CC BY
6
УДК 622.882:574.4
DOI: 10.24412/1728-323X-2024-4-102-111
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО СПОСОБА БИОЛОГИЧЕСКОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ ДЛЯ УСКОРЕННОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПОЧВЕННО-ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ И ЭКОСИСТЕМЫ В ЦЕЛОМ НА НАРУШЕННЫХ ЗЕМЛЯХ
С. Н. Мякишева, к. с.-х. н., доцент кафедры экологии и природопользования ФГБОУ ВО «Кемеровский государственный университет», [email protected], г. Кемерово, Россия, Г. Я. Степанюк, к. б. н, доцент кафедры экологии и природопользования ФГБОУ ВО «Кемеровский государственный университет», [email protected], г. Кемерово, Россия
Аннотация: Выявлен оптимальный способ биологической рекультивации на нарушенных землях угольного разреза. Для ускоренного восстановления почвенно-экологических функций оптимально нанесение потенциально плодородного слоя почвы (ППСП) и внесение сапропеля и микроорганизмов. В этих условиях растения проявляют высокую всхожесть и энергию прорастания семян. Величина морфологических характеристик кресс-салата изменялась в зависимости от состава почвенного субстрата, в котором они росли. В опыте с ППСП отмечается максимальная длина побегов и корневой системы.
Внесение сапропеля в почвогрунты достоверно снижает их токсичность, цитотоксичность по отношению к луку репчатому. Модифицирующее действие сапропеля на биологическую активность солей тяжелых металлов связано с аккумуляцией сапропелем катионов солей тяжелых металлов.
Цитологический анализ действия компонентов почвенного субстрата на деление клеток меристемы кончика корня Allium cepa L. выявил митоз-стимулирующее действие в случае внесения в почвогрунт сапропеля и его смеси с микроорганизмами по всем вариантам опыта. Добавление латекса к технозему или суглинку (ППСП) также способствует активизации клеточных делений, а значит и ростовых процессов в корневой системе лука.
Внесение сапропеля в почвогрунты достоверно снижает их токсичность, цитотоксичность по отношению к луку репчатому. Модифицирующее действие сапропеля на биологическую активность солей тяжелых металлов связано с аккумуляцией сапропелем катионов солей тяжелых металлов.
Биопрепараты на основе бактерий, используемые для ускорения почвообразовательных процессов в рекультивируемом грунте, продуцируют фитогормоны и регуляторы роста, обеспечивают ускоренный рост и развитие высших растений, с помощью которых происходит очищение рекультивируемого грунта.
Abstract: The Kuzbass Coal Bazin, the Kemerovo Region, Russia, ranks seventh in global coal production. The extensive coal mining disturbs natural landscapes by quarries, waste dumps, and negative landforms, which affect all environmental components and reach far beyond their initial location. As native landscapes are replaced by human-made ones, their reclamation by natural means slows down. As a result, the Kuzbass needs new advanced methods of biological reclamation that can be applied to open mines.
This research rationalized the most effective methods of enhanced reclamation of soils and ecosystems on mined lands. It featured soil samples obtained from of a strip mine: technosol (control), technosol with fertile topsoil, and technosol with potentially fertile experimental topsoil. The list of soil amenders included sapropel, latex water suspension, and the Biocomplex BTU biopreparation.
The biotesting protocol relied on the sprout method, which involved garden cress (Lepidium sativum). The method made it possible to obtain a toxico-logical profile based on the effect of various pollutants on germination.
The standard Allium test on onion root cells provided express screening of genotoxic risks.
The morphology of cress sprouts depended on the composition of the soil substrate. The experimental technosol samples yielded longer sprouts and tap roots. The best results belonged to the experimental samples with sapropel and its mixes with various microorganisms.
The cytological analysis of Allium cepa revealed the effect of different soil substrate components on root tip meristem cell division. The abovementioned samples with sapropel and its mixes stimulated mitosis in all experimental variants. Sapropel reduced the cytotoxic effect of technosol on onions. As it accumulated heavy metal salt cations, sapropel was able to reduce the biological activity of heavy metal salts.
Ключевые слова: почвогрунт, биоиндикация, фитотоксичность, кресс-салат, аллиум-тест, митотический индекс.
Keywords: soil and subsoil, bioindication, phytotoxicity, garden cress (Lepidium sativum), Allium test, mitotic index.
Введение. Кузбасс занимает седьмое место в мире по угледобыче, которая приводит к нарушениям ландшафта карьерно-отвальными комплексами и образованию отрицательных форм рельефа. Влияние данных нарушений на различные компоненты окружающей среды многообразно и выходит далеко за пределы занимаемой ими территории. В результате нарушения почвенного и растительного покровов происходит замена природных ландшафтов техногенными, восстановление которых естественным путем идет очень медленно.
Рекультивация промышленно нарушенных земель, в том числе угольных разрезов, является одним из обязательных компонентов рационального природопользования любых национальных программ. Наиболее остро проблема рекультивации нарушенных земель в результате открытой добычи угля стоит в Кузбассе, где не менее 80 % почвенного покрова земледельческой части региона трансформировано [1].
