Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Комплексная оценка микробиологического состояния почвы при хроническом и остром действии пестицидов

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Комплексная оценка микробиологического состояния почвы при хроническом и остром действии пестицидов"

005537386

На правах рукописи

БЕРЕЗИН ГРИГОРИЙ ИВАНОВИЧ

КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОЧВЫ ПРИ ХРОНИЧЕСКОМ И ОСТРОМ ДЕЙСТВИИ ПЕСТИЦИДОВ

03.02.08 - экология (биология), 03.02.01 - ботаника

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

7 но я т

Сыктывкар - 2013

005537386

Работа выполнена на кафедре экологии ФГБОУ ВПО «Вятский государственный гуманитарный университет»

Научные руководители: Домрачева Людмила Ивановна

доктор биологических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Вятская государственная сельскохозяйственная академия» кафедра биологии растений, селекции и семеноводства, микробиологии Кондакова Любовь Владимировна доктор биологических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Вятский государственный гуманитарный университет», заведующая кафедрой экологии Оппоненты: Хабибуллина Флюза Мубараковна, доктор биоло-

гических наук, доцент, ведущий научный сотрудник лаборатории биологии почвы и природовосстановле-ния отдела почвоведения ФГБУН Института биологии КНЦ УрО РАН

Дорохова Марина Феликсовна, кандидат биологических наук, старший научный сотрудника кафедры геохимии ландшафтов и географии почв географического факультета ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет» им. М.В. Ломоносова Ведущая организация: ГНУ Зональный научно-исследовательский институт

сельского хозяйства северо-востока им. Н. В. Рудницкого

1о

Защита диссертации состоится «09 » НО я Е Р 9 2013 г. в « /у — » часов на заседании диссертационного совета Д 004.007.01 в Федеральном государственном учреждении науки Институте биологии Коми научного центра УрО РАН, 167982, г. Сыктывкар, ул. Коммунистическая, д. 28

E-mail: dissovet@ib.komisc.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Коми научного центра Уральского отделения Российской академии наук по адресу: 167982, г. Сыктывкар, ул. Коммунистическая, д. 24

Автореферат разослан « 2. 4 » ОгЛ Я Г Р Я 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, Кудяшева

доктор биологических наук Алевтина Григорьевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Применение ядохимикатов обусловлено масштабными потерями урожая сельскохозяйственных культур от болезней, сорных растений и вредителей. По разным оценкам, в последние годы в мире насчитывается более 1000 химических соединений, на основе которых выпускают десятки тысяч препаративных форм пестицидов (Агроэкология, 2000). Токсическое действие пестициды оказывают не только на целевые организмы. Их многолетнее применение показало, что они обладают глобальным действием как на отдельные компоненты экосистем, так и на биосферу в Целом. Наиболее подвержена влиянию пестицидов почва, «здоровье» которой определяется группировками микроорганизмов, обеспечивающими важнейшие функции синтеза и деструкции органических веществ, круговорота биогенных элементов и др. Внесение в почву пестицидов, являющихся чужеродными для неё соединениями, может приводить к перерождениям микробных комплексов. Именно микроорганизмам принадлежит ведущая роль в трансформации и биодеградации пестицидов, в ходе которых последние используются в качестве источников углерода, азота, фосфора и энергии. При участии микроорганизмов или их ферментов в почве и воде происходят процессы гидролиза, окисления и восстановления пестицидов (Добровольский, Гришина, 1985; Круглов 1991; Ашихмина и др., 2010; Brusa, Del Puppo, 1995; Feng et al., 1998; Navarro et al., 2009; Biodégradation of Chlorpyrifos..., 2009). Проблема детоксикации старых пестицидов и продуктов их деструкции, а также исследования по влиянию новых поколений пестицидов на почвенную микробиоту для оценки степени их безопасности по-прежнему входят в число первоочередных задач биомониторинга.

Целью работы явилась комплексная оценка влияния пестицидов старого и нового поколений при остром и хроническом воздействии на микробные комплексы почв в районе захоронения ядохимикатов и в почвах агроэкосистем.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Выявить особенности альго-циано-микологических комплексов в почвах района захоронения ядохимикатов по видовому составу фототрофной микрофлоры и количественных характеристиках популяций водорослей, цианобак-терий (ЦБ) и микромицетов.

2. Оценить характер действия различных пестицидов на микробиологические группировки в модельных почвенных микрокосмах и агроэкосистемах.

3. Сравнить эффективность применяемых методов биотестирования и биоиндикации почвы, загрязненной пестицидами.

4. Изучить физиологический отклик почвенной ЦБ Nostoc paludosum на действие пестицидов.

Научная новизна. Впервые проведено комплексное исследование состояния почв с использованием методов химического анализа и выявления особенностей развития альго-циано-микологических комплексов в районе Киль-мезского захоронения ядохимикатов (Кировская область). Для оценки степени загрязнения почвы пестицидами использованы такие показатели состояния

микробоценозов, как видовой состав апьгофлоры, численность и биомасса аль-го-циано-микологических комплексов.

Проведено сравнение методов биоиндикации (по меланизации микоцено-зов и цианофитизации альгоценозов) и методов биотестирования (с использованием в качестве тест-объектов инфузорию Paramecium caudatum и люминесцентную генноинженерную бактерию Escherichia coli М-17) при оценке уровня загрязнения почвы.

Предложен новый метод оценки степени токсичности пестицидов по показателю дегидрогеназной активности ЦБ. Составлен ряд токсичности исследуемых пестицидов разных поколений при анализе действия почвенных вытяжек на уровень жизнеспособности клеток ЦБ Nostoc muscorum.

В ходе полевых опытов в агроценозах получены результаты, отражающие характер воздействия современных пестицидов на микробные комплексы почвы под зерновыми и бобовыми культурами, который проявляется, в первую очередь в изменении хода сезонных альгосукцессий.

Теоретическая и практическая значимость. Результаты исследования расширяют представления о специфике реакций почвенных водорослей, ЦБ и грибов на воздействие различных групп пестицидов. Доказано, что степень токсичности почвы при пестицидном загрязнении определяется доминированием ЦБ и меланизированных микромицетов в структуре микробных комплексов.

Изучены возможности применения отдельных штаммов ЦБ для оценки степени токсичности различных пестицидов. Выявлена коррелятивная зависимость между активностью каталазы и количеством живых клеток в популяции Nostoc paludosum. Доказана возможность использования таких показателей, как перекисное окисление липидов, каталазная активность и жизнеспособность клеток ЦБ в качестве биомаркеров стресса Nostoc paludosum на поллютанты различной природы.

Разработан новый комплексный подход в оценке экотоксикологического состояния почв, загрязненных пестицидами и продуктами их деструкции, при сочетании методов биоиндикации и биотестирования, а также метод оценки токсичности пестицидов различных групп и поколений с использованием ЦБ N. muscorum. Создана система практических рекомендаций по определению степени пестицидного загрязнения почвы с использованием химических, биоиндикационных и биотестовых методов.

Результаты диссертационного исследования внедрены в учебный процесс при чтении курсов лекций «Экология почв», «Экологическая токсикология», «Химия окружающей среды» в Вятском государственном гуманитарном университете; «Основы биомониторинга» в Вятском государственном университете; «Биомониторинг сельскохозяйственных экосистем», «Почвенная микология», «Микробные биотехнологии в сельском хозяйстве» в Вятской государственной сельскохозяйственной академии.

