CC BY
218
УДК 579.64 + 574.24
И.В. Боер, И.Ю. Борцова, Д.Е. Полонская
МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЧВ ПАСТБИЩ ТЕХНОГЕННО ЗАГРЯЗНЕННЫХ ТЕРРИТОРИЙ КРАСНОЯРСКОЙ ЛЕСОСТЕПИ
Авторами статьи изучено состояние почвенного микробоценоза естественных пастбищ Красноярской лесостепи, расположенных в зоне техногенного загрязнения. Показано, что микробный комплекс почв пастбищ представлен преимущественно бактериальными формами, невысоким относительным содержанием спорообразующих микроорганизмов, актиномицетов и микроскопических грибов. Высокий коэффициент минерализации растительных остатков свидетельствует об интенсивно протекающих процессах минерализации свежего органического вещества.
Развитие промышленного комплекса в больших городах неразрывно связано с загрязнением окружающей территории - воздуха, воды и почвы токсичными веществами, в том числе тяжелыми металлами. На этой же территории в большинстве населенных пунктов развивается и сельское хозяйство -выращивается сельскохозяйственная продукция, производится выпас животных.
Условием получения экологически чистой продукции в экологически неблагоприятных условиях может служить стабильное состояние гумуса, который является буфером и способствует иммобилизации тяжелых металлов в результате внутренней перестройки структуры гуминовой кислоты (Демин, 1994). Однако даже высокогумусированные почвы, расположенные в зоне промышленных выбросов, не являются гарантом экологического благополучия качества сельскохозяйственной продукции.
В экологически неблагоприятных условиях важна роль микробной составляющей почвы, поскольку именно под воздействием микробных метаболитов происходит распад даже устойчивых металл-гумусовых комплексов и появление доступных растениям форм тяжелых металлов, которые в конечном итоге выносятся с сельскохозяйственной продукцией.
Целью данной работы была характеристика микробоценозов и биологической активности почв естественных пастбищ Красноярской лесостепи, расположенных в зоне техногенного загрязнения.
Объект исследования - чернозём выщелоченный естественных пастбищ хозяйств, непосредственно прилегающих к черте города и находящихся в разных зонах по уровню загрязнения (Мирошников, Горбачев, 1999):
■ СПК «Берёзовское» (Берёзовского района) - зона очень высокого, чрезвычайно опасного уровня загрязнения территории;
■ агрофирма «Маяк» (Сухобузимского района) - зона высокого, опасного уровня загрязнения территории;
■ ОАО «Емельяновское» (Емельяновского района) - зона среднего, умеренно опасного уровня загрязнения территории.
Микробиологическому и биохимическому анализу подвергали слой почвы (0 - 20 см). Почвенные образцы отбирали на открытых участках местности на расстоянии 150 - 200 м от крупных автомагистралей и 50 м от просёлочных дорог с участков 1 га по методу «конверта» из 25 точечных проб.
Отбор почвенных образцов проводили в период вегетации растений 1 раз в месяц в соответствии с общепринятыми методическими указаниями в 25 точках пробной площади и анализировали в 15 повторностях.
В основу исследований микробной сукцессии положен метод воспроизводства микрозон в макромасштабах (Звягинцев, 1987). Микробиологическую активность и направленность микробиологических процессов характеризовали по общему числу микроорганизмов на агаризованных средах по общепринятым методикам.
Активность ферментов (пероксидазы (ПО) и полифенолоксидазы (ПФО)) определяли по Галстяну (1968). Значение активности ферментов ПО и ПФО использовали для вычисления коэффициента (К) накопления гумуса:
К= ПФО/ПОХ100%.
Ферментативную активность почв определяли в 3-кратной повторности, показатели суммарной биологической активности - аппликационным методом, рекомендованным Д.Г. Звягинцевым (1991).
Изучение микробиологического разнообразия показало, что численность микроорганизмов в почвах пастбищ, находящихся в зонах с разным уровнем загрязнения, варьирует от 1,68 до 2,11 млн КОЕ/1 г почвы при сохранении постоянным соотношения трофических групп (рис. 1).
