Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Реакция микробных комплексов на техногенное загрязнение почвы в зоне действия Кирово-Чепецкого химического комбината

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Реакция микробных комплексов на техногенное загрязнение почвы в зоне действия Кирово-Чепецкого химического комбината"

На правах рукописи

005537177

Злобин Сергей Сергеевич

РЕАКЦИЯ МИКРОБНЫХ КОМПЛЕКСОВ НА ТЕХНОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОЧВЫ В ЗОНЕ ДЕЙСТВИЯ КИРОВО-ЧЕПЕЦКОГО ХИМИЧЕСКОГО КОМБИНАТА (КИРОВСКАЯ ОБЛАСТЬ)

03.02.08 - экология (биология), 03.02.01 - ботаника

7 НОЯ 2013

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Сыктывкар -2013

005537177

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

Научные руководители: Домрачева Людмила Ивановна, доктор биологиче-

ских наук, профессор кафедры биологии растений, селекции и семеноводства, микробиологии ФГБОУ ВПО «Вятская государственная сельскохозяйственная академия»

Кондакова Любовь Владимировна, доктор биологических наук, доцент, заведующая кафедрой экологии ФГБОУ ВПО «Вятский государственный гуманитарный университет»

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Шарнпова Марина Юрьевна, доктор биологических наук, профессор кафедры ботаники ФГОУ ВПО Башкирского государственного университета Безноснков Василий Александрович, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующий, лабораторией химии почв ФГБУН Института биологии Коми НЦ УрО РАН

ФГОУ ВПО Башкирский государственный педагогический университет им. М. Акмуллы

2013 г. в 3 на заседании диссер-

Защита диссертации состоится «.ой? » тационного совета Д 004.007.01 в Федеральном государственном учреждении науки Институте биологии Коми научного центра УрО РАН, 167982, г. Сыктывкар, ул. Коммунистическая, д. 28

E-mail: dissovet@ib.komisc.ru

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

Автореферат разослан « о/Л » г>ь?гЯ&К>В\ 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук

Кудяшева Алевтина Григорьевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Одной из основных задач современной экологии является разработка стратегии реабилитации почв, загрязненных различными токсическими веществами. Тяжелые металлы (ТМ) являются одним из приоритетных загрязнителей. Наиболее изучены химические и физические способы детоксикации. Менее изучен вопрос применения биологических методов с использованием микроорганизмов различных систематических групп и микробных комплексов в целом для ремедиации загрязненных почв.

Необходимость изучения воздействия ТМ на почвенные микроорганизмы определяется тем, что именно в почве сосредоточена большая часть всех процессов минерализации органического вещества, обеспечивающих сопряжение биологических и геологических круговоротов (Добровольский, Никитин, 1984). Загрязнение почв ТМ вызывает определенные изменения в видовом и групповом составе комплекса почвенных микроорганизмов (Левин и др., 1989; Артамонова, 2002; Терехова, 2007; Домрачева и др., 2008; Евдокимова и др., 2010). Поэтому все более возрастает роль комплексного мониторинга техногенно нарушенных территорий, составной частью которого является биомониторинг с применением методов биоиндикации и биотестирования.

Цель работы: выявить возможность использования микробных комплексов, включающих водоросли, цианобактерии и микромицеты, для оценки состояния и ремедиации техногенно загрязненных территорий.

В соответствии с поставленной целью определены следующие задачи:

1. Провести химический анализ почв в зоне действия Кирово-Чепецкого химического комбината (КЧХК).

2. Провести микробиологический анализ исследуемых почв по следующим показателям: видовой состав и количественные характеристики аль-го-цианобактериапьных комплексов и количественные характеристики микоце-нозов.

3. Изучить возможность использования организмов различной систематической принадлежности для биоиндикации и биотестирования загрязненных почв.

4. Определить уровень биосорбции тяжелых металлов различными группами фототрофных и гетеротрофных микроорганизмов.

Научная новизна работы. Впервые с использованием методов прямого микроскопирования изучена численность и биомасса альго-циано-бактери-альных группировок в почвах в зоне действия КЧХК. Выявлены достоверные различия в количественных показателях фототрофных микробных комплексов на различных площадках мониторинга, связанные с типом почв и уровнем их химического загрязнения. Установлено, что колебания численности фототрофных микроорганизмов в почвах составляют от 1,16 до 8,46 млн кл/г, а биомассы от 164,6 до 528,0 кг/га. Анализ видового состава альгофлоры выявил 42 вида водорослей и цианобактерий (ЦБ). Флористический анализ показал нарушение структуры популяций альгоценозов, связанное с ее упрощением при хрониче-

ском воздействии большого спектра поллютантов. Показана специфика сезонной динамики почвенных альго-микологических группировок на исследуемой территории, связанная с неполночленностью альго-цианобактериального комплекса, а также значительным развитием темноокрашенных форм микромице-тов. Исследование микроскопических грибных сообществ показало, что длина грибного мицелия измеряется от 20,4 до 264,8 м/г почвы. Грибная биомасса на отдельных участках достигает почти 500 кг/га. При этом было отмечено преобладание в структуре популяции микромицетов темноокрашенных форм, что позволяет выявить загрязненные участки. Доказана возможность применения методики с использованием ЦБ для тестирования почвенных вытяжек при определении токсичности почвы. Выявлены сорбционные возможности микромицетов рода Fusarium, ЦБ Nostoc linkia и природных биопленок с доминированием Nostoc commune по отношению к ТМ.

Практическая значимость. Предложен метод сравнительного анализа результатов химических и микробиологических показателей для оценки состояния почвы. Результаты исследования могут быть применены для разработки и оптимизации программ комплексного экологического мониторинга как района КЧХК, так и других территорий. Обнаруженная способность ЦБ рода Nostoc и малопатогенных штаммов микромицетов рода Fusarium к биосорбции ТМ может быть использована как основа для разработки на базе данных микроорганизмов биопрепаратов, эффективных в очистке техногенно загрязненных почв, а также промышленных стоков.

Результаты диссертационного исследования внедрены в учебный процесс на химических факультетах Вятского государственного гуманитарного университета и Вятского государственного университета, а также на агрономическом факультете Вятской государственной сельскохозяйственной академии.

Личное участие автора. Автором проведен комплекс полевых и лабораторных исследований, включающий отбор и обработку более 150 почвенных образцов, планирование экспериментов, разработка отдельных опытов, выполнение химических, альгологических, микробиологических анализов и обработку полученных результатов в период с 2009 по 2012 гг.

Оценка достоверности результатов исследования выявила, что экспериментальные данные получены диссертантом на сертифицированном оборудовании, прошедшем плановую поверку, с использованием гостированных методик в экоаналитической лаборатории ВятГГУ, имеющей аттестат государственной аккредитации аналитических лабораторий на техническую компетентность.

Структура н объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 97 страницах, включает 11 рисунков и 24 таблицы. Список литературы включает 246 наименований, в том числе 57 зарубежных источников.

