CC BY
143
ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2011 БИОЛОГИЯ Вып. 1
ЭКОЛОГИЯ
УДК 631.41
ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ И УСТОЙЧИВОСТЬ ПОЧВ ТАЕЖНО-ЛЕСНОЙ ЗОНЫ К АНТРОПОГЕННЫМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ
В. И. Каменщикова
Естественнонаучный институт Пермского государственного университета, 614990, г. Пермь, ул. Генкеля, 4; [email protected]; (342)2396213
Изучены свойства зональных и редких исчезающих почв Пермского края в целинном и агро-генно измененном состоянии. Установлены чувствительные показатели и допустимая степень нагрузки на микробные системы при свинцовом загрязнении. Определен экофизиологический индекс устойчивости различных по генезису почв.
Ключевые слова: почва; микробные системы; биохимическая активность микроорганизмов; оценка устойчивости; тяжелые металлы; загрязнение.
Нарастающая антропогенная нагрузка на экосистемы ставит вопрос и делает актуальной проблему понимания и оценки их устойчивости. Почва, как основное звено экосистемы, во многом определяет устойчивость биосферы и её очищение от загрязняющих веществ, что обусловлено в значительной мере способностью почвенных микроорганизмов разлагать широкий спектр природных и техногенных загрязнителей. Высокая чувствительность почвенных микроорганизмов даже к низким концентрациям загрязняющих веществ и любым нарушениям в почве позволяет использовать микробиологические характеристики для оценки экологического состояния почвы.
По мнению ведущих ученых (Глазовская, 1983; Одум, 1986; Благодатская, Ананьева, 1996; Ананьева, 2003) устойчивость почв к различным воздействиям определяется способностью микроорганизмов противостоять различным стрессам и возвращаться к нормальному функционированию. Широко применяемым показателем нарушения и мерой устойчивости почвы к воздействиям является величина микробного метаболического коэффициента ^ СО2), который определяется как отношение базального (фонового) дыхания почвы к её микробной биомассе (С мик.). По данным Н.Д. Ананьевой (2003), сравнивая величины q СО2 нарушенной и ненарушенной (контроль) почвы можно дать оценку различным воздействиям и определить степень нарушения экологического состояния почвы.
В своих исследованиях мы попытались с помощью биохимических показателей оценить устойчивость зональных дерново-подзолистых и редких дерново-бурых почв таежно-лесной зоны к
свинцовому загрязнению после длительного использования их под посев зерновых культур.
Объект и методы исследований
Объектом исследований явились дерновоподзолистые и дерново-бурые слабооподзоленные почвы. Для характеристики профильного варьирования свойств почв, почвенные образцы отбирали по генетическим горизонтам в летние месяцы в пятикратной повторности с трех стенок почвенного разреза с соблюдением стерильности. Во влажном состоянии определяли в почвенных образцах содержание и состав эколого-трофических групп микроорганизмов. Часть почвенных образцов доводили до воздушно-сухого состояния и использовали для изучения физико-химических свойств и закладки модельных опытов.
При закладке модельных опытов использовали почвенные образцы верхних корнеобитаемых горизонтов до глубины 20 см. Образцы почв высушивали, растирали и пропускали через сито 3 мм. Модельные опыты с дозами уксуснокислого свинца послужили основой для определения устойчивости микробных систем к загрязнению. Загрязнение уксуснокислым свинцом проводили путем тщательного перемешивания соли с воздушно сухой почвой. Эта соль легко растворима, позволяет оценить максимальное действие свинца на функционирование микробных систем. Срок модельных опытов - 6 месяцев.
В свежих образцах определяли численность и состав основных эколого-трофических групп микроорганизмов по общепринятым методикам (Звя-
© Каменщикова В. И., 2011
гинцев, 1980). Для определения степени разложения органического вещества рассчитывали коэффициент минерализации путем деления численности автотрофных бактерий на количество микроорганизмов, использующих органические формы азота.
