CC BY
43
Резниченко И.С. Накопление Cd, Cu, Zn, Pb почвенным и почвенно-подстилочными морфо-экологическими типами дождевых червей в условиях вермикультивирования // Электронный научно-методический журнал Омского ГАУ. - 2017. -№4 (11) октябрь - декабрь. - URL http://e-journal.omgau.ru/images/issues/2017/4/00477.pdf. - ISSN 2413-4066
УДК 631.453 : 57.084.1
Резниченко Иван Сергеевич
Лаборант
ФГБОУВО ОмГПУ, г. Омск biotech@omgpu.ru
Накопление Cd, Cu, Zn, Pb почвенным и почвенно-подстилочными морфо-
экологическими типами дождевых червей в условиях вермикультивирования
Аннотация. В статье представлены данные по накоплению тяжелых металлов в цепи «почвенно-подстилочный субстрат - дождевые черви» в ходе вермикультивирования. У почвенно-подстилочных видов наблюдается аккумуляция Zn, которая увеличивается в ряду P.diplotetratheca - E. nordenskioldi - L. rubellus. Для вида A. caliginosa, который относится к собственно почвенному типу, характерна низкая концентрация микроэлементов в отличие от почвенно-подстилочного субстрата на всем протяжении эксперимента. В ходе эксперимента с P.diplotetratheca и E. nordenskioldi концентрация Cd равнялась концентрации почвы и подстилки. У видов A. caliginosa и L. rubellus наблюдались тенденции к уменьшению концентрации Cd в ходе эксперимента, что может свидетельствовать о токсичности данного элемента для двух видов дождевых червей.
Ключевые слова: дождевые черви, аккумуляция, тяжелые металлы, вермикультивиорвание
При изучении воздействия поллютантов на агроэкосистемы необходимо использовать живые организмы, оптимально данной цели соответствуют дождевые черви [1]. Данный факт подкрепляется тем, что дождевых червей некоторые исследователи называют экосистемными инженерами: люмбрициды являются доминирующей почвенной группой по биомассе среди педобионтов [2]. Вермикультивирование является перспективной областью сельского хозяйства, как для переработки отходов животноводства, так и для улучшения показателей плодородия почв (обогащение гуминовыми веществами, дренаж, повышение pH). Тяжелые металлы превосходят другие поллютанты по спектру своего действия на дождевых червей и влияют на размножение, половое созревание, выживаемость половозрелых и ювенильных особей, видовое разнообразие [3]. На молекулярном уровне тяжелые металлы приводят к нарушению репликации ДНК, снижают активность рибосомального аппарата, что приводит к угнетению работы ферментов [4].
Как правило, содержание тяжелых металлов в тканях живых организмов увеличивается при достижении конечного звена в пищевой цепи. При оценке накопления тяжелых металлов в живых объектах окружающей среды многие исследователи используют показатель биологической аккумуляции (BAF), который равен отношению содержания тяжелых металлов в тканях организма к содержанию тяжелых металлов в его кормовой базе. Для люмбрицид пищевым субстратом является гумус или лесная подстилка. Как правило, для дождевых червей характерно повышение фактора биологической аккумуляции, несмотря на низкое значение концентрации
тяжелых металлов в почве и подстилке [5]. Возможны и другие тенденции в накоплении тяжелых металлов. Так, может наблюдаться не аккумуляция тяжелых металлов в тканях дождевых червей, а элиминация (содержание поллютантов в тканях живых организмов значительно меньше, чем в окружающей среде), либо индикация (концентрация тяжелых металлов в тканях живых организмов равняется их содержанию в почве и подстилке). Как правило, для исследования поведения поллютантов в почвенно-подстилочном горизонте при вермикультивировании дождевых червей в лабораторных условиях используются стандартизированные субстраты с внесением заранее определенных концентраций тяжелых металлов в виде их солей [6].
Накопление тяжелых металлов в тканях дождевых червей исследуют так же в полевых условиях вблизи точечных источников выбросов поллютантов (угольная промышленность, добыча руды, медеплавильное производство) [7]. Однако, при искусственном внесении солей тяжелых металлов не учитывается влияние анионной составляющей и частичной адсорбции, поскольку в биогеохимическом цикле микроэлементов большую роль играют микроорганизмы [8]. Недостатком изучения аккумуляции тяжелых металлов дождевыми червями в полевых условиях является пространственная мозаичность распределения поллютантов в экосистеме, а также неоднородность факторов окружающей среды. Исходя из вышеописанного, цель настоящего исследования заключалась в изучении накопления тяжелых металлов в стандартизированном почвенно-подстилочном субстрате, собранном вблизи медеплавильного производства в условиях лаборатории при фиксированных значениях факторов окружающей среды.