ОАО "Емельяновское" Агрофирма "Маяк"
СПК "Березовское"
23%
23%
50%
■ Микроорганизмы на МПА □ Микроорганизмы на КАА 69 Олигонитрофильные микроорганизмы О Актиномицеты ИЗ Микроскопические грибы
Рис. 1. Соотношение эколого-трофических групп в почвенном микробоценозе пастбищ
Красноярской лесостепи
В микробоценозах почв пастбищ различных хозяйств преобладают бактерии. Из девяти, изученных нами, эколого-трофических групп микроорганизмов доминируют микроорганизмы, усваивающие минеральные формы азота. Эта группа микроорганизмов численно преобладает над бактериями, развивающимися на МПА. Значение коэффициента минерализации (КАА/МПА) в почвах всех хозяйств во все сроки вегетации, кроме мая, больше единицы, что свидетельствует об интенсивности процессов мобилизации азота (рис.2).
ОАО "Емельяново"
Агрофирма "Маяк"
СПК "Березовское"
коэффициент минерализации КАА/МПА
коэффициент олигонитрофильности Эшби/МПА
Рис. 2. Коэффициенты минерализации и олигонитрофильности в чернозёме выщелоченном естественных пастбищ Красноярской лесостепи
Высокое значение коэффициента олигонитрофильности (Эшби/МПА) свидетельствует о явно выраженной олиготрофности микрофлоры почв пастбищ.
Численность других групп микроорганизмов в микробоценозах почв разных хозяйств варьирует, и их доля составляет: грибы - 3,74-8,49%; актиномицеты - 0,19-2,21% от общей численности. Аналогичное со-
отношение групп микроорганизмов показано для черноземов выщелоченных, как целинных участков, так и агроценозов Красноярской лесостепи (Полонская, Боер, 1994; Полонская, 2002; Боер, Полонская, 2006).
Относительное содержание спорообразующих бактерий в микробоценозе невысокое (4,23-6,49%), но значение этого показателя повышается к августу-сентябрю (рис. 3).
ОАО Емельяновское Агрофирма "Маяк" СПК Березовское
актиномицеты — — — спорообразующие микроорганизмы
Рис. 3. Динамика численности спорообразующих микроорганизмов и актиномицетов в чернозёме выщелоченном естественных пастбищ Красноярской лесостепи (млн КОЕ/1 г почвы)
Подобная динамика численности связана с участием этой группы микроорганизмов в деструкции органического вещества на более поздних этапах разложения растительных остатков (Емцев, Мишустин, 1993). Такая же тенденция отмечена и для актиномицетов, которые также активно развиваются в конце вегетационного сезона, но их численность низка, что может быть связано в этот срок с подкислением почвы корневыми выделениями растений и метаболитами других групп микроорганизмов. Для групп спорообразующих бактерий и актиномицетов четких корреляционных связей их численности с содержанием гумуса не установлено.
Сравнительный анализ численности микроскопических грибов свидетельствует об увеличении этого показателя в конце вегетационного сезона. Их доля в микробоценозе выше, чем актиномицетов. Так, в почве пастбищ относительное содержание микроскопических грибов варьировало от 3,74% (СПК «Березовское») до 8,49% (ОАО «Емельяновское»). Поскольку в почвах роль микроскопических грибов сводится к разложению сложных органических соединений, таких, как целлюлоза и лигнин, динамика численности грибов связана с пулом органического вещества в почвах. Нами установлено увеличение численности этой группы микроорганизмов от мая к августу в почвах пастбищ всех изучаемых хозяйств, а также снижение почти в 2 раза в сентябре. Кроме того, развитие этих организмов связано с гидротермическим режимом почвы, накоплением гумуса. Корреляционная связь численности грибов с содержанием гумуса хотя и не очень высокая, но положительная (г=0,44, п=15).
Резкое снижение численности актиномицетов и микроскопических грибов, являющихся активными деструкторами растительных остатков на поздних этапах их разложения, имеет место в мае-июне в почвах всех исследуемых пастбищ.
На динамику целлюлозоразрушающих микроорганизмов, осуществляющих минерализацию клетчатки растительных остатков и гумификацию органического вещества в почвах, непосредственное влияние оказывают экологическая обстановка региона, физико-химические и биохимические свойства почв.
В почвах пастбищ исследуемых нами хозяйств относительное содержание целлюлозоразрушающих микроорганизмов мало и доля этой группы в микробоценозе не превышает 1,88% от общей учтённой численности микрофлоры. Наибольшее количество целлюлозоразрушающих микроорганизмов, представленных в равной степени миксобактериями и грибами, было отмечено в июле, что связано с началом поступления растительного опада (рис. 4).
-ОАО "Емельяновское"
— — Агрофирма "Маяк"
- - т»т - -СПК "Березовское"
Рис.4. Динамика численности аэробных целлюлозоразрушающих микроорганизмов в чернозёме выщелоченном естественных пастбищ Красноярской лесостепи (млн КОЕ/1 г почвы)
Рядом авторов (Наплекова, 1974 и др.) отмечено, что наибольшая численность целлюлозоразрушающих микроорганизмов в черноземах выщелоченных Западной Сибири обнаружена весной и в первой половине лета. В изучаемых нами почвах величина данного показателя была максимальной в июле и составила соответственно в млн КОЕ/1 г почвы: 0,076±0,002 (ОАО «Емельяновское»); 0,069±0,006 (агрофирма «Маяк»);
0,054±0,004 (СПК «Берёзовское»). Уменьшение численности целлюлозоразрушающих микроорганизмов отмечается с приближением от зоны умеренного уровня загрязнения (ОАО «Емельяновское») к зоне очень высокого чрезвычайно опасного уровня загрязнения (СПК «Березовское») и имеет следствием снижение интенсивности разложения целлюлозы в почве СПК «Березовское» (табл. 1).
Таблица 1
Интенсивность разложения целлюлозы в почвах пастбищ хозяйств, расположенных в зонах с разным уровнем техногенной нагрузки (слой 0—20 см)
Кол-во Убыль массы полотна, %
суток ОАО «Емельяновское» Агрофирма «Маяк» СПК «Березовское»
30 24,52 ± 2,36 21,81±2,13 17,63 ± 9,92
60 56,00 ± 11,67 53,81 ±9,46 52,25 ± 9,05
На динамику целлюлозоразрушающей активности микроорганизмов оказывает влияние видовой состав высших растений пастбищ, их корневые выделения, поступление опада. На пастбище ОАО «Емелья-новское» и агрофирмы «Маяк» преобладала разнотравно-злаковая растительность, а пастбище СПК «Березовское» представлено бобово-злаково-разнотравной растительностью. Известно, что даже под разными видами растений формируется свой собственный комплекс микроорганизмов. Замедление процесса разложения целлюлозы может быть связано также с сукцессией разных групп микроорганизмов и подавлением жизнедеятельности одних групп микроорганизмов другими.
В почвах обследованных нами пастбищ отмечен высокий уровень содержания гумуса (до 12,43%), что определяется поступлением большого количества растительных остатков (пастбища представляют собой фитоценоз многолетних трав), органического вещества растительного происхождения с твердыми отходами жизнедеятельности крупного рогатого скота (навоз) в сочетании с плохой аэрацией почв (почвы пастбищ из-за многолетнего выпаса сильно уплотнены), малым количеством осадков в середине лета.
Направленность процессов, ведущих к накоплению гумуса, определяется соотношением трофических групп микробного сообщества. В исследуемых пастбищах комплекс почвенных микроорганизмов характеризуется высокой численностью группы микроорганизмов, использующих гумус для своей жизнедеятельности. Их доля в микробоценозе составляет от 38 % (ОАО «Емельяновское») до б0 % (СПК «Березовское») (рис. 5).
