CC BY
35
УДК 631.453
О. А. Берсенева Иркутский государственный университет, Иркутск
ХАРАКТЕРИСТИКА ПРОКАРИОТНОГО СООБЩЕСТВА, ВЫДЕЛЕННОГО ИЗ СЕРЫХ ЛЕСНЫХ ПОЧВ, НАХОДЯЩИХСЯ НА ТЕРРИТОРИЯХ СОПРЕДЕЛЬНЫХ С ОАО «ИРКАЗ-РУСАЛ»
Изучены физико-химические характеристики среды обитания микроорганизмов. Проведен сравнительный анализ структуры прокариотного сообщества почвы, длительно существовавшего в условиях загрязнения аэропромвыбросами ИркАЗ-РУСАЛ в сравнении с таковым из условно-чистой почвы. Представлены данные о видовой структуре прокариотных сообществ как результат многолетнего воздействия выбросов алюминиевого производства. Показана возможность применения синэкологических показателей почвенных микросообществ для оценки степени техногенного загрязнения наземных экосистем.
Ключевые слова: Прокариотное сообщество, Иркутский алюминиевый завод, синэкологические показатели.
Одна из глобальных экологических проблем современности - техногенное воздействие на окружающую природную среду. Мощным источником антропогенного загрязнения, включая и почвенные микробоценозы, являются промышленные города с крупными комбинатами, в частности цветной металлургии [1, с. 7]. Однако имеющихся в открытой печати сведений о возможности применения синэкологических характеристик почвенных микросообществ для оценки состояния окружающей среды в местах влияния выбросов металлургических производств крайне недостаточно [4, с. 180; 10, с. 19]. Указанные обстоятельства определяют необходимость проведения исследований по оценке техногенного загрязнения наземных экосистем с использованием синэколо-гических показателей почвенных микросообществ. Моделью для подобного рода исследований явился Иркутский алюминиевый завод ОАО ИркАЗ-РУСАЛ (г. Шелехов).
Целью исследования являлось изучение структуры и функциональной активности прокариотных сообществ, обитающих в условиях загрязнения почвы аэропромвыбросами ОАО «ИркАЗ-РУСАЛ» в сравнении с таковым из условно-чистой почвы.
Материалы и методы
Для изучения почвенной микробиоты использовали образцы серых лесных почв, которые отбирали с опытных площадок, расположенных вдоль градиента аэропромвыбросов ОАО «ИркАЗ-
РУСАЛ». Образцы отбирали на расстоянии 0,5; 5; 15 и 25 км от «ИркАЗ-РУСАЛ» (рис. 1).
Рис. 1. Место отбора почвенных образцов 1 - 0,5 км от ОАО «ИркАЗ-РУСАЛ» (г. Шелехов), 2 - в районе поселка Олха (5 км), 3 - граница Иркутского и Шелеховского района (15 км), 4 - в районе поселка Большой Луг (25 км). Стрелками показана роза ветров
Участок, находящийся на расстоянии 25 км, служил контролем, поскольку был расположен вне зоны загрязнения, о чем свидетельствуют результаты исследований И. А. Белозерцевой (2002), согласно которым изменения физико-химического состава почв, связанные с выбросами предприятия
© Берсенева О. А., 2015
не прослеживаются, начиная с 25 км от источника воздействия по факелу выбросов [2, а 13].
Отбор образцов для изучения физико-химических свойств почв проводили в соответствии с методическими рекомендациями [11, c. 37]. Исследование физико-химических свойств почв осуществляли по следующим методикам: изучение гранулометрического состава по методу Качин-ского, определение суммы обменных оснований по Каппену - Гильковицу, определение подвижных форм фосфора и калия по методу Кирсанова в модификации ЦИНАО по ГОСТ 26207-91 [5, ^ 3]. Содержание органического углерода (гумуса) определяли методом Тюрина, общего азота по методу Кьельдаля, целлюлозу и лигнин по методу Кюршнера и Комарова, рН водной и солевой вытяжки потенциометрическим методом [13, а 248]. Валовое содержание тяжелых металлов определяли в Центре агрохимической службы «ЦАС Иркутский» на атомно-абсорбционном спектрофотометре Perkin-Elmer (США).
