CC BY
122
ВЕСТНИК МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ 17. ПОЧВОВЕДЕНИЕ. 2023. Т. 78. № 2 LOMONOSOV SOIL SCIENCE JOURNAL. 2023. Vol. 78. No. 2
УДК 631.4:574.24
DOI: 10.55959/MSU0137-0944-17-2023-78-2-35-45
МЕТОДОЛОГИЯ БИОДИАГНОСТИКИ ПОЧВ И ОСОБЕННОСТИ НЕКОТОРЫХ МЕТОДОВ БИОИНДИКАЦИИ И БИОТЕСТИРОВАНИЯ (ОБЗОР)
В. А. Терехова1*, С. А. Кулачкова1, Е. В. Морачевская1, А. П. Кирюшина2
1 МГУ имени М.В. Ломоносова, факультет почвоведения, 119991, Россия, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12
2 ИПЭЭ РАН им. А.Н. Северцова, 119071, Россия, Москва, Ленинский проспект, д. 33 * E-mail: [email protected]
Методология биодиагностики экологического состояния почв и других объектов окружающей среды предполагает использование двух подходов: биоиндикационные наблюдения in situ и биотестирование образцов, реализуемое по стандартным методикам в контролируемых лабораторных условиях ex situ. Интегральная оценка почв на междисциплинарной основе согласно международному стандарту ISO19204-2017 позволяет поставить диагноз «здоровью» почв на основе биотических параметров в ходе натурных экологических наблюдений, показателей экотоксичности, которые дополняются результатами количественного химического анализа (методология ТРИАД). Для почв первостепенное значение особенно в агроэкосистемах имеют показатели состояния высших растений и микробных сообществ. В статье анализируются достоинства и ограничения известных приемов фитоиндикации, лабораторного фитотестирования, индикации состояния почв по дыханию, структурным и функциональным показателям разнообразия микробиоты и бактериальным биосенсорам. Реакции живых систем на одинаковое содержание поллютанта в большой степени зависят от содержания углерода органического вещества. Существующая нормативная база для экологической оценки биологического состояния почвенных экосистем практически это не учитывает, как и уровень минерализации и рН анализируемых объектов. Для адекватной оценки экологического качества почв предлагается совершенствовать методики измерений токсичности путем более адресных рекомендаций применения (например, для определенных градаций гумусированности, минерализации, рН).
Ключевые слова: методология ТРИАД, экотоксикологическая оценка, высшие растения, микроорганизмы, биоразнообразие, почвенное дыхание.
Введение
Современные социальные тренды, такие как забота о здоровье, ориентация на производство и потребление безопасных продуктов питания, на фоне загрязнения почв и сопредельных сред вызывают все больший интерес к контролю качества последних. Уже несколько десятилетий концепция биотического контроля признана не только необходимой, но и доминирующей в системе экологической оценки почв и нормирования вредных воздействий. Интерес к надежности методов биодиагностики заметно возрос. Об этом свидетельствует и рост числа публикаций, и появление новых методов и подходов к оценке биодоступности элементов, содержащихся в продуктах питания и в почвах. Химические поллютанты, содержащиеся в почве, напрямую воздействуют на качество продуцируемой растительной массы или косвенно, контактируя с представителями всех групп разнообразной почвенной биоты.
«Здоровье» почвы — это категория, которая заменила термин «качество почвы» в том его
смысле, который был воспринят в растениеводстве и агрономии в 90-х годах прошлого века как плодородная почва, богатая гумусом, способная производить большой объем растительной продукции. В настоящее время и ученые, и агрономы-практики все чаще используют понятие здоровье почвы. Здоровье почвы рассматривают как составную часть плодородия, важнейшей функциональной биологической категории [Соколов и др., 2016]. Концептуальное определение здоровье почвы позволяет обосновать несколько иные критерии оценки почвы. В них находит свое место более широкая трактовка биотической составляющей, которая касается не только плодородия, но и сбалансированного функционирования всех звеньев пищевой цепи в почвенных ценозах, гомеостаз почвенных сообществ, поддержание биологического разнообразия в оптимальном состоянии. Здоровье почвы определяется управлением ее биотического компонента. Дж. Доран и М. Цейс в 2000 г. дали такое развернутое определение этому термину: «Здоровье почвы — это ее способность функционировать как живая система, поддерживая жизнедеятельность
растений и животных, улучшать качество воды и воздуха, а также здоровье растений и животных в рамках экосистемы» [Doran, Zeiss, 2000].
Не только биологическое разнообразие обеспечивает здоровье почвы, но не менее важную позицию в системе оценок экологического здоровья почвы занимают функциональные характеристики. А.М. Семенов и М.С. Соколов [2016] определяют функциональные характеристики как «биологическую категорию почвенной экосистемы, характеризуемую метаболизмом и катаболизмом соединений биофильных элементов, самоочищением от вредных для биоты веществ и чужеродных биоагентов».
Этот новый взгляд на экологическое качество почвы как на состояние ее здоровья, степень на-рушенности, загрязненности дает понимание, что деградированные почвы можно «исцелить». Перед процедурой «исцеления» необходимо поставить как можно более точный диагноз живой системе.
Для постановки точного диагноза в системе здравоохранения обычно применяют два основных подхода: описание видимых (индицируемых) признаков нездоровья, уже проявившихся и фиксируемых специалистами, и анализ биоматериалов в лаборатории по метрологически аттестованным методикам, определяющим отклонение биологических показателей от установленной «нормы». Подобная аналогия просматривается в методологическом подходе к постановке диагноза такой «живой системе», как почва [Воробейчик и др., 1994; Терехова, 2022]. Биоиндикация и биотестирование — два классических приема оценки экологического состояния природных сред, которые дополняют друг друга, обеспечивая ее полноту [Мелехова и др., 2010].
У методов биоиндикации есть важное достоинство перед физико-химическими методами контроля, а именно интегральный характер ответных реакций биоты, которые суммируют все биологически важные показатели об окружающей среде и отражают ее состояние в целом; дают возможность контролировать наличие в природной среде широкого круга загрязнителей; позволяют выявлять степень вредности тех или иных веществ для живых организмов и человека; реагируют на очень слабые воздействия благодаря эффекту кумуляции в условиях хронической антропогенной нагрузки; помогают нормировать допустимую нагрузку на экосистемы; помогают увидеть тенденции развития окружающей среды и прогнозировать ситуацию.
Методы биотестирования в свою очередь позволяют выявлять негативные воздействия в опережающем режиме, до проявления видимых отклонений от исходного состояния биоты, они характеризуются высокой чувствительностью, кратким периодом реализации и большой надежностью в установлении порогов токсичности, поскольку, как правило, проводятся по метрологически аттестованным методикам [Терехова и др., 2017].