Апробация работы. Материалы исследований были представлены на конференциях: II—VI Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Экология родного края: проблемы и пути их решения (г. Киров, 20072011), Всероссийская научная школа для молодежи «Инновационные методы и подходы в изучении естественной и антропогенной динамики окружающей

среды» (г. Киров, 2010), Всероссийский симпозиум с международным участием «Автотрофные микроорганизмы» (г.Москва, 2010), Все-российская научно-практическая конференция с международным участием «Биологический мониторинг природно-техногенных систем» (г.Киров, 2011), I Всероссийская с международным участием школа-конференция молодых ученых «Современные проблемы микробиологии, иммунологии и биотехнологии» (г. Пермь, 2011), V Всероссийская научно-практическая конференция «Формирование и реализация экологической политики на региональном уровне» (г. Ярославль, 2011), XVIII и XIX Всероссийская молодежная научная конференция «Актуальные проблемы биологии и экологии» (г. Сыктывкар, 2011, 2012), X Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Биодиагностика состояния природных и природно-техногенных систем» (г. Киров, 2012), I молодежная научная конференция «История, состояние и приоритеты научного обеспечения растениеводства на Северо-востоке европейской части России» (г. Киров, 2012), Всероссийская молодежная конференция «Адаптационные реакции живых систем на стрессорные воздействия» (г. Киров, 2012), VII Международная научно-практическая конференция «Дни знания - 2012» (г.Прага, 2012), VIII Международная научно-практическая конференция «Новые научные достижения -2012» (г. София, 2012).

Публикации: По результатам исследований опубликованы 30 работ, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК, а также глава в коллективной монографии.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Глава 1. Обзор литературы

Проанализированы результаты исследований о влиянии ТМ на протекание физиолого-биохимических процессов микробной составляющей почвы, специфику микробных группировок в химически загрязненных почвах. Рассмотрены механизмы адаптации микроорганизмов к ТМ, возможность использования микробиоты для биодиагностики состояния почвы, ее детоксикации и в биоремедиационных целях.

Глава 2. Объекты и методы исследования

Работа выполнена на базе кафедры экологии Вятского государственного гуманитарного университета (ВятГГУ), в рамках Гранта Президента РФ для поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук № МК-3326.2012.5.: «Миграция и распределение поллютантов и радионуклидов в компонентах природной среды вблизи промышленного предприятия (на примере Кирово-Чепец-кого химического комбината) (2010-2011 гг.), Внутреннего гранта ВятГГУ: «Комплексный экологический мониторинг окружающей среды в зоне влияния Кирово-Чепецкого химического комбината» (2010—2011 гг.).

Основные исследования проведены с образцами почв, отобранными в импактной зоне КЧХК, который в течение длительного времени является источником большого спектра загрязняющих веществ, попадающих на прилегающую территорию.

Отбор почвенных образцов для химического и микробиологического анализов проводили по общепринятым методикам. Извлечение ТМ проводили по РД 52.18.191-89. Концентрацию кислоторастворимых форм ТМ определяли методом спектрометрии на атомно-абсорбционном спектрометре «Спектр-5» (ФР. 1.31.2007.0406) и методом инверсионной вольтамперметрии (ИВА) (Сборник методик.., 2004). Содержание Hg определяли методом беспламенной атомной абсорбции (ФР. 1.31.2007.03684) с использованием ртугьгидридной приставки РГС 1-1. Для определения концентрации нитрат-ионов, ионов аммония (ГОСТ 26489-85) использовали метод фотометрии (Руководство..., 1993). Водородный показатель почвенной вытяжки измеряли потенциометрически (ГОСТ 26423-85). Радиохимический анализ выполнен на спектрометрическом комплексе для измерения бета-гамма-излучающих нуклидов «Прогресс 5.1» в аккредитованной испытательной лаборатории Филиала ФГБУ «Россельхозцен-ра» по Кировской области.

Видовой состав альгофлоры определяли в жидкой культуре и на стеклах обрастания (Штина, Голлербах, 1974). Численность фототрофных микроорганизмов определяли методом прямого микроскопического учета на мазках (Домрачева, 2005). Численность микромицетов определяли методом прямого микроскопического учета на мазках и путем посева на питательную среду. Длину грибного мицелия также определяли на мазках (Полянская, 1996). Количественный учет гетеротрофных микроорганизмов проводили методом посева на селективные питательные среды. Биомассу фототрофов и микромицетов в почвенных образцах определяли объемно-расчетным методом. Микологический анализ состояния почвы по соотношению в структуре популяций микромицетов форм с окрашенным (меланизированным) и бесцветным мицелием выполнен в соответствии с аттестованной методикой № 224.03.13.148/2009.

Для определения токсичности почв использовали метод биотестирования с использованием культуры инфузорий Paramecium caudatum (ПНД Ф Т 14.1:2:3.13-06 (ПНД Ф 16.1:2.3:3.10-06) и люминесцентных бактерий Eschericia coliМ-17 (ПНД ФТ 14.1:2:3:4.11-04 (ПНД Ф 16.1:2.3:3.8-04).

Метод биотестирования с применением цианобактерий (ЦБ) в качестве организмов-биотестеров основан на определении дегидрогеназной активности этих организмов с помощью 2,3,5-трифенилтетразолий хлорида (ТТХ) (Домрачева и др., 2008).

Все работы проведены по аттестованным методикам на оборудовании, прошедшем плановую поверку. Статистическую обработку данных проводили с помощью пакета компьютерных программ Microsoft Excel 2003.

Глава 3. Химико-биологический мониторинг почв в зоне действия КЧХК

Исследования были проведены на 8 участках (№904, 906, 907, 913, 918, 920, 921, П-13), которые входят в систему многолетних комплексных исследований в районе КЧХК, проводимых лабораторией биомониторинга Института биологии Коми НЦ УрО РАН и ВятГГУ. Эти участки приурочены к территории р. Елховка, которая является основным распространителем поллютантов.

Участки отбора почвенных образцов в районе КЧХК различаются по характеру почвенного покрова, по степени проявления антропогенного вмешательства в естественный процесс образования и функционирования почв, по типу и уровню загрязнения. Все почвы относятся к гидроморфным, в их формировании участвуют паводковые и близко залегающие грунтовые воды.

В ходе многолетних исследований установлено, что приоритетными загрязнителями на исследуемой территории являются: ТМ (РЬ, 7п, Сс1,Си) (табл. 1), радионуклиды (Се, Бг) и соединения азота (М03", Т^Н/), что подтверждается проводимыми нами анализами.

Учитывая высокую природную изменчивость почвенного покрова в пойме, комплексный характер загрязнения и приуроченность его к водным объектам, выбрать репрезентативные фоновые участки не представлялось возможным. Поэтому критериями для определения степени загрязнения почв являлись ПДК и ОДК, сравнительный анализ данных.

При определении кислотности почвенной вытяжки было установлено, что по значению рН почвы находятся в интервале от среднекислых до близких к нейтральным (рН от 4,94 до 6,97).

По результатам химического анализа выявлено превышение ПДК по многим элементам практически во всех пробах.

Таблица 1

Содержание тяжелых металлов в пробах почв в районе КЧХК

__(валовая форма, мг/кг) ___

Элемент № участка^"~~\ Си РЬ Сс1 гп N1 Ъо.

904 42±8 64±16 1,3±0,6 160±30 106±30 2,6±0,6 1,24

906 44±9 83±21 2,3±1,1 190±40 134±38 2,0±0,5 1,25

907 73±15 220±50 2,8±1,4 330±70 129±36 9,0+2,2 5,91

913 23±5 14±4 0,4±0,2 52±10 79±22 0,8±0,2 1

918 104±21 380±100 4,5±2,2 560±110 127±35 14,0±4,0 11,6

920 42±8 57±14 1,5±0,7 140±29 90±25 1,5±0,4 1

921 66±13 170±40 2,4±1,2 230±50 94±26 10,0±2,5 5,31

П-13 84±17 220±60 3,1±1,6 290±60 122±34 10,0±2,5 4,76

ПДК(ОДК) 66-132 65-130 1-2 110-220 40-80 2,1 -

Примечание: Хс— суммарный коэффициент химического загрязнения почв, жирным шрифтом выделены показатели, превышающие ПДК (ОДК) для соответствующих почв.

