВЛЕТЯРОВА1, С. Ю. ЕФРЕМОВА2, Ж. НОРВОСУРЭН1 1Российский государственный аграрный университет им. К.А.Тимирязева,

кафедра экологии 2Пензенская государственная технологическая академия, кафедра биотехнологии и техносферной безопасности e-mail: [email protected]

Мосина Л. В., Довлетярова Э. А., Ефремова С. Ю., Норвосурэн Ж. - Экологическая опасность загрязнения почвы тяжелыми металлами (на примере свинца) // Известия ПГПУ им. В.Г. Белинского. 2012. № 29. С. 383-386.

- Статья посвящена изучению влияния свинцового загрязнения на функционирование почвенных микроорганизмов. Показано, что под влиянием свинцового загрязнения в дозе выше 80 мг/кг дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы происходят существенные изменения в функционировании микробной компоненты, в частности, значительно изменяется структура микробного ценоза и характер его метаболизма.

Ключевые слова: почва, Pb, микроскопические грибы, токсичность.

Mosin L. V., Dovletyarova E. A., Ephraim S. J., Norvosuren J. - Environmental risk of soil contamination with heavy metals (on the example of lead) // Izv. Penz. gos. pedagog. univ. im.i V.G. Belinskogo. 2012. № 29. P. 383-386. - The

article is devoted to the study of the effect of lead contamination on the functioning of soil microorganisms. It is shown that under the influence of lead contamination at a dose higher than 80 mg / kg of sod-podzolic light loamy soil there are significant changes in the functioning of the microbial components, in particular, significantly changes the structure of microbial coenosis and the nature of its metabolism.

Keywords: soil, Pb, microscopic fungi, toxicity.

Загрязнение окружающей природной среды, которое стало глобальной экологической проблемой, ставит под угрозу существование человека на Земле. При этом особую опасность представляет загрязнение почвы. Значительное количество загрязняющих веществ, выпадая на поверхность почвы, превращает ее в «депо» токсикантов. Например содержание свинца (РЬ) в почве возросло с 6 мг/кг в начале прошлого столетия (период 1909-1910 г.г.), до 140 мг/кг в конце 80-х годов [4, 5], а в некоторых районах Москвы (район Фрунзенской набережной) до 990 мг/кг [2], что превышает в 30 раз и более его допустимый уровень (ПДК - 32 мг/кг) и почти в 100 раз кларковое содержание этого элемента. В настоящее время содержание РЬ еще более возросло, что связано с огромным ростом числа автомобильного парка. А загрязненная почва является главным источником опасности, т.к. используя почвенные ресурсы, человек получает 90-95 % продуктов питания, с которыми в организм может поступать 70-90 % всех токсинов, в том числе тяжелых металлов (ТМ).

Опасность почвенного загрязнения определяется не только прямой транслокацией ТМ и других полютантов в продукты питания. Еще большая опасность обусловлена составом почвы как особого био-косного тела, главным образом, ее микробного населения. Микроорганизмы почвы, будучи основными редуцентами и потому выполняющие ведущую роль в деструкции органического вещества, в первую очередь и наибольшей степени претерпевают изменения, происходящие в почве под действием негативных факторов среды [9]. Прежде всего, нарушается функционирование микробной компоненты, следствием чего может стать образование микробных ядов, токсичность которых непомерно высока. Микробные яды из всех известных токсинов являются самыми опасными. Например, летальная доза ботулинического токсина типа

А, продуцируемого анаэробной бактерией Clostridium botulinum, составляет 0,00003 мкг/кг Для сравнения, летальная доза химического яда - цианистого калия (KCN) 10000 мкг/кг [6].

Огромную опасность представляют яды микроскопических грибов, так называемые микотоксины.

А принимая во внимание биологические особенности микроорганизмов, их вездесущность, огромное количество, высокую скорость генерации и очень мощный ферментативный аппарат, нарушение функционирования этой группы организмов может иметь непредсказуемые экологические последствия. В этой связи необходимо изучение изменений, происходящих в микробной компоненте почвы под влиянием загрязняющих веществ.