Сложившаяся экологическая ситуация, с одной стороны, требует создания системы мониторинга за содержанием поллютантов в контактных
средах и объективной оценки их вклада в деградацию природных сообществ, с другой стороны, разработки новых, высокоэффективных методов биологической рекультивации земель, нарушенных в результате угледобычи [2, 3].
В связи с вышесказанным остается актуальной проблема, связанная с разработкой ускоренных способов биологического этапа рекультивации угольных отвалов Кузбасса, в том числе с элементами фиторемедиации с дальнейшей апробацией предложенных технологий и их внедрением.
Цель: выявить наиболее оптимальный способ биологической рекультивации для ускоренного восстановления почвенно-экологических функций и экосистемы в целом на нарушенных землях.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
1. Методом биоиндикации с использованием высших растений определить оптимальный состав грунта для биологической рекультивации.
2. Дать сравнительный анализ пролифератив-ных кариологических показателей для выявления наиболее адаптивных видов злаковых и бобовых растений, используемых для фиторемедиации нарушенных земель.
Общая характеристика района исследований
Местонахождение экспериментального участка — Кемеровская область, Прокопьевский район.
Рельеф местности — холмистый с небольшими перепадами высот от 300 до 350 м, пересечен многочисленными долинами речек и рек. Реки, речки, ручьи и родники, протекающие по территории Прокопьевского района, относятся к бассейнам Томи, Чумыша и Ини, которые являются правыми притоками реки Оби.
Материалы и методы исследования. Объектом исследования является почвогрунт угольного разреза. В качестве предмета исследований апробировали различные варианты почвоулучшителей.
Первый экспериментальный компонент для ускоренного почвообразовательного процесса — органоминеральное удобрение на основе природных сапропелей, используемый для биореме-диации карьерно-отвальных комплексов. Положительными качествами сапропелей являются их высокое плодородие, отсутствие токсичности, достаточная сорбционная активность, способность к нейтрализации токсических эффектов, пролонгированность действия и минимальные объемы внесения.
Благодаря медленной растворимости действующих в сапропеле веществ обеспечивается сбалансированное питание растений всеми элемен-
тами питания, улучшается механический, агрегатный и агрохимический состав почв, снижается кислотность, увеличивается буферность и емкость катионного обмена почв.
Второй экспериментальный компонент — ла-тексная водная суспензия — универсальное средство борьбы с водной, ветровой и термоэрозией. Долговременное покрытие, обеспечивающее стабилизацию гидротермического режима субстрата, формирование растительного покрова стабильно высокой продуктивности, активизацию деятельности микрофлоры и, как следствие, ускорение почвообразовательных процессов при восстановлении нарушенных земель. Надежное средство для защиты корнеобитаемых горизонтов от техногенных факторов, позволяющее восстанавливать растительный покров в достаточно короткие сроки.
Третий компонент для биоремедиации почвы биопрепарат «Биокомплекс» (БТУ) — оздорови-тель почвы. В его состав входят азотфиксирую-щие почвенные бактерии Azotobacter; природные эндофитные и почвенные азотфиксирующие и фосфатмобилизующие бактерии Paenibacillus (Bacillus) polymyxa; Bacillus subtilis (фунгицидные бактерии-антагонисты патогенных для растений грибов и бактерий, продуцирующие ферменты для разложения сложных органических соединений почвы и преобразования их в доступные для растений формы); молочнокислые бактерии, продуценты ц еллюлаз и д ругих ферментов; фито-гормоны, витамины, аминокислоты, микроэлементы. Общее количество жизнеспособных клеток — 1,0 х 109 КОЕ/см3.
Инокуляция породных отвалов жидкими микробиологическими препаратами на основе БТУ в начале вегетации в большей степени стимулирует увеличение в техногенных элювиях количества микроорганизмов, использующих минеральный азот и микроорганизмов, разлагающих силикаты. Инокуляция отвалов микробиологическими препаратами приводит к увеличению фотосинтетической способности листьев растений во все исследуемые периоды.
Исследования направлены на изучение всхожести, роста и жизнеспособности злаково-бобо-вой травосмеси (клевер, донник, люцерна, овсяница, райграс и пырей), традиционно применяемой для сельскохозяйственной рекультивации в зависимости от качества грунта (технозем, потенциально плодородный слой почвы (ППСП) и плодородный слой почвы (ПСП)), а также нанесением или внесением в грунт различных почвоулучшителей (табл. 1):
— в качестве органоминерального удобрения (сапропель);
— для сохранения почвенной влаги (латексная суспензия);
— для ускорения почвообразовательных процессов (микроорганизмы).
На всех вариантах производственного опыта осуществлялся посев злаково-бобовой травосмеси, из расчета 40 кг на гектар.
Опыт многофакторный в 3-кратной повтор-ности. Общая площадь экспериментальной площадки 10 500 м2. Площадь экспериментальной делянки 300 м2.