Наибольшую опасность представляет загрязнение почв 1-^, концентрация которой колеблется от 0,8 до 14 мг/кг, при этом на 5-ти из 8-ми участков фиксируется превышение ПДК (табл. 1). В почвах отмечены также близкие к ПДК (ОДК) или незначительно (в 1,5-3 раза) превышающие их концентрации РЬ, Сс1, Ъа., N1 и Н§. Для РЬ и ^ на участке 918 выявлено превышение ПДК в 5 и 7 раз соответственно. На основании соотношения концентраций нормируемых в почвах ТМ и ПДК рассчитаны суммарные коэффициенты химического загрязнения Ъй (МУ 2.1.7.730-99). По данному критерию все почвы относят к категории с допустимой степенью загрязнения {Ъс < 16). Тем не менее, отчетливо выделяются наиболее загрязненные участки - 907, 918, 921, П-13 (табл. 1).

Установлено также, что все исследованные почвы характеризуются повышенными значениями мощности эквивалентной дозы гамма-изучения (МЭД) 0,20,47 мЗв/час при фоновых значениях для Кировской области 0,084), 10 мЗв/час. Радиационное загрязнение почв на этих участках обусловлено, главным образом, радионуклидами Сз-137 и 8г-90. Максимальная удельная активность Сз-137 выявлена на участке 913 и составляет 8130 Бк/кг, что связано с его близким расположением к хранилищу радиоактивных отходов.

Определение нитратного и аммонийного азота в почвенных образцах показало, что данные почвы достаточно богаты доступными соединениями азота. Так, средняя концентрация ТЧОз" составляет 4,0-18,5 мг/кг и только в двух почвенных образцах обнаружено значительное ее превышение: 148 мг/кг на участке 906 и 140 мг/кг на участке 921. На этих же участках выявлено и повышенное содержание ионов аммония 57,0 и 33,4 мг/кг соответственно. Средняя концентрация ионов составляет 8,2 мг/кг.

Таким образом, на участках отбора почвенных образцов сложились специфические условия для развития микроорганизмов, среди которых, по нашему мнению, особое значение имеет паводковый водный режим, а из антропогенных факторов - химическое и радиационное загрязнение.

При альгологическом анализе в почвах анализируемых участков в районе КЧХК (за исключением П-13) выявлено всего 42 вида водорослей и ЦБ в т. ч. Суало-Ьайепа- 8 видов (19%), СЫогорЬи^а- 23 вида (54,8%), ХапЛорЬ^а и ЕиБЦатаЮ-р1гу1а —5(11,9%) и ВасШапорЬу1а-б (14,3%) (рис. 1). Индекс Шеннона колеблется от 0,45 до 1,2, что указывает на существенное различие в видовом разнообразии альго-ценозов на разных участках. Максимальным видовым обилием фототрофов отличаются участки 906, 918, 913, который характеризуется высоким уровнем радиоактивного загрязнения. Минимальное видовое обилие фототрофов отмечено на участке 921, характеризующимся превышением ПДК по многим определяемым ТМ.

25 п

904 906 907 913 918 920 921

№ участка

Q ЦБ ЕЭ Зеленые водоросли

ЕЗ Желто-зеленые водоросли га Диатомовые водоросли

О Всего

Рис. 1. Видовая структура почвенных водорослей в зоне действия КЧХК

Характерной особенностью фототрофных группировок исследованных участков является преобладание по видовому разнообразию зеленых водорослей (до 83—89% на участках 920 и 921), обеднение видового разнообразия жел-тозеленых водорослей и ЦБ (рис.1). Отмечены изменения в комплексе доми-нантов на уровне отделов. Сквозных видов, которые бы встречались в почвах всех исследуемых участков, не обнаружено. Среди наиболее распространенных

и, вероятно, резистентных к химическому загрязнению почвы, можно выделить виды: Phormid'mm autumnale (ЦБ), Соссотуха confluens, Chlorella vulgaris, Brac-teacoccus minor, Chlamydomonas gloeogama, Tetracystis aggregate (зеленые), Hantzchia amphioxys, Navicula peHicttlosa (диатомовые).

При определении количественного обилия фототрофных популяций установлено, что этот показатель достаточно высок во всех почвенных образцах -от 1,1 до 8,5 млн клеток/г. (табл. 2). При этом в почвах участков 906, 907, 920 преобладают водоросли, на участках 913, 918, 921, которые характеризуются значительной степенью химического и радиационного загрязнения, - ЦБ (до 93,3% на участке 918). Это подтверждает факт цианофитизации сообществ водорослей при техногенной нагрузке на территорию. Гетероцистные ЦБ обнаружены только на 2-х участках (913 и 921) и представлены одним видом - Су/-indrospermum licheniforme.

Таблица 2

Количественные показатели популяций фототрофных микроорганизмов

№ участка Общая численность клеток, тыс./г Структура популяций, %

водоросли ЦБ ЦБ

БГЦ ГЦ

904 1354±81 46,8 53,2 100 0

906 7064±527 81,7 18,3 100 0

907 2148±112 70,8 29,2 100 0

913 3050±159 35.4 64,6 72,6 28,4

918 3275±360 6,7 93,3 100 0

920 5790±256 65,5 34,5 100 0

921 8460±490 35,8 64,2 85,6 14,4

П-13 1161±59 58,1 41.9 100 о

Примечание: ЦБ - цианобактерии; БГЦ- безгетероцистные цианобактерии; ГЦ - гетероцистные цианобактерии.

Уровень развития микромицетов невелик (табл. 3). На большей части участков длина мицелия колеблется в пределах 20-30 м/г. Вероятно, это связано с незначительным количеством растительного опада или с низким уровнем аэрации почвы. На двух участках 920 и 921 длина грибного мицелия превышает средние значения в 7-9 раз. Стимуляция размножения грибов в данном случае, возможно, определяется более ранним освобождением почв от паводковых вод и поэтому более длительным периодом активного вегетативного размножения.

Таблица 3

Количественная характеристика популяции микромицетов__

№ участка Длина мицелия Количество фрагментов мицелия

м/г бесцветный, % окрашенный, % тыс./г бесцветный, % окрашенный, %

904 28,3±5,6 11,3 88,7 1053±51 26,1 73.9

906 37,3±4,7 38.6 61,4 945±36 29,4 70,6

907 20,4±2,7 34,5 65,5 1400±80 23,8 76,2

913 90,2±4,1 23,0 77,0 3553±390 17.4 82,6

918 34,6±2,5 35,3 64,7 980±30 30,6 69,4

920 216,0±13,4 15,1 84,9 6210±260 14,8 85,2

921 264,8±18,1 4,3 95,7 7890±310 13,2 86,8

П-13 22,8±2,5 25,4 74,6 1387±79 30,3 69,7

Анализ структуры популяций микромицетов показывает, что на всех участках преобладают меланизированные формы грибов (61,4—95,7%). Данный факт служит явным доказательством загрязнения почвы, о чем неоднократно указывалось в литературе (Марфенина, 2005; Беспалова и др., 2006; Терехова, 2007).

Суммарная биомасса фототрофов и микромицетов колеблется от 200 до 850 кг/га в слое почвы 0-5 см (табл. 4). Максимальный ее показатель установлен для участков 920 и 921, в почве которых биомасса грибов превышает биомассу водорослей. Во всех остальных случаях вклад водорослей в суммарную биомассу колеблется от 71 до 93%.

