CC BY
28
ВЕСТНИК БЕЛОРУССКОЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ
АКАДЕМИИ № 4 2014
ЗЕМЛЕДЕЛИЕ, СЕЛЕКЦИЯ, РА СТЕНИЕВОДСТВО
УДК 631.46.631.445.41:631.84
И. М. МАЛИНОВСКАЯ
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОБНОГО СООБЩЕСТВА СЕРОЙ ЛЕСНОЙ ПОЧВЫ В УСЛОВИЯХ ПОВЫШЕННОГО УРОВНЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ
(Поступила в редакцию 03.01.14)
Исследовано состояние микробных сообществ серой We have examined microbial communities in grey forest
лесной почвы, загрязненной тяжелыми металлами в дозе 5, soil, contaminated by heavy metals in the doses of 5, 10, and
10, 100 ГДК, при наличии и отсутствии вегетирующего 100 maximum allowable concentration, with the presence and
фитоценоза (кукуруза). Показана протекторная функция absence of vegetating phytocenosis (corn). We have shown pro-
фитоценоза относительно нескольких групп микроорга- tective function of phytocenosis in relation to several groups of
низмов, в частности азотобактера и полисахаридсинтези- microorganisms, in particular azotobacter and polysaccharide-
рующих бактерий. Подтверждена большая устойчивость к synthesizing bacteria. We have confirmed great resistibility of
загрязнению тяжелыми металлами мицелиальных форм mycelium forms of microorganisms (micromycetes) to heavy
микроорганизмов (микромицетов). Доказано, что с увели- metals contamination. We have shown that increased dose of
чением дозы загрязнителя в почве падает активность ми- contaminant in the soils reduces the activity of mineralization of
нерализации органических веществ, в том числе и гумуса. organic substances, including humus.
Введение
Проблема загрязнения окружающей среды, почв и продуктов питания тяжелыми металлами - одна из самых актуальных на сегодняшний день. Количество публикаций в научной литературе на эту тему лишь немногим уступает самой изучаемой проблеме - фиксации атмосферного азота прокариот-ными организмами.
Анализ источников
В последнее время актуализировались исследования сложных систем, которые включают не только почву и живущие в ней микроорганизмы, но также и растения, которые непосредственно влияют на формирование микробных сообществ в условиях загрязнения почвы тяжелыми металлами [15, 17]. Для оценки реакции микроорганизмов на загрязнение тяжелыми металлами используют такие современные методы, как измерение уровня базального дыхания, субстрат-индуцированного дыхания, изучение структуры сообществ методами ПЦР-анализа, распределения функциональных генов. Задачей нашего исследования явилось изучение изменений функциональной структуры микробного сообщества серой лесной почвы под влиянием возрастающих концентраций тяжелых металлов. Предметом исследования были агрономически значимые процессы и группы микроорганизмов, которые их осуществляют.
Методы исследования
Модельный опыт был заложен с использованием серой лесной крупнопылевато-легкосуглинковой почвы стационарного опыта Национального научного центра «Институт земледелия НААН» (опытное хозяйство «Чабаны», Киево-Святошинский район Киевской области). Использовалась почва варианта «интенсивный агрозем», который включает полевой севооборот с насыщенностью минеральными удобрениями N96P108K1125 по фону запахивания побочной продукции растениеводства (культура 2010 г. - овес). В 0-20 см слое почвы содержится: гумуса - 1,75 %, щелочногидролизованного азота (по Корнфилду) - 6,86 мг, нитратного азота - 6,46, аммонийного азота - 0,20, подвижного фосфора -60,0 мг и обменного калия - 25,4 мг на 100 г воздушно-сухой почвы, рН(кС1) - 4,9. Почву отбирали осенью и перед проведением модельного опыта восстанавливали ее биологическую активность путем увлажнения и термостатирования при 25 °С на протяжении 21 суток. Исследовали варианты с искусственно созданными фонами цинка и свинца: № 3, 4 - превышение ГДК в 5 раз; № 5, 6 - превышение ГДК в 10 раз; № 7, 8 - превышение ГДК в 100 раз. В качестве контрольного образца выступала почва
с природной концентрацией тяжелых металлов. При создании фонов загрязнения концентрации металлов рассчитывали по кислоторастворимой фракции, поскольку именно она считается основной техногенной составляющей запаса тяжелых металлов в почве. В контрольные сосуды для выравнивания содержания азота вносили раствор KNO3 в соответствующей концентрации.
