Комплексы водорослей, цианобактерий и грибов городских почв и их реакции на действие поллютантов

Зыкова, Юлия Николаевна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Комплексы водорослей, цианобактерий и грибов городских почв и их реакции на действие поллютантов
ВАК РФ 03.02.03, Микробиология

Автореферат диссертации по теме "Комплексы водорослей, цианобактерий и грибов городских почв и их реакции на действие поллютантов"

На правах рукописи

Зыкова Юлия Николаевна

КОМПЛЕКСЫ ВОДОРОСЛЕЙ, ЦИАНОБАКТЕРИЙ И ГРИБОВ ГОРОДСКИХ ПОЧВ и ИХ РЕАКЦИИ НА ДЕЙСТВИЕ ПОЛЛЮТАНТОВ

03.02.03. - микробиология

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

16 пАП 2073

005059037

Москва 2013

005059037

Работа выполнена на кафедре ботаники, физиологии растений и микробиологии агрономического факультета Вятской государственной сельскохозяйственной академии

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор Домрачева Людмила Ивановна

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук, доцент кафедры биологии почв, факультета почвоведения МГУ имени М. В. Ломоносова Лысак Людмила Вячеславовна

кандидат биологических наук, доцент кафедры микробиологии и иммунологии, факультета почвоведения, агрохимии и экологии РГАУ-МСХА имени К. А. Тимирязева Ванькова Анна Андреевна

Ведущая организация: Государственное научное учреждение научно-исследовательский институт сельского хозяйства Северо-Востока Россельхозакадемии, г. Киров

Защита состоится «</<Уз » 2013 года в /У'^на заседании диссертационного совета Д 501.002.13 при Московском государственном университете имени М. В. Ломоносова по адресу: 119991, Москва, ГСП-1, Ленинские горы, МГУ имени М. В. Ломоносова, д.1, строение 12, факультет почвоведения.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ имени М. В. Ломоносова

Автореферат разослан <<^> « (9 ^ » 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор ииологических наук,

профессор Зенова Галина Михайловна

Актуальность темы. Урбанизация - один из прогрессирующих процессов на планете. С каждым годом стремительно увеличивается площадь урбанизированных территорий и доля населения, проживающая в городах. Экосистемы городов радикально отличаются от примыкающих к ним природных биоценозов и сельскохозяйственных экосистем. Урбанизация ландшафтов приводит к существенному изменению рельефа, водного, воздушного, геохимического режимов местности, изменению состава флоры, фауны, микробиоты. Неотъемлемый компонент структуры наземных экосистем - почва - выполняет множество экологических функций, обеспечивающих жизнь обитающих в почве и на её поверхности организмов. Экологические функции почвы в своём проявлении обусловлены морфологическими, физическими и химическими свойствами почв (Добровольский, 2012; Чернов, 2012). Городские почвы резко отличаются от зональных по таким признакам, как кислотность, содержание загрязняющих веществ, водный и тепловой режимы. Изменение химического режима почвы сказывается и на функционировании микробных сообществ (Звягинцев, 1987; Кабиров, 1991; Лысак, Сидоренко,' 1998; Добровольская и др., 2001-Артамонова, 2002; Киреева и др., 2005; Марфенина, 2005; Терехова, 2007; Лысак, 2010 и др.)! В частности, происходит усиление роли в педоценозах патогенных и оппортунистических форм бактерий и грибов, резко возрастает численность наноформ бактерий, меняется структура популяций микромицетов, сглаживаются зональные особенности почвенной альгофлоры, обедняется её видовое разнообразие. Однако до настоящего времени недостаточно изучена специфика формирования и функционирования комплексов водорослей, цианобактерий (ЦБ) и грибов городских почв, для которых показана особая роль в статусе почв сельскохозяйственных, луговых и лесных экосистем (Штина, 1955 - 1997; Штина, Голлербах, 1975; Алексахина, Штина, 1984; Панкратова, 1982, 1989; Дубовик, 1995-Домрачева, 2005; Кузяхметов, 2006).

Целью работы было изучение структуры комплексов водорослей, цианобактерий и грибов городских почв и выявление их реакций на действие различных поллютантов. Задачи исследования:

1. Видовая и количественная характеристика внутрипочвенных и наземных фототрофных микробных группировок.

2. Изучение влияния различных поллютантов на структурные особенности, ход сукцессий фототрофных микробных сообществ, физиологический отклик отдельных видов цианобактерий и сообщества в целом.

3. Определение сорбционных возможностей отдельных штаммов цианобактерий и цианобактериальных комплексов.

Научная новизна* Впервые проведено комплексное изучение структуры комплексов почвенных водорослей, ЦБ и грибов в зонах г. Кирова с разной техногенной нагрузкой. Установлено, что максимальное видовое обилие фототрофов характерно для парковой и промышленной зон. Выявлен феномен «цветения» городских почв и субстратов, сообщества которых представляют многовидовые комплексы, с плотностью фототрофных популяций от 18 до 47 млн. кл./см . Доля эукариотных водорослей в подобных сообществах колеблется от 2 до 12% при абсолютном доминировании ЦБ. Показано, что постоянным значимым компонентом «цветения» почвы являются микромицеты, структура популяций которых служит важным индикационным признаком в биодиагностике.

Впервые выявлены факты и специфические особенности зимней вегетации альгофлоры, включая «цветение» почвы.

Установлено, что под влиянием различных поллютантов изменяется ход сукцессий в природных биоплёнках Nostoc commune.

Предложены методы комплексной оценки адаптационных возможностей пггаммов ТТБ Nostoc paludosum, N. muscorum, N. linckia, природных биоплёнок N. commune и природных биоплёнок с доминированием безгетероцистных цианобактерий (БГЦ) на действие таких поллютантов, как нефтепродукты (НП), хлорид натрия, ионы меди и никеля по возрастанию интенсивности процессов перекисного окисления липидов (ПОЛ), снижению концентрации

хлорофилла а в клетках, изменению каталазной активности и жизнеспособности клеток, изменению плотности популяций фототрофов и бактерий-спутников.

Доказана высокая сорбционная способность чистых культур ЦБ и природных цианобактериальных биоплёнок, выделенных из почв г. Кирова, по отношению к ионам меди и никеля.

Практическая значимость. Результаты диссертации дополняют представления о влиянии поллютантов на видовой состав, численность и структуру комплексов водорослей, ЦБ и грибов урбапозёмов. Данные исследования показывают, что для биоиддикации состояния сред, загрязненных ионами тяжёлых металлов (ТМ) и НП, перспективно использование биоиндикационного метода по соотношению микромицетов с бесцветным и окрашенным мицелием; цианобактериального анализа, учитывающего соотношение группировок гетероцистных (ГЦ) и безгетероцистных (БГЦ) форм, а также соотношение эукариотных и прокариотных фототрофов. С целью проведения биотестирования состояния окружающей среды возможно определение жизнеспособности клеток ЦБ тетразольно-топографическим методом. Выявлены цианобактериальные штаммы, обладающие высокой сорбционной активность по отношению к ТМ и НП, что может служить основой для получения биосорбентов.

Установлены условия, при которых природный комплекс БГЦ ЦБ способен очищать водные растворы от ионов меди (II) и никеля (II), а также выявлен высокий потенциал в обезвреживании ТМ у природных биоплёнок Nostoc commune и чистых культур N. Paludosum и N. llnckia. На основании полученных данных возможно создание надёжного и эффективного биопрепарата для биоремедиации загрязнённых природных сред.

Личное участие автора. Автором проведены аналитический обзор литературы, планирование экспериментальной работы, отбор почвенных образцов, получена основная часть фактических данных, проведена интерпретация полученных результатов.

Апробация работы. Материалы диссертации представлены на научных конференциях: 9-ая научная конференция аспирантов и соискателей «Науке нового века — знания молодых» (Киров, 2009); 4-я областная научно-практическая конференция молодёжи «Экология родного края: проблемы и пути их решения» (Киров, 2009); 2-ая Всероссийская научно-практическая конференция «Водоросли: проблемы таксономии, экологии и использование в мониторинге» (Сыктывкар, 2009); Всероссийская научно-практическая конференция, посвящённая 65-летию агрономического факультета «Инновационные технологии - в практику сельского хозяйства» (Киров, 2009); Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития» (Киров, 2009); Всероссийский симпозиум с международным участием «Современные проблемы физиологии, экологии и биотехнологии микроорганизмов», посвящённый 125-летию со дня рождения академика В. Н. Шапошникова и 120-летию со дня рождения профессора Е. Е. Успенского (Москва, 2009); Всероссийская научно-практическая конференция молодых учёных, аспирантов и соискателей, посвящённая 80-летию Вятской ГСХА «Науке нового века - знания молодых» (Киров, 2010); Всероссийская научно-практическая конференция молодёжи «Экология родного края: проблемы и пути их решения» (Киров, 2010); Международная научно-практическая конференция, посвящённая 100-летию со дня рождения профессора Э. А. Штиной «Водоросли и цианобактерии в природных и сельскохозяйственных экосистемах» (Киров, 2010); 2-ой Всероссийский симпозиум с международным участием «Автотрофные микроорганизмы» (Москва, МГУ, 2010); Вторая научно-практическая конференция «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки» (Владикавказ, СОГУ, 2011); Международная научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов и соискателей «Науке нового века - знания молодых» (Киров, ВГСХА, 2011); Всероссийская молодёжная научно-практическая конференция «Экология родного края: проблемы и пути их решения» (Киров, ВятГГУ, 2011); Всероссийский симпозиум «Экология мегаполисов: фундаментальные основы и инновационные технологии» и Школа молодых учёных по экологической физиологии

растений (Москва, МСХА им. Тимирязева, 2011); VI съезд общества почвоведов им. В. В. Докучаева Всероссийская с международным участием научная конференция «Почвы России: современное состояние, перспективы изучения и использования» (Петрозаводск - Москва, ПГУ.2012)

Публикации. По результатам исследований опубликовано 26 научных работы, в том числе 1 коллективная монография и 3 статьи в журналах рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, выводов, списка литературы, включающего 265 наименований, в том числе 73 зарубежных издания. Работа содержит 160 страниц текста, 13 рисунков, 42 таблицы.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность и признательность за неоценимую помощь и поддержку научному руководителю д.б.н., профессору Л. И. Домрачевой; к.б.н., доценту Л. В. Кондаковой; к.б.н., доценту А. И. Фокиной; к.б.н., доценту С. Ю. Огородниковой, всем членам кафедра ботаники, физиологии растений и микробиологиии им. Э. А. Штиной ВГСХА и сотрудникам лаборатории биомониторинга Института биологии Коми НЦ УрО РАН и Вятского государственного гуманитарного университета.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Объекты и методы исследования.