Выделение микроорганизмов из почв осуществляли методом посева почвенной суспензии на селективные среды. Общее количество бактерий и число спорообразующих форм учитывалось на мясо-пептонном агаре (МПА); число актино-мицетов на крахмало-аммиачном агаре (КАА). Полученные чистые культуры микроорганизмов идентифицировали классическими методами почвенной микробиологии путем проведения куль-турально-морфологических и физиолого-биохи-мических тестов [12, c. 14]. Определение культур бактерий и актиномицетов производили, руководствуясь определителем Берджи [3, а 112].
Результаты и обсуждение
Известно, что на состав почвенных микробных сообществ существенное влияние оказывает ее физико-химический состав [6, c. 442]. В этой связи представлялось важным изучить физико-химические свойства почв, находящихся на различном расстоянии от аэропромвыбросов ОАО «ИркАЗ-РУСАЛ».
Выбранные для исследования почвы существенно различались по своим физико-химическим и биохимическим характеристикам (табл. 1).
Согласно проведенным исследованиям, почвы имеют слабощелочную реакцию почвенного раствора. Реакция контрольной почвы близка к нейтральной, в то время как для естественных серых лесных почв рН составляет 5,5 [8, ^ 18].
Наряду с рН, влажность почвы оказывает очень сильное влияние на жизнедеятельность микроорганизмов. Оптимальная влажность для боль-
шинства почвенных микроорганизмов составляет 60 % от полной влагоемкости [9, а 65]. В исследуемых почвах влажность составляет (48 %; 52 %; 50 %; 62 % соответственно) при фоновых значениях 50-60 %.
Таблица 1
Характеристика исследуемых почв по физико-химическим и биохимическим показателям (глубина 0-10 см)
Показатель Пробы почв, расстояние от «ИркАЗ-РУСАЛ» Типичный показатель для серых лесных почв Восточной Сибири [8, с. 28]
0,5 км 5 км 15 км 25 км
Содержание частиц, < 0,01 30,8 ± 1,43 31,7 ± 2,0 31,4 ± 2,5 30,9 ± 1,44 28-30
рН H2O 7,5 ± 0,04 7,8 ± 0,72 7,4 ± 0,68 7,1 ± 1,37 5,54-6,50
рН KCl 6,1 ± 0,63 6,2 ± 0,65 5,8 ± 0,86 5,7 ± 0,6 4,38-5,35
Влажность, % 48 ± 3,5 52 ± 1,88 50 ± 2,6 62 ± 2,0 50-60
Гумус, % 1,85 ± 0,1 2,11 ± 0,12 2,12 ± 0,11 3,41 ± 0,26 3,6-7,0
N общ, % 0,12 ± 0,04 0,14 ± 0,03 0,16 ± 0,03 0,19 ± 0,04 0,20-0,40
С / N 15,3 ± 3,63 14,8 ± 3,6 13,3 ± 2,9 18,2 ± 3,1 4-20
(Ca2+, Мп2+, Na+) 30,7 ± 4,3 31,6 ± 2,5 30,3 ± 3,4 20,3 ± 2,0 17,6-40
K2O, мг/кг 118 ± 8,9 132 ± 13,4 146 ± 13,8 197,5 ± 12,6 190-220
Р2О5, мг/кг 231 ± 17,1 245 ± 12,8 267 ± 13,3 433,8 ± 17,8 300-500
Целлюлоза 6,6 ± 0,67 7 ± 0,7 7,2 ± 1,2 7,6 ± 1,44 6-8
Лигнин 6,9 ± 0,69 5,3 ± 1,0 5,8 ± 1,26 7,3 ± 1,15 7-14
Примечание: 0,5 км - вдоль факела выброса (эпицентр загрязнения); 5 км - перед факелом выброса (ст. Олха); 15 км - вдоль факела выброса (граница Иркутского и Шелехов-ского района); 25 км - вдоль факела выброса (ст. Большой луг)
Сумма обменных оснований соответствует нормам, характерным для этого типа почв, однако поглощающий комплекс почв, находящихся в 0,5; 5 и 15 км от предприятия, более насыщен основаниями по сравнению с контрольной почвой.
Содержание гумуса во всех пробах ниже нормы, но увеличивается по мере удаления от предприятия, что может свидетельствовать о замедлении
процесса гумификации или усилении минерализации почвенной органики.
