CC BY
134
УДК 579.26
ПОКАЗАТЕЛИ СТРУКТУРЫ МИКРОБОЦЕНОЗА ПОЧВ Г. РОСТОВА-НА-ДОНУ КАК ИНСТРУМЕНТ МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ
АНТРОПОГЕННО-ПРЕОБРАЗОВАННЫ
ХПОЧВ
Горовцов Андрей Владимирович ассистент кафедры биохимии и микробиологии E-mail: gorovtsov@gmail.com
Полякова Анна Владимировна к.б.н., доцент кафедры биохимии и микробиологии
Внуков Валерий Валентинович
д.б.н, профессор, Зав. кафедрой биохимии и
микробиологии
Южный федеральный университет, г. Ростов-на-Дону, Россия
В статье рассмотрены показатели структуры микробоценоза урбопочв г. Ростова-на-Дону. Проанализированы различия в численности основных эколого-трофических групп микроорганизмов в центральной и окраинной частях города, проведено сравнение с контрольной почвой, подверженной минимальному антропогенному влиянию. Рассчитаны коэффициенты минерализации, олигорофности, олигонитрофильности и педотрофности
Ключевые слова: МИКРОБОЦЕНОЗ, ГОРОДСКИЕ ПОЧВЫ, ЭКОЛОГО-ТРОФИЧЕСКИЕ ГРУППЫ, АНТРОПОГЕННОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ
UDC 579.26
THE STRUCTURE OF MICROBIAL COMMUNITY OF ROSTOV-ON-DON SOILS AS AN INSTRUMENT OF MONITORING THE CONDITION OF ANTROPOGENICALLY TRANSFORMED SOILS
Gorovtsov Andrey Vladimirovich
assistant of the Department of Biochemistry and
Microbiology
E-mail: gorovtsov@gmail.com
Polyakova Anna Vladimirovna Cand.Diol.Sci., associate professor of the Department of Biochemistry and Microbiology
Vnukov Valeriy Valentinovich
Dr.Sci.Biol., professor, Head of the Department of
Biochemistry and Microbiology
Southern Federal University, Rostov-on-Don, Russia
The article describes the structure of microbial communities in urban soils of Rostov-on-Don. The difference in numbers of bacteria of main trophic groups between the central part and the suburbs of Rostov-on-Don has been analyzed. The comparison with control soil with minimal anthropogenic impact has been performed. The indices of mineralization, oligotrophy, oligonitrophylic and pedotrophic quotients have been calculated
Keywords: MICROBIAL COMMUNITY, URBAN SOIL, TROPHIC GROUPS, ANTHROPOGENIC IMPACT
В последние годы все более актуальным становится изучение процессов, происходящих в урбоэкосистемах. Такие экосистемы, практически полностью формирующиеся под воздействием антропогенных факторов, остаются еще
крайне не достаточно исследованными. Кроме того, в городах проживает большая часть населения, в силу чего такие исследования представляют также и большой практический интерес.
Почва, будучи ключевой составляющей урбоэкосистемы, является удобным объектом для мониторинга, поскольку воспринимает и продолжительное время сохраняет следы всех негативных влияний [1]. При этом изменяются многие почвенные показатели, в том числе физико-механические, химические и биологические. Среди биологических показателей особое место в мониторинге почв занимают микробиологические, поскольку микрофлора чутко реагирует на любые воздействия изменением количественного и качественного состава, соотношения эколого-трофических групп микроорганизмов в составе микробного сообщества почвы. В связи этим, целью данной работы было оценить изменения численности и соотношения основных физиологических и эколого-трофических групп микроорганизмов в урбопочвах г. Ростова-на-Дону.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Отбор почвы производился в 6 точках: три в центре (пр. Буденновский, пр. Ворошиловский, район Центрального рынка) и три в окраинных районах (поселки: Александровка, Орджоникидзе, Чкаловский). В качестве контроля использовали типичный для данной местности чернозем обыкновенный карбонатный, отобранный за пределами города на старой залежи, вдали от автомагистралей и предприятий, то есть почву с минимальным уровнем антропогенного воздействия. Исследования были проведены в октябре-ноябре 2012 года.
Все почвенные пробы были отобраны по методу конверта: для этого по углам квадрата 1 х 1 м и в его центре отбирали 5 равных образцов почвы,
которые затем смешивали и получали интегральную почвенную пробу. Таким образом, избегали вклада микромозаичности почвы и получали образец, хорошо характеризующий состояние почвенного покрова в данной точке. В этот же день пробы доставлялись в лабораторию, где подвергалась микробиологическому исследованию.