Методы биоиндикации относят к основным методам биодиагностики, предоставляющим информацию об изменениях, затрагивающих глобальные процессы функционирования экосистем. Методы биотестирования считаются коррелятивными, информация о токсичности среды рано или поздно скажется на видимых (индицируемых) в природе изменениях в состоянии биоты [Воробейчик и др., 1994].
Появление в Федеральном фонде по обеспечению единства измерений РФ [ФГИС «АРШИН» https://fgis.gost.ru/fundmetrology/registry] солидного арсенала биологических методов оценки токсичности почв, вод, донных осадков и отходов открывает широкие возможности сравнительного лабораторного анализа качества почв и сопредельных сред, безопасности производимой продукции. Это позволяет охарактеризовать биодоступность токсикантов в почве, зафиксировать наличие их в кормовой базе животных до проявления индицируемых (видимых) отклонений от нормы и в итоге предотвратить поступление некачественной продукции на рынок. Одновременно накопился целый ряд вопросов к совершенству таких методик, их применимости в разных почвенных условиях и универсальности по отношению к разным видам загрязняющих веществ.
Устойчивое функционирование почв агроце-нозов характеризуют продуктивностью, о которой судят по объему и качеству растительной продукции, урожайности сельскохозяйственных культур. Наряду с этим важное значение в регламентах экологической оценки придается дыханию почвы, структурно-функциональным показателям микробного сообщества, биотестированию острой и хронической экотоксичности.
В данном обзоре мы рассмотрим достоинства и недостатки существующих подходов и методов оценки почв на основе реакции представителей двух групп биоты — высших растений и микроорганизмов.
Фитодиагностика
Фитоиндикация — важный блок фитодиаг-ностики качества почв, основана на изучении состояния растений по различным признакам, учет которых проводится в естественных условиях или агроценозах. По характеру и изменениям зеленой массы, морфологии и прочим характеристикам высших растений, проявляющимся при избытке определенных химических элементов в почве, несложно фиксировать отклонения в сторону неблагополучия условий произрастания. Если наблюдения за растениями проводят в природных экосистемах, то такую фитоиндикацию называют пассивной, в отличие от активной фитоиндикации, когда оценку состояния проводят в более или менее контролируемых условиях у растений, посаженных на определенных участках.
Для скрининговой фитоиндикации вполне подходят методы, связанные с морфологическими изменениями высших растений. Морфологические фитоиндикаторы позволяют оценивать стрессовые факторы при низких и высоких дозах кратко-и долговременного воздействия [Линдиман и др., 2008]. Методики скрининговой фитоиндикации привлекают в первую очередь незначительными трудозатратами, простотой учета и доступностью показателей, они не требуют специальных лабораторий и профессионально обученного персонала. В качестве показателей можно использовать размер или окраску листьев: к примеру, под воздействием тяжелых металлов бледнеет окраска листовой пластины (хлороз), а пожелтение краев листьев является индикатором воздействия хлоридов. О воздействии оксидов серы может свидетельствовать покраснение листьев у некоторых видов растений. Листовая пластина в целом считается одним из наиболее чувствительных органов растений. По изменению состояния листовой пластины судят не только о качестве почвы, но и о загрязнении атмосферного воздуха [Мимиева, Ширина, 2017].
Эффективным способом обнаружения неблагополучия в окружающей среде считается флуктуирующая асимметрия листьев [Низкий, Сергеева, 2015]. Этот метод, хорошо зарекомендовавший себя при определении общего уровня антропогенного воздействия, в фитоиндикации характеризует различия между левой и правой половинами листа. При возрастающем воздействии неблагоприятных факторов показатель увеличивается, что соответственно приводит и к повышению асимметрии.
Для фитоиндикации успешно применяют ден-дрогеохимические методы — определение содержания химических элементов в годичных кольцах древесины [Глебов, Киричук, 2014]. Вследствие загрязнения происходит снижение интенсивности фотосинтеза, что в свою очередь приводит к уменьшению годичного прироста деревьев [Рыбаков, 2016]. Прирост определяют с помощью методики гистохимического выявления тяжелых металлов с использованием дитизона. Дитизон реагирует с ионами металлов (Cd, Ni, Cu, Pb и др.), образуя нерастворимые в воде соли дитизонаты, окрашенные в разные оттенки красного цвета, которые легко визуализируются на поперечных срезах годичных побегов. Если окраски нет, то накопление металлов отсутствует. Чем интенсивнее окраска, тем больше загрязнение [Прохорова, 2018].
Запатентован способ фитоиндикации почв для оценки территории по наличию злаковых культур путем измерения распространения многолетних злаковых трав в течение вегетации на лугах. Так, проводят учет тимофеевки луговой (Phleum pratense L.), овсяницы луговой (Festuca pratensis Huds.) и райграса высокого (Arrhenatherum elatius М. et K.) на площади 1 м2. Состояние почвы считается благопо-
лучным, если злаковых трав более 15% и количество стеблей на одном растении более 10 штук; если же злаков менее 15% и количество стеблей — менее шести, то участок считается неблагоприятным [Оказова, Катаева, 2018].
Фитоиндикационные показатели многочисленны и разнообразны. Для упорядочения и систематизации выделяют разные группы показателей, в частности статические и динамические. Статические показатели характеризуют статус растения в тот или иной момент времени. Они бывают метрические (число, вес, размер морфоструктур) и алломе-трические (соотношение разных частей растений в развитии, к примеру, площадь листьев на единицу фитомассы). Последние являются более стабильными, т. к. имеют меньшую внутригрупповую дисперсию. Динамические показатели включают в себя темпы роста и формирования особей растений и их отдельных частей за определенные промежутки времени. Они также бывают метрические (динамика в онтогенезе отдельного метрического признака, например, относительная скорость формирования поверхности листьев) и аллометрические (динамика в онтогенезе аллометрических соотношений).
В целом, можно констатировать, что фитоин-дикационные параметры активно применяются для описания здоровья почвенных экосистем, однако эти характеристики имеют большой элемент неопределенности и субъективности в анализе изучаемых параметров. В первую очередь это относится к окраске и площади поверхности листовых пластин.
Фитотестирование в отличие от фитоин-дикации проводится в контролируемых условиях лабораторного или вегетационного эксперимента на тест-растениях, результаты фиксируются по известным и поддающимся строгому учету характеристикам. С помощью фитотестов определяют как фитостимулирующие эффекты, так и токсичность образцов природных и техногенных сред, различных материалов, химических веществ, промышленных отходов [Еремченко, Митракова, 2018; Jiangetal., 2019].
Особенно востребованы фитотесты при исследовании почв, что вполне объяснимо, поскольку почвы являются естественной средой для высших растений. Учет результатов фитотестов в лаборатории проводят по всхожести семян, энергии прорастания растений, длине корней, величине длины ростков проростков семян. Известны несколько стандартных методов, регламентирующих применение определенных видов растений и измеряемых тест-функций [МР 2.1.7.2297-07; ФР.1.31.2012.11560; ФР.1.31.2020.38716; ISO 17616; OCSPP 850.4230; OECD 208; OECD Guidelines, 2006; Phytotoxkit, 2004].
