Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Реакция микроорганизмов почв лесных ценозов на загрязнение тяжелыми металлами

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Реакция микроорганизмов почв лесных ценозов на загрязнение тяжелыми металлами"

РГ6 од На правах рукописи

? / '

- ~ ХОЛОПОВ Юрий Александрович

РЕАКЦИЯ МИКРООРГАНИЗМОВ ПОЧВ ЛЕСНЫХ ЦЕНОЗОВ НА ЗАГРЯЗНЕНИЕ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ

Специальности: 03.00.16 — Экология; 03.00.07 — Микробиология

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата сельскохозяйственных наук

МОСКВА 1998

Работа выполнена на кафедре экологии и безопасности жизнедеятельности Московской сельскохозяйственной академии им. К- А. Тимирязева.

Научный руководитель — кандидат биологических наук, доцент Л. В. Мосина.

Официальные оппоненты: доктор биологических наук,

Л. О. Карпачевский; доктор биологических /на^к, профессор С. В. Летунова.

■ Ведущая организация — Российский университет дружбы народов.

Защита состоится . . . . . 1998 г.

в ?Л Г^Т час на заседании диссертационного совета К 120.35.06 в Московской сельскохозяйственной академии им. К- А. Тимирязева.

Адрес: 127550, Москва И-550, Тимирязевская ул., 49. Ученый совет ТСХА.

С диссертацией можно ознакомиться в ЦНБ ТСХА.

Автореферат разослан . . _ ¡998 г

Ученый секретарь диссертационного совета — кандидат географических наук

А. И. Чекерес

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. К настоящему времени накоплен большой материал о влиянии тяжелых металлов (ТМ) на состояние комплекса почвенных микроорганизмов. Однако данные часто противоречивы, так как они получены при работе на различных почвах, с разными дозами и формами соединений ТМ, а для лесных экосистем в условиях техногенного загрязнения влияние ТМ на микробиологические показатели почв практически не изучено. Вместе с тем использование микроорганизмов в качестве индикаторов последствий загрязнения окружающей среды является чрезвычайно важным.

Цель работы - установить реакцию комплекса почвенных микроорганизмов различных лесных ценозов на возрастающие дозы тяжелых металлов для оценки возможности диагностики загрязнения.

Задачи:

- выявить влияние солей РЬ и Сс) на численность основных групп микроорганизмов почв лесных ценозов в динамике;

- установить, как ТМ изменяют видовой состав спорообразующих бактерий и групповой состав актиномицетов;

- оценить действие соединений РЬ и Сс1 на базальное, субстрат-индуцированное дыхание почвы, активную микробную биомассу, коэффициент микробного дыхания;

- охарактеризовать состояние микробной компоненты почв, находящихся в условиях различной антропогенной нагрузки.

Научная новизна. Впервые в модельных экспериментах в динамике оценено действие возрастающих доз уксусно- и азотнокислых солей свинца и кадмия на комплекс микроорганизмов почв различных лесных ценозов (на примере Лесной опытной дачи (ЛОД) МСХА). Выявлена сукцессия микроорганизмов под влиянием загрязнения почв. Оценена возможность использования параметров дыхания почвы для целей диагностики устойчивости микробоценозов в условиях загрязнения ТМ.

Практическое значение. При мониторинге почв лесных экосистем, подверженных антропогенному воздействию, рекомендуется наряду с изучением группового и видового состава микробоценозов использовать параметры дыхания почв. .Полученные данные могут служить основой для проведения лабораторных работ и практических занятий со студентами вузов по микробиологической- индикации загрязнения почв тяжелыми металлами.

Апробация работы. Результаты исследований были доложены на Международном симпозиуме "Тяжелые металлы в окружающей среде" ( г. Пущино, 1996), на конференции молодых ученых МСХА (1997 г.) и на совместном заседании кафедры экологии и БЖД и кафедры микробиологии МСХА (1998 г).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 работ.

Структура и объем диссертации. Работа изложена на 146 страницах машинописного текста, состоит из введения, обзора литературы, А глав, содержащих обсуждение результатов собственных исследований, выводов, приложений; иллюстрирована 13 рис. и 18 табл. Список использованной литературы включает 210 источников, в том числе на иностранных языках -18.

