Влияние торфа на биологические особенности загрязненных тяжелыми металлами почв

Трибис Л.И.; Селицкая О.В.; Борисов Б.А.

СВОЙСТВА ПОЧВ И ИХ ПЛОДОРОДИЕ

УДК 631.46

ВЛИЯНИЕ ТОРФА НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЗАГРЯЗНЕННЫХ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ ПОЧВ

Л.И. Трибис, О.В. Селицкая, к.б.н., Б.А. Борисов, д.б.н.

РГАУМСХА им. К.А. Тимирязева, e-mail: [email protected]

В работе предлагается оценка состояния микробных сообществ в почвах и грунтах, сильно загрязненных тяжелыми металлами. Показано положительное влияние внесения торфа на микробные сообщества в данных грунтах. В этих условиях не было обнаружено симбиоза между растениями и грибом Glomus intraradices.

Ключевые слова: почва, тяжелые металлы, почвенные микроорганизмы, торф, симбиоз, Glomus intraradices.

INFUENCE OF PEAT ON BIOLOGICAL FEATURES OF SOILS CONTAMINATED BY HEAVY METALS

L.I. Tribis, PhD. O.V. Selitskaya, Dr. Sci. B.A. Borisov

Russian Timiryazev State Agrarian University, e-mail: [email protected]

There is being suggested the estimation of microbial communities in soils, polluted by heavy metals. There is shown a positive influence ofpeat application to microbial communities of these soils. There is no symbiosis between plants and fungus Glomus intraradices in these soils.

Keywords: soil, heavy metals, soil microorganisms, peat, symbiosis, Glomus intraradices.

Загрязнение почв тяжелыми металлами (ТМ) -одна из важнейших составляющих антропогенного загрязнения окружающей среды. Среди прочих объектов, загрязняющих окружающую среду ТМ, особенно выделяют автотранспорт, а также объекты горнодобывающей и металлообрабатывающей промышленности. Однако помимо известного негативного влияния ТМ и некоторые другие элементы, относящиеся к ТМ, входят в состав ферментов, и добавка их в питательные среды в малых количествах стимулирует рост и метаболическую активность микроорганизмов [1, 2].

В почвах, где содержание ТМ превышает фоновое в несколько (до 5-10) раз, изменения в запасах биомассы, активности микробиологических процессов и видовой структуре микробных сообществ четко не выражены. Можно обнаружить как некоторое снижение, так и стимуляцию интенсивности биохимических процессов и повышение численности КОЕ микроорганизмов. Диапазон этих изменений, как правило, не превышает их варьирование в почвах под влиянием естественных экологических факторов. Дальнейшее повышение содержания ТМ приводит к достоверному снижению активности многих микробиологических процессов (азотфик-сации, нитрификации, денитрификации, дыхания), разложения различных органических соединений и ферментативной активности почв. Начинает ме-

няться видовая структура активно функционирующих микробных сообществ [3].

Многие исследователи рассматривали вопросы гипераккумуляции ТМ растениями для очистки загрязненной почвы [2, 4, 5] и для добычи металлов из бедных руд [6].

Augustyniak M. и др. [7] сообщают, что перспективные растения-гипераккумуляторы Berkheya coddii, будучи инокулированными нативными грибами (Gigaspora sp. и Glomus tenue), не только дают более высокую биомассу, но и поглощают существенно больше Ni (более чем в два раза) по сравнению с неинокулированными растениями.

В рамках экспериментов по исследованию возможностей фитоэкстракции ТМ из отходов цветной металлургии проводилось изучение некоторых показателей состояния микробного сообщества при высоких уровнях загрязнения ТМ.

Вегетационный опыт был заложен с загрязненной почвой и двумя техногенными грунтами, отобранными вблизи Норильского горно-металлургического комбината им. А.П. Завенягина. Опыт проводили в сосудах объемом 1 л в четырехкратной повторности. Валовый химический состав определяли на приборе «Спектроскан», подвижные формы ТМ - в общепринятой ацетатно-аммонийной вытяжке (pH 4,8), плотный остаток водной вытяжки определяли при соотношении почва-вода 1:5.

