CC BY
35
УДК 579.26
ВЛИЯНИЕ УРБАНИЗАЦИИ НА ПОКАЗАТЕЛИ ФЕРМЕНТАТИВНОЙ И МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ПОЧВ
© 2007 г. Л.Н. Илюшкина, А.В. Полякова, В.В. Внуков
The research results of urbanozem's biological activity were cited, which were evaluated on biochemical and microbiological indices. The indices of activity of such enzymes as polifenoloksidaza, invertaza, ureaza and katalaza are considered as biochemical indices. Quantity of various physiological groups of microorganisms ( bacteria, aktinomitsety and fungies) and general potential respiratory soil activity are considered as microbiological indices. There is the dynamics of given indices depending on a functional city zone with regard for strength of anthropogenesis press and also with regard for the depth of taking samples. In conclusion the correlation dependence between biochemical and microbiological indices of biological activity is cited.
Современная урбанизация находится в ряду важнейших факторов антропогенного воздействия на природу, формирующих глобальную экологическую ситуацию [1].
В городах создается специфическая природно-го-родская экосистема, которая характеризуется появлением новых типов искусственных природно-антропо-генных комплексов, замещающих природные. Они, входя в городскую экосистему, обладают меньшей средообразующей ценностью, измененными функциональными характеристиками, нарушением связей между компонентами экосистемы. Одним из таких природ-но-антропогенных комплексов городов является почва, которая испытывает наибольшее антропогенное воздействие. Именно она обеспечивает продуктивность урбоэкосистемы, возможность ее самовосстановления и самоочищения [2].
Почвенные биосистемы города подвергаются существенным структурным преобразованиям. Это выражается прежде всего в перераспределении биологической активности почв в пределах почвенного профиля [3].
Данная работа посвящена изучению влияния процесса урбанизации на биологическую активность почв г. Ростова н/Д.
Объект исследования - городские почвы, отобранные в разных функциональных зонах Ростова: жилой (ЖЗ) (урбаноземы, частично экранированные с черноземами и урбаночерноземами), рекреационной (РЗ) (черноземы обыкновенные карбонатные, частично экранированные), промышленной (ПЗ) (индустриземы с участием экранированных урбаноземов и реплантозе-
мов), зоне максимального загрязнения (ЗМЗ) (урбаноземы, сильно экранированные с реплантоземами). Отбор почвенных образцов осуществляли в осенний период с глубин 0-20 и 20-40 см.
В исследуемых почвах определяли активность ряда оксидоредуктаз и гидролаз, в частности: каталазы, полифенолоксидазы (ПФО), инвертазы и уреазы. Влияние антропогенного воздействия устанавливали по численности различных физиологических групп микроорганизмов (бактерии, актиномицетов, грибов) и общей потенциальной дыхательной активности (ОПДА) почв.
Активность каталазы определяли газометрическим методом, активность ПФО определяли по образованию пурпурогаллина из пирогаллола, активность ин-вертазы и уреазы - фотоколориметрическим методом [4]; интенсивность дыхания - по методу Макарова в модификации Галстяна [5]. Для выделения и учета различных групп микроорганизмов использовали метод посева на агаризованные питательные среды [6].
В ходе исследования установлено, что максимальный показатель активности ПФО регистрировался в РЗ, минимальный - в ЗМЗ, где произошло его снижение в 1,8 раза в слое 20-40 см (таблица). Следовательно, можно сделать вывод о снижении активности ПФО при увеличении давления антропогенного пресса. В ПЗ и ЗМЗ активность ПФО достоверно снижалась в нижних слоях. Это вполне объяснимо, так как ПФО катализирует процессы окисления фенолов в присутствии кислорода воздуха, количество которого резко снижается в нижнем слое.
Ферментативная активность почв г. Ростова н/Д
ПФО, мг пурпургаллина Каталаза, мл О2 Инвертаза, мг Уреаза, мг NH3 Дыхательная
Образец на 100 г почвы на 1 г почвы глюкозы на 1 г на 10 г почвы активность,
за 30 мин за 1 мин почвы за 24 ч за 24 ч мг СО2 на 1 г почвы
ЖЗ (0-20) 46,33±0,882 5,37±0,088 0,21±0,007 0,49±0,012 0,09±0,005
ЖЗ (20-40) 49±0,577 4,53±0,033 0,04±0,003 0,31±0,006 0,095±0,007
РЗ (0-20 ) 50 4,8±0,058 0,2±0,009 1,13±0,023 0,112±0,004
РЗ (20-40 ) 49,67±0,333 3,23±0,088 0,02±0,003 0,66±0,015 0,087±0,001
ПЗ (0-20 ) 49,67±0,882 1,47±0,145 0,2±0,009 0,75±0,015 0,14±0,002
ПЗ (20-40 ) 43±1 0,63±0,088 0,3±0,003 1,05±0,012 0,11±0,005
ЗМЗ (0-20) 41,67±0,882 2,47±0,12 0,27±0,015 0,51±0,006 0,095±0,001
ЗМЗ (20-40) 27,33±1,453 2,27±0,033 0,52±0,032 0,55±0,007 0,094±0,001
Примечание. Достоверность различий исследуемых показателей, представленных в таблице и рис. 1-3, указана в тексте.