Оценку биохимической активности микроорганизмов в исследуемых целинных и опытных образцах проводили на основе активности каталазы и уровня дыхания. Активность каталазы измеряли согласно методу, разработанному Хазиевым (1976). Активность дыхания определяли адсорбционным методом, в модификации Шаркова (1984), в замкнутых сосудах при экспозиции почвы в течение 24 ч. при оптимальном для функционирования микроорганизмов температурном режиме (+28оС). В образцах измеряли базальное (фоновое) дыхание (БД), учитывая скорость выделения СО2 почвой в течение 24 ч. при увлажнении её водой, и субстрат индуцированное дыхание (СИД) при внесении в почву глюкозы - дополнительного источника углерода и энергии. При этом рассчитывали углерод микробной биомассы и микробный метаболический коэффициент по методике, разработанной Ананьевой (2003). Ряд исследователей (Благодатская, Ананьева, 1996; Ананьева, 2003) считают, что метаболический коэффициент может служить интегральным показателем состояния почвенного микробного сообщества, как в естественном так и техногенно-измененном состоянии. В настоящее время, многочисленными экспериментами ученых доказано, что устойчивой экосистеме соответствует низкий уровень метаболического коэффициента. По данным Ю. Одума (1986) величина метаболического коэффициента должна быть высокой в молодых и нарушенных экосистемах и низкой и стабильной в целинных и устойчивых почвах.
Ряд микробиологических показателей и рассчитанных на их основе метаболических коэффициентов был предложен учеными РАН (Благодатская, Ананьева, 1996; Ананьева, 2003) в качестве чувствительных экофизиологических индикаторов (ЭФИ).
В своих исследованиях мы определяли интенсивность эмиссии СО2 после месячного, двухмесячного и шестимесячного компостирования дерново-бурой почвы двух экосистем с различными дозами уксуснокислого свинца по фону и без фона минеральных удобрений, которые по мнению ученых могут снижать негативное действие тяжелых металлов (ТМ) на развитие и функционирование микроорганизмов. Для количественной оценки относительной реакции микробных сообществ почв различных экосистем на действие ТМ был использован экофизиологический индекс устойчивости, разработанный учеными РАН (Благодатская, Ананьева, 1996). Он рассчитывается по формуле 1к=1-2Со/Со+Ро, где С0 - значение экологического индикатора в контрольном ненарушенном образце;
Р0 - значение экологического индикатора после какого-либо воздействия. Значение предложенного индикатора ограничено интервалом (-1; 1), значения индекса, близкие к -1, означают, что сопротивление системы инородному воздействию отсутствует. Значение индекса ЭФИ равно 0, если С0=Р0, т.е. значение ЭФИ после воздействия не изменилось и система осталась в ненарушенном состоянии.
Результаты исследований
Материалы почвенного обследования указывают на исключительно сложный и разнообразный характер почвенного покрова Пермского края, характерными особенностями которого являются частая пространственная смена, мелкоконтурность и пестрота. Основной земельный фонд края составляют почвы подзолистого типа (56.5% общей площади). В типе подзолистых почв резко преобладают дерново-подзолистые, большая половина которых используется в сельскохозяйственном обороте. Небольшими островками среди всего многообразия почв выклиниваются дерново-бурые и дерново-карбонатные почвы, формирующиеся на пермских глинах.
Отличительной особенностью морфологии дерново-бурых почв является слабая дифференциация профиля на генетические горизонты по цвету и сложению, красно-бурый цвет окраски, характерный для почвообразующей породы, превалирует по всему профилю. Высокое содержание гумуса, в отличие от зональных дерново-подзолистых почв, способствуют формированию в этих почвах своеобразных микробных ценозов с высоким относительным (%) содержанием спорообразующих бактерий и актиномицетов (табл. 1), что по мнению ряда исследователей (Благодатская, Ананьева, 1996; Артамонова, 2002; Ананьева, 2003) является показателем высокой устойчивости и самоочищающей способности почвы от загрязнения. Микробные сообщества дерново-бурых почв характеризуются многочисленной и разнообразной микрофлорой корнеобитаемого горизонта. Содержание микроорганизмов плавно снижается в глубь профиля почвы, в отличие от дерновоподзолистых почв.
