CC BY
46
УДК 502.521:504.5:631.461:631.453
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СТРУКТУРЫ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ТЕХНОГЕННО-ТРАНСФОРМИРОВАННЫХ ЗЕМЕЛЬ
1Л.П. Степанова, д.с.-х.н., 1Е.В. Яковлева, к.с.-х.н., 1А.В. Писарева, 2В.А. Раскатов, к.б.н.
1 Орловский государственный аграрный университет, e-mail: [email protected] 2РГЛ У-МСХА имени К.А. Тимирязева, e-mail: raskatovv@list. ru
Представлены результаты исследования трансформированных урбаноземов. Дан сравнительный анализ структуры эколого-трофических групп микроорганизмов в городских почвах преобладающих в городских природных и антропогенно-нарушенных почвах. Дана эколого-микробиологическая характеристика почвенного покрова урбоэкосистем. Установлено, что: общая численность микроорганизмов в опытных точках в разной удаленности от Каширского шоссе колебалась в пределах 35,77 ± 5,12 х 106 КОЕ/г до 57,18 ± 5,29 х 10 КОЕ/г; численность аммонифицирующих бактерий варьировала в пределах 1,49-2,80 х 107 КОЕ/г абсолютно сухой почвы [8]; максимальная численность аминоавтотрофных бактерий была выявлена в урбанозе-мах с удаленностью на 50 м от шоссе и составила 2,26 х 107 КОЕ/г, а минимальная (1,13 х 107 КОЕ/г) - показана в опытной точке в непосредственной близости к шоссе. В опытных урбано-земах, находящихся в наибольшей удаленности от шоссе количество бактерий составило 1,87 х 107 КОЕ/г. Самое высокое количество грибной микрофлоры установлено при наибольшем удалении от шоссе и составило 4,91 х 107 КОЕ/г, количество целлюлозоразлагающих микроорганизмов было наименьшим в непосредственной близости к шоссе и достигало 1,1 х 105 КОЕ/г, что почти в 5 раз ниже установленной численности грибной микрофлоры в точке с наибольшим расстоянием от шоссе; количество актиномицетов изменялось от 1,3 х 105 КОЕ/г в непосредственной близости к шоссе до 2,41 х 105 КОЕ/г в наибольшей удаленности от него. В почвах опытной точки на 50 м расстоянии от шоссе количество актиномицетов резко сокращалось и было в 5,5 раз меньше численности целлюлозоразлагающих актиномицетов в урбанопочвах на наибольшей удаленности от шоссе.
Ключевые слова: микроорганизмы, урбанизированные экосистемы, численность и биомасса беспозвоночных, структура почвенно-биотических сообществ, загрязнение почв.
ENVIRONMENTAL ASSESSMENT OF THE MICROBIOLOGICAL STRUCTURE OF THE COMPLEX ANTHROPOGENICALLY-TRANSFORMED TERRITORIES
lDr. Sci. L.P. Stepanova, lPhD. E.V. Yakovlev^ 1A.V. Pisarev^ 2PhD. V.A. Raskatov
1Orel State Agrarian University, e-mail: [email protected] 2RussianTimiryazev State Agrarian University, e-mail: [email protected]
Presents results of a study of transformed urbanozem. A comparative analysis of the structure of ecological-trophic groups of microorganisms in urban soils prevailing in urban natural and anthropogenically disturbed soils. Given environmental and microbiological characteristics of soil ecosystems. It was found that: the total number of microorganisms in the experimental points at different distances from the Kashira highway ranged between 35.77 ± 5.12 x 106 CFU/g to 57,18 ± 5,29 x 106 CFU/g; number ammonifiers varied within 1.49-2.80 x 107 CFU/g of absolutely dry soil [8]; aminoavtotrofnyh maximum number of bacteria was detected in urbanozem with distance of 50 meters from the highway and was 2.26 x 107 CFU/g, and the minimum (1.13 x 107 CFU/g) - is shown in the experimental point in close proximity to the highway. The experienced urbanozem located in the most distance from the highway bacteria count was 1.87 x 107 CFU/g. The highest number of fungal microflora found at the greatest distance from the highway and was 4.91 x 107 CFU/g, the amount of cellulose-decomposing microorganisms was the least in close proximity to the highway and reached 1.1 x 105 CFU/g, which is nearly 5 times lower than the set the number of fungal microflora at the point with the greatest distance from the highway; actinomycetes amount varied from 1.3 x 105 CFU/g in the vicinity of the highway to 2.41 x 105 CFU/g in the largest distance from it. In soils of the experimental points at 50 m distance from the highway number of actinomy-cetes declined sharply and was 5.5 times less than the number of cellulolytic actinomycetes in urbanopochvah at greatest distance from the highway.