Практическую помощь автору оказали сотрудники ИПФС РАН: зав. лабораторией почвенных микроорганизмов к.б.н. Н.Д.Ананьева и к.б.н. Т.С Демкина, сотрудники МСХА к.б.н. Н.М.Грачева и Е.И.Попова, за что искренне им благодарен.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

В серии модельных экспериментов по изучению реакции почв на внесение уксусно- и азотнокислых солей РЬ и Сс! использованы дерново-подзолистые легкосуглинистые почвы, отобранные с пробных площадей 6, 4-А, 9 ЛОД МСХА, заложенных под различными ценозами - дубовым (гумус-4,06 %, рНС0Л=4,1), сосновым (гумус - 6,50 %, рНсол=4,5) и смешанным (сосна + береза) (гумус - 5,49 %, рНС0Л=3,9). Отбор образцов проводили по периметру проекции крон модельных деревьев на глубину 0-5 см без подстилки.

Общая схема опытов по выявлению влияния различных форм и доз РЬ и Сс1 на микробиологические характеристики почв дубового и соснового ценозов приведена в табл.1.

Для изучения динамики численности микроорганизмов и видового разнообразия были выбраны следующие сроки отбора проб: 2-е сут. после внесения токсиканта, 15-е, 30-е и 60-е сут. (1...4 сроки).

Таблица 1

Схема серии опытов_

ценозы поллютанты

РЬ, мг/кг почвы | Сй| мг/кг почвы

нитрат ацетат нитрат ацетат

Дубовый исход, почва исход, почва исход, почва исход, почва

80 (х 2) 80 (х 2) 2(х 2) 2 (х 2)

800 (х 20) 800 (х 20) 20 (х 20) 20 (х 20)

8000 (х 200) 8000 (х 200) 200 (х 200) 200 (х 200)

80000(х 2000) 80000(х 2000) 2000(х 2000) 2000(х 2000)

сосновый исход, почва исход, почва 4

80 (х 2) 80 (х 2)

800 (х 20) 800 (х 20)

8000 (х 200) 8000 (х 200)

80000(х 2000) 80000(х 2000)

Эксперименты проводили в стеклянных стаканчиках, однородных по высоте и объему. 50 г почвы (в пересчете на абсолютно сухую) увлажняли до оптимальной влажности (60...70% ППВ), поллютанты вносили в виде водных растворов, тщательно перемешивая. В дальнейшем влажность поддерживали поливом по весу.

Микробиологические анализы почвы проводили по общепринятым методикам глубинного посева [Методы почвенной микробиологии и биохимии, 1991] на четырех средах: МПА, КАА, МПА+СА, CA; идентификацию бацилл - по методике Родиной, групповую принадлежность акгино-мицетов по Красильникову и шкале цветов Бондарцева.

В опытах по определению дыхательной активности почвы трех ценозов помещали в чашки Петри (d = 12,5 см). Уксуско- и азотнокислый свинец вносили в виде водных растворов^доводя влажность до 60.. 70 % ППВ)в количествах, превышающих среднее начальное содержание в 10, 50, 100 и 200 раз (600, 3000, 6000 и 12000 мг/кг почвы соответственно). Соли кадмия вносили в таких же пропорциях, что в абсолютном выражении составило 10, 50, 100 и 200 мг/кг почвы. Сравнительная оценка токсичности изучаемых солей в дозах 600, 3000, 6000 и 12000 мг/кг почвы (по катиону) была проведена для почвы соснового ценоза. Почву инкубировали при заданной влажности, температуре 22 ± 0,5 °С, в темноте. Определение, скоростей базального и субстрат-индуцированного дыхания (СИД) проводили в динамике на 0, 2, 4, 8, 16, 32 и 64 сут. (1...7 сроки) хроматографически по общепринятой методике (Ананьева, Благодат-ская, 1993] и выражали в мкг С /г • час.

Коэффициент микробного дыхания QR рассчитывали как отношение скоростей выделения С02 из необогащенной почвы (VBas) и почвы, в которую внесен избыток доступного субстрата (VSir).

Биомассу активных микроорганизмов определяли методом суб-страт-индуцированного дыхания с последующим пересчетом на углерод микробной массы [Anderson, Domsch,1978]. Все измерения проводили в 3-кратной повторности. Полученные данные обработаны многофакторным дисперсионным анализом с использованием программного комплекса STRAZ.