Одним из необходимых для нормальной жизнедеятельности микроорганизмов элементом является азот. Содержание общего азота в контрольной почве близко к норме, а вблизи источника воздействия его количество ниже нормы почти в 1,5 раза, что свидетельствует о дисбалансе процессов накопления и выщелачивания элемента. В числе других важным фактором, влияющим на функционирование почвенных микроорганизмов, является соотношение С:№, которое характеризует, как обогащение гумуса азотом, так и гумификацию растительных остатков. Отношение С : N в почвах, находящихся в 0,5; 5, 15 и 25 км от предприятия, составляет 15,3; 14,8; 13,3; 18,2 соответственно, что свидетельствует об их низкой и очень низкой обогащенности азотом.
Такая же тенденция прослеживается и по количеству подвижных форм К20 и Р2О5, в контрольной почве в пределах норм и по мере приближения к заводу содержание K2O и Р2О5 снижается, что может свидетельствовать о повышении скорости минерализации.
Изменение относительного содержания лигнина и целлюлозы в исследованных почвах указывает на более высокую редуцирующую активность микроценозов вблизи источника воздействия по отношению к целлюлозе и лигнину.
Важнейший фактор, влияющий на состояние микробных сообществ в почвах, - загрязнение тяжелыми металлами [4, а 183]. Уровень содержания тяжелых металлов варьировал в зависимости от расстояния от ОАО «ИркАЗ-РУСАЛ» и вида экотоксиканта (табл. 2).
Таблица 2
Валовое содержание тяжелых металлов в опытных и контрольной почвах
Пробы почв, расстояние от «ИркАЗ-РУСАЛ» Тяжелые металлы мг/кг (валовые формы)
са N1 РЬ Си
0,5 км 33,4 + 2,6 0,37 + 0,08 35,5 + 2,1 11,93 + 0,28 16,64 + 0,94
5 км 60,0 + 2,83 0,44 + 0,12 22,7 + 1,75 11,60 + 1,23 13,42 + 0,42
15 км 30,3 + 2,4 0,22 + 0,09 20,5 + 2,0 11,28 + 0,47 13,36 + 0,59
25 км 15,8 + 1,78 0,18 + 0,05 10,5 + 1,88 8,66 + 0,48 12,5 + 1,78
Региональный фон 60 0,20 32 20 22,9
Из данных, представленных в таблице 2, видно, что среднее содержание Zn в исследуемых почвах находится в пределах его регионального фонового значения. Значение Cd в серых лесных почвах, находящихся в 0,5; 5 и 15 км от предприятия, выше рекомендованного фона. При величине регионального фонового значения Си в почвах, равном 22,9 мг/кг, следует считать, что его содержание находится в безопасных пределах. Среднее содержание № в исследуемых почвах составляет (35,5; 22,7; 20,5; 10,5 соответственно) при его региональном фоновом значении 32 мг/кг. Анализ определения свинца в почвах показал, что его содержание не превышает его региональное фоновое значение.
Таким образом, проведенные исследования показали, что под действием аэропромвыбросов Иркутского алюминиевого завода в основном происходит подщелачивание, связанное с накоплением тяжелых металлов Cd и №, которые выявлены в количестве, превышающем их фоновое значение. В исследованных почвах складываются неодинаковые условия для развития микробиоты.
Видовой состав прокариотного сообщества в исследуемых серых лесных почвах представлен в основном бактериями. Актиномицеты обнаружены только в контрольной почве. Отсутствие актиномицетов в опытных почвах обусловлено их высокой чувствительностью к тяжелым металлам, концентрация которых выше регионального фона в этих почвах. Кроме того, известно, что актиномицеты лучше развиваются в почвах, имеющих нейтральную реакцию, богатых органическими веществами, с хорошими физико-химическими свойствами [7, с. 26], данным характеристикам соответствует контрольная почва.
На МПА исследуемые штаммы образовывали колонии округлой формы с характерным ползучим ростом. Окраска колоний включала различные оттенки белого: беловато-серая, беловато-кремовая, реже встречались желтовато-белые колонии (рис. 2).
Рис. 2. Колонии бактериальных сообществ: 1) опытной почвы - 0,5 км от ОАО «ИркАЗ-РУСАЛ» 2) контрольной почвы - 25 км от ИркАЗ-РУСАЛ
Преобладающие бактериальные штаммы в районе ИркАЗ-РУСАЛ имеют сходные морфологические характеристики. Большинство исследуемых штаммов представлены грам-положительными подвижными спорообразующими палочками различных форм (длинные палочки, утолщенные короткие и тонкие короткие палочки, образующие цепочку из двух и более клеток) (рис. 3).