За 8 суток до внесения тяжелых металлов в половину сосудов высевали семена кукурузы. К моменту внесения тяжелых металлов растения кукурузы находились в фазе 3-4 листков. Состояние микробных сообществ изучали через 32 суток после внесения тяжелых металлов. Численность микроорганизмов отдельных эколого-трофических и функциональных групп оценивали методом посева почвенной суспензии на соответствующие питательные среды [11]. Показатели интенсивности процессов минерализации азот- и углеродсодержащих соединений, фитотоксические свойства почвы определяли соответственно описанному ранее [4]. Статистическую обработку результатов проводили с использованием современных программ Microsoft Excel.
Основная часть
В результате проведенных исследований установлено, что растения с их корневыми выделениями выступают в роли протекторов относительно микроорганизмов нескольких эколого-трофических групп, в частности азотобактера, численность которого в ризосфере растений превышает показатели почвы без растений: в контроле на 3,33 %, при 5 ГДК - 36,6, при 10 ГДК - на 95,6 % (табл. 1). Чем выше уровень загрязнения почвы тяжелыми металлами, тем более выражена протекторная функция растений относительно азотобактера. С нашей точки зрения, азотобактер относится к микроорганизмам-индикаторам экологической чистоты почвы, его численность уменьшается при загрязнении почвы как нефтепродуктами, так и тяжелыми металлами [4, 5]. В представленных данных численность азотобактера снижается с увеличением дозы поллютанта в почве без растений: при 5 ГДК - в 2,64 раза, при 10 ГДК - в 6,67 раз, соответствующие показатели для ризосферы растений составляют 2,05 и 3,52 раза. При максимальном уровне загрязнения почвы тяжелыми металлами (100 ГДК) азотобактер методом обрастания почвенных комочков не выявляется. Ранее при исследовании серой лесной почвы, находящейся в состоянии залежи, нами было показано, что не только численность азотобактера изменяется под влиянием дозы тяжелых металлов, но и физиолого-биохимическая активность его клеток существенно уменьшается под влиянием возрастающих доз тяжелых металлов [5]. Таким образом, в серии модельных экспериментов показано, что численность и физиолого-биохимическая активность клеток азотобактера являются диагностическими показателями интенсивности загрязнения серой лесной почвы тяжелыми металлами [5-7].
Таблица 1. Влияние тяжелых металлов на численность микроорганизмов в серой лесной почве, загрязненной на протяжении 32 суток (интенсивный агрозем), млн. КОЕ*/г абсолютно сухой почвы
Вариант Аммонификаторы Иммобилизаторы минерального азота Олигонитрофилы Азотобактер, % обрастания почвенных комочков Денитрификаторы Нитрификаторы Педотрофы Целюлозоразрушающие Полисахаридсинте-зирующие Автохтонные Актиномицеты Микромицеты Мобилизаторы минеральных фосфатов Кислотообразующие
Контроль без фитоценоза 445,0 127,0 50,4 60,0 124,0 0,094 145,1 1702 5,64 16,8 162 0,169 18,4 338
Контроль + фитоценоз 658,9 123,4 683 62,0 167,7 0,048 1749 111,8 7,99 182 15,6 0,671 363 10,0
5 ГДК** без фитоценоза 397,0 145,9 40,1 22,7 51,0 0,049 1255 231,0 1,89 125 125 0,174 756 2,65
5 ГДК + фитоценоз 669,0 1033 54,0 31,0 1523 0,102 154,9 903 899 14,1 102 0,859 9,06 21,8
10 ГДК без фитоценоза 410,0 130,0 333 9,00 123,6 0,041 1023 163,0 150 105 937 0,127 937 150
10 ГДК + фитоценоз 4302 1305 53,4 17,6 1485 0,113 1252 170,1 10,6 12,0 495 0336 15,6 14,1
100 ГДК без фитоценоза 403,7 131,8 333 0 0,010 0,042 895 2135 0,761 594 26,8 0388 52,1 0381
100 ГДК + фитоценоз 8423 144,1 1503 0 0,799 0,032 147,4 2123 321 6,85 8,41 0,865 10,8 4,81
НСР05 620 4,00 2,54 195 2,10 0,005 9,15 655 0,72 1,65 058 0,115 030 0,15
Примечание: КОЕ* - колониеобразующая единица, ГДК** - гранично допустимая концентрация.