Полевые исследования проводили на пробных мониторинговых площадях ЛОД МСХА (рис.1), характеризующихся однородным составом древостоя и различной степенью антропогенной нагрузки (содержание ТМ (валовое количество) - РЬ: 62 и 139, 2п: 73 и 210, Си: 10 и 108 мг/кг почвы, уплотнение почвы от 0,7 до 1,8 г/см3)[Грачева, 1992]. В качестве контрольных использовались участки Истринского и Краснополянского лесничеств Московской области.

з

Кв I - номер квартала

№_11 - номер пробной площади

' j - учазтки с естественным для ЛОД воздействием

- участки с повышенным антропогенным воздействием

Рис 1. План размещения мониторинговых площадей ЛОД МСХА

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

1.Влияние солей РЬ и Cd на численность групп микроорганизмов почв различных лесных ценозов

Изменение численности микроорганизмов, потребляющих органические Формы азота.

Все изучаемые дозы поллютантов оказали действие на численность бактерий на МПА. Причем, азотнокислый свинец проявил стимулирующий эффект, в то время как ацетат свинца при дозах х 2 и х 20 в целом ингибировал численность бактерий, а дозы х 200 и х 2000 вызывали сукцессиснные изменения (отмечены затухающие колебания численности), что характеризует выход системы vo состояния равновесия Реакция микроорганизмов почвы дубового ценоза ' на

возмущающий фактор была менее продолжительной, чем в почве соснового ценоза

Соединения Сс1 оказали существенное влияние на численность аммонификаторов почвы дубового ценоза. Доза х 2000 ацетата Сс) ингибировала этот показатель до 60-х сут. включительно. Доза х 2 стимулировала рост бактерий, что отмечено в 1 и 2 сроки, а х 20 - после падения численности до 0,4 в 1 срок дала вспышки на 15-е (до 4,4 раз) и 60-е сут. (в 2,8 раза).

Действие Сс1((М03)2 носило более сложный характер. Смена тах и тю в численности свидетельствовала о выходе микробной системы из состояния равновесия. К 60 сут. все дозы (кроме х 2000) приблизили численность к контрольным цифрам. Для максимальной дозы все еще отмечалось угнетение.

Изменение численности микроорганизмов, потребляющих минеральные формы азота.

Данные микроорганизмы оказались достаточно чувствительны к воздействию ТМ, что отмечено в литературе. Соли свинца (большинство доз) ингибировали численность на КАА до 30 сут. (рис.2). Вспышки численности при дозах х 2...Х 200 (нитрат свинца), можно отнести прежде всего за счет анионного эффекта. По продолжительности угнетающего действия на численность более токсичным был нитрат свинца (по сравнению с ацетатом).

При внесении соединений Сс! отмечен стимулирующий эффект всех доз (кроме х 2000 , поллютант - нитрат кадмия) на 2-е сут. Стабильное достоверное угнетение численности было для всех доз на протяжении 60 сут., кроме дозы х 2. Вероятно, что стимулирование в 1 срок происходило большей частью за счет анионов, а в последующем наблюдалось действие самого металла (рис.3). Изменение численности спорообразующих бактерий

Различий в реакции на ацетат свинца спорообразующих бактерий почв соснового и дубового ценозов не выявлено. После увеличения численности на 2-е сут. в 1,6...2,2 раза наступало ингибирование, которое сменялось для большинства доз к 30 сут. вспышкой численности. Исключение составляла доза х 2000, для которой падение численности до 0...0.4 к контролю сохранялось до конца эксперимента.

Азотнокислый свинец оказался более токсичным, чем уксуснокислый. Дозы х 200 и х 2000 уменьшали численность на МПА+СА до 30 сут. включительно, в то время, как ацетат свинца проявил себя аналогичным образом лишь при максимальной дозе. Вслед за вспышкой численности спор до 2 раз (2-е сут.) РЬ(СН3СОО)2 уменьшал их количество до 0...0.3 к контролю на 15-е сут., после чего наступало увеличение Отмеченные закономерности оказались справедливыми для почв соснового и дубового ценозов.

поллютант - ацетат свинца

сроки

поллютант - нитрат свинца

сроки

1 - контроль (для нивелировки флуктуации принят за 1). - 2 - х 2. 3 - к 20. 4-х 200," 5-х 2000.

