CC BY
17УДК 579.64:631.46
роль микромицетов в формировании агрессивной среды города (на примере почвы различных функциональных зон Воронежа)
1назаренко н.н. (доцент кафедры)*, 2свистова и.Д. (профессор кафедры)
1 Воронежский государственный аграрный университет им. императора Петра I; 2 Воронежский государственный педагогический университет, Воронеж, Россия
© Назаренко Н.Н., Свистова И.Д., 2016
В статье приведены результаты микробиоиндикации почвы разных городских зон Воронежа. Выявлены заметные нарушения видового состава и структуры комплекса почвенных микромицетов в промышленной и транспортной зонах города с высоким уровнем загрязнения. Обнаружено упрощение видовой структуры, возрастание доли видов грибов, синтезирующих микотоксины с широким спектром биологического действия. Показана роль почвенных микромицетов в возрастании фитотоксической активности городских почв и формировании агрессивной опасной для здоровья человека среды.
Ключевые слова: городские почвы, комплекс микромицетов, сукцессия грибов, фитотоксическая активность
role of micromycetes in formation of the city aggressive environment (on example of different functional areas soil of the Voronezh city)
1 Nazarenko N.N. (associate professor of the chair), 2svistova i.D. (professor of the chair)
Voronezh State Agrarian University named after Emperor Peter I; 2Voronezh State Pedagogical University, Voronezh, Russia
© Nazarenko N.N., Svistova I.D., 2016
The results of microbiological indication of soil in different city zones of Voronezh have been presented in the article. Significant violations of species composition and structure of the soil micromycetes complex in industrial and transportation areas of the city with high level of pollution were revealed. It was detected the simplification of species structure, an increase of the proportion of fungi species that synthesize the mycotoxins with a wide range of biological effects. The role of soil micromycetes in the increase of phytotoxic activity of urban soils and in the formation of aggressive threat to human health environment has been showed.
Key words: complex of micromycetes, fungi succession, phytotoxic activity, urban soils
Контактное лицо: Назаренко Наталья Николаевна, тел.: (910) 343-15-76
введение
Почва является важнейшим компонентом урбоэ-косистем и во многом определяет качество городской среды и здоровья населения. Большое количество публикаций посвящено изучению диагностики и классификации городских почв, а также вопросам определения в них загрязняющих веществ [1-3]. Основные работы по микробиоиндикации городских почв выполнены в Москве, Санкт-Петербурге и крупных городах Урала и Сибири. Многие авторы отмечают, что в условиях интенсивной урбаногенной нагрузки городские почвы могут быть резервуаром санитарно-опасных микромицетов [4, 5]. Конидии некоторых грибов, попавших в организм человека респираторным путем, провоцируют аллергические реакции или микозы внутренних органов [6].
Систематических исследований по изучению микробного сообщества почвы в городах Центрального Черноземья не проводили. В ряде работ по черноземным почвам обнаружили специфические нарушения комплекса микромицетов в условиях агрогенной нагрузки: при внесении высоких доз минеральных удобрений, при загрязнении пестицидами и тяжелыми металлами [Свистова И.Д. и др.// Вестник ВГУ - 2001.
- № 2; Гузев В.С., Левин С.В. Техногенные изменения сообщества почвенных микроорганизмов. - М., 2001]. Как нами было продемонстрировано ранее, микотокси-ны могут накапливаться и длительно сохранять активность в почве [Свистова И.Д. и др.// Прикладная биох. и микробиол. - 2003. - Т. 39], поступать в растения и по пищевым цепям в организм человека, вызывая мико-токсикозы [Елинов Н.П.// Проблемы мед. микологии.
- 2002. - № 3].
Промышленные предприятия, автотранспорт и строительная индустрия являются поставщиками разнообразных продуктов техногенеза, которые, накапливаясь в почве, обусловливают ее загрязненность и токсичность. Низменный рельеф и низкая буфер-ность почв левобережной части города усиливают неблагоприятное воздействие выбросов загрязняющих веществ. Ранее нами была проведена геохимическая оценка почв г. Воронежа по основным приоритетным загрязнителям. Выявили, что в рекреационной и селитебной зонах среднее содержание нефтепродуктов и тяжелых металлов выше региональных фоновых значений, но ниже предельно допустимых концентраций (ориентировочно допустимых концентраций). В промышленной и селитебно-транспортной зонах левобережья в 43% почвенных проб концентрация нефтепродуктов превышала ориентировочно допустимые концентрации в 1,2-3 раза. Вблизи крупных транспортных развязок отмечали превышение предельно допустимых концентраций по подвижным формам тяжелых металлов первого класса опасности (по кадмию - более чем в 2 раза, по свинцу - до 7 раз). По суммарному показателю загрязнения почв около 72% исследованных точек соответствовало допустимому уровню, 21% - находилось в умеренно опасной зоне и 7% - относилось к опасному уровню загрязнения [7].