Keywords: microorganisms, urban ecosystems, the abundance and biomass of invertebrates, structure of soil-biotic communities.
С экологической точки зрения почвенная биота служит составной частью наземных экосистем и к ней применимы экологические подходы оценки состояния биологической составляющей, среди которых ведущее место занимает характеристика таксономического и функционального разнообразия микроорганизмов. Чем выше разнообразие, тем выше устойчивость системы. Качественный состав микроорганизмов дает возможность оценить фито-санитарное состояние почвы и выявить причины почвоутомления. При этом необходимо признать, что биологические показатели крайне вариабельны и существенно изменяются с изменением состояния окружающей среды и воздействием различных загрязняющих веществ [1-7].
Почва как гетерогенный объект окружающей среды с активным протеканием в ней физических, химических и биологических процессов, постоянно изменяется, развивается [8]. Установлена также возможность применения почвенных беспозвоночных в качестве биоиндикатора для экологического контроля окружающей среды [9, 10]. Среди почвенных беспозвоночных микроартроподы характеризуются повышенной динамичностью развития популяций, способностью быстро отзываться на изменения среды.
Экологическое состояние почвы оказывает влияние на здоровье населения через продукты питания или ее воздействие на степень загрязнения воды и воздуха, а также возможно прямое воздействие загрязненных почв на здоровье людей при непосредственном контакте и поступлении почвы в организм [4, 11-15].
В условиях города почвы - один из самых загрязненных компонентов городской среды, что обусловливает необходимость систематических микробиологических исследований для санитарной оценки почвы и оценки современного уровня антропогенного воздействия и его прогнозирования для разработки природоохранных мероприятий [1218].
Цель работы - установление характера изменения численности и соотношения основных физиологических и эколого-трофических групп микроорганизмов антропогенно-трансформированных земель и определение численности и видового состава почвенных беспозвоночных в качестве показателя биотестирования степени деградации земель под влиянием антропогенных воздействий и природных условий [19].
Объекты и методы. Исследования проводили в 6 опытных точках: три в районе автотрассы Каширского шоссе, в качестве контроля (фоновые почвы) использовали одну точку дерново-
подзолистой почвы на территории парковой зоны Лосиный остров г. Москвы и две в п. Думчино Орловской области, где в качестве контроля использовали типичную для данной местности серую лесную почву с различным уровнем антропогенного воздействия.
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 крахмало-аммиачном агаре (КАА) [19].
Результаты. 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 в разной удаленности от Каширского шоссе колебалась в пределах 35,77 ± 5,12 х 106 КОЕ/г до 57,18 ± 5,29 х 106 КОЕ/г.
Численность аммонифицирующих бактерий в исследованных урбаноземах варьировала в пределах 1,49-2,80 х 107 КОЕ/г абсолютно сухой почвы (рис. 1). При этом численность бактерий данной группы в почвах на большей удаленности от шоссе была в 2 раза выше, чем 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 2,26 х 107 КОЕ/г.
Сходная картина наблюдается и для аминоавто-трофной группировки (рис. 2). В урбаноземах в непосредственной близости к Каширскому шоссе общая численность аминоавтотрофов достигала 2,05 х 107 КОЕ/г.
С увеличением расстояния отбора пробы от шоссе до 50 м численность аминоавтотрофов увеличивалась до 2,60 х 107 КОЕ/г. Самая высокая численность установлена на расстоянии 300 м от шоссе и составила 2,85 х 107 КОЕ/г абсолютно сухой почвы. Максимальная численность аминоавто-трофных бактерий была выявлена в урбаноземах с
Рис. 1. Численность аммонификаторов в урбопочвах г. Москвы (Каширское ш.)