Численность кислотообразующих микроорганизмов намного выше в ризосфере растений по сравнению с почвой без фитоценоза: без загрязнения - в 2,96 раза, при 5ГДК - 8,23, при 10 ГДК - 9,40, при 100 ГДК - в 12,7 раз (табл. 1). Поскольку органические и минеральные кислоты принимают активное участие в растворении минеральных элементов из их труднорастворимых форм, то можно считать указанный факт доказательством регулирования численности кислотообразующих микроорганизмов со стороны растений и интенсификации процесса перевода минеральных элементов в доступное растениям состояние. Загрязнение почвы тяжелыми металлами по неизвестной пока причине усиливает этот процесс, что подтверждается также исследованиями, проведенными нами с использованием серой лесной почвы, находящейся в состоянии залежи [5].
Ранее на примере залежи серой лесной почвы было показано, что численность и физиолого-биохимическая активность полисахаридсинтезирующих бактерий зависят от уровня загрязненности почвы тяжелыми металлами, в частности количество полисахаридсинтезирующих бактерий увеличивается в ризосфере растений при 5 ГДК - в 2,24 раза, при 10 ГДК - 6,89, при 100 ГДК - в 1,67 раза [5]. Мы объясняли это протекторной функцией бактериальных полисахаридов относительно клеток продуцентов.
При изучении загрязнения серой лесной почвы тяжелыми металлами при таком же сроке (32 суток), однако используя почву, которая находится в интенсивном сельскохозяйственном севообороте (см. методы исследования), мы получили несколько иные закономерности: в почве без растений количество полисахаридсинтезирующих бактерий уменьшается пропорционально дозе тяжелых металлов: при 5 ГДК - в 2,98 раза, при 10 ГДК - 3,76, при 100 ГДК - в 7,41 раза (табл. 1).
Но в ризосфере растений количество полисахаридсинтезирующих бактерий возрастает с увеличением дозы поллютанта, так же как и в случае залежи. Четко прослеживается закономерность влияния выращивания растений: количество полисахаридсинтезирующих бактерий всегда больше в ризосфере, чем в почве без растений, причем чем выше уровень загрязнения тяжелыми металлами, тем значительнее степень влияния растений на численность бактерий. Ранее также было установлено, что при краткосрочных сроках загрязнения почвы (1 сутки) количество полисахаридсинтезирующих бактерий уменьшается с увеличением дозы тяжелых металлов, поскольку синтез экзополисахаридов еще не становится селективным преимуществом бактерий этой группы [6]. Таким образом, количество полисахаридсинтезирующих бактерий зависит от срока загрязнения почвы, дозы тяжелых металлов, наличия или отсутствия растений, а также способа использования (залежь, агрозем экстенсивный или интенсивный) и агрохимических особенностей загрязненной почвы. Бактериальные полисахариды обладают протекторными функциями относительно действия тяжелых металлов на бактериальные клетки [13], однако степень проявления этой функции зависит от особенностей почвы, подвергшейся загрязнению.
Полученные нами данные свидетельствуют о том, что олигонитрофилы не относятся к чувствительным тяжелым металлам микроорганизмам как при кратко-, так и среднесрочном загрязнениях [57]. Численность нитрификаторов существенно уменьшается только при самой высокой из исследованных доз тяжелых металлов - 100 ГДК. Численность целлюлозолитиков также в большей мере зависит от наличия растений или остатков их корней, чем от дозы тяжелых металлов.