В почвах анализировали несколько физиологических и эколого-трофических групп микроорганизмов. Численность аммонифицирующих бактерий учитывали на среде МПА (НПО БИОКОНТ, г. Махачкала), количество бактерий, использующих минеральные формы азота (аминоавтотрофы) - на крахмало-аммиачном агаре (КАА). Грамотрицательных аммонификаторов и аминоавтотрофов учитывали на тех же средах с использованием в качестве ингибитора грамположительной флоры малахитового зеленого в конечной концентрации 1:200000 [2]. Численность актиномицетов определялась на КАА и почвенном агаре Локхида (ПА). Численность олигонитрофильных бактерий учитывали на безазотистой среде Эшби, педотрофных бактерий на ПА, олиготрофных бактерий - на голодном агаре (ГА) [3].
Также было определено наиболее вероятное число микроорганизмов, культивируемых на жидких средах, с использованием таблиц Мак-Креди по методу предельных разведений. Денитрифицирующих бактерий учитывали на среде Гильтая, анаэробных азотфиксаторов Clostridium pasteurianum - на безазотистой среде Виноградского [4].
На плотных питательных средах бактерий учитывали в пятикратной повторности, что позволило провести определение статистической достоверности различий по сравнению с контролем. Принимая во внимание малый объем выборки и неоднородность выборочных дисперсий, был выбран непараметрический критерий Манна-Уитни. Статистическая обработка данных была реализована с помощью лицензионного пакета STATISTICA 10 по
Научный журнал КубГАУ, №89(05), 2013 года общепринятым методикам [5].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В ходе исследований были получены данные по численности основных физиологических и эколого-трофических групп микроорганизмов. Как видно из приведенной диаграммы (рис.1, здесь и далее на диаграммах приведены логарифмы численности), численность аммонифицирующих бактерий в исследованных почвах варьировала в пределах 107-109 КОЕ/г абсолютно сухой почвы. При этом, численность бактерий данной группы в почвах окраин города оказалась на 1-2 порядка ниже, чем в почвах центра города, и сопоставима с уровнем контроля. Некоторое исключение составила проба, отобранная на пр. Буденновском, где численность аммонификаторов, хотя и превышала контрольную, оказалась существенно ниже, чем в других точках центральной части города. Сравнение численности аммонифицирующих бактерий, полученной методом поверхностного и глубинного посева не выявило достоверной разницы результатов, что свидетельствует об относительно небольшом числе как микроаэрофильных форм, не растущих на поверхности агара, так и строгих аэробов, не растущих в глубине среды.
1,00Е+10
1,00Е+09
1,00Е+08
1,00Е+07
1,00Е+06
1,00Е+05
1,00Е+04
1,00Е+03
1,00Е+02
1,00Е+01
1,00Е+00
Рисунок 1. Численность аммонификаторов в урбоиочвах г. Ростова-на-Дону и контрольной почве.
* - достоверные различия по отношению к контролю при р<0,05
Что касается грамотрицательных представителей данной физиологической
группы бактерий, их численность варьировала в пределах от 3 до 13% от общего
числа. Максимальной численность грамотрицательных аммонификаторов
оказалась в почве, отобранной в районе Центрального рынка, минимальной - в
почвах второго поселка Орджоникидзе.
Сходная картина наблюдается и для аминоавтотрофной группировки
(рис.2). В почвах центральной части города численность данных
микроорганизмов на 1-1,5 порядка превышает контрольные значения, в
окраинных же - сопоставима с ними. Исключение, как и в случае с
аммонификаторами, составляет образец почвы с пр. Буденновского, где
численность аминоавтотрофов оказалась минимальной среди всех 7 образцов.
По-видимому, такое снижение численности связано с локальными условиями,
вызвавшими падение численности сразу нескольких физиологических групп
I МПА I МПАглуб МПА Гр-
бактерий. Процент грамотрицательных форм среди аминоавтотрофных организмов варьировал в пределах от 1% до 18%. Максимальная доля грамотрицательных форм была выявлена в образце, отобранном на втором поселке Орджоникидзе, а минимальная - на пр. Ворошиловском. Как видно из приведенных данных, процентное содержание грамотрицательных аминоавтотрофов и аминогетеротрофов не совпадало в одних и тех образцах почвы. Это косвенно указывает на различающийся состав этих двух групп бактерий и позволяет рассматривать численность грамотрицательных представителей аммонификаторов и аминоавтотрофов как дополнительные показатели структуры микробоценозов городских почв.
I КАА I КАА Гр-
Рисунок 2.