—♦—ОАО "Емельяновское"
— — Агрофирма "Маяк"
- - А- - ■ СПК "Березовское"
Месяц
Рис. 5. Динамика численности микроорганизмов, минерализующих гумус (млн КОЕ/1 г почвы)
Важную роль в трансформации гумуса, являющегося буфером и аккумулятором токсических элементов, играют окислительно-восстановительные ферменты почв, которые катализируют как реакции конденсации органических соединений из фенольных предшественников, так и деструкцию до более низкомолекулярных соединений. Определение активности этих ферментов позволяет выявить особенности биологических почвенных процессов. Показатель активности ферментов полифенолоксидазы (ПФО), свидетельствующей о процессах гумификации и пероксидазы (ПО), являющейся показателем интенсивности процессов минерализации гумуса, является особенно важным.
На ферментативную активность почвы непосредственное влияние оказывает экологическая обстановка в регионе, а также физические, физико-химические и биологические факторы. В связи с этим представляют интерес полученные нами сведения об активности этих ферментов (ПО) и (ПФО) в почвах пастбищ изучаемых хозяйств (табл. 2).
Таблица 2
Динамика активности оксидоредуктаз в чернозёме выщелоченном естественных пастбищ
Хозяйство
Показатель Месяц ОАО «Емельяновское» Агрофирма «Маяк» СПК «Берёзовское»
Полифенолоксидаза (ПФО), мг пурпурогаллина/100г почвы VI VII VIII ососо со^-оо господ о~ о~ о~ 0,312 0,187 0,280 0,187 0,178 0,246
Среднее 0,288±0,042 0,260±0,038 0,204±0,021
Пероксидаза (ПО), мг пурпу-рогаллина/100г почвы VI VII VIII 7 1 8 2 1 4 сог—ю 000 0,987 0,867 0,501 1,067 0,918 0,609
Среднее 0,695±0,081 0,785±0,146 0,865±0,135
Показано, что активность фермента пероксидазы в почвах всех хозяйств выше, чем полифенолокси-дазы, что определяется особенностью структуры почвенного микробного сообщества пастбищ. С июня по август отмечено снижение активности (ПО) в почвах хозяйств. Активность (ПФО) снижалась в июле, а в августе вновь возрастала. За весь период исследований высокое значение активности ПФО, а значит и высокий коэффициент накопления гумуса, отмечено в почвах ОАО «Емельяновское» и агрофирмы «Маяк» (рис. 6)
в 60
3
о 50 с
2 С? 40
Го
£ о 30
5? Ї
=т & 20
3 &
& 10
о
о
* 0
VI
VII
Месяц
♦ ОАО "Емельяновское" — • — Агрофирма "Маяк"
■ - *■ - -СПК "Березовское"
VIII
Рис. 6. Динамика значений коэффициента накопления гумуса (К=ПФО/ПО*100%)
Снижение активности (ПФО) и повышение активности (ПО) в течение всего периода исследования в почвах пастбищ СПК «Берёзовское» свидетельствует об активно протекающем процессе минерализации гумуса по сравнению с другими хозяйствами. Учитывая при этом, что именно эти почвы наиболее загрязнены тяжелыми металлами, вероятен активный переход тяжелых металлов, связанных в гумусе в подвижные и доступные растениям формы. Выявлена средняя отрицательная связь между активностью ПО и содержанием гумуса (г= -0,47; р<0,05).
Выводы
1. Комплекс почвенных микроорганизмов пастбищ пригородной зоны г. Красноярска представлен преимущественно бактериальными формами, высокий коэффициент минерализации растительных остатков свидетельствует об интенсивно протекающих процессах минерализации свежего органического вещества. В
то же время в микробном комплексе почв пастбищ Красноярской лесостепи отмечено невысокое относительное содержание спорообразующих микроорганизмов, актиномицетов и микроскопических грибов - активных деструкторов органического вещества на поздних этапах их разложения.