Фитотестирование давно и широко применяется как для оценки естественных почв, так и агрозе-мов. В зависимости от масштаба и цели заложенного эксперимента выделяют лабораторный, вегетаци-
онный (в сосудах, чашках Петри или планшетах) и микроделяночный (на экспериментальных площадках) способы фитотестирования. В зависимости от времени выделяют острые фитотесты (24-96 ч.) и хронические (от семи суток до всего вегетационного периода растений). В вегетационных и микроделя-ночных экспериментах проводят оценку хронической фитотоксичности, а в лабораторных — острой фитотоксичности.
В контролируемых условиях лабораторного или вегетационного эксперимента в качестве тест-растений наиболее часто используются овес посевной, горчица белая, редька масличная, кресс-салат. В литературе немало примеров удачного использования и других видов растений. К примеру, для экспериментального биотестирования почв применяют лук-батун (Alliumfistulosum L.), что обосновывают его высокой чувствительностью, быстротой получения информации, простотой культивирования, небольшими размерами, дешевизной, высокой чувствительностью к мутагенам [Пудова, Шадрина 2017]. Для определения токсичности реактивного топлива и гербицидов успешные биотесты проведены с использованием сорго (Sorghum bicolor L.) и бобов (Phaseolus vulgaris L.). Для определения токсичности фенолов и хлорфенолов применяли просо обыкновенное (Panicum miliaceum L.) [Тишин, 2020].
В редких случаях есть специфические рекомендации к выбору тест-растений для биотестирования экологического состояния почв. Однако в целом предпочтение отдается эндемичным видам однодольных растений в сочетании с двудольными, растениям с мелкими семенами, чтобы они как можно раньше реагировали на внешние воздействия. В методиках планшетного фитотестиро-вания (Фитоскан — ФР.1.31.2012.11560 «Методика измерений биологической активности гуминовых веществ методом фитотестирования» и Фито-скан-2 — ФР.1.31.2020.38716 «Методика измерений биологической активности почв, субстратов растений, гуминовых веществ методом биотестирования») в качестве стандартизированных тест-культур используют представителей однодольных — овес посевной (Avena sativa L.) и двудольных — горчицу белую (Sinapis alba L.) и редис посевной (Raphanus sativus L.), всхожесть семян которых не менее 90%. У двудольных растений измеряют длину главного корня, выделяющегося толщиной и длиной среди придаточных и боковых корней. У однодольных растений измеряют длину самого длинного корня. Фитотестирование в планшетах имеет ряд преимуществ по сравнению с чашками Петри, в частности, развитие проростков можно фиксировать с помощью анализаторов видеоизображений или сканировать и обрабатывать на компьютере [Николаева, Терехова, 2017]. Именно такой способ рекомендуется использовать в ГОСТ Р ИСО 187632019 для установления токсического воздействия
загрязняющих веществ почв и отходов на всхожесть и рост на ранних стадиях высших растений — сорго двухцветного (Sorghum saccharatum (L.) Moench), кресс-салата (Lepidium sativum L.) и горчицы белой (Sinapis alba L.).
Вариант анализа водных растворов или экстрактов почв и отходов называют элюатным способом, анализ твердой массы — аппликатным. При выборе формы почвенного материала для анализа целесообразно отдавать предпочтение субстрату в твердом виде, а не водным экстрактам, так как существует большое количество нерастворимых загрязняющих веществ (в частности, нефтепродукты). Кроме того, в зависимости от типа почв в экстракты будет переходить разное количество поллютантов [Терехова, 2022].
Диагностика функционирования
почв по дыханию
Выделение углекислого газа с поверхности почвы может выступать информативным показателем функционирования почв, прежде всего их биологической составляющей. Во многих зарубежных и отечественных работах эмиссия СО2 с поверхности почв отождествляется c понятием «почвенного дыхания» (soil respiration), так как в большей степени характеризует биологическую активность почв — дыхание живых организмов, населяющих почву (почвенных мезо- и микроорганизмов, корней растений) и в меньшей — абиотическую составляющую (транспорт газообразных веществ и межфазные взаимодействия) [Смагин, 2020].
Для измерений почвенного дыхания in situ (эмиссии СО2 поверхностью почв) чаще всего используют камерный метод с широким применением портативных газоанализаторов (производители LiCor, Picarro, PPSystems, AZ Instrument и др.), позволяющих проводить высокоточные исследования в натурных полевых условиях.
Нормативных величин для оценки почвенного дыхания в настоящее время не существует, так как оно может сильно варьировать в зависимости от факторов окружающей среды. Но тем не менее в работе А.В. Смагина приведены некоторые количественные градации для такой оценки. Интенсивность дыхания меньше 100-200 мг СО2-м-2-ч-1 можно считать низкой, 1000 мг СО2-м-2-ч-1 и выше —высокой. Интенсивность дыхания в среднем 400-800 мг СО2-м-2-ч-1 часто характеризует зональные почвы (в частности, дерново-подзолистые) и городские почвы, не подверженные антропогенной нагрузке, в умеренных климатических условиях [Смагин, 2020].
Для выявления влияния антропогенного фактора на функционирование почв оценивают почвенное дыхание in situ на участках с проявлением фактора и без. Далее статистическими методами устанавливают достоверность различия показателей разных участков. Учитывая повышенную вариабельность
дыхания почв, испытывающих антропогенное влияние, точки опробования должны быть в достаточном количестве. Почвенное дыхание, измеряемое in situ, — функциональная характеристика, устойчивая к структурным изменениям экосистем, подтверждающая гипотезу функциональной избыточности биотических сообществ. Значимые изменения этого показателя наблюдаются при сильном воздействии. Показано, что загрязнение от металлургических предприятий в целом негативно влияет на почвенное дыхание, в максимальной степени это проявляется при формировании техногенных пустошей вблизи предприятий [Сморкалов, Воробейчик, 2011]. Есть данные об увеличении дыхания серых лесных почв агроэкосистем, испытывающих влияние химически активных токсичных фторидов, источником которых является производство алюминия. Усиление эмиссии СО2 в загрязненной фторидами (6 ПДК) почве характеризует увеличение деструкции органического вещества в условиях подщелачивания и осолонцевания [Помазкина, 2015].
Почвенное дыхание in situ можно использовать для оценки ремедиации нарушенных территорий. Так, например, было показано, что хемофитостаби-лизация техногенных пустошей вблизи медно-ни-келевых комбинатов оказалась менее эффективным способом восстановления территории, чем нанесение плодородного слоя на поверхность. В первом случае эмиссия СО2 увеличилась в 1,5-2 раза, тогда как во втором — в 1,5-8 раз, она отражала интенсивность развития корневой системы растений, биомассы и разнообразия микроорганизмов [Кадулин, Копцик, 2019].
