Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ЭКОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ, ОБИТАЮЩИХ В ПОЧВАХ С РАЗНЫМ УРОВНЕМ СОДЕРЖАНИЯ МЕДИ И ЦИНКА

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Автореферат диссертации по теме "ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ЭКОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ, ОБИТАЮЩИХ В ПОЧВАХ С РАЗНЫМ УРОВНЕМ СОДЕРЖАНИЯ МЕДИ И ЦИНКА"

У

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ , И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ни М. В. ЛОМОНОСОВА

ФАКУЛЬТЕТ ПОЧВОВЕДЕНИЯ

>

На правах рукопмсж

АЛЕКСЕЕВА СВЕТЛАНА АЛЕКСЕЕВНА

УДК 579.26+681.4«

ГЕОХИМИЧЕСКАЯ ЭКОЛОГИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ, ОБИТАЮЩИХ В ПОЧВАХ С РАЗНЫМ УРОВНЕМ СОДЕРЖАНИЯ МЕДИ И ЦИНКА

0e.00.07—Микроб яологм*

Автореферат кандидат« бшологжческшх тук

Моста—1986

Работа выполнена в лаборатории бвогеохиюш Института геохимии я аналитической химии им.В.И.Вернадского АН СССР

Научный руководитель — доктор биологических наук

С.В.Детувова

ОЗшщальдое оппонента - доктор биологических наук. Профессор В.Т.Ощев

кандидат биологических наук С. В. Левин

Ведущее учреждение - Всесоюзный научно-исследовательские

институт сельскохозяйственной микробиологии ВАСХВИ2

Защита состоится 1987 г. в 15 час.30 мин.

на заседании специализированного совета К053.0&.в6 МГУ вмени М.В.Ломоносова (119699, Москва, ГСП, Ленинские горы, факультет почвоведения Щ7, Ученый совет).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения ЩУ. /7

Автореферат разослан "J^7* года

Ученый се1фетарь А у

специализированного совета ¿¿/¿^/¿¿¿¿¿^ И.П.Бабьева

Актуальность проблемы. Геохимическая среда жизни в разках участках биосферы является неоднородной, поэтому химический состав естественной и техногенной среды обитания! в частности, уро~ . вень содержания в ней тяжелых металлов, имеет экологическое значение. В связи с этим и возникла проблема исследования взаимоотношений организмов с геохимической средой, т.е. необходимость изучения геохимической экологии организмов.

Связь организмов о геохимической средой, осуществляется через бяогеохимические пищевые цеди, одним из активных звеньев которых являются микроорганизмы.

Актуальность изучения геохимической экология мшфоорганязмов определяется тем, что они обладают максимальной геохимической энергией среди живых существ, осуществляют важные биогеохимические ^дгнквди и играют значительную роль в биогенной миграции химических элементов в биосфере. Кроме того, микроорганизмы вследствие ряда своих особенностей представляют удобную экспериментальную модель для изучения многих общебиологических закономерностей взаимодействия организмов с геохимической средой - явлений изменчивости, наследственности и направленности эволюционного процесса в разных геохимических условиях; причинных зависимостей меазду геохимическими факторами и биологическими реакциями организмов; механизмов' их приспособления к естественным и техногенным, условиям среды. .

Биогеохикическое исследование микроорганиэмов" важно также для решения практических задач: разработка критериев оценки ответных' реакций организмов, популяций и сообществ на разный уровень содержания.химических элементов в биосфере, нормирования доз микроудобрений, вносимых в почвы для увеличения их биологической, активности и интенсификация биогенной миграции элементов через био________Л

С? г г,-с г:

геохимическую пищевую цепі, а также дня целей биогеоханического районирования.

Шль работа - изучить биологические реакции почвенных мекро-дрганазмов ка разный уровень'содержания меди и цинка в природной среде обитания (медно-цинковые месторождения Пкного Урала и контрольные участки вне' их) с целью установления последствий длительного воздействия тяжелых металлов на микробоценоз.

Основные задачи исуледоврния: I) установление пороговой чувствительности к меди я цинку у почвенных микроорганизмов, обитающих в разных геохимических условиях, л оценка способности миіфоор-ганизмов' адаптироваться к различному урова» содержания этих металлов в среде обитания: 2) сравнительное изучение почвенного микробного комплекса в разных геохимических условиях а выявление индикаторных видов микроорганизмов на избыток меди я вднка в почве; Э) исследование закономерностей концентрирования меди г цинка идае-робанни клетками при различной уровне содержания этих элементов в питательной среде; 4) оценка участия почвенных кикрооргавизмов в биогенной миграции химических элементов в разных геохимических условиях.