В работе использовали образцы почв, отобранные на территории г. Кирова в промышленной, транспортной, селитебной и парковой зонах.

Объектами исследования были природные внутрипочвенные фототрофные комплексы микроорганизмов, образцы «цветущей» почвы, наземные биоплёнки и чистые культуры ЦБ.

Численность клеток водорослей и ЦБ, определяли методом прямого счёта под микроскопом на мазках с одновременным определением их биомассы объёмно-расчётным методом (Домрачева, 2005). Длину мицелия микромицегов и их биомассу определяли па тех же мазках методом Л.М. Полянской (1996) в нашей модификации.

Видовой состав фототрофов выявляли методом водных и чашечных культур (Голлербах, Штина, 1969). Титр клеток ЦБ в водных культурах определяли с помощью камеры Горяева (Практикум..., 2005).

Учет эколого-физиологических групп сапротрофных микроорганизмов вели методом посева на селективные питательные среды (Теппер, 2004).

Жизнеспособность клеток ЦБ определяли по активности дегидрогеназы тетразольно-топографическим методом (Домрачева и др., 2008), основанным на превращении в живых клетках бесцветного 2,3,5-трифенилтетразолий хлорида в кристаллы 2,3,5-трифенилформазана, имеющего красную окраску.

Активность каталазы определялась методом перманганатометрии и газометрически (Хазиев., 2005).

Количественное определение подвижных и валовых форм ТМ было проведено методами атомно-абсорбционной спектроскопии (ААС) (Методика выполнения измерений массовых долей токсичных металлов в пробах природных, питьевых и сточных вод атомно-абсорбционным методом. ФР.1.31.2007.03683, Москва. 13с.) и инверсионного электрохимического анализа (ИЭА) (Сборник методик измерений массовой концентрации ионов меди, свинца, кадмия, цинка, висмута, марганца, никеля и кобальта методом вольтамперометрии на вольтамперометрическом анализаторе «Экотест-ВА». М.: ООО «Эконикс-Эксперт», 2004. 61 е.). Пробоподготовку почвенной вытяжки проводили согласно описанным нормам (Практикум по агрохимии, 2001).

Количественное определение нефтепродуктов проводили на приборе «КН-2М» (Методика измерения массовой доли нефтепродуктов в питьевых, природных и очищенных сточных водах методом ИК-спектрометрии. Количественный химический анализ почв. ПНД Ф 14.1:2.4.168-2000. 22 е.).

Новые разработки

Пробоподготовка культуральной жидкости ЦБ к определению ТМ

Для определения остаточного содержания ТМ культуру ЦБ отфильтровывают, 2 мл фильтрата переносят в фарфоровую чашку и проводят «мокрое» озоление двумя миллилитрами концентрированного раствора соляной и азотной кислоты. Сухой остаток растворяют в 5 мл концентрированного фонового раствора для инверсионного электрохимического анализа. Приготовленный раствор можно использовать не только для ИЭА, но и для ААС. Для ААС можно не проводить специальной пробоподготовки, непосредственно использовать фильтрат.

Изменение концентрации ионов никеля (II) в растворе в присутствии чистых культур Nostoc linckia (Roth.) 273 и Nostoc paludos um (Külz.) 18

Культуры ЦБ Nostoc linckia и Nostoc paludosum в контрольном и опытном вариантах выращивали на жидкой среде Громова № 6 без азота в течение 3-х недель. Перед постановкой опыта культуры гомогенизировали. Рост культур проходил в люминостате при постоянной температуре (+25°С) и освещении 3000 лк. Тигр ЦБ при постановке опыта составлял 7-106 клеток/мл. Параллельно в такой же промежуток времени выращивали культуры без токсиканта. Через 21 сутки в жидкость с чистыми от токсиканта культурами был внесен никель в количестве 20 мг/л, чтобы сравнить, как изменится концентрация никеля при контакте с гомогенизированной культурой за 21 сутки с изменением концентрации никеля после контакта с «окрепшей», сбившейся в «плёнки» культурой, но за 1 сутки.

Изменение концентрации никеля (II), меди (II) и нефтепродуктов в присутствии культуры ЦБ Nostoc linckia

Никель и НП брали в концентрациях 2 и 20 мг/л, а также их смесь. Культуру ЦБ в контрольном и опытном вариантах выращивали на жидкой среде Громова № 6 без азота в течение 2-х недель в люминостате при постоянной температуре (+25°С) и круглосуточном освещении (3000 лк). Титр ЦБ при постановке опыта составлял 7-106 клеток/мл. Изменение концентрации никеля (II) и меди (II) в водном растворе в присутствии природных биоплёнок с доминированием безгетероцистных ЦБ

Опыты проведены с ненарушенными и гомогенизированными плёнками. Гомогенизацию культуры проводили при 11000 об./мин. в течение 1 минуты. Концентрацию токсиканта определяли после его суточной экспозиции с культурой ЦБ. После определения наиболее оптимальной для контакта формы ЦБ определяли титр микроорганизмов, необходимый для снижения концентрации токсикантов до уровня ПДК и ниже. После этого устанавливали время, при котором будет максимальное снижение концентрации ионов металлов в растворе.

Изменение концентрации никеля (II) и меди (II) в водном растворе в присутствии природных биопленок с доминированием Nostoc commune

Никель и медь брали в концентрациях 2 и 20 мг/л, а также их смесь. Сухую, растёртую в ступке до порошкообразного состояния многовидовую плёнку Nostoc commune, помешали в растворы с токсикантами. Через сутки определяли остаточное содержание ионов никеля и меди в фильтрате.

Количественное определение физиолого-биохимических параметров ЦБ и культуральной жидкости ЦБ после контакта с поллютантами Определение жизнеспособности клеток в природных биоплёнках ЦБ

После контакта ЦБ с токсикантами полностью отделяли раствор, содержащий поллютант, и культуру заливали 0,075% раствором ТТХ, выдерживали 1 сутки, далее

плгпчппп ,iftTAm»vo пппопАп^иио «ГИЧИР^ППГПЙНПЛТИ VTTPTnif

rtVHVlUVBtU". ------------------------------------------

Определение каталазной активности ЦБ после воздействия токсиканта

После экспозиции культуры ЦБ с токсикантом отбирали 5 мл суспензии и помещали её в одно из колен сосуда Ландольта. В другое колено помещали 5 мл 3% раствора пероксида водорода. Для поддержания pH к ЦБ добавляли 0,01 г карбоната кальция. После смешения

раствора пероксида с суспензией микроорганизмов замеряли объём кислорода, выделяющегося в течение 5 минут. Определение перекисного окисления липидов

Интенсивность ПОЛ в культурах ЦБ анализировали по цветной реакции тиобарбитуровой кислоты с малоновым диальдегидом (МДА), образующимся в процессе ПОЛ. За основу была взята методика определения ПОЛ в растительных тканях (Лукаткин, 2002) в нашей модификации. Для анализа отбирали 1 мл гомогенизированной культуры ЦБ, добавляли ТРИС-НС1 буфер (рН=7,6) и 0,5% раствор тиобарбитуровой кислоты в 20% трихлоруксусной кислоте. Полученный раствор кипятили на водяной бане в течение 30 минут. Оптическую плотность фильтрата определяли на спектрофотометре 8ресо1-1100 при длине волн 532 нм (Огородникова и др., 2010). Определение хлорофилла а и феофитина в клетках ЦБ

Содержание хлорофилла а и феофитина определяли по монохроматической методике. Брали 2,5 мл гомогената ЦБ, добавляли 3 мл ацетона, на кончике шпателя немного соли СаСОз и растирали в ступке. Растёртую массу переносили в пробирку для центрифугирования, полученный раствор переливали в кюветы толщиной 1 см. Далее измеряли оптическую плотность раствора, сравнивая с плотностью кюветы с ацетоном, на спектрофотометре вресоШОО при двух длинах волн 750 нм и 665 нм. Затем добавляли в кюветы с растворами ЦБ 0,2 мл 1% НС1 и перемешивали, ждали 2-5 мин и снова измеряли оптическую плотность при двух длинах волн. Концентрацию рассчитывали по формуле, предложенной Лоуренцом (>1ее1ат, Меепи, 2009).

Определение морфологических особенностей популяций и отдельных микроорганизмов

Морфологию поверхности цианобактерий определяли методом сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ). Сканирование вели в режиме атомно-силовой микроскопии на СЗМ ^оЕ<1исагог в полуконтактном режиме. Разрешающая способность скана составила 50 нм в горизонтальной плоскости и 4 нм по вертикали (Миронов, 2005; Неволин, 2005). Образцы цианобактерий готовили осаждением из культурального раствора на чистое покровное стекло с последующим высушиванием при 20°С.

Статическую обработку данных проводили с применением пакетов прикладных программ ЗШййка 6.0.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Особенности комплексов водорослей, цианобактерий и грибов городских почв Альфлора городских почв. Альгофлора почв г. Кирова представлена отделами СуапорИуШ -36 видов, ВасШагюрНуШ - 8, ХапЛорНуШ - 9, ЕшН&паЮрЬ)Ла - 6, СЫогорИуЧа - 35. Всего выявлен 91 вид (рис. 1).

100 80 60 40 20 0

-28-

-49-

шш

~24

ЙШЗЕ

■8—9—

Щ'

Промышленная Транспортная

Парковая

Всего видов

|Е1СуапорЬу1а □ Еиз^таЮрЬуИ

0 ВасШагюрИуи И СЫогорЬуИ

И ХапЙюрЬуш □ Суммарно по зонам

Рис. 1. Таксономический состав почвенных водорослей и ЦБ различных зон г. Кирова.

Наиболее богатая альгофлора цианопрокариот - 28 видов - отмечена в районах размещения промышленных предприятий, что ещё раз подтверждает положение об особой устойчивости данной группы фототрофных микроорганизмов (Кондакова, Домрачева, 2007). Доминантами в этих сообществах являются различные виды ЦБ родов Мм/ос и РИогтгсИит. Представители ХапНюрИ^а, которых считают наиболее чувствительными к загрязнению, наиболее многочисленны в парках (6 видов). Представительство зелёных водорослей по численности видов практически одинаково во всех исследованных зонах. Численность водорослей и ЦБ в городских почвах. Учёт численности клеток водорослей и ЦБ показал, что городские почвы обильно заселены микрофототрофами. Основную роль в почвенных альгоценозах по этому показателю, так же как по видовому составу, играют ЦБ (табл. 1).

Таблица 1

Пределы колебаний численность клеток микрофототрофов в городских почвах

(тыс.клеток/г).