Микробная диагностика
загрязненных почв
Индикация по дыханию и биомассе микроорганизмов. Почвенные микроорганизмы участвуют во многих важнейших экосистемных процессах, особенно велика их роль в цикле углерода и круговороте питательных веществ в почвах. Чтобы адаптироваться к изменениям условий окружающей среды, микроорганизмы способны трансформировать свои стратегии энергопотребления, изменяя предпочтения в использовании углерода, что позволяет им выступать важным индикатором загрязнения почв и состояния их здоровья [Xuetal., 2019]. Микробное дыхание — интегральный показатель, характеризующий биологическую активность почв, определяется в рамках мониторинговых программ многих европейских стран по стандартным методикам (ISO 16072:2002 — для базального дыхания и ISO 14240-1:1997 — для субстрат-индуцирован-ного дыхания). Функциональные характеристики микробиоты почв, в частности ее дыхание, могут быть более важными показателями, чем структура и биоразнообразие почвенных микробных сообществ. Часто используются и такие характеристики,
как содержание микробной биомассы, микробный метаболический коэффициент дСО2 (удельное дыхание микробной биомассы) и коэффициент микробного дыхания QR (отношение величины ба-зального дыхания к субстрат-индуцированному). Критерием оценки экологического состояния почв по названным показателям выступает повышение или снижение величин относительно почв фоновых территорий или незагрязненных модельных объектов. При оценке показателя QR часто основываются на градациях, описанных в книге Н.Д. Ананьевой. Значения QR < 0,1 свидетельствуют об истощении и деградации почвенной микробиоты, QR в диапазоне 0,1-0,2 характеризует устойчивые сообщества и свидетельствует об отсутствии нарушений, возрастание коэффициента QR до 0,2-0,3 показывает слабую, 0,3-0,5 — среднюю, 0,5-1,0 — сильную степени нарушенности микробиоты почв вследствие неблагоприятных климатических или антропогенных воздействий на почву, более 1,0 свидетельствует о катастрофической степени деградации микробного сообщества и об интенсивном разложении органического вещества [Ананьева, 2003].
Во многих исследованиях продемонстрировано индикационное значение показателей базального дыхания (БД), микробной биомассы и метаболических коэффициентов при установлении вида и степени загрязнения почв, а также других антропогенных воздействий. Это позволяет использовать данные параметры функциональной активности почвенной биоты, определенные в стандартизованных лабораторных условиях, при подборе и оценке средств ремедиации почв.
Установлено изменение интенсивности базаль-ного дыхания почв, загрязненных тяжелыми металлами (ТМ). Так, модельные эксперименты показали, что внесение Zn в количестве 1 ОДК (ориентировочно-допустимая концентрация) в разные зональные почвы повышало дыхательную активность, тогда как Cd и полиэлементное загрязнение — снижало. Увеличение количества загрязнителей до 5 и 10 ОДК подавляло дыхательную активность во всех почвах максимально на 80% [Плеханова и др., 2019]. Измерение базального дыхания городских почв Московской области, содержащих 1,2-3,2 ОДК ТМ, также продемонстрировало снижение базального дыхания в 1,3-1,8 раза при уменьшении микробной биомассы в 1,7-2,7 раза [Иващенко и др., 2014]. Похожие закономерности получены и для кальциковой камбисоли (calcic cambisol) на металлофитном лугу вблизи завода по переработке свинца во Франции, работающем более 50 лет. Базальное дыхание, микробная и грибная биомасса были минимальны в 10 м от стены завода и увеличивались по мере удаления от источника загрязнения на 110 м, отрицательно коррелируя с содержанием Pb в почвах. Метаболический коэффициент qСО2, наоборот — уменьшался и коррелировал положительно. Ингибирование
грибного сообщества было менее значительным, чем микробного сообщества в целом [ВегаЫ et а1., 2016].
Индикаторная ценность функциональных микробиологических показателей зависит от гумус-ного состояния почвы. При моделировании одинакового уровня полиметаллического загрязнения показано, что изменение микробных показателей почв разной гумусированности отличается. В слабо гумусированной почве полиметаллическое загрязнение вызывало угнетение микробной биомассы более чем в два раза, а в сильно гумусированной — менее чем на треть. Однако заметное снижение БД отмечено только для слабо гумусированной почвы с ТМ, а возрастание метаболического коэффициента, напротив, — в сильно гумусированной [Терехова и др., 2021]. В этой же работе содержание микробной биомассы исследуемых почв значимо коррелировало с развитием растений, что повышает биодиагностическую ценность этого микробного показателя, в том числе для характеристики плодородия.
Для предприятий химической промышленности предложено использовать показатели базального дыхания, микробной биомассы и метаболический коэффициент для уточнения границ санитарно-за-щитных и рекреационных зон. На примере предприятия-производителя удобрений установлено, что минимальное количество углерода микробной биомассы и высокий уровень удельного дыхания характерны для участков вблизи фосфорно-гипсо-вых отвалов — дополнительного источника пол-лютантов, — тогда как на остальной территории импактной зоны предприятия данные показатели изменяются в слабой и средней степени по сравнению с фоном. Такую стабильность функционирования почв авторы исследования объясняют сложным взаимовлиянием потенциальных почвенных пол-лютантов кислотной и щелочной природы [Жукова, Хомяков, 2015].
Показатели изменения содержания углерода микробной биомассы и коэффициента микробного дыхания QR позволяют выявлять устойчивые к неф-тезагрязнению почвы. В модельных экспериментах установлено, что серые лесные почвы более устойчивы к воздействию сернистой нефти, чем дерново-подзолистые, из-за особенностей микрофлоры и свойств почв [Вершинин и др., 2017]. Содержание микробного углерода в суглинистых серых лесных почвах при концентрациях нефти 0,73-6,45 г-кг-1 снижалось всего в 1,1-1,2 раза (относительно контроля — не загрязненной нефтью почвы), тогда как в дерново-подзолистых почвах легкого гранулометрического состава при 1,5-8,3 г-кг-1 — более чем в 2 раза (во все почвы вносили одинаковое количество нефти, различия остаточных концентраций обусловлены сорбционными свойствами почв). Сильное уменьшение содержания микробной биомассы происходило уже при внесении низких концентраций нефти, и значительного прогресса в снижении
содержания микробного углерода с повышением уровня загрязнения не наблюдалось.
Внесение нефти во всех вариантах концентраций приводило к росту QR, динамика которого зависела от типа почв. Максимальные значения соответствовали супесчаной дерново-подзолистой почве с самыми низкими запасами микробной массы, тогда как в серых лесных почвах, обогащенных жизнеспособными микробными клетками, даже при высоких концентрациях нефти значения QR были в пределах нормы [Вершинин и др., 2017].