Биотестирование образцов почвогрунта осуществляли при помощи растений кресс-салата по стандартной методике для техногенно-загряз-ненных почв. Фитотоксичность грунта оценивали методом проростков, который позволяет получить интегральную токсикологическую характеристику исследуемых объектов, основанную на изменении прорастания семян под воздействием различных поллютантов.
Для исследований использовали семена кресс-салата сорта Забава. Семена в количестве 100 штук (для каждого опыта) сеяли на подготовленные субстраты. В течение семи дней наблюдали за прорастанием семян. На седьмой день вегетации выкопали растения и провели необходимые замеры.
В зависимости от результатов опыта субстратам присвоить один из четырех уровней загрязнения:
1. Загрязнение отсутствует. Всхожесть 90— 100 %.
2. Слабое загрязнение. Всхожесть 60—90 %.
3. Среднее загрязнение. Всхожесть 20—60 %.
4. Сильное загрязнение. Всхожесть менее 20 %.
Allium-тест. В современных исследованиях
Allium cepa L. считается эталонным растительным тест-объектом для анализа мутагенности, мито-
токсичности и токсичности различных факторов. Allium-тест рекомендован экспертами ВОЗ как стандарт в цитогенетическом мониторинге окружающей среды [4]. В качестве тест-объекта был использован лук репчатый (лук-севок) (Allium cepa L.) сорта «Штутгартер Ризен». Это многолетнее травянистое луковичное растение из семейства Луковые (Alliaceae). Растение имеет 16 хромосом (2n = 16).
Для проращивания луковицы помещали по три штуки в пластиковые стаканы с почвенными субстратами разных вариантов. Проращивание осуществляли при комнатной температуре 22—24 °С на хорошо увлажненном субстрате.
Для проведения цитологического анализа готовили давленые ацетокарминовые препараты. Микропрепараты просматривали при помощи микроскопа «Биомед 6» с увеличением объективов х 10, х40 и окуляров х 10. Учет клеток проводили в десяти полях зрения, в среднем не менее 600 клеток для каждого варианта опыта.
Токсичность грунтов для растений тест-объекта оценивали на тканевом уровне по изменению митотического индекса (Mi, %), рассчитанного по формуле:
Mi = (Р + М + А + T)/N х 100 %,
где (P + M + A + T) — сумма клеток, находящих -ся на стадии профазы (Р), метафазы (М), анафазы (А) и телофазы (Т), а N — общее число проанализированных клеток.
Статистическую обработку данных проводили стандартными методами с использованием программы Microsoft Excel. Все обсуждаемые результаты достоверны на уровне доверительной вероятности 0,95 (при Р < 0,05).
Результаты и обсуждение. Биоиндикация почвогрунта с применением кресс-салата.
В лабораторных условиях мы исследовали токсичность почвогрунта, взятого с производственного эксперимента с помощью кресс-салата, обладающего высокой всхожестью, существенно уменьшающейся в присутствии поллютантов. Лабораторная всхожесть в нашем эксперименте составила 98 %.
Сбор почвенных образцов проводили в июле 2023 года в соответствии с ГОСТом 17.4.4.02—84 в трехкратной повторности, пробы отбирали на экспериментальных площадках из слоя 0—20 см.
Исследование вели в камеральных условиях при температуре 23—25 °С при естественном освещении. Семена тест-культуры проращивали в почвенном субстрате в емкостях объемом 200 мл.
Показатель всхожести варьировал от 38 до 96 % в зависимости от наличия добавленного в поч-вогрунт компонента почвоулучшителя (табл. 2).
Таблица l
Схема опыта
Почвогрунт Технозем ППСП ПСП
Сапропель Сплошным слоем поверхностно, из расчета 200 кг/га
Латекс 7 % водная эмульсия латекса в количестве 1,5—3,0 л/м2
Микроорганизмы Водный раствор в количестве 1,5—2,0 л/1000 л
Сапропель + микроорганизмы Сплошным слоем поверхностно, из расчета 200 кг/га + водный раствор в количестве 1,5—2,0 л/1000 л
Латекс + микроорганизмы 7 % водная эмульсия латекса в количестве 1,5—3,0 л/м2 + водный раствор в количестве 1,5—2,0 л/1000 л
Контроль —
Всхожесть растений кресс-салата, % 96
68 66
Сапропель
Латекс
66 68
50
1 38 ■
Микро Сапро + Микро Латекс + Микро Контроль
Технозем, % ППСП, % ПСП, %
Линейная (Технозем, %) — — Линейная (ППСП, %) Линейная (ПСП, %)
Рис. 1. Зависимость всхожести семян от почвогрунта и почвоулучшителей
У растений кресс-салата, выращенных на техноземе, в контрольном варианте всхожесть составила 50 %, что свидетельствует об 3-й степени загрязнения почвы поллютантами (среднее, 20—60 %). При нанесении на технозем ППСП или ПСП загрязнение снижается до 2-й степени (слабое, 60—90 %) и отмечается 66 и 68 % соответственно.