Иатчная новизна. Установлены последствия длительного развития иаіфободеноза в условиях обогащения почв медь» и щгнком,- изменение и обеднение видового состава микробного комплекса,обогащение его микромвдетами а доминирование в нем грибов видов сіаДоарогіищ ві«евл*иіші н Р«п±с1111т з вдЛЫлеНив, делящихся индикаторами на .загрязнение почв медью а цинком. Микробные цевозы в этих геохимических условиях характеризуется устойчивость» к избытку меди и цинка в природной среде обитания, высокой геохимической энергией и активный участием в вовлечении металлов в биогенную миграцию-

Выявленные биологические реакции микроорганизмов на взбы-_ток меди ицияка в почве были использованы наряду с биологичес-. киш реакциями других звеньев бногеохимической пищевой цепи (Ковальский с соавт., 1981) для целей биогеохкмиче ского районирования л выделения та изучаемой территории БаЙшксноЯ медно-цанко-вой ■ биогёохшщческой провинции.

Цт>ад;тическая пеидодтЕ- Сравнительное изучение биологических реакций - мифоорганизмов,, обиталадх в почвах с разным уровнем содержания меди я шика, позволяло установить причинную зависимость втшс реакций от геохимических факторов среды обитания. Это дает возможность использовать показатели биологических реакций микроорганизмов (их пороговую чувствительность к разному уровню содержания микроэлементов в среде, изменение почвенного микробного комплекса, закономерности и величину концентрирования химических элементов) для целей биогеохиьяч е ского районирования и разработки би огеохишч е ского метода поиска рудаых месторождений с помощью мивроорганизмов. Эти же показатели могут Сыть применены и в качестве критериев оценки эффективности применения различных доз микроудобрений в агроценозах, при разработке способов антенсифи падай . биогенной миграции микроэлементов с помощью микроорганизмов ups искусственном создании их запасов в почвах и водоемах, а также при прогнозировании посдедсгвай. загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами и установлении их предельно допустимых концентраций.

Публикадвд. По теме диссертации опубликовано 6 работ.

Обгеи работы. Диссертация состой* из введения, 9 глав, заключения и выводов, содержит 138 страниц'печатного текста, 17 рисунков, ID таблиц и список литература из 252 наименований (из них — 115 зарубежных авторов).

fljjpnfoprfl рабоуц. Основные положения работы были доложены на Всесоюзних координационных совещаниях по проблемам микроэлементов в биология (Москва, 1979,1981), на объединенных сеыина- . pax биогеохииическоЗ дзборатория ГШ АН СССР к Научного совета АН СССР по проблемам кикроэлементов в ¿колоши (Москва, 1930-1982), ва в съезде Всесоюзного микробиологического общества (Рига, I960), на 3-ем симпозиуме по следовым зло we игам (ІДР, Нева, I960), ва 9 Всесоюзной конференции по проблемам ішяроэлементов в биологии (Кишинев, 1981), ва Всесоюзной симпозиуме "Иикроорганизиы над компонент биогеоценоза" (Алма-Ата, 1962).

ОБШКШ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Изучали микроорганизма, обитающие в почвах, развитых ва медно-цинковых рудах и отвалах разной давности в районах отработанных месторождений шалы ж Бавр-Узяк Екгого Урала, а также ' в "хвостах" обогатительное фабрика Синайского местороадения. Для сравнение были взяты почвы контрольных участков, расположенных вне зов рудопроявлений. Для исследований использовали гумусовый горизонт изучаема! почв (глубина 0-20 си), отобранных по общепринятой методике (Методы почвенной микробиологии и блохами,' 1980).

Количественный учет микроорганизмов, обитапцих в почвах, отвалах, смывах с отвалов л "хвостах", проводили прямым мижросво-шпескны методом с использованием светового микроскопа ЫШ-6 в методом посева на твердые питательные среды, В обсох случаях осуществляли нредварнтельцуъ десорбцию микроорганизмов с почвенных частиц (Звягинцев, 1973). В первой случае численность бактерий учитывали методе« Виноградского в модификация Шульгиной (1926), длинугрибного мицелия - методом мембранных фильтров

(Ншшеа є* &1., 1947) в модификации Деининой (1977). Исаодя яз

КОЛИЧОСТВа бохтсрії Н Г^&бВОГО мдтулр^ ріт^луипу их

массу (Рогачевсгай, Звягинцев, 1973: Мирчннк, 1976; Денкнна, 1977). Во втором случае численность бактерій учитывали па мяео-пептовиои агаре (ША), микроскопических грибов - ва вгарязован-вой среде Чапеда-Докса (ЧДА) о молочной кислотой (4 ил/я), ак-тинсмицетов - ва їфадиадо-алииачпом агаре (КДА) (Практикум по ішфойиолопш, 1976). Кромв того, применяла голодней агар (ГА).

Используя даднне по количественному анализу микроорганизмов аа твердих питательных средах, вычисляли коэффициент вариация (V ) численности бактерий, актин ешцетов к грибов (Доспехов, 1979), ивдекс одлготро^яости (Аристовскан, 1965; Никитин, Вккитхва, І98І) ж показаталь частота встречаемости вида (тгеа-тг ег аі» ,1954).

Одновременно с количественным учетом микроорганизмов ва твердит шггательавх средах проводиш еидєлєбдє отдельных штаммов бактерий на ША, ахтжномицетов ва КАА н ішкроскопических грибов ва ЧД4. Бш> выделено 726 штаммов микроорганизмов. Систематическое полохеняе грибов устанавливали во культурально-морфологическим признакам, используя определители Пидогшячко, 1972; Видай, 1977; тЬот а Верег ,1945; Пер»г а Ть©тД949. Идеатифїїкядип бактерий проводили по культурально-иорфологттческим ж физиолого-Оиохгмжчесюш признакам о использованием "Краткого определителя бактержй Бергж", 1980.