В других исследованиях получены сходные закономерности. Уменьшение содержания углерода микробной биомассы наблюдалось при загрязнении поверхностных горизонтов почв нефтью и нефтепродуктами (концентрации 5 и 10%), особенно сильное (в 2 и более раз) в первые сутки после внесения нефти. Очевидно, это связано с токсическим действием на микробиом углеводородов нефти. Свойства почв влияют на общую токсичность: повышенное содержание органического вещества и тяжелый гранулометрический состав защищают микроорганизмы от воздействия углеводородов, приводя к меньшему подавлению численности микробной популяции за счет адсорбции токсичных нефтяных компонентов. Несмотря на уменьшение микробной биомассы, базальное дыхание нефтезагрязненных почв повышается, в том числе из-за активизации нефтеразлагающих микроорганизмов [ЬаЬ^ et а1., 2007].
В почвах, в которых одновременно присутствует несколько загрязнителей, реакция микроорганизмов может быть скрыта из-за антагонистического влияния различных поллютантов или, наоборот, усилена из-за синергетического воздействия. Так, для почв, загрязненных нефтепродуктами и тяжелыми металлами (Cd, Zn, РЬ), множественной регрессией выявлены зависимости базального дыхания и биомассы только от содержания нефтепродуктов и установлено, что показатели микробной активности уменьшались при увеличении содержания нефтепродуктов. Отсутствие влияния металлов на скорость дыхания почвы и микробную биомассу могло быть связано с высокой избыточностью функций почвенных микробных сообществ, которая позволяет замещать более чувствительные к загрязнению группы/виды менее чувствительными. В почвах с длительным загрязнением металлами почвенные микроорганизмы могли приобрести толерантность к металлам. Кроме того, известно, что в почвах даже с очень высокими общими концентрациями металлов их биодоступная фракция может быть незначительна, поэтому воздействие металлов на микробное дыхание почвы может не фиксироваться [КНтек et а1., 2016].
Описан опыт экологической оценки городских почв (г. Благовещенск) на основании дыхательной активности микробного сообщества в различных
функциональных зонах (по сочетанию величин микробного углерода, отношению микробного углерода к общему органическому, БД, QR, qСО2). Состояние почв в рекреационной зоне оценивалось как устойчивое, в селитебной, селитебно-транспортной и промышленной зонах — несбалансированное и нарушенное, в транспортной зоне — как истощенное, находящееся в стадии деградации [Сергеева и др., 2018]. Индикационное значение потенциальной дыхательной активности микроорганизмов продемонстрировано и для почв ряда городов различных почвенно-биоклиматических зон. Выявлено увеличение этих показателей от городов северных регионов к южным. Внутри одного города закономерности могут различаться в зависимости от структуры микробного комплекса почв, типа органического вещества и особенностей рекультивации: максимальное потенциальное дыхание микроорганизмов отмечалось в почвах селитебных или селитебно-транспортных зон, в почвах парково-рекреацион-ных территорий оно было приближено к контрольным [Стома и др., 2020].
По изменению микробного дыхания можно выявлять оптимальные системы применения удобрений. Исследования микробной дыхательной активности, проведенные на длительном полевом опыте с внесением различных комбинаций минеральных и органических удобрений в китайской провинции Аньхой, показали, что она может как уменьшаться, так и увеличиваться по отношению к контролю. Максимальное снижение базального дыхания (до 50%) наблюдалось в экспериментах с минеральными удобрениями №К и их сочетанием с коммерческими органическими удобрениями, минимальное — при применении тех же удобрений со свежим навозом. Увеличение интенсивности базального дыхания происходило при добавлении к минеральным удобрениям и свежему навозу пшеничной соломы. Было доказано, что помимо хорошо известных факторов, определяющих базальное дыхание (рН, содержание органического вещества, обилие и биомасса микроорганизмов), самым важным является состав сообщества микроорганизмов, конкретные жизненные стратегии и функциональные возможности микробиоты. Моделированием было установлено, что наибольшее значение имели относительная численность Alphaproteobacteria и Bacteroidetes, а также обилие грибов в почвах [Ьше1а1, 2018].
Не всегда все рассмотренные показатели значимо изменяются при антропогенном воздействии. В длительном эксперименте по мониторингу микробной биомассы и удельной дыхательной активности в серых лесных почвах, загрязненных фторидами, показано, что величина микробной биомассы мало зависела от содержания поллютанта, тогда как удельная дыхательная активность почвенного микробного комплекса была выше на загрязненных почвах. Исключения составляли аномальные
по влагообеспеченности годы, когда и на незагрязненных почвах нарушения в функционировании микробного комплекса, связанные с несбалансированностью затрат углерода на дыхание и рост в неблагоприятных условиях, приводили к повышению удельной дыхательной активности микроорганизмов [Помазкина, 2015].
Дыхание и биомасса микроорганизмов выступают чувствительными индикаторами, характеризующими зависимость степени воздействия стресс-фактора на здоровье почв от свойств, прежде всего, самой почвы.
Индикация функционального разнообразия микробиоты почв методом МСТ. Оригинальный способ оценки активности почвенного микробиома представлен интегральным показателем здоровья почв, основанным на параметрах функционального биоразнообразия (ФБР) почвенного микробного сообщества. Для этих расчетов используется информация о спектрах потребления питательных субстратов почвенными микроорганизмами, которые вносятся в лунки планшета с индивидуальными веществами (сахара, аминокислоты, полимеры, нуклеозиды, соли органических кислот, спирты) [Горленко, Кожевин, 2005]. Метод получил название мультисубстратное тестирование (МСТ) микробных сообществ, но, по сути, в данном случае термин «тестирование» не полностью совпадает с тем определением тест-культур, что дано нами ранее. Эксперимент проводят в строго контролируемых лабораторных условиях, но тестируется реакция природных сообществ, а не лабораторной тест-культуры, которую принято называть «датчиком», реагирующим на исследуемый вид воздействия.
В настоящее время этот метод внесен в реестр методик измерения Федерального фонда по обеспечению единства измерений (ФР.1.37.2010.08619 (ПНД Ф Т 16.1.17-10) «Методика выполнения измерений интенсивности потребления тест-субстратов микробными сообществами почв и почвоподоб-ных объектов фотометрическим методом»). Функциональное разнообразие микробных сообществ оценивается на основе количества потребленных субстратов и расчетов удельной метаболической работы пулом клеток микроорганизмов, которые десорбированы с почвенных частиц. В ячейках иммунологического планшета микроорганизмы инкубируются при 28оС с субстратами и химическим индикатором, который визуально сигнализирует о потреблении определенного субстрата появлением регистрируемой красной окраски (восстановление трифенилтетразолия до формазана). Через 72 ч оптическая плотность каждой ячейки измеряется программно-аппаратным комплексом «Эко-Лог». Концентрация формазана и обусловленная им оптическая плотность ячейки определяют интенсивность развития группы микроорганизмов, способной потреблять тот или иной субстрат [Горленко,
Кожевин, 2005]. Рассчитанные на основе оптической плотности коэффициенты, в том числе рангового распределения спектров потребления субстратов, позволяют количественно характеризовать как «благополучие и стабильность» микробного сообщества почвы, так и «неблагополучие» и стресс [Горленко и др., 2012]. С помощью метода МСТ доказано, что эффект полиметаллического загрязнения в слабо гумусированной почве с истощенными питательными ресурсами выражен сильнее, такая почва оказалась более чувствительной к действию токсикантов, в ней наблюдалось резкое снижение функционального разнообразия и устойчивости микробного сообщества [Терехова и др., 2021].