Учитывая слабую изученность этого вопроса, целью нашей работы явилось изучение влияния свинцового загрязнения на функционирование по-

Под влиянием возрастающих доз загрязнения изменяется целый ряд микробиологических показателей, что бесспорно отражает изменение функционирования данной группы организмов. Так, доза Pb более 80 мг/кг характеризуется увеличением содержания стерильных актиномицетов более 20 %, то есть резко нарушается их репродуктивная функция, появляются черноокрашенные группы данных микроорганизмов (группа Niger) в количестве свыше 30 тыс/ 1г почвы. Примерно, двукратно снижается видовое разнообразие бацилл, что свидетельствует о снижении устойчивости данной экосистемы, изменяется качественный состав микроскопических грибов, в частности, появляется и возрастает доля грибов родов Fusarium и Alternaria с 18-20 % на фоне 800 мг Pb до 26-32 % при 10-кратном увеличении дозы. Дальнейший рост свинцового загрязнения еще больше увеличивает долю данных организмов в структуре микологического ценоза.

чвенных микроорганизмов. Исследования проводили в условиях модельного эксперимента на дерновоподзолистой легкосуглинистой почве, в которую вносили разные дозы свинца в виде азотнокислой соли Pb(NO3)2 по следующей схеме: 80, 800, 8000, 80000 мг в расчете на кг почвы. На этой почве выращивали овес (Pisum sativum L), буферную способность которого по отношению к свинцовому загрязнению оценивали на фоне парующей почвы. Из образцов почв с этих вариантов делали микробиологический посев и выявляли качественный состав микробного населения (табл. 1).

Наряду с изменением структуры микробного населения происходят и более глубокие нарушения их функционирования. У микроскопических грибов снижается в 5-7 раз энергетический потенциал, вследствие чего грибы прорастали не на 2-3 день, как в условиях незначительного загрязнения, а лишь на 10-14 день. У штаммов Bac. mycoides изменялось морфологическое строение, его «гифы» как бы распрямлялись, превращаясь в прямые линии.

С дозами токсиканта очень четко коррелирует состояние растений (табл. 2). Это выражается в длине корней и в поверхностной плотности листьев, величина которых заметно сокращается с увеличением свинцового загрязнения. Кроме того, токсичность свинца проявляется и в замедлении развития растений. Так, доза свинца 8000 мг замедляла прорастание колеоптиля растений овса.

Таблица 1

Влияние свинцового загрязнения на микрофлору дерново-подзолистой почвы

Токсикант, Содержание стерильных актиномицетов, % Содержание актиномицетов группы Niger, тыс./т Количество видов бацилл Содержание грибов, %

доза под овсом в парующей почве под овсом в парующей почве Fusarium Alternaria

Pb, мг/кг 40 не опр. 10-15 7-8

80 20 20 - - 5-6 - -

800 25 25-30 30.0 32.0 3-4 20±1.5 18±1.2

8000 95 50-70 395.5 303.5 1.2 32±2.1 26±2.1

80000 50 90 30.7 не опр. не опр. 41±2.8 31±2.7

Таблица 2

Влияние свинцового загрязнения на состояние растений овса

Срок Дозы РЬ,мг/кг

наблюдения Показатели 40 80 800 8000 80000

2 сут. Длина корней, мм 7.6 5.2 3.8 2.4 1.0

15 сут. Поверхностная плотность коле-оптилей, мг/см3 0.027+ 0.005 0.034+ 0.0040 0.039+ 0.0029 не взошли Засохли

30 сут. Поверхностная плотность(один настоящий лист) 0.081+ 0.012 0.081+ 0.011 0.071+ 0.004 не взошли Засохли

60 сут. Не определяли, т.к растения засохли

экология ►►►►>

Анализ состояния растений на фоне различных доз токсиканта выявляет пределы допустимых нагрузок на природные экосистемы, а также время минимальной и максимальной толерантности системы. Так, при дозе свинца 80 мг/кг почвы система сохраняет стабильность в течение 30 дней, а при 10 кратном увеличении дозы - в течение 15 дней.

Установленное нами снижение ростовых процессов овса в условиях свинцового загрязнения могло происходить как в результате непосредственного влияния загрязнителя вследствие ингибирования жизненно важных процессов путем блокировки ферментных систем, так и в результате изменений в функционировании микробной компоненты.