Цель работы - оценка нарушений структуры комплекса почвенных микромицетов в различных функциональных зонах Воронежа и выяснение их возможной роли в формировании агрессивной среды города.
■
материалы и методы
Исследовали почвенные образцы, отобранные в левобережной части Воронежа в зонах с разным уровнем городской нагрузки. Почвы - антропогенно нарушенные зональные черноземы песчаного и супесчаного гранулометрического состава. По классификации Строгановой [1], они относятся к культуроземам (рекреационная и селитебная зоны города) и урбаноземам (промышленная и транспортная зоны). Фоновые участки выбирали в естественных условиях с идентичным типом почв на удалении 50 км от города.
Фитотоксическую активность почвы определяли методом биотестирования на почвенных пластинах по ингибированию всхожести семян и роста корня. Тест-объект - редис посевной (Raphanus sativus L.). Критерием токсичности почвы, согласно методике, считали достоверно значимые различия с контролем, превышающие 20% [8].
Выделение микроскопических грибов проводили методом серийных разведений и посева почвенной суспензии на среду Чапека. Видовую структуру микромицетов разных классов устанавливали по соответствующим определителям (Милько А.А., 1974; Кириленко Т.С.,1977; Билай В.И., 1988; Ellis M.B., 1980). Токсигенными считали виды согласно определителям (Кашкин П.Н., 1979; Билай В.И., 1990; Саттон и др., 2001).
Всего идентифицировали 75 изолятов грибов, относящихся к 22 родам. Типичные виды грибов выявляли на основании критериев пространственной и временной встречаемости, рассчитывали индексы видового разнообразия [Мирчинк Т.Г. Почвенная микология. - М., 1988].
результаты и их обсуждение
Для оценки токсичности городских почв нами были проведены опыты по биотестированию с использованием тест-растения (Рис.).
58
51 i
1 I
I
22 21 I 13 1
3-L im б ■
контроль! 1 | 1 ill 1 IV
я городские зоны
всхожесть семян ^ рост корня
Рис 1. Фитотоксическая активность почвы г. Воронежа (% ингибирования; I- рекреация, II - селитебная, III-транспортная, IV- промышленная зона)
В рекреациях не обнаружили достоверных различий показателей фитотоксичности почвы с контролем по изучаемым ростовым показателям. В селитебной (жилой) зоне левобережья отмечали рост фитотокси-ческой активности почвы, а в точках отбора в непосредственной близости к внутриквартальным автодорогам почву оценивали как слаботоксичную. Почва промышленной и транспортной зон города с высоким уровнем антропогенной нагрузки является сильно токсичной, согласно критериям экологической оценки
состояния почв, при этом более чувствительным показателем фитотоксической активности почвы оказалось ингибирование роста корня проростка тест-растения (до 58%), по сравнению с ингибированием всхожести семян (до 22%).
В ряде работ по биотестированию почв других городов также наблюдали высокий уровень фитотоксич-ности, чаще всего, это явление объясняли абиогенным фактором (накопление поллютантов) [9; Шунелько Е.В., Федорова А.И.Н Вестник ВГУ - 2002. - №1]. Однако, рассматривая причины фитотоксичности урбано-земов, нельзя не учитывать вклад биогенного фактора, а именно - накопления микромицетов, продуцирующих фитотоксины [4]. В дальнейшей работе нами были проанализированы видовой состав и структура комплекса микромицетов почвы левобережной части Воронежа и экологическая направленность грибной сукцессии. Как оказалось, в почвах Левобережья Воронежа происходит заметная перестройка комплекса по сравнению с контролем (табл.).
