CC BY
7
УДК 577.4 631.46. 502.55
Пименов Е.П., к.биол.н. ведущий научный сотрудник лаборатории микробиологии
Арышева С.П., к.биол.н. старший научный сотрудник лаборатории микробиологии
Ефимова Е.С.
младший научный сотрудник лаборатории микробиологии
Большова О.С.
младший научный сотрудник лаборатории микробиологии ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт
радиологии и агроэкологии» Россия, г. Обнинск Калужской области РЕАКЦИЯ ПОЧВЕННОГО МИКРОБНОГО СООБЩЕСТВА НА ЗАГРЯЗНЕНИЕ РАЗНЫХ ТИПОВ ПОЧВ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ Статья посвящена оценке реакции почвенных микробных сообществ дерново-подзолистой почвы и чернозема типичного на загрязнение кадмием и свинцом в условиях вегетационного опыта. Установлено, что высокие концентрации тяжелых металлов в почвах вызывают существенные изменения численности микроорганизмов и ферментативной активности.
Pimemov E.P., candidat of biological sciences, leading researcher of microbiological laboratory, FSBSE «Russian scientific research institute of
radiology and agroecology», Russia, Obnunsk-sity, Kaluga region Arysheva S.P., candidat of biological sciences, senior researcher of microbiological laboratory, FSBSE «Russian scientific research institute of
radiology and agroecology», Russia, Obnunsk-sity, Kaluga region
Yefimova Ye.S.,
junior researcher of microbiological laboratory, FSBSE «Russian scientific research institute of
radiology and agroecology», Russia, Obnunsk-sity, Kaluga region
Bol'shova O.S.,
junior researcher of microbiological laboratory, FSBSE «Russian scientific research institute of
radiology and agroecology», Russia, Obnunsk-sity, Kaluga region RESPONSE OF SOIL MICROBIAL COMMUNITIES TO POLLUTION IN DIFFERENT SOIL TYPES WITH HEAVY METALS The article is devoted to the evaluation of the response of soil microbial
communities in soddy-podzolic soil and typical chernozem polluted by cadmium and lead in the conditions of a pot experiment. It is established that high concentrations of heavy metals in soils cause significant changes in the number of microorganisms and enzyme activities.
Нарастающая техногенная нагрузка на экосистемы делает актуальной проблему оценки их устойчивости. Почвы являются важным компонентом экосистем, средой обитания сообществ живых организмов, в частности микроорганизмов. Резистентность почв к различным воздействиям определяется способностью микроорганизмов противостоять различным стрессам и возвращаться к нормальному функционированию. Высокая чувствительность почвенного микробного сообщества даже к низким концентрациям загрязняющих веществ и любым нарушениям позволяет использовать микробиологические характеристики для оценки экологического состояния почвы.
Биологическая индикация действия тяжелых металлов (ТМ) на окружающую среду в некоторых ее аспектах достигла значительного прогресса. Разработаны новые методические подходы к оценке изменений структуры и функционирования почвенного микробоценоза в условиях загрязнения металлами-токсикантами [1, 2], разработаны системы показателей для микробиологического мониторинга почв, загрязненных ТМ [3], состоящих из определения численности основных эколого-трофических групп микроорганизмов, активности почвенных ферментов, фитотоксической активности почвы, углерода микробной биомассы, суммарного биологического показателя, показателя биологической деградации. Выбор параметров определяется чувствительностью конкретного показателя к действию фактора загрязнения.
Однако, вопросы оценки реакции биологических систем на загрязнения ТМ достаточно сложны вследствие существования проблемы выбора биоиндикаторов, отсутствия четких критериев для выбора показателей. Поэтому изучение влияния техногенного загрязнения почв металлами-токсикантами с целью оценки показателей и параметров экологической устойчивости почвенного микробоценоза к действию ТМ остается актуальным.
Цель настоящих исследований состояла в оценке реакции почвенных микробных сообществ дерново-подзолистой почвы и чернозема типичного на загрязнение кадмием (Cd) и свинцом (Pb).
Эксперимент проводили в теплице с контролем условий окружающей среды в сосудах объемом 5 л. В почву каждого сосуда вносили питательные элементы P2O5, K2O из расчета 200 мг/кг по действующему веществу в виде водных растворов солей KH2PO4, K2SO4, N - в виде NH4NO3, соответственно.
ТМ вносили в воздушно-сухую почву в возрастающих дозах в виде
водных растворов азотнокислых солей (в пересчете на элемент): Cd в дерново-подзолистую почву - 2, 5, 10, 20, 50, 100, в чернозем - 5, 10, 20, 50, 100, 200 мг/кг почвы; Pb в дерново-подзолистую почву - 50, 100, 250, 500, 1000, 1500, в чернозем-500, 1000, 1500, 2000, 3000, 4000 мг/кг почвы. В каждой серии опыта с ТМ все варианты выравнивали по азоту.
Основные физико-химические показатели, характеризующие почвы (перед внесением солей металлов), приведены в таблице 1.
Таблица 1. Физико-химические характеристики используемых типов
почв
Показатель Дерново-подзолистая супесчаная Чернозем
рН солевой вытяжки 5.23±0.01 5.55±0.01
Подвижный K2O мг/100 г почвы по Масловой 11.05±0.39 13.15±0.6
Подвижный P2O5 мг/100 г почвы по Кирсанову 18.84±1.74 17.07 ±1 .11
Гумус, % 1.33±0.03 5.13+0.19
Сумма поглощенных оснований, мг-экв/100 г почвы 5.37±0.12 32.3±0.07
Нг, мг-экв/100 г почвы 1.76±0.01 2.94±0.03
Сосуды с почвой после внесения возрастающих концентраций металлов выдерживали увлажненном до 60% от водоудерживающей способности в течение трех недель, после чего высаживали семена кормовых бобов (Vicia faba L., сорт Орлецкие) по 12 штук в каждый сосуд. Для каждого варианта опыта использовали по три сосуда. После выращивания растений и уборки урожая отбирали образцы почв для микробиологических анализов с соблюдением стерильности.
Учет почвенных микроорганизмов проводили методом посева почвенной суспензии на чашки Петри с питательными средами: мясо-пептонный агар (МПА), крахмало-аммиачный агар (КАА), среда Чапека (СЧ) [4]. Результаты выражали в колониеобразующих единицах (КОЕ) на 1 г абсолютно сухой почвы.
Уреазную активность определяли по количеству аммиака, образующегося при гидролизе мочевины, и выражали в мкг аммонийного азота (NH4-N) на 1 г почвы за 1 час. При определении дегидрогеназной активности почвы в качестве субстрата использовали бесцветный 2,3,5-трифенилтетразолий хлористый (ТТХ), превращающийся в результате реакции в 2,3,5-трифенилформазан (ТФФ), имеющий малиновую окраску, интенсивность которой определяли фотоколориметрически. Активность дегидрогеназы рассчитывали в мг ТФФ на 10 г почвы за сутки [4]. Выбор показателей обусловлен их достаточно высокой информативностью и простотой определения.
Для удобства сравнения показателей при различных концентрациях ТМ
в разных почвах величину параметра в контрольном варианте принимали за 100%, а остальные величины выражали в процентах к контролю. Затем все полученные значения в процентах для одной концентрации ТМ складывали и делили на число показателей. Таким способом рассчитывали интегральный показатель биологической активности - ИПБА [5-6].
Оценку устойчивости микробного сообщества к воздействию ТМ определяли по Домшу с соавт. [7], предложившим оценивать микробные реакции к различным токсикантам по трем категориям: «незначительная», или «безопасная», когда показатель снижается по сравнению с контрольным меньше, чем на 20%; «терпимая», «обратимая» или «допустимая» (снижение на 20-50%); «критическая» (снижение более 50%). Такая градация широко используется в отечественной и зарубежной литературе [8-9].
Все измеренные параметры почвенного микробного сообщества реагировали на воздействие тяжелых металлов. Численность бактерий, актиномицетов и грибов (микромицетов) уменьшалась с увеличением содержания тяжелых металлов в почвах, но снижение численности, как правило, было более заметным в случае бактерий и актиномицетов (таблицы 2-3). Д.Г. Звягинцев с соавторами [10-11] при оценке загрязнения дерново-подзолистой почвы свинцом также пришли к выводу, что численность микроорганизмов является достаточно чувствительным критерием для обнаружения загрязнения.
Анализ различий между контролем и вариантами с возрастающими дозами ТМ проводили, используя критерии оценки устойчивости почвенного микробного сообщества, которые предложили Домш с соавт. [7]. Так, в дерново-подзолистой почве уже при концентрации 5 мг Сё/кг почвы происходило снижение численности микроорганизмов на 20-40%, что соответствовало допустимому уровню загрязнения почвы. Для ферментативной активности уровень загрязнения 5 мг Сё/кг был безопасен. Критическими для микроорганизмов, а также для ферментативной активности были концентрации выше 20 мг Сё/кг (таблица 2).
Таблица 2. Изменение микробиологических показателей при загрязнении почв Cd, в процентах к контролю_
ТМ Бактерии Актиномицет ы Грибы Дегидрогеназ а Уреаза ИПБА*
Дерново-подзолистая почва
Сё0 100 100 100 100 100 100
Сё2 90 89 85 93 91 90
Сё5 79 63 63 82 80 73
Сё10 63 51 55 51 55 55
Сё20 47 44 44 44 47 45
Сё50 38 35 38 36 39 37
Сё100 30 29 31 24 30 29
Чернозем типичный
Сё0 100 100 100 100 100 100
Cd5 96 99 93 97 91 95
Cd10 91 85 92 91 90 90
Cd20 75 64 82 79 81 76
Cd50 58 45 64 63 72 60
Cd100 47 36 51 49 54 47
Cd200 38 26 44 37 49 39
* ИПБА - интегральный показатель биологической активности
В черноземе содержание поллютанта, приводившее к незначительным изменениям (снижение показателя менее чем на 20%), составляло до 10 мг/кг для всех показателей, а для грибов и ферментов даже концентрация 20 мг Cd/кг была безопасной (таблица 2). Допустимое содержание металла в почве для бактерий составило 50 мг/кг, для актиномицетов — 20 мг/кг, а для микромицетов — от 50 до 100 мг/кг. Практически такая же концентрация Cd, как и для грибов, была допустимой для дегидрогеназной и уреазной активности чернозема. Концентрация металла в 50 мг/кг и выше стала критической для актиномицетов. Критическому уровню для бактерий соответствовало содержание поллютанта, превышающее 100 мг/кг, а для грибов и ферментов уреазы и дегидрогеназы — выше 200 мг/кг.
При изучении влияния возрастающих концентраций Pb на микробиологические показатели установлено, что в дерново-подзолистой почве при содержании 50-100 мг/кг почвы происходило снижение численности бактерий и грибов, а также активности дегидрогеназы, не более чем на 20%, (таблица 3).
Численность актиномицетов снижалась на 20% уже при концентрации 50 мг Pb/кг почвы, а активность уреазы оставалась на уровне 80% к контролю даже при содержании металла 250 мг/кг. Для бактерий и актиномицетов нагрузка в 250 мг/кг была терпимой. Численность грибов при 500 мг Pb/кг составляла 61%, что соответствовало допустимой нагрузке, однако при возрастании загрязнителя до 1000 мг/кг снижалась до 46% к контролю. Для более чувствительных к поллютанту бактерий и актиномицетов критическая концентрация, при которой их количество было меньше 50% к контролю, составляла 500 мг Pb/кг почвы. Содержание металла до 1000 мг/кг было допустимым для обоих ферментов, и только увеличение концентрации до 1500 мг/кг приводило к снижению ферментативной активности до критического уровня.
В черноземную почву вносили более высокие концентрации металла, чем в дерново-подзолистую (таблица 3). Установлено, что для всех микробиологических показателей безопасной нагрузкой была концентрация Pb, равная 500 мг/кг, а активность дегидрогеназы даже при 1000 мг/кг снижалась лишь на 20% по отношению к контролю. Численность бактерий и грибов оставалась допустимой в пределах концентраций Pb 1000-2000 мг/кг, а актиномицетов — 1000-1500 мг/кг. Активность ферментов при содержании металла 1500 мг/кг также соответствовала допустимой. Критическими для
бактерий и грибов были концентрации поллютанта в черноземной почве 3000 мг/кг, а для актиномицетов и ферментов — 2000 мг/кг.
