CC BY
16
УДК 58.071
DOI: 10.24412/1728-323X-2022-3-21-25
ВКЛАД БИОГЕННОГО ФАКТОРА В ФИТОТОКСИЧЕСКУЮ АКТИВНОСТЬ ПОЧВ ГОРОДА ВОРОНЕЖА
Н. Н. Назаренко, к. б. н., доцент, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный аграрный университет им. императора Петра I», [email protected], Воронеж, Россия, И. Д. Свистова, д. б. н, профессор, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный педагогический университет», [email protected], Воронеж, Россия,
Л. В. Брындина, д. с.-х. н., доцент, ФГБОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г. Ф. Морозова», [email protected], Воронеж, Россия
Аннотация. Оценена чувствительность и информативность методов определения фитотоксической активности и роли микробного сообщества в ее развитии на примере сравнения различных подходов к изучению городских почв. Представлены результаты многолетних мониторинговых исследований: трех туров обследования почв города Воронежа с разным уровнем антропогенной нагрузки, проведенных в течение двух десятков лет. Для оценки условий озеленения города рекомендован быстрый метод определения общей фитотоксичности (почвенных пластинок), для санитарно-гигиенического мониторинга — анализ нарушения видового состава и экологической структуры микобиома, что позволяет адекватно оценивать степень нагрузки на почву.
Abstract. The sensitivity and informativeness of methods for determining phytotoxic activity and the role of the microbial community in its development are evaluated by comparing different approaches to the study of urban soils. The results of long-term monitoring studies are presented: three rounds of soil survey of the city of Voronezh with different levels of anthropogenic load, conducted over two decades. To assess the conditions for greening the city, a quick method for determining the total phytotoxicity (soil plates) is recommended, for sanitary and hygienic monitoring, i.e., an analysis of the violation of the species composition and ecological structure of the mycobiome, which allows us an adequate assessment of the degree of load on the soil.
Ключевые слова: городские почвы, мониторинг, фитотоксическая активность почвы, биоиндикация, микобиом, микотоксины.
Keywords: urban soils, monitoring, phytotoxic activity of soil, bioindication, mycobiome, mycotoxins.
Введение. Актуальным вопросом практической экологии является поиск показателей для экологического нормирования экосистем. Основными санитарно-гигиеническими нормативами являются предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ, основанные на химических методах определения. Однако одновременное присутствие многих поллютантов, даже в концентрациях, не превышающих ПДК, может вызывать синергические биологические эффекты.
Биотическая концепция экологического контроля качества природных и техногенных экосистем позволяет обнаружить ранние нарушения экосистем (при содержании поллютантов значительно ниже ПДК), выявлять пороговый уровень допустимой антропогенной нагрузки, а также оценить суммарное воздействие на организмы разного трофического уровня [8]. Часто исследователи для оценки качества окружающей среды используют методы биотестирования (bioassay) по реакциям тест-организмов в лабораторных условиях, однако оценить более поздние эффекты загрязнения не удается [4].
Более перспективна биоиндикация (bioindication) — определение экологически значимых нагрузок на экосистему на основе реакции на них живых организмов непосредственно в среде их обитания. Этот подход позволяет выявить пос-
ледствия загрязнения экосистемы по м орфо логическим и функциональным показателям населяющих ее организмов или по составу и структуре биоценоза. Наиболее чувствительны к антропогенным воздействиям микроорганизмы (т. к. при уменьшении размеров организма резко возрастает отношение площади его поверхности к объему), поэтому реакция микробного сообщества проявляется при уровне загрязнения на 2—3 порядка ниже ПДК [6]. Одной из биогеоценотичес-ких функций почвы является аккумуляция пол-лютантов, поэтому микробиоиндикация почвы может служить информативным показателем состояния всей экосистемы.
Развитие почвенного фитотоксикоза определяется накоплением токсичных поллютантов, а также накоплением токсичных микробных метаболитов [9]. Метод биотестирования — контактный метод почвенных пластинок позволяет оценить суммарный токсический эффект почвы на рост корня проростков семян тест-растения. Метод инициированного микробного сообщества (ИМС) совмещает подходы по микробиоиндика-ции почвы в модельных условиях лаборатории с последующим ее биотестированием, его рекомендуют использовать для оценки вклада биогенного фактора в фитотоксическую активность почвы [5]. Накапливается все больше данных о возможности биоиндикации почвы, в том числе и в ур-
боэкосистемах, по состоянию комплекса грибов-микромицетов, которые легче идентифицировать, чем бактерии [1, 3].
