CC BY
3
УДК:57.083.1:431.427.2 (476.2-37 Хойники)
Е. А. Танкевич1, А. Н. Никитин2, И. И. Концевая3, Ю. К. Симончик4
1Младший научный сотрудник лаборатории радиоэкологии, аспирант, ГНУ «Институт радиобиологии НАН Беларуси», г. Гомель, Республика Беларусь Научный руководитель: Никитин Александр Николаевич, кандидат сельскохозяйственных наук 2Кандидат сельскохозяйственных наук, заместитель директора по научной работе, ГНУ «Институт радиобиологии НАН Беларуси», г. Гомель, Республика Беларусь 3Кандидат биологических наук, доцент, доцент кафедры ботаники и физиологии растений, УО «Гомельский государственный университет им. Франциска Скорины», г. Гомель, Республика Беларусь 4Младший научный сотрудник лаборатории радиоэкологии, ГНУ «Институт радиобиологии НАН Беларуси», г. Гомель, Республика Беларусь
ИЗМЕНЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ДОСТУПНОСТИ ЦЕЗИЯ-137 В ТОРФЯНОЙ ПОЧВЕ ИЗ ЗОНЫ ОТЧУЖДЕНИЯ ЧЕРНОБЫЛЬСКОЙ АЭС ПРИ РАЗВИТИИ В НЕЙ РАЗЛИЧНЫХ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ГРУПП ПОЧВЕННЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ
В настоящей работе было изучено влияние основных физиологических групп почвенных микроорганизмов на изменение физико-химических форм техногенных радионуклидов в торфяной почве из зоны отчуждения Чернобыльской АЭС.
Показано, что содержание легкодоступного для корневого поглощения 137Сs в торфяной почве увеличивается при развитии в ней популяций практически всех изученных физиологических групп микроорганизмов: аммонифицирующих - в 1,2 раза, олигокарбофильных - в 1,5 раза, целлюлозоразрушающих аэробных - в 2,5 раза, автохтонных олиготрофов - в 3,3 раза, олигонитрофильных - в 3,4 раза, азотфиксирующих - в 3,6 раза, спорообразующих аммонификаторов - в 3,7раза, фосфатмобилизующих - в 4 раза.
Ключевые слова: почвенные ассоциации микроорганизмов, радиоактивное загрязнение, зона отчуждения Чернобыльской АЭС, биологическая доступность техногенных радионуклидов, цезий-137.
Введение
Распространение микроорганизмов в природе зависит от многих условий, среди которых наиболее важными являются наличие питательных веществ, температура, влажность, благоприятная реакция субстрата.
Почва представляет собой, пожалуй, единственную природную среду, где имеются все условия для нормального развития микроорганизмов.
В почве практически нет участков, не заселенных микроорганизмами, их распространению помогает высокая адаптационная способность к внешним условиям среды. Качественный и количественный состав микроорганизмов в почве находится на определенном постоянном уровне при неизменности факторов окружающей среды. Численность различных групп микроорганизмов можно рассматривать как важную характеристику почв, а именно запас, или пул микроорганизмов [1].
Микрофлора почвы подвержена резким качественным и количественным колебаниям в ответ на изменения физических и химических свойств, времен года и от целого ряда метеорологических и климатических факторов [2].
Обладая высокой геохимической активностью, микроорганизмы представляют важнейшую геологическую силу, они принимают участие в процессах деструкции и минерализации органического вещества как природного (например, разложение целлюлозы), так и антропогенного происхожде -ния [3], [4].
Радиационная обстановка на Чернобыльской АЭС стала причиной загрязнения больших площадей почвенного покрова техногенными радионуклидами. По сей день значительное внимание привлекают долгоживущие дозообразующие радионуклиды - цезий-137 и стронций-90. Изучение поведения данных радиоизотопов особенно актуально для территорий, пострадавших от аварии на Чернобыльской АЭС.