Таблица
Показатели структуры комплекса микромицетов
в урбопочвах г. Воронежа
Показатели Кон- Городские зоны*
троль I II III IV
Количество типичных видов 10-15 7-10 5-9 4-7
Суммарная плотность типичных видов, % 50-55 69-73 58-77 89-92 80-94
Из них токсиген-ных, % 10-16 12-20 10-34 82 -90
Суммарная плотность редких и случайных видов, % 45-50 27-31 28-42 8-11 6-18
Индекс видового разнообразия Шеннона 3,10-3,32 2,52-2,81 1,79-2,25 1,47-1,90 1,52-1,92
Индекс доминирования Симпсона 0,09-0,12 0,16-0,21 0,21-0,30 0,23-0,39 0,22-0,36
Индекс выравнен-ности Пиелу 0,72-0,78 0,60-0,68 0,33-0,66 0,33-0,53 0,30-0,57
В контроле в комплекс типичных видов чернозема входили эвритопные и стенотопные виды микромицетов: Rhizopus stolonifer (Ehrenb. ех Link) Lind; Chaetomium piluliferum Daniels; Aspergillus alliaceus Thom. et Church.; A. candidum Link; A. ustus (Bain) Thom. et Church.; A. wentii Wehmer; Penicillium expansum Link.; P funiculosum Thom.; P simplicissimus (Oud.) Thom.; P. tardum Thom.; Paecilomyces lilacinum Thom.; Acremonium alternatum Lk. ex Fries; Cephalosporium acremonium Corda; Botrytis cinerea Persoon ex Fries; Sporotrichum piluliferum Link et Fries; Trichoderma koningii Oudem; Gliocladium virens Miller, Giddens et Foster; Humicola grisea Traaen; Fusarium solani (Mart) Appl. et Wr. Кроме того, более 20 видов грибов выделяли из контрольной почвы в ранге случайных.
В почвах рекреационной зоны с низким уровнем загрязнения [7] обнаружили незначительную перегруппировку типичных видов грибов по частотам встречаемости, обусловленную как общегородским загрязнением, так и влиянием близко расположенной автомагистрали. Не выделяли виды A. alternatum, P. expansum, T. koningii, S. piluliferum. Появились нехарактерные для
контроля виды: в ранге доминантов - Botryotrichum piluliferum Sacc et March., в ранге редко встречающихся - Aspergillus clavatus Desmaz и Fusarium sambucimun Schltdl. Индекс разнообразия по Шеннону несколько снижался по сравнению с контролем.
В селитебной зоне города со средним уровнем загрязнения [7], которая не отделена санитарной зоной от промышленных предприятий и расположена в непосредственной близости от городских автомагистралей и ТЭЦ-1, наблюдали сокращение видового богатства и упрощение структуры комплекса микромицетов. В ранге доминантов сохранялись F. solani и R. stolonifer, а P. tardum переходил в ранг часто встречающихся видов вместе с Talaromyces flavus (Klocker) Stolk et Samson, Trichoderma harzianum Rifai, Aspergillus niger Van Teighem, Penicillium canescens Sopp и Fusarium sambucinum Berk. et Curt., которые в контроле были случайными. Также выделяли виды, не характерные для контроля: в ранге типичных редких - B. piluliferum и Aspergillus ochraceus Wilhelm., часто встречающихся -G. virens, Stachybotrys chartarum (Ehrenb. ex Link) Hugnes и темноокрашенные формы стерильного мицелия.
В транспортной и промышленной зонах города урбаноземы имели высокий и опасный уровень загрязнения [7]. Отмечали резкое снижение видового богатства микромицетов за счет элиминации редких и случайных видов, суммарная плотность нескольких типичных видов была примерно в 3 раза выше контроля - это явление известно как «концентрация доминирования». В результате заметно снижались показатели видового разнообразия и выравненности комплекса, и возрастал индекс доминирования.
Вблизи оживленных городских автомагистралей и промышленных предприятий обнаружили практически полную смену видового состава микромицетов. Большинство доминантов и часто встречающихся в контроле видов переходили в ранг случайных или вообще не выделялись. Ряд случайных в контроле видов грибов, напротив, повышали свой ранг доминирования. Из урбаноземов были выделены виды: A. clavatus, A. ochraceus, T. flavus, а также A. fumigatus Sacc. et March., Penicillium versicolor Tirab., P. viridicatum Westling, Paecilomyces farinosum (Holm ex Gray) A. Brown, Fusarium nivale (Fr.) Ces., которые в контроле не выявляли. Эти заносные виды успешно внедрялись в нарушенный комплекс почвенных микромицетов наиболее загрязненных городских зон. Кроме того, отмечали присутствие большого количества темноокрашен-ных грибов родов Alternaria и Cladosporium.
По степени выраженности нарушений комплекса почвенных грибов можно расположить городские почвы в следующий ряд: контроль < рекреации < селитебная < промышленная < транспортная зоны. Этот ряд соответствует степени загрязнения городских зон поллютантами, что дает возможность использовать комплекс микромицетов почвы для биоиндикации
уровня городской нагрузки на почву.