Варианты почвоулучшителей по-разному работают на почвогрунтах. Так, высокий показатель всхожести 96 % отмечен на техноземе с внесением в него сапропеля + микрорганизмы. На техноземе с нанесением ППСП 90 % всхожести показал вариант опыта с нанесением латексной суспензии. На техноземе с нанесением ПСП высокий показатель всхожести отмечен с внесением сапропеля — 86 %, также хорошо отреагировали растения на внесение в почву сапропель + микрорганизмы — 84 % и микроорганизмы — 82 %.
Сапропель самостоятельно не работает при нанесении его в чистом виде на технозем, а при добавлении к нему водного раствора с микроорганизмами дает высокий процент всхожести и ликвидирует токсичность почвы.
В варианте опыта технозем + ППСП внесение водного раствора с микроорганизмами и ла-
текс + микроорганизмы ингибируют прорастание семян кресс-салата до 38 %, по сравнению с контролем — 66 %. Нанесение латексной суспензии в ч истом виде значительно увеличивает всхожесть растений до 90 %.
В опыте технозем + ПСП л атексная суспензия ингибирует прорастание семян — 48 %, высокий процент всхожести отмечен с внесением сапропеля — 86 % (рис. 1).
Энергия прорастания, характеризующая дружность всходов семян, коррелирует со всхожестью, поэтому наблюдается та же закономерность: на техноземе 94 % наблюдалась у растений, выращенных с внесением сапропеля + микроорганизмы, во втором варианте опыта — технозем с нанесением ППСП положительное влияние оказала латексная суспензия — 90 % и в третьем варианте опыта с нанесением ПСП лучший результат отмечен с внесением сапропеля в чистом виде — 86 %. У этих растений почти все семена, давшие в итоге проростки, проросли в первый срок, то есть на третий день проращивания. В остальных вариантах сроки прорастания были более растянуты во времени.
Разница по всхожести образцов контрольных групп в различных вариантах опыта составила
Всхожесть растений кресс-салата, в зависимости от типа почвогрунта, %
Таблица 2
Почвогрунт Технозем ППСП ПСП
Вариант/сутки 3 5 7 3 5 7 3 5 7
Сапропель 48 56 56 16 50 60 86 86 86
Латекс 62 64 66 90 90 90 46 48 48
Микроорганизмы 58 76 80 20 32 38 54 72 82
Сапропель + микро 94 96 96 34 60 68 78 84 84
Латекс + микро 60 66 68 22 36 38 60 64 66
Контроль 26 48 50 44 62 66 58 64 68
18 %, из чего следует, что технозем, обогащенный ППСП или ПСП, улучшает свои качества, становясь более перспективным для рекультива-ционных целей.
Таким образом, наиболее подходящим для развития растений кресс-салата оказался субстрат с нанесением потенциально плодородного слоя почвы. На грунте с ППСП лучшее влияние на растения оказало добавление латексной суспензии. Наиболее перспективным для выращивания растений на техноземе является внесение сапропеля и микроорганизмов. В этих условиях растения проявили высокую всхожесть и энергию прорастания семян. При нанесении на технозем ПСП хорошие результаты отмечены с внесением сапропеля в чистом виде, сапропеля с добавлением микроорганизмов и микроорганизмы в чистом виде.
Показатели дальнейшего развития проростков определяются не только потенциалом семенного материала, но и его дальнейшей реализацией в конкретных условиях среды. Оценить приемлемость среды представляется возможным через размерные характеристики организма, такие как линейный размер вегетативных органов.
На следующем этапе в ходе исследований биотестирования почвогрунтов проводили по мор-фометрическим признакам развития побега и главного корня тест-растений. Для этого по истечении семи дней проростки кресс-салата вынимали из субстрата и измеряли длину побега и главного корня при помощи линейки, с точностью до 1 мм. Результаты измерений приведены в таблице 3.
Анализ результатов исследования показал, что величина морфологических признаков строения проростков кресс-салата изменялась в зависимос-
ти от состава почвенного субстрата, в котором они росли. Так в опыте на грунте с ППСП максимальной длиной побега (66,6 и 56,7 мм) и хорошо развитой корневой системой (28,3 и 36,1 мм) характеризовались проростки, полученные на субстрате с добавлением сапропеля и смеси сапропеля и микроорганизмов. В сравнении с контрольной группой растений, величина их надземной части оказалась больше на 14—27 %, а подземной — на 6—26 %. Побеги растений, проросших на почве с л атексом, оказались выше контроля на 6,3 мм, а в случае внесения в почву микроорганизмов разница была незначительна и составила всего 1,2 мм. Длина главного корня у этих проростков и у растений контрольной группы также была сходной. У растений на почве с добавлением смеси латекса и микроорганизмов сформировался побег, длина которого превосходила контроль на 6,3 мм, и максимально длинный корень (36,9 мм).
На субстратах с нанесением ППСП у проростков лучше развивалась корневая система. В трех вариантах (с добавлением сапропеля, латекса и микроорганизмов) длина главного корня оказалась больше, чем у контрольных образцов на 12,2—19,4 мм. На почве с сапропелем также сформировался более длинный побег (больше контроля на 5,1 мм), а во втором и третьем варианте, наоборот, более короткий — на 4,8 и 10,2 мм соответственно. При прорастании на почве с внесенной смесью сапропеля и микроорганизмов у кресс-салата формировался относительно высокий побег (больше, чем в контрольной группе на 3,0 мм) и менее развитый корень, на уровне контрольных проростков. На почве с добавлением смеси сапропеля и микроорганизмов растения имели относительно короткие вегетативные органы.