2. В почвенном микробиоценозе пастбища СПК «Березовское», расположенного в зоне очень высокого чрезвычайно опасного уровня загрязнения, отмечено снижение доли целлюлозоразрушающих микроорганизмов и увеличение численности микроорганизмов, использующих гумус в качестве источника питания.
3. Высокая активность пероксидазы и низкая активность полифенолоксидазы, низкий коэффициент накопления гумуса свидетельствуют о перестройке в почвенном микробном комплексе пастбищ (СПК «Бере-зовское»), которая может привести к миграции тяжелых металлов, связанных в гумусе в подвижные и доступные растениям формы.
Литература
1. Боер, И.В. Состояние почв Красноярской лесостепи при агрогенном воздействии / И.В. Боер, Д.Е. Полонская; Краснояр. гос. аграр. ун-т. - Красноярск, 2006. - 96 с.
2. Галстян, А.Ш. Определение активности пероксидазы и полифенолоксидазы в почве / А.Ш. Галстян // Докл. АН Арм.ССР. - 1958. - Т. 26. - №5. - С.25-30.
3. Демин, В.В. Роль гуминовых кислот в необратимой сорбции и биохимии тяжёлых металлов в почве / В.В. Демин // Изв. МСХА. - 1994. - №2. - С.79-95.
4. Звягинцев, Д.Г. Почвы и микроорганизмы /Д.Г. Звягинцев. - М.: Изд-во МГУ, 1987. - 301 с.
5. Звягинцев, Д.Г. Методы почвенной микробиологии и биохимии / Д.Г. Звягинцев, И.В. Асеева. - М.: Изд-во МГУ, 1991. - 122 с.
6. Мирошников, А.Е. Эколого-геохимические следствия загрязнения воздуха Красноярской промышленно-городской агломерации тяжёлыми металлами-токсикантами / А.Е. Мирошников, В.Н Горбачёв // Вестн. КраГАУ. - 1999. - №4. - С. 123-125.
7. Наплёкова, Н.Н. Аэробное разложение целлюлозы микроорганизмами в почвах Западной Сибири / Н.Н. Наплёкова. - Новосибирск: Наука, 1974. - 250 с.
8. Полонская, Д.Е. Биоидикация почв агроэкосистем Красноярской лесостепи / Д.Е. Полонская, Н.Г. Воронова, И.В. Боер // Актуальные проблемы биологии. - Красноярск: Изд-во КГУ, 1994. - С.10.
9. Полонская, Д.Е. Микробиологические процессы и эффективное плодородие почв в агроценозах Красноярской лесостепи / Д.Е. Полонская. - Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2002. - 102 с.
---------♦'----------
УДК 502.34:502.65 Н.В. Мухина
ВЫЯВЛЕНИЕ КОРРЕЛЯЦИОННОЙ ЗАВИСИМОСТИ МЕЖДУ ОСНОВНЫМИ ПОКАЗАТЕЛЬНЫМИ ВЕЛИЧИНАМИ ПРИ ПОЧВЕННО-ЭКОЛОГИЧЕСКОМ МОНИТОРИНГЕ ЗЕМЕЛЬ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО НАЗНАЧЕНИЯ
При изучении темы использовались монографический, статистический, химический и физико-химический методы. Исследования проводились на луговобурых оподзоленных почвах, которые были обследованы на содержание в них основных элементов, физико-химических свойств и содержание подвижных и валовых форм микроэлементов. По величине коэффициента корреляции автором статьи сделаны выводы о характере взаимодействия изучаемых величин, которые ранее уже подтверждались выводами других ученых.
Почва, прежде всего, является средой обитания и фактором эволюции. Именно с нею связано существование большинства видов живых организмов и возникновение основной массы живого вещества. Зачастую почву рассматривают только как средство сельскохозяйственного производства, обеспечивающее нас различными видами сырья, или как базис для строительства. При этом не принимаются во внимание ее эко-