Апробация работы. Основные положения работы доложены на Всероссийской научной школе для молодежи «Инновационные методы и подходы в изучении естественной и антропогенной динамики окружающей среды»- (Киров, 2009), международной конференции «Водоросли и цианобактерии в при-4

родных и сельскохозяйственных экосистемах», посвященной 100-летию со дня рождения проф. Э. А. Штиной (Киров, 2010), Всероссийском симпозиуме с международным участием «Автотрофные микроорганизмы» (Москва, 2010), XVIII Всероссийской молодежной научной конференции «Актуальные проблемы биологии и экологии» (Сыктывкар, 2011), на III—VII Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Экология родного края - проблемы и пути их решения» (Киров, 2008-2013), Всероссийской научно-практической конференции «Биологический мониторинг природно-техногенных систем» (Киров, 2011), X Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Биодиагностика состояния природных и природно-техноген-ных систем» (Киров, 2012), VIII международной научно-практической конференции «Дни знания - 2012» (Прага, 2012), VIII научно-практической конференции «Новые научные достижения» (София, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 работ, в том числе 1 глава в коллективной монографии и 5 статей в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Личный вклад автора. Автор принимал активное участие на всех этапах подготовки диссертационной работы: при проведении полевых экспедиционных исследований, при отборе почвенных образцов, сборе и обобщении литературных источников по теме исследования, химическом анализе почв; микробиологических, биотестовых, биоиндикационных исследованиях и определении количественного состава почвенных водорослей и цианобактерий, определении количественных параметров микоценозов, обработке и интерпретации полученных данных. Определение видового состава почвенных фототрофов выполнено при участии автора.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и выводов, изложенных на 99 страницах машинописного текста, иллюстрированных 12 рисунками и 29 таблицами, приложения. Список литературы включает 149 наименований, в том числе 65 на иностранном языке.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Обзор литературы

Проведен ан&чиз работ об истории и направлениях изучения действия пестицидов на почвенную микробиоту, а также роли почвенной микробиоты в процессах трансформации и деструкции пестицидов. Рассматривается механизм воздействия пестицидов на автотрофную и сапротрофную микрофлору. Изучены возможности использования микроорганизмов как в биомониторинге пестицид-ного загрязнения окружающей среды и определении степени токсичности пестицидов, так и в роли биоремедиаторов загрязненной пестицидами почвы.

Глава 2. Объекты и методы исследования

Объектами исследования служили образцы почв с территории в районе Кильмезского захоронения ядохимикатов. Площадки мониторинга (ПМ) определены в рамках областной программы комплексного экологического монито-

ринга, который проводится с 2006 г. с участием сотрудников лаборатории биомониторинга Института биологии Коми НЦ УрО РАН и ВятГГУ.

Изучение влияния пестицидов нового поколения на почвенную микрофлору нами проводилось в серии полевых опытов на территории опытного поля Вятской ГСХА в рамках исследований по выявлению эффективности применения фунгицидов -и инсектицидов в посевах ярового ячменя и по изучению эффективности применения гербицидов в посевах лядвенца рогатого.

Методы исследований. Отбор почвенных образцов для проведения химического и микробиологического (с глубины 0-5 см) анализов осуществлялся согласно требованиям ГОСТ 17.4.3.01-83 «Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб» и ГОСТ 17.4.4.02-84 «Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа». Всего обработано 216 почвенных образцов.

Содержание пестицидов в почве ПМ определялись методами газожидкостной и тонкослойной хроматографии на базе аттестованной лаборатории токсического анализа ФГУ «Россельхозцентр». Содержание тяжелых металлов (ТМ) в почве определяли методом атомно-абсорбционной спектроскопии в аккредитованной экоаналитической лаборатории ВятГГУ.

Прямой микроскопический учет численности водорослей и ЦБ проводили тремя способами: на мазках (Домрачева, 2008), в камере Горяева и на стеклах обрастания. Биомассу водорослей и цианобактерий определяли объемно-расчетным методом. Определение видового состава водорослей и цианобактерий было проведено совместно с д. б. н., заведующей кафедрой экологии J1. В. Кондаковой. Для определения количественного обилия микромицетов использовался модифицированный метод прямого подсчета длины мицелия под микроскопом (Полянская, 1995).

Биотестирование проводили с использованием двух видов ЦБ: N. paludo-sum, и N. mitscorum тетразольно-топографическим методом (Применение тетра-зольно-топографического..., 2008), а также с применением аттестованных методик с использованием культур инфузорий Paramecium caudatum, люминесцентных генноинженерных бактерий Escherichia coli М-17.

Биоиндикация на степень токсичности почвы проводилась с использованием альго-циано-микологических группировок. Для этого методом прямого микроскопирования на мазках определялась численность фототрофных микроорганизмов (водорослей и ЦБ) в почвенных образцах с одновременным определением на тех же мазках длины мицелия микромицетов. Параллельно с определением длины грибного мицелия проводили дифференциацию популяций грибов на бесцветные и меланизированные формы (Методика определения токсичности проб почв методом биоиндикации по соотношению микромицетов с окрашенным и бесцветным мицелием № 224.03.13.048/2009).

Интенсивность перекисного окисления липидов (ПОЛ) в культуре ЦБ N. paludosum анализировали по цветной реакции тиобарбитуровой кислоты с малоновым диальдегидом, образующимся в процессе ПОЛ. За основу была взята методика определения ПОЛ в растительных тканях (Лукатин, 2002) в модификации (Комплексная оценка..., 2010). Активность каталазы определяли газо-

метрическим методом (Хазиев, 1990) в модификации, разработанной для циа-нобактерий (Комплексная оценка..., 2010).

Статистическую обработку результатов проводили с применением современного программного обеспечения (Microsoft Excel 2003, Statistica 6.0,), показавших точность и воспроизводимость полученных данных при проведении количественного учета водорослей, ЦБ и микромицетов. Погрешность в приведенных табличных данных представляет из себя границы доверительного интервала при Р=0,95.

Глава 3. Видовые и количественные особенности альго-цнано-микологнческих комплексов в районе полигона захоронения ядохимикатов

На территории Кильмезского полигона захоронения ядохимикатов с целью оценки состояния окружающей среды было заложено 8 площадок мониторинга (ПМ): 1К-8К. Почвы данной территории относятся к разным типам и обладают различным химическим составом (табл. 1).