Нами предпринята попытка оценить чувствительность и информативность методов определения фитотоксической активности на примере сравнения разных подходов к изучению микробного сообщества городских почв с разным уровнем антропогенной нагрузки.
Целью работы было изучение вклада биогенного фактора в фитотоксическую активность почвы на примере разных городских зон г. Воронежа и выбор метода для многолетних мониторинговых исследований.
Материалы и методы исследований. Для определения общей фитотоксической активности почвы нами было обосновано применение контактного метода почвенных пластинок с тест-объектом из семейства крестоцветных (редис) [9].
Метод ИМС: на почвенной пластинке инициировали развитие микробной сукцессии путем нанесения на ее поверхность растворимого крахмала, на котором могут расти многие почвенные микроорганизмы. Пластинку с крахмалом инкубировали при 28 °С в условиях влажной камеры в течение двух недель. Затем на поверхности выросших на почве колоний микроорганизмов определяли фитотоксическую активность по ростовым характеристикам проростков тест-растения [5].
Для биоиндикационных исследований в природных условиях нами было выбрано изучение ценотической структуры комплекса почвенных микроскопических грибов (микромицетов) как наиболее активных продуцентов токсичных вторичных метаболитов (микотоксинов). Микро-мицеты выделяли из почвы на среде Чапека (рН 4,5). Определяли видовой состав, используя определители для разных классов грибов, и структуру микобиома по критериям пространственной и временной встречаемости видов [7]. Токсиген-ные свойства видов оценивали по данным собственных исследований [10].
В работе представлены результаты многолетних мониторинговых исследований: трех туров обследования почв города Воронежа, проведенных в течение двух десятков лет: в 2002—2004, 2011-2014 и 2018—2020 гг.
Варианты опыта: контроль — почва пригородной зоны (Рамонский район, залежь, чернозем выщелоченный) и почва различных городских зон правобережной части г. Воронежа — рекреации (шесть точек отбора, физически преобразованный чернозем), селитебная зона (12 точек отбора, урбанозем), транспортная зона на расстоянии 1 м от полотна дороги (10 точек отбора, интрузем). Пробы почвы отбирали из верхнего
слоя 0—20 см. Представлены результаты отборов в середине вегетационного сезона — вторая декада июля.
Результаты исследований и их обсуждение.
Фитотоксическая активность почвы, определенная стандартным методом почвенных пластинок, закономерно возрастала в городских зонах пропорционально уровню их загрязнения (табл. 1). За 20 лет наблюдений в контроле фитотоксичес-кая активность изменилась незначительно, рекреационные зоны города являются «островками» сохранения нефитотоксичных почв.
Почва селитебных зон в течение первого тура обследования показала высокую мозаичность по изучаемому показателю: от практически фоновых значений до превышения санитарных норм (20 % [2]). В последующих турах нами обнаружено снижение диапазона варьирования показателя и возрастание среднего значения, что указывает на рост загрязнения почвы (вероятно, в связи с ростом автотранспортной нагрузки во внутри-дворовых пространствах — стоянки автомашин). Почва транспортных зон города во все туры обследования характеризуется как сильно фитоток-сичная.
Фитотоксическая активность почвы, определенная методом ИМС (табл. 2), показала более
Таблица 1
Фитотоксическая активность почвы различных зон г. Воронежа
Контроль Городские зоны
рекреации селитебные транспортные
Среднее за 2002—2004 гг.
5—7 8—14 7—30* 25—50*
Среднее за 2011—2013 гг.
5—10 10—17 21—28* 43—59*
Среднее за 2018—2020 гг.
9—13 10—17 44—50* 55—61*
Условные обозначения: *превышение санитарных норм.
Таблица 2
Фитотоксическая активность инициированного микробного сообщества почвы, (шш—шах)
Контроль Городские зоны
рекреации селитебные транспортные
9—11 5—10 Среднее за 2002—2004 гг. 11—18 | 21—37* Среднее за 2018—2020 гг. 13—19 | 47—62* 41—55* 76—88*
Условные обозначения: *превышение санитарных норм.