Для (ЩЄВКВ вталтцд различного уровня содержания тяжелых * металлов в среде обитания ва грушіовув н видовую структуру микробного комплекса, ваявдяему» ва твердих питательных ереддх, примакяхи информационней показатель разнообразия (Н) и жядеко доминирования (С) (Одум, 1975), Ддяхарактеристики групповой

структуры мкробкого Еомшіекса методом прямого ыхкроскопжрова-нхя почвенных суспензій дсдодьэовадя отвошняе Оламассз пшйоа/ биомасса йаггержй, ' ; ,

Изучение. закономерностей роста вцдвдонннх штаммов кскроско-ішческвх гряйов, ахтжнощщетов к бактерий я концентрирования шх цинка в медж при различном кх ссдержаняа s среде проводил» ва жядкдх питательных средах (соответственно на среде Чаяеяа-Докса, крахмадо-аімзачлой среде к среде Чапека) без добавления этиж элементов к о внесением щвва (в sue Zoso+.7h2o ) к жэдх (в виде cuSo4.5H2o ) в ьдедудпих жояцевтрацшос: 1-Ю"5; 1-Ю-4; І'ІСГ3} І*Ю~2ї ЫСГ1 ■ Ц£. Рост гржбов * агтжзомщетов оцвнж-вадж по весу сухой <3aouac си, бактерий - по содержанию б едка (boitry et el. ,1951).

Для опредедвнжя размеров накопления меди ж гошха отд&жь ВНИК штаммами игкро оргаян э моз при развои п содержали в хждзой питательной среде мшсробную иассу отдедядж or среди, тридн нро-мивадд даспидированной водой л шсуижвадж прм Ю5° до постоянной кассы. . ~ .

Для изучения процесса вовлечешья недх ж щака в бжогешшй цхкд почвенной микрофлорой иарасхванже суммарной микробной й*о-масск дія лоследушгего определения в ней содержа«** макроэлементов проводиш ва средах, приготовденннх as поїв, в которых мхгро-органнзш обятади в прароде ж характеризуются природными хоя-цевтрацжяык, соотношенжиа * $о£вами соединений, изучаеїшх зде-мевтов (Летунова, Ковадьсхий, 1978).

Озоленяе во3jQ*ic3io—cyxoi лщюйво! масса (SO-IDО мг) проводила ва песочной Сало снвсъю юнцентрированннх азотной ж хлор*, вой каслот (2 : I) ( felting, Wirdale , 1979). Почву (I г) озо-дядя в МУФ^ле ЩЛ 4SO0, а затем ва песочной Саве сиесів ион-

центрнрованшх хлорной я плавиковой кислот (I : 4). Зольный остаток микробной массы и почвы переводили в '2-ЗЦ-ш3 раствор с соляной кислоты. Содержание меди в цинка в растворах определяли-атокно-абсорбционным методом аа спектрофотометре Гвгісш-вімег €03. Чувствитедьность метода составляет для меди 0,1 ихг/мл, для цинка 0,015 мкг/ил ера воспроизводимости метода 2-3?.

- Результата исследований обрабатывали статистически (Доспехов, 1979).

результаты тешевшй

Геохимические условия в районах проведения _иссгедрвандЗ___;

Преобладанцими почвами в районах проведения исследований является черноземы обыкновенные и шнно (Богомолов, 1954; Бурангулова с соавт., 1969; 1979; Гкр$анов, Ряховская, 1975).

Наиболее высоким содеришием металлов (от 640,0 до 4000,0 мг/кг кеди и от 750,0 до 4500,0 мг/кг цинка) харекторизуггея почвы, сформированные над рудами и отвалами (точки Ю-2, D-2a, 4а, 46, 4в, Б-4, Б-3, Б-2. Б-І), и "хвосты" обогатительной фаб-' рики (точка 70). Наименьшее содержание меда (21-58 кг/кг) и цинка (36-130 мг/кг) обнаружено в почвах контрольных участков, расположенных вне зон рудопроявлений.

Таган образом, различный уровень содержания меди г цинка в изучаемых почвах создает неодинаковые геохимические условна обитания для почвенных микроорганизмов а является важным аналогическим фактором.

Пороговая чувствительность к ыеди н цинку у микроорганизмов, обителях в почвах с различным .содержанием этих элементов

Пороговая чувствительность микроорганизмов к химический елемента» является важным показателем биологических реакций организмов ва избыток ила недостаток элементов в среде обитания и степени их адаптации к геохимическим факторам среда (Летуно- . ва, Ковальский, 1978)'.