Таблица 3
Морфометрические показатели развития проростков кресс-салата
Варианты Технозем ППСП ПСП
опыта Стебель Корень Лист Стебель Корень Лист Стебель Корень Лист
Сапропель 26,6 + 11,6 12,4+5,8 14,8+7,36 39,8+8 27,7+10,04 20,5+4,6 46,2+9,2 46,6+10,12 27,1+4,9
Латекс 34,3 + 10,9 17+6,2 17,3+4,3 36,3+11,9 24,6+10,32 14+4,8 31,2+12,16 43,3+15,24 20,9+6,1
Микроорга- 24,2 + 11,24 12,3+5,42 14,6+6,28 28,3+8,3 16,3+6,7 16,3+6,7 35,3+9,3 46,9+12,28 18,6+5,8
низмы
Сапропель + 32,3 + 8,64 16,7 + 5,96 14,5 + 4,8 36,4+6,72 44,5 + 13,9 19,3 + 3,9 41 + 11 32,3 + 13,96 20,6 + 4,4
микроорга-
низмы
Латекс + 30 + 9,2 29,1+12,12 16,7+3,3 38,1+7,1 40+11,4 14,4+4,6 49,8+9,88 30,8+9,84 23,4+5,52
микроорга-
низмы
Контроль 31 + 11,2 33,1 + 12,9 17,5+3,6 38,2+11,16 27,6+7,92 15,8+4,4 36,1 + 10,92 32,9+8,3 20,9+6,3
В эксперименте с техноземом во всех вариантах измеряемые признаки оказались больше у образцов контрольной группы. Растения с более высокими побегами и длинным корнем выявлены на субстрате с добавлением латекса и его смеси с микроорганизмами. Части этих растений по длине были либо на уровне с контролем, либо уступали ему (не более, чем на 40 %). На грунтах с сапропелем и микроорганизмами сформировались растения с самым коротким побегом (37,8—38,7 мм) и корнем (10,3—10,5 мм). В варианте со смесью этих составляющих побег и корень оказались немного длиннее, соответственно — 44,2 и 14,8 мм, но все же уступали по величине контрольной группе.
Таким образом, более мощными по длине побега и главного корня оказались растения кресс-салата, развивавшиеся на субстрате с внесением потенциально плодородного почвенного слоя, причем более длительное воздействие улучшите-лей почвы в большинстве вариантов привело к увеличению длины побега и корня. Лучшие результаты при этом достигнуты при использовании сапропеля и его смеси с микроорганизмами. На техноземе без ППСП лучшим условием для развития растений оказалось внесение латекса или его сочетания с препаратом микроорганизмов.
В результате проведенной работы можно заключить, что использование Lepidium sativum L. вполне обосновано для целей биоиндикации технологически нарушенных земель ввиду их отзывчивости на наличие различных компонентов в почвенном субстрате. Наиболее подходящим для развития растений кресс-салата оказался субстрат с нанесением потенциально плодородного слоя почвы.
Перспективным для улучшения качеств тех-нозема и снижения степени его фитотоксичнос-ти является обогащение его препаратами латекса или смеси из латекса и микроорганизмов. Значительными улучшающими свойствами характеризуется также сапропель, особенно при его несении в составе почвенного субстрата (ППСП). В присутствии этих компонентов у тестируемых растений кресс-салата на техноземах может повышаться всхожесть, энергия прорастания семян, кроме того, улучшаются морфологические характеристики на ранних этапах развития.
Оценка мутагенности почвогрунта методом Аллиум-теста. Классическим методом для исследования токсического воздействия загрязнителей окружающей среды на живые объекты является тест на корневых клетках лука (Allium-тест), который позволяет осуществить относительно быстрый скрининг химических соединений с указа-
Рис. 2. Клетки апикальной меристемы корня Allium cepa L.
в разных стадиях митоза: А — профаза; Б — метафаза; В — анафаза; Г — телофаза
нием их потенциального биологического риска [5, 6].
Allium-тест дает возможность изучить два аспекта токсичности:
а) общую токсичность (или фитотоксичность) на основе угнетения роста корней лука Allium сера L.,
б) цитогенотоксичность, документированную микроскопическим исследованием хромосомных аберраций и ядерных аномалий в клетках корне -вой меристемы.
В ходе анализа препаратов первичной образовательной ткани в кончике корня выявлены клетки в разных стадиях митоза (рис. 2).
Большинство клеток в поле зрения каждого варианта находилось в интерфазе, то есть на этапе подготовки к делению (рис. 3).
Одной из основных характеристик митоти-ческой активности клеток апикальной меристемы является митотический индекс. Нарушение митотической активности клеток является потенциально опасным явлением, поскольку может приводить к серьезным отклонениям от нормального роста и развития растения. Сравнительный анализ значений показателя митотической активности клеток может дать информацию о нормальном протекании митоза, об угнетении процесса деления клеток или, напротив, усилении митотической активности тканей. На основании этого делается заключение о митотическом или митозстимулирующем действии изучаемого фактора [6].
Рис. 3. Клетки кончика корня Allium cepa L.
14-
■ Технозем
■ ППСП _ ПСП _
Él;
1 2 3 4 5 Контроль
Вариант опыта
Рис. 4. Митотический индекс (Mi) в корневой системе Allium cepa L.
В нашем опыте величина Mi варьировала от 4,6 до 11,5 % (табл. 4, рис. 4). Анализ митоти-ческой активности клеток корневой апикальной меристемы контрольных образцов Allium cepa L. в почвогрунтах выявил максимальную ростовую активность в корешках лука, прораставшего в условиях плодородного слоя почвы (ПСП). Митотический индекс здесь оказался на 0,6—3,9 % выше, чем у других образцов и составил 9,9 %. Минимальное значение индекса (6,0 %) отмечено у контрольного образца на техноземе.
Подобная закономерность проявилась также у севка, проращиваемого на субстратах с добавлением сапропеля. Наиболее эффективным оказалось его внесение в относительно плодородную почву (ПСП), Mi в этом случае оказался больше на 1,0—4,4 %, чем в опытах с суглинком и тех-ноземом. Активность митотических делений в корнях лука на чистом техноземе была меньше, чем в смесях, соответствующих вариантам опыта.
Варианты опыта: сапропель (1), латекс (2), микроорганизмы (3), сапропель + микроорганизмы (4), латекс + микроорганизмы (5) и контроль.
Лучший результат был получен при добавлении к технозему сапропеля с микроорганизмами (Mi возрастал от 6,0 до 10,0 %). В опыте с ППСП митотический индекс оказался больше, по сравнению с контролем, при добавлении к субстрату чистого сапропеля, его смеси с микроорганизмами и латекса (в последнем случае отмечено м аксимальное значение Mi). В корешках лука, извлеченного из наиболее плодородной почвы (ПСП), усиление митотической активности в образовательной ткани в сравнении с контролем наблюдалось в вариантах с сапропелем (Mi = 10,7 %) и смеси сапропеля с микроорганизмами (Mi = 10,1 %).
Таким образом, цитологический анализ действия компонентов почвенного субстрата на деление клеток меристемы кончика корня Allium cepa L. выявил митозстимулирующее действие в случае внесения в почвогрунт сапропеля и его смеси с микроорганизмами по всем вариантам опыта. Добавление латекса к технозему или суглинку (ППСП) также способствует активизации клеточных делений, а значит, и ростовых процессов в корневой системе лука.
Внесение сапропеля в почвогрунты достоверно снижает их токсичность, цитотоксичность по отношению к луку репчатому. Модифицирующее действие сапропеля на биологическую активность солей тяжелых металлов связано с аккумуляцией сапропелем катионов солей тяжелых металлов.
Биопрепараты на основе бактерий, используемые для ускорения почвообразовательных процессов в рекультивируемом грунте, продуцируют фитогормоны и регуляторы роста, обеспечивают ускоренный рост и развитие высших растений, с помощью которых происходит очищение
Таблица 4 Митотическая активность (Mi, %) в апексе корня Allium cepa L.
Вариант Почвогрунт
Технозем ППСП ПСП
Сапропель 6,6 9,7 10,7
Латекс 7,0 11,5 8,2
Микроорганизмы 9,7 5,4 9,6
Сапропель + микро- 10,0 10,7 10,1
организмы
Латекс + микроорга- 8,9 4,6 6,1
низмы
Контроль 6,0 9,3 9,9
рекультивируемого грунта. Предположительно, культуры микроорганизмов обладают наибольшей способностью к удалению ионов тяжелых металлов, проявляя устойчивость к их негативному влиянию.
Депрессивный характер митотической активности корневой системы лука репчатого напрямую связан с химическим составом породного отвала.
В вариантах опыта с нанесением сапропеля и сапропеля + микроорганизмы мутагенный эффект нивелирован применением в качестве изоляционного материала, что и отразилось на ми-тотической активности клеток.
При митотоксическом эффекте доля клеток, которые находятся в митозе, резко падает, что коррелирует с высоким показателем клеток, находящихся в состоянии интерфазы 88,8 % в варианте опыта с контролем на техноземе, но при нанесении на технозем ППСП и ПСП данный показатель снижается до 86,10 %, что свидетельствует об активации процессов деления клеток. В таблице 5 представлены данные по значению фазных индексов.
Изучение распределения клеток по стадиям митоза показало, что наибольшее их число, как в контрольных вариантах, так и в опытных, приходится на профазу. Известно, что продолжительность разных стадий митоза в физиологических условиях неодинакова. Наиболее продолжитель-
ны стадии, связанные с процессами синтеза, — профаза и телофаза. Стадии митоза, во время которых происходит движение хромосом, обычно осуществляются быстро. На участке с технозе-мом отмечено аномальное прохождение телофа-зы, кроме контроля — 8,50 % и участка, на котором нанесен сапропель — 5,60 %. При нанесении на почвогрунт ППСП лучший вариант оказался также с сапропелем — 7,90 %. При нанесении ПСП показатель индекса прохождения телофазы (конечной фазы митоза) выровнялся и соответствует норме, кроме варианта с контролем.
Высокий метафазный индекс отмечен в вариантах контроля с ППСП и ПСП, в остальных случаях отмечено достоверное снижение индекса. Увеличение метафазного индекса свидетельствует о повреждении хромосомного аппарата, нарушении расхождения хромосом к полюсам и инициации хромосомных аберраций. Клетки не могут пройти из метафазы в анафазу, следствием этого могут быть геномные мутации: много -ядерность, анеуплоидия и полиплоидия.
Высокий анафазный индекс отмечен во всех вариантах почвогрунтов с нанесением сапропеля, что свидетельствует о нормальном прохождении клеточного цикла.
Таким образом, установлено, что под действием генотоксических веществ, содержащихся в почвогрунтах, наблюдается депрессивный характер митотической активности, формирование
Таблица 5
Значение фазного индекса в зависимости от типа почвогрунта
Вариант опыта, % Сапропель Латекс Микроорганизмы Сапропель + микро Латекс + микро Контроль
Технозем
Интерфаза 85,70 86,70 87,90 84,80 87,90 88,80
ПИ 65,40 65,90 66,00 67,50 70,40 70,10
МИ 14,90 16,80 16,70 16,40 15,00 11,00
АИ 14,10 15,50 13,60 12,10 13,20 10,40
ТИ 5,60 1,80 3,70 4,00 1,40 8,50
ППСП
Интерфаза 80,90 85,80 87,70 82,80 85,80 86,70
ПИ 64,30 65,00 71,00 67,00 67,90 68,10
МИ 14,50 16,00 14,90 14,30 16,30 17,50
АИ 13,30 13,40 11,80 12,90 10,00 11,40
ТИ 7,90 5,60 2,30 5,80 5,80 3,00
ПСП
Интерфаза 77,70 80,30 86,70 76,50 84,80 86,10
ПИ 63,70 64,50 65,00 62,80 67,50 66,10
МИ 14,90 15,10 13,20 13,40 15,40 17,00
АИ 12,60 11,50 9,90 2,30 8,90 10,40
ТИ 8,80 8,90 11,90 11,50 8,20 6,50
профазного блока в клетках, отмечается угнетение корневой системы Allium сера L., задержка клеточного д еления на различных стадиях митоза, что свидетельствует о токсичной активности породных отвалов.
Внесение гранулированного сапропеля толщиной 1—2 см нивелирует токсичность терриконов на 29—34 %. Использование рекультиван-тов на основе сапропеля позволит значительно повысить эффективность биологической рекультивации.
Выводы. На исследуемом полигоне были созданы три участка с различными вариантами формирования корнеобитаемого слоя. На них применены различные почвоулучшители и мелиоранты с целью оптимизации водно-воздушного, теплового и окислительно-восстановительного режимов техногенных субстратов первого года сложения и восстановления на них растительного покрова и микробоценозов.
Достоверно доказано снижение токсичности грунта на 18 % при нанесении на технозем потенциально плодородного слоя почвы (ППСП) или плодородного слоя почвы (ПСП).
Использование Lepidium sativum L. обосновано для целей биоиндикации технологически нарушенных земель ввиду их отзывчивости на наличие различных компонентов в почвенном субстрате. Наиболее подходящим для развития растений кресс-салата оказался субстрат с нанесением потенциально плодородного слоя почвы (ППСП).
Перспективным для улучшения качеств тех-нозема и снижения степени его фитотоксичнос-ти является обогащение его препаратами латекса или смеси из латекса и микроорганизмов. Значительными улучшающими свойствами характеризуется также сапропель, особенно при его несении в составе почвенного субстрата (ППСП). В присутствии этих компонентов у тестируемых растений кресс-салата на техноземах может повышаться всхожесть, энергия прорастания семян и улучшаются морфологические характеристики на ранних этапах развития.
Энергия прорастания семян кресс-салата, характеризующая дружность всходов, коррелирует со всхожестью растений: на техноземе 94 % наблюдалась у растений, выращенных с внесением сапропеля + микроорганизмы, во втором вари-
анте опыта — технозем с нанесением ППСП положительное влияние оказала латексная суспензия — 90 % и в третьем варианте опыта с нанесением ПСП лучший результат отмечен с внесением сапропеля в чистом виде — 86 %.
Цитологический анализ действия компонентов почвенного субстрата на деление клеток меристемы кончика корня Allium cepa L. выявил ми-тозстимулирующее действие в случае внесения в почвогрунт сапропеля и его смеси с микроорганизмами по всем вариантам опыта. Добавление латекса к технозему или суглинку (ППСП) также способствует активизации клеточных делений, а значит и ростовых процессов в корневой системе лука.
Внесение сапропеля в почвогрунты достоверно снижает их токсичность, цитотоксичность по отношению к луку репчатому. Модифицирующее действие сапропеля на биологическую актив -ность солей тяжелых металлов связано с аккумуляцией сапропелем катионов солей тяжелых металлов.
Биопрепараты на основе бактерий, используемые для ускорения почвообразовательных процессов в рекультивируемом грунте, продуцируют фитогормоны и регуляторы роста, обеспечивают ускоренный рост и развитие высших растений, с помощью которых происходит очищение рекультивируемого грунта.
Работа ведется в рамках Распоряжения Правительства Российской Федерации от 11.05.2022 № 1144-р, комплексной научно-технической программы полного инновационного цикла «Разработка и внедрение комплекса технологий в областях разведки и добычи твердых полезных ископаемых, обеспечения промышленной безопасности, биореме-диации, создания новых продуктов глубокой переработки из угольного сырья при последовательном снижении экологической нагрузки на окружающую среду и рисков для жизни населения» («Чистый уголь — зеленый Кузбасс»), мероприятие 3.1 «Эко-полигон мирового уровня технологий рекультивации и ремедиации». При финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (соглашение № 075-15-2022-1200 от 28.09.2022).
Библиографический список
1. Куприянов А. Н. Восстановление экосистем на отвалах горнодобывающей промышленности Кузбасса / А. Н. Куприянов, Ю. А. Манаков, Л. П. Баранник. — Новосибирск: Академическое изд-во «Гео», 2010. — С. 124.
2. Манаков, Ю. А. Парциальные флоры техногенных экотопов Кузбасса // Вестник ОрГУ. — 2009. — № 9 (103). — С. 104—109.
3. Стрельникова Т. О. Особенности флоры отвалов угольных разрезов Кемеровской области / Т. О. Стрельникова, Ю. А. Манаков // Вестник Томского государственного университета. Биология. — 2010. — № 2 (10). — С. 44—57.
4. Багдасарян А. С. Эффективность использования тест-систем при оценке токсичности природных сред // Экология и промышленность России. — 2007. — № 8. — С. 44—48.
5. Беждугова С. А. Изучение суточной периодичности митозов в клетках меристем проростков луковицы лука Allium сера L. / С. А. Беждугова, Э. М. // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. — 2018. — № 3. — С. 96—99.
6. Довгалюк А. И., Калиняк Т. Б, Блюм Я. Б. Цитогенетические эффекты солей токсичных металлов в клетках апикальной меристемы корней проростков Allium сера L. // Цитология и генетика. — 20016. — № 2. — С. 3—10.
ADVANCED RESTORATION OF MINED SOILS AND ECOSYSTEMS: IMPROVING BIOLOGICAL RECLAMATION METHODS
S. N. Myakisheva, Associate Professor of the Department of Ecology and Environmental Management, Kemerovo State University, Kemerovo, Russia, [email protected],
G. Y. Stepanyuk, Associate Professor of the Department of Ecology and Environmental Management, Kemerovo State University, Kemerovo, Russia, [email protected]
References
1. Kupriyanov A. N. Vosstanovlenie ehkosistem na otvalakh gornodobyvayushchey promyshlennosti Kuzbassa [Recultivating ecosystems on mining dumps in Kuzbass] / A. N. Kupriyanov, Yu. A. Manakov, L. P. Barannik. Novosibirsk, Geo, 2010. 124 p. [In Russian].
2. Manakov Yu. A. Partsialnye flory tekhnogennykh ehkotopov Kuzbassa [Partial floras of technogenic ecotopes in Kuzbass]. Vestnik OrGU. 2009. No. 9 (103). P. 104-109 [In Russian].
3. Strelnikova T. O. Osobennosti flory otvalov ugolnykh razrezov Kemerovskoy oblasti [Strip mine flora in the Kemerovo Region] / T. O. Strelnikova, Yu. A. Manakov. Vestnik Tomskogo gosudarstvennogo universiteta. Biologiya. 2010. No. 2 (10). P. 44—57 [In Russian].
4. Bagdasaryan A. S. Ehffektivnost ispolzovaniya test-sistem pri otsenke toksichnosti prirodnykh sred [Efficiency of test systems in assessing toxic natural environments]. Ehkologiya ipromyshlennost Rossii. 2007. No. 8. P. 44—48. [In Russian].
5. Bezhdugova S. A. Izuchenie sutochnoj periodichnosti mitozov v kletkah meristem prorostkov lukovicy luka Allium sera L. [Circadian rhythm of mitoses in meristem cells of Allium cepa L. seedlings] / S. A. Bezhdugova, E. M. International Journal of Applied and Fundamental Research. 2018. No. 3. P. 96—99 [In Russian].
6. Dovgalyuk A. I., Kalinyak T. B., Blum Ya. B. Tsitogeneticheskie ehffekty soley toksichnykh metallov v kletkakh apikalnoy meristemy korney prorostkov Allium sera L. [Cytogenetic effects of toxic metal salts on apical meristem cells of Allium cepa L. seedlings]. Tsitologiya i genetika. 2016. No. 2. P. 3—10 [In Russian].