Радиоактивный изотоп цезия с атомной массой 137 (13^) выступает в качестве обычного продукта деления урана-235 и других изотопов в ядерных реакторах и при использовании ядерного оружия. Он является одним из самых проблематичных продуктов деления урана, так как способен легко перемещаться и распространяться в природе из-за высокой растворимости своих солей в воде [5].
© Танкевич Е. А., Никитин А. Н, Концевая И. И., Симончик Ю. К., 2023
Взаимодействие ассоциаций микроорганизмов и радионуклидов играет ключевую роль в биологической доступности почвенных радионуклидов для корневого поглощения растениями. Они являются источниками большого разнообразия физико-химических и биологических механизмов, осуществляющих превращения между растворимыми и нерастворимыми фазами. Благодаря некоторым особенностям взаимодействия почвенных микроорганизмов с радионуклидами можно уменьшить биологическую доступность техногенных радионуклидов для растений, что представляет огромный интерес к исследованиям в этой области.
Целью данной работы явилась экспериментальная оценка влияния различных физиологических групп почвенных микроорганизмов на изменение концентрации легкодоступных для корневого поглощения форм 137 Cs в торфяной почве.
Методы и методология исследования
Объектом исследования являлись основные физиологические группы почвенных микроорганизмов и образцы торфяной почвы, отобранные в зоне отчуждения Чернобыльской АЭС.
Отбор проб торфяной почвы проводили вблизи бывшего населенного пункта Масаны (Гомельская область, Беларусь, Полесский государственный радиационный экологический заповедник).
Для модельного эксперимента по изучению влияния основных физиологических групп почвенных микроорганизмов была использована стерилизованная торфяная почва из зоны отчуждения Чернобыльской АЭС. Почву просеивали через сито с диаметром отверстий 1 мм и тщательно перемешивали на стадии подготовки эксперимента. Стерильность почвы была достигнута путем автоклавирования при температуре 127 °С и давлении 1,5 атм. в течение 45 минут.
Данной почвой заполняли пластиковые емкости из расчета 50 г сухой почвы на сосуд.
Для оценки влияния основных физиологических групп почвенных микроорганизмов на изменение биологической доступности техногенных радионуклидов в торфяной почве в модельном опыте использовали 9 групп почвенных микроорганизмов, выделенных в результате посевов на элективных агаризованных питательных средах, предназначенных для культивирования агрономически ценных групп микроорганизмов:
1) аммонифицирующие протеолитические бактерии;
2) общий комплекс культивируемых микроорганизмов;
3) амилолитические микроорганизмы (азотфиксирующие);
4) олигонитрофильные микроорганизмы;
5) фосфатмобилизующие микроорганизмы;
6) спорообразующие аммонифакаторы;
7) автохтонные олиготрофы;
8) целлюлозоразрушающие аэробные;
9) олигокарбофильные микроорганизмы.
Также дополнительно исследовали влияние микробиологического удобрения ЕМ-1. Оно разработано профессором Теруо Хига (University of the Ryukyus, Япония) и включает в себя пять основных групп микроорганизмов: молочнокислые бактерии, фотосинтезирующие бактерии, дрожжи, актиномицеты и ферментирующие грибы.
Каждый из вариантов опыта выполняли в пятикратной повторности.
Суспензии почвенных микроорганизмов готовили на основе мясо-пептонного бульона (МПБ). Для этого в МПБ вносили из чашек Петри стерильной микробиологической петлей инокулянт, представляющий одну из выделенных групп почвенных микроорганизмов, тем самым были получены 9 опытных суспензий. Мутность этих жидких сред доводили до стандарта BBL (стандарта мутности № 0.5 по МакФарланду) - при длине волны 625 нм оптическая плотность суспензий составляла 0,08-0,10. Оптическую плотность измеряли на спектрофотометре ПЭ-5300 ВИ. В качестве раствора сравнения использовали мясо-пептонный бульон.
Полученные бактериальные культуры помещали в термостат и инкубировали при температуре 37,1 °С в течение суток до появления визуальной мутности.