Исследование закономерностей роста бактерий, актнношцетов и грибов при различном содержании меди а цинка в питательной среде показало, что ростовые реакции ва медь и панк можно охарактеризовать двумя типами кривше — с сухенноЗ и расширенной зевами оптимального роста, ограниченными нижней г верхней пороговыми концентрациями (рисЛ). 7 организмов, относящихся к первому типу (штамм 1,2,7,60 на рис. 1а и штаммы 9*20,58,68,81, 13? ва рас.16), оптимум роста максимально сужен (сблаяеш нижние и верхние пороговые концентрации) а мохет находиться при одной из следупцих концентраций меди и цинка в среде (в %) : О*, 1-Ю"5, І-І0ГГ1, І'Ю-1. У организмов, относящихся ко

второму'типу (штаммы 4,13,16,38 на рис. Іа я шташы 15,17,44,54, 125 на рис.16), максимальный рост наблюдается в пределах концентраций меди и цинка; ограничениях нижними (от О до I*Kf®íí) я верхними (от. 1-Ю"6 до-І'КГ®*) пороговыми концентрациями.

у большинства изученных птаммов организмов верхние пороговые концентрации, оптимальные для роста, приурочены в более внзкоцу содержанию медив среде (у IX, 2? - к О, у 15,3% - к I-ІОГ5^, у 45,6* - к 1-Ю™4), чем цинка (у 28,6* - к І-ЇЇГ3^. у 2§¡£ - к LIO"2«, у к Х-КГ1). Аналоигшая закономер-

яоеть отмечена и для концентраций, предельных для роста, что я здесь и далее и - среда без добавления меди в цинка, содержащая соответственно 1,10-6 в Z.TSyvf, »тих элементов.

-S -ь -i СЛржнм 0¡ а 1я S

útSC

Рис Л. Адаптивные ростовые реакции ка медь (а) х данк (б) у мшфоорга-назмов. Цифры на кривых обозначают номера штампов (I. 2,4,7,9,13,15,16, Г?,20,44 -Bacillus eubtilis; 38,54,58 - B.mega.-terlum; 125, 137 — Ciado eporium elegantulum; 80 -■ renicllliura ep.j 68 - llucor aaturniiiua; 81-Paeeilomyces Ii-laclnue)

свидетельствует о более высокой токсичности меди для микроорганизмов по сравнению с цинком.

Зама были выявлены экологические различия в пороговой.чувствительности микроорганизмов к изучаемым элементам (ряс.2). Среди штаммов, выделенных из субстратов с высоким содержанием меда а цинка, преобладают организмы, дня которых верхние пороговые концентрация составляют (соответственно 54,8% д 56,0?); при наличии в среде значительны! количеств ме-• ди я цинка (I * 1СГ2-1 * Ю"1?) способно максимально расти соответственно 19,7Í и 21,2$ изученных штампов (рис.2а). У микроорганизмов, обитаниях в почвах, обедненных этими металлами, верхние пороговые концентрации, оптимальные для роста, приурочены к более низкому содержанию меда и цинка в среде. Ддя меди ата концентрации не превышает 1«10-3£. Что касается цинка, то лишь

К)

а ?*

т

Рио.2. Изменчивость пороговой чувствительности микроорганизмов к иедк а цинку в зависимости от их содержания в среде: а г б — соответственно штаммы, гэода-рованше из субстратов с высока» я низким содержанием этих элементов

10,13 штаммов имеют верхний порог при І.І0"3 ж этого

элемента в среде (рис.26).

Представленные данные свидетельствуют о зависимости пороговой чувствительности микроорганизмов к меди И цинку от уровня их содержания в естественной среде обитания и адаптации июфоорга-наамов к геохимическим факторам среды.

Сравнение пороговой чувствительности бактерий, актиномице-тов в грибов к меда и цинку показало, что наибольшей устойчиво-сты> к избытку атях алементьв в среде обладают грнбн, наименьшей - бактерия (ряс.З). .Групповые различия отмечены и для предельных концентраций, возможных для роста* Для бактерий эти концентрации не превышают меди а цинка в среде, для макромице-тов предельные концентрация дня роста лежат при более высоком содержании .металлов в среде {І.ІО""3- I.

При изучении популяций B&oillua megaterium, B.mibtilia, Cía-doaporlura el*gsat,ulvm . и íealcillivua 3 autbine II чд , обитающих в разных геохимических условиях, установлена внутршоцу— ляциоввая изменчивость пороговой чувствительности л меди а цинку, обусловленная разной степенью адаптации ыя кроорганнзмов к этям металлам. В популяциях B.m«gat*rlum и B.eubtllie . выделенных

Рвс.Э Изменчивость пороговой чувствительности микроорганизмов к меди и цинку в зависимости от их сисмати-ческого положения: а - бактерии; . б - ахтиноиицеты; в - грибы

1:

t< oí « "k. ff i*

Í ■Ь.. '.rf л".,

• 0 «• t ... .rfl hq* ta а «г* 1, «' te

ив почв с шсокжы содержание« меди ж цквяа (течки 46 и 4в). преобладают органжзш, для ко торт верхние пороговые концентрации -яхементсв, оптимальные ддя роста, составляй1 у

ОСНОВНОЙ часТИ ИЭТЧеНННХ ШТааЫОВ В«1ЫвЯ**г1и»И В«виМ111в, изолированных хз почв контрольных участков (точки 27 а 61)* зги •концентрации сдвинуты к более шш значениям (0—• Популяции 0 • «1* канЪиЗдт И Г.Дапгь1п»и.ш» , обиташие в екстре-гесоамнчесжях условиях (соответственно точки 70 ■ Б-2)»

состоят в основном из организмов, способных максимально расти при высоком содержании меди и пинка в среде культивирования

ало-3 и 1.ю*^б).