Активность каталазы в отобранных образцах максимальна в ЖЗ, минимальна - в ПЗ (данный показатель снизился по почвенному профилю в 3,7 и 7,2 раза соответственно). В РЗ и ЗМЗ отмечалось достоверное снижение данного показателя по сравнению с ЖЗ. Такую динамику активности каталазы можно объяснить различием в плотности исследуемых почв, в ПЗ она была максимальной. Образцы почвы, отобранные в верхних слоях, характеризовались более высокими показателями каталазной активности, чем образцы, отобранные в нижних слоях всех исследуемых зон, за исключением ЗМЗ, где исследуемая активность регистрировалась практически на одном уровне.
Это связано, вероятно, с большим количеством аэробов и факультативных анаэробов, которое содержится в верхнем слое почвы, а также с более высокой напряженностью процессов трансформации органических соединений.
Самый высокий уровень активности инвертазы регистрировался в ЗМЗ на глубине 20-40 см. При этом, если говорить об изменении данного показателя по глубинам, в ЖЗ и РЗ происходило его достоверное снижение в нижнем слое (в 5,25 и 10 раз соответственно), что объясняется уменьшением содержания органического вещества вниз по профилю. А в ПЗ и ЗМЗ, наоборот, зафиксировано статистически достоверное увеличение данного показателя в нижнем слое. Такая закономерность в ПЗ и ЗМЗ, возможно, объясняется большей степенью ингибирования указанного фермента в верхнем горизонте данных зон, где происходит накопление загрязняющих веществ. Минимальный показатель инвертазной активности был зарегистрирован в нижнем слое РЗ. Скорее всего, это связано с постоянным оттоком органики вследствие человеческой деятельности в указанной зоне.
Показатель активности уреазы в исследуемых образцах почвы был максимальным в РЗ и ПЗ. В ЗМЗ отмечено статистически достоверное снижение данного показателя по отношению к вышеупомянутым зонам. Образцы, отобранные в ЖЗ, характеризовались минимальной активностью уреазы по сравнению с остальными обследованными зонами. В ЖЗ и РЗ зафиксировано достоверное снижение активности уреа-зы в нижнем слое. А в ПЗ и ЗМЗ, наоборот, отмечалось статистически достоверное увеличение данного показателя в нижнем слое по сравнению с верхним, что может быть связано с уменьшением ингибирую-щего воздействия загрязнений вниз по профилю.
Таким образом, из исследуемых ферментов индикаторами загрязнения можно считать каталазу и ПФО, активность которых резко снижается в загрязненных почвах, в то время как инвертазная активность максимальна в нижнем слое ЗМЗ.
В исследуемых образцах определяли численность различных физиологических групп микроорганизмов и общую потенциальную дыхательную активность почв (ОПДАП).
Максимальная ОПДАП зарегистрирована в верхнем слое ПЗ, минимальная - в верхнем слое ЖЗ, в нижнем слое - в РЗ. Также следует отметить, что в РЗ и ПЗ наблюдалось достоверное снижение данного показателя в нижних слоях.
В ходе исследования было установлено, что максимальное количество бактерий как в верхнем, так и в нижнем слоях содержалось в образцах, отобранных в ПЗ (рис. 1). Вероятно, степень загрязнения в ПЗ была такой, что происходила стимуляция развития микроорганизмов и микробиологических процессов. Стимулирующее действие невысоких доз различных загрязнений подтверждено исследованиями ряда авторов [7, 8]. Меньше всего бактерий обнаружено в верхнем слое ЗМЗ (6,6-105 клеток на 1 г почвы) и нижнем слое РЗ (3,23-105 клеток на 1 г почвы). При этом в нижних слоях ПЗ, РХ и ЖЗ численность бактериальных клеток достоверно снижалась (в 1,9-2,6 раза), а в ЗМЗ, наоборот, увеличивалась (в 1,4 раза).
_ 30 л
£ 25 8 20 ^ 15
25,33
15
8 8,23
— В 3,23
в ■
T07J3-923
-6,6-
1
8
Образцы
Рис. 1. Общее количество микроорганизмов в городских почвах: 1 - жилая зона (0-20 см); 2 - жилая зона (20-40 см); 3 - рекреационная зона (0-20 см); 4 -рекреационная зона (20-40 см); 5 - промышленная зона (0-20 см); 6 -промышленная зона (20-40 см); 7 - зона максимального загрязнения (0-20 см); 8 - зона максимального загрязнения (20-40 см)
Количество актиномицетов было максимальным в верхних слоях ПЗ и РЗ (рис. 2). Меньше всего акти-номицетов высевалось из образца почвы, отобранного в верхнем слое ЖЗ. Таким образом, разброс в верхнем слое составил (0,67-5,2)-105кл/г почвы, а в нижнем слое он был незначительным ((2,13-3,43-105кл/г почвы). Статистически достоверные отличия по количеству актиномицетов в нижнем горизонте отмечены только между крайними значениями, т.е. между РЗ и ЗМЗ. Кроме того, следует отметить, что наибольшее видовое разнообразие актиномицетов было отмечено в образцах почвы, отобранных в верхнем слое ПЗ, меньшее - в ЖЗ.