В каждую стерильную пластиковую емкость, заполненную 50 г сухой почвы при помощи стерильного цилиндра, вносили по 15 мл готовой суспензии соответствующей группы микроорганизмов, а также дозатором добавляли 1 мл хлорида стабильного цезия (CsCl). В контрольные образцы (к) вносили по 15 мл мясо-пептонного бульона, без добавления микроорганизмов.
Пластиковые пробирки закрывали крышками, для дополнительной аэрации в крышках были сделаны небольшие отверстия, которые на время эксперимента были закрыты стерильной гигроскопической ватой (рисунок 1).
Через 15 дней после закладки эксперимента в каждую емкость вносили по 5 мл стерилизованной воды, чтобы не допустить пересыхания почвенных образцов.
Рисунок 1 - Внешний вид наполненных торфяной почвой емкостей в начале эксперимента
Продолжительность экспозиции торфяной почвы с микроорганизмами составила 1 календарный месяц.
Для изучения влияния каждой из физиологических групп почвенных микроорганизмов на изменение биодоступных форм 137Cs определяли содержание водорастворимой и обменной форм радионуклида методом последовательной экстракции [6], [7].
Последовательная экстракция включала следующие этапы:
1. Водорастворимую форму (SE1) выделяли посредством экстракции в дистиллированной воде. Образец почвы 20 г помещали в 200 мл дистиллированной воды. Суспензию взбалтывали при комнатной температуре на протяжении 24 ч.
2. Экстракт отделяли от почвы фильтрованием. Почву промывали на фильтровальной бумаге 200 мл дистиллированной воды. Жидкую фазу помещали в сосуд емкостью 100 мл для измерения на у-спектрометре.
3. Ионообменную форму (SE2) выделяли посредством экстракции в растворе ацетата аммония. Твердую фазу с предыдущего шага помещали в 200 мл 1 М раствора ацетата аммония с pH, доведенной до 7,0.
4. Суспензию взбалтывали при комнатной температуре на протяжении 24 ч.
5. Экстракт отделяли от почвы фильтрованием. Почву промывали 200 мл дистиллированной воды. Жидкую фазу помещали в сосуд емкостью 100 мл для измерения на у-спектрометре.
Измерения на гамма-спектрометрическом комплексе CANBERRA Packard с коаксиальным полупроводниковым детектором Ge(Li) расширенного энергетического диапазона проводили в соответствии с принятыми методическими рекомендациями [8].
Относительная ошибка измерения удельной активности 137 Cs в пробах составляла от 5 до 10 % в зависимости от активности образца.
Микробиологическую индикацию почвы выполняли согласно общепринятым в почвенной микробиологии методам [9; 10]. Агрохимический анализ стерильного почвенного образца выполняли согласно ГОСТ [11-17].
Результаты исследования и их обсуждение
На подготовительном этапе исследований установлено, что удельная активность модельной торфяной почвы составила 20421 ± 1228 Бк/кг, ее агрохимические показатели представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Агрохимические показатели модельной торфяной почвы, использованной в эксперименте
Агрохимические показатели почвы, единицы измерения
рН (в KCl), ед. 3,5
Са (обм), мг/кг 376
Mg (обм, подв.), мг/кг 190
Р2О5 (подв), мг/кг 21
Органическое в-во (гумус), % 8Д
S, сумма поглощенных оснований, ммоль/100 г 0,8
Hr, гидролитическая кислотность, ммоль/100 г 22,4
Т, емкость поглощения, ммоль/100г 23,2
V, степень насыщенности почв основаниями, % 3,4
К2О (обм.), мг/кг 74
В таблице 2 представлены данные о влиянии основных физиологических групп почвенных микроорганизмов на содержание водорастворимой и ионообменной формы 137 Сs в торфяной почве.
