Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Микрофлора загрязненных тяжелыми металлами почв, их индикация и пути оздоровления

ВАК РФ 03.00.07, Микробиология

Автореферат диссертации по теме "Микрофлора загрязненных тяжелыми металлами почв, их индикация и пути оздоровления"

НА ЦЮН А Л ЬНА А1САДЕМ1Я НАУК УКРА1НИ 1НСТИТУТ М1КР0БЮЛ0ГП I ЫРУСОЛОГН 'т. Д.К.ЗАБОЛОТНОГО

Макарчук Зол Васнл!зна

УДК: 669.018.674+631.427.22

М1КРОФЛОРА ЗАБРУДНЕНИХ ВАЖКИМИ МЕТАЛАМИ ГРУНТ1В, IX 1НДИКАЦ1Я ТА ШЛЯХИ ОЗДОРОВЛЕНИЯ

03.00.07-мп<робюлопя

Автореферат дисертацц на здобуття паукового ступеня кандидата б10Л0пчиих наук

Кию - 2000

Дисертащею е рукопис.

Робота виконана в 1нституп мжробюлогц i Bipyconori'i iM. Д.К.Заболотного HAH Украши.

Науковий кер1вник: доктор бюлопчних наук, ст.наук.сшвр. 1утинська Галина Олександр1вна, 1нститут М1кробюлогп i Bipyconori'i iM. Д.К.Заболотного HAH Укра'ши, завщувач вщдшу загально! та грунтово!' мкробюлоги

Офщшш опоненти: доктор бюлопчних наук, професор Жданова H&iuii МиколаТвна, 1нститут мшробюлогп i в1русологй" iM. Д.К.Заболотного HAH Украши, завщувач вщдшу ф1зюлогп та систематики мжромщтв;

доктор медичних наук, Глоба Леошд 1вг.нович, 1нститут К0Л01ДН01 xiMii та xiMi'f води iM. А.В.Думанського HAH Украши, завщувач вщдшу мжробюлогн очищения води.

Провщна установа: 1нститут сшьськогосподарсько'1 мжробюлогн УААН, M.4epHiriB.

Захист вщбудеться "15" листопада 2000 р. о 10 годиш на засщанш спещал1зовано1 вчено! ради Д 26.233.01 1нституту мисробюлогн i Bipyawiori'i iM. Д.К.Заболотного HAH Украши за адресою: м.Кш'в, 03143, вул.Заболотного, 154

3 дисертащею можна ознайомитись у б1блютещ 1нституту мшробшлогн i Bipyconoril iM. Д.К.Заболотного HAH Укра'ши за адресою: м. Кшв, 03143, вул. Заболотного, 154

Автореферат розюланий »14« t%u>ßrnHA^ 2000 р.

Вчений секретар спещал1зовано1 вчено'1 ради, кандидат бюлопчних наук

Пурин JI.M.

Актуальшсть теми. Важю метали е небезпечними забрудненнями довкшля. Потрапляючи в грунт з газопиловими викидами промислових тдприемств, автотранспорту, з домшками добрив, пестицщйв та in., вони накопичуються в иьому до небезпечних концентраций i негативно впливають на грунтову 6ioTy, сшьськогосподарсью рослини, тварин. По троф1чних ланцюжках важю метали можуть потрапити до людини i становити загрозу и здоров'ю.

Проблема боротьби з забрудненням rpyHTiB набула глобального характеру, актуальна вона i для УкраУни. За структурою земельного фонду 2/3 територп нашо! краши зайнято землями сшьськогосподарського призначення, з яких бшыы як 4,5 млн га забруднеш важкими металами i радюнукгвдами (Земельга ресурси УкраТни,1998).

У зв'язку з цим постае пеобхщшсть оргашзаци i проведения грунтового мошторингу, тобто посгшних спостережень, оцшки i прогнозування еколопчного стану трунив. ,

Вщомо, що мшрооргатзми чутливо реагують на змши фактор1в навколишнього середовшца, зокрема, в грунтах, забруднених важкими металами, пригшчуеться розвиток окремих груп мшрооргашзм1в, ix 6ioxiMi4Ha актившсть, змшюеться склад мшробних угруповань (Гузев B.C. с соавт., 1985).

Зважаючи на це багато дослщниюв вщносять мжрооргашзми до приоритетних об'еюпв мошторингу наземних систем, в тому чист i грунту (Евдокимова Г.А. с соавт., 1984; Doelman P. at al., 1994).

Проте до нишшнього часу не ¡снуе загальновизнаноТ системи мiкpoбioлoгiчниx показнигав для проблемно ор1ентованого бюлопчного мониторингу грунта, забруднених важкими металами. Одним з важливих i мало вивчених аспектов мошторингових дослщжень е визначення мутагенного впливу забруднених грун-пв на мпсробт популяци. Значно! уваги заслуговуе вивчення Mexam3MiB формування резистентносп мшробних угруповань до забруднень.

При розробщ заход1в реабинтацп забруднених важкими металами грун-пв не в повнш Mipi використовуються сучасш бютехнолопчш тдходи, зокрема застосування мшрооргашзм1в i i'x метаболтв для створення мелюраттв комбшовашм ди.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у вщповщюсп з напрямком науково-дослщних po6iT 1нституту мшробюлоги i Bipyconori'i в межах бюджетно! тематики вщдту загально! i грунтово! мшробюлогп № 2.28.9.9, а також проекпв ДНТП 01.05 "Охорона i вщтворення земельних pecypcie Украши".

Мета i задач1 досшдження. Мета роботи - вивчити вплив важких мeтaлiв на мжрофлору темно-ciporo опщзоленого грунту, створити систему мжробюлопчних показниюв для проблемно ор1ентованого бюлопчного мошторингу забруднених важкими металами грунта, розробити основи заход1в ix реабштацп.