Таблица 1

Свойства почв на площадках мониторинга_

ПМ Гори- Глуби- Орг. вещ-во, pH сол. Элементный состав, мг/кг

зонт на, см % Си Zn Pb Hf! As Mo Cd Ni

1К 1 0-10 1,25 4,3 29,8 34,0 6,6 0,085 3,7 0,29 0,14 32,1

5K Ао 0-2 21,0 4,3 5,7 46,3 14,0 0,07 1,5 0,23 0,31 12,7

5К А2В 2-15 1,24 4,0 5,9 37,7 6,4 0,042 2,4 0,18 0,17 14,4

8К(фон) Ао 0-2 34,70 3,9 6,0 51.2 12,2 0,082 1,4 0,28 0,19 10,2

8К(фон) А2В 2-10 1,54 3,9 7,0 48,0 7,S 0,056 1,8 0,50 0,16 20,6

4К Атп 0-5 39,9 5,4 5,8 29,6 7,4 0,13 3,9 0,31 0,19 11,3

4К A1G 5-20 2,77 5,1 5,8 15,0 5,4 0,087 1,7 0,18 0,11 9,8

6К Атп 0-3(7) 57,4 5,2 16,0 202 15,0 0,18 1,7 0,45 2,6 19,4

6К А 1 G 3(7)-15 6,56 4,9 6,7 23,5 8,1 0.051 1,2 0,21 0,22 12,9

7К Атп 0-7 40,5 4,9 10,7 111 9,2 0,19 7,9 0,49 0,65 31,3

7К A1G 7-20 16,32 4,8 12,8 140 10,9 0,25 11,8 0,63 0,74 36,5

2К(фон) Атп 0-3(7) 23,90 4,9 6,3 22,0 6,4 0,072 2,2 0,20 0,18 11,7

2К(фон) Al G 3(71-15 1,84 5,0 4,8 17,9 5,2 0,028 2,4 0.18 0,073 11,5

ЗК Ad 0-1(3) 28,35 5,4 12,1 82,7 12,9 0,067 •> "> 0,51 0,73 18,1

ЗК AI 3-15 2,92 4,2 12,1 58,3 9,8 0,054 2,8 0,41 0,31 19,4

ПДК - - - - 33- 55- 32- 2,1 2-5- 0,5- 20-40-

(ОДК) 66132 110220 65130 10 1-2 80

Примечание: жирным шрифтом выделены показатели, превышающие значения ПДК (ОДК). Первая цифра в значении ОДК соответствует песчаным и супесчаным почвам, вторая глинистым и суглинистым кислым (рН КС1 < 5,5), третья для глинистых и суглинистых близким к нейтральным (рН КС1 > 5,5).

ПМ 2К, 4К, 7К приурочены к пойменным террасам водотоков р. Осинов-ка (расположены в 5-10 м от водотоков). ПМ 6К расположена на пойменной террасе пересохшего водотока. Почвы данных участков аллювиальные пойменные перегнойно-глеевые. ПМ 2К расположена выше по течению р. Осиновка, она принята за фоновую для аллювиальных пойменных почв. ПМ 1К и 8К с подзолистыми песчаными почвами расположены на вершинах водоразделов. ПМ 1К (сложена насыпным грунтом, травостой сильно разрежен и сильно развит моховой покров, много особей сосны обыкновенной возраста 3-7 лет) за-

7

ложена непосредственно на территории ядомогильника, ПМ 5К и ЗК находятся ниже по склону от объекта в 50 и 200 м соответственно. Площадка 5К заложена в посадках сосны с нарушенными подзолистыми песчаными почвами. Площадка ЗК заложена на заброшенной пашне, почва дерново-подзолистая песчаная, травостой представлен в основном разнотравными видами и злаками. Фоновая площадка 8К (для подзолистых песчаных почв) с посадками сосны находятся в 5 км к востоку от захоронения, почвы подзолистые песчаные.

При альгологическом анализе в почвах Кильмезского полигона захоронения ядохимикатов было выявлено 56 видов почвенных водорослей и ЦБ, в том числе: Cyanophyta (Cyanobacteria) - 8 (14,3%), Chlorophyta- 33 (58,9%), Xantho-phyta- 8 (14,3%), Eustigmatophyta-4 (7,1%), BaciIlariophyta-3 (5,4%).

В районе объекта исследования доминируют представители отдела Chlorophyta (Bracteacoccus minor, Chlamydomonas gloeogama, Ch. oblortgella, Chlorella vulgaris, Chloroccocum infusionum, Coccomyxa solorinae и др.). Отмечено незначительное видовое разнообразие представителей отделов Xanthophyta и Eus-tigmatophyta (Pleurochloris pyrenoidosa, P. commutata, Eustigmatus magnus). Слабое развитие желтозеленых водорослей, чувствительных к техногенной нагрузке, указывает на нарушение естественной структуры альгосинузий. Из диатомовых водорослей встречены Hantzchia amphioxys, Luticola muíica, Stauroneis anceps. ЦБ представлены незначительным количеством видов. Из безгетероци-стных форм в почвах полигона доминируют представители рода Phormidium {Ph. autumnale, Ph. uncinatum, Ph. formosum). Азотфиксирующие виды ЦБ Cyl-indrospermitm catenatum, C. licheniforme, Nosíoc paliidosam развивались только на участках гидроморфных почв (2К, 6К).

Анализ видового разнообразия выявил специфику альго-цианобактери-альных группировок, сформировавшихся в различных типах почв на ПМ (см. рис. 1). Так, в подзолистых песчаных почвах объекта выявлено 39 видов: Cyanophyta- 1 (2,6%), Chlorophyta- 28 (71,8%), Xanthophyta- 6 (15,4%), Eustigmatophyta - 2 (5,1%), Bacillariophyta-2 (5,1%). НаПМ 1К из 13 выявленных видов 10 относятся к отделу Chlorophyta. Наибольшее число видов (30) отмечено на ПМ 5К. Фоновый участок 8К имеет более низкое видовое разнообразие (20 видов). В аллювиальных перегнойно-глеевых почвах (ПМ 2К, 4К, 6К и 7К) выявлено 37 видов почвенных водорослей и ЦБ: Cyanophyta- 6 (16,2%), Chlorophyta-21 (56,8%), Xanthophyta - 6 (16,2), Eustigmatophyta - 2 (5,4%), Bacillariophyta - 2 (5,4%).

В фоновом для гидроморфных почв варианте (2К) видовое разнообразие оказалось ниже опытных участков (рис. 1). При этом на участке 6К, на котором отмечено превышение ПДК (ОДК) Cd и Zn, видовое разнообразие водорослей почти в 3 раза выше фонового. В гидроморфных почвах участков отмечены гидрофильные виды: Oscillatoria agardhii, Chlorogonium leiostracum, Closterium pusillum, Cosmarium cucumis, Lobomonas rostrata.

Вероятно, на видовое разнообразие фототрофов в почве площадок мониторинга оказывают влияние: растительность, водный и световой режим, характер нарушенности территории, степень загрязнения.

1К зк 5К ЗК 2К 4К 6К 7К

площадка мониторинга

Рис. 1. Видовой состав водорослей и цианобактерий почв участков Кильмезского полигона захоронения ядохимикатов

Количественный учет водорослей и ЦБ в исследуемых почвах показал, что их численность колеблется в широких пределах: от 500 тыс. клеток/г почвы до 2500 тыс. клеток/г почвы. В подзолистых песчаных почвах наиболее высокая численность водорослей и ЦБ отмечена для участков 1К и ЗК (рис. 2).

пвдиатомовые

вояороели о зеленые водоросли

Шциаиобактерии

Рис. 2. Количественная характеристика фототрофных популяций

Этот показатель на контрольном участке 8К был в полтора раза ниже. Максимальные количественные показатели фототрофных микроорганизмов отмечены для гидроморфных почв на участках 6К и 4К. Низкая численность водорослей наблюдается на участках 7К и 2К (фон).

В ходе микологического анализа установлено, что максимальная длина мицелия характерна участка 4К и фоновой площадки 8К, минимальная длина мицелия наблюдается на ПМ 6К, 7К. Определение степени загрязнения почвы по соотношению микромицетов с окрашенным и бесцветным мицелием выявило минимальный уровень загрязнения для фоновых площадок, а максимальный - для ПМ 4К, 5К, 6К и 7К, где доля окрашенных форм составляет свыше 70% (табл. 2).

Таблица 2

Особенности развития микоцеиочов_

Площадки мониторинга Длина мицелия, м/г Структура популяции микромицетов, %

бесцветного окрашенного всего с бесцветным мицелием с окрашенным мицелием

1К 55,3±2,2 81,1±19,2 136,4±21,4 40,5 59,5

5К 33,3±3,1 121,6±11,4 154,9±14,8 21.5 78,5

8К(фон) 298,6±9,6 196,0±33,0 494,2±42,6 60,4 39,6

4К 94,7±19,2 222,1 ±10,9 316,8±30,1 29,9 70,1

6К 17,6±1,1 69,6±15,0 87,2±16,1 20,2 79,8

7К 19,4±2,3 52,2±2,5 71,6±4,8 27,1 72,9

2К(фон) 51,2±1,3 51,2±1,5 102,4±2,8 50,0 50,0

ЗК 71,4±3,5 127,7±20,0 199,1±23,5 35,9 64,1.