Рис 2 Динамика численности микроорганизмов почвы соснового ценоза на КАА под действием солей свинца

поллюганг - ацетат кадмия

лоллютант - нитрат кадмия

1- контроль (для нивелировки флуктуации принят за 1). 2-х 2, 3 - х 20, 4-х 200. 5 - х 2ООО.

Рис.3. Динамика численности микроорганизмов почвы дубового ценоза на КАЛ под действием солей кадмия

Все изучаемые дозы ацетата кадмия привели к увеличению численности спор до 1,8. . 6,3 раз на 2-е сут. после внесения поллютанта. В вариантах с нитратом кадмия отмечалось падение численности спор до 0, б ...0,2 к контролю. Изменение численности микроскопических грибов

Ацетат свинца в дозе х 2000 ингибировал численность грибов практически до 0. Внесение нитрата свинца (доза х 2) вызывало колебания численности грибов с большей амплитудой по сравнению с такой же дозой ацетата. Однако, возрастание численности микроскопических грибов под действием доз х 20 и х 200 а почвах дубового и соснового ценозов к 60-м сут. в 1,7...3,5 раз подтверждает отмеченную в литературе повышенную устойчивость грибов к ТМ.

Действие солей кадмия на микроскопические грибы носило схожий характер. На 2-е сут. после внесения поллютантов наблюдалось ингибирование численности до 0,3...0,6 всеми изучаемыми дозами, к 15 сут. - большинством доз достигался уровень контроля, что свидетельствовало о снижении токсического эффекта кадмия по отношению к грибной компоненте. На 30-е сут. - вновь снижение численности (менее выраженное) и к 60 сут. - повышение до уровня контроля, что можно рассматривать как тенденцию к стабилизации. В вариантах с ацетатом кадмия, однако, такая стабилизация к концу опыта еще не наступала.

2. Влияние тяжелых металлов на структуру и состав микробоценозов Структура бациллярного населения почв

Под влиянием загрязнения отдельные виды выпадают из сообщества (на время или совсем), другие могут занимать не свойственное им доминирующее положение.

Азотнокислый свинец вызвал увеличение численности спор Вас. ¡dosus (в 1 срок), что отмечается и в литературе, Вас. cereus (2 и 3 сроки), Вас. agglomeratus (4 срок). Доля Вас. virgulus в сообществе сокращалась уже на 2-е сут. и к 15 сут. наблюдалось выпадение вида при дозах х 200 и х 2000; даже на 60 сут. все изученные дозы оказывали на данный вид ингибирующее воздействие. После увеличения доли спор Вас. mycoides в первые сроки, к 30 и 60 сут. численность спор этого вида падала.

Ацетат свинца, внесенный в почву дубового ценоза, также увеличивал долга спор Вас. idosus с 13,7 % в контроле до 20,6...42,9 % в зависимости от доз (причем, как и в случае с Pb(N03)2, только в 1 срок). Отмечено увеличение доли спор Вас. virgulus во 2 срок с 7,8 % (контроль) до 22,5... 100,0 %, Вас. agglomeratus (до 63,9...71,5 % - в 3 и 4 сроки при дозах х 200 и х 2000). В отдельные сроки нами не были обнаружены Вас. mycoides, Вас. cereus, Вас. agglomeratus, Вас. idosus.

Соединения кадмия ингибировали следующие слорообразующие бактерии: Вас. idosus (наблюдалось выпадение по срокам и дозам), Вас. virgulus. Под действием кадмия происходило увеличение доли Вас. mycoides. Вас. cereus (поплютант - нитрат кадмия, все дозы, 1 срок), Вас. cereus (поллютант - ацетат кадмия, все дозы, 2 срок), Вас. agglomeratus (нитрат и ацетат кадмия, все дозы, 3 срок). В целом можно отметить обеднение видового разнообразия, в большинстве случаев доминировали Вас. agglomeratus, Вас. mycoides и Вас. cereus. Групповой состав актиномицетов

Внесение в почву солей РЬ и Cd приводило к увеличению доли актиномицетов, лишенных воздушного спорообразующего мицелия, которое даже при дозе х 2 составило 1,2. .1,3 раз - нитрат и ацетат свинца соответственно; 1,3 и 1,7 раз - для солей кадмия (почва дубового ценоза). Максимальные изучаемые дозы часто приводили к' 90...100 % стерильности.