.0
ш с X 6
о
"= 4
7= 2 0
5,07
5,2
о. ■ 3,43
0,67 1 1 1
I-'
0
1
2 3 4 5 6 7 8 "" Образцы
Рис. 2. Количество актиномицетов в разных образцах (усл. обозначения на рис. 1)
Численность грибов максимальна в ПЗ, минимальна - в ЖЗ (рис. 3). При этом данная закономерность наблюдалась как в верхнем, так и в нижнем слоях. Во всех зонах, кроме ЗМЗ, отмечено статистически достоверное снижение количества микромицетов в нижнем горизонте. Это вполне естественно, так как с глубиной уменьшается степень аэрации почвы, что ли-
0
митирует развитие грибов в нижних слоях. А в ЗМЗ, наоборот, происходит достоверное увеличение численности грибов в нижнем горизонте, возможно, из-за уменьшения концентрации загрязняющих агентов.
15 10 5 0
12,27
-753-
—202-
2,05
-753-
-7,33
4,1 -
1
8
Образцы
Рис. 3. Количество грибов в городских почвах (усл. обозначения на рис. 1)
Анализ полученных данных по количественному содержанию исследуемых групп микроорганизмов показал, что максимальная численность бактерий, актиномицетов и микромицетов обнаружена в верхнем слое ПЗ. Распределение численности по почвенному профилю аналогично для всех исследуемых групп микроорганизмов: в жилой, рекреационной и промышленной зонах их количество снижается в нижнем слое, а в ЗМЗ - увеличивается. Исключением являются популяции актиномицетов в ЖЗ и ЗМЗ.
В ходе исследования выявлена корреляционная зависимость между показателем ОПДА и количеством микромицетов в почве, что вполне объяснимо, так как они являются аэробными формами. Выявлена обратная зависимость между показателями активности ПФО и инвертазы. Возможно, это связано с тем, что в период отбора образцов большая часть растительных остатков уже подверглась разложению, что привело к снижению активности инвертазы и накоплению структурных единиц гумусовых веществ, что в свою очередь оказало стимулирующее воздействие на активность ПФО.
В верхнем горизонте количество грибов коррелировало с количеством бактерий и увеличивалось по мере возрастания показателей активности ПФО и уреазы.
Изменения активности уреазы с глубиной хорошо коррелировали с численностью микромицетов: сниже-
ние активности фермента в ЖЗ и РЗ сопровождалось и уменьшением количества этих микроорганизмов, а увеличение активности данного фермента в ЗМЗ коррелировало с увеличением их численности. Такая динамика хорошо объяснима, так как мочевина - продукт азотного обмена грибов, и в то же время - субстрат для жизнедеятельности бактерий, обладающих уреазной активностью. Единственным исключением является ПЗ. Вероятно, причина кроется в том, что в ее верхнем слое развивается максимальная по численности популяция микромицетов, а значит, здесь образуется самое большое количество мочевины, которая обладая хорошей растворимостью в воде, мигрирует вниз по профилю, что изменяет рН среды в неблагоприятную для ацидофилов сторону и влечет за собой снижение численности грибов.
Все описанные выше корреляционные зависимости между исследуемыми биохимическими и микробиологическими показателями являются статистически достоверными.
Таким образом, результаты исследования позволяют судить об изменениях биологической активности почв под действием антропогенного пресса и могут служить теоретической основой для разработки методов мониторинга состояния урбаноземов.
Литература
1. Юша Т.Ю. Урбанизация и экология. Л., 1990.
2. Наквасина Е.Н. и др. // Экология и биология почв: Ма-
териалы междунар. науч. конф. Ростов н/Д, 2004. С. 185-189.
3. Приваленко В.В., Безуглова О.С. Экологические пробле-
мы антропогенных ландшафтов Ростовской области. Ростов н/Д, 2003.
4. Казеев К.Ш., Колесников С.И. Биологическая диагно-
стика почв. Ростов н/Д, 1997.
5. Галстян А.Ш. // Сообщение лаборатории агрохимии АН
АрмССР. Биологические науки. 1961. № 5. С. 69-74.
6. Методы почвенной микробиологии и биохимии / Под
ред. Д.Г. Звягинцева. М., 1991.
7. Взаимодействие пестицидов с микроорганизмами / Под
ред. И.И. Либерштейна. Кишинев, 1984.
8. Громов Б.В., Павленко Г.В. Экология бактерий. Л., 1989.
Ростовский государственный университет
6 декабря 2006 г.
