CC BY
132
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: [email protected]
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: [email protected]
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.