Место отбора проб Водоросли Цианобактерии Всего

Районы промышленных предприятий 200 - 250 1217-2983 1467-3183

Транспортная зона 330-400 1180-2117 1580-2417

Парковая зона 320 - 330 1180 - 2743 1510-3063

«Цветение» городских почв. Внутрипочвенный пул фототрофов является матричной основой для возникновения «цветения» почв. Максимальное видовое обилие в плёнках «цветения» характерно для промышленной (29 видов) и парковой (20 видов) зон. При этом основной вклад в видовую структуру наземных фототрофных комплексов вносят ЦБ (рис. 2).

19 20

1 < И 7 8

□в! н а,п! в,

Промышленная Селитебная Парковая Транспортная

□ СуапорЬу1а Ш ВасШагюрЬуй Б СЫогорЬ>1а ■ Всего видов

Рис. 2. Количество видов фототрофов в плёнках «цветения» почв г. Кирова.

Определение количественных характеристик наземных сообществ показало, что плотность клеток в плёнках «цветения» чрезвычайно велика и колеблется в разных зонах города от 18 до 47 млн./см2 (табл. 2).

Таблица 2

Показатели численности клеток водорослей и цианобактерий в плёнках «цветения» в различных зонах города (тыс./см^).__

Зона Зелёные Диатомовые Цианобактерии Всего

обследования водоросли водоросли БГЦ ГЦ

Промышленная 1265±40 515±20 5850±150 18600±1000 26300

Селитебная 446±42 2050±57 17978±781 0 20474

Пайковая 0 540±30 10660±500 7070±213 18270

Транспортная 200±Ю 610±20 43360±900 3500±210 46860

Примечание: здесь и далее в таблицах - БГЦ - безгетероцистные цианобактерии, ГЦ - гетероцистные цианобакгерии.

Различные группы фототрофов принимают различное участие в формировании структуры наземных разрастаний (табл. 3). Особенно показателен факт доминирования БГЦ ЦБ (от 60 до 100% в структуре популяций ЦБ). Доминирование азотфиксирующих гетероцистных (ГЦ) ЦБ в промышленной зоне (район ТЭЦ), вероятно, обусловлено тем, что «цветение» в данном случае развивается не на почве, а на безазотистом субстрате из опилок

и песка. _ , ,

Таблица 3

Структура популяций фототрофов в плёнках «цветения» (%).

----_____1. ТТияил^яъ

Зона обследования

Промышленная

Селитебная

Парковая

Транспортная

Фототрофы

водоросли

6,8

12,2

2,9

1,7

цианобактерии

93,2

87,8

97,1

98,3

Цианобактерии

безгетероцистные

23,9

98,2

60,1

92,5

гетероцистные

76,1. 1.!

39,9

7,5

Для изучения в динамике состояние поверхностных разрастаний в одной из наиболее загрязнённых точек города - районе ТЭЦ, пробы грунта (опилки с наносным песком) с поверхностными разрастаниями отбирали в июле 2008-2009 гг. Определение видового состава фототрофов показало, что в формировании наземных разрастаний принимают участие гетероцистные и безгетероцистные ЦБ, а также водоросли из отделов ВаыПапорЬ^а и СЫогорЬу^а. При этом в годы наблюдений видовой состав фототрофов менялся незначительно - 25 видов в 2008 г. и 27 видов в 2009 г. Основной вклад в видовую структуру сообществ вносят ЦБ (15 видов в 2008 г. и 18 видов в 2009 г.). Доминирующие позиции занимают ГЦ ЦБ из рода №«гос (Ы. раЫотт, N. рипсфгте, N. ИпсШа/. тшсогит).

Результаты количественного учёта показывают, что численность^ фототрофов в поверхностных разрастаниях очень велика и составляет 34 млн. клеток/см в 2008 г. и 26 млн клеток/см2 в 2009 г. (табл.4). Сравнивая показатели плотности популяций по годам, можно видеть, что снижение этого показателя происходит во всех группах фототрофов. Возможным объяснением данного явления является разрастание высших растений, затенение и уменьшение свободной поверхности. Поселение растений стало возможным благодаря накоплению азота вследствие азотфиксирующей деятельности ЦБ. Таким образом, налицо классическая сукцессия: голый грунт - фотосинтезирующие азотфиксирующие ЦБ - высшие

растения.

Численность фототрофов в поверхностных разрастаниях

Таблица 4

Группы фототрофов Численность клеток

2008 год 2009 год

Зеленые водоросли 2,19±0,90 1,26±0,40

Диатомовые водоросли 1,00±0,03 0,51±0,02

Водоросли (всего) 3,19±0,93 1,77±0,42

БГЦ ЦБ 8,94±0,50 5,85±1,50

ГЦ ЦБ 22,82±0,76 18,60±1,00

ЦБ (всего) 31,76*1,26 24,45±2,50

Фототрофы (всего) 33,95±2,19 26,22±2,92

ПОМИМО фиШХриЦШО, ЧИД!)^»^"»!)" и------—

микромицеты. Результаты количественного анализа показали, во-первых, что за год длина грибного мицелия существенно снизилась (почти в 5 раз) и, во-вторых, что в оба года

гкиых грибов в 2 рЕза. больше по сравнению с

___С___ _____У. , ,„ттотттт«

нашиидьппп длгша иш^лил шМ£мимч»'Г- —-------I------ - * - _

неокрашенными формами (табл. 5). Причина снижения длины мицелия в 2009 г. может быть связана с уменьшением численности фототрофов и, таким образом, с уменьшением доступного органического вещества для минерализационной активности микромицетов.

Таблица 5

Длина мицелия микромицетов, м/см2._

Микромицеты Длина мицелия

2008 год 2009 год

Окрашенный мицелий 98,16 25,12

Бесцветный мицелий 44,10 11,68

Суммарная длина 175,6 36,80

Анализ структуры комплексов водорослей, цианобактерий и грибов плёнок «цветения» (табл. 6) показывает, что соотношение фототрофных популяций (водоросли -ЦБ) практически не меняется. В то же время происходит возрастание относительного обилия темноокрашенных (меланизированных) микромицетов, что свидетельствует о возрастании уровня загрязнения исследуемого грунта.

Таблица 6

Годы Водоросли Цианобактерии Грибы

Окрашенный мицелий Бесцветный мицелий

2008 6,25 93,75 55,90 44,10

2009 6,80 93,20 68,30 31,70

Таким образом, погодичное изучение биоплбнок «цветения» показывает, что высокую устойчивость к неблагоприятным внешним факторам проявляют ЦБ, которые являются главным структурообразующим компонентом поверхностных альгоценозов с плотностью их клеток более 10 млн./сьг. В ходе погодичной сукцессии происходит снижение численности клеток фототрофов в плёнках «цветения», которое одновременно сопровождается появлением высших растений. Увеличение доли темноокрашенных грибов в структуре популяций микромицетов свидетельствует об усилении уровня загрязнения грунта вблизи ТЭЦ.

Впервые был ыявленв факт зимнего «цветения» почвы. Например, в 2009 г. оно продолжалось почти две недели (с 29 ноября до 10 декабря) на дворовой территории в местах, где проходит теплоцентраль и наблюдалось таяние снега (табл. 7).

Таблица 7

Особенности зимнего «цветения» почвы._

Показатель Водоросли Цианобактерии Всего

Зеленые Диато мовые БГЦ ГЦ

Численность клеток, тыс./см2 1270±200 180±9 3017±130 6020±190 10487±529

Структура популяций фототрофов, % 13,8 86,2 100

Структура популяций ЦБ, % 33,4 66,6 100

Биомасса, мг/см' 0,115 0,201 0,238 0,975 1,529

КрОме фототрофов, ПОСТОЯННЫМ ЗЫаЧплишн ХимпОИииОМ В бпОиЛсНКаХ ЯЕлхЮТСх

микромицеты, имеющие формы с бесцветным и окрашенным (меланизированным) мицелием. Длина мицелия грибов в плёнках «цветения» и структура их популяций также колеблются в широких пределах (табл. 8).

Таблица 8

Особенности популяций микромицетов при «цветении» городских почв._

Зона обследования Длина мицелия, м/см2 Структура популяций, %

с бесцветным мицелием с окрашенным мицелием

Промышленная 14,4±2,1 31,7 68,3

Селитебная 26,6±3,0 57,9 42,1

Парковая 21,8±2,2 44,0 56,0

Транспортная 34,8±1,6 23,6 76,4

На напряжённую экологическую ситуацию в местах обследования указывает преобладание микромицетов с меланизированным мицелием. Известно, что синтез меланинов грибами - ответная реакция не только на избыточную инсоляцию, но и адаптация к накоплению в среде поллютантов. Так, исходя из результатов, приведённых в таблице 8, ясно, что достаточно высокий уровень загрязнения характерен для промышленной (68,3% грибов с окрашенным мицелием в структуре популяций) и транспортной зон (76,4% меланизированных форм микромицетов).

Реакция фототрофов не столь однозначна. Хотя во всех городских экотопах в плёнках «цветения» преобладают не водоросли, а ЦБ (в структуре популяций фототрофов их численность колеблется от 87,8 до 98,3%), уровень развития самих ЦБ, их безгетероцистных и гетероцистных форм резко различен в разных местообитаниях. Так, в почвах транспортной и селитебной зон наблюдается абсолютное господство БГЦ ЦБ (92,5 и 100%, соответственно). В парковой зоне - почти паритетное их представительство (60,1% -безгетероцистные, 39,9% - гетероцистные ЦБ). Но в промышленной зоне (район ТЭЦ) на искусственном субстрате из древесных опилок и песка азотфиксирующие ЦБ в структуре популяций составляют 76,1%, а безгетероцистные - 23,9%. Вероятно, длительное воздействие на почву городских поллютантов, которые с воздухом попадают и в парковые, и в селитебные зоны селектирует популяции ЦБ в сторону преимущественного развития безгетероцистных форм, так как высокая чувствительность фермента нитрогеназа к загрязнителям у азотфиксирующих ЦБ может блокировать их размножение. В то же время безазотистый субстрат, который периодически обновляется у ТЭЦ, не успевает адсорбировать и накапливать поллютанты в количестве, опасном для их развития.

Сравнительная характеристика структурных особенностей биомассы наземных комплексов водорослей, ЦБ и грибов городских почв показывает, что для данных микробных комплексов, развивающихся в различных зонах города, характерны следующие особенности: преобладание в струюуре биомассы фототрофного компонента (до 97,2%), а не микромицетов; существенная длина нитей ЦБ и мицелия (до 100 м/см2), скрепляющих частицы почвы и субстрата (табл. 9).