1. Свойства грунтов, использованных для закладки вегетационного опыта

Показатель Образец № 1, почва Образец № 2, техногенный грунт Образец № 3, техногенный грунт

PНH2O 7,9 7,9 3,8

Плотный остаток, % 0,25 0,62 2,92

(до промывки)

Плотный остаток, % 0,19 0,47 1,5

(после промывки)

Органическое вещество (по Тюрину), % 14,6 1,9 5,8

Валовое содержание тяжелых металлов

Fe2O3, % 9,8 16,2 54,8

Ni, мг/кг 3020,0 1171,1 3179,2

Cu, мг/кг 2675,8 1082,8 2693,5

MnO, мг/кг 1362,6 2436,3 1397,1

Zn, мг/кг 146,6 125,4 49,6

Pb, мг/кг 74,4 80,1 184,9

Co, мг/кг 117,2 56,9 34,3

Содержание подвижных форм тяжелых металлов

Fe, мг/кг 2657,1 3102,4 2951,5

Mn, мг/кг 312,4 64,6 148,0

Ni, мг/кг 669,0 463,2 1921,6

Cu, мг/кг 8,4 43,9 121,4

Co, мг/кг 6,0 3,2 28,1

Zn, мг/кг 6,3 10,9 5,7

Pb, мг/кг 5,0 0,7 0,2

Содержание ТМ и некоторые свойства исследованных грунтов представлены в таблице 1.

Грунты образцов № 1 и 2 характеризовались щелочной, а образец № 3 сильнокислой реакцией. Для опыта грунт образца № 3 был произвесткован по полной норме гидролитической кислотности (5 г на сосуд). Во всех грунтах содержались заметные количества водорастворимых солей, при этом грунт образца № 3 очень сильно засоленный. Промывка грунтов перед опытом позволила снизить содержание водорастворимых солей, однако в образце № 3 уровень засоления остался высоким. Все исследуемые образцы характеризовались высоким содержанием железа, никеля, меди и марганца. Кроме вариантов с исходными грунтами, изучали варианты с добавлением 30% (по объему) торфа, вносимого для улучшения физических свойств исходных грунтов. Использовали низинный торф с pHKCl 5,9, Нг 20,0 ммоль/100 г и зольностью 22,4%.

В опыте выращивали 5 видов растений: алиссум горный (Alyssum montanum), горчица белая (Sinapis alba), алиссум обратнояйцевидный (Alyssum obovatum), зернобобовая смесь овес (Avena sativa) + горох (Pisum sativum), люцерна хмелевидная сорта ВИК 32 (Medicago lupulina subsp. vulgaris Koch ), обладающая повышенной микотрофностью. Во всех вариантах с выращиванием люцерны хмеле-видной в двух повторностях в грунт вносили культуру микоризообразующего гриба Glomus intraradices, который, находясь в симбиозе с растением, способствует его росту и лучшему поглощению веществ из почвы. Известно, что симбиотиче-

ские грибы способствуют большему поглощению фосфора растением [8]. Это имеет большое значение при выращивании растений на неокультурен-ных почвах, что чаще всего происходит при фито-ремедиации. Кроме того, нередко возникают ситуации, в которых недостаток фосфора становится главным фактором, который лимитирует продуктивность растений, и в подобных условиях микоризная колонизация может сыграть очень важную роль в фосфорном питании растений. При фиторе-медиации и фитоэкстракции, когда биомасса растений изымается из круговорота веществ, в почве может быть обнаружен недостаток калия [5]. Согласно некоторым исследованиям, микоризная колонизация усиливает поглощение калия растениями [9]. Установлено, что в присутствии мицелия микоризообразующего гриба усиливается выветривание ^содержащих минералов, в основном, за счет образования оксалата [10]. Микоризная колонизация способствует перенесению растениями засухи, было выявлено ее положительное влияние на поступление воды в корень, причем этот эффект сохранялся при разных температурных режимах [11]. Было выявлено, что мицелий может служить каналом, по которому в растение поступает вода

[4].

На грунте образца № 3 все исследованные растения либо не взошли, либо погибли вскоре после всходов. Очевидно уровень засоления данного грунта даже после промывки оставался слишком высоким. На грунтах образцов № 1 и 2 в варианте с внесением торфа растения выросли. В варианте без

торфа на грунте образца № 1 (черный) также растения выросли, но в некоторых повторностях алиссум горный и алиссум обратнояйцевидный не взошли. В варианте без торфа на грунте образца № 2 (серый) всходов обоих видов алиссума почти не было.