Численность аминоавтотрофов в урбопочвах г. Ростова-на-Дону и контрольной почве.
* - достоверные различия по отношению к контролю при р<0,05 http://ej.kubagro.ru/2013/05/pdf/51.pdf
Среди бактерий, растущих на бедных средах (рис.З) и представляющих автохтонную микрофлору и микрофлору рассеяния, сохраняется та же общая картина, что и для описанных ранее групп. Различия в численности бактерий, растущих на ПА, ГА и безазотистой среде Эшби оказались более выраженными в урбопочвах, чем в контрольном черноземе. Несмотря на то, что значительная часть микрофлоры, входящей в группы педотрофов и олиготрофов, может быть представлена одними и теми же видами, практически во всех исследованных образцах на ПА высевалось больше бактерий, чем на голодном агаре. В образцах, отобранных на втором поселке Орджоникидзе и пр. Буденновском численность педотрофных бактерий более чем в 4 раза выше, чем олиготрофных. Столь значительное преобладание педотрофных бактерий может косвенно указывать на активные процессы деструкции гумуса, идущие в городских почвах, поскольку в группу педотрофных бактерий входят виды, не способные довольствоваться крайне низкими концентрациями питательных веществ на ГА, но способные к росту за счет гуматов и неспецифической почвенной органики на
1,00Е+10 1,00Е+09 1,00Е+08 1,00Е+07 1,00Е+06 1,00Е+05 1,00Е+04 1,00Е+03 1,00Е+02 1,00Е+01 1,00Е+00
Рисунок 3.
Численность бактерий, растущих на бедных средах в урбопочвах г. Ростова-на-Дону и контрольной почве.
* - достоверные различия по отношению к контролю при р<0,05
Следует отметить, что названные эколого-трофические группы бактерий изучены еще крайне недостаточно, и изменения их численности под влиянием антропогенного пресса, характерного для городских экосистем требуют дальнейшего изучения.
Анализируя изменения численности денитрифицирующих бактерий в городских почвах, нельзя не отметить исключительно высокий разброс полученных значений: численность денитрификаторов варьировала в пределах 102-107 клеток на 1 г абсолютно сухой почвы. Численность данной группировки оказалась ниже контрольной во всех образцах, кроме отобранного в районе Центрального рынка. Данная группа микроорганизмов сборная и объединяет представителей других эколого-трофических групп по критерию способности восстанавливать нитраты до газообразных окислов и молекулярного азота. Процесс денитрификации требует как наличия в почве нитратов, так и достаточного количества органики, служащей донором электронов. Исключительно низкая численность денитрификаторов в почве на пр. Буденновском может быть следствием суммации этих двух лимитирующих факторов: на недостаток минеральных форм азота в данной почве указывает низкая численность аминоавтотрофной группировки.
Анаэробных азотфиксаторов Clostridium pasteurianum в почвах города Ростова-на-Дону оказалось на 1- 1,5 порядка меньше, чем в контрольной почве, практически не подверженной антропогенному влиянию (рис.4).
1,00Е+07 1,00Е+06 1,0ОЕ+05 1,00Е+04 1,00Е+03 1,0ОЕ+02 1,00Е+01 1,00Е+00
Рисунок 4.
Численность денитрифицирующих бактерий и анаэробных азотфиксаторов p. Clostridium в урбопочвах г. Ростова-на-Дону и контрольной почве.
Исключение составила почва, отобранная в районе Центрального рынка, где численность всех исследованных групп бактерий значительно превышает контрольные значения. Численность клостридий, являющихся представителями зимогенной микрофлоры и активными гидролитиками может зависеть от поступления свежего органического вещества. Особенно важным это становится в контексте весьма энергоемкого процесса азотфиксации, проводимого данными микроорганизмами.
Подводя итог, можно отметить, что в целом, все исследованные группы бактерий демонстрируют сходное распределение численности по образцам почвы, что также подтверждается методами статистического анализа с использованием метода главных компонент. Вероятно, это распределение связано с тесными трофическими связями в микробном сообществе каждой исследованной почвы, явлениями метабиоза и протокооперации при разложении поступающих органических веществ. Характерным примером в рамках данного
исследования является почва, отобранная в районе Центрального рынка, где интенсивное загрязнение органическими отходами влечет за собой резкое увеличение численности всех эколого-трофических групп, начиная с гидролитиков-аммонификаторов и вплоть до олиготрофов.
Принципиально иную картину демонстрируют актиномицеты. Эта группа почвенных микроорганизмов характеризуется значительно более медленным ростом, и весьма устойчива ко многим негативным воздействиям со стороны среды.