Рис. 2. Численность аминоавтотрофов в урбопочвах г. Москвы на разной удаленности от Каширского ш.
Рис. 3. Численность актиномицетов и грибной микрофлоры в урбопочвах г. Москвы (Каширское ш.)
удаленностью на 50 м от шоссе и составила 2,26 х 107 КОЕ/г, а минимальная (1,13 х 107 КОЕ/г) показана в опытной точке в непосредственной близости к шоссе. В опытных урбаноземах, находящихся в наибольшей удаленности от шоссе, количество бактерий составило 1,87 х 107 КОЕ/г.
Интерес представляют результаты исследования изменения численности актиномицетов в физиологической ами-ноавтотрофной группировке. Наибольшая численность актиномицетов установлена в образцах, отобранных на третьей точке удаленности от Каширского шоссе в пределах 300 м, количество ак-тиномицетов достигало 0,98 х 107 КОЕ/г. Однако численность актино-мицетов в почвах в непосредственной близости от шоссе составила 0,92 х 107 КОЕ/г и была в пределах статистических различий. Самая минимальная (0,33 х 107 КОЕ/г) численность актино-мицетов была выявлена в урбаноземах в 50-метровой удаленности от Каширского шоссе.
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 колониеобразу-емых единиц грибной микрофлоры установлено в урбаноземах при наибольшем удалении от шоссе и составило 4,91 х 105 КОЕ/г, количество цел-люлозоразлагающих микроорганизмов было наименьшим в непосредственной близости к шоссе и достигало 1,1 х 105 КОЕ/г, что было почти в 5 раз ниже установленной численности грибной микрофлоры в урбаноземах с наибольшим удалением от шоссе.
Интерес представляет группа целлю-лозоразлагающих актиномицетов в микробном сообществе изучаемых урбано-земов. Количество актиномицетов изменялось от 1,3 х 105 КОЕ/г в непосредственной близости к шоссе до 2,41 х 105 КОЕ/г в наибольшей удаленности от шоссе. В почвах опытной точки на расстоянии 50 м от шоссе количество акти-номицетов резко сокращалось и было в
5,5 раз меньше численности целлюлозоразлагающих актино-мицетов в почвах на наибольшей удаленности от шоссе.
Высокий уровень гетерогенности городской среды в условиях микромозаичного строения почвы обусловливает определенные 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 урбопочвах с наибольшей приближенностью к шоссе величина коэффициента минерализации достигает значения 1,38, с удалением от дороги значение коэффициента минерализации снижается до 1,02 ед. с одновременным увеличением общей численности микробоценоза с 3,58 х 107 КОЕ/г до 5,72 х 107 КОЕ/г.
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 х 107 КОЕ/г, что в 1,7-2,8 раза ниже количества микроорганизмов в урбопочвах с разной удаленностью от шоссе.
В гумусовом горизонте фоновой почвы изменяется не только общая численность микроорганизмов, но и соотношение различных эколого-трофических групп, численность аммонифика-торов достигала 0,93 х 107 КОЕ/г и уступала численности ам-монификаторов в урбопочвах в 1,6-3,01 раза, а численность аминоавтотрофов в 1,9-2,6 раза была ниже количества аминоав-тотрофов в урбопочвах. Численность актиномицетов в гумусовом слое фоновой почвы парковой зоны также была ниже значений, полученных для микробоценозов урбопочвы 0,29 х 107 КОЕ/г.
Численность бактерий, использующих минеральные формы азота на КАА, в фоновой почве составила 0,81 х 107 КОЕ/г, что
в 1,4-2,8 раза оказалась ниже численности данной группировки в образцах ур-бопочв, взятых на разном удалении от Каширского шоссе. Коэффициент минерализации в контрольной почве, не подверженной антропогенному влиянию, составил 1,17 ед.
Установленные исследованиями закономерности изменения эколого-трофических групп микроорганизмов в городских почвах на разном удалении от источника загрязнения (автомагистраль) в условиях г. Москвы обусловили необходимость сравнения состояния микро-боценозов серых лесных почв, находящихся в непосредственной близости к мощному источнику загрязнения, такому как шлаковый отвал на примере Мцен-ского района Орловской области п. Дум-чино [8].