Таблица 2 - Оценка влияния почвенных микроорганизмов различных физиологических групп на содержание водорастворимой и ионообменной формы 137Сs в торфяной почве
Тип почвы Варианты опыта: группа микроорганизмов (вариант опыта) Водорастворимая форма 137 Cs, Бк/кг Ионообменная форма 137 Cs, Бк/кг
контроль (к) 46,1 ± 13,1 30,0 ± 7,3
аммонифицирующие (1) 92,1 ± 34,1** 31,5 ± 11,7
общий комплекс культивируемых микроорганизмов (2) 48,6 ± 27,5 18,2 ± 6,7**
амилолитические (3) 313,4 ± 117,5** 37,7 ± 17,1
торфяная олигонитрофильные (4) 316,9 ± 242,5** 19,1 ± 6,5**
фосфатмобилизующие (6) 362,0 ± 142,2** 28,6 ± 11,8
спорообразующие аммонификаторы (7) 337,6 ± 174,3** 23,8 ± 12,1
автохтонные олиготрофы (10) 299,5 ± 103,7** 28,2 ± 14,0
целлюлозоразрушающие аэробные (11а) 247,3 ± 127,6** 20,5 ± 7,5*
ЕМ-1(ЕМ) 39,4 ± 36,5 25,0 ± 8,2
олигокарбофильные (14) 156,0 ± 84,0** 35,5 ± 28,0
Примечание - Значимые отличия от контроля отмечены звездочками * - p < 0,05; ** - p < 0,01.
Анализ результатов эксперимента показал, что удельная активность 137 Сs в водорастворимой форме значительно увеличилась - в 4,3-6,8 раза - в вариантах опыта с применением таких групп микроорганизмов, как целлюлозоразрушающие аэробные, автохтонные олиготрофы, азотфиксиру-ющие, олигонитрофильные, фосфатмобилизующие, спорообразующие аммонификаторы.
В ионообменной форме удельная активность 137Сs максимально снизилась относительно контроля в следующих вариантах опыта: вариант 2 (общий комплекс культивируемых микроорганизмов) - на 39,3 %, вариант 4 (олигонитрофильные микроорганизмы) - на 36,4 %, вариант 11а (целлюлозо-разрушающие аэробные микроорганизмы) - на 31,8 %.
Полученные данные указывают на существенное увеличение содержания водорастворимой формы 137Cs по сравнению с контрольным вариантом опыта во всех исследуемых группах, кроме общего комплекса культивируемых микроорганизмов (вариант опыта 2), и варианта опыта с применением микробиологического препарата ЕМ-1.
Ни одна из исследованных физиологических групп микроорганизмов не вызвала повышение содержания в почве ионообменной формы 137Cs. При этом олигонитрофильные и целлюлозо-разрушающие аэробные микроорганизмы, а также общий комплекс культивируемых микроорганизмов существенно снизили ее содержание в почве.
На рисунке 2 показано влияние исследуемых физиологических групп микроорганизмов на содержание легкодоступного (водорастворимый + ионообменный) 137 Cs в торфяной почве.
Планки погрешностей указывают доверительные интервалы с а = 0,05.
Значимые отличия от контроля отмечены звездочками (** - р < 0,01) Рисунок 2 - Содержание легкодоступного цезия-137 в торфяной почве
Содержание легкодоступного 137Сб в торфяной почве практически во всех вариантах опыта увеличилось: аммонифицирующие микроорганизмы повысили данный показатель в 1,2 раза, олиго-карбофильные - в 1,5 раза, целлюлозоразрушающие аэробные - в 2,5 раза, автохтонные олиготрофы -в 3,3 раза, олигонитрофильные - в 3,4 раза, азотфиксирующие - в 3,6 раза, спорообразующие аммонификаторы - в 3,7 раза, фосфатмобилизующие - в 4 раза.
При этом достоверные различия по сравнению с контролем наблюдали во всех вышеперечисленных опытных вариантах. Такое увеличение содержания легкодоступного 137Сб может быть связано с низким содержанием биодоступного калия в исследуемой торфяной почве (таблица 1). Похожие химические свойства К+ и Сб+ и их перенос через биологические мембраны по одним и тем же транспортным системам могли привести к усиленной мобилизации цезия наряду с калием, так как от последнего в значительной мере зависит метаболизм микробной клетки.