Численность актиномицетов существенно варьировала в зависимости от среды, на которой их учитывали (рис. 5). Использование в качестве среды для выделения актиномицетов почвенного агара способствовало более полному их учету, вероятно за счет наличия специфических факторов роста. В литературе имеются указания, что на почвенном агаре актиномицеты лучше проявляют антагонистические свойства [6], что и позволяет им избежать подавления при росте на поверхности среды. Численность актиномицетов в урбопочвах существенно отличалась от контроля. Среди почв центральной части города выделяется образец, отобранный на пр. Ворошиловском. Здесь численность актиномицетов на ПА в 1,7 раз выше, чем в контроле. В остальных двух точках численность актиномицетов снижена в 27,3 раза (пр. Буденновский) и в 3,9 раз (Центральный рынок).
Контроль Ворошиловский Буденновский Ц. рынок Чкаловский Орджоникидзе Алекса ндровка
1,00Е+00 1,00Е+01 1,00Е+02 1,00Е+03 1,00Е+04 1,00Е+05 1,00Е+06 1,00Е+07 1,00Е+08
Рисунок 5.
Численность актиномицетов в урбопочвах г. Ростова-на-Дону и контрольной почве.
* - достоверные различия по отношению к контролю при р<0,05
В почвах окраинной части города достоверное снижение отмечено для почв пос. Александровка (3,2 раза), тогда как для почв пос. Орджоникидзе и пос. Чкаловского достоверных различий с контролем не обнаружено.
Таким образом, актиномицетный комплекс городских почв реагирует на антропогенный пресс иначе, чем немицелиальные формы бактерий. Характерна тенденция к снижению численности актиномицетов, по мере возрастания уровня антропогенной нагрузки, и увеличение численности бактерий. Учитывая, что актиномицеты играют важную роль в процессе почвообразования и участвуют в разложении недоступных для бактерий трудно гидролизуемых соединений [7], это может приводить к усилению процессов деградации урбоэкосистем.
Высокая гетерогенность городской среды вместе с микромозаичным строением почвы создают определенные трудности в выявлении общих закономерностей функционирования микробных ценозов. Весьма показательным представляется использование принятых в почвенной микробиологии
■ Акт ПА
■ АктКАА
коэффициентов, характеризующих соотношение разных эколого-трофических групп в составе микробоценоза. Среди таких коэффициентов мы использовали четыре: коэффициент минерализации, выражающийся как отношение бактерий, выросших на КАА к бактериям, растущим на МПА [8]; коэффициент олиготрофности (ГА/МПА) и коэффициент педотрофности (ПА/МПА) [9]; и коэффициент олигонитрофильности (Эшби/ МПА) [10,11]. Значения коэффициентов представлены на диаграмме (рис. 6).
Рисунок 6.
Значение основных коэффициентов, характеризующих структуру микробного сообщества в урбопочвах г. Ростова-на-Дону и контрольной почве.
Хорошо видно, что в почвах окраинных частей города значения данных коэффициентов выше, чем в почвах центра города. Несмотря на отмеченные выше локальные различия между опытными площадками, мы можем проследить такую тенденцию достаточно хорошо. По нашему мнению, структура микробоценоза, соотношение между различными эколого-трофическими
2,5
1,5
■ Минерализации
■ Олиготрофности
■ Педорофности
■ Олигонитрофильности
группами является более устойчивым и показательным критерием, по сравнению с отдельными количественными характеристиками. Микробное сообщество почвы способно очень быстро изменять свои количественные характеристики в связи с сезонностью, температурными и погодными условиями и др. Однако, внутренние связи, существующие в такой системе, приводят к согласованному изменению численности эколого-трофических групп. Поскольку в естественных условиях почва является олиготрофной средой, численность групп, растущих на бедных средах, в незагрязненных почвах оказывается выше, чем численность аммонификаторов, и значения коэффициентов превышают 1. Существенное снижение всех четырех коэффициентов в почвах центральной части города, по нашему мнению, служит ясным указанием на нарушение нормальных эколого-трофических связей, а сами коэффициенты могут служить удобным инструментом для мониторинга состояния антропогенно-преобразованных почв.
Список литературы
1. Шергина О.В. Морфологические и физико-химические особенности почв города Иркутска//География и природные ресурсы, 2006,- № 1,- С. 82-90.
2. Методы общей бактериологии: Пер. с англ./Под ред. Ф. Герхардта и др. — М.: Мир, 1983. — 536 с.