Анализируя изменения численности микроорганизмов в почвах на разной удаленности от шлакового отвала (рис. 5) можно сделать следующий вывод, что независимо от источника и характера загрязнения почвы, отмечается изменение, как общей численности микроорганизмов, так и численности исследованных бактерий. Например, общая численность микроорганизмов в антропогенно-измененных почвах на удаленности от отвала 20 м составила
Рис. 4. Структура микробоценоза в фоновой дерново-подзолистой почве в парковой зоне
г. Москвы «Лосиный остров»
Рис. 5. Изменение численности эколого-трофических групп микроорганизмов на разной удаленности от шлакового отвала (п. Думчино, Мценский р-н)
составила 2,12 х 107 КОЕ/г абсолютно сухой почвы, с увеличением удаленности от отвала, как источника загрязнения, общая численность микробного населения возрастала и достигала 4,55 х 107 КОЕ/г. Если сравнивать полученные данные с общей численностью микроорганизмов в урбопочвах г. Москвы, то можно сделать вывод, что общая численность микроорганизмов в урбопочвах 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 урбоземах в 1,26 раза (рис. 5).
Следовательно, городские почвы подвергаются мощному антропогенному прессу, который по характеру воздействия не уступает, а даже превышает характер действия такого мощного источника загрязнения, как отвал шлаков алюминиевого литья.
Изменения в общей численности микроорганизмов, установленные для трансформированных серых лесных почв, отражаются и в изменении раз-
С увеличением расстояния почвы от шлакового отвала происходит увеличение численности аммо-нификаторов с 0,71 х 106 КОЕ/г на удалении от отвала 20 м до 1,85 х 106 КОЕ/г при удалении на 300 м от отвала. Количество аминоавтотрофов изменялось в такой же последовательности, а именно с 1,41 х 106 КОЕ/г в почве в непосредственной близости к отвалу и возрастало до 2,68 х 106 КОЕ/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 х 106 КОЕ/г для денитрифицирующих бактерий и 0,4 х 106 КОЕ/г для актиномицетов. С удаленностью от отвала на 300 м показатель численности денитрифицирующих бактерий возрастает, аналогично урбопочвам, а именно - 1,5 х 106 КОЕ/г бактерий на КАА и 1,15 х 106 КОЕ/г актиномицетов. Низкая численность денитрификаторов в урбопочве и серой лесной почве является следствием низкого количества минеральных форм азота и низкой гуму-сированности почвы.
личных трофических групп микроорганизмов.
Таким образом, как в урбопочвах г Москвы, так и почвах, подверженных воздействию шлакового отвала происходит изменение структуры микробоценозов и несмотря на локальные различия между опытными точками, можно отметить тенденцию уменьшения коэффициента минерализации с увеличением удаленности опытного объекта от источника загрязнения. Так, коэффициент минерализации, установленный для почв вблизи шлакового отвала, составил 1,9 ед., а при удалении от отвала на 300 м величина коэффициента снижалась до 1,5 ед. Микробное сообщество быстро изменяет свои количественные характеристики и соотношения между различными эколого-трофическими группами, что служит основанием использования микробиологических анализов и значений коэффициентов минерализации для мониторинга состояния антропогенно-преобразованных почв.
Литература
1. Колесников С.И., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. Влияние загрязнения тяжелыми металлами на микробную систему чернозема // Почвоведение, 2007, № 4. - С. 505-511.
2. Усачова А.Н., Сиганова Н.В., Полещук О.Е. Влияние процессов почвенной деградации на количественный состав бактерий, актиномицетов и грибов / Матер. междунар. науч. конф. «Экология и биология почв». - Ростов-на-Дону: изд-во ООО «ВЦЦР», 2004. - С. 308-312.
3. 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, 2015, № 3. - С. 256-261.
4. Яшин И.М., Когут Л.П., Прохоров И.С., Васенев И.И. Экологическое состояние почв в условиях полевых и лесопарковых экосистем Московского мегаполиса // Агрохимический вестник, 2014, № 2. - С. 17-21.
5. Иващенко К.В., Ананьева Н.Д., Васенев В.И., Кудеяров В.Н., Валентини Р. Биомасса и дыхательная активность почвенных микроорганизмов в антропогенно-измененных экосистемах (Московская область) // Почвоведение, 2014, № 9. - С. 1077-1088.
6. Андронов Е.Е. и др. Влияние внесения генетически модифицированного штамма sinorhizobium meliloti ach-5 на структуру почвенного сообщества микроорганизмов // Микробиология, 2009, Т. 78. № 4. - С. 525-534.
7. Раскатов В.А., Ахмедов Ф.Т., Нице Л.К. Роль генотипа в размножении и развитии бактерий рода Клостридиум / Биотехнология и микробиология в сельском хозяйстве. - М.: МСХА, 1989. - С. 64-71.
8. Яковлева Е.В. Экологическая оценка факторов деградации серых лесных почв и пути их оптимизации: автореф. дисс. к.с.-х.н. - Орел: изд-во ОГАУ, 2006. - 23 с.
9. Семенова И.Н., Ильбулова Г.Р., Суюндуков Я.Т. Мониторинг микробных сообществ почв // Фундаментальные исследования, 2011, № 9. - С. 139-141.
10. Горовцов А.В., Полякова А.В., Внуков В.В. Показатели структуры микробоценоза почв г. Ростова-на-дону как инструмент мониторинга состояния антропогенно-преобразованных почв // Научный журнал КубГАУ, 2013, № 89(05). - С. 1-13.
11. Левич А.П., Булгаков Н.Г., Барабаш А.Л., Рисник Д.В., Фурсова П.В. Влияние экологических факторов на показатели заболеваемости населения // Безопасность в техносфере, 2015, № 1 (52). - С. 18-30.
12. Добровольский Г.В. Почва, город, экология. - М.: Фонд «За экономическую грамотность», 1997. - 310 с.
13. Илюшкина Л.Н., Шевченко Е.Е. Санитарно-гигиеническое состояние почв рекреационных зон г. Ростова-на-Дону // Фундаментальные исследования, 2013, № 4-2. - С. 375-378.
14. Раскатов В.А., Грушкин А.Г. Использование метода электронной микроскопии в исследовании биологических объектов. - М.: МСХА, 2003. - 68 с.
15. Башкин В.Н., Завалин А.А., Жеребцова Г.П., Ивановский К.В., Карпова Д.В., Семенцов А.Ю., Прохоров И.С. и др. Программа первоочередных мероприятий по оздоровлению городских почв (отчет по НИР). - М.: Департамент природопользования и охраны окружающей среды города Москвы, 2004. - 198 с.
16. Прохоров И.С. Мониторинг состояния почв города Москвы и предложения по их рекультивации // Почвоведение и агрохимия (Беларусь, ББК 40.4+40.3 (Беи)), январь-июнь 2015, № 1 (54). - С. 61-68.
17. Прохоров И.С. Роль активных сообществ микроорганизмов в процессах создания искусственных почвогрун-тов: автореф. дисс. к.с.-х.н. - М.: Почвенный институт им. В.В. Докучаева, 2006. - 21 с.
18. Визирская М.М., Тихонова М.В., Епихина А.С., Мазиров И.М. Экологическая оценка устойчивости подзолистых почв лесных экосистем к рекреационной нагрузке в условиях Московского мегаполиса (на примере Лесной опытной дачи РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева) // Агроэкология, 2014, № 2. - С. 14-21.
19. Теппер Е.З., Шильникова В.К. и др. Практикум по микробиологии. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Колос, 1993. - 175 с.
ИНФОРМАЦИЯ
По данным Российского индекса научного цитирования (www.elibrary.ru) за 2014 г. рассчитанный импакт-фактор журнала «Агрохимический вестник» составляет 0,222.
Журнал включен в базу данных Russian Science Citation Index на платформе Web of Science, AGRIS, CAS (pt), Research Bible.
Убедительная просьба к авторам журнала при подготовке рукописи особое внимание уделять аннотации, т.к. она должна более полно отражать краткое содержание статьи, а именно не менее 500 знаков.