Было проведено микроскопирование корней люцерны хмелевидной. Препараты были окрашены метиленовым синим, изучались при увеличении х1600. Микоризных образований на корнях исследуемых растений обнаружено не было, по-видимому, неблагоприятные значения pH и высокое содержание ТМ в исследуемых почвах препятствуют развитию микоризы. Согласно данным некоторых исследований [12-15], повышенное содержание Pb, а также наличие в почве нескольких токсичных металлов одновременно, оказывали негативное влияние на колонизацию и (или) рост мицелия и спорообразование Glomus mosseae и других микори-зообразующих грибов. При этом важно отметить, что в опытах разных исследователей содержание токсичных металлов в почве, при котором наблюдалось угнетение развития микоризообразующего гриба, было неодинаковым. Однако сравнение содержания токсичных металлов в исследованной нами почве и данных, полученных зарубежными исследователями, позволяет утверждать, что в поставленном нами опыте содержание токсичных металлов было достаточным для того, чтобы оказать негативное влияние на рост и развитие Glomus intraradices. Хотя и имеются данные о том, что длительное присутствие ТМ в почве может приводить к тому, что у видов рода Glomus появляется устойчивость к ним [15, 16], точный механизм подобной устойчивости неизвестен, и срок проведения поставленного нами опыта не позволил это проверить.

В таблице 2 представлены результаты определения некоторых микробиологических показателей по вариантам опыта, полученных путем измерения субстрат-индуцированного и базального дыхания почвы [17, 18].

Для предынкубации брали просеянную и увлажненную до 50-60% полной влагоемкости почву (100 г) из каждой повторности каждого варианта опыта. Предынкубацию проводили в термостате при +22°С в течении 6 суток. Для определения суб-страт-индуцированного дыхания (СИД) навеску 2 г помещали во флакон, закрывали и оставляли на 2 часа при температуре +22°С. Потом флакон проветривали 30 минут, чтобы удалить воздух с высоким содержанием С02, вызванным перемешиванием образца и взятием навески почвы. После проветривания в почву добавляли раствор глюкозы для достижения ее концентрации 10 мг/г. Флакон герметично закрывали и фиксировали время. Спустя 3-4 часа инкубации при температуре +22°С пробу воздуха из флакона анализировали на газовом хроматографе, время анализа также фиксировали.

Измерение базального дыхания проводили так же, как измерение субстрат-индуцированного, но вместо раствора глюкозы в почву вносили воду. Для расчетов также измеряли объем используемых флаконов и точную влажность почвы для каждого образца. Измерение респирометрических показателей проводили в 4 повторностях для каждого варианта опыта.

Даже без внесения торфа микробная биомасса в почвах и почвогрунтах под горчицей белой, зернобобовой смесью и алиссумом горным была в разы выше, чем под другими растениями.

Внесение торфа существенно снизило микробный метаболический коэффициент. Практически во

2. Респирометрические показатели по вариантам опыта

Культура Грунт Без внесения торфа С внесением торфа

микробная биомасса, мкг/г почвы микробный метаболический коэффициент микробная биомасса, мкг/г почвы микробный метаболический коэффициент

Алиссум 1 920,5 0,25 12765,2 0,00

обратно- 2 755,3 0,22 6461,8 0,00

яйцевидный 3 609,5 0,37 5153,4 0,01

Алиссум горный 1 3857,0 0,04 6819,60 0,00

2 1129,2 0,11 3300,6 0,01

3 1768,9 0,20 2871,1 0,01

Вико-овсяная 1 4683,9 0,05 1817,9 0,04

2 2839,4 0,07 8160,8 0,01

3 1117,3 0,13 7411,4 0,02

1 1708,2 0,02 1954,9 0,05

Горчица 2 1122,5 0,23 7647,4 0,01

3 864,9 0,68 11094,8 0,02

Люцерна хмелевидная 1 477,9 0,56 1205,1 0,07

2 284,4 0,83 3648,2 0,05

3 211,1 1,67 5043,1 0,02

Люцерна хмеле- 1 138,7 0,24 7573,2 0,01

видная + Glomus 2 341,4 0,90 4052,5 0,02

intraradices 3 367,8 1,21 9000,6 0,01

всех вариантах с внесением торфа микробная биомасса была значительно больше, чем в вариантах без торфа. Все это позволяет утверждать, что внесение торфа на загрязненных ТМ почвах положительно влияет на микробные сообщества этих почв, сглаживая негативное влияние на них повышенного содержания ТМ, что согласуется с ранее проведенными исследованиями [17] Согласно некоторым данным [19, 20], микробный метаболический коэффициент следует рассматривать как интегральный показатель состояния почвенного микробного сообщества, который позволит оценивать микробное сообщество в естественном и техногенноизме-ненном состоянии. Доказано [17-20], что низкий уровень метаболического коэффициента соответствует устойчивому биоценозу. По данным Ю. Одума [1], величина микробного метаболического коэффициента должна быть высокой в молодых и нарушенных биоценозах и низкой в целинных и устойчивых почвах. Это подтвердилось и в наших исследованиях - во всех вариантах опыта наиболее низкий микробный метаболический коэффициент отмечен в грунте черного цвета, представляющем собой загрязненную естественную почву, а наиболее высокий коэффициент на грунте красного цвета, представляющем собой отвальный грунт с наиболее неблагоприятными свойствами.