Таблш1а 4

Структура альго-мнкологичеекой биомассы__

№ участка Фототрофы, кг/га Грибы, кг/га Фототрофы + грибы, кг/га Фототрофы, % Грибы, %

904 266,4±15,9 40,8±8,1 307,2±24,0 86,7 13,3

906 309,6±23,1 69,6±8,8 379,2±31,9 81,6 18,4

907 528,0±27,5 31,8±4,2 559,8±31,7 93,2 6,8

913 384,0±20,0 156,0±7,1 540,0±27,1 71,1 28,9

918 164,6±18,1 64,8±4,7 229,4±22,8 71,7 28,3

920 262,5±11,6 400.4±24,8 662,9±36,4 39,6 60.4

921 356,6±20,7 495,6±33,9 852,2±54,6 41,8 58,2

П-13 214,4±10,9 42,8±4,7 257,2±15,6 84,9 15,1

Анализ структуры альго-микологических комплексов, проведенный в 2011 г. в 3 срока, показал, что наблюдаются значительные сезонные изменения состава почвенных водорослей и микромицетов (рис. 2, 3).

Рис. 2. Динамика общей численности клеток фототрофов в 2011 г.

Исследование динамики общей численности почвенных фототрофов показало значительное ее увеличение на участках 918 и 921 в мае, что связано с бурным развитием одноклеточных зеленых водорослей и ЦБ. На остальных участках на протяжение всего сезона общая численность почвенных фототрофов была невелика (рис. 2).

60% -10% ■

20% ■ 0% •

-----

Э04 906 307 313 318 920 921 П-13

Май

№1 906 307

119 818

Июль

920 921 П-13

Я Цианобактерии

Диатомовые водоросли

О Одноклеточные зеленые водоросли

100% 80% 60% 40% 20% 0%

904 906 907 913 918 920 921 П-13

Октябрь

Рис. 3. Сезонная динамика почвенных фотртрофов в 20И г. в зоне действия КЧХК

Образцы почв, отобранные в мае, характеризуются доминированием представителей отдела СЫогорЬуга (рис. 3). На участках 906, 918, 921 наблюдается развитие ЦБ, которые по численности достигают 35% от общего количества клеток. При этом среди ЦБ обнаружены только их безгетероцистные формы (преимущественно РЬогт1сИит аиШтпа1е). Отсутствие гетероцистных форм ЦБ говорит о хорошей обеспеченности почв этой территории доступными формами соединений азота (М03"до 148 мг/кг почвы).

Пробы почвы, отобранные в июле, характеризуются незначительным ростом (в числовом эквиваленте) представителей отделов СЫогорЬ>4а и ВасШапо-рЬуга. Практически полностью выпадают из почвенных группировок представители ЦБ (обнаружены единичные экземпляры), что свидетельствует о значительном нарушении сезонного развития почвенной микробиоты.

Анализ почвенных образцов, отобранных в октябре, диагностирует угнетение как в количественном, так и в процентном отношении представителей отдела СЫогорЬу1а. Полностью отсутствуют ЦБ. Значительно возрастает доля диатомовых водорослей (рис. 3). Причиной массового развития представителей ВасП1апор11у1а может служить постоянное увлажнение почвы.

Изучение состава и общей численности почвенных микромицетов показывает возрастание количества фрагментов, а так же роста темноокрашенных форм на протяжении всего сезона. Численность пропагул микромицетов в период с мая по октябрь 2011 года на участках 904, 918, 920, 921 и П-13 колеблется в пределах 200-1000 фрагментов/см*. Отдельно выделяются участки 906, 907 и 913, где зафиксирован значительный рост числа фрагментов в октябре (до 2320 фрагментов/см") (см. рис. 4). На фоне увеличения общей численности микромицетов к концу сезона возрастает доля их темноокрашенных форм. Особенно явная меланизация микокомплексов наблюдается на участках 904, 906, 907, 913, 918 и П-13, где число их доходит до 90% от общего количества (см. рис. 4). Доминирование темноокрашенных форм микромицетов можно объяснить увеличением общего уровня загрязнения, привносимого в почву с древесным и травяным опадом, атак же с дождевыми стоками.

Глава 4. Биоиндикация и биотестированне почв с использованием организмов различной систематической принадлежности

Индикационную роль микромицетов учитывали, используя метод прямого микроскопического подсчета на мазках числа фрагментов грибного мицелия с дифференцировкой на меланизированные и бесцветные формы. Численность фрагментов грибного мицелия в исследованных образцах сравнительно велика и колеблется от 0,98 до 7,89 млн/г почвы с преобладанием темноокрашенных форм во всех точках отбора (от 69,4 до 86,6%), что свидетельствует о нарушении экологической обстановки в районе КЧХК.

Биотестирование проводили с использованием почвенных вытяжек на стандартных тест-обьектах: Paramecium caudatum, Eschericia coli M-1 7 системы «Эколюм». Впервые для оценки токсичности почвенной вытяжки образцов КЧХК применяли тетразольно-топографический метод с использованием ЦБ Nostoc linckia. Результаты комплексного биомониторинга исследуемых образцов приведены в табл. 5.

Таблиг/а 5

Степень токсичности почвенных образцов

(но результатам биотеетирования) _

№ участка Цианобактерии. Paramecium caudatum, «Эколюм», индекс

погибшие клетки, % индекс токсичности Т токсичности, у. е.

904 8 0,42±0,26 22,51±4,41

906 100 0,41±0,25 20,81±4,08

907 42 0,48±0,3 21,40±4,19

913 39 0,30±0,19 10,84±2.12

918 56 0,26±0,16 8,44±1,65

920 6 0,35±0,22 11,51 ±2,26

921 100 0,60±0,37 25,11±4,92

П-13 22 0,65±0,40 34,80±6,82

06 907 913 918 920 921

№участка (столбцы по сезонам:май, июль, октябрь)

Ез Грибы, бесцветный мицелий Грибы, механизированный мицелий

Рис. 4. Динамика общей численности пропагул микромицетов (фрагментов/см2) и соотношение микромицетов с бесцветным и меланизированным мицелием (%) в почве в зоне действия КЧХК в 2011 г.

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

По результатам биотестирования с использованием ЦБ отмечена 100%-я гибель их клеток на участках 906 и 921. Самыми чистыми можно отменить участки 904 и 920, где гибель клеток составляла не более 10% (см. табл. 5). Биотестирование при помощи инфузории Paramecium caudatum и тест-системы «Эко-люм», указывают на токсичность проб 904, 906, 907, 921, П-13. В этих же образцах обнаружено превышение концентраций ТМ (см. табл. 1).

Таким образом, по результатам комплексных анализов с использованием различных методик (биоиндикационных, биотестовых) были выявлены наиболее загрязненные участки 906, 907, 918, 921, П-13.

Глава 5. Биосорбцнонные возможности групп почвенных микроорганизмов по отношению к тяжелым металлам

Доказано, что многие микроорганизмы выживают в загрязненных средах, обладая способностью к детоксикации и биосорбции поллютантов, что делает эти организмы возможными агентами биоремедиции. Изучали сорбционные возможности по отношению к ТМ. микромицетов рода Fusarixtm, ЦБ Nostoc linckia и многовидовых природных биопленок Nostoc commune.

Для изучения сорбционных способностей грибов рода Fitsariitm использовали F. oxysponim и F. sp., тестирование которых при искусственном заражении семян разных сельскохозяйственных растений показало, что они обладают низкой фитопатогенностью.