Для выяснения экологической направленности сукцессии почвенных грибов мы оценили долю токси-генных микромицетов в комплексе типичных видов. Оказалось, что в селитебной зоне эта доля возрастала до 34%, а в промышленной и транспортной зонах - до 90%. По-видимому, синтез микотоксинов позволяет грибам выигрывать обостряющуюся в загрязненных городских почвах конкурентную борьбу. Поступая в растения, микотоксины могут ингибировать процессы дыхания, фотосинтеза, оказывая фитотоксическое действие или вызывая гибель растения [Билай В.И. Основы общей микологии. - Киев, 1989]. Следовательно, почвенные микромицеты играют важную роль в росте фитотоксической активности городских почв.
Многие виды микромицетов, выделенные нами из культуроземов городских парков и урбаноземов селитебно-транспортной и промышленной зон левобережья, представляют опасность для здоровья городского населения. Согласно атласу патогенных и условно-патогенных грибов (Саттон Д. и др., 2001), 34% от общего числа идентифицированных видов можно отнести к условно-патогенным. В эту группу включены широко распространенные почвообита-ющие грибы рода Aspergillus (A. niger, A. clavatus, A. ochraceus, A. fumigatus), для которых доказана роль в развитии аспергиллезов легких, отомикозов, абсцессов, и многие виды рода Penicillium (P. simplicissimus, P. notatum, P. funiculosum, P. viridicatum), рода Trichoderma (T. koningii, T. harzianum), вызывающие аллергические реакции [4; Елинов Н.П.Н Проблемы мед. микологии. - 2002. - № 3]. Они обладают высоким репродуктивным потенциалом, мелким размером спор, легко переносимых воздушными потоками, и из почвы с пылью могут проникать в организм человека. Таким образом, нарушение комплекса почвенных микромицетов под действием городской нагрузки вносит вклад в формирование агрессивной среды города Воронежа.
выводы
1. Нарушения комплекса микромицетов почвы левобережной части г. Воронежа соответствуют степени загрязнения городских зон поллютантами, что можно использовать как показатель для биоиндикации уровня городской нагрузки на почву.
2. Экологическая направленность сукцессии ми-кромицетов в городских почвах проявляется в снижении биоразнообразия и отборе видов, синтезирующих микотоксины с широким спектром биологического действия.
3. Рост фитотоксической активности почвы г. Воронежа определен как абиогенными факторами (накопление поллютантов), так и биогенными (накопление токсигенных микромицетов).
4. Полученные данные помогают расширить санитарно-гигиенические показатели качества городских почв.
цитированная литература
1. Строганова М.Н., Агаркова М.Т., Мягкова А.Д. Почвы г. Москвы: тревоги и надежды// Почвы, город, экология. - М.: РГАУ-МСХА, 2009. - 40 с.
2. Васенев В.И., Ананьева Н.Д., Иващенко К.В. Влияние поллютантов (тяжелые металлы, дизельное топливо) на дыхательную активность конструктоземов// Экология. - 2013. - № 6. - С. 436-445.
3. Сафонова И.В., Епринцев С.А., Каверина Н.В. Оценка антропогенного загрязнения почвенного покрова урбанизиро-
ванных территорий городского округа г. Воронежа// Вестник ВГУ Серия: География. Геоэкология. - 2014. - № 3. - С. 99-104.
4. Марфенина О.Е. Антропогенная экология почвенных грибов. - М.: Медицина для всех, 2005. - 196 с.
5. Озерская С.М., Иванушкина Н.Е., Кочкина Г.А. Микроскопические грибы в связи с проблемами биологической безопасности (обзор)// Проблемы медицинской микологии. - 2011. - Т. 13, №3. - С. 3-12.
6. Доршакова Е.В., Елинов Н.П., Павлова И.Э. и др. Микромицеты в естественной среде обитания и в помещениях - их потенциальная опасность для здоровья людей// Проблемы медицинской микологии. - 2012. - Т. 14, №3. - С. 53-58.
7. Назаренко Н.Н., Свистова И.Д. Биодинамика и загрязнение тяжелыми металлами и нефтепродуктами почв г. Воронежа// Экология и биология почв: материалы международной научной конференции. - Ростов-на-Дону: Южный федеральный университет, 2014. - С. 557-560.
8. ГОСТ Р ИСО 22030-2009. Качество почвы. Биологические методы. Хроническая фитотоксичность в отношении высших растений. - М.: Стандартинформ, 2010. - 15 с.
9. Багдасарян А.С. Биотестирование почв техногенных зон городских территорий с использованием растительных организмов: Автореф. дисс... канд. биол. наук. - Ставрополь, 2005. - 21 с.
Поступила в редакцию журнала 25.12.2015
Рецензент: Е.А. Мелькумова