В свою очередь устойчивое микробное сообщество будет способствовать ускоренному формированию биоценоза на отвалах. Как правило, территории, занимаемые отвалами, лишены плодородного почвенного слоя. Его формирование естественным

путем - довольно длительный процесс, который может занять десятилетия. Но искусственное создание на отвалах условий для формирования устойчивых биоценозов может исключить условия для пы-леобразования, поможет удерживать на поверхности отвалов влагу, уменьшит негативное влияние горных работ на прилегающую местность. Кроме того, внесение торфа и его смешивание с верхним слоем загрязненной почвы или почвогрунта позволит рассчитывать на скорейшее формирование устойчивых к постоянному загрязнению биоценозов вдоль автомагистралей, негативное влияние которых на прилегающую территорию состоит в загрязнении ее ТМ и другими токсичными соединениями [21, 22].

Таким образом, микробный метаболический коэффициент практически под всеми культурами увеличивался в ряду: грунт черный (загрязненная естественная почва) - грунт «серый» (отвальный грунт) - грунт «красный» (отвальный грунт с наиболее неблагоприятными свойствами), что говорит о снижении устойчивости биоценоза в этом ряду. Внесение торфа во все исследуемые грунты способствовало увеличению микробной массы и резкому снижению микробного метаболического коэффициента (то есть увеличению устойчивости биоценоза). В вариантах без внесения торфа под такими культурами как алиссум горный, вико-овсяная смесь и горчица белая величина микробной массы была в разы выше, чем под другими культурами. Под этими же культурами отмечены наиболее низкие величины микробного метаболического коэффициента (повышение устойчивости биоценоза).

Литература

1. Одум Ю. Экология. - М.: Мир, 1986. Т. 2. - 376 с.

2. Евдокимова Г.А. Эколого-микробиологические основы охраны почв Крайнего Севера. - Апатиты: Изд. КНЦ РАН, 1995. - 272 с.

3. Деградация и охрана почв / Под общей ред. акад. РАН Г.В. Добровольского. - М.: Изд-во МГУ, 2002. - 654 с.

4. Boyd R., Furbank R.T., Read D.J. Ectomycorrhiza and the water relations of trees. Physiological and genetical aspects of mycorrhizae // V. Gianinazzi-Pearson, S. Gianinazzi (eds.). Physiological and genetical aspects of mycorrhizae. - Paris: INRA, 1986. - 689-693 р.

5. Башкин В.Н., Завалин А.А., Жеребцова Г.П., Прохоров И.С., Карпова Д.В. и др. Программа первоочередных мероприятий по оздоровлению городских почв. - М. Департамент природопользования и охраны окружающей среды города Москвы, 2004. - 198 с.

6. Brooks R.R., Robinson B.H. The potential use of hyperaccumulators and other plants for phytomining. In: Brooks R.R. (ed.), Plants that Hyperaccumulate Heavy Metals. CAB International. - Wallingford, 1998. - Р. 327-356.

7. Augustiniak M., Mesjasz-Przybylowicz J., Nakonieczny M., Dybowska M., Przybylowicz W., Migula P. Food relations between Chrysolina pardalina and Berkheya coddii - a nickel hyperaccumulator from South-African ultramafic outcrops // Fresenius Environmental Bulletin, 2002, № 11. - Р. 85-90.

8. Sanders F.E., Tinker P.B. Phosphate flow into mycorrhizal roots // Pesticide Science, 1973, № 4. - Р. 385-395.

9. Harley J.L. Mycorrhizas as nutrient absorbing organs // Proceedings of the Royal Society of London, 1978, Series B, № 203. - 1-21 р.

10. Arocena J.M., Glowa K.R. Mineral weathering in ectomycorrhizosphere of subalpine fir Abieslasiocarpa Hook. Nutt. as revealed by soil solution composition // Forest Ecology and Management, 2000, Vol. 133, № 1-2. - Р. 61-70.