Штамм I.1
Штамм I.2
Штамм I.3
Штамм I.4
из 18 испытанных сред микроорганизмы из контрольной точки в среднем росли на 14, а бактерии из опытной точки показали явный рост только на 6 средах. Это может свидетельствовать о неблагоприятном воздействии аэропромвыбро-сов, которые угнетают жизнедеятельность микроорганизмов. По совокупности культурально-морфологических и физиолого-биохимических признаков большинство исследуемых штаммов были отнесены к роду Bacillus.
Штамм II. 1
Штамм II.2 и-»
Рис. 3. Световые микрофотографии представителей почвенного микробного сообщества, подвергшегося длительному воздействию аэропромвыбросов ОАО «ИркАЗ-РУСАЛ». Примечание. Фото получены с применением светового микроскопа Jenamet (Германия) (увеличение 1350 раз)
Морфологические характеристики бактериальных штаммов, выделенных из контрольной почвы, приведены на световых микрофотографиях (рис. 4).
Значительную долю выделенных штаммов бактерий (более 80 %) составляют подвижные споро-образующие палочковидные формы, преимущественно грам-положительные. В исследованных почвенных прокариотных сообществах бактерии представлены аэробными мезофильными формами со сходными физиологическими свойствами. Исследование физиолого-биохимических свойств бактериальных штаммов, обитающих на разном удалении от предприятия, показало, что культуры из контрольной почвы более толерантны к воздействию неблагоприятных факторов и способны утилизировать более широкий спектр субстратов по сравнению с культурами из опытных почв:
Штамм II. 3
Штамм II.4
Рис. 4. Световые микрофотографии представителей почвенного микробного сообщества, не подвергавшегося воздействию аэропромвыбросов ОАО «ИркАЗ-РУСАЛ». Примечание. Фото получены с применением светового микроскопа Jenamet (Германия) (увеличение 1350 раз)
Актиномицеты в серой лесной почве, находящейся в 25 км от предприятия, представлены родом Streptomyces, секция Albus (рис. 5).
А - колонии актиномицетов на среде КАА
B - спороносцы: короткие, извитые х1350
Рис. 5. Актиномицеты р. Streptomyces, выделенные из почвы контрольного участка: А - колонии актиномицетов на среде КАА, В - спороносцы: короткие, извитые х1350
На агаризованной среде КАА актиномицеты образовывали круглые, плотные непигментирован-ные кожистые колонии белого цвета, врастающие в субстрат, поверхность колоний мучнистая. Размеры колоний варьировали от 1 до 7 мм. У большинства штаммов цвет воздушного мицелия белый. У всех штаммов выявлено спорообразование. Споры всех исследованных штаммов неподвижны.
Заключение
Проведенные исследования показали, что под действием выбросов предприятия происходит изменение химических свойств почв. Это в свою очередь привело к снижению численности и видового разнообразия микроорганизмов. Актино-мицеты обнаружены только на расстоянии 25 км от факела аэропромвыбросов. Изменение структуры бактериальных сообществ (до уровня рода) не выявлено. Во всех сообществах доминируют бактерии р. Bacillus, которые составляют 85 % от общего числа бактериальных штаммов. Показанные изменения видовой структуры прокариот-ных сообществ можно использовать в качестве критериев экологического состояния почв, подверженных техногенному воздействию.
Ш
1. Берсенева О. А., Саловарова В. П. О некоторых особенностях современного состояния почв и почвенной мико-биоты в районе аэровыбросов Иркутского алюминиевого завода (ОАО «ИркАЗ-РУСАЛ») // Вестник РУДН. 2009. № 3. С. 5-9.
2. Белозерцева И. А. Воздействие техногенных выбросов на почвенный покров верхнего Приангарья // Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов: материалы Российск. науч.-практ. конф. Иркутск, 2002.
3. Берджи. Определитель бактерий. М.: Мир, 1997.
4. Гузев В. С., Левин С. В. Техногенные изменения сообщества почвенных микроорганизмов // Перспективы развития почвенной биологии. 2001. № 5. С. 178-219.
5. ГОСТ 26207-91. Почвы. Определение подвижных соединений фосфора и калия по методу Кирсанова в модификации ЦИНАО.
6. Звягинцев Д. Г., Бабьева И. П., Зенова Г. М. Биология почв. М.: Изд-во МГУ, 2005. 445 с.
7. Зенова Г. М., Звягинцев Д. Г. Экология актиномице-тов. М.: Геос, 2001.
8. Клевенская И. Л. Микрофлора черноземов Сибири. «Микрофлора почв северной и средней части СССР». М.: Наука, 1966.