Исследуемые дерново-бурые почвы обладают высокой биохимической активностью, что проявляется в интенсивности эмиссии СО2 из почвы и активности окислительно-восстановительного фермента каталазы (табл. 1).
Чем ниже метаболический коэффициент, тем выше устойчивость и выше сопротивляемость микроорганизмов внешним воздействиям. При оценке экологического состояния зональных почв нами установлена наибольшая чувствительность к ТМ загрязнению ниже следующих показателей, которые по степени чувствительности располагаются в следующей последовательности: актино-
66
В. И. Каменщикова
мицеты, спорообразующие бактерии (их содержание, %), активность эмиссии СО2 (БД), активность каталазы и развитие корневой системы. Изменение этих показателей на 10% от контрольного ведет к серьезным нарушениям в функционировании микробных систем, но почва не теряет способности к восстановлению исходного статуса. При снижении
базального дыхания, а также содержания актино-мицетов ниже 40% от исходного, почва теряет способность к самоочищению от загрязняющих веществ без вмешательства извне. Подтверждением этому являются показатели экофизиологиче-ского индекса (табл. 2).
Таблица 1
Оптимальные параметры экологического состояния почв таежно-лесной зоны Пермского края
Критерии экологического состояния почв таежнолесной зоны Дерново- подзолистая Дерново-бурая под лесом Дерново-бурая агроценоз
Общая численность бактерий на МПА 1.7 0.50-3.00 0.80-4.00
Спорообразующие, % от числ. на МПА 3-18 14-30 10-18
Автотрофные, общее количество 2.65 0.84 9.40
Актиномицеты, % 5-8 10-15 15-20
Микромицеты, % 3-5 5-8 1-3
Общая численность микроорганизмов, млн. КОЕ 1.91 0.76 3.01
Олиготрофные микроорганизмы, млн. КОЕ/г почвы 1.20 1.07 4.45
Коэффициент минерализации 1.39 1.30 9.0
Коэффициент олиготрофности 0.70 2.10 5.60
Активность каталазы, см3 О2 / 1г мин 3-4 7-8 4-6
Активность базального дыхания, мг СО2 100 г почвы за 24 ч. 6-8 16-18 10-14
Активность СИД, мг СО2 100 г почвы за 24 ч. 24-30 78-80 60-70
Метаболический коэффициент БД/СИД 0.3-0.4 0.2-0.3 0.2-0.4
Экофизиологический индекс устойчивости и сопротивляемости по метаболическому коэффициенту, гумусу -0.2, -0.5 -0.1 +0.2, -0.2
Содержание гумуса, % 2-3 6-7 4-5
Таблица 2
Экофизиологический индекс устойчивости микроорганизмов дерново-бурых почв при свинцовом
загрязнении
Варианты опыта Споровые Актиномицеты Базальное дыхание Активность каталазы
РЬ 400 -0.1 -0.07 -0.10 -0.06
РЬ 600 -0.37 -0.72 -0.32 -0.18
КШ3 + РЬ400 -0.35 -0.22 -0.26 -0.06
КNOз + РЬ400 + микроэлементы -0.26 -0.11 -0.03 0.00
Как показали экспериментальные и расчетные данные, дерново-бурые высокогумусные почвы способны выдержать даже высокие концентрации уксуснокислого свинца, но не превышающие 400 мг/кг, не нарушая существенно условия развития и функционирования микроорганизмов. Однако при дозе РЬ - 600 мг/кг происходят серьезные нарушения в составе микробоценоза, почва теряет способность самостоятельно справляться с загрязнением, необходимо проведение рекультивации. Внесение азотных удобрений в загрязненную свинцом почву усиливает негативное действие уксуснокислого свинца на микроорганизмы. Несколько сглаживающий эффект оказывали молибденсодержащие микроудобрения. Представляется перспективным изучение действия фосфорсодержащих минеральных удобрений для связывания и снижения негативного действия свинца.