Другим объяснением наблюдаемого явления может быть высвобождение в раствор 137Сб, сорбированного в органических остатках при их разложении почвенными микроорганизмами. Таким образом, практически все исследуемые группы микроорганизмов участвуют в разрушении органического вещества торфяной почвы. Одновременно с этим уменьшение концентрации функциональных групп при разложении органического вещества может объяснить снижение доли радионуклида в ионообменной форме при развитии в почве олигонитрофильных и целлюлозоразрушающих аэробных микроорганизмов, а также общего комплекса культивируемых микроорганизмов.
На рисунке 3 представлены данные по коэффициенту распределения 137 Cs в торфяной почве.
Варианты опыта
Планки погрешностей указывают доверительные интервалы с а = 0,05. Значимые отличия от контроля отмечены звездочками (* - р< 0,05; ** - р < 0,01) Рисунок 3 - Коэффициент распределения 137Сз в торфяной почве
Анализ коэффициента распределения 137 Cs между сорбированной в почвенном поглощающем комплексе и водорастворимой формами и подтверждает эффект увеличения доступности радионуклида под воздействием основных физиологических групп почвенных микроорганизмов. Достоверные различия по сравнению с контрольным вариантом опыта наблюдали во всех исследуемых группах, кроме варианта опыта с добавлением комплекса микроорганизмов в составе препарата ЕМ-1.
Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что каждая из выделенных физиологических групп почвенных микроорганизмов играет существенную роль в преобразовании физико-химических форм техногенных радионуклидов в торфяной почве. Вероятно, это связано с наличием значимого запаса 137 Cs в органических остатках и его высвобождением при микробиологической деструкции. В торфяных почвах низинного типа, кроме собственно органического вещества, достаточно высокие концентрации макро- и микроэлементов, что способствует жизнедеятельности микроорганизмов.
Оценка влияния основных физиологических групп почвенных микроорганизмов на биологическую доступность техногенных радионуклидов представляет собой трудоемкий и длительный процесс вследствие подверженности эффекта воздействию разнообразных абиотических факторов. Однако в будущем исследования в данном направлении позволят предложить новые методы реабилитации земель, загрязненных техногенными радионуклидами.
Заключение
Взаимодействие ассоциаций микроорганизмов и радионуклидов играет ключевую роль в биологической доступности почвенных радионуклидов для корневого поглощения растениями. Они обуславливают большое разнообразие физико-химических и биологических механизмов, влияющих на изменение динамического равновесия распределения радионуклидов между растворимыми и нерастворимыми фазами. Содержание легкодоступного 137 Cs в торфяной почве практически во всех вариантах опыта увеличилось при развитии в них микроорганизмов: аммонифицирующих - в 1,2 раза, олигокарбофильных - в 1,5 раза, целлюлозоразрушающих аэробных - в 2,5 раза, автохтонных олиготрофов - в 3,3 раза, олигонитрофильных - в 3,4 раза, азотфиксирующих - в 3,6 раза, спорообразующих аммонификаторов - в 3,7 раза, фосфатмобилизующих - в 4 раза. Такое увеличение содержания легкодоступного 137Cs может быть связано с его высвобождением из органических остатков при их микробиологическом разложении.
Оценка вклада основных физиологических групп почвенных микроорганизмов в изменение биологической доступности техногенных радионуклидов и их перехода из почвы в растения является весьма актуальной и представляющей практический интерес для совершенствования биотехнологических подходов к разработке мер радиационной защиты в сельском хозяйстве.
СПИСОК ОСНОВНЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Звягинцев, Д. Г. Почва и микроорганизмы / Д. Г. Звягинцев. - М. : Наука, 1987. - 256 с.
2. Жизнь микробов в экстремальных условиях / под ред. Д. Кашнер. - М. : Мир, 1981. - 521 с.
3. Звягинцев, Д. Г. Биология почв : учеб. / Д. Г. Звягинцев, И. П. Бабьева, Г. М. Зенова. - М. : Изд-во МГУ, 2005. - 445 с.