9. Новоселов С. И., Новоселова Е. С., Завалин А. А., Гор-деева Т. Х. Влияние агроэкологических условий на микробиологическую активность почвы // Вестник Марийского государственного университета. С. 64-68.
10. Осауленко В. Е. Влияние природно-климатических и антропогенных факторов на микробиоту почв прибрежной зоны Кольского залива: автореф. дис. ... канд. биол. наук. СГПУ. 2009.
11. Спирина В. З., В. П. Середина. Полевая учебная практика по почвоведению. Томск: ТГУ, 2000.
12. Теппер Е. З., Шильникова В. К., Переверзева Г. И. Практикум по микробиологии. М.: Дрофа, 2004.
13. Шеин Е. В., Гончаров В. М. Агрофизика. Ростов-на-Дону: Феникс, 2006. 400 с.
1. Berseneva O. A., Salovarova V. P. O nekotoryh osoben-nostjah sovremennogo sostojanija pochv i pochvennoj mikobioty v rajone ajerovybrosov Irkutskogo aljuminievogo zavoda (OAO «IrkAZ-RUSAL»). VestnikRUDN. 2009. No. 3. Pp. 5-9.
2. Belozerceva I. A. Vozdejstvie tehnogennyh vybrosov na pochvennyj pokrov verhnego Priangar'ja. Ohrana okruzhajushhej sredy i racional'noe ispol'zovanie prirodnyh resursov: materialy Rossijsk. nauch.-prakt. konf. Irkutsk, 2002.
3. Berdzhi. Opredelitel' bakterij. M.: Mir, 1997.
4. Guzev V. S., Levin S. V. Tehnogennye izmenenija soob-shhestva pochvennyh mikroorganizmov. Perspektivy razvitija pochvennoj biologii. 2001. No. 5. Pp. 178-219.
5. GOST 26207-91. Pochvy. Opredelenie podvizhnyh soedinenij fosfora i kalija po metodu Kirsanova v modifikacii CINAO.
6. Zvjagincev D. G., Bab'eva I. P., Zenova G. M. Biologija pochv. M.: Izd-vo MGU, 2005. 445 p.
7. Zenova G. M., Zvjagincev D. G. Jekologija aktinomice-tov. M.: Geos, 2001.
8. Klevenskaja I. L. Mikroflora chernozemov Sibiri. «Mkro-flora pochv severnoj i srednej chasti SSSR». M.: Nauka, 1966.
9. Novoselov S. I., Novoselova E. S., Zavalin A. A., Gor-deeva T. H. Vlijanie agrojekologicheskih uslovij na mikrobio-logicheskuju aktivnost' pochvy. Vestnik Marijskogo gosudarst-vennogo universiteta. Pp. 64-68.
10. Osaulenko V. E. Vlijanie prirodno-klimaticheskih i an-tropogennyh faktorov na mikrobiotu pochv pribrezhnoj zony Kol'skogo zaliva: avtoref. dis. ... kand. biol. nauk. SGPU. 2009.
11. Spirina V. Z., V. P. Seredina. Polevaja uchebnaja praktika po pochvovedeniju. Tomsk: TGU, 2000.
12. Tepper E. Z., Shil'nikova V. K., Pereverzeva G. I. Praktikum po mikrobiologii. M.: Drofa, 2004.
13. Shein E. V., Goncharov V. M. Agrofizika. Rostov-na-Donu: Feniks, 2006. 400 p.
Статья поступила в редакцию 10.11.2015 г.
О. А. Berseneva Irkutsk State University, Irkutsk
EVALUATION OF SPECIES COMPOSITION AND FUNCTIONAL ACTIVITY OF THE PROKARYOTIC COMMUNITIES IN GREY FOREST SOILS LOCATED IN THE TERRITORIES ADJACENT TO JSC "IRKAZ-RUSAL"
The paper studied the physicochemical characteristics of the habitat of microorganisms. The study provides a comparative analysis of prokaryotic community structure of soil, long existed in terms of pollution of air industrial emissions of IrkAZ-RUSAL in comparison with those of the conditionally clean soil. The paper presents data on the specific structure of prokaryotic communities as a result of years of exposure to aluminum production emissions. The study shows the possibility of using synecological indicators of soil micro-communities to assess the level of technogenic pollution of terrestrial ecosystems.
Keywords: Prokaryotic community, Irkutsk aluminium factory, synecologycal indicators.