Таким образом, очевидно, что индикаторная ценность функциональных микробиологических показателей зависит от почвенных условий, среди которых большое значение имеет гумусное состояние почвы.
Биотестирование с применением бактерий. Среди микроорганизмов бактериальной природы в практике биотестирования используются виды в основном из двух родов Photobacterium и Vibrio (P. phosphoreum Kohn, P. leiognathi Boisvert et al., V. fischeri Beijerinck, V. harveyi Johnson and Shunk). Биолюминесцентный бактериальный анализ — один из вариантов хемилюминесцентной реакции, для осуществления которого необходимы восстановленный флавинмононуклеотид, кислород, длин-ноцепочечный альдегид и фермент — люцифераза, а конечными продуктами являются жирная кислота, вода и видимый свет: ФМН2 + ROTO + 02люцифераза ФМН+RCOOH + H20 + свет [Hastings, Johnson, 2003]. Уменьшение интенсивности свечения прямо пропорционально токсическому эффекту. Критерием токсического действия является изменение величины интенсивности биолюминесценции бактерий в исследуемой пробе по сравнению с контрольной пробой, не содержащей токсических веществ. Количественная оценка параметра тест-реакции выражается в виде безразмерной величины — индекса токсичности.
Методы, основанные на биохемилюминесцент-ных реакциях, применяются в разных сферах — в биомедицинских исследованиях, клинической медицине, иммунологии, анализе токсичности отдельных веществ и препаратов [Blaise et al., 1994; Kudryasheva et al., 2002; Yakimenko et al., 2022]. Биолюминесцентные биотесты на основе бактерий — Microtox, Tox Alert, LUMIStox — это стандарты, широко применяемые в зарубежной практике [Shaoet al., 2002; Roda et al., 2003].
В последние годы все чаще их стали использовать для экологического мониторинга качества вод, донных отложений и почв. Отечественные разработки, к сожалению, немногочисленны. Для решения задач прикладной экологии и биотестирования почв наиболее часто применяемой ока-
залась «Методика определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод и отходов по изменению интенсивности бактериальной биолюминесценции тест-системой "Эколюм" на приборе "Биотокс-10"» (ПНД Ф Т 14.1:2:3:4.1104 (ПНД Ф Т 16.1:2.3:3.8-04). Основу этого внедренного в практику биотестирования в России препарата составляет штамм Escherichia coli, реконструированный генно-инженерным способом индекс токсичности и способный к биолюминесценции бактериальной биомассы в нетоксичных условиях. Отмечается, что бактериальный тест чувствителен к широкому спектру химических соединений: тяжелые металлы, пестициды, фенолы, углеводороды и т. д. C помощью этого бактериального теста можно установить действующие (эффективные) концентрации отдельных веществ и препаратов, вызывающие 50%-ное отклонение от контроля (ЭК50 — гашение биолюминесценции на 50%). Например, определены наиболее токсичные компоненты и концентрации биополимеров, на основе которых конструируются интерполиэлек-тролитные комплексы — стабилизаторы структуры почвы [Yakimenko et al., 2022].
Однако реакции биолюминесцентных бактерий на сложные системы, такие как почвы, загрязненные отходами в виде смеси химических веществ, порой плохо объяснимы как результат недостаточно изученного процесса. На отклики тест-организмов, особенно если они связаны с активностью ферментативных систем, большое влияние оказывают условия экспозиции, такие как рН, минерализация, содержание органического вещества, кислорода и другие. На измеряемый с помощью прибора «Био-токс» индекс токсичности оказывают влияние, по всей видимости, и минерализация, и состав ионов исследуемой пробы. Так, в водных пробах с антибиотиком фторхиноновой природы ципрофлокса-цином при повышении минерализации (от 4 до 9%о) с помощью раствора хлорида натрия наблюдалось снижение индекса токсичности одной и той же концентрации антибиотика (А. Батаков, предварительные данные). Механизм такого воздействия минерализации предстоит исследовать. Подобные явления наблюдались и в других тест-системах [Kalbassi et al., 2011; Yang et al., 2015]. В частности, в биотестах на морских биолюминесцентных бактериях Vibrio fischeri снижение токсичности сульфаниламидных антибактериальных препаратов (50-100 мг-дм-3) при повышении минерализации морской воды от 20 до 34% связывают с влиянием концентрации анионов хлора и других на ферментные системы бактерий [Yang et al., 2015].
Неожидаемых эффектов и «артефактов» к настоящему времени накопилось немало. Нередко авторы справедливо отмечают «сложности использования результатов биотестирования отходов при установлении их классов опасности для окружаю-
щей природной среды» в соответствии с действующими критериями, которые предполагают выбор тест-систем, различающихся чувствительностью к токсикантам и условиям экспозиции [Саксонов и др., 2011]. Это приводит к выводу о том, что заявленный в большинстве методик биотестирования широкий спектр анализируемых объектов («определение токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод и отходов») пора детализировать как по видам загрязняющих веществ, так и по другим характеристикам (минерализации, рН, содержанию углерода органического вещества).
Заключение
Включение в систему международных стандартов в 2017 г. нормативного документа ISO 19204:2017 «Качество почвы. Методика оценки экологического риска локального загрязнения почвы (триадный подход к оценке качества почвы)», несомненно, важный шаг на пути интеграции данных, получаемых разными методами. Это алгоритм, позволяющий оценить потенциальные вредные воздействия на экосистему, учитывая биотические показатели — биодоступность поллютантов и экотоксико-логические параметры, полученные методами биоиндикации и биотестирования, а также данные о химических маркерах - концентрациях загрязняющих веществ как результат количественного химического анализа. Однако выбор определенных методик, различающихся по чувствительности, избирательность их эффективного применения к оценке биотического компонента экосистем может оказывать влияние на итоговый интегральный индекс экологического качества почв, как и других объектов окружающей среды. Существующая нормативная база для экологической оценки биологического состояния почвенных экосистем практически не учитывает ни уровень минерализации, ни рН анализируемых объектов. Для адекватной характеристики экологического качества почв следующим шагом в совершенствовании системы оценки и нормирования воздействий должны стать более адресные рекомендации применения биотических методов (для определенных градаций гумусирован-ности, минерализации, рН).