Виходячи з мети дослщжень вирппувались таю завдання:

- дослщити вплив важких метал!в i мелюрант1в на ферментативну актившсть грунту;

- вивчити токсичшсть i мутагенний фон грунту, забрудненого важкими металами, а також fliro мелюранпв для зменшення мутагенно\' дп забруднень;

- визначити резистентшсть грунтових мжрооргашз\ив до забруднень важкими металами;

- дослщити гомеостаз мшробних угруповань в забрудненому rpymi;

- визначити BMicT рухомих форм важких метал1в у забрудненому i мелюрованих грунтах;

- розробити основи заход1в для оздоровления груштв, забруднених важкими металами.

Наукова новизна одержаних результата.

Вперше для мониторингу забруднених важкими металами грунпв застосований системний пщхщ - вивчення впливу токсикант1в на pi3Hi pißiii оргашзацп м1кробного ценозу грунту: доюнтинний, клггинний, популящйний, ценотичний.

Показано, що як шдикатор на забруднення може бути використана аскорбатоксидазна актившсть грунту, яка пригшчуеться пщ впливом важких мет&тв.

Встановлено, що важи метали пщвищують токсичшсть i мутагенний вплив забрудненого грунту на тест-м1крооргашзм Salmonella typhimurium ТА 100.

Вперше вивчено вплив важких метаив на швидкють руху мжрооргашзм1в методом лазерно! корелящйно-доплер1всько1 спектрометра. Видшена тест-культура Pseudomonas sp. 19, швидкють руху яко! використана як показник стану забруднення середовища важкими металами.

Показано, що в забрудненому rpyim зростае чисельшсть резистентних мжрооргашзм1в, сшввщношення чисельносп резистентних i чутливих MiKpoopraHi3MiB у забрудненому rpyHTi вище, шж у контрольному.

Розраховаш показники, що характеризують гомеостаз мшробних угруповань у rpyHTi, забрудненому важкими металами: виживання мшрооргашзмш, чутливють до токсикакпв, швидкють вщновлення чисслыюст1 мжробного ценозу.

Практичне значения одержаних результатов.

Запропонована i апробована система мшробюлопчних иоказниюв для проблемно ор1ентованого бюлопчного мониторингу грунпв, забруднених важкими металами, яка включае визначення аскорбатоксидазно! активное^ грунту, токсичност1 i мутагенносп забрудненого грунту з використанням тест-м!кроорган1зму Salmonella typhimurium ТА 100, сшввщношення чиceльнocтi резистентних i чутливих до важких метал1в мшрооргашзм!в, швидюсть руху клггин тест-культури Pseudomonas sp. 19, виживання MiKpoopraHi3Miß у забрудненому rpyHTi, чутливють до токсикаштв, швидюсть вщновлення чисельносп мжробного ценозу.

Ha ocHcmi розроблено'1 нами системи шдикацшних показниюв проведена комплексна пор1вняльна оцшка ефективносп неоргашчних, оргашчних, бюлопчних i комбшованих мелюрагтв. Розроблеш заходи для оздоровления забруднених грун-пв - рекомендовано при низьких р1внях забруднення (1 ГДК) застосування цеолпу битого, цеол1ту зеленого, вермжутту, 6ioryMycy, суспензн мщелпо i спор культури Streptomyces alboviridis 141, а при високих р1внях забруднення (10-20 ГДК) перспективне використання бюгумусу i rincy з культурою S.alboviridis 141.

Особистий внесок здобувача. Розробка програми дослщжень, проведения польових та лабораторних дослвдв, статистична обробка експериментальних даних, ix анал1з та теоретичне узагальнення отриманих результате виконаш дисертантом особисто або при його безпосереднш участт.

Дослщження токсичносп i мутагенного впливу на мжрооргашзми грунту, забрудненого важкими металами, проводилось разом з кафедрою мжробюлогп Одеського державного ушверситету iM. I.I.Мечникова за участю шж. CoiuiiHoi0.М. Штам Salmonella typhimuriu'm ТА 100, використаний для токсико-генетичних дослщжень, був наданий завщувачем кафедри мжробюлогп Одеського державного ушверситету iM. I.¡.Мечникова д.б.н. В.ВЛваницею, за що ми висловлюемо щиру

ВДЯЧШСТЬ.

Визначення BMicry рухомих форм важких метал1в у rpymi проводилось на 6a3i 1нституту екоппени i токсикологи iM.JI.I. Медведя.

Дослщи з використанням методу лазерно! корелящйпо-доплер1всько1 спектрометри виконувались на 6a3i Гнституту бюоргашчно! xiMii i нафтох1мн HAH Украши.

Апробащя результате дисертацн. Результати дослщжень доповщались на М1жнародшй конференцй' "Проблемы микробиологии и биотехнологии" (м. Мшськ

- 1998 р.); на 5-му Делегатському з1зд1 грунтознавщв i arpoxiMiKiß Украши (м. PiBHe

- 1998 р.); на конференцп "Экономические проблемы производства и потребления экологически чистой продукции АПК" (м. Суми - 1999 р.).

Публжацн. За матер1алами дисертацй опублжовано 10 наукових праць, з них 6 статей - у фахових журналах.

Структура та обсяг роботи. Загальний обсяг робота становить 120 сторшок машинописного тексту i складаеться з вступу, огляду лггератури, п'яти роздшв власних експериментальних дослщжень, висновюв, списку л1тератури, який включае 134 першоджерел (з них 55 ¡ноземних). Робота шюстрована 23 рисунками i 5 таблицями.

ОГЛЯД Л1ТЕРАТУРИ

Складаеться з 4 пщроздшв, в яких розглядаються питания джерел забруднення группв важкими металами, впливу важких метал1в на грунтову мжрофлору, pe3HCTeHTHOCTi грунтових MiKpoopraHi3MiB до забруднення важкими металами, розглянуп методи оздоровления грунпв, забруднених важкими металами.