Использование показателей микробного состава почв и их биохимической активности следует считать ведущими при определении экологического состояния почв и их устойчивости к техногенным нагрузкам, принимая за эталон целинные ненарушенные почвы (см. табл.1).
Библиографический список
Ананьева Н.Д. Микробиологические аспекты самоочищения и устойчивости почв. М.: Наука, 2003. 223 с.
Ананьева Н.Д., Благодатская Е.В., Орлинский Д.Г. Методические аспекты определения скорости субстрат-индуцированного дыхания почвенных микроорганизмов // Почвоведение. 1993. № 11. С. 72-77.
Ананьева Н.Д., Благодатская Е.В., Демкина Т.С. Оценка устойчивости микробных комплексов к
природным и антропогенным воздействиям //
Почвоведение. 2002. № 5. С. 580-587.
Артамонова З.С. Микробиологические особенности антропогенно преобразованных почв Западной Сибири. Новосибирск: СО РАН, 2002. 225 с.
Благодатская Е,В., Ананьева Н.Д. Оценка устойчивости микробных сообществ в процессе разложения поллютантов в почве // Почвоведение.
1996. № 11. С. 1341-1346.
Галстян А.Ш. Ферментативная активность почв Армении. Ереван: Айастан, 1974. 260 с.
Глазовская М.А. Принципы классификации природных геосистем по устойчивости к техногенезу и прогнозное ландшафтно-геохимическое районирование. Устойчивость геосистем.. М.: Наука,
1983. С. 61-78.
Звягинцев Д.Г. Методы почвенной микробиологии и биохимии. М.: Изд-во МГУ, 1980. 224 с.
Каменщикова В.И., Кувшинская Л.В., Усталова В.И.,
Черных Ю.С. Влияние агрогенеза на экологобиологические свойства дерново-бурых почв //
Вестн. Перм. ун-та. 2008. Вып. 9(25). Биология.
С. 70-77.
The taiga-forest soils ecological state and resistivity towards the man impact V. I. Kamenshchikova, candidate of biology, senior scientist
Natural Sciences Institute of Perm State University, 4 Genkel Str., Perm, Russia, 614990; [email protected]; (342)2396213
The properties of the zonal and thin declining soils of Perm Territory were studied in their virgin and agro-genically modified states. The sensitive indicators and the allowable degree of microbial systems employment during lead pollution were established. The ecophysiological stability indeces of soils of different genesis was determined.
Key words: soil; microbial systems; biochemical activity of microorganisms, assessment of resistance assessment of resistance stability evaluation, heavy metals, pollution.
Каменщикова Вера Иосифовна, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Естественнонаучный институт Пермского государственного университета
Каменщикова В.И., Кувшинская Л.В., Лысова О.А., Игнатова О.А. Влияние минеральных удобрений на устойчивость микробных систем дерново-бурых почв, загрязненных уксуснокислым свинцом // Вестн. Перм. ун-та. 2009. Вып. 10(36). Биология. С. 90-94.
ОдумЮ. Экология. М.: Мир, 1986. Т. 2. 328 с.
Соколов М.С. и др. Отклик агроландшафта на воздействие загрязняющих веществ и их экологическое нормирование // Агрохимия. 1999. № 6. С. 46-60.
Хазеев Ф.Х. Ферментативная активность почв. М.: Наука, 1976. 180 с.
Шарков И.Н. Определение интенсивности продуцирования почвой СО2 адсорбционным методом // Почвоведение. 1984. № 7. С. 136-143.
Lynch J.M., Wiseman A. Environmental biomonitoring: The biotechnology ecotoxicology interface. Cam-bridg: Cambridg Univ. press, 1998.
Поступила в редакцию 16.11.2010