4. Advanced Techniques in Soil Microbiology / Ajit Varma, Ralf Oelmuller [et al.]. - Berlin : Springer, 2007. - 427 p.
5. Radiocesium in plants of forest ecosystems / P. L. Nimis // Studia Geobotanica. - 1996. -Vol. 15. - P. 3-49.
6. Chemical speciation in the environment. Second edition / еd. by.: A. M. Ure, C. M. Davidson. -Wiley, 2002. - 452 p.
7. Iodine-129 and caesium-137 in chernobyl contaminated soil and their chemical fractionation / X. Hou [et al.] // Science of The Total Environment. - 2003. - Vol. 308. - № 1-3. - P. 97-109.
8. МВИ объемной и удельной активности гамма-излучающих радионуклидов на гамма-спектрометрах с полупроводниковыми детекторами. МВИ. МН 3421-2010 : утв. БелГИМ 28.05.10. -Минск : БелГИМ, 2010. - 35 с.
9. Основные микробиологические и биохимические методы исследования почв / под ред. Ю. М. Возняковской. - Л. : ВНИИСХМ, 1987. - 47 с.
10. Теппер, Е. З. Практикум по микробиологии / Е. З. Теппер, В. К. Шильникова, Г. И. Переверзева. - 3-е изд., перераб. и доп. - М. : Агропромиздат, 1987. - 239 с.
11. ГОСТ 26483-85. Приготовление солевой вытяжки и определение ее рН по методу ЦИНАО. - Введ. 1986-07-01. - М. : Изд-во стандартов, 1986. - 6 с.
12. ГОСТ 26212-91. Определение гидролитической кислотности по методу Каппена в модификации ЦИНАО. - Введ. 1993-07-01. - М. : Изд-во стандартов, 1993. - 7 с.
13. ГОСТ 27821-88. Определение суммы поглощенных оснований по методу Каппена. -Введ. 1990-01-01. - М. : Изд-во стандартов, 1988. - 7 с.
14. ГОСТ 26487-85. Определение обменного кальция и обменного (подвижного) магния методами ЦИНАО. - Введ. 1986-07-01. - М.: Изд-во стандартов, 1986. - 14 с.
15. ГОСТ 26207-91. Определение подвижных соединений фосфора и калия по методу Кирсанова в модификации ЦИНАО. - Введ. 1993-07-01. - М. : Изд-во стандартов, 1993. - 13 с.
16. ГОСТ 26951-86. Определение нитратов ионометрическим методом. - Введ. 1986-06-30. -М. : Гос. ком. СССР по стандартам, 1986. - 7 с.
17. ГОСТ 26213-91. Методы определения органического вещества. - Взамен ГОСТ 26213-84. -Введ. 1993-07-01. - М. : Изд-во стандартов, 1993. - 9 с.
Поступила в редакцию 05.06.2023
E-mail: [email protected]; [email protected]; [email protected]
E. A. Tankevich, A. N. Nikitin, I. I. Kantsavaya, Y. K. Simonchyk
CHANGES IN THE BIOLOGICAL AVAILABILITY OF CESIUM-137 IN PEAT SOIL FROM THE EXCLUSION ZONE OF THE CHERNOBYL NPP DURING THE DEVELOPMENT OF DIFFERENT PHYSIOLOGICAL GROUPS OF SOIL MICROORGANISMS IN IT
This article examines the influence of the main physiological groups of soil microorganisms on changes in the physicochemical forms of technogenic radionuclides in peat soil from the exclusion zone of the Chernobyl nuclear power plant.
It has been shown that the content of 137Cs readily available for root absorption in peat soil increases with the development of populations of almost all studied physiological groups of microorganisms in it: ammonifying - by 1,2 times, oligocarbophilic - by 1,5 times, cellulose-destroying aerobic - by 2,5 times, autochthonous oligotrophs - by 3,3 times, oligonitrophilic - by 3,4 times, nitrogen-fixing - by 3,6 times, spore-forming ammonifiers - by 3,7 times, phosphate mobilizing - by 4 times.
Keywords: soil associations of microorganisms, radioactive contamination, exclusion zone of the Chernobyl nuclear power plant, bioavailability of technogenic radionuclides, caesium-137.
