CC BY
20
ВЛИЯНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ НА ЖИЗНЕСПОСОБНОСТЬ ЦЕЛЛЮЛОЗОРАЗРУШАЮЩИХ БАКТЕРИЙ В УСЛОВИЯХ МНОГОЛЕТНЕГО ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ДЕРНОВО-ЛУГОВЫХ ПОЧВ
Литвиненко Л.В.1, Гордеева В.А.2 ©
1Научный сотрудник, Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН; соискатель, ГОБУ ВПО Нижнетагильская государственная социально-педагогическая
академия
Аннотация
Изучено влияние солей тяжелых металлов (ТМ) на численность и физиологическую активность одной из самых многочисленных по видовому разнообразию агрономически ценных групп микроорганизмов аэробных и анаэробных целлюлозоразрушающих бактерий (ЦРБ) в условиях техногенно нарушенных дерново-луговых почв Свердловской области. В результате изучения изменчивости микробной системы почвы на фоне регулярного многолетнего техногенного воздействия выявлено инициирование функциональной активности ЦРБ в условиях загрязнения почвы ТМ.
Ключевые слова: аэробные и анаэробные целлюлозоразрушающие бактерии, техногенное загрязнение, тяжелые металлы.
Keywords: aerobic and anaerobic cellulose-fermenting bacterium, technogenic pollution, heavy metal.
Функционирование металлургических предприятий на территории Российской Федерации неизбежно сопровождается загрязнением почвенного и растительного покрова ТМ, образованием долговременных региональных и локальных техногенных аномалий. Комплексное одновременное поступление широкого спектра ТМ в почвенно-растительные системы в течение длительного периода времени приводит к существенному изменению физических и химических показателей, резкому снижению биопотенциала экосистем, а также дестабилизации и потере исходных микробиологических свойств почвенного покрова, нарушению микробиологических процессов трансформации углерод- и азотсодержащих соединений почвы. Среди микробного многообразия почвы большой интерес исследователей вызывают гидролитические бактерии, разрушающие самое масштабное природное соединение целлюлозу и являющиеся основными деструкторами растительной мортмассы, представляющие важнейшее звено в трофической цепи наземных экосистем. Представители данной эколого-трофической группы микроорганизмов являются основными биодеструкторами органического вещества растительного опада.
Интенсивность процессов биодеструкции органического вещества и связанное с ними вовлечение химических элементов в биогенный обмен являются важнейшим показателем состояния природных экосистем. Данные процессы напрямую связаны с численностью и физиологической активностью ЦРБ - основных биодеструкторов органического вещества растительной мортмассы [3, 33]. Изменчивость содержания и физиологической активности этой обширной агрономически ценной группы микроорганизмов под влиянием антропогенных факторов трудно отличить от естественной динамики микробиологических процессов в почве, поскольку изменения непосредственно связаны с заменой одних активно функционирующих видов данной эколого-трофической группы микроорганизмов на другие. На функциональную активность биодеструкторов целлюлозы оказывают влияние многочисленные факторы, в том числе погодно-климатические условия, соотношение
© Литвиненко Л.В., Гордеева В.А., 2017 г.
основных биогенных элементов (С, К, Р, 02), степень техногенной нагрузки и ряд других физико-химических параметров почвенной среды.
Цель настоящей работы - исследование влияния повышенных концентраций ТМ на жизнеспособность ЦРБ в условиях долговременного техногенного загрязнения дерново-луговых почв.
Материал и методы. Исследование выполнено в условиях Среднего Урала (таежная географическая зона, подзона южной тайги) во время полевого сезона с мая 2011 по октябрь 2013 г.г. Промышленный комплекс района исследования (Свердловская обл., г. Нижний Тагил, 60° в. д., 58° с. ш.) представлен предприятиями черной металлургии. В результате длительной (более 300 лет) истории развития горнометаллургической промышленности на Урале практически необратимо сформировалась высокая техногенная и антропогенная нагрузка на земельные ресурсы, расположенные на прилегающих территориях. Приоритетным загрязнителем является полиметаллическая пыль в виде окислов Сё, Сг, Си, Бе, N1, РЬ, 2п [2, 267]. Объектом исследования служила загрязненная ТМ почва луговых сообществ вторичного происхождения. Основные физико-химические характеристики образцов исследованной почвы представлены в табл. 1.