Материалом для настоящего исследования послужили сборные образцы почвы и подстилки, отобранные в зоне воздействия выбросов Среднеуральского медеплавильного завода Свердловской области. К основным выбросам завода относится полиметаллическая пыль Cd, As,Cu, Zn, Pb и диоксид серы SO2, который при наличии влаги способствует увеличению подвижности тяжелых металлов в почве. Исходя из содержания тяжелых металлов, почва отобрана на буферной территории на 10 пробных площадках [9]. На каждой пробной площади было отобрано по четыре сборных образца почвы верхнего гумусово-аккумулятивного горизонта.
На дно полипропиленовых сосудов объемом два литра помещался дренаж, а сверху укладывался почвенный субстрат. В емкость помещалось по 20 половозрелых дождевых червей одного вида. Дождевые черви были собраны в 2017 году в ходе полевого сезона. Исследованию подверглись: черви почвенно-подстилочного типа Lumbricusrubellus (Hoffmeister, 1843), Eisenianordenskioldi (Eisen, 1879) - синантропные виды, Pereliadiplotetratheca (Perel, 1967) -эндемик Среднего Урала, и один собственно почвенный тип Aporrectodea caliginosa (Savigny, 1826). Aporrectodea caliginosa и Eisenia nordenskioldi и были отобраны в ходе экспедиций по Омской и Новосибирской области. Lumbricus rubellus иPerelia diplotetratheca были отобраны на территории площадей, удаленных на расстояние 30 км от Среднеуральского медеплавильного завода (фоновая территория по содержанию поллютантов в почвенно-подстилочном горизонте). В эксперименте использовали только половозрелых особей. В ходе экспозиции осуществлялся отбор люмбрицид через каждые 10 суток, проводились пробоподготовка и анализ на тяжелые металлы дождевых червей и почвенно-подстилочного субстрата. Для пробоподготовки дождевых червей использовали метод, предложенный А.Д. Покаржевским, в основе которого лежит замещение желудочно-кишечного тракта люмбрицид микробиологическим агар-агаром с последующей сушкой в термостате [10]. Измерение тяжелых металлов проводили на атомно-абсорбционном спектрометре Квант-Z в лаборатории систематики и экологии беспозвоночных животных Омского государственного педагогического университета. Результаты были представлены в виде биологического коэффициента аккумуляции (BAF), который равнялся отношению концентрации элемента в тканях дождевых червей/ к концентрации элемента в почвенно-подстилочном субстрате. Значимость различий между выборками оценивали при помощи однофакторного дисперсионного анализа (ANOVA), используя пакет статистического анализа Statistica 6.0 (сетевая версия).
В 2014 году нами была изучена концентрация тяжелых металлов в тканях P.diplotetratheca, особи которого были отобраны в ходе полевых экспериментов на буферной и импактной территории относительно выбросов Среднеуральского медеплавильного завода [11]. Как видно из таблицы 1, в результате опыта 2017-го года нами не было отмечено пиковых концентраций тяжелых металлов в тканях дождевых червей, подобных отмеченным ранее. Данной факт можно объяснить тем, что в ходе экспозиции люмбрициды помещались на загрязненные субстраты, что вело к увеличению смертности относительно контроля во всех вариантах опыта при использовании четырех видов дождевых червей. Резкое увеличение поллютантов в почвенно-подстилочном субстрате является фактором стресса для живых организмов [12]. Для видов A. caliginosa и L. rubellus тенденции в содержании изученных элементов совпадают с данными других авторов [13], почвенный вид A. caliginosa отличается от почвенно-подстилочных видов тем, что наблюдается элиминация поллютантов на всем протяжении эксперимента (в том числе, цинка). Схожие тенденции, с BAF от 0,1 до 0,9 ед., наблюдались и у других исследователей [14]. Вероятно, это связано с тем, что данный вид питается исключительно в толще почвенного субстрата, а также обладает специфическими особенностями обмена веществ. У всех почвенно-подстилочных видов наблюдается аккумуляция цинка, которая увеличивается в ряду P.diplotetratheca - E. nordenskioldi - L. rubellus соответственно. Аккумуляция Zn почвенно-подстилочными типами люмбрицид объясняется участием данного микроэлемента в ферментных процессах [15]. Соответственно, если уровень данного элемента не доходит до физиологического порога токсичности, цинк не воспринимается дождевыми червями как стрессовый фактор и может накапливаться по принципу аккумуляции. У видов P.diplotetratheca и E. nordenskioldi накопление Cd наблюдалось на уровне индикации практически на всем протяжении опыта. У A. caliginosa и L. rubellus наблюдались тенденции к элиминации кадмия, что может свидетельствовать о токсичности данного элемента для двух видов. Самыми токсичными оказались медь и свинец: у всех видов обоих морфо-экологических типов, показатель биологического накопления оказался на уровне элиминации. Поскольку статистически значимые значения оказались выше у почвенно-подстилочных типов, вероятно, максимальные концентрации Pb и Cu содержатся на поверхности почвы, где питается данный морфотип.