МАТЕР1АЛИ IМЕТОДИ ДОСЛ1ДЖЕННЯ

Об'ектом дослщження була мшрофлора темно-ciporo опщзоленого грунту Кшвсько1 область Дослщжувався вплив важких метал1в на pi3Hi систематичш i еколого-троф!чш групи MiKpoopraHi3MiB: мшромщети, стрептомщети, органотрофш, амшол1тичш бактерц та бактерй, що синтезують екзополюахариди (ЕПС). В лабораторних i польових дослщах проводили модельне забруднення грунту шляхом внесения водних розчишв солей важких метатв Cu2+, Cd2*, Pb2+, Zn2\ Hg2\ Sr2* або i'x сушшей в р1зних дозах (кожного металу) вщ 1 до 20 гранично-допустимих концентрацш (ГДК). В контрольний грунт важю метали не вносили.

Для розробки заход1в оздоровления забрудненого важкими металами грунту вивчали дно неоргашчних, оргашчних, бюлопчних i комбшованих мелюранпв: неоргашчш - цеол1т бший (3 т/га), цеол1т зелений (3 т/га), вермжул1т (0,5 т/га); оргашчш - 6ioryMyc (8 т/га); бюлопчш - культура Streptomyces alboviridis 141, стшка до високих доз важких метатв i здатна вилучати i'x з водних розчишв (доза внесения Зх1010колошйутворюючих одиниць/га); комбшоваш - rinc (2,1 т/га) з культурою S.alboviridis 141 (3x10ю колоншутворюючих одиниць/га), колощний сопол1мер на основ! м1кробного полюахариду - енпосану (20%) i пол1акриламщу (80%), доза внесения 15 т/га.

В свош poöoTi ми базувались на системному пщход1 до мшробного ценозу грунту, який мае таю piBHi оргашзаци: доклггинний, клгашний, популяцшний, ценотичний. На кожному з цих piBHiB вивчали шдикацшш показники, як! характеризували вплив важких метал1в.

На доклггинному piBHi оргашзацп мжробного ценозу визначали аскорбатоксидазну актившсть грунту модифжованим аскорбшометричним методом (Иутинская Г.А., Серая Л.И.,1996).

На клтшному piBHi вивчали токсичшсть i мутагенний вплив грунту на клггини ауксотрофного по пстидину штаму Salmonella typhimurium ТА 100. Це - вщомий тест-м1кроорган1зм, який застосовуеться генетиками i мпсробюлогами як дуже чутливий до впливу важких метатв, пестицидов, радюнуклдав. Штам дуже легко утворюе мутацп пщ впливом токсикантсв. Токсичшсть грунту визначали по пригшченню розвитку Tecr-MiKpoopraHi3My, а мутагенну актившсть - за шдукщею зворотшх мутацш (реверсш) до прототрофносгп (збшыпенням числа прототрофних колошй на м1шмалыюму селективному середовищ! в присутносп витяжки з ' забрудненого грунту поршняно з контрольним середовшцем).

На популяцшному piBHi вивчали резистентшсть i чутливклъ окремих мжробних популяцш до забруднення грунту важкими металами. Кшьюсть резистентних органотрофних MiKpoopraHi3MiB визначали на розведеному вдв1ч1 м'ясо-пептонному бульйош (МПБ) з 2% агар-агару при додаванш важких метатв в двох градieiпах концентрацш - вщ 0,1 до 1 та вщ 1 до 9 ГДК. Стушнь резистентности мжробних

угруповань характеризували за сшввщношенням чиселыюсп резистентних i чутливих мкрооргашзм1в.

На ценотичному pißHi були дослщжеш показники, яю характеризують гомеостаз мжробного угруповання: здатшсть до виживання мжрооргашзм1в у забрудненому rpyHTi (в % вщ контролю), чутлив1сть до важких метал1в, швидюсть i тривал1сть перюду вщновлення окремих груп мшрооргашзм1в (органотрофних, амшолггичних, ЕПС-синтезуючих бактерш, мжромщет1в, стрептом1цет1в).

Поведшку резистентно!' i чутливо!" культур мжрооргашз\нв при pi3imx концентращях важких метал1в вивчали за допомогою лазерно!" кореляцшно-доплер!всько!' спектрометрii, яка надае можлив1сть визначити лшшну швидюсть руху бактер1альних клггин. Для роботи з контрольного i забрудненого грунту були видшеш культури, як! характеризувались активним поступальним рухом 3i швидюстю - 45-47 мкм/с. Серед цих культур для дослщв була вдобрана чутлива до дй° важких метал1в культура Pseudomonas sp. 19 i резистентна - Pseudomonas sp.33. Чутлива культура не росла при 1 ГДК важких метал^в у середовищь Резистентна культура Pseudomonas sp.33 здатна була витримувати концентраци важких метал1в у середовипц 5-7 ГДК. Швидюсть руху китин вим1рювали в контрольному середовипн (МПБ) i при додаванш в нього р1зних концентрацш важких метал1в (Си", Cd", Pb" i Zn").

Визначення BMicry рухомих форм Cu", Cd", Pb" i Zn" у rpyHTi проводили в ацетатно-амоншнш витяжщ (pH 4,8) методом атомно-абсорбцшно!" спектрометрц (Физико-химические методы исследования почв, 1980).

Статистичну обробку даних експериментальних дослщжень проводили за Ашмаршим I. П. i Воробйовим А. А. (1990).

ВПЛИВ ВАЖКИХ МЕТАЛIB IМЕЛЮРАНТ1В НА АСКОРБАТОКСИДАЗНУ

АКТИВШСТЬ ГРУНТУ

Чутливими до зм1н фактор1в зовшшнього середовища е фермента. В нашш poöoTi як показник впливу важких MeTaniB на ферментативну актившсть грунту була використана аскорбатоксидазна актившсть. Цей фермент вщноситься до групи оксидоредуктаз, яю зв'язаш з транспортом електрошв, що беруть участь в "диханш грунту", тобто в процеа, який е чутливим до ди важких метал1в.

Дослщження впливу окремих важких метал1в - Си", Cd", Hg" - в доз1 2 ГДК на аскорбатоксидазну актившсть грунту показало, що в nepiiri строки активность ферменту найсильшше (на 40-50%) пригшчуе ртуть i кадмш (рис.1).