высокие значения в селитебных, и особенно в транспортных зонах города. Превышение показателя по сравнению с общей фитотоксичностью оказалось значительным — на 10—45 % выше, что указывает на больший вклад биогенного фактора в почвенный фитотоксикоз. Однако, что конкретно изменилось в микробиоме городских почв с большей антропогенной нагрузкой, остается неясно. Следует также учитывать, что ами-лолитическое микробное сообщество сформировано в оптимальных условиях выращивания и характеризует потенциально возможное воздействие микробиома на развитие растений.
Численность микромицетов в почве рекреаций практически не отличалась от контроля во все сроки обследования. В почве селитебных и транспортных зон численность грибов однотипно возрастала в 1,5—2 раза с ростом среднего показателя и явного снижения мозаичности почвы в третьем туре обследования. Однако этот показатель, хотя и указывает на нарушение структуры микробного сообщества, также оказался малоинформативен для характеристики биологического фактора фитотоксикоза.
Значительно более важную информацию дает изучение показателей видового разнообразия ми-кобиома почвы (табл. 3). Причем общее видовое богатство комплекса типичных видов микроми-цетов почвы остается практически неизменным как по времени, так и по городским зонам. Однако обнаружена смена видового состава микро-мицетов почвы в условиях разного уровня го-
родской нагрузки: уже в рекреациях начинается процесс сукцессии, в первом туре обследования треть видов, в последнем туре — половина видов отличается от контроля. В почве транспортных зон видовой состав микромицетов полностью изменяется по сравнению с фоном.
Общей тенденцией сукцессии микобиома городских почв является рост доли типичных видов и снижение вклада случайных видов микромице-тов. Это явление носит название «концентрации доминирования» и является показателем перехода сообщества в адаптивную зону «стресса» [6].
В условиях городской нагрузки проявляется общая экологическая направленность микробной сукцессии: накопление токсигенных видов мик-ромицетов, в почве транспортных зон плотность таких видов уже в первом туре обследования приближалась в 100 %, в почве селитебных зон за время обследования возросла в 1,3—2 раза. Смена видового состава микромицетов и накопление токсигенных видов хорошо объясняет рост общей фитотоксической активности городских почв и возрастание вклада биогенного фактора.
В таблице 4 суммированы данные проведенных нами исследований с целью выявления чувствительных и информативных показателей для почвенного мониторинга урбоэкосистемы на примере г. Воронежа.
Обнаружен значительный вклад в развитие почвенного фитотоксикоза не только поллютан-тов, но и биогенного фактора, в том числе микромицетов. Испытанные методы имеют как свои
Таблица 3
Показатели а-разнообразия комплекса типичных микромицетов почвы функциональных зон
г. Воронежа
Показатели Контроль Городские зоны
рекреации селитебные транспортные
Среднее за 2002- -2004 гг.
Количество типичных видов 17—19* 17—19 15—17 19—20
Общих с контролем видов — 5—7 4—5 0
Суммарная плотность типичных видов, % 44—58 54—65 63—79 84—96
Из них токсигенных, % 10—18 12—23 33—59 97—100
Среднее за 2011- -2013 гг.
Количество типичных видов 9 9 7—8 6—7
Общих с контролем видов — 6—7 3—5 0—1
Суммарная плотность типичных видов, % 50—55 69—73 58—77 89—92
Из них токсигенных, % 8—17 14—32 29—70 94—96
Среднее за 2018- 2020 гг.
Количество типичных видов 11—18 15—16 10—14 15—17
Общих с контролем видов — 8—9 5—6 0
Суммарная плотность типичных видов, % 51—64 66—72 58—86 83—100
Из них токсигенных, % 10—15 13—27 43—61 95—100
Условные обозначения: *пределы варьирования показателя.
Таблица 4
Реакция исследованных показателей на уровень городской нагрузки
Показатели Контроль Городские зоны
рекреации селитебные транспортные
Уровень загрязнения почвы региональный фон низкий средний высокий
Фитотоксическая активность низкая превышает санитарные нормы
Фитотоксичность ИМС низкая превышает санитарные нормы
Численность микромицетов не меняется возрастает
Видовое богатство не меняется
«Концентрация доминирования» возрастает
Доля токсигенных эвритопных видов низкая средняя высокая
Адаптивная зона микобиома почвы гомеостаза стресса резистентности
преимущества, так и определенные недостатки и могут использоваться для решения разных задач. Метод почвенных пластинок оценивает быстрый суммарный эффект антропогенной нагрузки и может использоваться для биотестирования почвы с целью оценки условий для роста растений. Метод ИМС выявляет вклад биоты, но это потенциальный показатель, анализ длительный по времени, не подходит для мониторинга и недостаточно раскрывает экологическую направленность микробной сукцессии.