Преобладающие в естественных условиях актиномицеты гр. Albus и Albidus были чувствительными к воздействию поллютантов. На протяжении опыта наблюдалось выпадение этих группировок в вариантах х 20...х 2000, либо значительное угнетение. Причем, ацетат свинца оказался более сильным ингибитором, чем нитрат. В вариантах с солями РЬ отмечено увеличение в различные сроки доли актиномицетов гр. Griseus, Chromogenes, Flavus, Lavendula. Максимальные дозы х 2000 Cd(N03)2 и Cd(CH3COO)2 приводили к доминированию гр. Niger (от 57,1 до 100 %), в вариантах х 20...х 200 доминировали гр. Griseus, Chromogenes, Fradia.

3. Изучение действия соединений свинца и кадмия на базальное и

субстрат-индуцированное дыхание почв лесных ценозов Влияние РЬ и Cd на скорость базального дыхания

Ацетат свинца (дозы х 100 и х 200) ингибировал VBas в почвах всех трех ценозов уже на 0-е сут. По мере инкубации скорость базального дыхания увеличивалась и имела максимумы в почве соснового ценоза при дозах х 50 - на 4-е сут., х 100 - на 8-е, х 200 - на 32-е сут. Аналогичная зависимость была выявлена и для реакции почвы дубового ценоза, однако максимумы Vbas сместились во времени и пришлись для дозы х 50 - на 2-е сут., для доз х 100 и х 200 - на 4-е и 8-е сут. соответственно. Это свидетельствует о большей способности почвы дубового ценоза противостоять негативному воздействию' свинца. Вопреки ожиданиям, почва сосново-березового ценоза по характеру ответной реакции не заняла * строго промежуточного положения между почвами хвойного и широколиственного ценозов. Дестабилизирующее действие изучаемых доз проявлялось вплоть до 32 сут. На 64 сут. VB/>s загрязненных свинцом почв всех трех ценозов приблизились к соответствующим фоновым значениям.

в

Ацетат кадмия в изучаемых дозах вызвал увеличение скорости базального дыхания на 19...142 % уже в 1 срок. Однако, на 2-е сут. этот показатель для вариантов х 10..х 200 стабилизировался возле контрольных значений. В течение периода 4...16 сут. в большинстве случаев оставались значения, близкие к контрольным (за исключением снижения для почв соснового ценоза на 8-е сут.). Возможно, это явилось следствием "противостояния" ингибирующего и стимулирующего эффектов катиона-аниона. К 64 сут. для почв всех ценозов наблюдалось снижение скорости продуцирования С02 до 0,45...0,89 к контролю (исключение - дозы х 100 и х 200, почвы соснового ценоза, где наблюдалось увеличение на 13. .35 %). Это доказывает, что кадмий действительно ингибирует дыхательную активность, причем действие во времени не ограничивается 2-х мес. сроком.

Первоначальная реакция микробоценозов на внесение уксусно- и азотнокислых соединений свинца и кадмия в дозах 600...12000 мг/кг почвы выражалась в увеличении базального дыхания. Ингибирование дыхания дозой 600 прослеживалось в период 8...32 сут. (для всех соединений), дозой 3000 мг/кг почвы - со 2 по 64 сут. - для ацетата кадмия, с 16 по 64 сут. - для нитрата кадмия и ацетата свинца, с 8 по 64 сут. - для нитрата свинца. Доза 6000 мг/кг почвы угнетала дыхание почвы со 2 по 64 сут. - ацетат Cd, с 8 по 64 сут. - нитрат Cd и нитрат РЬ. Для дозы 12000 мг/кг почвы наиболее продолжительным было также действие ацетата кадмия.

Влияние РЬ и Cd на скорость субстрат-индуцированного дыхания

В отличие от скорости базального (актуального) дыхания, СИД почвы показывает потенциальную активность микроорганизмов. Все изучаемые дозы ацетата свинца оказали воздействие на данный показатель уже на 0 сут. эксперимента (произошло снижение) (рис.4). Временная динамика СИД характеризует почву дубового ценоза как более устойчивую. После вспышки активности при дозах х 100 и х 200 (4-е сут.) произошло их постепенное сближение с уровнем фона. Можно считать, что к 32...64 сут. наступает восстановление дыхательной активности. Более глубокие изменения наблюдались в вариантах с почвой соснового ценоза. Доза х 200 ингибировала СИД вплоть до 32 сут. Для других доз отмечалась смена максимумов и минимумов данного показателя. СИД в вариантах с почвой сосново-березового ценоза ингибировалось дозами х 100 и х 200 до конца эксперимента.