При забрудненш сум1шшю важких метал1в в доз! 20 ГДК аскорбатоксидазна актившсть також зменшуеться на 40%.

Застосування таких мелюранпв як цеолгг бший i бюгумус у забрудненому сумшшпо важких метал1в грунт! сприяло пщвищенню активносп ферменту у 1,5 рази пopiвнянo з забрудненим грунтом без мелюранпв.

2 с? о о,

о к

.3

и

ох

Л

й

к п

СИ й К

3

о К

о

и

ю Си

о

120

100 -

2доби 15 д1б

□ Контрольний грунт ЕЗ Си2*

30 д1б

са2+ ■ щ11

Рис.1. Вплив важких метал1в в доз1 2 ГДК на аскорбатоксидазну активность грунту

ТОКСИЧШСТЬIМУТАГЕНШСТЬ ГРУНТУ, ЗАБРУДНЕНОГО ВАЖКИМИ

МЕТАЛАМИ

Негативний вплив важких мстал1в на мжрооргашзми проявляеться в мутагеншй д1"1 на генетичний апарат мжробно!' юнтини. Поява мутантних штам1В може призвести до непередбачуваних еколопчних наслдаав.

Проведен! дослщження показали, що при забрудненш грунту сум1шшю важких метал1в (Си2", СсР, РЬ2", Хп1*) його токсичшсть зростала на 46-78% пор1вняно з контролем.

Мелюранти зменшували токсичш властивосгй забрудненого грунту, а в деяких випадках навггь в1дм!чена стимулящя росту тест-мжрооргашзму. Наприклад, при доз1 забруднення 1 ГДК стимуляцно розвитку тест-мжрооргашзму спостерЬали при застосуванш бюгумусу, культури БггерЮтусез аШоутеИх 141, цеолггу бшого - у 2,23,4 рази, а при внесенш цеолггу зеленого та вермшулггу - у 4,7-6,2 рази пор1вняно з контролем. При доз! 10 ГДК токсичшсть грунту зшмали таи мелюранти: цеолп бший, бюгумус, КС-11 гшс з а1Ьо\т(Ия 141. При бшьш високш доз1 забруднення (20 ГДК) ефективним був лише бюгумус.

Встановлено, що як розчини солей важких метал ¡в, так \ забруднений ними грунт мають значний мутагенний вплив на мнерооргашзми. Так, при вивченш ди розчинн солей окремих метал1в найбшьшу мутагенну дпо на тест-культуру мав РЬ2\ I присутносп якого частота мутацш перевищувала спонтанний р1вснь у 2,1 рази Мутагенна д1я Си!+, 2пг* 1 Сс12+ була статистично недостов1рною.

Сумин дослщжуваних важких метал1в мала силыиший мутагенний вплив на тест-мкрооргашзм, шж будь-який важкий метал окремо: частота мутацш перевищувала р1вень спонтанних мутацш у 7,8 рази.

Забруднення грунту сумшшю важких меташв у дозах вщ 1 до 20 ГДК призводило до збшыпення його мутагенно! активносп в 2,29-5,10 рази пор1вняно з1 спонтанним р1внем (рис.2).

При невисокш доз1 забруднення (1 ГДК) вс1 дослщжеш мелюранти знешкоджували мутагенну дто важких меташв.

При бшьш високих дозах забруднення ефектившсть мелюрантсв зменшувалась. Так, при доз1 забруднення 10 ГДК мутагеншсть грунту знижувало до спонтанного р!вня застосування бюгумусу та сопол1меру енпосану з пол1акриламщом, а при 20 ГДК - застосування бюгумусу 1 гшсу з Б.а1Ьо\чг1сИз 141.

РЕЗИСТЕНТШСТЬ ГРУНТОВИХ М1КРООРГАН13М1В ДО ЗАБРУДНЕННЯ

ВАЖКИМИ МЕТАЛЛ,\Щ '

Проведен! дослщження показали, що в склад! органотрофних мкрооргашзм1в забрудненого грунту значно зростае кшьккть резистентних мжрооргашзм1в, здатних витримувати висом концентрацй метал1В у середовищь

Так, в забрудненому важкими металами грунп при доз! 1 ГДК кшьюсть резистентних мшрооргашзм1в становила 64-94% вщ загально! чисельносп органотроф!в, тод1 як у контрольному - 27-62%. При бшьш високих дозах забруднення грунту (10 1 20 ГДК) спостер^алась така ж законом1ршсть у формувашп мжробно1 резистентность Найбшьш висока чисельшсть резистентних мжрооргашзм1в вщм1чаеться на 15-30-у добу теля внесения меташв у грунт - до 95% вщ загальноТ кшькосп М1крооргашзм1в.

Показано, що використання мелюранпв на забруднених грунтах прискорювало розвиток резистентно!" до важких метал1в мшрофлори. Так, вже на 15-у добу дослщу найбшьша вщносна кшьисть резистентних мкрооргашзм1в була виявлена при застосуванш бюгумусу - 90%, в той час як в забрудненому грунп без мелюрацй вона дор1внювала 52,1%.

Для характеристики резистентносп мжробпих угруповань нами був використаний такий показник як стввщношення чисельносп резистентних 1 чутливих мшрооргашзм!в. Це сшввщношення в мжробних угрупованнях контрольного грунту коливалось вщ 3 до 5, а забрудненого - вщ 8 до 21.

Слщ вщм1тити, що мжрооргашзми збер1гали резистентшсть до важких мстал1в теля тривалого збер1гання 1 переав1в на середовища без мстал1в.

Вивчення д1апазону чутливосп мшрооргашзм!в до важких метал1в показало, що резистентш культури витримували концентрацш важких меташв у середовигщ, екв1валентну, 5-7 ГДК, пор1г \\ чутливосп дор1внював 5 ГДК, а чутлив1 культури не росли при концентращ1 важких метал1в у середовинп, екв1валентнш 1 ГДК, пор1г 1х чутливосп становив 0,25 ГДК.