Таблица 9

Специфика количественных показателей биоплёнок «цветения» городских почв.

Зона обследования Биомасса, мг/см2 Структура популяций,% Длина нитей ЦБ + мицелий, м/см2

фототрофы грибы всего фототрофы грибы

Промышленная 4,165 0,143 4,308 96,7 3,3 110,2

Селитебная 3,749 0,210 3,959 94,7 5,3 80,5

Парковая 2,594 0,085 2,679 96,8 3,2 75,0

Транспортная 4,692 0,136 4,828 97,2 2,8 48,9

В 11 слом «цветение» почвы или субстратов на урбанизированных территориях можно рассматривать как положительное явление, так как наземное массовое размножение фототрофов приводит к быстрому обогащению урбанозёмов мобильным, доступным для сапротрофов, органическим веществом; присутствие в поверхностных разрастаниях

нитчатых ЦБ и мицелия грибов способствует укреплению субстрата, выполняя противоэрозионные функции.

Адаптационные реакции фототрофных микроорганшмов на стрессовые воздействия Изменение хода альгосукцессий биплёнок Nostoc commune под влиянием городских поллютантов. Способность микроорганизмов к созданию биоплёнок является одним из примеров адаптации к неблагоприятным условиям. Особенно значима роль многовидовых биоплёнок, в которых выживание сообщества в целом обусловлено разделением физиолого-биохимических функций и метаболической ахтивности различных видов. Таким примером многовидовых природных биоплёнок являются плёнки с доминирванием Nostoc commune. В наших опытах использованы биоплёнки N. commune, отобранные вблизи автомобильной дороги, включающие 20 видов фототрофных микроорганизмов, в том числе ГЦ ЦБ - 4; БГЦ ЦБ - 8; одноклеточных зелёных водорослей - 4; зелёных нитчаток - 3 и 1 вида жёлтозёленых водорослей. Плотность фототрофных популяций в данных биоплёнках превышает 2,5 млрд. кл./г (табл. 10).

Таблица 10

Групповой состав фототрофного комплекса Nostoc commune._

Группы фототрофов Численность, клеток/г воздушно-сухой массы (хЮ5) Содержание (%)

Nostoc commune 2,258 83,12

Другие ГЦ цианобактерии 0,213 7,83

БГЦ цианобактерии 0,120 4,42

Одноклеточные зеленые водоросли 0,113 4,16

Нитчатые зеленые водоросли 0,013 0,47

Всего 2,704 100

При этом на долю эдификатора N. commune приходится свыше 80% численности популяций фототрофов. Вклад эукариотных водорослей невелик - 4,63%. Длина грибного мицелия составляет 2 км/г пленки, поэтому можно говорить о существенном вкладе микромицетов в формирование матрикса ностокового ценоза, приобретающего в данном случае структуру лишайниковоподобной «псевдоткани».

В серии опытов с биопленками N. commune изучали изменение процессов восстановительной сукцессии, связанной с действием поллютантов, наиболее обычных для урбоэкосистем: соли TM - C11SO4, РЬ(СНзСОО)г, Zn(CH3COO)2 и хлорид натрия.

Как показал анализ группового состава биоплёнок, формирующихся в ходе восстановительной сукцессии, под влиянием применяемых поллютантов происходит соотношения водорослей и ЦБ, а также перераспределение доли популяций микромицетов с бесцветным и окрашенным мицелием (табл. 11).

Таблица 11

Изменение структуры поверхностных микробных комплексов биоплёнок

Nostoc commune в ходе восстановительной сукцессии под влиянием поллютантов (%).

Вариант Фототрофы Мицелий микромицетов

водоросли цианобактерии бесцветный окрашенный

Контроль 0,17 99,83 86,8 13,2

РЬ^ 5,75 94,25 18,4 81.6

Си" 16,91 83,09 45,4 54,6

Zn" 100 не обнаружено 0,1 99,1

Под влиянием токсикантов увеличивается вклад эукариотных водорослей в формирование альгоценозов, не существенный при внесении свинца и более ощутимый под влиянием меди. Можно вычленить особую роль цинка - полное торможение развития ЦБ. Среди наиболее устойчивых видов фототрофов выделены и водоросли, и ЦБ. Среди ЦБ в

вариантах с внесением поллютантов в массе развиваются Phormidium formosum, Ph. boryanum, Ph. uncinatum, Leptolyngbya foveolarum, доминантами среди зелёных водорослей являются Chlorella vulgaris, Bractecoccus minor, Sticococcus shodatii.

Реакция микромицетов на внесение поллютантов заключается в резком увеличении в структуре комплексов микромицетов вклада грибов с меланизировнным мицелием, вплоть до 99,1% (цинк).

Таким образом, установлено, что из единого первоначального пула клеток биоплёнок N. commune под влиянием применяемых поллютантов возникают сообщества, различающиеся по плотности популяций фототрофов и интенсивности развития грибного мицелия с бесцветными и окрашенными формами.

Комплексная оценка состояния цнанобактерии Nostoc paludosum при воздействии различных поллютантов. В качестве маркерных признаков при изучении состояния популяции цнанобактерии N. paludosum под воздействием различных поллютантов были выбраны следующие показатели: титр клеток, их жизнеспособность, перекисное окисление липидов (ПОЛ) и активность каталазы. Доказана тесная коррелятивная зависимость между интенсивностью ПОЛ и количеством мёртвых клеток (рис. 3). Значительное накопление в культуре N. paludosum малонового диальдегида (МДА) свидетельствует о том, что поллютанты инициируют процессы ПОЛ, вызывают повреждение клеточных мембран и нарушение функционирования клеток. Данные по интенсивности процессов ПОЛ коррелируют (г=0,61) с результатами по оценке жизнеспособности клеток методам ТТХ (табл. 12).

контроль ацетат свинца сульфат меди хлорид натрия

са^аадМДА —Ш— количество мертаыхклеток

Рис. 3. Влияние токсикантов на интенсивность процессов ПОЛ и жизнеспособность клеток Иоягос раШ^охит.

Таблица 12

Изменение соотношения живых и мёртвых клеток в популяции

Вариант Количество клеток, %

Живых мёртвых

1. Контроль 99,06±0,32 0,94

2. Pbi+ 85,13±3,77 14,87

3. Си2' 1,0 99,0

4. NaCl 21,7±0,48 78,29

ь.ак видно из таолицы 1и, жизнеспосоОность N. раШйоьит, развивающегося в контрольном варианте (среда Громова) чрезвычайно велика: 99% клеток проявляют дегидрогеназную активность. Любые вносимые токсиканты снижают жизнеспособность клеток. В меньшей степени это проявляется при действии ионов свинца, когда погибает

около 15% клеток. Хлорид натрия приводит к гибели около 80% клеток. Полная гибель популяции регистрируется при действии меди, хотя в этом варианте сохраняются морфологические структуры клеток и нитей. По степени токсичности испытуемые поллютанты расположены в ряду: Си2+ЖаС1>РЬ2+.

Изучение активности каталазы показало, что максимальная величина этого показателя выявлена в контрольном варианте, а минимальные значения - в вариантах с внесением меди (рис. 4). Активность каталазы в культуре с внесением поллютантов имела тесную корреляцию с численностью живых клеток (г=0,84).

контроль ацетат свинца сульфат меди хлорид натрия ' шаталаяа количество живых клеток

Рис. 4. Влияние токсикантов на активность каталазы и жизнеспособность клеток ЛГозГос раШовит.

Результаты определения каталазной активности показывают, что даже после полной гибели клеток (вариант с медью), сохраняются и проявляют активность ферментные системы. Ряд токсичности соединений, выявленный по каталазе, имеет такой же вид, как и по жизнеспособности клеток:

Си2+>МаС1> РЬ2+.

Таким образом, показано, что при сохранении морфологической структуры клеток и нитей ЦБ под действием токсикантов может происходить их полная гибель. Доказана тесная коррелятивная зависимость между интенсивностью ПОЛ и количеством мёртвых клеток, а также между активностью каталазы и количеством живых клеток в популяции N. раЫскэйит. Данные показатели (ПОЛ, каталазную активность и жизнеспособность клеток) можно использовать в качестве биомаркеров стресса у N. раШоэит на поллютанты минерального происхождения. Наиболее простым, доступным и экспрессным методом определения токсичности соединений для изучаемого штамма ЦБ является метод определения жизнеспособности клеток с помощью ТТХ.

Реакция различных видов цианобактерий рода Лол(ос на действие токсикантов. Выявлено, что после выращивания ЦБ в течение 8 недель при 1°=22-25°С и 12-ти часовом освещении ЦБ достигают экспоненциальной фазы и находятся в наиболее активном состоянии с плотностью клеток в пределах 2,5-3,0-107 в 1 мл. В накопительные культуры ностоков (№кгос ра1и(1о$ит, N. ИпсЫа, N. тшсогит) вносили токсиканты, используемые в опытах с N. рсйийоьит. Концентрации поллютантов соответствовали 5 ПДК для ТМ, для бензина и хлорида натрия - 5% от объёма культуральной среды. Характер их действия определяли через 7 суток. Эффект отдельных токсикантов проявился, в первую очередь, в существенной гибели клеток. Полную гибель популяций всех трёх видов ЦБ вызвало действие ионов меди. При этом микроскопирование показало, что под влиянием ионов меди сохраняются структурные особенности нитей и клеток, их размеры, форма, не выявляются

морфологические патологии, т.е. происходит своеобразная «мумификация» клеток без сохранения ими дегидрогеназной активности. Показано, что для N. тшсогит оказался токсичным свинец (летальный исход - 100%). Велика чувствительность к данному ТМ и N. ИпсМа (погибло более 78% клеток). Но в то же время можно отметить высокий уровень резистентности к свинцу N. раШовит, у которого гибель клеток составила всего около 15%. Сильнейший ингибирующий эффект на все 3 вида ЦБ оказал хлорид натрия, под влиянием которого погибает 73-96% клеток (табл. 13).