Таким образе«!, из представленных данных видно, что в разных геохимических условиях микроорганизмы обладают неодинаковой по-, роговой чувствительность!) к металлам. Это дает возможность рассматривать пороговую чувствительность в качестве одного из возможных критериев оценки ответных реакций организмов на различный уровень содержания химических элементов в биосфере.

Влияние различного уровня содержания меди и цинка в

естественной среде обитания на комплекс почвенных •_микроорганизмов_;_

Сравнительное изучение комплекса микроорганизмов, обитаппдх в разных геохимических условиях, показало, что в почвах, обогащенных медью и цинком, олиготрофный компонент преобладает над евтрофным, тогда как в почвах с низким содержанием этих элементов наблюдается обратная зависимость. Об этом свидетельствуют высокие значения индекса олиготрофности (ИО) в первом случае и низкие - во втором (соответственно 117-143 и 21-57), а также наличие прямой закономерной связи между величиной ИО я содержанием изучаемых элементов в почвах: для меди г- составляет 0,549, для цинка - 0,638 при Р^ 0,99.

С ростом уровня содержания меди и цинка в почвах наблюдает* * - _

ся достоверное уменьшение информационного показателя разнообразия (Н) от 1,21 до О н достоверное увеличение отношения биомасса хрибов/баомасса бактерий от 0,37 до 33,75 (в первом случае г для меди составляет -0,653', для цинка -0,622 при Р^ 0,99; во втором случае г соответственно равен 0,456 и 0,498 при Р^> 0,95).

Представленные данные свидетельствуют о том,' что вследствие неодинаковой пороговой чувствительности разных груш микро-

. организмов к тяжелым металлам в почвах о высоким содержанием меди и цинка происходит более резкое уменьшение количества и биомассы бактерий по сравнению с грибами. Это приводят к изменения структуры микробного комплекса , за счет его обогащения микроскопическими грабами.

Важным показателем биологических реакция микроорганизмов на разный уровень содержания тяжелых металлов в почве является видовой состав мияробошноза. Влияние геохимических факторов на видовой состав микробных комплексов мы изучали на примере микро-шцетов,. обитающих в разных геохимических условиях.

Установлены различия как в степени адаптации к геохимическим факторам, так и в видовом составе грибов, обитающих в почвах с разным уровнем содержания меди и цинка.

Большинство микроскопических грибов, обнаруженных в зонах рудопроявлений, имеют верхние пороговые концентрации, оптимальные для роста, при более высоком содержании меди и цинка в среде культивирования (І.ІСГ^-І.ІСГ*?) по сравнению с грибами, выделенными из почв контрольных участков (ІЛСГ^-ІЛО-2?).

Б исследуемых почвах преобладающими видами грибов (73$) являются представители рода Репіоіїїіиш секции Авутоввігіса, что характерно для.данной дочвенно-климатической зоны (Мшцустия, 1975). Остальные виды принадлежат к родам Аарегеіііия, сіайоаро-Пит, Ривагіиш д ЗсориХагІорвів.

' Виды мивромицетов (ГвпІоШІїш сЬгтяовеїшпі, Р.кариасіааісії, Г.гиЬічш, Р.пієгіоаїш, Р.І&рІДовищ, Р.ГеІІиіапит, Р. івггеаігв, РваівІХХІїш вр. яз ірухшн Р.йеоитЪ«ая, Репіоіїїіит яр. из Группы Р.суеіоріші, РепІсШІит вр. из груигш Р.іЬотІІ, РвпІсіШит ер* и з -рруппц Р«ауогутів1с!і, Р*п1сі11±ига вр., їиаагіші еоіепі тат. вовгиіеиш, ¿врег^иііиа віііаоеия, + ДЗОЛИрО—

ванные из почв контрольных участков« имеют высокую частоту встречаемости (30-I00Í), что позволяет считать их типичными для этих мест обитания. Из почв» обогащенных медью и пинком, выделены как типичные виды с частотой встречаемости 40-60$ (Cladoeporium ар., C.elegantuliun,< PealcllXium 3antblnellum), так И редкие -

Р. charle asü, P.cyelopium, P.lllacinua, P«nlellllum ар. ИЗ группы P.nlgricana, Pealeillium sp* из группы janthi-aolliim ,P«nioilllum ар., S copular iopele Ъг«vioaulla, ílucor eatuminua (частота встречаемости 205Í).

Показано, что повышение уровня содержания меди к пинка приводит к обеднению видового состава грибов, обитающих в исследуемых почвах. Об этом свидетельствует уменьшение показателя видового разнообразия (Н) от 2,78 до 1,40, достигающего в экстремальных геохимических условиях минимальных значений (0-0,36). В этих местах обитания обнаружена доминирующая роль видов C.eleeeatulun и P.janthlaellwm, адаптированных к избытку меди и пинка в природной среде обитания и являщихся индикаторами на загрязнение почв этими металлами.