При выращивании культуры гриба F. oxysporwn на жидкой питательной среде Чапека с концентрациями ионов РЬ2+ до 20 ммоль/л было обнаружено 100% поглощение токсиканта микромицетом. Сорбционная способность гриба сохраняется и при работе с высушенным мицелием, но уровень поглощения ТМ в этом случае гораздо меньше.

Дальнейшие опыты проводились с 7-ми и 14-ти суточными культурами гриба F. sp. Токсиканты (Си2+ и Ni:+) в питательную среду вносили в виде сульфатных солей в концентрации 20 мг/дм3. После суточной экспозиции определяли уровень поглощения ТМ (табл. 6).

Таблица 6

Степень извлечения токсикантов из раствора культурой гриба

Возраст культуры Токсикант

Си"+ Ni

7 суток 58,8±11,1 36,5±10,2

14 суток 52,6±10,0 20,1±5,6

Сорбционная емкость /\ 5/?. по отношению к Си намного выше, чем для N1. Максимальный уровень извлечения Си достигает 58,8%, тогда как для N1 этот показатель всего 36,5%. Сравнение сорбционной активности разновозрастных культур показывает, что молодая (7-ми суточная культура) способна более полно очищать среду от токсиканта по сравнению с более зрелой. Следовательно, при предполагаемом использовании данного штамма в виде сорбента более выгодно сокращать срок выращивания грибных культур.

Таким образом, проведенные исследования показывают перспективность использования выделенных штаммов микромицетов р. Fusarium для создания биосорбентов при очистке жидких сред от ТМ.

В следующей серии модельных опытов изучали сорбционные способности ЦБ N. linckia. Было показано, что за 14 суток экспозиции ЦБ N. linckia в среде, загрязнённой ионами Ni, уровень биосорбции токсиканта может достигать почти 60% (табл. 7). При этом, чем выше концентрация Ni, тем выше уровень его цианобактериальной сорбции.

Таблица 7

Уровень извлечение никеля из культуральной жидкости биомассой __Nostoc linckia, % _

Вариант Метод ИВА Метод ААС

Ni, 2 мг/л 34,0±4,1 34,65±7,62

Ni, 20 мг/л 41,25±5,0 58,87±12,95

Определение содержания ТМ в биоплёнках N. commune, собранные вдоль обочины шоссейной и железной дорог, показало, что данные многовидовые микробные комплексы являются природными сорбентами ТМ. Концентрация в клетках ЦБ таких ТМ, как Zn, Cd, Ni, Mn, Pb и Си значительно превышает содержание этих элементов в почве исследуемых экотопов (табл. 8).

Таблица 8

Содержание валовых и подвижных форм тяжелых металлов _в почве и бнопленках Nostoc commune, мг/кг_

Содержание ТМ Zn Cd Ni Мп РЬ Си

Валовые формы

Автодорога 15,25±1,06 0,08±0,01 5,99±0,12 60,25*2,47 8,55±0,09 6,28±0,09

Ж/д дорога 34,85±0,49 0,177±0,005 4,48±0,11 207,50±3,53 8,76±0,13 5,45±0,03

ПДК, ОДК 55 0,5 20 1500 32 33

Подвижные формы

Автодорога 1 3,14±0,08 0,057+0,003 0,22±0,003 8,43±0,07 2,43±0,07 0,50±0,02

Ж/д дорога 1 3,62±0,02 0,045±0,002 - 1,76±0,01 - 0,44±0,01

Содержание ТМ в плёнках Nostoc commune

Автодорога 47,26±7,82 1,25±0,07 54,04±8,45 34,25±6,14 22,80±0,85 I 8,80±0,42

Ж/д дорога 77,16±10,28 1,40±0,02 200,00±14,80 45,75±7,1б 14,65±1,63 1 29,4±2,96

Примечание: «-» - менее предела обнаружения.

Таким образом, благодаря своим физиолого-биохимическим особенностям биопленки Nostoc commune обладают свойством концентрировать ТМ, способствуя очистке почвы.

Выводы

1. При проведении химического исследования почв в районе техногенно нарушенной территории Кирово-Чепецкого химического комбината выявлены и количественно определены приоритетные загрязнители для данной территории, к числу которых относятся тяжелые металлы, радионуклиды и соединения азота (N03\ NH4+). На большинстве участков наблюдается превышение ПДК по тяжелым металлам.

2. Доказано, что в условиях хронического загрязнения почвы формируются альго-микологические комплексы, включающие толерантные группы микроорганизмов и характеризующиеся достаточно высокой плотностью популяции с численностью фототрофов 1,1-8,4 млн. кл./г и количеством грибных фрагментов 0,94- 7,9 млн/г почвы. Альгобиомасса колеблется от 165 до 528 кг/га, а грибная биомасса - от 32 до 495 кг/га. Основной вклад в структуру микробной биомассы вносят фототрофы (до 93%), что, в силу ее лабильности и скорости оборота, служит повышению биологической активности почвы и активизации микробиологических процессов. При изучении видового обилия выявлено 42 вида почвенных водорослей и цианобактерий. Преобладают зелёные одноклеточные водоросли, обеднен видовой состав жёлтозелёных водорослей и цианобактерий, среди которых отсутствуют азотфиксирующие виды.

3. Установлено нарушение естественного хода сукцессии почвенных фо-тотрофных микроорганизмов. При этом альгокомплексы почв являются непол-ночленными из-за отсутствия цианобактерий на поздних этапах сукцессии и полного отсутствия желтозеленых и эустигматовых водорослей. На протяжение всего сезона возрастает количественное обилие микромицетов, с преоблада-ниием в микоценозах форм с меланизированным мицелием (до 90% в структуре популяций).

4. Выявление наиболее загрязненных участков исследуемой территории обеспечивается проведением комплексного биомониторинга почвенных образцов с использованием организмов различной систематической принадлежности. Доказана эффективность использования метода биотестирования загрязненных почв с использованием цианобактерии Nostoc linckia в почвенной вытяжке тет-разольно-топографическим методом. Результаты биомониторинга территории кореллируют с результатами химического анализа почв в районе Кирово-Чепецкого химического комбината.

5. Установлен высокий уровень сорбционной способности чистых культур микромицетов Fusarium oxysporum по отношению к РЬ (до 100%), Fusarium sp~ к. Си (58,8%) и Ni (36,5%); цианобактерии Nostoc linckia - к Ni (до 60%) и природной биопленки Nostoc commune с уровнем аккумуляции тяжелых металлов, превышающим в 33 раза их валовое содержание в почве. Все исследуемые объекты можно рассматривать как перспективные для биоремедиационных мероприятий на почвах, загрязненных тяжелыми металлами.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ:

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

2. Содержание тяжелых металлов и групповой состав фототрофов в природных биопленках Nostoc commune как отклик на особенности местообитания [Текст] / Е. А. Горностаева, А. И. Фокина, Л. В. Кондакова, С. С. Злобин и др. // Вестник Уральской медицинской академической науки,- 2011.- №4/1.-С. 167-168.

3. Свойства некоторых грибов р. Fusarium — основа для создания биосорбентов тяжелых металлов [Текст] / А. И. Фокина, С. С. Злобин, Л. И. Домраче-ва и др. // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. — 2012,-№2.-С. 49-52.

4. Микробиологический статус почв в зоне действия Кирово-Чепецкого химического комбината [Текст] / Е. А. Горностаева, С. С. Злобин, Е. С. Сунцо-ва и др. // Теоретическая и прикладная экология. - 2012. - № 3. - С. 90-95.