Некоторые исследователи считают мицелиальные формы микроорганизмов более устойчивыми к действию тяжелых металлов [3, 9]. Результатами проведенных нами исследований этот вывод подтверждается как для вариантов без растений, так и при выращивании кукурузы (табл. 1).
Особенно сильно численность КУО микромицетов увеличивается при 100 ГДК, она превышает численность грибов в контроле без растений в 2,3 раза, с растениями - в 1,29 раза. Численность же представителей другой мицелиальной формы - актиномицетов - снижается с возрастанием дозы тяжелых металлов, максимально - в 2-3 раза. При этом количество актиномицетов уменьшается более резко, чем общее количество прокариотов, которое снижается при 5 ГДК на 12,5 %, при 10 ГДК -17,8, при 100 ГДК - на 23,4 % (без растений).
Согласно устоявшимся представлениям и результатам собственных исследований [5, 14, 16], тяжелые металлы замедляют (угнетают) минерализацию органических веществ в почве. Полученные данные подтверждают эту закономерность: в почве без растений индекс педотрофности уменьшается при 5 ГДК на 3,16 %, при 10 ГДК - 30,9, при 100 ГДК - на 46,8 % (табл. 2). Аналогичные цифры для вариантов с растениями колеблются между 14,2 и 105,4 %.
Таблица 2. Показатели интенсивности минерализационных процессов и фитотоксические свойства серой лесной почвы (интенсивный агрозем) при разных уровнях загрязнения тяжелыми металлами
Вариант Индекс педотрофности Коэффициент олиго-трофности Коэффициент минерализации азота Активность минерали-зациигумуса, % Интенсивность респирации почвы, мг СО2кг почвы Масса 100 растений тест-культуры - пшеницы озимой, абсолютно сухой вес, г
стебли корни общая масса
Контроль без фитоценоза 0,326 0,113 0,285 11,6 99,2 14,3 5,26 19,6
Контроль + фитоценоз 0,265 0,104 0,187 10,4 777,6 14,7 6,86 21,6
5 ГДК без фитоценоза 0,316 0,101 0,368 9,94 87,3 11,7 5,00 16,7
5 ГДК + фитоценоз 0,232 0,081 0,154 9,10 406,8 11,5 6,69 18,2
10 ГДК без фитоценоза 0,249 0,081 0,317 10,3 91,3 12,4 4,73 17,1
10 ГДК + фитоценоз 0,291 0,124 0,303 9,60 431,8 10,9 7,12 18,0
100 ГДК без фитоценоза 0,222 0,082 0,327 6,64 87,9 Вследствие большой токсичности семена тест-культуры не проросли
100 ГДК + фитоценоз 0,175 0,178 0,171 4,65 290,9
НСР05 0,010 0,008 0,011 0,120 3,14 0,40 0,52
Полученные нами данные подтверждают вывод о меньшей подверженности комплексов гумино-вых кислот и тяжелых металлов микробной минерализации. С увеличением дозы загрязнителя активность минерализации гумуса падает в почве без растений: при 5 ГДК - на 16,7 %, при 10 ГДК - 12,6, при 100 ГДК - на 74,7 %; с растениями: при 5 гДк - на 14,3 %, при 10 ГДК - 8,33, при 100 ГДК - на 113,7 %. Обращает на себя внимание также тот факт, что в ризосферной почве активность минерализации гумуса ниже, чем в почве без растений. На наш взгляд, причиной этого является наличие лег-коутилизируемых субстратов в составе корневых выделений растений, что делает минерализацию труднодоступных молекул гумуса нецелесообразной. Полученные нами данные не согласуются с результатами исследований М. А. Постниковой [8], согласно которым процесс дегумификации, связанный с деятельностью бактериального комплекса, более интенсивно проходит в почве, загрязненной легкодоступными органическими соединениями (явление кометаболизма). Вероятно, интенсивность процесса минерализации гумуса определяется, прежде всего, причиной этого процесса, и закономерности его минерализации, как следствия недостатка минеральных элементов (прежде всего азота), будут отличаться от закономерностей минерализации гумуса как субстрата, т. е. источника углерода и энергии.