Доза забруднення 1 ГДК

о контроль

■ забруднений грунт Р цесшт бший

ш цссшт зелений я бюгумус о Всрм1кул1т

■ гшс+Б.а1Ьо\тсИз 141

Доза забруднення 10 ГДК

□ контроль

■ забруднений грунт а цеолггбший

■ бюгумус

Б) ппс+Б.а!ЬоУ1Г11^ 141

■ КС-1

Доза забруднення 20 ГДК

« 2 сг ч

ВЗ о

Н Рч

е §

2.3

Б в я ЕГ

500 1

400

300 ■

200

100 •

у

т

==з * ^

—£—' -

.......

555

I

□ контроль В забруднений грунт В цеолп1 бший и бюгумус Ы ппс+5.я/6оуг/7б?й 141 ■ КС-1

Рис.2. Мутагенний фон грунту, забрудненого сум1шшю важких метал1в, при застосуваиш мелшра1тв

Пуглив! до токсиканта штами мжрооргашзм1в можуть бути використаш як бюшдикатори на забруднення грунту важкими металами.

Проведен! дослщження впливу важких метал1в на швидьасть руху мкрооргашзм1в методом лазерно1 кореляцшно-доплер1всько1 спектрометри показали, що реакщя на внесения Pb2\ Cd2*, Zn2\ Си" у чутливо! до метал1в культури (Pseudomonas sp. 19) була бшьш виразною, шж у резистентно! (Pseudomonas sp.33).

Встановлено, що на 20-40 хв. дослщу дози важких метал1в, екв1валентш 1 ГДК, не чинили значного токсичного впливу на швидюсть руху мжрооргашзму Pseudomonas sp. 19; бшьш висок1 концентрацп метал!в (3, 5 i 10 ГДК) призводили до стшкого зменшення швидкосп й руху - на 25-36,5%. У резистентно! культури Pseudomonas sp.33 тд впливом важких меташв швидюсть руху теля незначного зниження вщновлювалась.

За негативним впливом на швидюсть руху метали можна вишикувати у такий зростаючий ряд: Си1* < Zn2* < Cd2" < Pb2". Цей ряд вщповщае визначешй нами токсичносп метал1в по 'ix вщношенню до грунтових мжрооргашзм1в.

Результата проведених дослщжень показали, що для вивчення впливу важких метал1в на мжрооргашзми грунту можливе використання такого показнику як швидюсть руху чутливо! культури, що визначаеться методом лазерно! кореляцшно-floiinepiBCbKo'i спектрометрй. Вццбрана чутлива культура (Pseudomonas sp. 19), яка може бути використана як тест-об'ект для експрес-оцшки стану грун^в, забруднених важкими металами.

ГОМЕОСТАЗ М1КРОБНИХ УГРУПОВАНЬ ГРУНТУ, ЗАБРУДНЕНОГО

ВАЖКИМИ МЕТАЛАМИ

Важливою характеристикою мжробного угруповання е його гомеостаз, тобто здатгасть мжробного ценозу пщтримувати cboi кшьюеш характеристики при дй' на нього несприятливих фактор1в. Даш щодо динамши чиселыгаст1 MkpoopraHi3MiB у забрудненому rpyiui евщчать, що в першу-другу добу теля внесения важких метал1в спостер1гаеться зменшення чиселыгосп мжрооргашзм!в, а з часом "ix кшьюсть вщновлюеться.

Дослщжеш нами pi3Hi групи MiKpoopraHi3MiB (органотрофш, амшолггичш, ЕПС-синтезуюч1 бактери', мкромщети, стрептомщети) вщр1знялися кшьюсними характеристиками гомеостазу. Так, високу здатшеть до виживання (92-94% вщ контролю) проявляли амшолггичш, органотрофш бактерй, стрептомщети при забрудненш Sr2* i Cu2t в дозах вщ 2 до 4 ГДК (рис.3).

Найбшьший негативний вплив на чисельшсть дослщжених мжрооргашзм1в мало внесения в грунт юшв Hg2*. При доз1 забруднення цим металом 2 ГДК виживання мшрооргашзм1в коливалось вщ 55 до 79%, а при 4 ГДК не перевищувало 33-62%.

Стшюсть мжробного угруповання грунту до забруднення важкими металами можна охарактеризувати тривашетю перюду вщновлення кшькосп MiKpoopraHi3MiB. При внесенш в грунт окремих меташв у випробуваних нами дозах чисельшсть м1крооргашзм1в бшьшосп вивчених груп вщновлювалась.

S.3

sa «

150 100 •• 50 0

Cu*

Органотрофш бактери

Гп.Птгп

Sr"

Cd"

Hg*

Pb"

CyMÎui MeTajiiB

Амшсштичш бактери

Hg" Pb" Сумин метал1в

2

« я ч о & rr 150

я й 100

s s s о к .3 50 0

pa а

s?

ЕПС-сшггезуюч1 бактери

Си"

Cd" Hg" Pb" Сумйи метатв

Мшромщети

Cd" Hg" Pb" CyMÍui метал1в

2 с: о

е-

¡я о

X

.3

а

150 ■ 100 -50-

riN-

Си"

Sr"

Стрептомщети

Cd"

Hg*

Pb"

О доза забруднення 2 ГДК, О — 4 ГДК

Сумин метал1в

Рис.3. Виживання MÍKpoopraii¡3MÍB у rpyirri, забрудисному важкими металами

Найкоротшим був перюд вщновлення кшькосп мпсромщета - вш складав 13-58 16. Можливо, коротким перюдом вщновлення чисельносп I пояснюеться поширене :ред дослщниюв твердження про бшын високу стшшсть мжромщет1в до 1бруднення важкими металами. У стрептомщслв, органотрофних, амшолггичних 1 ПС-синтезуючих бактерш перюд вщновлення був бшьш тривалим 1 складав 3530 д!б. Слщ звернути увагу на те, що при забрудненш РЬ2" I в доз! 4 ГДК, а 1кож сумшнпо меташв у цш же доз! чисельшсть зазначених вище мжрооргашзм1В г вщновлювалась протягом усього пер]оду спостережень. Отримаш даш вказують а те, що при таких дозах забруднення гомеостаз мжробного угруповання орушуеться.

На пщстав! проведених дослщжень для проблемно ор1ентованого мошторингу эунпв, забруднених важкими металами, можна запропонувати систему щикацшних показниюв, зображену в табл.1.

Таблиця 1

Система мжробюлопчних показниюв для проблемно ор1Снтованого мисробюлопчного мошторингу грунэтв, забруднених важкими металами

ерарх1чний авень оргашзацй" нкробного ;енозу грунту 1ндикацшний показник Бютест

(оюнтинний Аскорбатоксидазна актившсть грунту Аскорбатоксидаза

Сштинний Токсичшсть ! мутагенна д1я грунту на кштини тест-мжрооргашзкнв Тест-культура БлурЫтипит ТА 100

Топулящйний Реакщя чутливих культур мжрооргашзкпв Вздношення чисельносп чутливих 1 резистентних культур Швидшсть руху клшш тест-культури, визначена за допомогою лазерного кореляцшно-доплер1вського спектрометру

^енотичний Гомеостаз мжробного угруповання грунту Виживання мшрооргашзм!в в забруд-неному групп, чуппдасть до токсиканпв, швидюсть вщновлення чисельносп ценозу

ДИНАМПСА ВМ1СТУ РУХОМИХ ФОРМ ВАЖКИХ МЕТАЛ1В У ГРУНТ1 ПРИ ЗАСТОСУВАНН1МЕЛЮРАНТ1В

Для комплексно!" оцшки ефективносп ди мелюранпв одночасно з ¡ндикащйними оказниками вивчали вм1ст рухомих форм важких метал1в. Фоновий вмют рухомих юрм важких метатв у темно-арому опщзоленому групп становив: мда - 0,61;

кадмио - 3,58; свинцю -1,40; цинку - 29,86 мг/кг грунту.

Анатз динамки вмкпу рухомих форм важких метал1в у забрудненому грунт показав, що з часом концентрацш и поступово знижуеться, що е свщченнях природноТ здатносп грунта до вщновлення.

Так, при доз1 забруднення 1 ГДК (кожного металу в сумшп) кшьюсть рухомш форм важких метал1в у грунп на 60-ту добу зменшилась : Си" - на 83, СсР* - на 24 2пг* - на 38% пор1вняно з концентрашею IX у перш! строки (рис.4).

70

| &

1-Й в 1-.

6 2

2 «

60 Н 50 40 30 -20 -10 -0

Доза забруднення 1 ГДК

§ Доза забруднення 10 ГДК

Доза забруднення 20 ГДК

□ контроль

■ забруднений грунт на початку дослщу В забруднений грунт на 60-ту добу дослщу

Рис.4. Вм!ст рухомих форм важких метал1в у групп

Таку ж законом1ршсть спостерц-али 1 при доз1 забруднення 20 ГДК.

Застосування мелюрантсв сприяло значному зменшенню вмгсту рухомих форм ажких метатв у забрудненому грунть При низьких дозах забруднення (1 ГДК) ва астосоваш мелюранти - цеол1т бший, цеолгг зелений, вермкул1т, бюгумус, культура \alboviridis 141 - зменшували вм1ст рухомого РЬг* у грутт на 87-96% пор1вняно з ого кшыастю у забрудненому грунт! без мелюрантсв. При використанш цеолпу гленого I культури 8.а1ЬоутсИз 141 концентращя рухомих форм метал1в меншувалась (вщповщно): Си2* - на 10 \ 36,7; СсГ*- на 31,9 \ 62,3; Хп1* - на 13,45 1 2,7%. Внасладок цього на мелюрованих дшянках вм1ст метал1в не перевищував оказники контрольного грунту.

При бшып високих дозах забруднення (10 1 20 ГДК) жоден з мелюрантсв не нижував вм1ст важких метал1в до р1вня незабрудненого контролю.

При 10 ГДК застосоваш мелюранти зменшували вм1ст РЬ2+ на 44-63%, а при доз1 абруднення 20 ГДК р1зниця вм1сту рухомих форм важких метал1в у забрудненому рунтс з мелюрантами 5 без них була несуттевою. Як було вщм!чено, при високих озах забруднення порушуеться гомеостаз мжробних угруповань. Можливо, що це орушення е одшею з важливих причин зменшення ефективностс ди мелюрантсв.

На баз1 розроблено!' нами системи шдикацшних показниюв була оцшена фектившсть мелюрантсв (табл.2).

Таблиця 2

Мелюранти, що знешкоджували негативний вплив важких метал1в

1ндикацшний показник Ефективний мелюрант при дозах забруднення

1ГДК 10 ГДК 20 ГДК

Чскорбатокси-1азна aктивнicть ■рунту Цеолп- бший, цеолпг зелений, бюгумус, вермжулгг, культура Б^ерЮтусез а1Ьо\'1Г1{Ия 141 Цеолгг бший, бюгумус Цеолп- бший, бюгумус

ГОКСИЧШСТЬ 1 лутагенна Д1я -рунту Цеолп- бший, цеоли1 зелений, бюгумус, верм1кул1Т, культура 81гер1отусеь а\ЪомтсИз 141 Бюгумус, КС-1 Бюгумус, ттс+Б.а1Ьо-\iridis 141

Зезистентшсть ^¡кробних угруповань Бюгумус Бюгумус Бюгумус

Цинамжа рухомих |юрм важких летал!в у грунтс Цеолгг бший, цеолгг зелений, бюгумус, вермжушт, культура Б^ерЮтусея а1ЬоутсИз 141

За результатами комплексно'1 оцшки найбшьш перспективними для реабштацг грунтов, забруднених важкими металами, е Taxi мелюранти: цеолгг бший, цеолп зелений, вермжулгг, бюгумус, культура Streptomyces alboviridis 141 (при низькю р1внях забруднення) та бюгумус, rinc з культурою S.alboviridis 141 (при високю р1внях забруднення). ГЦ мелюранти можуть бути запропоноваш виробництву яь основа заход1в для оздоровления грунтов, забруднених важкими металами.