Таблица 13

Вариант Количество нежизнеспособных клеток, %

N. ра1ис!озит N. Ыпскш N. тшсогит

1. Контроль 0,94 2,96 14,61

2. РЬ/+ 14,87 78,45 100

3. Си/+ 100 100 100

4. ЫаС1 78,29 73,03 96,06

Показателем состояния популяции является не только жизнеспособность клеток, но и активность ряда физиологических показателей (каталазы и ПОЛ). При определении активности каталазы было доказано, что величина этого показателя колеблется в широких пределах у разных видов ностока и под воздействием разных поллютантов. Максимальная активность каталазы характерна для N. раЫЗошт. Для N. ИпсЫа при приблизительно таком же количестве жизнеспособных клеток активность каталазы примерно в 3 раза ниже, чем у N. раЫйозит и примерно такая же, как у N тшсогит, хотя у данного вида ЦБ жизнеспособных клеток намного ниже (в контроле всего 85,4% против 97% у N. ИпсШа и 99% у N. ра\Ыо$ит). Минимальные показатели активности каталазы зафиксированы у ЦБ при действии меди. Установлено, что внесение поллютантов в культуру ностоков приводит к возрастанию интенсивности процессов ПОЛ. Поллютанты разной химической природы оказывали сходное влияние на интенсивность процессов ПОЛ. Наибольшее накопление продукта ПОЛ - малонового диальдегида - отмечали в варианте с медью. Вычисление коэффициентов корреляции выявило высокий уровень коррелятивной зависимости между количеством жизнеспособных клеток в популяциях ЦБ и активностью каталазы (0,84-0,95) и средний уровень коррелятивной зависимости между количеством нежизнеспособных клеток и накоплением продуктов ПОЛ (табл. 14).

Таблица 14

Коррелятивная зависимость между жизнеспособностью клеток, каталазной активностью и ____величиной ПОЛ у разных видов ностока._

Вид цианобактерий Коэффициент корреляции

Г1 Г2

N. ра1ис1о5ит 0,84 0,61

N. Ипскга 0,95 0,56

N. тшсогит 0,94 0,51

Примечание: г, - жизнеспособные клетки / активность каталазы; г2 - нежизнеспособные клетки / интенсивность ПОЛ.

В целом, исходя из результатов опыта, можно предположить наличие у разных видов ностока различных механизмов адаптации как к одному и тому же токсиканту, так и к разным соединениям.

Влияние токсикантов на состояние биоплёнок с доминированием безгетероцистных цианобактерий. Культивировали природные биоплёнки, отобранные с поверхности городской почвы, имеющие следующий состав: Ьер1о1упфуа /Ъуео1агит, РксЮпета Ьогуапит, Р'погтхсПит атЫ%ит, Рк Ьогуапит, ЫоМос ¡р. В ходе исследования действие

ионов ТМ испытывали на биоплёнках и их гомогенате (табл. 15). Было выявлено, что ионы никеля и меди в растворе с концентрацией 20 мг/л по-разному действуют на дегидрогеназную активность комплекса с доминированием БГЦ ЦБ.

Таблица 15

Вариант Доля живых клеток, % Доля мёртвых клеток, %

Контроль (гомогенат) 97,14±0,82 2,86±0,82

Контроль(плёнка) 82,02±4,58 17,98±4,58

Гомогенат + Си 1,1 98,9

Плёнка + Си'14' 0,23±0,06 99,77±0,06

Гомогенат + 29,53±5,63 70,47±5,63

Плёнка + №!+ 52,78±1,01 47,22±1,01

Ионы никеля и меди оказывают губительное действие как на культуры в виде пленки, так и в гомогенизированном состоянии. Однако действие ТМ на плёночную культуру выражено в меньшей степени, чем в гомогенате. Вероятно это объясняется тем, что в состояние плёнки, клетки, находящиеся в более глубоких слоях, менее подвержены действию токсикантов.

Каголазвая активность, мл. Оз.'мпя.

1/20

о Контроль

о Раствор соли никеляш)

Ш: Рзстзор с ели меди {Ш

ш Растзор смеси солей никеля гд) иыеди (П)

3 24

Прадолжительиоеть коэтакга.час

Рис. 5. Влияние продолжительности контакта культуры с токсикантом на каталазную активность культуры.

Изменяется также такой функциональный показатель состояния биоплёнок, как активность каталазы, которая под влиянием ионов меди со временем возрастает (рис. 5). Под действием ионов никеля максимального значения этот показатель достигает при контакте в течение 24 часов. Смесь токсикантов в первый час вызывает резкое усиление каталазной активности, значение которой превышает уровень при действии токсикантов в индивидуальных растворах. Максимальное значение наблюдается через сутки. По сравнению с контролем, токсиканты стимулируют каталазную активность, что говорит о напряжении в работе биологических систем культуры. Наибольшее напряжение вызывают ионы меди.

При определении времени влияния токсиканта показано, что кратковременное действие (1 час) приводит к значительному снижению содержания хлорофилла а в вариантах с ионами меди (II) и смесью ионов меди (II) и никеля (II) (рис. 6).

Рис. 6. Влияние поллютантов (№2+, Си2+, Си2++№2+) на содержание хлорофилла а в культуре ЦБ при воздействии в течение часа и суток.

Через сутки происходит некоторое восстановление культуры, отмечается увеличение содержания хлорофилла а (рис. 6). Увеличение содержания хлорофилла а и снижение интенсивности процессов ПОЛ в культуре ЦБ через сутки действия поллютантов свидетельствует об адаптации ЦБ к стрессовым условиям.

Комплексное исследование влияния никеля и НП на цианобактерию N. йпск'ш. Для опытов использовали жидкую накопительную 2-х недельную культуру N. ИпсИа. Титр ЦБ при постановке опыта составлял 7-106 кл./мл. Поллютанты брали в количестве 2 и 20 мг/л, а также изучали влияние смеси поллютантов сульфата никеля и НП в равных количествах в тех же суммарных концентрациях. Выбор данных поллютантов обусловлен тем, что они являются одним из основных компонентов сточных вод машиностроительных предприятий, где есть гальванические цеха. По окончании опыта определяли жизнеспособность клеток ЦБ; интенсивность роста; численность бактерий-спутников; остаточное содержание токсикантов в культуральной жидкости; изменение морфологии поверхности клеток ЦБ, определяемой методом сканирующей зондовой микроскопии. В результате комплексного исследования вьивлено, что высокие концентрации ионов никеля приводят к почти полной гибели популяции ЦБ, в то же время под влиянием НП происходит значительное увеличение численности клеток ЦБ. При изучении морфологии клеток и поверхности скоплений ЦБ с помощью сканирующей зондовой микроскопии при воздействии токсикантов на сканах образцов цианобактерий без действия поллютантов отчётливо различаются как отдельные клетки цианобактерии Л'о.у/ос, так и их скопления. После воздействия поллютанта в течение 3-х недель цианобактерии разрушаются, на сканах не удаётся обнаружить ни одной целой клетки.

Ионы никеля и НП оказывают действие не только на культуру ЦБ N. ИпсЫа, но и на состояние популяции бактерий-спутников. Определение численности бактерий-спутников показало, что, по сравнению с контролем этот показатель выше только в одном варианте - №, 20 мг/л. При этом интоксикация питательной среды разными поллютантами характеризуется сходной реакцией гетеротрофных бактерий: чем выше доза токсиканта, тем больше количественное обилие бактерий. Данный факт можно объяснить по-разному. Одно из объяснений сводится к тому, что с увеличением концентрации токсиканта повышается процентное содержание мертвых клеток N. ИпсШа, и это создает благоприятную среду для размножения бактерий-спутников. Возможно и другое объяснение: в процессе возрастания концентрации токсикантов интенсифицируется селекционный отбор бактерий, устойчивых к применяемым соединениям. Вычисленные коэффициенты корреляции показывают, что в вариантах с раздельным внесением № и НП зависимость между численностью бактерий и дозами токсикантов очень высокая (рис. 7).

Дом пиеесиня № в культуру ЦБ, иг/л

Дом внесения НП в культуру ЦБ, мг/л б

Дою внесенна (N¡+00) о культуру ЦБ, иг/л

Рис. 7. Зависимость коэффициента корреляции: а - числа бактерий-спутников ЦБ N. НпсШа от дозы внесения №; б - числа бактерий-спутников ЦБ N. ИпсЫа от дозы внесения нефтепродуктов (НП); в - числа бактерий-спутников ЦБ N. ИпсЫа от дозы внесения № и нефтепродуктов.

Сорбционные возможности цианобактериальиых плёнок. Целью данного опыта было установление условий, при которых концентрация ионов токсикантов в растворе будет снижаться до значений, ниже ПДК. В опыте использовали природные биоплёнки с доминированием БГЦ ЦБ. Для этого поставлена серия предварительных опытов, в которых выявлена оптимальная форма нахождения ЦБ: в виде плёнки или в гомогенезированном виде. Биомасса культуры составила 0,0241 г на 100 мл раствора токсиканта с концентрацией 20 мг/дм3. Концентрацию токсиканта определяли после его суточной экспозиции с культурой ЦБ. Наиболее оптимальной для контакта формой ЦБ является гомогенат культуры. Для определения биомассы микроорганизмов, необходимой для снижения концентрации токсикантов до уровня ПДК и ниже, был проведён эксперимент. Для контакта использовали различные биомассы культур, соответствующие титру клеток (17,2 ± 2,70) »10 , (8,6 ± 1,35) -'л9 (4,3 ± 0,68) • 10% (2,2 ± 0,34) • 109 кл/мл (табл. 16).

Таблица 16

Влияние титра клеток цианобактерий на остаточное содержание в растворе меди и

никеля.

•Ю9,

Титр, »109 кл/мл мг/дм3 Си^, мг/дм3

17,2 ±2,70 0,02 ±0,001 0,06 ± 0,003

8,6 ± 1,35 0,97 ± 0,06 0,47 ±0,07

4,3 ± 0,68 11,32 ±0,28 3,79 ±0,05

2,2 ±0,34 13,96 ±0,09 4,52 ± 0,02 _ ™: , ..з

Примечание: первоначальная концентрация ионов металлов 20 мг/дм .

Установлено, что оптимальным титром для уменьшения концентрации ионов никеля и меди является титр клеток 17,2 ± 2,70'109 кл/мл. Титр 8,6 ± 1,35-10® кл/мл позволяет значительно (в 20-40 раз) снизить концентрацию ионов. Меньшие титры концентрацию снижают существенно, но она остается далёкой от значений ПДК. максимальное снижение

концентрации никеля из раствора сульфата никеля наблюдается через 1 час и через 3 часа после контакта, через сутки происходит эмиссия ионов металлов раствор. Максимальное снижение концентрации меди из раствора сульфата меди происходит через 3 минуты и сохраняется в течение 1 часа, в дальнейшем происходит значительный переход ионов в раствор. Если говорить о снижении концентрации меди и никеля из раствора смеси солей, то для никеля этот процесс приходится на первый час, а для меди - на третий час. Оптимальным временем для контакта ионов никеля с микроорганизмами является 1 час и 3 часа, для ионов меди - 3 минуты и 1 час, в случае если речь идёт о растворах индивидуальных веществ указанных ТМ. Если имеется ввиду смесь ТМ, то оптимальным временем контакта является 1 час, так как через это время наступает максимальное снижение общей концентрации ионов металлов в растворе, и сутки, так как происходит значительное снижение ионов обоих металлов. К сожалению, снижение концентрации ионов металлов до уровня ниже ПДК, в рамках изученных условий, происходит только из индивидуальных растворов солей. Поэтому следует продолжать исследования в области поиска оптимальной биомассы для снижения концентрации из смесей ТМ до уровня ПДК и ниже.