Заключение
Загрязнение тяжелыми металлами в дозе 5-10ГДК приводит к существенному увеличению фито-токсичности почвы без фитоценоза (на 14,6-17,4 %), с фитоценозом - на 18,7-20,0 %. Доза тяжелых металлов в 100 ГДК оказалась настолько токсичной, что семена тест-культуры не проросли. Таким образом, при среднесрочном загрязнении серой лесной почвы тяжелыми металлами в дозах 5100 ГДК наблюдаются существенные изменения состояния микробных сообществ, замедляется большинство минерализационных процессов, интенсифицируется накопление токсичных веществ. Масштабы и направленность таких изменений зависят от уровня загрязнения почвы, наличия растительного покрова и способа использования почвы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Влияние высоких концентраций металлов на гумусное состояние и биологическую активность чернозема обыкновенного / О. С. Безуглова [и др.] // Изв. вузов. Сев. Кавказ. регион. Естественные науки. - 1999. - №2. - С. 65-71.
2. Гамалей, В. I. Еколопчний стан Грунпв придорожтх смуг / В. I. Гамалей, I. П. Шевченко // Вюник аграрно! науки.
- 2008. - №12. - С. 44-51.
3. Микробиологические и биохимические показатели загрязнения свинцом дерново-подзолистой почвы / Д. Г. Звягинцев [и др.] // Почвоведение. - 1997. - №9. - С. 1124-1131.
4. Малиновская, И. М. Микробиологические процессы в ризосфере растений в загрязненной нефтепродуктами почве / И. М. Малиновская, Н. А. Зиновьева // Мжробюлог1я i бютехнолопя. - 2011. - №2. - С. 83-91.
5. Малиновская, И. М. Микробные сообщества серой лесной почвы, загрязненной возрастающими дозами тяжелых металлов / И. М. Малиновская, Ю. И. Литвин // Грунтознавство. - 2012. - Т13, №1-2 (20) - С. 84-91.
6. Малиновская, И. М. Микробиологические процессы в загрязненной тяжелыми металлами серой лесной почве / И. М. Малиновская, И. В. Домбровская, Ю. И. Литвин // Агроеколопчний журн. - 2013. - №1. - С. 48-53.
7. Малиновская, И. М. Протекание микробиологических процессов в серой лесной почве при краткосрочном загрязнении тяжелыми металлами / И. М. Малиновская, Ю. И. Литвин // Вюник Харювського нац. аграр. ушв. Сер «Бюлопя».
- 2013. - Вип.1 - С. 95-102.
8. Постникова, М. А. Использование гуминовых кислот почвенными бактериями: автореф. дис. канд...биол. наук / М. А. Постникова. - М.: Изд-во МГУ, 2007. - 25 с.
9. Влияние осадков сточных вод, содержащих металлы, на микробные сообщества серой лесной почвы / С.Ю. Селива-новская [и др.] // Почвоведение. - 2002. - №5. - С. 588-594.
10. Степанова, М. Я. Микроэлементы в органическом веществе почв / М. Я. Степанова. - Новосибирск: Наука. Сиб. отделение. - 1976. - 272с.
11. Теппер, Е.З. Практикум по микробиологии / Е. З. Теппер, В. К. Шильникова, Г. И. Переверзева. - М., 2004. - 256 с.
12. Чугунова, М В. Влияние тяжелых металлов на почвенные микробиоценозы и их функционирование: автореф. дис....канд. биол. наук / М. В. Чугунова. - Л.,1990. - 17 с.
1 3. Dudman W.F. The role of surface polysaccharides in natural environments // Surface carbohydrates of the procariotic cell / Ed. I.W. Suthrland. - New York: Acad.Press, 1977. - P. 357-414.