Информация о финансировании работы
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (грант РНФ 22-24-00666).
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ананьева Н.Д. Микробиологические аспекты самоочищения и устойчивости почв. М., 2003.
2. Вершинин А.А., Петров А.М., Юранец-Лужаева Р.Ч. и др. Коэффициент микробного дыхания различных
типов почв в условиях нефтяного загрязнения // Вестн. технологического ун-та. 2017. Т. 20, № 4.
3. Воробейчик Е.Л., Садыков О.Ф., Фарафонтов М.Г. Экологическое нормирование техногенных загрязнений наземных экосистем (локальный уровень). Екатеринбург, 1994.
4. Глебов В.В., Киричук А.А. Возможности биомониторинга в оценке экологического состояния экосистем столичного мегаполиса // МНКО. 2014. № 5 (48).
5. Горленко М.В., Кожевин П.А. Мультисубстратное тестирование природных микробных сообществ. М., 2005.
6. Горленко М.В., Якименко О.С., Голиченков М.В. и др. Функциональное биоразнообразие почвенных микробных сообществ при внесении органических субстратов различной природы // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2012. № 2.
7. Еремченко О.З., Митракова Н.В. Фитотестиро-вание почв и техногенных поверхностных образований в урбанизированных ландшафтах // Вестн. Пермского ун-та. Сер. Биология. 2018. № 1. [Электронный ресурс]: URL: http://press.psu.ru/index.php/bio/article/view/1789
8. Жукова А.Д., Хомяков Д.М. Показатели микробного дыхания в почвенном покрове импактной зоны по производству минеральных удобрений // Почвоведение. 2015. № 8.
9. Иващенко К.В., Ананьева Н.Д., Васенев В.И. и др. Биомасса и дыхательная активность почвенных микроорганизмов в антропогенно-измененных экосистемах (Московская область) // Почвоведение. 2014. № 9.
10. Кадулин М.С., Копцик Г.Н. Эмиссия диоксида углерода почвами как критерий эффективности реме-диации техногенных пустошей вблизи медно-никелевых комбинатов в Кольской Субарктике // Экология. 2019. № 6.
11. Ковалева Е.И., Трофимов С.Я., Шоба С.А. Реакция высших растений на уровень нефтезагрязнения почв в вегетационном опыте // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17. Почвоведение. 2022. № 3.
12. Линдиман А.В., Буймова С.А., Шведова Л.В., Ку-прияновская А.П. Уровень антропогенного воздействия на экосистемы как функция свойств растительных сообществ // Вестн. МИТХТ. 2008. № 6.
13. Мелехова О.П., Сарапульцева Е.И., Евсеева Т.И. и др. Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование. М., 2010.
14. Мимиева Е.Б. Ширнина Л.В. Липа мелколистная как биоиндикатор загрязнения атмосферного воздуха тяжелыми металлами // Вестн. Воронежского гос. аграрного ун-та. 2017. № 1 (52).
15. Низкий С.Е., Сергеева А.А. Флуктуирующая асимметрия листьев березы плосколистной (Betula platyphylla Sukacz) как критерий качества окружающей среды // Вестн. КрасГАУ 2015. № 7.
16. Николаева О.В., Терехова В.А. Совершенствование лабораторного фитотестирования для экотоксиколо-гической оценки почв // Почвоведение. 2017. № 9. https:// doi.org/: 10.7868/S0032180X17090052
17. Оказова З.П., Катаева М.В. Способ фитоинди-кации почв. Патент РФ. № 2643249 C2; заявл. 02.02.2016; опубл. 31.01.2018; Бюл. № 4.
18. Плеханова И.О., Золотарева О.А., Тарасенко И.Д. и др. Оценка экотоксичности почв в условиях загрязнения тяжелыми металлами // Почвоведение. 2019. № 10.
19. Помазкина Л.В. Мониторинг эмиссии СО2 и содержания микробной биомассы в агроэкосистемах на
серой лесной почве Прибайкалья в условиях загрязнения фторидами // Почвоведение. 2015. № 8.
20. Прохорова Н.В. Древесные растения в системе озеленения промышленных городов как фитоиндикаторы полиметаллического загрязнения урбосреды // Сб. науч. трудов Гос-го Никитского ботанического сада. 2018. Т. 147.
21. Пудова Т.М., Шадрина Е.Г. Биотестирование загрязнения почвенного покрова урбанизированных территорий по показателям всхожести и мутагенной активности лука-батуна Allium fistulosum L. (на примере г. Якутска) // Современные проблемы науки и образования.
2017. № 2.
22. Рыбаков Д.С. Биогеохимическая оценка экологического риска на примере Pinus sylvestris L. // Принципы экологии. 2016. № 2. https://doi.org/: 10.15393/ j1.art.2016.4783
23. Саксонов М.Н., Балаян А.Э., Бархатова О.А. Определение класса опасности отходов методами биотестирования // Baikal Research Journal. 2011. № 1. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/opredelenie-klassa-opasnosti-othodov-metodami-biotestirovaniya (дата обращения: 27.12.2022)
24. Сергеева А.Г., Котельникова И.М., Радомская В.И. Дыхательная активность микрофлоры урбанизированных почв г. Благовещенска // Региональная экология.
2018. № 4 (54).
25. Смагин А.В. Почвенные режимы функционирования и их мониторинг. М., 2020.
26. Сморкалов И.А., Воробейчик Е.Л. Почвенное дыхание лесных экосистем в градиентах загрязнения среды выбросами медеплавильных заводов // Экология. 2011. № 6.
27. Соколов М.С., Глинушкин А.П., Спиридонов Ю.Я. Перспективы исследований по улучшению качества и оздоровления почв России // Достижения науки и техники АПК. 2016. Т. 30, № 7.
28. Стома Г.В., Манучарова Н.А., Белокопытова Н.А. Биологическая активность микробных сообществ в почвах некоторых городов России // Почвоведение. 2020. № 6.
29. Терехова В.А. Биотестирование экотоксичности почв при химическом загрязнении: современные подходы к интеграции для оценки экологического состояния (обзор) // Почвоведение. 2022. № 5.
30. Терехова В.А., Гершкович Д.М., Гладкова М.М. и др. Биотестирование в экологическом контроле. М., 2017.
31. Терехова В.А., Прудникова Е.В., Кирюшина А.П. и др. Фитотоксичность тяжелых металлов в дерново-подзолистых почвах разной степени окультуренно-сти // Почвоведение. 2021. № 6. https://doi.org/: 10.31857/ s0032180x21060137
32. Тишин А.С. Фитотестирование почв, загрязненных нефтепродуктами // МНИЖ. 2020. № 12-2 (102). [Электронный ресурс]: URL: https://cyberleninka. ru/article/n/fitotestirovanie-pochv-zagryaznennyh-nefteproduktami (дата обращения: 04.12.2022)
33. ФГИС «АРШИН» Федерального информационного фонда по обеспечению единства измерений. [Электронный ресурс]: URL: https://fgis.gost.ru/fundmetrology/ registry (дата обращения 26.12.2022)
34. Berard A., Capowiez L., Mombo S. et al. Soil microbi-al respiration and PICT responses to an industrial and historic lead pollution: a field study // Environ. Sci. Pollut. Res. 2016. Vol. 23.