Учитывая опасность микотоксинового загрязнения [1, 3, 7, 8] и увеличение содержания грибов под влиянием возрастающих доз загрязнения, представлялось интересным изучить влияние свинцового загрязнения на возможность продуцирования грибами токсичных веществ - микотоксинов. Так как фитотоксичность грибов рода Fusarium достаточно известна в литературе (этот гриб выделяет фузарие-

Как показали результаты (табл. 3), биохимические особенности грибов существенно зависят от уровня свинцового загрязнения, что проявляется в различной интенсивности ростовых процессов гороха в зависимости от дозы токсиканта. Экссудаты грибов, выделенных с низким уровнем свинцового загрязнения, практически не изменяют энергию прорастания гороха, и она остается аналогичной водной среде.

Семена гороха, помещенные в культуральную жидкость грибов, выращенных на максимально высокой дозе токсиканта (80000 мг), характеризуются наименьшей длиной корней проростков - 3.5 мм, что в 7 раз меньше, чем на контроле (24 мм).

Фитотоксический эффект грибов проявляется уже в дозе свинца более 80 мг/кг почвы и составляет 22 % на фоне 800 мг/кг. Средняя длина проростков гороха на этом варианте 19.5 мм, что в 1,4 раз меньше, чем на контроле. Максимальная токсичность грибов

- 86 % обнаружена на уровне 80000 мг РЬ, т.е. ток-

вую кислоту, которая ядовита для многих растений уже в концентрации 0.1—0.5 мкл.), представлял определенный интерес изучение поведения зародышей грибов рода Alternarla, которые проявляют достаточно высокую устойчивость в условиях повышенного загрязнения.

С этой целью были выделены штаммы грибов этого рода в чистую культуру, которую культивировали на специальной среде для определения микробных метаболитов (среда Беккера). Полученный экссудат испытывали на наличие или отсутствие токсичных веществ, применяя для этих целей семена биотестов. В качестве биотестов использовали тщательно откалиброванные по массе семена одной репродукции гороха посевного (Pisum sativum) и овса (Avena sativum). Семена замачивали в экссудатах выделенных грибов и по энергии ростовых процессов судили о наличии или отсутствии их токсичности. За фитотоксический эффект принималась интенсивность ростовых процессов (энергия прорастания семян биотеста и величина размера корня), результаты исследований представлены в таблице 3.

сичность культуральной жидкости грибов составляла 22-86 % при дозе свинца от 800 до 80000 мг.

Об усилении фитотоксичности грибов с увеличением загрязнения почвы свидетельствуют и результаты определения энергии прорастания растений гороха в динамике (табл. 4).

В растворе грибов, выращенных на возрастающих дозах свинца, энергия прорастания семян биотеста значительно снижается. Как показали исследования, на контроле и в варианте с минимальным загрязнением (80 мг/кг) более половины семян прорастает уже к 30 часам (65 % и 56 % соответственно). При загрязнении же на уровне 800 мг у микроорганизмов существенно изменяются метаболические процессы, и продукты их жизнедеятельности становятся токсичными для растений. Вследствие этого семена гороха, погруженные в экссудаты гриба, замедляют ростовые процессы, и энергия прорастания существенно снижается. Причем, эти изменения происходят уже в начале наблюдений (через 18 часов).

Таблица 3

Влияние микроскопических грибов рода Alternaría на энергетические процессы (изменение длины корней проростков) культуры гороха посевного в условиях различного свинцового загрязнения

Доза РЬ, мг/к г Вариант Средняя длина корня, мм Снижение длины корня, % Токсичность,%

Контроль Вода 24 ± 2.0 100 -

Гриб 25 ± 1.5 104 -

80 Гриб 24 ± 0.8 96 4

800 Гриб 18.5 ±1.5 78 22

8000 Гриб 8.5 ±1.0 34 66

80000 Гриб 3.5 ±0.5 14 86

НСР 1.5 - -

Таблица 4

Энергия прорастания семян гороха под влиянием экссудатов грибов, выделенных из почв с разным уровнем

свинцового загрязнения, %

Доза РЬ, мг/кг Время учета (час.)