Таблица 1
Биоаккумуляция тяжелых металлов в тканях дождевых червей
Время экспозиции (сутки) Элемент BAF (ед.)
P. diplotetratheca L. rubellus E. nordenskioldi A. caliginosa
10 Zn 2,2* 1 2*** 0,9*** 0 07***
Cd 0,92 0,1* 0,9 0,01
Cu 0,01 0,1 0,2 0,01
Pb 0,11 0,07 1,1 0,01
20 Zn 2,2 2 2*** 1,4 0,13*
Cd 0,95** 0,1 1,1 0,03*
Cu 0,01 0,1 0,4 0,02**
Pb 0,13 0,08** 0,13 0,09**
30 Zn 2 3*** 4 2** 3 1*** 0,01
Cd 1,2 0,13 1,4 0,02**
Cu 0,01 0,01 0,01 0,01
Pb 0,22 0,16** 0,16 0,01
Примечание. Среднее ± ошибка. Уровень значимости различий: * - р<0,05, ** - р<0,01, *** -р<0,001.п<1 - элиминация элемента, п=1 - индикация элемента, п>1 - аккумуляция элемента.
Таким образом, изучив поведение тяжелых металлов в цепи "почвенно-подстилочный субстрат - дождевые черви" можно сделать вывод о свойстве люмбрицид накапливать тяжелые металлы не только на уровне аккумуляции, но также на уровне индикации и элиминации. На это влияет морфо-экологический тип, вид дождевых червей, токсичность поллютанта. Относительно увеличения показателя биологического накопления почвенно-подстилочным типом люмбрицид тяжелые металлы располагаются следующим образом: Cu -Pb - Cd - Zn. Соответственно, чем токсичнее элемент, тем меньше он вовлекается в биогеохимический цикл. По способности накапливать тяжелые металлы люмбрициды расположились следующим образом (в порядке увеличения способности): A. caliginosa - E. nordenskioldi - P.diplotetratheca - L. rubellus.
Возможности дальнейшего, более детального изучения видов дождевых червей, относящихся к почвенному типу, заключаются в создании методик вермикультивирования для биоремедиации почвы от тяжелых металлов, поскольку местообитанием данного типа являются угодья, которые применяются для выращивания сельско-хозяйственных растений.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 16-34-00339 мол_а
Ссылки на источники
1. Frouz J. Soil food web changes during spontaneous succession at post mining sites: a possible ecosystem engineering effect on food web organization / J. Frouz, E. Thebault, V. Pizl, S. Adl, T. Cajthaml, P. Baldrian, P. C. de Ruiter // PLoS One. - 2013. - 8 e79694. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0079694 [дата обращения: 20.12.2017].
2. Smith B. A. Bioavailability of copper and zinc in mining soils / B. A. Smith, B. Greenberg, G. L. Stephenson // Arch. Environ. Contam. Toxicol. - 2012. - Vol. 62. - Р. 1-12.
3. Andre J. Metal bioaccumulation and cellular fractionation in an epigeic earthworm (Lumbricusrubellus): the interactive influences of population exposure histories, site-specific geochemistry and mitochondrial genotype / J. Andre, S. R. Sturzenbaum, P. Kille, A. J. Morgan, M. E. Hodson // Soil Biol. Biochem. - 2010. - vol.42, №9. - Р. 1566-1573.