Таблица 1
Химические свойства луговых почв
Исследованные показатели Токсическая нагрузка, отн. ед.
1.0 3.3 6.2 22.8 30.0
рНводн. 5.8 ± 0.02 6.2 ± 0.01 6.8 ± 0.02 6.6 ± 0.1 7.7 ± 0.04
Гумус, % 3.6 ± 0.06 3.9 ± 0.05 3.7 ± 0.08 4.1 ± 0.05 4.0 ± 0.11
С орг., % 2.1 ± 0.04 2.3 ± 0.03 2.1 ± 0.04 2.4 ± 0.03 2.3 ± 0.06
N общ., % 0.2 ± 0.03 0.2 ± 0.03 0.2 ± 0.04 0.2 ± 0.01 0.2 ± 0.01
С : N 11.6 11.6 11.6 11.6 11.6
Гигроскопическая влага, % 6.6 ± 0.02 3.2 ± 0.02 2.7 ± 0.01 2.7 ± 0.01 2.3 ± 0.04
Подвижные формы К20, мг / 100 г почвы 20.5 ± 1.3 10.0 ± 0.4 10.3 ± 0.4 11.5 ± 0.6 10.7 ± 0.8
Подвижные формы Р205, мг / 100 г почвы 6.7 ± 0.4 7.8 ± 0.7 4.5 ± 0.4 8.5 ± 0.5 2.1 ± 0.8
Выделено пять опытных участков, расположенных на разном удалении от основного источника выбросов (ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат»). Почва на исследованных территориях дерново-подзолистая, разновидность - тяжелый суглинок с различной степенью оподзоленности, с преобладанием (до 67 %) крупных (5-10 мм) фракций почвенных частиц (крупнозернистые почвы). В табл. 2 приведены средние значения концентрации кислоторастворимых форм ионов ТМ, содержащиеся в образцах отобранной луговой почвы на участках наблюдения. Общий уровень химического загрязнения биотопов изменялся от 1.0 до 30.0 относительных единиц (отн. ед.). В соответствии с интегральным показателем загрязнения исследованные участки отнесены к фоновой (51 =1.0 отн. ед.), буферной (51 = 3.3-6.2 отн. ед.) и импактной (51 = 22.8-30.0 отн. ед.) зонам.
Таблица 2
Содержание ионов тяжелых металлов в образцах луговой почвы Свердловской области
5ь отн. ед. Содержание тяжелых металлов, мг/кг сухой почвы
Сё2+ Сг3+, Сг6+ Си2+ Бе2+, Бе3+ К12+ РЬ2+ 2п2+
1.0 0.1 ± 0.04 12.0 ± 1.8 18.0 ± 4.3 11054.2 ± 201.9 21.1 ± 0.5 10.2 ± 0.8 59.3 ± 6.8
3.3 0.7 ± 0.09 11.6 ± 1.2 34.0 ± 1.0 13747.7 ± 282.5 17.2 ± 0.9 10.8 ± 1.1 82.4 ± 14.1
6.2 1.3 ± 0.30 6.7 ± 1.3 103.3 ± 4.7 11883.9 ± 411.1 9.6 ± 1.8 56.2 ± 8.9 327.3 ± 30.6
22.8 1.7 ± 0.14 8.5 ± 1.1 1269.0 ± 8.7 12668.8 ± 945.7 9.4 ± 0.3 32.4 ± 0.4 213.0 ± 25.5
30.0 0.5 ± 0.09 42.1 ± 1.0 110.8 ± 6.0 14203.7 ± 867.3 47.4 ± 1.5 32.4 ± 3.5 99.9 ± 1.8
Примечание: Si - суммарная токсическая нагрузка.