Примечание: площадки мониторинга в таблице сгруппированы по типу почвы.

Биомасса альго-циано-микологических комплексов колеблется в широких пределах - от 400 до 1300 кг/га. Анализ её структуры выявил доминирование биомассы микромицетов на большинстве участков (рис. 3).

Рис. 3. Структура альго-микологической биомассы (%)

Цианофитизация фототрофных комплексов (содержание ЦБ в количественной структуре фототрофных популяций составляет > 80%) свидетельствует о загрязнении ПМ 1К и 7К (см. табл. 3). Микоиндикация указывает на высокую степень загрязнения ПМ 4К, 5К, 6К, 7К. Биотестирование, выявляет как самые токсичные участки 4К и 7К. Комплексное применение методов биоиндикации и биотестирования позволило выявить самый загрязненный участок - ПМ 7К (по всем 4 используемым методам).

Таким образом, по результатам комплексных анализов (химических, биоиндикационных, биотестовых) выявлены наиболее загрязненные участки на территории Кильмезского захоронения ядохимикатов - 4К и 7К. На основании того, что данные участки находятся в понижении рельефа в направлении стока подземных вод с территории полигона захоронения ядохимикатов и обнаружения в почве участка 7К в количествах превышающих ПДК (ОДК) Аб и (см. табл. 1), можно предположить миграцию продуктов деструкции пестицидов в природном комплексе. 10

Таблица 3

Степень токсичности почвенных образцов_

Площадка мониторинга Методы биоиндикации Методы биотестирования

Содержание циано-бактерий в структуре фототрофных популяций, % Микромицеты с окрашенным мицелием, % Paramecium саи-datum, значение индекса токсичности Т, у. е. «Эколюм», значение индекса токсичности Т, у. е.

1К 84,7 59,5 0,40 21,1

5К 55.7 78,5 0,38 15,8

8К 68.8 36,9 0,20 8.2

4К 68.5 70,1 0,41 25,2

6К 20,5 79,8 0,25 12,1

7К 81,1 72,9 0,48 26,5

2К 61,0 50,0 0.38 18,2

ЗК 63,6 64,1 0,08 5.5

Примечание: жирным шрифтом выделены показатели, свидетельствующие о токсичности пробы по данной группе организмов.

Глава 4. Острое действие пестицидных препаратов на развитие альго-микологических комплексов

Изучение действия фунгицида дивиденд стар и инсектицида круйзер и их баковой смеси на почвенную микрофлору проводили в полевом опыте с яровым ячменем. Анализ почвенных образцов, отобранных в мае в фазу всходов ячменя, показал, что фунгицид дивиденд стар не только стимулирует размножение нитчатых зелёных водорослей и диатомей (в 10,2 и 8,3 раза соответственно), но и ускоряет ход протекания альгосукцессий, о чем свидетельствует появление в составе фототрофного комплекса группировок ЦБ (табл. 4).

Таблица 4

Влияние пестицидов на численность почвенных фогогрофных популяций ___в мае 2010 г. (тыс. клеток/г)_

Вариант Группы фототрофов* Всего Индекс Шенно-

О Н Д БГЦ фототрофов на-Винера

Контроль 68,8±1,9 5,4±0,8 1,3±0,2 0 75,5±2,9 0,34

Дивиденд стар 58,2±2,1 55,4±0,7 11,1±1,3 8,2 132,9±4,1 1,11

Круйзер 28,5±5,2 9,3±0,9 1,4±0,05 0 39,2±6,15 0,69

Дивиденд стар+ 27,5±2,5 13,9±4,0 1,1±0,03 0 42,5±6,5 0,74

круйзер

Примечание: *в таблицах 4-5 условные обозначения: О-одноклеточные зелёные и жёлтозе-лёные водоросли. Н-нитчатые зелёные и жёлтозелёные водоросли, Д-диатомовые водоросли, БГЦ - безгетероцистные цианобактерии, ГЦ - гетероцистные цианобактерии.

Как правило, появление ЦБ в составе альгоценозов в обычных условиях в умеренной зоне происходит во второй половине лета. Следовательно, дивиденд стар провоцирует более раннее размножение ЦБ. В то же время можно говорить и о репрессивном действии круйзера и смеси препаратов по отношению к одноклеточным зеленым водорослям. Применение пестицидов приводит к увеличению группового разнообразия почвенных фототрофов, о чем свидетельствует двукратное увеличение индекса Шеннона-Винера в вариантах с баковой смесью и круйзером и трехкратное — в варианте с препаратом дивиденд стар.

В дальнейшем, в условиях чрезвычайно жаркого и сухого лета (июнь-июль 2010 г.) главным лимитирующим фактором в развитии водорослей стала нехватка влаги, что привело к нивелировке действия пестицидов на количественное и групповое обилие водорослей (рис. 4).

В августе 2010 г., при достаточном увлажнении под влиянием пестицидов происходит существенная перестройка альгоценозов (табл. 5).

Таблица 5

Влияние пестицидов на численность почвенных фототрофных популяций

в августе 2010 г. (гыс. клеток/г)

Вариант Группы фототрофов Всего фототрофов Индекс Шеннона-Винера

О Н д Б ГЦ ГЦ

Контроль 157,4±1,1 - 8,8±0,5 - - 166,2±1,6 0,21

Дивиденд стар 109,2±3,2 - 28,2±0,6 105,6 - 243,0±3,8 0,97

Круйзер 84,9±10,2 - 0,7 - - 85,6±10,2 0,05

Дивиденд стар+ круйзер 71,9±12,2 7,4±0,4 8,6±1,2 8,6 47,9±2,7 144,4±16,5 1,20

Примечание: прочерк (-) означает, что данная группа фототрофов не обнаружена.

Так, если групповое разнообразие популяций фототрофов в контрольном варианте ограничивается только одноклеточными формами зеленых и диатомовых водорослей, то использование пестицидов дивидент стар и его баковой смеси с круйзером приводит к стимуляции размножения ЦБ, причем в варианте с использованием баковой смеси, где наблюдается наибольшее групповое разнообразие, развиваются как безгетероцистные, так и азотфиксирующие формы. Применение препарата круйзер наоборот угнетает групповое разнообразие популяций почвенных фототрофов относительно контрольного варианта.

Таким образом, препарат дивиденд стар и его баковая смесь с препаратом круйзер выступают как активаторы развития почвенной микрофлоры, его применение приводит к ускорению хода альгосукцессий в почве и повышению группового разнообразия популяций фототрофов, стимулируя более раннее появление в составе альгоценозов их прокариотного компонента - ЦБ.

Рис. 4. Влияние пестицидов на сезонную динамику численности фототрофных микроорганизмов в 2010 г.

При изучении специфики развития альго-микологических популяций под влиянием гербицидов гербитокс и пивот в почве под культурой лядвенца рогатого в июле и сентябре 2011 г. установлено, что оба гербицида ингибируют размножение зеленых водорослей (незначительно в июле и сильно в сентябре). В то же время происходит стимуляция размножения диатомовых водорослей (табл. 6).

Таблица 6

Влиянне гербицидов на численность почвенных водорослей в 2011 г.

Вариант Численность водорослей, тыс. клеток/г

Июль Сентябрь

Зеленые Диатомовые Всего Зеленые Диатомовые Всего

Контроль 733±150 470±50 1203±200 7200±170 470±50 7670±220

Гербитокс 530±60 470±150 1000±210 П00±100 800±100 1900±200

Пивот 630±230 570±320 1200±550 11 ОСЫ 00 630±150 1730±250

Влияние гербицидов на развитие микромицетов (табл. 7) проявилось в значительном подавлении их численности в варианте с препаратом гербитокс. Препарат пивот оказывает незначительное стимулирующее воздействие на численность микромицетов.

Таблица 7

Вариант Численность фрагментов мицелия, тыс./г Структура популяций, %

Июль Сентябрь

Июль Сентябрь Б О Б О

Контроль 1800±30 1637±238 53,9 46,1 65,2 34,8

Гербитокс 1330±100 740±200 37,6 62,4 63,5 36,5

Пивот 2003±247 2030±310 18,5 81.5 36 64

Примечание: Б - мицелий бесцветный, О - мицелий окрашенный.

Действие препаратов привело к явному доминированию меланизирован-ных форм микромицетов в структуре их популяций. В июле это явление характерно для действия обоих препаратов, однако к сентябрю структура популяций в варианте с гербитоксом практически аналогична контрольной. В то же время гербицид пивот индуцирует почти двукратное преобладание окрашенных форм в структуре популяции микромицетов и в июле, и в сентябре.

Глава 5. Воздействие пестицидов на организмы разной систематической принадлежности

В первой серии модельных лабораторных опытов изучали действие пестицидов старого и нового поколений на почвенную микрофлору. Для этого пестициды в почву вносили в производственных дозах и инкубировали в течении 3-х месяцев. При снятии опыта в контрольном варианте наблюдали преобладание водорослей и незначительное развитие ЦБ (см. рис. 5). Внесение большинства испытуемых пестицидов приводило к подавлению развития водорослей и вспышкам размножения ЦБ, что говорит о высокой токсичности препаратов для эукариотных водорослей. Лишь пестициды нового поколения (инсектицид круйзер и гербицид гербитокс) были малотоксичны для них.

пмвот

гербитокс круйзер дивиденд стар ексахлорбенэол ДДТ

"- Водоросл и Цизнобакте

£>0 100

Рис. 5. Влияние пестицидов на развитие фототрофных комплексов почвы (структура популяции, %)

Под воздействием пестицидов происходит изменение структуры микоце-нозов (рис. 6): резкое снижение содержания микромицетов с бесцветным мицелием и возрастанием количественного обилия окрашенных форм.

гербитокс круйзер дивиденд стар ге кс а хлорбензол

ддт

симазин контрол ь>

а бесцветные

формы ез окрашенные формы

О 20 40 60 вО 10О

Рис. 6. Влияние пестицидов на структуру популяции микромицетов, %

В ходе эксперимента доказано, что наиболее токсичным из тестируемых пестицидов является ДДТ. Наименее токсичным - является гербитокс.

Во второй серии опытов почву после предыдущего исследования (с внесенными пестицидами) отобрали для определения токсичности почвенной вытяжки тетразольно-топографическим методом с использованием альгологиче-ски чистой культуры ЦБ N08(00 ттсогит (табл. 8).

Таблица 8

Влияние пестицидов на жизнеспособность клеток /Уау/ас тиБсогит

Вариант Клетки живые, % Клетки мертвые. % Индекс токсичности

Контроль 95,83±0,66 4,17 1

Симазин 82,20±9,47 17,80 0,86

ДДТ 60,96±1,53 39,03 0,64

Гексахлорбензол 78,53±5,13 21,47 0,82

Дивиденд стар 83,23+1,01 16,77 0,87

Круйзер 79,00±0,40 21,00 0,82

Гербитокс 90,10±2,10 9,90 0,94

Пивот 89,90±7,46 11,10 0,93

На основании вычисленного индекса токсичности исследуемых пестицидов был построен их ряд в порядке убывания токсичности: ДДТ > гексахлор-бензол = круйзер > симазин = дивиденд стар > гербитокс = пивот. Максимальная токсичность почвенной вытяжки отмечается в вариантах с внесением пестицидов старого поколения: ДДТ, гексахлорбензола и симазина. При этом была выявлена тесная корреляционная взаимосвязь между уровнем меланизации популяций микромицетов и снижением количества живых клеток Мм/ос тизсогит (г = 0,84).

Следовательно, острое влияние пестицидов старого и нового поколений приводит к резкому изменению структуры альго-циано-микологических комплексов, которое проявляется в доминировании цианобактериального компонента в фототрофном комплексе и увеличении доли меланизированных микромицетов в структуре микоценозов.

Выявление показателей состояния микробных популяций, адекватно отражающих степень токсического действия поллютантов различной природы, имеет большое значение. В этом плане большой интерес представляют широко распространенные в природе уникальные прокариотные фототрофы - ЦБ.

Проведено сравнительное изучение влияния гербицида трефлан и других поллютантов на такие показатели состояния популяции ЦБ N03(00 раЫйозит, как плотность клеток, их жизнеспособность, перекисное окисление липидов (ПОЛ) и активность каталазы.

В качестве токсикантов выбраны соединения, являющиеся загрязнителями в городских и сельскохозяйственных экосистемах: ТМ (ацетат свинца и сульфат меди), хлорид натрия, бензин и гербицид трефлан. Концентрации поллютантов соответствовали для ТМ 5 ПДК, для бензина и хлорида натрия - 5% от объёма культуральной среды, для трефлана была выбрана производственная доза - 0,2%.

Испытуемые поллютанты вносили в двухмесячную накопительную культуру МмГос раЫйозит и оставляли на 7 суток. Определение плотности популяции ЦБ показало, что только внесение РЬ и трефлана ведет к снижению численности клеток по сравнению с контролем примерно вдвое (табл. 9).

Таблица 9

Влияние токсикантов на плотность, жизнеспособность и изменение каталазнон активности и интенсивность процессов ПОЛ _|_ популяции Л'оШс ра1и(1о$ит__

Вариант Плотность, клеток/мл-107 Количество клеток, % Активность каталазы, мл СЬ/мин Содержание МДА, нмоль/мл

живых мертвых

Контроль 3,40±0,27 99,06±0,32 0,94 11,5±1,32 1,43

1,79±0,12 85,13±3,77 14,87 4,0±0,25 2,77

Си*+ 2,16±0,21 0 100 0,3±0,02 8,26

№С1 2,43±0,11 21,7±0,48 78,29 3,3±0,43 2,64

Трефлан 1,6±0,15 8,77±0,85 91,23 3,2±0,37 5,17

Бензин 2,30±0,21 0 100 0,6±0,05 2,72

В то же время любые вносимые токсиканты снижают жизнеспособность культуры /V. paludosum. Более 90% клеток ностока гибнет под влиянием треф-лана. Полная гибель популяции регистрируется при действии меди и бензина. Определение жизнеспособности клеток позволило составить ряд в порядке убывания степени токсичности испытуемых соединений в виде: Си = бензин > трефлан > NaCl > Pb.

Установлено также, что внесение поллютантов в культуру N. paludosum приводит к возрастанию интенсивности процессов перекисного ПОЛ (см. табл. 9). В большей степени отмечали увеличение уровня малонового диаль-дегида (МДА) в вариантах с медью и трефланом - в 5,9 и 3,6 раза соответственно по сравнению с контролем. Значительное накопление в культуре N. paludosum МДА свидетельствует о том, что поллютанты инициируют процессы ПОЛ, вызывая повреждение клеточных мембран и нарушение функционирования клеток. Так, в вариантах с медью и трефланом происходит значительное накопление МДА с максимальным количеством мертвых клеток ЦБ (см. табл. 9). В варианте с бензином также все клетки ЦБ были нежизнеспособны, но уровень ПОЛ был ниже, чем в вариантах с медью и трефланом. По-видимому, это связано с особенностями биотрансформации бензина, которая идёт по пути окислительной деструкции с поглощением активного кислорода.

Изучение активности каталазы показало, что максимальная величина этого показателя выявлена в контрольном варианте, а минимальные значения - в вариантах с внесением меди и бензина (см. табл. 9). Активность каталазы в культуре с внесением поллютантов имела тесную корреляцию с количеством живых клеток (г = 0,84).

Таким образом ряд токсичности соединений, выявленный по каталазе имеет почти такой же вид, Си > бензин > трефлан = NaCl > Pb, как и по жизнеспособности клеток.

Результаты определения каталазной активности показывают, что даже после полной гибели клеток (варианты с медью и бензином) сохраняются и проявляют активность ферментные системы, вероятно, во внеклеточной среде.

Таким образом, доказана тесная коррелятивная зависимость между активностью каталазы и количеством живых клеток в популяции N. paludosum, а также возможность использования таких показателей, как ПОЛ, каталазная активность и жизнеспособность в качестве биомаркеров стресса N. paludosum на поллютанты различной природы. При этом наиболее простым, доступным и экспрессным методом определения токсичности соединений для изучаемого штамма ЦБ является метод определения жизнеспособности клеток с помощью ТТХ.

ВЫВОДЫ

1.В почвах территории Кильмезского захоронения ядохимикатов выявлено 56 видов почвенных водорослей и ЦБ: Cyanophyta- 8, Chlorophyta- 33, Xanthophyta- 8, Eustigmatophyta- 4, Bacillariophyta- 3. Наибольшее видовое разнообразие представлено отделом Chlorophyta - 58,9%. Видовое разнообразие в подзолистых песчаных почвах колеблется от 13 до 30 видов при этом отмечены участки с более высоким и более низким видовым обилием относительно

фонового. В аллювиальных перегнойно-глеевых почвах количество видов на ПМ колеблется от 10 до 27 видов, при этом для этих ПМ характерно более высокое видовое разнообразие относительно контроля.

2. Плотность фототрофных популяций в исследуемых почвах достаточно велика и находится в пределах от 500 до 2500 тыс. кл/г, с показателями биомассы от 95,3 до 1024,2 кг/га. В тоже время эдификаторами микробоценозов в условиях хронического загрязнения пестицидами являются микромицеты, доля биомассы которых в суммарной альго-микологической биомассе может составлять до 85,4%.

3. На основе комплексного анализа почвы, включающего методы биоиндикации (по соотношению в структуре микрофототрофов водорослей и ЦБ и доли меланизированных микромицетов в структуре грибных популяций), методы биотестирования (с использованием инфузории Paramecium caudatum и люминесцентной генноинженерной бактерии Escherichia coli М-17) и химического анализа на территории Кильмезского захоронения ядохимикатов выявлено 2 наиболее загрязненных участка. Данные участки находятся в понижении рельефа в направлении стока подземных вод с территории полигона захоронения ядохимикатов.

4. При изучении действия различных пестицидов на микробиологические группировки почв доказан ингибирующий эффект гербицидов пивот и герби-токс, а также инсектицида круйзер на развитие зеленых водорослей. При использовании фунгицида дивиденд стар наблюдается повышение группового разнообразия почвенных фототрофов. Установлено, что происходит ускорение хода альгосукцессии в почве под влиянием фунгицида дивиденд стар и его баковой смеси с инсектицидом круйзер.

5. Методами биоиндикации (по анализу структур фототрофных и грибных популяций) и биотестирования (по изменению жизнеспособности культуры ЦБ N. muscorum в почвенных вытяжках) определен круг наиболее токсичных препаратов: ДДТ > гексохлорбензол = круйзер > симазин = дивиденд стар > герби-токс = пивот. Максимальной токсичностью для фототрофных группировок и микромицетов обладают препараты старого поколения.

6. Установлено, что влияние пестицидов на культуру ЦБ не специфично и проявляется в изменении таких показателей состояния N. paludosum, как снижение плотности популяции, существенном снижении жизнеспособности клеток, подавлении каталазной активности и активизации процессов ПОЛ. Выявлена тесная коррелятивная зависимость между активностью каталазы и количеством живых клеток в популяции N. paludosum. Наиболее простым, доступны,м и экспрессным методом определения токсичности соединений для изучаемого штамма ЦБ является тетразольно-топографический метод определения дегид-рогеназной активности клеток.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ:

1. Комплексная оценка состояния цианобакерии Nostoc paludosum Kütz при воздействии различных поллютантов [Текст] / С. Ю. Огородникова, Ю. Н. Зыкова, Г. И. Березин и др. // Теоретическая и прикладная экология. -2010. -№3.- С. 47-51.

2. Состояние цианобактерии Nostoc linckia в условиях загрязнения среды никелем и нефтепродуктами и перспективы ее использования в качестве биосорбента [Текст] / А. И. Фокина, С. С. Злобин, Г. И. Березин и др. // Теоретическая и прикладная экология. -2011. -№ 1. - С. 69-75.

3. Содержание тяжелых металлов и групповой состав фототрофов в природных биоплёнках Nostoc commune как отклик на особенности местообитания [Текст] / Е. А. Горностаева, А. И. Фокина, Л. В. Кондакова, С. С. Злобин, Г. И. Березин // Вестник уральской медицинской академической науки. Тематический выпуск по микробиологии, иммунологии и биотехнологии. — 2011. — №4/1.-С. 167-168.

4. Помелов, А. В. Адаптационные резервы высшего растения и почвенной альгофлоры при действии пестицидов [Текст] / А. В. Помелов, Г. И. Березин, Л. И. Домрачева // Теоретическая и прикладная экология,- 2011.- №3.-С. 87-94.

5. Реакция почвенной микробиоты на действие пестицидов (обзор) [Текст] / Л. И. Домрачева, Т. Я. Ашихмина, Л. В. Кондакова, Г. И. Березин // Теоретическая и прикладная экология. -2012. -№ 3. -С. 4-18.

Статьи и материалы в других изданиях:

6. Монография: Микроорганизмы как биосорбенты поллютантов [Текст] / А. И. Фокина, Л. И. Домрачева, Ю. Н. Зыкова, Г. И. Березин и др. // Особенности урбоэкосистем подзоны южной тайги Европейского Северо-Востока. — Киров: Изд-во ВятГГУ, 2012. - С. 232-253.

Подписано в печать 24.10.2013 г. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ № 254.

Отпечатано

в полиграфическом цехе Издательства ВятГГУ, 610002, г. Киров, ул. Ленина, 111, т. (8332) 673-674

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Березин, Григорий Иванович, Сыктывкар

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение Высшего профессионального образования «Вятский государственный гуманитарный университет»

На правах рукописи

БЕРЕЗИН ГРИГОРИИ ИВАНОВИЧ

04201364393

КОМПЛЕКСНАЯ ОЦЕНКА МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОЧВЫ ПРИ ХРОНИЧЕСКОМ И ОСТРОМ ДЕЙСТВИИ

ПЕСТИЦИДОВ

03.02.08 - экология (биология), 03.02.01 - ботаника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научные руководители: доктор биологических наук, профессор Л.И. Домрачева; доктор биологических наук, доцент Л.В. Кондакова

Сыктывкар - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................5

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................10

РЕАКЦИЯ ПОЧВЕННОЙ МИКРОБИОТЫ НА ДЕЙСТВИЕ ПЕСТИЦИДОВ .................................................................................................................................10

1.1. Механизм действия пестицидов на клетки микроорганизмов..................12

1.2. Действие пестицидов на сапротрофную почвенную микрофлору...........15

1.3. Действие пестицидов на фототрофные микроорганизмы.........................20

1.4. Использование микроорганизмов в биомониторинге пестицидного загрязнения окружающей среды и определении степени токсичности пестицидов.............................................................................................................23

1.5. Роль микроорганизмов в биоремедиации почв, загрязнённых пестицидами...........................................................................................................29

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ...................................35

2.1. Характеристика районов исследования.......................................................35

2.2.1. Методика отбора почвенных проб для химического и микробиологического анализа.............................................................................39

2.2.2. Определение химического состава почвы................................................39

2.2.3. Методы определения пестицидов..............................................................40

2.2.4. Определение видового состава почвенных водорослей и цианобактерий .........................................:.......................................................................................40

2.2.5. Количественный учёт водорослей и цианобактерий...............................40

2.2.6. Определение длины гиф грибного мицелия.............................................41

2.2.7. Определение биомассы альго-циано-микологических комплексов почвы......................................................................................................................42

2.2.8. Методики биотестирования.......................................................................42

2.2.9. Методика определения перекисного окисления липидов (ПОЛ)..........45

2.2.10. Методика определения активности каталазы........................................45

2.2.11. Расчет индекса биоразнообразия Шеннона-Винера и коэфициента сходства флористического состава Жакара........................................................46

2.2.12. Статистическая обработка и достоверность результатов.....................47

ГЛАВА 3. ВИДОВЫЕ И КОЛИЧЕСТВЕННЫЕ ОСОБЕННОСТИ АЛЬГО-ЦИАНО-МИКОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ В РАЙОНЕ ПОЛИГОНА ЗАХОРОНЕНИЯ ЯДОХИМИКАТОВ................................................................48

3.1. Видовой состав альгоценозов.......................................................................48

3.2. Количественная характеристика альго-микологических комплексов на территории ядомогильника..................................................................................55

3.3. Биомасса альго-микологических комплексов.............................................60

3.4. Биоиндикация и биотестирование состояния почвы в раойне Кильмезского захоронения ядохимикатов с использованием организмов различной систематической принадлежности...................................................64

ГЛАВА 4. ОСТРОЕ ДЕЙСТВИЕ ПЕСТИЦИДНЫХ ПРЕПАРАТОВ НА РАЗВИТИЕ АЛЬГО-МИКОЛОГИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ.........................67

4.1. Влияние гербицида трефлан на почвенные микробные комплексы.........68

4.2. Развитие почвенных фототрофных микробных комплексов в условиях пестицидного воздействия под культурой ярового ячменя сорта Эльф.........72

4.3. Влияние гербицидов на развитие альго-микологических комплексов под культурой лядвенца рогатого...............................................................................80

ГЛАВА 5. ВОЗДЕЙСТВИЕ ПЕСТИЦИДОВ НА ОРГАНИЗМЫ РАЗНОЙ СИСТЕМАТИЧЕСКОЙ ПРИНАДЛЕЖНОСТИ................................................83

5.1. Оценка воздействия пестицидов старого и нового поколений на развитие почвенных микробных комплексов.....................................................................83

5.2. Сравнительная оценка воздействия различных поллютантов на состояние цианобактерии Nos toc paludosum........................................................................87

5.3. Потенциал ЦБ как биоремедиаторов почв..................................................92

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................96

ВЫВОДЫ:..............................................................................................................98

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................100

ПРИЛОЖЕНИЕ...................................................................................................118

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Применение ядохимикатов обусловлено масштабными потерями урожая сельскохозяйственных культур от болезней, сорных растений и вредителей. По разным оценкам, в последние годы в мире насчитывается более 1000 химических соединений, на основе которых выпускают десятки тысяч препаративных форм пестицидов (Агроэкология, 2000). Токсическое действие пестициды оказывают не только на целевые организмы. Их многолетнее применение показало, что они обладают глобальным действием как на отдельные компоненты экосистем, так и на биосферу в целом. Наиболее подвержена влиянию пестицидов почва, «здоровье» которой определяется группировками микроорганизмов, обеспечивающими важнейшие функции синтеза и деструкции органических веществ, круговорота биогенных элементов и др. Внесение в почву пестицидов, являющихся чужеродными для неё соединениями, может приводить к перерождениям микробных комплексов. Именно микроорганизмам принадлежит ведущая роль в трансформации и биодеградации пестицидов, в ходе которых последние используются в качестве источников углерода, азота, фосфора и энергии. При участии микроорганизмов или их ферментов в почве и воде происходят процессы гидролиза, окисления и восстановления пестицидов (Добровольский, Гришина, 1985; Круглов 1991; Ашихмина и др., 2010; Brusa, Del Puppo, 1995; Feng et al., 1998; Navarro et al., 2009; Biodégradation of Chlorpyrifos..., 2009). Проблема детоксикации старых пестицидов и продуктов их деструкции, а также исследования по влиянию новых поколений пестицидов на почвенную микробиоту для оценки степени их безопасности по-прежнему входят в число первоочередных задач биомониторинга.

Целью работы явилась комплексная оценка влияния пестицидов старого и нового поколений при остром и хроническом воздействии на микробные комплексы почв в районе захоронения ядохимикатов и в почвах агроэко-систем.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Выявить особенности альго-циано-микологических комплексов в почвах района захоронения ядохимикатов по видовому составу фототрофной микрофлоры и количественных характеристиках популяций водорослей, ци-анобактерий (ЦБ) и микромицетов.

2. Оценить характер действия различных пестицидов на микробиологические группировки в модельных почвенных микрокосмах и агроэкосисте-мах.

3. Сравнить эффективность применяемых методов биотестирования и биоиндикации почвы, загрязненной пестицидами.

4. Изучить физиологический отклик почвенной ЦБ Nostoc paludosum на действие пестицидов.

Научная новизна. Впервые проведено комплексное исследование состояния почв с использованием методов химического анализа и выявления особенностей развития альго-циано-микологических комплексов в районе Кильмезского захоронения ядохимикатов (Кировская область). Для оценки степени загрязнения почвы пестицидами использованы такие показатели состояния микробоценозов, как видовой состав альгофлоры, численность и биомасса альго-циано-микологических комплексов.

Проведено сравнение методов биоиндикации (по меланизации микоце-нозов и цианофитизации альгоценозов) и методов биотестирования (с использованием в качестве тест-объектов инфузорию Paramecium caudatum и люминесцентную генноинженерную бактерию Escherichia coli М-17) при оценке уровня загрязнения почвы.

Предложен новый метод оценки степени токсичности пестицидов по показателю дегидрогеназной активности ЦБ. Составлен ряд токсичности исследуемых пестицидов разных поколений при анализе действия почвенных вытяжек на уровень жизнеспособности клеток ЦБ Nostoc muscorum.

В ходе полевых опытов в агроценозах получены результаты, отражающие характер воздействия современных пестицидов на микробные комплексы почвы под зерновыми и бобовыми культурами, который проявляется, в первую очередь в изменении хода сезонных альгосукцессий.