Таблица 3. Изменение микробиологических показателей при
загрязнении почв РЬ, в процентах к контролю
Бактерии Актиномицет ы Грибы Дегидрогеназ а Уреаза ИБПА
Дерново-подзолистая почва
РЬ0 100 100 100 100 100 100
РЬ50 94 80 93 96 96 92
РЬ100 80 75 83 90 91 84
РЬ250 67 62 71 70 80 70
РЬ500 47 40 61 55 59 52
РЬ1000 41 38 46 50 52 45
РЬ1500 36 27 39 37 41 36
Чернозем типичный
РЬ0 100 100 100 100 100 100
РЬ500 81 85 82 92 88 86
РЬ1000 72 59 67 80 78 71
РЬ1500 58 53 60 66 60 59
РЬ2000 52 32 59 49 47 48
РЬ3000 41 29 43 36 41 38
РЬ4000 31 25 38 30 33 31
Полученные данные свидетельствуют о том, что почвенный микробоценоз весьма чувствителен к воздействию ТМ. Концентрации металлов, приводившие к снижению показателей менее чем на 20%, были, согласно критериям Домша с соавт. [7], «незначительными», или «безопасными» для почвенных микроорганизмов и осуществляемых ими процессов. Содержание металлов, соответствующее снижению параметров биологической активности менее чем на 50%, вызывало нарушения микробоценоза, которые, однако, были «обратимыми», или «допустимыми», а снижение более чем на 50% расценивали как «критический уровень» токсичности ТМ по отношению к микробоценозу .
Путем расчета интегральных показателей биологической активности -ИПБА - [6], используя критерии оценки устойчивости микробного сообщества [7], установлены пределы устойчивости микробоценоза к токсичным ТМ для каждого типа почвы (таблица 4).
Таблица 4. Пределы устойчивости микробоценозов к ТМ в разных почвах
ТМ Уровни токсичности ТМ (мг/кг) для микробоценозов разных типов почв
безопасный допустимый критический
1 2 1 2 1 2
Сё <5 <10 5 - 20 10 - 100 >20 >100
РЬ <100 <500 100 - 1000 500 - 2000 >1000 >2000
1 - дерново-подзолистая почва; 2 - чернозем типичный
На основании полученных данных установлено, что по негативному воздействию на микробиологическую активность почв Cd был более токсичен, чем Pb.
Микробиологические и биохимические показатели по мере возрастания устойчивости к загрязнению исследованными ТМ образуют следующий ряд: численность актиномицетов < численность бактерий < активность дегидрогеназы < активность уреазы < численность микроскопических грибов.
Следует отметить, что негативное воздействие металлов на микробное сообщество более выражено в дерново-подзолистой почве, бедной органическим веществом и содержанием питательных веществ, по сравнению с черноземом, более устойчивым к ТМ.
Использованные источники:
1. Гузев В.С., Левин С.В., Бабьева И.П., Тяжелые металлы как фактор воздействия на микробную систему почв // В кн.: Экологическая роль микробных метаболитов. Москва, МГУ. 1986. - С.82 - 104.
2. Колесников С.И., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. Влияние загрязнения тяжелыми металлами на микробную систему чернозема // Почвоведение. -1999. - № 3. - С. 193-201.
3. Андреюк Е.И., Иутинская Г.А., Валагурова Е.В., Козырицкая В.Е., Иванова Н.И., Остапенко А.Д. Иерархическая система биоиндикации почв, загрязненных тяжелыми металлами // Почвоведение. 1997. № 12. С. 14911496.
4. Методы почвенной микробиологии и биохимии / Под ред. Д.Г.Звягинцева. - М.: Изд-во МГУ, 1990, 304 с.
5. Возняковская Ю.М. Биологические показатели как индикаторы состояния почвенного плодородия // Труды ВНИИСХМ. 1990. Т. 60. С. 9-17.
6. Девятова Т.А. Биоэкологические принципы мониторинга и диагностики загрязнения почв // Вестник ВГУ. Серия: Химия. Биология. Фармация. 2005. №1. С. 105-106.
7. Domsch K.H., Jagnow G., Anderson T.-H. An ecological concept for the assessment of side-effects of agrochemicals on soil microorganisms // Residue Reviews, 1983. V. 86. P. 65-105.
8. Пшеничное РА., Никитина Н.М., Закиров Ф.Н. Микробиотест для оценки мониторинга загрязнения почв // Экология, 1995. №4. С. 332-334.
9. Ohya H., Koma Yu. Response of Microbial Communities to Heavy Metal Contamination in Soils // Bulletin of Japanese Society of Microbial Ecology, 1988. Vol. 3, No. 1, 47-57.
10. Звягинцев Д.Г., Кураков А.В., Умаров М.М., Филипп З. Микробиологические и биохимические показатели загрязнения свинцом дерново-подзолистой почвы // Почвоведение, 1997. №9. С. 1124-1131.
11. Кураков А.В., Звягинцев Д.Г., Филипп З. Изменение комплекса гетеротрофных микроорганизмов при загрязнении дерново-подзолистой почвы свинцом // Почвоведение, 2000. №12. С.1448-1456.