Такие показатели биоиндикации, как численность почвенного микобиома и его видовое богатство, также оказалась неинформативны. Определение ценотической структуры микобиома, нарушения его видового состава и экологической структуры хорошо коррелирует с уровнем загрязнения [11] и позволяет адекватно оценивать степень нагрузки на почву. Индикаторные виды грибов в наиболее загрязненных зонах города известны как продуценты микотоксинов, что обеспечивает биологические механизмы развития фи-тотоксикоза почвы.
По показателю плотности фитотоксичных видов можно оценить степень городской нагрузки
на почву. Реакция почвенного микобиома в рекреациях не превышает адаптивной зоны гомеос-таза (перегруппировка типичных видов по степени доминирования [6]), в селитебных зонах достигает стрессовых реакций (изменение видового состава), а в транспортных зонах микобиом находится в адаптивном диапазоне «резистентности» (полная смена видового состава на эвритопные, часто заносные, токсигенные виды, что сопровождается резким ростом фитотоксикоза почвы). Накопление токсигенных видов микромицетов должно привлечь внимание специалистов санитарно-гигиенического контроля, так как мико-токсины могут оказывать влияние не только на рост и развитие растений, но и на состояние здоровья городского населения.
Заключение. Таким образом, для мониторинговых обследований городских почв с разными целями нами рекомендованы: для оценки условий озеленения города — быстрый метод определения общей фитотоксичности (почвенных пластинок), для санитарно-гигиенического мониторинга — более подробный анализ нарушения видовой структуры микромицетов.
Библиографический список
1. Ананьева Н. Д. Микробные показатели городских почв и их роль в оценке экосистемных сервисов / Н. Д. Ананьева, К. В. Иващенко, С. В. Сушко // Почвоведение. — 2021. — № 10. — С. 1231—1246. Б01: 10.31857/80032180X21100038
2. ГОСТ 22030—2009. Качество почвы. Хроническая фитотоксичность в отношении высших растений. — М.: Стан-дартинформ, 2010. — 15 с.
3. Лысак Л. В. Разнообразие бактериальных сообществ городских почв / Л. В. Лысак, Е. В. Лапыгина // Почвоведение. — 2018. — № 9. — С. 1108—1114. Б01: 10.1134/80032180X18090071
4. Мелехова О. П. Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование / О. П. Мелехова, Е. И. Егорова. — Москва: Академия, 2007. — 288 с.
5. Методы почвенной микробиологии и биохимии / под ред. Д. Г. Звягинцева. — Москва: МГУ, 1991. — 304 с.
6. Микроорганизмы и охрана почв / под ред. Д. Г. Звягинцева. — Москва: МГУ, 1989. — 246 с.
7. Мирчинк Т. Г. Почвенная микология. — Москва: МГУ, 1988. — 220 с.
8. Надежкина Е. В. Биоиндикационные исследования аэротехногенных загрязнений / Е. В. Надежкина, О. В. Туша-вина, С. В. Зиновьев [и др.] // Проблемы региональной экологии. — 2021. — № 3. — С. 5—9. Б01: 10.24412/1728-323Х-2021-3-5-9.
9. Свистова И. Д. Методические подходы к определению фитотоксической активности почвы и почвенных микроорганизмов // Лесотехнический журнал. — 2019. — № 34 (2). — С. 40—46. DOI: 10.34220/issn.2222-7962/2019.2/5
10. Свистова И. Д. Фитотоксическая активность сапротрофных микромицетов чернозема: специфичность, сорбция и стабильность фитотоксинов в почве / И. Д. Свистова, А. П. Щербаков, Л. О. Фролова // Прикладная биохимия и микробиология. — 2003. — № 39 (4). — С. 441—445. DOI: 10.1023/A:1024520618388.
11. Kaverina N. V. Technogenic geochemical abnormalities in the soils and bottom sediments of Voronezh / N. V. Kaverina, S. A. Kurolap, P. M. Vinogradov, T. V. Dubovitskaya, N. N. Nazarenko // Revista Ingenieria UC. — Vol. 28. No. 1. — 2021. — P. 83—96.