11. Muhsin T.M., Zwiazek J.J. Ectomycorrhizas increase apoplastic water transport and root hydraulic conductivity in Ulmus americana seedlings // New Phytologist, 2002, Vol. 153, № 1. - Р. 153-158.

12. Andrade S.A.L., Abreu C.A., Silveira A.P.D. Interaction between lead, soil base saturation rate and mycorrhiza on soybean development and mineral nutrition // Revista Brasileira De Ciencia Do Solo, 2003, Vol. 27, № 5. - Р. 945-954.

13. Janouskova M., Vosatka M. Response to cadmium of Daucuscarota hairy roots dual cultures with Glomus intraradices or Gigaspora margarita // Mycorrhiza, 2005, Vol. 15, № 3. - Р. 217-224.

14. Joner E.J., Leyval C. Time-course of heavy metal uptake in maize and clover as affected by root density and different mycorrhizal inoculation regimes // Biology and Fertility of Soil, 2001, Vol. 33, № 5. - Р. 351-357.

15. Tullio M., Pierandrei F., Salerno A., Rea E. Tolerance to cadmium of vesicular arbuscularmycorrhizae spores isolated from a cadmium-polluted and unpolluted soil // Biology and Fertility of Soils, 2003, Vol. 37, № 4. - Р. 211-214.

16. Weissenhorn I., Glashoff A., Leyval C., Berthelin J. Differential tolerance to Cd and Zn of arbuscularmycorrhizal (AM) fungal spores isolated from heavy metal-polluted and unpolluted soils // Plant and Soil, 1994, Vol. 167, № 2. - Р. 189-196.

17. Ананьева Н.Д., Благодатская Е.В., Демкина Т.С. Оценка устойчивости микробных комплексов к природным и антропогенным воздействиям // Почвоведение, 2002, № 5. - С. 580-587.

18. Ананьева Н.Д., Стольникова Е.В., Иващенко К.В., Васенев В.И. Микробный почвенный компонент, его структура и продуцирование парниковых газов почвами // Агроэкология, 2014, № 1. - С. 19-27.

19. Ананьева Н.Д. Микробиологические аспекты самоочищения и устойчивости почв. - М.: Наука, 2003. - 223 с.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

20. Благодатская Е.В., Ананьева Н.Д. Оценка устойчивости микробных сообществ в процессе разложения поллю-тантов в почве // Почвоведение, 1996, № 11. - С. 1341-1346.

21. Прохоров И.С. Микробиологические процессы при создании искусственных почвогрунтов // Агрохимический вестник, 2006, № 5. - С. 20-23.

22. Щербаков А.Ю., Карев С.Ю., Абрамцев В.С. Прохоров И.С., Шаповалов Д.А. Скибарко А.А. Вопросы подготовки и контроля качества искусственно созданных грунтов для озеленения Московских газонов // Экологические системы и приборы, 2012, № 10. - С. 28-33.

References

1. Odum Yu. Ecology. - М.: Mir, 1986. Vol. 2. - 376 p.

2. Evdokimova G.A. Ecologo-microbiologicheskie osnovy ohrany pochv Krainego Severa. - Apatity: Izd. KNC RAS, 1995. - 272 p.

3. Degradation and soil preservation / Under edition of Acad G.V.Dobrovolskiy. - М.: PH MSU, 2002. - 654 p.

4. Boyd R., Furbank R.T., Read D.J. Ectomycorrhiza and the water relations of trees. Physiological and genetical aspects of mycorrhizae // V. Gianinazzi-Pearson, S. Gianinazzi (eds.). Physiological and genetical aspects of mycorrhizae. - Paris: INRA, 1986. - 689-693 р.

5. Brooks R.R., Robinson B.H. The potential use of hyperaccumulators and other plants for phytomining. In: Brooks R.R. (ed.), Plants that Hyperaccumulate Heavy Metals. CAB International. - Wallingford, 1998. - Р. 327-356.

5. Bashkin V.N., Zavalin A.A., Zherebtsova G.P., Prokhorov I.S., Karpova D.V. etc. Program of priority activities for urban soil sanitation. - М. Department for Nature Use and Environment Protection of Moscow City, 2004. - 198 p.

6. Augustiniak M., Mesjasz-Przybylowicz J., Nakonieczny M., Dybowska M., Przybylowicz W., Migula P. Food relations between Chrysolina pardalina and Berkheya coddii - a nickel hyperaccumulator from South-African ultramafic outcrops // Fresenius Environmental Bulletin, 2002, № 11. - Р. 85-90.