Биосорбционные возможности различных видов цианобактерий рода ос. При культивировании ЦБ N. ИпсЫа в среде, содержащей токсиканты, определение содержания N1 (II) и НП показало, что в опыте, где время экспозиции N. НпсМа и токсикантов составляло 2 недели, содержание вредных веществ в культуральной жидкости существенно изменилось (табл. 17). Чётко прослеживается определённая тенденция в поведении ЦБ на поглощение N1 и НП из культуральной среды - чем выше первоначальная концентрация токсиканта, тем полнее его извлечение из среды биомассой ЦБ.

Таким образом, уровень биосорбции токсикантов из жидкой среды ЦБ N. ИпсЫа может достигать в варианте с внесением НП 99%, с внесением № - 41%.

Таблица 17

Остаточное содержание и уровень извлечения никеля и нефтепродуктов нз культуральной _жидкости МмГос ИпсЫа._

Вариант (по дозе вносимого токсиканта), мг/л НП, мг/л Уровень извлечения мг/л Уровень извлечени я,%

Время экспозиции 2 недели

Контроль, 0 Не обнаружено - Не обнаружено -

КГ, 2 ■ ■ 1,32±0,60 34,00

НП, 2 0,04±0,01 98,0 - -

№^,2 + НП,2 0,14±0,04 93,0 1,38±0,62 31,00

ИЛ 20 - • - 11,75±2,29 41,25

НП, 20 0,15±0,04 99,2 - -

20 + НП, 20 0,88±0,22 95,8 11,13±2,67 44,35

Выводы

1. В почвах различных зон города выявлено от 49 до 91 вида фототрофов. Количество видов в наземных разрастаниях при «цветении» почвы существенно ниже и колеблется от 7 до 29 видов. Установлено, что во всех зонах города основной вклад в видовое обилие фототрофных комплексов (до 98 % от общего количества видов) вносят цианобактерии.

2. Комплексы доминатов на нарушенных и ненарушенных почвах состоят из безгетероцистных цианобактерий родов РИогтгсНит и ЬерМущЪуа. На урбанозёмах в промышленной зоне (районы ТЭЦ) лидирующие позиции занимают гетероцистные азотфиксирующие цианобактерии Мм^ос тшсогит, N. ра!ис1о$ит, Тпскготия \ariabilis.

3. Доказано, что цианофитизация фототрофных комплексов проявляется и на уровне количественных характеристик альгоценозов. При плотности фототрофных популяций при «цветении» от 18 до 47 млн. клеток/см2 доля цианобактерий колеблется от 87% (в селитебной зоне) до 98% (в транспортной зоне).

4. Впервые выявлено, что под влиянием испытуемых поллютантов (соли ТМ, хлорид натрия) меняются такие характеристики состояния отдельных видов ЦБ, как активность перекисного окисления липидов, каталазная активность, содержание хлорофилла а и жизнеспособность клеток.

5. Показано, что наиболее чувствительными к действию ТМ является ЦБ Nostoc muscorum, толерантность к токсикантам проявляют чистые культуры ЦБ Nostoc linckia и Nostoc paludosum, природные многовидовые биоплёнки с доминированием Nostoc commune, а так же биоплёнки с доминированием безгетероцистных цианобактерий.

6. Доказано, что резистентные к действию поллютантов штаммы ЦБ и природные биоплёнки с доминированием безгетероцистных цианобактерий обладают высокой адсорбционной активностью, связывая из растворов до 41% ионов никеля.

7. Полученные результаты доказывают высокий биотехнологический потенциал чистых культур ЦБ и цианобактриальных биоплёнок как сорбентов поллютантов в жидкой среде.

СПИСОК РАБОТ ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в журналах рекомендованных ВАК

1. Огородникова С. Ю., Зыкова Ю. Н., Березин Г. И., Домрачева Л. И., Калинин А. А. Комплексная оценка состояния цианобакгерии Nostoc paludosum Külz, при воздействии различных поллютантов // Теоретическая и прикладная экология. 2010. №3. С. 47-52.

2. Фокина А. И., Злобин С. С., Березин Г. И., Зыкова Ю. Н., Огородникова С. Ю., Домрачева Л. И., Ковина А. Л., Горностаева Е. А. Состояние цианобакгерии Nostoc linckia в условиях загрязнения среды никелем и нефтепродуктами и перспективы её использования в качестве биосорбента // Теоретическая и прикладная экология. 2011. №1. С. 69-76.

3. Фокина А.И., Зыкова Ю.Н., Данилов Д.Н., Ашихмина Т.Я., Жмах М.С. Методология изучения влияния тяжёлых металлов на культуры почвенных цианобактерий // Теоретическая и прикладная экология. 2011. №3. С. 16-22.

Монографии

1. Домрачева Л. И., Кондакова Л. В., Зыкова Ю. Н., Ефремова В. А. Альго-циано-микологические комплексы городских почв // Особенности урбоэкосистем подзоны южной тайги Европейского Северо-Востока / Под ред. Т. Я, Ашихминой, Л. И. Домрачевой / Т. Я. Ашихмина, Л. И. Домрачева, И. Г. Широких, А. А. Широких, Е. В. Дабах, Л. В. Кондакова, Е. А. Домнина, С. Ю. Огородникова, Ю. А. Бобров, С. В. Пестов, А. И. Фокина, А. Л. Ковина, Н. Н. Ходырев, Л. Г. Целищева, А. П. Лемешко, Ю. Н. Зыкова, Е. С. Соловьёва, Г. И. Березин, С. С. Злобин, В. А. Ефремова. Киров: Изд-во ВятГГУ, 2012. С. 120-169.

2. Домрачева Л. И., Ковина А. Л., Зыкова Ю. Н. Использование микробов-интродуцентов при выращивании декоративных культур в городских условиях // Особенности урбоэкосистем подзоны южной тайги Европейского Северо-Востока / Под ред. Т. Я. Ашихминой, Л. И. Домрачевой / Т. Я. Ашихмина, Л. И. Домрачева, И. Г. Широких, А. А. Широких, Е. В. Дабах, Л. В. Кондакова, Е. А. Домнина, С. Ю. Огородникова, Ю. А. Бобров, С. В. Пестов, А. И. Фокина, А. Л. Ковина, Н. Н. Ходырев, Л. Г. Целищева, А. П. Лемешко, Ю. Н. Зыкова, Е. С. Соловьёва, Г. И. Березин, С. С. Злобин, В. А. Ефремова. Киров: Изд-во ВятГГУ, 2012. С. 169-179.

3. Домрачева Л. И., Фокина А. И., Огородникова С. Ю., Зыкова Ю. Н., Кондакова Л. В. Адаптационные реакции микроорганизмов на стрессовые воздействия // Особенности урбоэкосистем подзоны южной тайги Европейского Северо-Востока / Под ред. Т. Я.

Ашихминой, Л. И. Домрачевой / Т. Я. Ашихмина, Л. И. Домрачева, И. Г. Широких, А. А. Широких, Е. В. Дабах, Л. В. Кондакова, Е. А. Домнина, С. Ю. Огородникова, Ю. А. Бобров, С. В. Пестов, А. И. Фокина, А. Л. Ковина, Н. Н. Ходырев, Л. Г. Целищева, А. П. Лемешко, Ю. Н. Зыкова, Е. С. Соловьёва, Г. И. Березин, С. С. Злобин, В. А. Ефремова. Киров: Изд-во ВятГГУ, 2012. С. 180-231.

4. Фокина А. И., Домрачева Л. И., Зыкова Ю. Н., Березин Г. И., Злобин С. С. Микроорганизмы как биосорбенты поллютантов // Особенности урбоэкосистем подзоны южной тайги Европейского Северо-Востока / Под ред. Т. Я. Ашихминой, Л. И. Домрачевой / Т. Я. Ашихмина, Л. И. Домрачева, И. Г. Широких, А. А. Широких, Е. В. Дабах, Л. В. Кондакова, Е. А. Домнина, С. Ю. Огородникова, Ю. А. Бобров, С. В. Пестов, А. И. Фокина, А. Л. Ковина, Н. Н. Ходырев, Л. Г. Целищева, А. П. Лемешко, Ю. Н. Зыкова, Е. С. Соловьёва, Г. И. Березин, С. С. Злобин, В. А. Ефремова. Киров: Изд-во ВятГГУ, 2012. С. 232-252.

Статьи и материалы в других изданиях

1. Зыкова Ю. Н., Домрачева Л. И., Елькина Т. С. Использование пшеницы в биотестирвании состояния городских почв // Науке нового века знания молодых: Сб. статей 9-й науч. конф. аспирантов и соискателей. Ч, 1. Киров, 2009. С. 4348.

2. Елькина Т. С., Зыкова Ю. Н. Сравнительная фитотоксичность почв и снеговой воды на территории г. Кирова // Экология родного края: проблемы и пути их решения. Матер. 4-й научно-практич. конф. молодёжи. Киров, 2009. С. 24-25.

3. Зыкова Ю. Н., Домрачева Л. И. Поллютанты как регуляторы структуры микробных комплексов, развивающихся из биоплёнок Nostoc commune // Экология родного края: проблемы и пути их решения. Матер. 4-й научно-прахтич. конф. молодёжи. Киров, 2009. С. 98-100.

4. Домрачева Л. И., Кондакова Л. В., Попов Л. Б., Зыкова Ю. Н. Биоремедиационные возможности почвенных цианобакгерий (обзор) // Теоретическая и прикладная экология. 2009. №1. С. 8-18.

5. Домрачева Л. И„ Зыкова Ю. Н., Кондакова Л. В. Поллютанты, как пусковой механизм сукцессий альгоценозов (модельные опыты) // Теоретическая и прикладная экология. 2009. №3. С. 20-24.

6. Зыкова Ю.Н., Кондакова Л.В., Домрачева Л.И. Альгологическая и микологическая характеристика грунтов вблизи ТЭЦ-5 г. Кирова // Инновационные технологии - в практику сельского хозяйства: Сб. статей Всеросс. научно-практич. конф., посвящённой 65-летию агрономического факультета ВятГСХА. Киров, 2009. С. 148-152.