Выделение почвенных ЦРБ проводили с помощью традиционных микробиологических методов высева на накопительные селективные среды: аэробные ЦРБ -среду Гетчинсона [5, 36]; анаэробные ЦРБ мезофилы и термофилы - среду Имшенецкого [5, 55]. Для более эффективной десорбции микроорганизмов с поверхности почвенных частиц осуществляли предварительную подготовку образцов почвы, включающую ультразвуковую обработку почвенной суспензии (1 : 10) в течение 2-5 мин с помощью низкочастотного диспергатора Soniprep 150 (MSE) (Sanyo, Япония). Культивирование микроорганизмов проводили при 28, 37 и 60оС в течение 7-21 сут в зависимости от условий эксперимента. Все определения проводили в 5 кратной повторности, в качестве контроля использовали неинокулированную питательную среду. Статистическую обработку результатов осуществляли традиционными методами с помощью пакета компьютерных программ Excel 2007 (Microsoft Inc., 2007).
Результаты и их обсуждение. Биоразнообразие основных экологически значимых групп микроорганизмов и их влияние на скорость минерализации растительных остатков подробно описаны нами ранее [4, 88]. В табл. 3 представлены результаты распределения численности ЦРБ в зависимости от уровня токсической нагрузки почвы. По нашим данным, реакция ЦРБ на загрязнение почв ТМ проявилась в увеличении их численности (в 2012 г.: Rs = 0.74; в 2013 г.: Rs = 0.65; N = 15; р < 0.001). Как видно из табл. 3, численность всех исследованных групп ЦРБ в 2013 г. в среднем в 2 раза выше, по сравнению с таковой в 2012 г. Возможно, данный факт связан с особенностями погодно-климатических условий в годы проведения исследования. Установлено, что аэробные ЦРБ, обитающие в исследованных луговых почвах Свердловской области представлены в основном родами Cytophaga, Sporocytophaga и Sorangium, а анаэробные ЦРБ относятся к родам Clostridium и Bacillus.
Как видно из рис. 1, в эпифитной микрофлоре растительных остатков и непосредственно в почве численность аэробных ЦРБ возрастала по мере увеличения токсической нагрузки на техногенно загрязненные луговые почвы. Максимальное количество бактерий данной группы отмечено в образцах почвы под корневой системой группы растений разнотравья, минимальное - под корневой системой злаков; следует отметить, что полученные данные прямо согласуются с результатами исследования биологической активности почвы.
Таблица 3
Численность (клеток / на г почвы) целлюлозоразрушающих бактерий в почве в зависимости от уровня токсической нагрузки
Si, отн. ед. Год наблюдени я Группы целлюлозоразрушающих бактерий
аэробные бактерии (n = 9) анаэробные мезофилы (n = 9) анаэробные термофилы (n = 9)
1.0 2012 (1.8 ± 0.4)-104 (2.5 ± 0.6)-102 (1.2 ±0.1)-103
2013 (1.9 ±0.4)-104 (5.5 ± 2.1)-102 (2.8 ±1.3)-103
3.3 2012 (1.7 ± 0.6)-104 (3.6 ± 0.4)-102 (1.4 ± 0.3)-103
2013 (1.9 ± 0.6)-104 (9.5 ± 0.0)-102 (3.2 ± 0.7)-103
6.2 2012 (2.6 ± 0.8)-104 (4.4 ± 1.1)-104 (1.8 ±0.2)-104
2013 (5.0 ± 0.6)-104 (9.0 ± 3.0)-104 (3.4 ±1.0)-104
22.8 2012 (3.5 ± 0.7)-104 (1.6 ± 0.3)-105 (4.8 ± 0.6)-103
2013 (3.7 ± 0.3)-104 (3.8 ± 0.6)-105 (9.5 ± 0.0)-103
30.0 2012 (5.1 ± 1.0)-104 (2.2 ± 0.6)-104 (3.1 ± 1.5)-103
2013 (4.4 ± 1.1)-104 (4.0 ± 1.0)-104 (6.4 ± 3.0)-103
Примечание. п - число повторностей; ('М±т), где М - среднее арифметическое; т - ошибка среднего арифметического.
Заключение. Таким образом, в результате проведенных полевых наблюдений и лабораторных экспериментов получены данные об изменениях в структуре сообщества аэробных и анаэробных ЦРБ в ответ на длительное возрастающее загрязнение почвы ТМ. Многие авторы в своих исследованиях отмечают существенное снижение численности ЦРБ и, как следствие, снижение скорости деструкции органического вещества при загрязнении почвы ТМ [1, 427; 6, 1389].
80 -|
Л я 70 -
^
о к
и 60 -
о
и 50 -
с^О
« 40 -
К
Л
и 30 -
пЗ
ю
о я 20 -
н
И
§ 10 -
н
о
« 0 -
□ 1 □ 2 □ 3
3,3 6,2 22,8
Токсическая нагрузка, отн. ед.
30
Рис. 1. Численность аэробных ЦРБ в зависимости от уровня токсической нагрузки на образцы почвы. Образцы разлагающихся растительных остатков: 1 - злаки, 2 - бобовые, 3 -
разнотравье.
1
Несомненно, что загрязнение почв ТМ влияет на структуру микробного ценоза, изменяя численность и соотношение эколого-трофических групп микроорганизмов. По нашим данным в условиях техногенно нарушенных луговых почв Свердловской области происходит процесс адаптации ЦРБ к высоким дозам ТМ и, как следствие, наблюдается увеличение скорости деструкции (на 24-96 %) органического вещества почвы и инициирование дыхательной активности почвы [4, 87]. Стимуляция функциональной активности популяции ЦРБ в почве может быть связана также с повышенным содержанием (до 4.1 %) органического вещества гумуса и выраженным смещением показателя активной кислотности среды в почвах, загрязненных ТМ, в щелочную сторону. При этом преимущество в них принадлежит, по-видимому, микроорганизмам, ориентированным, прежде всего, не на повышение скорости роста, а на выживание и поддержание своей жизнедеятельности в загрязненных местообитаниях. Так, активность аэробной и анаэробной целлюлозоразрушающих групп бактерий способствует стимулированию микробного
сообщества к самоорганизации и саморегуляции в условиях техногенно загрязненной луговой дерново-подзолистой почвы, что способствует не только формированию устойчивости функционирования биоценозов, но и собственно устойчивости почвы к длительному техногенному загрязнению.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (14-1400643) и гранта Комплексной программы УрО РАН (15-12-4-10).
Литература
1. Воробейчик Е.Л. Сезонная динамика пространственного распределения целлюлозолитической активности почвенной микрофлоры в условиях атмосферного загрязнения // Экология. — 2007. — № 6. — С. 427-437.
2. Жуйкова Т.В., Безель В.С., Жуйкова В.А. и др. Химические элементы в процессе минерализации растительных остатков при загрязнении почвы тяжелыми металлами // Сибирский экологический журнал. — 2013. — № 2. — С. 266—277.
3. Заварзин Г.А. Лекции по природоведческой микробиологии / Г.А. Заварзин; Отв. ред. Н.Н. Колотилова; Ин-т микробиологии. - М.: Наука, 2004. - 348 с.
4. Ившина И.Б., Костина Л.В., Каменских Т.Н. и др. Почвенный микробиоценоз как показатель стабильности луговых сообществ при химическом загрязнении среды тяжелыми металлами // Экология. — 2014. — № 2. — С. 83—90.
5. Практикум по биологии почв: Учеб. пособие / Зенова Г.М., Степанов А.Л., Лихачева А.А., Манучарова Н А. М.: Изд-во МГУ, 2002. — 120 с.
6. Giller K.E., Witter E., Mcgrath S.P. Toxicity of heavy metals to microorganisms and microbial processes in agricultural soils: A review // Soil Biol. Biochem. — 1998. — V. 30. — № 10-11. — P. 13891414.