5. Альго-микологическая оценка состояния почв в зоне влияния Кирово-Чепецкого химического комбината [Текст] / Е. В. Дабах, Л. В. Кондакова, Л. И. Домрачева, С. С. Злобнн//Почвоведение.-2013.-№2.-С. 187-194.

В прочих изданиях:

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

7. Интенсивность развития микробных комплексов в почвах в зоне влияния Кирово-Чепецкого химического комбината [Текст] / С. С. Злобин, Ю. Н. Зыкова, Т. А. Адамович и др. // Экология родного края: проблемы и пути их решения: сб. материалов всерос. науч.-практ. конф. молодежи. - Киров, 2010.-С. 55-58.

8. Рылова, Т. В. Альгофлора почв в окрестностях Кирово-Чепецкого химического комбината [Текст] / Т. В. Рылова, С. С. Злобин, Л. В. Кондакова // Экология родного края: проблемы и пути их решения: сб. материалов всерос. науч.-практ. конф. молодежи. - Киров, 2010. - С. 58-59.

9. Сравнительная характеристика методов прямого микроскопического учета и посева на питательную среду при определении численности микроскопических грибов в почве [Текст] / Ю. Н. Зыкова, С. С. Злобин, Т. С. Елькина, Л. И. Домрачева // Экология родного края: проблемы и пути их решения: сб. материалов всерос. науч.-практ. конф. молодежи. - Киров, 2010. — С. 78-80.

10. Использование методов биоиндикации, биотестирования и химического анализа для оценки состояния почвы в районе Кирово-Чепецкого химиче-

ского комбината [Текст] / С. С. Злобин, Н. О. Шулятьева, Е. В. Дабах и др. // Современные проблемы биомониторинга и биоиндикации: материалы VIII все-рос. науч.-практ. конф,-Киров, 2010. - С. 193-196.

11. Роль биопленок Nostoc commune при тестировании загрязнения почвы [Текст] / JI. И. Домрачева, Л. В. Кондакова, Ю. Н. Зыкова, С. С. Злобин и др. // Автотрофные микроорганизмы: материалы всерос. симп. с междунар. участием. - М„ 2010. - С. 37.

12. Сравнительная чувствительность цианобактерии Nostoc paludosum и высших растений к поллютантам (тестирование по ТТХ) [Текст] / Ю. Н. Зыкова, С. С. Злобин, Г. И. Березин, Т. С. Елькина // Инновационные методы и подходы в изучении естественной и антропогенной динамики окружающей среды: материалы всерос. науч. школы для молодежи. - Киров, 2010.-С. 70-73.

13. Опыт применения методов химического анализа в поиске микроорга-низмов-детоксикаторов поллютантов [Текст] / С. С. Злобин, М. С. Жмак, А. И. Фокина и др. // Актуальные проблемы биологии и экологии: материалы докл. XVIII всерос. молодежной науч. конф. - Сыктывкар, 2011. - С. 166-168.

14. Скугорева, С. Г. Содержание тяжелых металлов в растениях и почвах на территории вблизи Кирово-Чепецкого химического комбината [Текст] / С. Г. Скугорева, С. С. Злобин, Г. И. Березин // Экология родного края: проблемы и пути их решения: сб. материалов всерос. молодежной науч.-практ. конф. — Киров, 2011.-С. 114-117.

15. Исследование изменений поверхности биомассы цианобактерии и концентрации ионов никеля в растворе после экспозиции культуры с токсикантом [Текст] / М. С. Жмак, Д. Н. Данилов, А. И. Фокина, Ю. Н. Зыкова, С. С. Злобин и др. // Экология родного края: проблемы и пути их решения: сб. материалов всерос. молодежной науч.-практ. конф. - Киров, 2011. - С. 142-144.

16. Применение методов химического анализа в поиске микроорганиз-мов-детоксикаторов никеля и нефтепродуктов [Текст] / М. С. Жмак, А. И. Фокина, Г. И. Березин, С. С. Злобин и др. // Экология родного края: проблемы и пути их решения: сб. материалов всерос. молодежной науч.-практ. конф. - Киров, 2011.-С. 195-197.

17. Использование микроскопических грибов для диагностики состояния почвы [Текст] / Т. С. Елькина, Г. И. Березин, С. С. Злобин и др. // Формирование и реализация экологической политики на региональном уровне: материалы V всерос. науч.-практ. конф. - Ярославль, 2011. - С. 293-299.

18. Использование методов биоиндикации и биотестирования в оценке состояния природного комплекса в зоне влияния Кирово-Чепецкого химического комбината [Текст] / С. Г. Скугорева, Т. А. Адамович, А. С. Олькова, JI. И. Домрачева, Е. А. Домнина, С. С. Злобин и др. // Вестник Института биологии Коми НЦ УрО РАН, 2012. - № 3. - С. 30-37.

19. Биотестирование с использованием цианобактерии [Текст] / JI. И. Домрачева, Л. В. Кондакова, Т. С. Елькина, В. А. Ефремова, С. С. Злобин и др. // Адаптационные реакции живых систем на стрессорные воздействия: материалы всерос. молодежной конф. - Киров, 2012.- С. 171-182.

20. Злобин, С. С. Сезонная динамика численности почвенных водорослей и микромицетов в районе Кирово-Чепецкого химического комбината [Текст] / С. С. Злобин, Л. И. Домрачева // Адаптационные реакции живых систем на стрессорные воздействия: материалы всерос. молодежной конф. - Киров, 2012.-С. 87-90.

21. Сунцова, Е. С. Комплексная оценка уровня загрязнения почв с использованием химического, радиологического и цианобактериального анализа на примере территории в окрестностях Кирово-чепецкого химического комбината [Текст] / Е. С. Сунцова, С. С. Злобин // Актуальные проблемы биологии и экологии: материалы докл. XIX всерос. молодежной конф. - Сыктывкар, 2012.-С. 218-220.

22. Развитие почвенных микробоценозов в условиях свинцового стресса [Текст] / Л. И. Домрачева, А. И. Фокина, Е. А. Горностаева, С. С. Злобин // Биодиагностика состояния природных и природно-техногенных систем: материалы X всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием. - Киров, 2012. — С. 141-145.

23. Изменение видового разнообразия почвенных водорослей при загрязнении почвы поллютантами различной химической природы [Текст] / Л. В. Кондакова, Л. И. Домрачева, Т. С. Елькина, Ю. Н. Зыкова, С. С. Злобин и др. // Биодиагностика состояния природных и природно-техногенных систем: материалы X всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием. - Киров, 2012. -С. 145-147.

24. Горностаева, Е. А. Действие техногенного загрязнения на микробные группировки почв химически загрязненных территорий [Текст] / Е. А. Горностаева, А. И. Фокина, С. С. Злобин // Биодиагностика состояния природных и природно-техногенных систем: материалы X всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием. - Киров, 2012. - С. 150-154.

25. Использование цианобактерий для биотестирования почв при их химическом загрязнении [Текст] / Л. И. Домрачева, Т. С. Елькина, Г. И. Березин, С. С. Злобин и др. // Дни знания — 2012: материалы VIII междунар. науч.-практ. конф.-Прага, 2012.-С. 15-19.

Подписано в печать 24.10.2013 г. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ №253.