4. Liang S.H. Cadmium-induced earthworm metallothionein-2 is associated with metal accumulation and counteracts oxidative stress // Pedobiologia. -2011. - vol. 54, №5. - Р. 333-340.
5. Lanno R. The bioavaibility of chemicals in soil for earthworms / R. Lanno, J. Wells, I. Conder, K. Bradham, N. Basta // Ecotoxcicol Environ Safe. - 2004. - №57. - Р. 39-47.
6. Kang J. Influence of humic substances on bioavailability of Cu and Zn during sewage sludge composting / J. Kang, Z. Zhang, J. J.Wang // Bioresour. Technol. -2011. - Vol. 102. - Р. 8022-8026.
7. Воробейник Е.Л. Реакция почвенной мезофауны на выбросы Среднеуральского медеплавильного комбината / Е. Л. Воробейчик, М. Е. Гребенников, А. И. Ермаков и др. // Биологическая рекультивация и мониторинг нарушенных земель. - Екатеринбург. - 2007. -С. 128-148.
8. Калюжин В.А. Влияние концентрированных растворов солей тяжелых металлов на физиологические и кинетические показатели микроорганизмов / В.А. Калюжин, О.В. Калюжина // Вестник Томского гос. ун-та. - 2007. - №298. - С. 218-221.
9. Воробейник Е.Л. Реакция лесной подстилки и ее связь с почвенной биотой при токсическом загрязнении // Лесоведение. - 2003. - №2. - С. 32-42.
10. Pokarzhevskii A. D. Agar as a medium for removing soil from earthworm guts / A. D. Pokarzhevskii, N. M. Van Straalen, , A. M. Semenov // Soil Biol. Biochem. - 2000. - Vol. 32. - Р. 1315-1317.
11. Нестеркова Д.В. Тяжелые металлы в пищевой цепи "почва - дождевые черви -европейский крот" в условиях загрязнения среды выбросами медеплавильного завода / Д.В.
Нестеркова, Е.Л. Воробейчик, И.С. Резниченко // Сибирский экологический журнал. - 2014.
- №5 - С. 777 - 788.
12. Резниненко И.С. Сравнительный анализ методик очищения пищеварительной системы дождевых червей для экотоксикологических исследований на Eisenia fetida (Savigny, 1826) // Фундаментальные исследования. - 2013. - №6-5. - С. 1156-1159; URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=31706 [дата обращения: 20.12.2017].
13. Dai J. Heavy metal accumulation by two earthworm species and its relationship to total and DTPA-extractable metals in soil / J. Dai, T. Becquer, J. Henri Rouiller, G. Reversat, F. Bernhard-Reversat, J. Nahmani, P. Lavelle // Soil Biol. Biochem. - 2004. - Vol. 36. - P. 91-98.
14. Nahmani J. Effects of heavy metal soil pollution on earthworm communities in the north of France / J. Nahmani, P. Lavelle, E. Lapied, F. van Oort // Pedobiologia. - 2004. - Vol. 47.
- P. 663-669.
15. LaycockA. Earthworm uptake routes and rates of ionic Zn and ZnO nanoparticles at realistic concentrations, traced using stable isotope labeling / A. Laycock, M. Diez-Ortiz, F. Larner, A. Dybowska, D. Spurgeon, E. Valsami Jones, M. Rehkamper, C. Svendsen // Environ. Sci. Technol. -2016. - №50. - Р. 412-419.
Ivan Reznichenko
Assistant
FSBEI HE OSPU, Omsk
Accumulation Of Cd, Cu, Zn, Pb by Soil and Soil-Litter Morpho-Ecological Types of Earthworms Under Conditions of Vermicultivation
Abstract. The article presents data on the accumulation of heavy metals in the chain "soil-bedding substrate - earthworms" in the process of vermicultivation. In soil-litter species, accumulation of Zn is observed, which increases in the series P.diplotetratheca - E. nordenskioldi -L. rubellus. For species A. caliginosa, which refers to the soil type proper, a low concentration of microelements is characteristic, unlike the soil-litter substrate throughout the experiment. In the P. diplotetratheca and E. nordenskioldi species, the concentration of Cd was equal to the concentration of soil and litter. The species A. caliginosa and L. rubellus showed a tendency to decrease the concentration of Cd during the experiment, which may indicate the toxicity of this element for two species of earthworms.
Keywords: earthworms, accumulation, heavy metals, vermicultivation