7. Зыкова Ю.Н., Кондакова Л.В., Домрачева Л.И. Сравнительная характеристика поверхностных разрастаний микроорганизмов промышленной и парковой зон г. Кирова // Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития. Матер. Всеросс. научно-практич. конф. Выпуск VII. Ч 2. Киров, 2009. С. 20-24.

8. Домрачева Л.И., Кондакова Л.В., Зыкова Ю.Н., Попов Л.Б. Почвенные цианобактерии: мониторинговый и биотехнологический аспекты изучения // Современные проблемы физиологии, экологии и биотехнологии микроорганизмов. Матер. Всеросс, симпозиума с междунар. участием. Москва, 2009. С. 56.

9. Домрачева Л. И., Кондакова Л. В., Зыкова Ю. Н., Березин Г. И., Злобин С.С. Роль биоплёнок Nostoc commune при тестировании загрязнения почвы // Автотрофные микроорганизмы. Матер. Всеросс. симпозиума с междунар. участием. М.; 2010. С. 37.

10. Зыкова Ю. Н., Фокина А. И. Исследование вклада Pb, Cd, Си и Zn в токсичность урбанозёмов города Кирова // Водоросли и цанобактерии в природных и сельскохозяйственных экосистемах. Матер, междунар. научно-практич. конф., посвящённой 100-летию со дня рождения проф. Э. А. Штиной. Киров, 2010. С. 130-134.

11. .Огородникова С. Ю., Зыкова Ю. Н., Березин Г. И., Домрачева Л. И., Калинин А. А. Реакция различных видов цианобактерий рода Nostoc на действие токсикантов // Водоросли и цанобактерии в природных и сельскохозяйственных экосистемах. Матер.

междунар. научно-практич. конф., посвященной 100-летию со дня рождения проф. Э. А. Штиной. Киров, 2010. С. 216-221.

12. Зыкова Ю.Н., Домрачева Л.И. «Цветение» городских почв (на примере г. Кирова) II Матер. Всеросс. научно-практич. конф. молодых ученых, аспирантов и соскателей, посвящ. 80-летию ВятГСХА. Киров, 2010. С. 64-68.

13. Зыкова Ю.Н., Злобин С.С., Елькина Т.С., Домрачева Л.И. Сравнительная характеристика методов прямого микроскопического учёта и посева на питательную среду при определении численности микроскопических грибов в почве // Экология родного края: проблемы и пути их решения. Матер. Всеросс. научно-практич. конф. молодежи. Киров, 2010. С. 78-80.

14. Зыкова Ю. Н., Злобин С. С., Березин Г. И., Елькина Т. С. Сравнительная чувствительность цианобактерии Nostoc paludosum и высших растений к поллютантам (тестирование по ТГХ) // Инновационные методы и подходы в изучении естественной и антропогенной динамики окружающей среды. Всеросс. науч. школа молодежи. Киров, 2010. С. 70-73.

15. Фокина А. И., Жмак М. С., Данилов Д. Н., Зыкова Ю. Н. Изменение структурных особенностей цианобактерий и концентрации ионов никеля в растворе, после экспозиции культуры с ионами токсиканта // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки, Матер. II междунар. научно-практич. конф. Владикавказ, 2011. Ч. 2. С. 19-21.

16. Зыкова Ю. Н., Фокина А. И., Домрачева Л. И. Развитие цианобактерии Nostoc lincha и бактерий-спутников при действии никеля и нефтепродуктов // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки, Матер. II междунар. научно-практич. конф. Владикавказ, 2011. Ч. 2. С. 21-23.

17. Зыкова Ю. Н., Домрачева Л. И., Фокина А. И. Сопряжённость развития цианобактерии Nostoc linckia и бактерий-спутников в условиях химического стресса // Науке нового века - знания молодых. Матер, междунар. научно-практич. конф. молодых учёных, аспирантов и соискателей. Киров, 2011. С. 60-69.

18. Зыкова Ю. Н., Горностаева Е. А., Домрачева Л. И. Определение чувствительности двух видов Nostoc к действию тяжёлых металлов по их дешдрогеназной активности // Экология родного края: проблемы и пути их решения. Матер. Всеросс. молодёжной научно-практич. конф. Киров, 2011.С. 137-139.

19. Жмак М. С., Данилов Д. Н., Фокина А. И., Зыкова Ю. Н., Березин Г. И., Злобин С. С., Домрачева Л. И. Исследование изменений поверхности биомассы цианобактерий и концентрации ионов никеля в растворе после экспозиции культуры с токсикантом // Экология родного края: проблемы и пути их решения. Матер. Всеросс. молодёжной научно-практич. конф. Киров, 2011. С. 142-144.

20. Зыкова Ю. Н., Огородникова С. Ю. Физиологические реакции цианобактерий на действие тяжёлых металлов при разных сроках инкубации // Экология мегаполисов: фундаментальные основы и инновационные технологии. Матер. Всеросс. симпозиума. М.: Изд-во Лесная страна, 2011. С. 65.

21. Зыкова Ю. Н. Адаптационные резервы альго-циано-микологических комплексов городских почв // Адаптационные реакции живых систем на стрессовые воздействия. Матер. Всеросс. молодежной конф. (Доклады. Лекции. Практические занятия). Киров, 2012. С. 42-56.

22. Кондакова Л. В., Домрачева Л. И., Зыкова Ю. Н. «Цветение» городских почв // Почвы России: современное состояние, перспективы изучения и использования. Матер, докладов VI съезда общества почвоведов им. В.В. Докучаева (Петрозаводск — Москва 13-18 августа 2012 г.). Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2012. Кн. 2. С. 358-359.

Заказ № 80. Подписано к печати Z9.0i.Z0d г. Тираж Лй? экз. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Усл.п.л. &_. Цена договорная.

ФГОУ ВПО «Вятская государственная сельскохозяйственная академия» 610017, г.Киров, Октябрьский пр-т,133. Отпечатано в типографии Вятской ГСХА.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Зыкова, Юлия Николаевна, Киров

Вятская государственная сельскохозяйственная академия

На правах рукописи

04201356074

ЗЫКОВА Юлия Николаевна

КОМПЛЕКСЫ ВОДОРОСЛЕЙ, ЦИАНОБАКТЕРИЙ И ГРИБОВ ГОРОДСКИХ ПОЧВ И ИХ РЕАКЦИИ НА ДЕЙСТВИЕ ПОЛЛЮТАНТОВ

03.02.03 - микробиология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор биологических наук, профессор Л.И. Домрачева

Киров, 2013

Содержание

ВВЕДЕНИЕ 4 Глава I. Обзор литературы. Специфика микробных комплексов городских почв 9

1.1. Специфика почв урбанизированных территорий 9

1.2. Фототрофные микробные комплексы 13

1.3. Микологические комплексы 18

1.4. Бактериальные группировки городских почв 21

1.5. Механизмы сохранения жизнеспособности микроорганизмов при воздействии неблагоприятных экологических факторов 26

1.6. Биоремедиационные возможности почвенных микроорганизмов 33

1.6.1. Детоксикационные возможности микроорганизмов 38

1.6.2. Антагонистические возможности микроорганизмов 43 Глава II. Объекты и методы исследования 48

2.1. Экологическая характеристика города Кирова 48 2.1.1. Краткое описание почв города Кирова 48

2.2. Традиционные методы 54 2.2. 1. Методы исследования почвенной биоты 55 2.2. 2. Методы исследования химических характеристик субстратов 56

2.3. Новые разработки 59 Глава III. Особенности развития фототрофных и гетеротрофных микробных комплексов урбанозёмов 64

3.1. Альгофлора городских почв 64

3.2. Особенности «цветения» городских почв 66

3.2.1. Количественные характеристики фототрофных и гетеротрофных организмов при «цветении» почвы 68

3.2.2. Зимнее «цветение» почв 76

3.2.3. Погодичная динамика «цветения» субстратов в техногенной зоне 78

3.2.4. Биопленки Nos toc commune как особые микробные зоны при «цветении» почвы 82

щ Глава IV. Адаптационные реакции фототрофных микроорганизмов на

стрессовые воздействия 91

4.1. Изменение хода альгосукцессий в биплёноках Nostoc commune под влиянием городских поллютантов 91

4. 2. Комплексная оценка состояния цианобактерии Nostoc paludosum при воздействии различных поллютантов 96

4.3. Реакция различных видов цианобактерий рода Nostoc на действие токсикантов 103

4.3.1. Физиолого-биохимический отклик организмов на воздействие токсикантов 103

4.3.2. Влияние токсикантов на развитие бактерий-спутников 107

4.4. Сорбционные возможности различных видов цианобактерий рода Nostoc 112

4.4.1. Физиолого-биохимический отклик цианобактериальных плёнок на воздействие токсикантов 112

4.4.2. Изменение концентраций токсикантов в среде под действием цианобактериальных плёнок 115

4.4.3. Биосорбционные возможности различных видов цианобактерий рода Nostoc 117

4.5. Влияние микробов-интродуцентов на развитие автохтонной микрофлоры 123

4.6. Участие цианобактерий в очистке почвы от бензина 125

ВЫВОДЫ 129

ЛИТЕРАТУРА 131

Введение

Урбанизация - один из прогрессирующих процессов на планете. С каждым годом стремительно увеличивается площадь урбанизированных щ территорий, и доля населения, проживающая в городах (малых, средних,

больших, крупных и мегаполисах). Экосистемы городов радикально отличаются от примыкающих к ним природных биоценозов и сельскохозяйственных экосистем. Урбанизация ландшафтов приводит к существенному изменению рельефа, водного, воздушного, геохимического режимов местности, изменению состава флоры, фауны, микробиоты. Неотъемлемый компонент структуры наземных экосистем- почва- выполняет множество экологических функций, обеспечивающих жизнь обитающих в почве и на почве организмов. Экологические функции почвы в своём проявлении обусловлены морфологическими, физическими и химическими свойствами почв (Добровольский, 2012, Чернов, 2012). Городские почвы резко отли-# чаются от зональных по таким признакам как кислотность, содержание за-

грязняющих веществ, водный и тепловой режимы. Изменение химического режима почвы сказывается и на функционировании микробных сообществ (Звягинцев, 1987; Кабиров, 1991; Лысак, Сидоренко, 1998; Добровольская и др., 2001; Артамонова, 2002; Киреева и др., 2005; Марфенина, 2005; Те-•ф рехова, 2007; Лысак, 2010 и др.). В частности, происходит усиление роли в

педоценозах патогенных и оппортунистических форм бактерий и грибов, резко возрастает численность наноформ бактерий, меняется структура популяций микромицетов, сглаживаются зональные особенности почвенной альгофлоры, обедняется её видовое разнообразие. Однако до настоящего времени недостаточно изучена специфика формирования и функционирования альго-циано-микологических комплексов городских почв, для кото-, рых показана особая роль в статусе почв сельскохозяйственных, луговых и лесных экосистем (Штина, 1955 - 1997; Штина, Голлербах, 1975; Алекса-

хина, Штина, 1984; Панкратова, 1982, 1989; Дубовик, 1995; Домрачева, 2005; Кузяхметов, 2006).