Отпечатано

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

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Злобин, Сергей Сергеевич, Киров

ФГБОУ ВПО «ВЯТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ГУМАНИТАРНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи 04201364394 ^^^

Злобин Сергей Сергеевич

РЕАКЦИЯ МИКРОБНЫХ КОМПЛЕКСОВ НА ТЕХНОГЕННОЕ ЗАГРЯЗНЕНИЕ ПОЧВЫ В ЗОНЕ ДЕЙСТВИЯ КИРОВО-ЧЕПЕЦКОГО ХИМИЧЕСКОГО КОМБИНАТА (КИРОВСКАЯ ОБЛАСТЬ)

03.02.08 - Экология (Биология) 03.02.01 - Ботаника

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научные руководители: доктор биологических наук, профессор

Домрачева Людмила Ивановна; доктор биологических наук, доцент

Кондакова Любовь Владимировна

Киров 2013

Содержание

Введение......................................................................................................................4

Глава 1. Специфика развития микробных комплексов в средах, загрязненных тяжелыми металлами (обзор литературы).....................................................10

1.1. Тяжелые металлы как один из основных загрязнителей почвы........10

1.2. Загрязнение почвы тяжелыми металлами и состояние микробиоты.14

1.2.1. Биологическая роль и токсикологическое влияние тяжелых металлов.........................................................................................16

1.2.2. Микроорганизмы как сорбенты тяжелых металлов...............21

1.2.3. Механизмы биосорбции тяжелых металлов микроорганизмами .................................................................................................30

Глава 2. Объекты и методы исследования............................................................36

2.1. Характеристика Кирово-Чепецкого химического комбината............36

2.1.1. История предприятия................................................................38

2.2. Почвы в зоне действия Кирово-Чепецкого химического комбината.......................................................................................................................38

2.2.1 Методика отбора почвенных проб для химического и микробиологического анализов................................................................40

2.2.2. Определение химического состава почвы..............................40

2.2.3. Методы определения видового состава почвенных фото-трофов...................................................................................................42

2.2.4. Методы обнаружения и количественного учета бактерий в почве......................................................................................................43

2.2.5. Чашечные культуры со стеклами обрастания.........................44

2.2.6. Количественный учет водорослей и цианобактерий.............45

2.2.7. Количественный учет микромицетов......................................46

2.2.8. Методики биотестирования и биондикации...........................48

2.2.9. Методы математической обработки........................................52

Глава 3. Химико-биологический мониторинг почв в зоне действия КЧХК.....53

3.1. Химический анализ почв в зоне действия КЧХК................................54

3.2. Видовой состав альгофлоры..................................................................59

3.3. Определение количественного обилия почвенных фототрофов........63

3.4. Количественные характеристики микологических группировок......65

3.5. Биомасса водорослей и микромицетов в почвах КЧХК.....................66

3.6. Микробиологический анализ почв в зоне действия КЧХК................68

3.7. Сезонная динамика альго-микологических группировок...................69

3.8. Развитие почвенных микробоценозов в условиях длительного действия тяжелых металлов..........................................................................74

Глава 4. Биоиндикация и биотестирование почв с использованием организмов различной систематической принадлежности.........................................78

4.1. Микологические биоиндикационные показатели состояния почвы

в зоне действия КЧХК....................................................................................78

4.2. Состояние почвы в зоне действия КХЧК по результатам биотестирования с использованием организмов различной систематической принадлежности..............................................................................................81

Глава 5. Биосорбционные возможности групп почвенных микроорганизмов по отношению к тяжелым металлам.......................................................................83

5.1. Сорбционные способности грибов рода Fusarium..............................83

5.1.1. Определение уровня фитопатогенности выделенных природных изолятов Fusarium..................................................................85

5.1.2. Определение сорбционной способности Fusarium oxysporum и Fusarium sp по отношению к тяжелым металлам.......87

5.2. Сорбционные способности цианобактерии Nostoc linckia..................89

5.3. Биопленки Nostoc commune как сорбенты тяжелых металлов...........92

Выводы......................................................................................................................96

Литература.................................................................................................................98

Введение

Одной из основных задач современной экологии является разработка стратегии реабилитации почв, загрязненных различными токсическими веществами. Тяжелые металлы (ТМ) являются одним из приоритетных загрязнителей (Добровольский, 1998; Никаноров, Хоружая, 1999). Наиболее изучены химические и физические способы детоксикации. Менее изучен вопрос применения биологических методов с использованием микроорганизмов различных систематических групп и микробных комплексов в целом для ремедиации загрязненных почв.

Необходимость изучения воздействия ТМ на почвенные микроорганизмы определяется тем, что именно в почве сосредоточена большая часть процессов минерализации органического вещества, обеспечивающих сопряжение биологических и геологических круговоротов (Добровольский, Никитин, 1984). Загрязнение почв ТМ вызывает определенные изменения в видовом и групповом составе комплекса почвенных микроорганизмов (Левин и др., 1989; Артамонова, 2002; Терехова, 2007; Домрачева и др., 2008; Евдокимова и др., 2010). Поэтому все более возрастает роль комплексного мониторинга техногенно нарушенных территорий, составной частью которого является биомониторинг с применением методов биоиндикации и биотестирования. Одна из основных задач в этом направлении - расширение круга организмов-биоиндикаторов и тест-организмов, адекватно реагирующих на содержание различных поллютантов в окружающей среде.

Цель работы: выявить возможность использования микробных комплексов, включающих водоросли, цианобактерии и микромицеты, для оценки состояния и ремедиации техногенно загрязненных территорий.

В соответствии с поставленной целью были определены следующие задачи:

1. Провести химический анализ почв в зоне действия Кирово-Чепецкого химического комбината (КЧХК).

2. Провести микробиологический анализ исследуемых почв по следующим показателям: видовой состав и количественные характеристики аль-го-цианобактериальных комплексов и количественные характеристики мико-ценозов.

3. Изучить возможность использования организмов различной систематической принадлежности для биоиндикации и биотестирования загрязненных почв.

4. Определить уровень биосорбции тяжелых металлов различными группами фототрофных и гетеротрофных микроорганизмов.

Научная новизна работы. Впервые с использованием методов прямого микроскопирования изучена численность и биомасса альго-циано-бактериальных группировок в почвах в зоне действия КЧХК. Выявлены достоверные различия в количественных показателях фототрофных микробных комплексов на различных площадках мониторинга, связанные с типом почв и уровнем их химического загрязнения. Установлено, что колебания численности фототрофных микроорганизмов в почвах составляют от 1,16 до 8,46 млн.кл/г, а биомассы от 164,6 до 528,0 кг/га. Анализ видового состава аль-гофлоры выявил 42 вида водорослей и цианобактерий (ЦБ). Флористический анализ показал нарушение структуры популяций альгоценозов, связанное с ее упрощением при хроническом воздействии большого спектра поллютан-тов. Показана специфика сезонной динамики почвенных альго-микологических группировок на исследуемой территории, связанная с не-полночленностью альгоцианобактериального комплекса, а также значительным развитием темноокрашенных форм микромицетов. Исследование микроскопических грибных сообществ показало, что длина грибного мицелия измеряется от 20,4 до 264,8 м/г почвы. Грибная биомасса на отдельных участках достигает почти 500 кг/га. При этом было отмечено преобладание в структуре популяции микромицетов темноокрашенных форм, что позволяет выявить загрязненные участки. Доказана возможность применения методики с использованием ЦБ для тестирования почвенных вытяжек при определении

токсичности почвы. Выявлены сорбционные возможности микромицетов рода Fusarium , ЦБ Nostoc linkia и природных биопленок с доминированием Nostoc commune по отношению к ТМ.

Теоретическая значимость исследования обоснована использованием методик, вносящих вклад в расширение представлений об индикационных и биосорбционных возможностях отдельных штаммов цианобактерий, популяций почвенных микромицетов и их отдельных видов.