висновки

1. В процеа З-piHHoro мошторингу темно-ciporo ощцзоленого грунту Кшвсько'

областо, забрудненого важкими металами, вперше застосований iepapxiHHui пщхщ, який базуеться на вивченш р1зних piBiiiB оргашзаци м1кробного ценоз) грунту - докштшшого, кштинного, популяцшного, ценотичного.

2. Виявлено, що аскорбатоксидазна активнють грунту е чутливим ¡ндикаторо\ на доклгошному piBHi оргашзаци мисробно! системи грунту. В умова) забруднення важкими металами при доз! 20 ГДК ферментативна актившсп грунту пригшчуеться на 40%.

3. Забруднення важкими металами в дозах вщ 1 до 20 ГДК у 2-5 pa3iß пщвищус

мутагенний вплив грунту на тест-культуру Salmonella typhimurium ТА 100 Використання мелюрантов з високою сорбщйною здатнютю - бюгумусу колощного сопол1мсру i rincy з культурою Streptomyces alboviridis 141 знижу« мутагенний вплив важких меташв до спонтанного р1вня.

4. В склад! органотрофних бактерш забрудненого грунту зростае чисельшсто MiKpoopraHi3MiB, стойких до високих доз (5-7 ГДК) важких метал ¡в. Внесения i забруднений грунт бюгумусу сприяе пщвищенню резистентносто мжробню угруповань.

5. Вперше вивчено вплив важких меташв на швидкють руху мнсрооргашзмн методом лазерно1 кореляцшно-доплер!всько1 спектрометра. Показано, щс швидюсть руху чутливо! до важких меташв культури Pseudomonas sp. 19 i присутносто ¿ошв Cu2+, Zn2+, Cd", Pb:+ зменшуеться на 25-36,5%. Цей показни] можна використовувати для експрес-ощнки стану забруднення грунтов.

6. Дослщжено вплив важких метал ¡в на показники гомеостазу мнсробни: угруповань: виживання, чутлив1сть до токсикантов, швидюсть i nepio; вщновлення чисельносто окремих систематичних i еколого-троф1чних rpyi мжрооргашзм1в. При забрудненш грунту сумшшю важких метал1в в доз 4 ГДК гомеостаз мпсробних угруповань порушуеться незворотньо.

7. Ha 6a3Í розроблено! нами системи шдикацшних показниюв проведена комплексна оцшка мелюраипв з метою i'x використання для реабштаци rpyirnB, забруднених важкими металами. При низьких р1внях забруднення (1 ГДК) ефективними е цеолгг бший, цеолгг зелений, вермжулгг, бюгумус, культура Streptomyces alboviridis 141, а при високих piniinx забруднення (1020 ГДК) перспективне застосування бюгумусу i rincy з культурою Streptomyces alboviridis 141.

Список опубл1кованих праць.

1. 1утинська Г.О., Петруша З.В.* Резистенттсть грунтових MÍKpoopraHÍ3MÍB до забруднення важкими металами // Мжробюлопчний журнал. - 1999. - №5. -С.72-77.

2. Андреюк Е.И., Путинская Г.А., Петруша З.В.* Гомеостаз микробных сообществ почв, загрязненных тяжелыми металлами II Мшробюлопчшш журнал. - 1999. - №6. - С. 15-21.

3.1утинська Г.О, Петруша З.В.,* Cipa JI.I. Вплив Mini на мжрофлору темно-ciporo огадзоленого грунту i розробка cnocoöiB його оздоровления //Бюлетень 1нституту сшьськогосподарсько! мкробюлогп. - 1999. - №4. - С.11-14.

4. 1утинська Г.О., Петруша З.В.* Вплив cyMiini важких метал1в на мкрофлору темно-ciporo опщзоленого грунту //Бюлетень 1нституту сшьськогосподарсько!' мкробюлогй". - 1999. - №5. - С.14-17.

5. 1утинська Г.О., Петруша З.В.* , Васильева Т.В., Conmina О.М. Токсичшсть i мутагеншсть важких метал1в - забруднювач!в грунту // Современные проблемы токсикологии. - 2000.- №2. - С.53-56.

6. Петруша З.В.* Ефектившсть мел1ора1тв, що вщновлюють б1олопчн1 функцн rpyHTÍB, забруднених важкими металами // Науковий вюник ВДУ. - 1999. - №4. - С.142-144.

7. Путинская Г.А., Антипчук А.Ф., Валагурова Е.В., Козырицкая В.Е., Петруша З.В.*

Структура микробиологического мониторинга почв как составной части биологического мониторинга // Технические и системные средства экологического мониторинга почв. - Киев, 1998. - С. 63-68.

8. Петруша З.В.,* Краснобрижа О.М., Антипчук А.Ф., 1утинська Г.О. Бюшдикащя забруднених важкими металами rpyHTÍB та заходи ix оздоровления. - Еколопчшсть продукци АПК: економша та технолопя. -Суми:"Козацький вал", 1999. - С.206-209.

9. Путинская Г.А., Антипчук А.Ф., Валагурова Е.В., Козырицкая В.Е, Петруша З.В.*

Использование микроорганизмов как биотестов на загрязнение почв тяжелыми металлами // Материалы Междунар. конф. "Проблемы микробиологии и биотехнологии". - Минск: «Микробио». - 1998. - С.170-172.

10.1угинська Г.О., Антипчук А.Ф., Валагурова Е.В., Козырицкая В.Е., Петруша З.В. Вщновлення бюлопчних функцш грунта, забруднених важкими металами ¡ ArpoxÍMÍH i грунтознавство: Спец. випуск до V з'1зду УТГА (PiBHe, 6-10 липн 1998 р.). - XapniB: УААН, 1998. - С.93-95.

*Пр1звище Петруша змшено на Макарчук.

Макарчук З.В. Мжрофлора забруднених важкими металами грунта, 'ix ¡ндикацг та шляхи оздоровления. - Рукопис.

Дисертащя на здобуття наукового ступеня кандидата бюлопчних наук з; спещальшстю 03.00.07-мжробюлопя. - 1нститут мжробюлогн i в1русолоп ¡м.Д.К.Заболотного HAH Украши, m.Kh'íb, 2000.

Дисертащю присвячено вивченню впливу важких метал1в на мжрофлору темно ciporo опщзоленого грунту. Вперше застосований системний пщхщ для вивченн впливу важких метал!в на pÍ3HÍ iepapxÍ4HÍ píbhí мшробного ценозу грунту доюптинний, клтшний, популяцшний, ценотичний. Вивче1п токсич1нсть мутагенна актившсть грунту, забрудненого важкими металами, та запропоноваи hobí заходи для ix зменшення. Для вивчення впливу важких метал!в на мжроби популяци грунту вперше використаний метод лазерно'1 кореляцшно-доплер1вськс спектрометра. Розрахован! показники, як1 характеризують резистентьпсть гомеостаз м1кробних угруповань в грунп, забрудненому важкими металами.

На ochobí вивчення м1крофлори i динам1ки рухомих форм важких метал1в npi застосувашп неоргашчних, орган1чних, бioлoгiчниx i комбшованих Meniopami poзpoблeнi заходи для реабштаци забруднених грунттв.

Ключов1 слова: грунт, важю метали, м!крофлора, мелюранти

Макарчук З.В. Микрофлора загрязненных тяжелыми металлами почв, и: индикация и пути оздоровления. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук п специальности 03.00.07-микробиология. - Институт микробиологии и вирусологи им.Д.К.Заболотного HAH Украины, г.Киев, 2000.

Диссертация посвящена изучению влияния тяжелых металлов (Cu2t, Cd2*, Pb2 Zn2*, Hg2*, Sr2*) на микрофлору темно-серой подзолистой почвы Киевской облает! Впервые использован системный подход для изучения влияния тяжелых металлов н разные уровни организации микробного ценоза почвы: доклеточный, клеточньн популяционный, ценотический.

Показано, что как индикатор на загрязнение можна использоват аскорбатоксидазную активность почвы, которая угнетается под влиянием тяжелы металлов на 40-50%.

Изучены токсичность и мутагенная активность почвы, загрязненной тяжелым металлами. Показано, что тяжелые металлы в 2-5 раз увеличивают мутагенное

лияние загрязненной почвы на тест-микроорганизм Salmonella íyphimurium ТА 100. [редложены новые способы для уменьшения токсичности и мутагенности i грязненной почвы.

Впервые изучено влияние тяжелых металлов на скорость движения икроорганизмов методом лазерной корреляционно-допплеровськой иектрометрии. Выделена тест-культура Pseudomonas sp. 19, скорость движения оторой использована как показатель состояния загрязнения среды тяжелыми еталлами.

Рассчитаны показатели, которые характеризуют резистентность и гомеостаз икробных сообществ в почве, загрязненной тяжелыми металлами. Показано, что загрязненной почве увеличивается численность резистентных микроорганизмов, эотношение численности резистентных и чуствительних к тяжелым металлам икроорганзмов в загрязненной почве в 2-4 раза выше, чем в контрольной, омеостаз микробных сообществ в почве, загрязненной тяжелыми металлами, ожна характеризовать такими показателями, как выживание микроорганизмов, увствительность к токсикантам, скорость восстановления численности икробного ценоза.

Таким образом, предложена и апробирована система микробиологических оказателей для мониторинга почв, загрязненных тяжелыми металлами, которая ключает определение аскорбатоксидазной активности почвы, токсичности и утагенности загрязненной почвы с использованием тест-микроорганизма almonella íyphimurium ТА 100, соотношения численности резистентных и увствительных к тяжелым металлам микроорганизмов, скорости движения клеток гсг-культуры Pseudomonas sp.19, выживания микроорганизмов в загрязненной очве, их чувствительности к токсикантам, скорости восстановления численности икробного ценоза.

На основе изучения микрофлоры и динамики подвижных форм тяжелых :еталлов при использовании неорганических, органических, биологических и омбинированных мелиорантов разработаны способы для оздоровления агрязненных почв. Рекомендовано при низких уровнях загрязнения (1 ГДК) спользовать цеолит белый (3 т/га), цеолит зеленый (3 т/га), вермикулит (0,5 т/га), иогумус (8 т/га), суспензию мицелия и спор культуры Streptomyces alboviridis 141 3x10'° КОЕ/га), а при высоких уровнях загрязнения (10-20 ГДК) - биогумус (8 т/га) гипс (2,1 т/га) с культурой Streptomyces alboviridis 141 (ЗхЮ10 КОЕ/га). Ключевые слова: почва, тяжелые металлы, микрофлора, мелиоранты

Makarchuk Z.V. Microflora of heavy metals polluted soils, their indication and ways of nprovement. - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree by speciality 03.00.07-microbiology. - The Institute of Microbiology and Virology of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2000. The dissertation is devoted to study of heavy metals influence on dark grey podsolic

soil microflora. The system approach for study of influence of heavy metals on differen hierarchical levels of microbial system of soil is used for the first time: subcellular, cellu lar, populational, cenotic. Toxigenic and mutagenic activity of soil polluted with heav; metals are investigated, and the new ways for decrease of their action are offered. Thi method of laser Doppler correlational spectrometry is used for the first time for study o influence of heavy metals on soil microbial population. The parameters, which charac terise the resistance and homeostasis of microbial populations in soil polluted with heav; metals, are designed.

On the basis of study microflora and dynamic of the mobile forms of heavy metals witl use of inorganic, organic, biological and combined améliorants the ways for reabilitatioi of polluted soils are developed.

Key words: soil, heavy metals, microflora, améliorants