Теоретическая и практическая значимость. Результаты исследования расширяют представления о специфике реакций почвенных водорослей, ЦБ и грибов на воздействие различных групп пестицидов. Доказано, что степень токсичности почвы при пестицидном загрязнении определяется доминированием ЦБ и меланизированных микромицетов в структуре микробных комплексов.

Изучены возможности применения отдельных штаммов ЦБ для оценки степени токсичности различных пестицидов. Выявлена коррелятивная зависимость между активностью каталазы и количеством живых клеток в популяции Мэ^ос ра1ис1о811т. Доказана возможность использования таких показателей, как перекисное окисление липидов, каталазная активность и жизнеспособность клеток ЦБ в качестве биомаркеров стресса ИобШс ра1ис1охит на поллютанты различной природы.

Разработан новый комплексный подход в оценке экотоксикологическо-го состояния почв, загрязненных пестицидами и продуктами их деструкции, при сочетании методов биоиндикации и биотестирования, а также метод оценки токсичности пестицидов различных групп и поколений с использованием ЦБ N. тшсогит. Создана система практических рекомендаций по определению степени пестицидного загрязнения почвы с использованием химических, биоиндикационных и биотестовых методов.

Результаты диссертационного исследования внедрены в учебный процесс при чтении курсов лекций "Экология почв", "Экологическая токсикология", "Химия окружающей среды" в Вятском государственном гуманитарном университете; "Основы биомониторинга" в Вятском государственном университете; "Биомониторинг сельскохозяйственных экосистем", «Почвенная

микология», «Микробные биотехнологии в сельском хозяйстве» в Вятской государственной сельскохозяйственной академии.

Апробация работы. Основные положения работы доложены на Всероссийской научной школе для молодежи «Инновационные методы и подходы в изучении естественной и антропогенной динамики окружающей среды» (Киров, 2009), международной конференции «Водоросли и цианобактерии в природных и сельскохозяйственных экосистемах», посвященной 100-летию со дня рождения проф. Э. А. Штиной (Киров, 2010), Всероссийском симпозиуме с международным участием «Автотрофные микроорганизмы» (Москва, 2010), XVIII Всероссийской молодежной научной конференции «Актуальные проблемы биологии и экологии» (Сыктывкар, 2011), на III-VII Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Экология родного края - проблемы и пути их решения» (Киров, 2008-2013), Всероссийской научно-практической конференции «Биологический мониторинг природно-техногенных систем» (Киров, 2011), X Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Биодиагностика состояния природных и природно-техногенных систем» (Киров, 2012), VIII международной научно-практической конференции «Дни знания - 2012» (Прага, 2012), VIII научно-практической конференции «Новые научные достижения» (София, 2012).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 работ, в том числе 1 глава в коллективной монографии и 5 статей в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Личный вклад автора. Автор принимал активное участие на всех этапах подготовки диссертационной работы: при проведении полевых экспедиционных исследований, при отборе почвенных образцов, сборе и обобщении литературных источников по теме исследования, химическом анализе почв; микробиологических, биотестовых, биоиндикационных исследованиях и определении количественного состава почвенных водорослей и цианобакте-

рий, определении количественных параметров микоценозов, обработке и ин-

8

терпретации полученных данных. Определение видового состава почвенных фототрофов выполнено при участии автора.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и выводов, изложенных на 99 страницах машинописного текста, иллюстрированных 12 рисунками и 29 таблицами, приложения. Список литературы включает 149 наименований, в том числе 65 на иностранном языке.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность и признательность за неоценимую помощь и поддержку научным руководителям д.б.н., проф. J1. И. Домрачевой, д.б.н., доц. JI. В. Кондаковой. Особую благодарность выражаю д.т.н., проф. Т. Я. Ашихминой за возможность проведения диссертационных исследований на базе экоаналитической лаборатории ВятГГУ. Отдельная благодарность - А.И. Фокиной, С.Ю. Огородниковой, Е.В. Дабах, Е.А. Домниной, Г.Я. Кантору, A.B. Помелову, Д.Л. Старковой, сотрудникам и аспирантам кафедры кафедры биологии растений, селекции и семеноводства, микробиологии Вятской ГСХА, а также всем коллегам и соавторам публикаций.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

РЕАКЦИЯ ПОЧВЕННОЙ МИКРОБИОТЫ НА ДЕЙСТВИЕ

ПЕСТИЦИДОВ

Первоначально пестициды создавались как целевые препараты направленного действия против развития нежелательных для человека групп организмов в агроценозах и других антропогенно преобразованных экосистемах. В основном, это синтетические соединения: хлорорганические, фосфорорга-нические, триазины, производные карбаминовой кислоты, а также неорганические: медь-, серу-, ртутьсодержащие препараты. Необходимость применения ядохимикатов обусловлена огромными потерями урожая сельскохозяйственных культур от вредителей и болезней, которые в мировом земледелии, по самым скромным прогнозам, составляют от 24 до 46%. По разным оценкам, в последние годы в мире насчитывается более 1000 химических соединений, на основе которых выпускают десятки тысяч препаративных форм пестицидов (Агроэкология, 2000). Как правило, пестициды классифицируют по целевому назначению: гербициды - для борьбы с сорняками; инсектициды -с насекомыми-вредителями; акарициды - с клещами; фунгициды - с фитопа-тогенными грибами; зооциды - с вредными позвоночными; альгициды - для уничтожения водорослей в водоёмах при «цветении» воды и др.

Десятилетний опыт применения пестицидов показали, что эти препараты обладают глобальным действием на процессы, происходящие в биосфере, и стали одним из мощных антропогенных факторов, воздействующих на био-ту в целом и её составляющие. Относясь к кумулятивным ядам, пестициды оказывают токсическое действие не только на организмы-мишени, но и на экосистемы в целом, модифицируя их. Анализу пестицидов как токсикантов окружающей среды посвящены многочисленные исследования. В монографиях, учебниках и учебных пособиях по экологии и охране природы в главах, посвящённых применению пестицидов, всегда содержатся разделы, в которых приведены сведения о пестицидах как одном из главных факторов загрязнения окружающей среды, обладающих сильнейшим мутагенным, кан-

ю

церогенным, тератогенным, иммунодепрессивным действием на человека и животных.

«Здоровье» почвы обусловлено наличием в ней определённых группировок микроорганизмов, осуществляющих важнейшие функции синтеза и деградации органических веществ, азотфиксации, гумификации, круговорота биогенных элементов и др. Однако привнесение в почву чужеродных для неё соединений, в данном случае пестицидов, может приводить к локальным или глобальным для данной территории перерождениям микробных комплексов. С другой стороны, именно микроорганизмам принадлежит ведущая роль в трансформации и биодеградации пестицидов, в ходе которых последние используются в качестве источников углерода, азота, фосфора и энергии. При участии микроорганизмов или их ферментов в почве и воде происходят процессы гидролиза, окисления и восстановления пестицидов (Добровольский, Гришина, 1985; Brusa, Del Puppo, 1995; Feng et al., 1998; Ашихмина и др., 2010). С этими процессами тесно связана проблема детоксикации пестицидов в окружающей среде.

В работах по изучению действия пестицидов на почвенную микробио-ту принято выделять три направления: оценка влияния пестицидов на основные процессы, осуществляемые микроорганизмами в почве; анализ изменений численности и видового состава представителей разных таксономических групп микроорганизмов в сочетании с проверкой чувствительности отдельных видов к тому или иному пестициду; экологический анализ изменений в составе и организации сообществ микроорганизмов и всей микробной системы в целом, происходящих под влиянием пестицидов (Микробиологические аспекты..., 1989).

В данном обзоре приведён ана