3. Методы почвенной микробиологии и биохимии. / Под.ред Д.Г. Звягинцева - М.: Изд-во МГУ, 1991.-304 с.
4. Практикум по микробиологии / под ред. проф. НС. Егорова. М.: Изд-во МГУ, 1976. -307 с.
5. Мешалкина Ю.Л., Самсонова В.П. Математическая статистика в почвоведении: Практикум,- М.: МАКСПресс, 2008. - 84 с.
6. Галатенко О.А Терехова Л.П., Булина Т.И Метод быстрого поиска актиномицетов-продуцентов антибиотиков, эффективных в отношении
метициллинрезистентного штамма Staphylococcus aureus //Биотехнология, 2004,- №4,- С. 17-23.
7. Гордеева Т. X., Малюта О.В. Влияние нетрадиционных мелиорантов на микробиологическую активность почвы и рост растений// Научный журнал КубГАУ, 2012,.-№81(07).-С. 181-190.
8. Мишустин Е.Н, Рунов Е.В. Успехи разработки принципов микробиологического диагностирования состояния почв //Успехи современной биологии,- М.: АН СССР, 1957,- Т. 44,-С. 256—267.
9. Семенова И.Н, Ильбулова Г.Р., Суюндуков Я.Т. Изучение эколого-трофических групп почвенных микроорганизмов в зоне влияния горнорудного производства // Фундаментальные
исследования. -2011. - №11 (часть 2). - С. 410-414.
Ю.Голодяев Г.П., Костенков Н.М.,Ознобихин В.И. Биоремедиация нефтезагрязненных почв методом компостирования // Почвоведение, 2009,- №8.-С. 996-1006.
H.Пуртова Л.Н, Щапова Л.Н, Емельянов А.Н, Иншакова С.Н Изменение показателей гумусного состояния, микрофлоры и ферментативной активности в агроабраземах приморья в условиях фитомелиоративного опыта // Аграрный вестник Урала, 2012,- №10 (102).- С. 10-12.
References
I. Shergina O.V. Morfologicheskie i fiziko-himicheskie osobennosti pochv goroda Irkutska // Geografija i prirodnye resursy, 2006,- № 1,- S. 82-90.
2. Metody obshhej bakteriologii: Per. s angl./Pod red. F. Gerhardta i dr. — M.: Mir, 1983. — 536
s.
3. Metody pochvennoj mikrobiologii i biohimii. / Pod.red D.G. Zvjaginceva - M.: Izd-vo MGU, 1991.-304 s.
4. Praktikum po mikrobiologii / pod red. prof. N.S. Egorova. M.: Izd-vo MGU, 1976. - 307 s.
5. Meshalkina Ju.L., Samsonova V.P. Matematicheskaja statistika v pochvovedenii: Praktikum.-M.: MAKSPress, 2008. - 84 s.
6. Galatenko O.A, Terehova L.P., Bulina T.I. Metod bystrogo poiska aktinomicetov-producentov antibiotikov, jeffektivnyh v otnoshenii meticillinrezistentnogo shtamma Staphylococcus aureus // Biotehnologija, 2004,-№4,- S. 17-23.
7. Gordeeva T. H., Maljuta O.V. Vlijanie netradicionnyh meliorantov na mikrobiologicheskuju aktivnost' pochvy i rost rastenij//Nauchnyj zhurnal KubGAU, 2012,.- №81(07).- S. 181-190.
8. Mishustin E.N., Runov E.V. Uspehi razrabotki principov mikrobiologicheskogo diagnostirovanija sostojanija pochv //Uspehi sovremennoj biologii.- M.: AN SSSR, 1957,- T. 44,- S. 256—267.
9. Semenova I.N., Il'bulova G.R., Sujundukov Ja.T. Izuchenie jekologo-troficheskih grupp pochvennyh mikroorganizmov v zone vlijanija gornorudnogo proizvodstva // Fundamentallye issledovanija. - 2011. - № 11 (chast1 2). - S. 410-414.
10. Golodjaev G.P., Kostenkov N.M.,Oznobihin V.I. Bioremediacija neftezagrjaznennyh pochv metodomkompostirovanija//Pochvovedenie, 2009,- №8.-S. 996-1006.
11.Purtova L.N., Shhapova L.N., Emel'janov A.N., Inshakova S.N. Izmenenie pokazatelej gumusnogo sostojanija, mikroflory i fermentativnoj aktivnosti v agroabrazemah primor'ja v uslovijah fitomeliorativnogo opyta// Agrarnyj vestnik Urala, 2012,- №10 (102).- S. 10-12.