CONTRIBUTION OF THE BIOGENIC FACTOR TO THE PHYTOTOXIC ACTIVITY OF SOILS IN THE CITY OF VORONEZH
N. N. Nazarenko, Ph. D. (Biology), Associate Professor, Voronezh State Agrarian University named after Emperor Peter I, [email protected], Voronezh, Russia,
I. D. Svistova, Ph. D. (Biology), Dr. Habil., Professor, Voronezh State Pedagogical University, [email protected], Voronezh, Russia, L. V. Bryndina, Ph. D. (Agriculture), Dr. Habil., Associate Professor, G. F. Morozov Voronezh State University of Forestry, Timiryazev str., 8, [email protected], Voronezh, Russia
References
1. Ananeva N. D. Mikrobnye pokazateli gorodskikh pochv i ikh rol v otsenke ekosistemnykh servisov [Microbial indicators of urban soils and their role in the assessment of ecosystem services] N. D. Ananeva, K. V. Ivashchenko, S. V. Sushko. Poch-vovedenie [Soil science]. 2021. No. 10. P. 1231-1246. [in Russian]. DOI: 10.31857/S0032180X21100038
2. GOST 22030—2009. Kachestvo pochvy. Biologicheskie metody. Khronicheskaya fitotoksichnost v otnoshenii vysshikh ras-teniy. Moscow, Standartinform. 2010. 15 p. [in Russian].
3. Lysak L. V. Raznoobrazie bakterialnykh soobshchestv gorodskikh pochv [Diversity of bacterial communities of urban soils] L. V. Lysak, E. V. Lapygina. Pochvovedenie [Soil science]. 2018. No. 9. P. 1108—1114. [in Russian]. DOI: 10.1134/ S0032180X18090071
4. Melekhova O. P. Biologicheskiy kontrol okruzhayushchey sredy: bioindikatsiya i biotestirovanie [Biological control of the environment: bioindication and biotesting]. O. P. Melekhova, E. I. Egorova. Moscow, Akademiya. 2007. 288 p. [in Russian].
5. Metody pochvennoy mikrobiologii i biokhimii [Methods of soil microbiology and biochemistry] / pod red. D. G. Zvyagint-seva. Moscow, MGU. 1991. 304 p. [in Russian].
6. Mikroorganizmy i okhrana pochv [Microorganisms and soil protection] pod red. D. G. Zvyagintseva. Moscow, MGU, 1989. 246 p. [in Russian].
7. Mirchink T. G. Pochvennaya mikologiya [Soil mycology]. Moscow, MGU, 1988. 220 p. [in Russian].
8. Nadezhkina E. V. Bioindikatsionnye issledovaniya aerotekhnogennykh zagryazneniy [Bioindication studies of aerotechnogen-ic pollution]. E. V. Nadezhkina, O. V. Tushavina, S. V. Zinovev [et al.] Problemy regionalnoy ekologii [Regional Environmental Issues]. 2021. No. 3. P. 5—9. DOI: 10.24412/1728-323X-2021-3-5-9 [in Russian].
9. Svistova I. D. Metodicheskie podkhody k opredeleniyu fitotoksicheskoy aktivnosti pochvy i pochvennykh mikroorganizmov [Methodological approaches to the determination of phytotoxic activity of soil and soil microorganisms]. Lesotekhnicheskiy zhurnal [Forestry Journal]. 2019. Vol. 34. No. 2. P. 40—46. [in Russian]. DOI: 10.34220/issn.2222-7962/2019.2/5
10. Svistova I. D. Fitotoksicheskaya aktivnost saprotrofnykh mikromitsetov chernozema: spetsifichnost, sorbtsiya i stabilnost fit-otoksinov v pochve [Phytotoxic activity of saprotrophic micromycetes of chernozem: specificity, sorption and stability of phy-totoxins in soil]. I. D. Svistova, A. P. Shcherbakov, L. O. Frolova. Prikladnaya biokhimiya i mikrobiologiya [AppliedBiochemistry and Microbiology]. 2003. Vol. 39. No. 4. P. 441—445. [in Russian]. DOI: 10.1023/A:1024520618388
11. Kaverina N. V. Technogenic geochemical abnormalities in the soils and bottom sediments of Voronezh. N. V. Kaverina, S. A. Kurolap, P. M. Vinogradov, T. V. Dubovitskaya, N. N. Nazarenko. Revista Ingenieria UC. Vol. 28. No. 1. 2021. P. 83—96.