1. Видовая и количественная характеристика внутрипочвенных и наземных фототрофных микробных группировок.

3. Определение сорбционных возможностей отдельных штаммов цианобактерий и цианобактериальных комплексов.

Научная новизна. Впервые проведено комплексное изучение структуры комплексов почвенных водорослей, цианобактерий (ЦБ) и грибов в зонах г. Кирова с разной техногенной нагрузкой. Установлено, что максимальное видовое обилие фототрофов характерно для парковой и промышленной зон. Выявлен феномен «цветения» городских почв и субстратов, сообщества которых представляют многовидовые комплексы, с плотно-

"У

стыо фототрофных популяций от 18 до 47 млн. кл./см". Доля эукариотных водорослей в подобных сообществах колеблется от 2 до 12% при абсолютном доминировании ЦБ. Показано, что постоянным значимым компонентом «цветения» почвы являются микромицеты, структура популяций которых служит важным индикационным признаком в биодиагностике.

Впервые выявлены факты и специфические особенности зимней вегетации альгофлоры, включая «цветение» почвы.

Предложены методы комплексной оценки адаптационных возможностей штаммов ЦБ Nostoc paludosum, N. muscorum, N. linckia, природных биоплёнки N. commune и природных биоплёнок с доминированием безге-тероцистных цианобактерий (БГЦ) на действие таких поллютантов, нефтепродукты (НП), хлорида натрия, ионы меди и никеля по возрастанию интенсивности процессов перекисного окисления липидов (ПОЛ), снижению концентрации хлорофилла а в клетках, изменению каталазной активности и жизнеспособности клеток, изменению плотности популяций фототрофов и бактерий-спутников.

Практическая значимость. Результаты диссертации дополняют представления о влиянии поллютантов на видовой состав, численность и структуру комплексов водорослей, ЦБ и грибов урбанозёмов. Данные исследования показывают, что для биоиндикации состояния сред, загрязненных ионами тяжёлых металлов (ТМ) и НП, перспективно использование биоиндикационного метода по соотношению микромицетов с бесцветным и окрашенным мицелием; цианобактериального анализа, учитывающего соотношение группировок гетероцистных (ГЦ) и безгетероцистных (БГЦ) форм, а также соотношение эукариотных и прокариотных фототрофов. С целыо проведения биотестирования состояния окружающей среды возможно определение жизнеспособности клеток ЦБ тетразольно-топографическим методом. Выявлены цианобактериальные штаммы, обладающие высокой сорбционной активность по отношению к ТМ и НП, что может служить основой для получения биосорбентов.

нок Nostoc commune и чистых культур N. paludosum и N. linckia. На основании полученных данных возможно создание надёжного и эффективного биопрепарата для биоремедиации загрязнённых природных сред.

Апробация работы. Материалы диссертации представлены на научных конференциях: 9-ая научная конференция аспирантов и соискателей «Науке нового века - знания молодых» (Киров, 2009); 4-я областная научно-практическая конференция молодёжи «Экология родного края: проблемы и пути их решения» (Киров, 2009); 2-ая Всероссийская научно-практическая конференция «Водоросли: проблемы таксономии, экологии и использование в мониторинге» (Сыктывкар, 2009); Всероссийская научно-практическая конференция, посвящённая 65-летию агрономического факультета, «Инновационные технологии - в практику сельского хозяйства» (Киров, 2009); Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития» (Киров, 2009); Всероссийский симпозиум с международным участием «Современные проблемы физиологии, экологии и биотехнологии микроорганизмов», посвященный 125-летиюсо дня рождения академика В. Н. Шапошникова 120-летию со дня рождения профессора Е. Е. Успенского (Москва, 2009); Всероссийская научно-практическая конференция молодых учёных, аспирантов и соискателей, посвящённая 80-летию Вятской ГСХА, «Науке нового века - знания молодых» (Киров, 2010); Всероссийская научно-практическая конференция молодёжи «Экология родного края: проблемы и пути их решения» (Киров, 2010); Международная научно-практическая конференция, посвящённая 100-летию со дня рождения профессора Эмилии Адриановны Штиной, «Водоросли и цианобактерии в природных и сельскохозяйственных экосистемах» (Киров, 2010); 2-ой Всероссийский симпозиум с международным участием «Автотрофные микроорганизмы» (Москва - МГУ, 2010); Вторая научно-практическая конференция «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки» (Владикавказ - СОГУ,

2011); Международная научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов и соискателей «Науке нового века - знания молодых» (Киров - ВГСХА, 2011); Всероссийская молодёжная научно-практическая конференция «Экология родного края: проблемы и пути их решения» (Киров - ВятГГУ, 2011); Всероссийский симпозиум «Экология мегаполисов: фундаментальные основы и инновационные технологии» и Школа молодых учёных по экологической физиологии растений (Москва МСХА им. Тимирязева, 2011); VI съезд общества почвоведов им. В. В. Докучаева, Всероссийская с международным участием научная конференция «Почвы России: современное состояние, перспективы изучения и использования» (Петрозаводск - Москва, ПТУ, 2012).

Глава I. Обзор литературы Специфика микробных комплексов городских почв 1.1. Специфика почв урбанизированных территорий

Урбанизированные территории являются специфическим образованием, формирующимся под воздействием населенных мест, градообразующих предприятий, транспортных сооружений. Темпы урбанизации растут, и к концу 21 века ожидается вовлечение в данный процесс до 20% всей жизнепригодной территории суши (Артамонова, 2002). Городские почвы подвергаются более интенсивным нагрузкам и выполняют столь же важные экологические функции, как и используемые в сельском хозяйстве. Они эффективно изымают, преобразуют и нейтрализуют различные отходы и загрязнители. Однако насыщение почв загрязнителями имеет предел, в рамках которого они могут функционировать. Превышение этого предела приводит к развитию патологии почв.

Урбанизация - это исторический процесс повышения роли городов в жизни общества, связанный с концентрацией и интенсификацией несельскохозяйственных функций, распространением городского образа жизни, формирование специфических социально-пространственных форм расселения. (Никитин, Новиков, 1980). В целом процесс урбанизации понимается как: рост и развитие городов; приобретение сельской местностью внешних и социальных черт, характерных для городов; процесс увеличения роли города в развитии общества (Реймерс, 1992).

Крупный город изменяет почти все компоненты природной среды: атмосферу, растительность, почву, рельеф, гидрографическую сеть, подземные воды, грунты и даже климат (Никитин, Новиков, 1980). В городах активно концентрируются мощные антропогенные нагрузки.

Существуют различные типы классификаций городских почв. Так, в соответствии с методикой (Агаркова и др., 1991), к естественно ненарушенным почвам приурочены территории крупных лесопарков и лесных

массивов. Естественно нарушенные почвы имеют нарушенную нижнюю часть профиля естественных почв и антропогенно-нарушенные или искусственно созданные верхние горизонты. В подгруппе слабонарушенных почв изменения затрагивают гумусово-аккумулятивные горизонты (10-25 см), которые часто перемешаны, срезаны или засыпаны одним или несколькими слоями мелкозема, имеют включения мусора. К ним же отнесены почвы распахиваемых участков, расположенных в черте города. В сильнонарушенных почвах глубина нарушения профиля достигает иллювиальных горизонтов (25-50 см). Эти почвы распространены в основном по периферии города.

Искусственно созданные почвы (урбаноземы) подразделяют на несколько групп:

Собственно урбаноземы - почвы образованные в результате градостроительства и жизнедеятельности человека и характеризующиеся отсутствием генетических почвенных горизонтов; представлены культурными отложениями, состоящими из гумусированного пылевого субстрата разной мощности с включениями мусора.

Культуроземы - городские почвы старых парков, садов и приусадебных участков - отличаются большой мощностью гумусированного и перегнойно-компостного слоя (40-100 см) и в целом всего почвенного профиля; обладают высоким плодородием. Площади культуроземов уменьшаются за счет сноса частных домов и строительства многоэтажных зданий. Урбаноземы и культуроземы - генетически самостоятельные почвы, обладающие как чертами зональных почв, так и специфическими свойствами. Несмотря на нарушенность и искусственное создание почвенного профиля, большую засоренность его антропогенными включениями и изменениями общих экологических условий функционирования, в них протекают процессы гумусирования, выноса, перераспределения органического вещества и химических соединений. Степень выраженности этих про-

цессов различна и зависит от возраста почв, условий использования участков, состава отложений и т. п.

Индустрнозсмы - почвы территорий промышленных предприятий, сильно измененные физически (уплотненные) и химически (загрязненные ТМ, углеводородами и другими отходами производства). На территории предприятий, наряду с индустриоземами, могут встречаться урбаноземы и культуроземы.

Некроземы - почвы городских кладбищ.

Городские почвы претерпевают значительные изменения, характер и степень их трансформированности зависит от вида, степени и продолжительности антропогенного воздействия. Все виды воздействия на почвы в черте города можно объединить в три группы, каждая из которых соответствующим образом изменяет почвы.

1. Воздействие через атмосферу - поступление в почву различных загрязнителей как переносимых с атмосферными фронтами, так и выбрасываемых с городских предприятий и автотранспорта.

2. Агротехнические воздействия - регулярные обработки почв с внесением органических и минеральных удобрений. Таким воздействиям подвержены почвы садово-огородных участков длительного пользования в районах индивидуальной застройки. В результате формируются хорошо окультуренные почвы.

3. Воздействия, вызванные градостроительством. Результатом их являются погребение, скальпирование, частичное разрушение или полное уничтожение исходной почвы. В профиле вновь созданных почв в самых различных соотношениях встречаются остатки исходной почвы, насыпанного грунта и много мусора, что и определяет многие свойства этих почв и содержание в них тяжелых металлов (Агаркова и др., 1991).

Группы почв открытых территорий называют «урбаноземы», а группы запечатанных почв - «экраноземы». Таким образом, запечатанные почвы составляют значительную часть почвенного покрова города. Запеча-

тайные поверхности оказывают комплексные воздействия на экосистему города в целом, изменяя

Информация о работе

Зыкова, Юлия Николаевна
кандидата биологических наук
Киров, 2013
ВАК 03.02.03

Диссертация

Комплексы водорослей, цианобактерий и грибов городских почв и их реакции на действие поллютантов - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы