CC BY
23АГРОЭКОЛОГИЯ
УДК 504.4.054.(470.319)
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ХАРАКТЕРА АНТРОПОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ТЕХНОГЕННО - ТРАНСФОРМИРОВАННЫХ ЗЕМЕЛЬ
Л.П. Степанова, д.с.-х.н., Е.В. Яковлева, к.с.-х.н., А.В. Писарева, Орловский ГАУ
Представлены результаты микробиологического исследования техногенно-трансформированных земель. Дан сравнительный анализ структуры эколого-трофических групп микроорганизмов в городских почвах (урбаноземах) и антропогенно нарушенных серых лесных почвах. Показана зависимость изменения численности микробоценоза от характера антропогенного воздействия (автомагистраль, шлаковый отвал) и удаленности источника загрязнения.
Ключевые слова: микроорганизмы, урбанизированные экосистемы, численность и биомасса беспозвоночных, структура почвенно-биотических сообществ.
Организмы, населяющие почву создают её как природное тело, обеспечивая воспроизводство плодородия и экологических функций.
С экологической точки зрения почвенная биота - составная часть наземных экосистем и к ней применимы экологические подходы оценки состояния биологической составляющей, среди которых ведущее место занимает характеристика таксономического и функционального разнообразия микроорганизмов. Чем больше разнообразие, тем выше устойчивость системы. Качественный состав микроорганизмов дает возможность оценить фитосанитарное состояние почвы и выявить причины почвоутомления. При этом необходимо отметить, что биологические показатели крайне вариабельны и существенно изменяются с изменением состояния окружающей среды и воздействием различных загрязняющих веществ [11, 10]. Почва, как гетерогенный объект окружающей среды, с активным протеканием в ней физических, химических и биологических процессов, постоянно изменяется и развивается [11].
Многочисленными исследованиями показана возможность применения почвенных беспозвоночных в качестве биоиндикатора для экологического контроля окружающей среды [1, 4, 10]. Среди почвенных беспозвоночных микроартроподы характеризуются повышенной динамичностью развития популяций, способностью быстро отзываться на изменения среды.
Экологическое состояние почвы влияет на здоровье населения через продукты питания или ее воздействия на степень загрязнения воды и воздуха, а также возможно прямое воздействие загрязненных почв на здоровье населения при непосредственном контакте [8, 14,15].
В условиях города почвы - один из самых загрязненных компонентов городской среды, что обусловливает необходимость систематических микробиологических исследований для санитарной оценки почвы, оценки современного уровня антропогенного воздействия и его прогнозирования с целью разработки природоохранных мероприятий [7, 10, 17].
Цель исследований - установить характер изменения численности и соотношения основных физиологических и эколо-го-трофических групп микроорганизмов антропогенно -трансформированных земель.
Методика. Исследования проводили в 6 опытных точках: три в районе автотрассы Каширского шоссе г. Москвы, отбор образцов проводили с глубины 0-20 см урбанозема в разной удаленности от автотрассы (5; 50; 300 м), в качестве контроля (фоновые почвы) использовали одну точку дерново-подзолистой почвы (0-20см) на территории парковой зоны Лосиный остров г. Москвы и две (удаленность 20; 300 м) в п.
Думчино Орловской области, где изучали типичную для данной местности серую лесную почву с различным уровнем антропогенного воздействия шлакового отвала.
Урбаноземы (0-20 см) опытных точек (Каширское шоссе) характеризуются следующими показателями: точка 1 (5 м) -гумус - 2,84%, рНКС1 6,9, ЕКО - 10,04 мг-экв/100 г почвы, степень насыщенности основаниями 96,5 %; точка 2 (50 м) -гумус -3,37%, рНКС1 6,37, ЕКО -14,61мг-экв/100 г почвы, степень насыщенности основаниями 91,2 %; точка 3 (300 м) -гумус 3,39%, рНКС1 7,1, ЕКО - 9,40 мг-экв/100 г почвы, степень насыщенности основаниями 95,4 %; фоновая почва -гумус - 1,27%, рНКС1 4,75, ЕКО - 11,98 мг-экв/100 г почвы, степень насыщенности основаниями 26,3 %.
Антропогенно-нарушенные серые лесные почвы (0-20 см) в районе расположения шлакового отвала п. Думчино: точка 5 (20 м) - гумус - 2,8%, рНКС1 - 4,5, ЕКО -6,64 мг-экв/100 г почвы, степень насыщенности основаниями 45,5 %, физическая глина - 27,72%; точка 6 (300 м) - гумус - 1,8%, рНКС1-5,4, ЕКО -10,14 мг-экв/100 г почвы, степень насыщенности основаниями 88,7%, физическая глина - 51,18%.
Все почвенные пробы были отобраны по методу конверта: для этого по углам квадрата 1 х 1 м и в его центре отбирали 5 равных образцов почвы, которые затем смешивали и получали интегральную почвенную пробу. Таким образом, избегали вклада микромозаичности почвы и получали образец, хорошо характеризующий состояние почвенного покрова в данной точке. В этот же день пробы доставляли в лабораторию, где подвергали микробиологическому исследованию.
В почвах анализировали несколько физиологических и эколого-трофических групп микроорганизмов: численность аммонифицирующих бактерий учитывали на среде МПА, количество бактерий, использующих минеральные формы азота (аминоавтотрофы) - на крахмалоаммиачном агаре (КАА), микроскопические грибы на среде Чапека с добавлением молочной кислоты; на среде Гетчинсона с фильтровальной бумагой определяли целлюлозоразлагающие микроорганизмы, в том числе бактерии, грибы, актиномицеты.
Подготовку грунтов и почвы к микробиологическому анализу осуществляли согласно методикам. Микробиологические исследования выполняли классическим чашечным методом посева на плотные питательные среды в 5-кратных по-вторностях.
Результаты и их обсуждение. Проведенный анализ полученных данных по общей численности основных физиологических и эколого-трофических групп микроорганизмов показал, что почвы разных рекреационных зон характеризовались достоверными различиями по данному показателю. Общая численность микроорганизмов в опытных точках урбанозема в разной удаленности от Каширского шоссе колебалась от 35,77+ 5,12 106 до 57,18+ 5,29 106КОЕ/г.
Как видно из приведенных рисунков 1 и 2 численность аммонифицирующих бактерий в исследованных урбопочвах варьировала в пределах 1,49-2,80 ■ 107КОЕ/г абсолютно сухой почвы. При этом численность бактерий данной группы в ур-бопочвах на большей удаленности от шоссе была в 2 раза выше, чем в урбанозёме в непосредственной близости к Каширскому шоссе (5 м). В опытной точке на расстоянии 50 м
от Каширского шоссе численность аммонификаторов возрастала почти в 1,5 раза и составила 2,26Ю7КОЕ/г.
Сходная картина наблюдается и для аминоавтотрофной группировки (см. рис. 2). В урбопочвах в непосредственной близости к Каширскому шоссе общая численность аминоав-тотрофов достигала 2,05 107КОЕ/г.
Рис. 1. Численность аммонификаторов в урбопочвах, г. Москва, Каширское ш.
почти в 5 раз ниже установленной численности грибной микрофлоры в урбаземах с наибольшим удалением от шоссе.
Интерес представляет группа целлюлозоразлагающих ак-тиномицетов в микробном сообществе изучаемых урбанозе-мов. Количество актиномицетов изменялось от 1,3 105КОЕ/г в непосредственной близости к шоссе до 2,41105КОЕ/г в наибольшей удаленности от шоссе. В почвах опытной точки на 50 м расстоянии от шоссе количество актиномицетов резко сокращалось и было в 5,5 раз меньше численности целлюло-зоразлагающих актиномицетов в урбанопочвах на наибольшей удаленности от шоссе.
5м 50м 300м
Рис. 2. Численность аминоавтотрофов в урбопочвах, г. Москва на разной удаленности от Каширского ш.
С увеличением расстояния отбора пробы от шоссе до 50 м численность аминоавтотрофов увеличивалась до 2,60 107КОЕ/г. Самая высокая численность аминоавтотрофов в урбаноземах установлена на расстоянии 300 м от шоссе и составила 2,85 107КОЕ/г абсолютно сухой почвы. Максимальная численность аминоавтотрофных бактерий была выявлена в урбанозёмах с удаленностью 50 м от шоссе и составила 2,26 107КОЕ/г, а минимальная численность этой группы бактерий показана в опытной точке в непосредственной близости к шоссе - 1,13 107КОЕ/г. В опытных урбанозёмах, находящихся в наибольшей удаленности от шоссе, количество бактерий составило 1,87 107КОЕ/г.
Интерес представляют результаты исследования изменения численности актиномицетов в физиологической аминоав-тотрофной группировке. Наибольшая численность актино-мицетов установлена в образцах, удаленных от Каширского шоссе в пределах 300 м, количество актиномицетов достигало 0,98 107КОЕ/г. Однако, численность актиномицетов в почвах в непосредственной близости к шоссе составила 0,92 107КОЕ/г и была в пределах статистических различий. Самая минимальная численность актиномицетов выявлена в урбаноземах в 50-метровой удаленности от Каширского шоссе и составила 0,33 107КОЕ/г.
В целом, все исследованные группы микроорганизмов показывают сходное распределение численности по опытным точкам на территории Каширского шоссе (рис. 3). Численность грибной микрофлоры варьировала в зависимости от удаленности источника загрязнения - шоссе. Самое высокое количество колониеобразуемых единиц грибной микрофлоры установлено в урбаноземах при наибольшем удалении от шоссе и составило 4,91105КОЕ/г, количество целлюлозораз-лагающих микроорганизмов было наименьшим в непосредственной близости к шоссе и достигало 1,1105КОЕ/г, что
Рис. 3. Численность актиномицетов и грибной микрофлоры в урбопочвах, г. Москва (Кашироское ш.)
Высокий уровень гетерогенности городской среды в условиях микромозаичного строения почвы обусловливает некоторые трудности в выявлении определенных закономерностей функционирования микробных ценозов .
Исследуемые величины коэффициентов, характеризующих соотношение в составе микробоценоза бактерий, выросших на КАА, к бактериям, растущим на МПА, наглядно показывают, что в урбаноземах с наибольшей приближенностью к шоссе коэффициент минерализации достигает 1,38, с удалением от дороги значение коэффициента минерализации снижается до 1,02 с одновременным увеличением общей численности микробоценоза с 3,58 107 КОЕ/г до 5,72 107 КОЕ/г.
Рис. 4. Структура микробоценоза в фоновой дерново-подзолистой почве в парковой зоне г. Москвы, «Лосиный остров»
Исследование структуры микробоценоза в слое 0-20 см фоновой дерново-подзолистой почвы в парковой зоне г. Москвы «Лосиный остров» показало, что общая численность микроорганизмов достигает 2,06 107 КОЕ/г, что в 1,7-2,8 раза ниже количества микроорганизмов в урбаноземах с разной удаленностью от шоссе.
В гумусовом горизонте фоновой почвы изменяется не только общая численность микроорганизмов, но и соотношение различных эколого-трофических групп, численность ам-монификаторов достигала 0,93107 КОЕ/г и уступала численности аммонификаторов в урбаноземах в 1,6-3,01 раза, а численность аминоавтотрофов была в 1,9-2,6 раза ниже количества аминоавтотрофов в урбопочвах. Численность актино-
мицетов в гумусовом слое фоновой почвы парковой зоны также была ниже значений, полученных для микробоценозов урбанозема 0,29 107 КОЕ/г.
Численность бактерий, использующих минеральные формы азота на КАА, в фоновой почве составила 0,81 ■ 107 КОЕ/г, что в 1,4-2,8 раза ниже численности данной группировки в образцах урбанозема, взятых на разном удалении от Каширского шоссе. Коэффициент минерализации в контрольной почве, не подверженной антропогенному влиянию, составил 1,17. Установленные исследованиями закономерности изменения эколого-трофических групп микроорганизмов в городских почвах на разном удалении от источника загрязнения (автомагистраль) в условиях г. Москвы подтверждаются изменениями в состоянии микробоценозов серых лесных почв, находящихся в различной удаленности от такого мощного источника загрязнения, как шлаковый отвал Мценского района Орловской области п. Думчино [12].
Анализируя изменения численности микроорганизмов в почвах на разной удаленности от шлакового отвала (рис.5), можно заключить, что независимо от источника и характера загрязнения почвы, отмечается изменение, как общей численности микроорганизмов, так и численности исследованных бактерий.
Так, общая численность микроорганизмов в антропогенно-измененных почвах на удаленности от отвала 20 м составила 2,12107 КОЕ/г абсолютно сухой почвы, с увеличением удаленности от отвала, как источника загрязнения, общая численность микробного населения возрастала и достигала 4,55 107 КОЕ/г. Если сравнивать полученные данные с общей численностью микроорганизмов в урбаноземах г. Москвы, то можно сделать вывод, что общая численность микроорганизмов в урбаноземах в 1,69 раза превышает численность микроорганизмов в серой лесной почве в непосредственной близости (20 м) к отвалу. При удалении от источника загрязнения шлакового отвала, общая численность микроорганизмов в серой лесной почве уступает численности микроорганизмов в урбаноземах в 1,26 раза (рис. 5).
Следовательно, можно сделать вывод, что городские почвы испытывают меньший антропогенный пресс в сравнении с интенсивностью воздействия такого мощного источника за-
микроорганизмов на разной удаленности от шлакового отвала (п. Думчино, Мценский р-н
Изменения общей численности микроорганизмов, установленные для трансформированных серых лесных почв, отражаются и в изменении различных трофических групп микроорганизмов.
Установлено, что с увеличением расстояния почвы от шлакового отвала происходит увеличение численности аммонификаторов с 0,71 107 КОЕ/г на удалении от отвала 20 м до 1,85 107 КОЕ/г при удалении на 300 м от отвала. Количество аминоавтотрофов изменялось в такой же последовательности, а именно с 1,41107 КОЕ/г в почве в непосредственной близо-
сти к отвалу до 2,68Ю7КОЕ/г при удалении почвы на 300 м от отвала.
Численность бактерий и актиномицетов, использующих минеральные формы азота, в почвах вблизи отвала приближалась по абсолютному значению к урбопочвам и составила
0.9.107 КОЕ/г для денитрифицирующих бактерий и 0,4 107 КОЕ/г для актиномицетов. С удаленностью от отвала на 300 м численность денитрифицирующих бактерий возрастает, аналогично урбаноземам, и составляет 1,5 107 КОЕ/г бактерий на КАА и 1,15 107 КОЕ/г актиномицетов. Низкая численность денитрификаторов в урбаноземах и серой лесной почве -следствие малого количества минеральных форм азота и низкой гумусированности почвы.
Заключение. Результаты проведенных исследований показали, что как в урбаноземах г. Москва, так и в почвах, подверженных воздействию шлакового отвала, происходит изменение структуры микробоценозов и, несмотря на отмеченные локальные различия между опытными точками, можно отметить тенденцию к уменьшению коэффициента минерализации с увеличением удаленности опытного объекта от источника загрязнения, так коэффициент минерализации, установленный для почв вблизи шлакового отвала, составил 1,9, а при удалении от отвала на 300 м он снизился до 1,5.
Результаты почвенно-биологического мониторинга оценивают показателями изменения видовой структуры микробных сообществ (общее богатство, разнообразие) и изменениями популяций для видов, развивающихся в определенных экологических условиях, и видов возможных аккумуляторов токсикантов.
По нашему мнению, микробное сообщество быстро изменяет свои количественные характеристики и соотношения между различными эколого-трофическими группами, что является основанием использования микробиологических анализов и значений коэффициентов минерализации для мониторинга состояния антропогенно-преобразованных земель.
Литература
1. Андронов Е.Е. Влияние внесения генетически модифицированного штамма ятотЫхоЬтт шеЫой асИ-5 на структуру почвенного сообщества микроорганизмов// Андронов Е.Е., Петрова С.Н., Чижевская Е.П., Коростик Е.В., Ахтемова Г.А., Пинаев А.Г.// Микробиология.-2009. -Т. 78.- № 4.- С. 525-534.
2. Аринушкина Е.В. Руководство по химическому анализу почв. - М.: МГУ, 1970. - 488 с.
3. Балабина И.П. Динамика популяций почвенных коллембол при гербицидном загрязнении среды обитания// Автореферат дис. канд. биол. н. : 03.00.16.- М., 1990.- 19 с.
4. ГОСТ 17.4.1.02-83. Охрана природы. Почвы. Классификация химических веществ для контроля загрязнений. - М.: Изд-во стандартов, 1984.
5. ГОСТ 17.4.4.02- 84. Почва. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического анализа. - М.: Изд-во стандартов, 1985.
6. ГОСТ 17.4.4.02-84. Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа.
7. ГОСТ 17.4.2.03-86 Охрана природы. Почвы. Паспорт почвы.
8. Добровольский Г.В. Почва, город, экология.- М.: Фонд за экономическую грамотность, 1997. - 310 с.
9. Звягинцев Д.Г. Методы почвенной микробиологии и биохимии.-М.: Изд-во МГУ, 1991.
10. Иващенко К.В., Ананьева Н.Д., Васенев В.И., Кудеяров В.Н., Валентины Р. Биомасса и дыхательная активность почвенных микроорганизмов в антропогенно-измененных экосистемах (Московская обл.)// Почвоведение.- №9.- 2014.
11. Илюшкина Л.Н., Шевченко Е.Е. Санитарно-гигиеническое состояние почв рекреационных зон г. Ростова-на-Дону // Фундаментальные исследования. - 2013. - № 4-2. - С. 375-378;
12. Колесников С.И., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. Влияние загрязнения тяжелыми металлами на микробную систему чернозема //Почвоведение.- №4.- 2007.- С.505-511.
13. Мигунова B.Д., Кураков А.В. Структура микробной биомассы и трофические группы нематод в дерново-подзолистых почвах поста-грогенной сукцессии в южной тайге (Тверская область)// Почвоведение.- №5.- 2014.
14. Семенова И.Н., Ильбулова Г.Р., Суюндуков Я.Т.// Мониторинг микробных сообществ почв.- №9.- 2011.- С. 139-141.
грязнения, как отвал шлаковых отходов алюминиевого литья.
■ КМ ■ бактерии I актиномицетов 1МПА ■ Общая численность
_-
-
45,47
21,21 26,83
14,01 9,06 15,27 11,54 lit,49
4,94 7,07
20м 300м
Рис. 5. Изменение численности эколого-трофических групп
15. Степанова Л.П., Яковлева Е.В. Коренькова Е.А., Писарева А.В. Агроэкономическая оценка восстановления плодородия антропогенно нарушенных и рекультивируемых серых лесных почв.// Ученые записки Орловского государственного университета.- №3.- С. 256-261, 2015.
16. Тарасов А.А., Шершнева О.М., Тарасов С.А. Биота как фактор саморегулирования почвы // Материалы международной конференции «Актуальные проблемы агропромышленного производства» (2325 января). - Курск, 2013.
17. Тетер Е.З. Практикум по микробиологии // Теппер Е.З, Шильни-кова В.К. и др. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Колос, 1993. - 175 с.
18. Усачова А.Н., Сиганова Н.В., Полещук О.Е. Влияние процессов почвенной деградации на количественный состав бактерий, актино-мицетов и грибов // Экология и биология почв. Матер. междунар. науч. конф. - Ростов-на-Дону, 2004.- С. 308-312.
19. Яковлева Е.В. Экологическая оценка факторов деградации серых лесных почв и пути их оптимизации // Автореф. дисс. на соиск. уч.степ. к.с.-х. н., Орел, 2006. - 23 с.
ENVIRONMENTAL ASSESSMENT OF ANTHROPOGENIC IMPACT ON THE MICROBIOLOGICAL COMPLEX STRUCTURE OF TECHNOGENICALLY TRANSFORMED LANDS
L.P. Stepanova, E. V. Yakovleva, A. V. Pisareva, Orel State Agrarian University ul Generala Rodina 69, Orel, 302019 Russia, E-mail: [email protected]
The results of the microbiological examination of technogenically transformed lands are presented. A comparative analysis of the structure of ecological and trophic groups of microorganisms in urban soils (urbanozems) and anthropogenically disturbed gray forest soils was performed. The dependence of microbocenosis abundance on the anthropogenic impact (motorway, slag dump) and the distance from the pollution source was shown.
Keywords: microorganisms, urbanized ecosystems, abundance and biomass of invertebrates, structure of soil-biotic communities.