35. Blaise C., Forghani R., Legault R. et al. A bacterial toxicity assay performed with microplates, microluminome-try and Microtox reagent // Biotechniques. 1994. Vol. 16, № 5.
36. Doran J.W., Zeiss M.R. Soil health and sustainabili-ty: managing the biotic component of soil quality// Applied Soil Ecology. 2000. Vol. 15. https://doi.org/: 10.1016/S0929-1393(00)00067-6
37. Hastings J.W., Johnson C.H. Bioluminescence and Chemiluminescence. In: Methods Enzymology. 2003. Vol. 360. https://doi.org/: 10.1016/s0076-6879(03)60107-2
38. ISO Soil quality - Guidance on the choice and evaluation of bioassays for ecotoxicological characterization of soils and soil materials. ISO 17616. International Standardization Organization, Geneva. 2008.
39. JiangX., Chen H., Liao Y. et al. Ecotoxicity and geno-toxicity of polystyrene microplastics on higher plant Vicia faba // Environ. Pollut. 2019. Vol. 250.
40. Klimek B., Sitarz A., Choczynski M. et al. The Effects of Heavy Metals and Total Petroleum Hydrocarbons on Soil Bacterial Activity and Functional Diversity in the Upper Silesia Industrial Region (Poland) // Water Air Soil Pollut. 2016. Vol. 227.
41. Kalbassi M.R., Salari-joo H., Johari A. Toxicity of Silver Nanoparticles in Aquatic Ecosystems: Salinity as the Main Cause in Reducing Toxicity // Iranian Journal of Toxicology. 2011. Vol. 5, № 12.
42. Kudryasheva N., Vetrova E., Kuznetsov A. et al. Bioluminescence Assays: Effects of Quinones and Phenols // Eco-toxicology and Environmental Safety. 2002. Vol. 53, № 3.
43. Labud V., Garcia C., Hernandez T. Effect of hydrocarbon pollution on the microbial properties of a sandy and a clay soil // Chemosphere. 2007 Vol. 66, № 10. https://doi.org/: 10.1016/j.chemosphere.2006.08.021
44. Liu Y.R., Delgado-Baquerizo M., Wang J.T. et al. New insights into the role of microbial community composition in driving soil respiration rates // Soil Biology and Biochemistry. 2018. Vol. 118.
45. OCSPP 850.4230: Early Seedling Growth Toxicity Test, EPA 712-C-010. US Environmental Protection Agency, Washington, 2012.
46. OECD, Test No. 208: Terrestrial Plant Test: Seedling Emergence and Seedling Growth Test. OECD Guidelines for the Testing of Chemicals: Section 2. OECD, Paris, 2006.
47. Phytotoxkit. Seed germination and early growth microbiotest with higher plants. Standard Operational Procedure. Nazareth, Belgium: MicroBioTests Inc., 2004.
48. Roda A., Guardigli M., Pasini P. et al. Bioluminescence and chemiluminescence in drug screening // Anal Bioanal Chem. 2003.Vol. 377, № 5.
49. Shao C.Y., Howe C.J., Porter A.J. et al. Novel cyano-bacterial biosensor for detection of herbicides // Appl. Environ. Microbiol. 2002. Vol. 68, № 10.
50. Xu Y., Seshadri B., Bolan N. et al. Microbial functional diversity and carbon use feedback in soils as affected by heavy metals // Environment International. 2019. Vol. 125.
51. Yakimenko O., Ziganshina A., Terekhova V. et al. Ec-otoxicity of polyelectrolyte formulations in water and soil matrices // Environmental Science and Pollution Research. 2022. Vol. 29.
52. Yang C.C., Huang C.L., Cheng T.C. et al. Inhibitory effect of salinity on the photocatalytic degradation of three sulfonamide antibiotics // International Biodeterioration & Biodegradation. 2015. Vol. 102. https://doi.org/: 10.1016/j. ibiod.2015.01.015
Поступила в редакцию 27.12.2022 После доработки 20.02.2023 Принята к публикации 03.03.2023
ВЕСТНИК МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ 17. ПОЧВОВЕДЕНИЕ. 2023. Т. 78. № 2 LOMONOSOV SOIL SCIENCE JOURNAL. 2023. Vol. 78. No. 2
A SOIL BIODIAGNOSTICS METHODOLOGY AND FEATURES OF SOME BIOINDICATION AND BIOTESTING METHODS (REVIEW)
V. A. Terekhova, S. A. Kulachkova, E.V. Morachevskaya, A. P. Kiryushina
The methodology for biodiagnostics of the ecological state of soils and other environmental objects involves the use of two approaches: bioindicative observations in situ and biotesting of samples, carried out according to standard methods in controlled laboratory conditions ex situ. An integrated assessment of soils on an interdisciplinary basis in accordance with the international standard ISO19204-2017 makes it possible to diagnose of soils "health" based on biotic parameters in the course of natural environmental observations, ecotoxicity indicators, which are supplemented by the results of quantitative chemical analysis (TRIAD methodology). For soils, indicators of the state of higher plants and microbial communities, especially in agroecosystems, are of paramount importance. The article analyzes the advantages and limitations of well-known methods of phytoindication, laboratory phytotesting, soil respiration, structural and functional indicators of microbiota diversity and bacterial biosensors. The responses of living systems to the same pollutant content largely depend on the carbon content of organic matter. The existing regulatory framework for the ecological assessment of the biological state of soil ecosystems practically does not take into account this, as well as the level of mineralization and pH of the analyzed objects. For an adequate assessment of the ecological quality of soils, it is proposed to improve the methods of measuring toxicity by more targeted recommendations for application (for example, for certain gradations of humus content, mineralization, pH).
Key words: TRIAD methodology, ecotoxicological assessment, higher plants, microorganisms, biodiversity, soil respiration.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Терехова Вера Александровна, докт. биол. наук, проф. кафедры земельных ресурсов и оценки почв факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: [email protected]
Кулачкова Светлана Александровна, канд. биол. наук, ст. науч. сотр. кафедры географии почв факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: [email protected]
Морачевская Екатерина Викторовна, канд. биол. наук, вед. науч. сотр. кафедры агрохимии и биохимии растений факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: [email protected]
Кирюшина Анастасия Павловна, канд. биол. наук, мл. науч. сотр. лаборатории изучения экологических функций почв ИПЭЭ РАН им. А.Н. Северцова, e-mail: [email protected]