Практическая значимость. Предложен метод сравнительного анализа результатов химических и микробиологических показателей для оценки состояния почвы. Результаты исследования могут быть применены для разработки и оптимизации программ комплексного экологического мониторинга как района КЧХК, так и других территорий. Обнаруженная способность ЦБ рода Nostoc и малопатогенных штаммов микромицетов рода Fusarium к биосорбции ТМ может быть использована как основа для разработки на базе данных микроорганизмов биопрепаратов, эффективных в очистке техноген-но загрязненных почв, а также промышленных стоков.

Результаты диссертационного исследования внедрены в учебный процесс на химическом факультете Вятского государственного гуманитарного университета при чтении курсов «Химия окружающей среды», «Общая экология», «Экологический мониторинг», «Экология почв», на агрономическом факультете Вятской государственной сельскохозяйственной академии при чтении курсов лекций и проведении лабораторных занятий по «Микробиологии», «Основам биомониторинга», «Почвенная микология», на химическом факультете Вятского государственного университета при чтении курсов лекций «Экология почвы» и «Основы биомониторинга».Материалы исследований вошли в отчеты по Гранту Президента РФ для поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук № МК-3326.2012.5.: "Миграция и распределение поллютантов и радионуклидов в компонентах природной среды вблизи промышленного предприятия (на примере Кирово-Чепецкого химического комбината) (2010-2011 гг.); внутреннему гранту ВятГГУ: "Ком-

плексный экологический мониторинг окружающей среды в зоне влияния Ки-рово-Чепецкого химического комбината" (2010-2011 гг.).

Личное участие автора заключается в непосредственном участии на всех этапах исследования: планирование и моделирование эксперимента; проведение комплекса полевых и лабораторных исследований, включающий отбор и обработку более 150 почвенных образцов; разработку отдельных опытов; выполнение химических, альгологических, микробиологических, биоиндикационных и биотестовых исследований. Обработка и интерпретация полученных результатов в период с 2009 по 2012 гг. выполнена лично автором. Автор участвовал в обсуждении результатов исследования на конференциях и симпозиумах регионального, всероссийского и международного уровней, что нашло отражение в 20 тезисах докладов и материалах конференций. Диссертант участвовал в подготовке 6 публикаций в журналах из списка ВАК и одной коллективной монографии, посвященных тематике исследования.

Оценка достоверности результатов базируется на основе глубокого и разностороннего анализа полевого материала с использованием классических статистических методов, показавших точность и воспроизводимость полученных данных. Использованы в каждом из аспектов исследования: химические исследования почв, учет численности микроорганизмов, расчеты метрологических параметров популяций, сезонная динамика развития почвенных микроценозов, уровень извлечения токсикантов микроорганизмами и др. -сравнение авторских данных и материалов, полученных ранее по рассматриваемой тематике отечественными и зарубежными исследователями. Установлено, что в большинстве случаев наблюдается качественное и количественное совпадение авторских результатов с данными из независимых источников по данной тематике. Несовпадения, наблюдаемые в ряде случаев, связаны с территориальной уникальностью объекта исследований, а так же различиями в экологических условиях.

Результаты исследования получены диссертантом на сертифицированном оборудовании, прошедшем плановую поверку, в экоаналитической лаборато-

рии ВятГГУ, имеющей аттестат государственной аккредитации аналитических лабораторий на техническую компетентность.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 97 страницах, включает 11 рисунков и 24 таблицы. Список литературы включает 246 наименований, в том числе 57 зарубежных источников.

Апробация работы. Материалы исследований были представлены на конференциях: II - VI Всероссийской молодежной научно-практической конференции "Экология родного края: проблемы и пути их решения (г. Киров, 2007 - 2011), Всероссийская научная школа для молодежи "Инновационные методы и подходы в изучении естественной и антропогенной динамики окружающей среды" (г. Киров, 2010), Всероссийский симпозиум с международным участием "Автотрофные микроорганизмы" (г. Москва, 2010), Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием "Биологический мониторинг природно-техногенных систем" (г. Киров, 2011), I Всероссийская с международным участием школа-конференция молодых ученых "Современные проблемы микробиологии, иммунологии и биотехнологии" (г. Пермь, 2011), V Всероссийская научно-практическая конференция "Формирование и реализация экологической политики на региональном уровне" (г. Ярославль, 2011), XVIII и XIX Всероссийская молодежная научная конференция "Актуальные проблемы биологии и экологии" (г. Сыктывкар, 2011, 2012), X Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием "Биодиагностика состояния природных и природно-техногенных систем" (г. Киров, 2012), I молодежная научная конференция "История, состояние и приоритеты научного обеспечения растениеводства на Северо-востоке европейской части России" (г. Киров, 2012), Всероссийская молодежная конференция "Адаптационные реакции живых систем на стрес-сорные воздействия" (г. Киров, 2012), VII Международная научно-практическая конференция "Дни знания - 2012"(г. Прага, 2012), VIII Между-

народная научно-практическая конференция "Новые научные достижения -2012" (г. София, 2012).

Публикации: По результатам исследований опубликованы 30 работ, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК, а также глава в коллективной монографии.

Благодарности. Автор выражает глубокую искреннюю признательность и благодарность научному руководителю: д.б.н, профессору Л.И. Домрачевой, - за помощь, оказанную в выполнении данной работы. Автор благодарит д.т.н., профессора Т.Я. Ашихмину, д.б.н., доцента Л.В. Кондакову, к.б.н., доцента Е.В. Дабах, к.б.н. доцента С.Г. Скугореву, к.б.н., доцента А.И. Фокину за неоценимую помощь в организации и проведении полевых и лабораторных исследований. Особая благодарность выражается всем сотрудникам кафедры химии и экологии ФГБОУ ВПО ВятГГУ, кафедры биологии растений, селекции и семеноводства, микробиологии ФГБОУ ВПО ВГСХА и сотрудникам экоаналитической лаборатории ВятГГУ за оказанную помощь в работе.

Глава 1. Специфика развития микробных комплексов в средах, загрязненных тяжелыми металлами (обзор литературы)

С каждым годом антропогенный фактор вносит все больший вклад в суммарное загрязнение окружающей среды (ОС). Масштабы такого загрязнения носят глобальный характер. Особенно остро стоит проблема в крупных промышленных центрах и мегаполисах, которые представляют собой огромные техногенные геохимические и биогеохимические аномалии (Добровольский, 1998). Наибольший антропогенный ущерб наносится почвенному покрову, в котором проходят основные процессы преобразования и деструкции поллютантов различной химической природы.

1.1. Тяжелые металлы как один из основных загрязнителей почвы

Здоровая почва является необходимым условием жизни человека. К сожалению, не прекращается её деградация вследствие эрозии, дегумифика-ции, нарушения целостности, загрязнения поллютантами (радионуклиды, ТМ, пестициды и другие опасные вещества), заселения токсигенными и фи-топатогенными микробами (Соколов и др., 2010). Поэтому патологию почв признают реальной угрозой экологической, экономической и национальной безопасности России. Развитие промышленности и транспорта, в частности, привело к появлению в почве техногенных аномалий различных элементов, в первую очередь, ТМ. К ТМ отнесены элементы, плотность которых более 5 г/см . Если исходить их этого показателя, тяжелыми следует считать 43 из 84 металлов Периодической системы элементов (Пилипенко, 1977). Среди этих 43 металлов 10 обладают наряду с металлическими свойствами признаками неметаллов (представители главных подгрупп VI, V, IV, III групп Периодической системы, являющиеся р-элементами), поэтому более строгим был бы термин "тяжелые элементы".

Прежде всего