14. El-Shinnawi M. M, Omran M. S. Effect of different levels of a trace element nutritional mixture on organic matter decomposition and the number of certain heterotrophs in soil // Rostl. Vyroba. - 1976. - vol. 22, N 1. - P. 11-17.
15. Epelede Lur, Beceerril Jose M., Kowalcuk George A., Deng Ye et al. Impact of metal pollution and Thlaspi caerulescens growth on soil microbial communities // Appl. and Environ. Micribiol. - 2010. - 76, n23. - P. 7843-7853.
16. Landa E.R., Frank S.C. Effect of mercuric chloride on carbon mineralization in soils // Plant and Soil. - 1978. - vol. 49, N 1. - P. 179-183.
17. Xiong Jinbo, Wu Liyon, Tu Shuxin, Van Nostrand Joy D. Microbial communities and functional genes associated with soil arsenic contamination and the rhizosphere of the arsenic-hyperaccumulating plant Pteris vittata L. // Appl. and Environ. Micribiol. - 2010. - 76, n21. - P. 7277-7284.
УДК 631.6.67.687.
Н. В. ПЕРЕКРЕСТОВ
ПОЧВЕННО-КЛИМАТИЧЕСКИЕ АГРОЛАНДШАФТЫ ВОЛГОГРАДСКОЙ ОБЛАСТИ
И ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ИХ ПЛОДОРОДИЯ
(Поступила в редакцию 04.03.14)
В результате исследований выявлено, что на террито- The article examines soil-climatic agro-landscapes of Vol-
рии области получили распространение зональные типы gograd region and ways of increasing their fertility. The land-
почв: черноземные, каштановые, и пойменные. Инторозо- scape of Volgograd region is not uniform. There are zonal types
нальные почвы представлены солонцами, солончаками и of soil on the territory of the region: black earth, chestnut and
солодями. Для повышения плодородия почв области необхо- floodplain. Intra-zonal soils are presented by soils with in-
димо применять орошение, внесение органических и мине- creased content of sodium: solonets, salt-marsh and solod. To
ральных удобрений; почвозащитную технология возделыва- increase region soil fertility, one should apply irrigation and
ния сельскохозяйственных культур. organic and mineral fertilizers.
Введение
Волгоградская область расположена на юго-востоке Европейской части РСФСР в районе Нижнего Поволжья и среднего течения Дона в двух природных зонах: степной с черноземными почвами и сухо-степной с каштановыми почвами. Ее территория составляет общую площадь в 11,4 млн. гектаров. Из общей площади сельскохозяйственных угодий 8 млн. 700 тыс. гектаров. Это и определило необходимость постановки исследований почвенно-климтических агроландшафтов Волгоградской области.
Анализ источников
Нижнее Поволжье находится в трех природных зонах: степной с черноземными почвами, в сухо-степной с каштановыми почвами и в пустынно-степной с бурыми почвами. Основными зональными типами почв являются черноземы, каштановые и бурые пустынно-степные. В направлении с северо-запада на юго-восток они образуют три почвенные зоны. Черноземы в основном представлены (если исключить Саратовскую область) двумя самыми южными подтипами: черноземами обыкновенными и черноземами южными. Тип каштановых почв представлен всеми тремя подтипами, образуя три подзоны. Среди зональных незаселенных почв солончаки встречаются иногда полосами, чаше же отдельными пятнами. Солончаки относятся к почвам низкого плодородия. Солонцы - это интразональ-ные почвы с неблагоприятными физическими и химическими свойствами, образующие различные комплексы с зональными почвами. Только в Волгоградской области солонцовые комплексы занимают около 3,5 млн. гектаров. Вопросы изучения почв отражены в трудах многих ученых: В. П. Белобо-родова, Г. В. Добровольского, И. В. Замотаева, В. М. Кретинина, С. В. Овечкина, Т. Ф. Персиковой и др. [2-3].
Методы исследования
При постановке полевых опытов использовали методику полевого опыта (Б. А. Доспехов, 1985).