18 24 30 48 96 108

Контроль 18±1.5 33 ±2.0 65 ± 2.5 95 ± 2.0 98 ±2.0 -

80 15 ±1.0 28 ±1.5 56 ±2.0 88 ±2.5 90 ±2.5 94 ± 2.5

800 12 ±1.0 18± 1.5 41 ±1.5 65 ± 2.5 75 ± 2.0 78 ±2.0

8000 8 ±1.0 11 ±1.0 13 ±1.5 25 ±1.5 32 ±2.0 -

80000 3±0.5 4 ±0.5 9±1.5 13 ±1.0 - -

Таблица 5

Влияние грибов рода Акегпапа на энергетические процессы семян овса посевного в условиях различного

свинцового загрязнения

Доза РЬ, мг/кг Вариант Средняя длина корня, мм Снижение длины корня, % Токсичность, %

Вода 7.6 + 0.7 100

Контроль Гриб 7.8 + 0.8 103 -

80 Гриб 5.2 +0.4 0.40.8 67 33

800 Гриб 3.8 +0.4 48.7 51.3

8000 Гриб 2.4 +0.2 30 70

80000 Гриб - - -

НСР 0,04

Аналогично гороху, семена овса также замедляют ростовые процессы в условиях загрязнения, что проявляется в снижении длины корня более, чем в три раза на высокой дозе токсиканта и полном прекращении ростовых процессов на максимально высокой дозе свинца (80000 мг/кг) (табл. 5).

Выполненные исследования позволили установить, что под влиянием свинцового загрязнения в дозе выше 80 мг/кг дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы происходят существенные изменения в функционировании микробной компоненты. В частности, значительно изменяется структура микробного ценоза и характер его метаболизма. Среди микробного населения увеличивается доля одной из наиболее активных продуцентов фитотоксичных веществ - грибов рода Fusarium. и появляются штаммы грибов рода Alternarla, способные выделять токсичные вещества. При этом ростовые процессы семян овса более чувствительны к действию свинцового загрязнения по сравнению с семенами гороха, что возможно, объясняется большим пулом энергетического материала в семенах гороха посевного.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Качанова С. П. Микотоксины и микотоксикозы сельскохозяйственных животных. М.: ВНИИТЭИСХ, 1983. 70 с.

2. Лепнева О. М. Влияние антропогенных факторов на химическое состояние почв города (на примере г. Москвы). Автореф. дисс. ... канд. биол. наук. М: МГУ, 1987. 22 с.

3. Львова Л. С., Омельченко М. Д., Орлова Н. Ю., Бы-стрякова З. К. Микотоксины фузариозной пшеницы. Особенности ее приемки, хранения и переработки. М.: ЦНИИТЭИ, 1992. 44 с.

4. Мосина Л. В., Паракин В. В., Грачева Н. М., Бочкова Т. И. и др. Влияние антропогенных факторов на накопление тяжелых металлов в почвах некоторых насаждений ЛОД ТСХА // Лесные экосистемы и вопросы моделирования. М.: Изд-во МСХА, 1985. С. 42-44.

5. Мосина Л. В., Кузнецов Е. В, Химина Е. Г., Паракин

В. В. Исследование содержания тяжелых металлов в системе почва-растение фитоценозов ЛОД ТСХА // Общие проблемы биогеоценологии. Тез. докл. Всесо-юз. совещ. М., 1986.

6. Мосина Л. В. Агроэкология. Модуль 7. Сельскохозяйственная экотоксикология. Пущино, ОНТИ ПНЦ РАН, 2000 г. 184 с.

7. Мосина Л. В. Микробные метаболиты как индикатор состояния агроэкосистем // Доклады ТСХА. 2002. Вып. 274. С. 543-545.

8. Монастырский О. А. Состояние и проблемы исследования опасных для теплокровных микотоксинов // Вестн. РАСХН. 1993. № 6. С. 26-29.

9. Шаркова С. Ю., Надежкина Е. В. Воздействие ТМ на почвенную микрофлору // Плодородие. 2007. № 8. С. 40.