На основе проведенных исследований можно высказать предаою- ' жение об одном из возможных механизмов действия геохимических факторов среды обитания на комплекс почвенных микроорганизмов. В экстремальных геохимических условиях избыток тяжелых металлов в среде обитания ыахет„играть роль.селективного фжгрРЗ, отблрапзего более приспособленные организмы и способствующего формированию микробных сообществ; относительно обогащенных устойчивыми к высокому содержанию металлов грибами по сравнению с бактериями, адаптированными к более низким их концентрациям. Вероятно, возможны и другие пути воздействия геохимических факторов среды на комплекс почвенных микроорганизмов, изучение'которых представляет общебиологичесиий интерес.

Полученные данные расширял имеющиеся представления о эако-

номерностях формирования мшфобных ассоциаций в почвах (Мишустин, 1975) в иллюстрируют важную роль геохимических условий в этом ■ процессе.

Концентрирование мели И шшка микроорганизмами, изолированными из почв с различными содержанием _этих элементов _

Размеры концентрирования микроэлементов микроорганизмами характеризуют их биологические реакции на разный уровень содержания металлов в естественной среде обитания.

Мы изучали особенности концентрирования меди и цинка микроорганизмами на примере мшфоскопических грибов, выделенных из почв с разным содержанием этих металлов. Установлено, что при выращивании на среде без добавления металлов различные штаты грибов накашивают от 2,ЗЛО™4 до 8,8Л0-3$ (в среднем 1,3.10~^5) меди а от 1ЛСГ3 до б.ОЛО-3* (э среднем 7.8ЛСГ3*) цинка, С повышением уровня содержания всследуешх элементов в питательной среде от 1Л0~5 до 1Л0-1^ ил концентрирование изученными штаммами значительно возрастает: меди в 2766-4063 раза, достигая 6,ЗЛО-1 -13,4%, цинка в 160-1600 раз, достигая 4,0.Ю~1 - 16,

Нами показано, что размеры накопления меди ж цинка клетками микроскопических грибов зависят от степени их устойчивости к этим металлам (табл.I).

Из таблицы видно, что максю-шгьным поглощением элементов характеризуются организмы, способные расти при высоких концентрациях меди и цинка в питательной среде (ХЛО""1^), при »том поглотительная способность (отношение накопления элемента при предельной для роста концентрации к накоплению на среде без добавления элемента) клеток грибов в отношении меди выше, чем в отношении цинка (табл.1). Этим, по-видимому, можно объяснить и более высокую токсичность меди для микроорганизмов по сравнению с цинком.

Таблица!

Концентрирующая способность шкромицетов при различных концентрациях меди и цинка, предельных для роста

Концент- !Кол-во {Содержание элемента в ! Поглотительная рация (шкро- '.клетках, % на воэд, -сух.! способность элемента, (Мицетов, дВеШерТВО_ |_■

Н^мини- 1 такси-1 среднее'мини- !макса-!стюд-I маль- маль- ! !малш- 1маль- нее р0СТа** НОе ,Еов ! Ьое !ное _____1щтаг®гов_!________1______I_____

Медь

1.10-3 37,3 1,2. Ю-*3 2.1.НГ1 3.4.ДГ2 2 312 31

1.ПГ2 49,0 4,5. КГ2 6,9,10-1 2,5.I0-1 14 1500 374

I.Itr1 13,7 6,9. ИГ1 13,4 5,4 694 7750 3897

Д ив к

I.I0-3 15,7 1,3. И)"2 2,З.Ю-1 6Д.ИГ2 2 40 13

I.IO-2 . 33,3 2,5.Ю**2 6,0 5,9.I0"1 6 Ю68 114

1.Ю"1 51,0 4,0. ПГ1 16,8 3,0 58 1975 450

Различную степень токсичности элементов для организмов необходимо учитывать при определения ЦДК тяжелых металлов в окру- ' жавдей среде и при нормирования доз микроудобрений, вносишх в почву.

Выявлено, что у большинства изученных штаммов грибов (90,2£) поглощение меда из среды характеризуется наличием пороговых концентраций (глсг^.кг^) , при достижении которых на рис.4а) происходит интенсивное поглощение меди из средн. приводящее к увеличении ее содержания в клетках. Для цинка пороговые концентрации обнаружены лишь у 15,штаммов, у остальных культур накопление этого элемента из среда шло постепенно по

и>-и ■

Ряс.4 Накопление (I) меди и готика и рост (2) шк-ромицетов, изолированных их почв е разным содержанием -этих элементов

fiJO*tH**tt*<^^ Н

о*™«* » г*

мере увеличения его содержания в среда (рис.46). Среди изученных мшфомвцетов найдены организмы, у которых резкое возрастание накопления клетками ыеди в цинка сопровождалось подавлением роста (рис.4а). Это свидетельствует о том, что ограничение поглощения элементов из среда имеет значение для нормальной жизнедеятельности организмов и этот процесс можно рассматривать как овин из возможных механизмов адаптации микроорганизмов к избытку металлов в природной среде обитания.

Таким образом, проведенные исследования позволяют считать, что почвенные микроорганизма могут активно участвовать в извлечении меди и цинка из различных субстратов и играть важную роль в биогеохииичесяих превращениях этих элементов в биосфере.

Вовлечение меди я цинка в биогенную миграцию биомассой почвенных микроорганизмов в разных __ геохимических; условиях

Одним из показателей биологических реакций микроорганизмов на уровень содержания химических элементов в почве является интенсивность ях вовлечения в биогенную миграцию почвенной макрофлорой.

Показано, что в почвах Вшо-Уральского субрегиона биосферы в летний период суммарная биомасса грибов ж бактерий составляет 112-480 иг воадтсухого вещества на I кг воэд.-сухой почвы. Эта биомасса может концентрировать меди от 21,5 до 890,0 мг/кг и цинка.от6в,0до 675,3 мг/кг. Между уровнем содержания элементов в почве и концэнтрируадей способностью микробной биомассы установлена прямая достоверная .зависимость (коэффициент корреляции для меди равен 0,859, для гогока 0,917 при Р^ 0,99). В биомассе мнкрооргаяизмов,. обитащкх в почвах вне зон рудопро-явлеиий, как и в почве, цинк, преобладает над медью. Отношение с« j2n соответственно колеблется в пределах 0,19-0,53 и 0,410,58. В почвах,. обогащенных этими элементами,. наблюдается обратная закономерность - отношение Cu:Za составляет 1,11-2,95. С микробной биомассой в этих условиях меди связано больше, чем цинка (отношение Cu t Zn равно 1,25-^2,19).

В верхнем горизонте изученных почв (расчеты сделаны на почвенный слой площадью I га к глубиной 20 см) суммарная биомасса колеблется в пределах от 0,07 до 1,15 т. С ней может быть связа- . но о» 0,013 до 0,309 кг меди я от 0,008 до 0,247 кг цинка (соответственно 0,001-0,067SC я 0,001-0,130$ от общего содержания этих металлов в почвах).

Установлено, что в большинстве исследованных почв статнс-

тжческк достоверное увеличение размеров бжсмассы наблвдалось к осени к соответственно этому возрастало количество мэдд и цинка, вовлекаемое ею в биогенную миграцию (рис.5). Однако вне завис н-

Рис.5 Сезонные колебания размеров биомассы вочвеншг микроорганизмов (I), количество меди (2) н цинка (3), вовлекаемых ею в биогенную миграцию в разных геохимических условиях : а- т.Б-2; б -т.61; I - весна; П - лето; Ш - осень

мости от размеров биомассы и ее колебания, основный фактором, определяшцм степень вовлечения исследуемых элементов в биогенный щих почвенной микрофлорой, является уровень их содержания в естественное'среде обитания. Наглядно зависимость накопления меди биомассой почвенных микроорганизмов от уровня содержания этого металла в почве представлена на рис.6. Баи видно на рисунке, в экстремальных условиях щщ высоком содержании меди в почве (3120,0-9600,0 кг/га) определяющую , роль в накоплении этого элемента почвенными микроорганизмами играют не размеры биомассы, а уровень содержания кадя в почве. Зависимость размеров накопления элементов биомассой мжкроорганизиов от уровня их ее-

Ряс.6 Накопление меди биомассой почвенных микроорганизмов ври различном содержании этого элемента в почвах; I - биомасса; 2 - накопление меди биомассой

держания в почве подтверждается положительная достоверный коэффициентом корреляции, равным для меди 0,777, для цхшса 0,593 при Р> 0,99-0,95.

Таким образом, вами показано, что количество меди и цинка, вовлекаемое почвенной микрофлорой в биогенную миграцию в природных условиях, определяется в основном уровнем их содержания в почвах.

г х

В заключение следует отметить, что, как показано нашими исследованиями, длительное развитие микробоценоэа в условиях высокого содержания тяжелых металлов в почве приводит к формировании микробных комплексов, устойчивых к избытку металлов в среде, обладагвдюс высокой геохимической энергией, активно участвующих в биогеохимических превращениях химических элементов, от-ражашйх состояние экосистемы в целом а выполняют! важцул роль в поддержании ее гомеостаза. Вероятно, велика роль этих устойчивых комплексов я в накоплении а удержании питательных веществ в корнеобитаемом слое рекультивируемых отвалов, содержащих повышенные количества химических элементов и характеризующихся, как правило, неблагоприятными условиями для произрастания растений.

Полученные нами результаты дают возможность предположить направленность эволюционного процесса в условиях техвогенеэа в сторону формирования новых экологических фор*, более приспособленных б существованию в екстремальних геохимических условиях, находящихся вблизи лимитов биологического выживания. Организмы, обитающие в этих условиях,, могут служить ^ТТТН" объектом для изучения механизмов приспособления к экстремальным геохимическим факторам внешней среды.

вывода

I. В результате изучения ростовых реакций на медь я цинк у представителей различных систематических груші микрооргаки змов, обитающих в почвах 'с разным уровнем содержания этих элементов, установлены экологические различия пороговой чувствительности макроорганизмов к этим металлам, свидетельствующие об их адаптации к определенному уровню содержания меди и цинка в почвах. Обнаружена групповая изменчивость пороговой чувствительное-

тв к меди в цинку - наибольшей устойчивость!) к ним характеризуются микроскопические грибы, наименьшей - бактерия.

2. Установлено, что с ростом уровня содержания меля в цинка в почвах происходит изменение групповой структуры микробного комплекса за счет его обогащения микроскопическими грибами. На примере комплекса юосромяцетов показано изменение а. обеднеете его видового состава по мере увеличения концентрации меди и цинка в почве. Б экстремальных геохимических условиях обнаружена доминирующая роль видов Claioeporlum eleg&ntulum И Peal о і Ilium

j aat hi tie Hum » адаптированных к избытку меди ж цинка в природной среде обитания и являадихся ивдихаторами на загрязнение почв этими металлами.

3. Выявлено, что концентрирование меди и цинка микроорганизмами возрастает по мере увеличения содержания этих элементов в питательной среде и зависят от степени устойчивости организмов к ним и свойств изучаемых элементов. Максимальной поглотительной способностью обладают микроскопические гриба, способнне расти при высоких концентрациях этих металлов в среде. Для большинства изученных штаммов поглощение меди из среды характеризуется наличием пороговых концентраций, выше которых нарушается ограничение накопления этого элемента жз средн. Для цинка пороговые концентрации обнаружены лишь у отдельных штаммов.

4. На почвенных средах, характеризуоткхся природными концентрациями, соотношениями:* формами соединений изучаемых элементов, установлено, что в почвах, обогащенных металлами, микробная. биомасса накапливает в 7,5 раз больше меди ж в 2,1 раза больше цинка по сравнению с биомассой микроорганизмов, обитающих в почвах с низким содержанием этих элементов. Существенное влияние на размеры вовлечения мади и цинка в биогенный цикл

оказывает размеру биомассы а ее колебания.

5. Сравнительное изучение биологических реакций на медь и цинк у микроорганизмов, обиташих в ночвах с разным уровнем содержания этих элементов, показало, что длительное развитие шкро-боденоза в условиях обогащения почв медьо и цинком приводит к формированию микробных комплексов, устойчивых к избытку ЭТИХ металлов в среде, обладающее высокой геохимической энергией и активно участвующих в бкогеохимичееких превращениях меди я цинка в биосфере.

6. Показатели биологических реакций микроорганизмов на разный уровень содержания химических элементов в природной среде обитания (их пороговую чувствительность, изменение почвенного микробного комплекса, закономерности и величину концентрирования химических элементов) можно использовать в качестве критериев для оценки ответных реакций организмов на различный уровень содержания химических элементов в биосфере, при нормировании доз шкроудобрени й, вносимых в почвы для увеличения их биологической активности и при разработке способов интенсификации биогенной миграции миіфо «гамевтов о помощьв микроорганизмов при всрус-ственном создании их запасов в почвах ж водоемах, а также для целей биогеохимического районирования я разработки метода поиска рудных месторождений с помощью, микроорганизмов.

Список работ, опубликованных по теме• диссертация

I. Алексеева С.А. Накопление меди я цинка микроорганизмами, обитающими в почвах Шно-Уральского субрегиона биосферы. -В кн.: Микроорганизмы в защите н рациональном использования окружагаей среды, Рига, 1980, с.15.

Ковальский B.B., ЛетуноваС.В., Алексеева С.А. Накопление никеля-и других элементов биомассой почвенной микрофлоры в условиях йяо-Уральского субрегиона биосферы. - В кн, : Ш симпозиум по следовым элементам Лейппдгского универ. им. К. Маркса я венского универ. ям. Ф.Шиллера, ЩР, Йена, 1980, с. 163-169.

3. Ковальсвдй В.В., Кривящий В.А., Алексеева С.А., Лету-новаС.В. и др. Еаио-Уральский-субрегион биосферы. - В кн.: Биогеохимическое районирование я геохимическая экология. Тр.' Биогеохимич. яаб., т.19, И.: Паука, 1981, с,3-64.

4. Алексеева C.À., Летунова C.B. Геохимическая экология микроорганизмов в условиях Вкно-Урадьского субрегиона биооферы.-В кв.: ЭВсесоюзная конференция по проблемам микроэлементов в биология. Кишинев: Шгиянца, 1981, с.3-4.

5. Летунова C.B., Алексеева С.А., Вызова Г.А. Влияние геохимических факторов среды обитания ш групповую структуру микробных сообществ в почвах. - Экология, 1982, 2, с.ЭО-34.

6. Алексеева С.А. Характеристика микробных сообществ почв с разным содержанием меди, цинка я марганца. — В кн.: Никроор-ганязмы как компонент биогеоценоза. Алма-Ата: Изд-во КааГУ, 1982, С.263-264.

ИЯ Эак. 9985 пр. 100 вка. подписано s веча» ХО. 12.86г. 1-65453