Ацетат кадмия (х 10...х 200) оказал нейтральное или стойкое стимулирующее действие на величину VSir в большинстве случаев. Угнетение субстрат-индуцированного дыхания было отмечено лишь в • конце эксперимента (32...64 сут).

С:уйс1'р:-.т-чн^уинровакиос хыхание, г.уСсвый ценоз

сроки

Субстрат-индуиированное дыхание, сосновый ценоз

Субстрат-иняуичроааиное дыхание, смешанный ценоз(сссна+Сереза)

(

г

з *

г

сроки

Дозы свинца: 1 - фон, 2 - х 10, 3 - х 50, 4-х 100, 5 - х 200.

Рис.4. Изменение скорости дыхания почвы под действием ацетата свинца

:о

Изменение активной микробной биомассы

Ацетат свинца вызвал резкое уменьшение активной микробной биомассы (АМБ) почв всех трех ценозов в 1 срок (рис.5). Но уже на 2-е сут. доза х 10 проявила стимулирующий эффект (одинаково во всех почвах). Почва дубового ценоза на более ранних сроках (4...16 сут.) увеличила свою активную биомассу, тем самым оказывая противостояние поллгатанту. К 30 сут. дозы х 10...х 100 уже нз отличались от контрольных цифр. Иначе проявила себя микробная, компонента почвы соснового ценоза. Наступление вспышек биомассы здесь сдвинулось во времени на более поздние сроки. Интересно, что при дозах х 100 и х 200 в почве смешанного ценоза наблюдалось глубокое угнетение АМБ, в то время как почвы соскового и дубового ценозов дали на этих дозах отчетливые вспышки. Отклик АМБ на внесение ацетата кадмия в дозах х 10...х 200 не был стсль показательным. Различия в реакции почв трех ценозов, а также между контролем и дозами х 10...х 100 часто не выходили за пределы погрешности опыта.

Реакция активной микробной биомассы на более высокие дозы ацетата кадмия (600...12000 мг/кг почвы) была схожа с реакцией на ацетат свинца.

АМБ почвы соснового ценоза стойко ингибировалась азотнокислыми солями кадмия и свинца (600...12000 мг/кг почвы). Уловить разницу между характером действия нитрата кадмия и нитрата свинца было трудно. Максимальные дозы (12000 мг/кг почвы) снижали микробную биомассу более чем наполовину. Дозы 3000 и 6000 мг/кг почвы з вариантах с нитратом кадмия были неразличимы между собой во все сроки, в вариантах с нитратом свинца - в большинстве.

Интересна динамика АМБ при дозе 600 мг/кг почвы. В 1 срок (0 сут.) достоверных отличий ее от контроля не было. Но уже во 2 срок наступило угнетение. Выравнивание дозы 600 мг/кг почвы с контролем произошло в случае с нитратом свинца на 5 срок (16 сут.), в случае с нитратом кадмия -на 7 (64 сут.). Действие нитрата кадмия было более сильным и п родо л жите л ь н ы м.

Коэффициент микробного дыхания как интегральный показатель состояния микробоценоза

Отдельные характеристики почв по величине базального, субстрат-индуцированного дыхания и активной микробной биомассы хотя и позволяют оценить реакцию комплекса микроорганизмов на поллютанты, но не несут целостной информации. Показателем устойчивости микробоценоза может служить коэффициент микробного дыхания. Нарушения устойчивости при QR = 0,1...0,2 - отсутствуют, 0,2...0,3 -слабые, 0,3...0,5 - средние, 0,5...1,0 - сильные, 0; >1,0 - катастрофические [Благодатская, Ананьева, 1996].

ЛуГЮЫ 1М цоноз

3

7 I и

г _ О 16 1

о

о и С.

сроки

^сноьыи ценоз

сроки

,:меи:анныи иеноз

1 - контроль,

2-х 10, 3-х 50,

4-х 100, 5-х 200

Рис.5. Изменение активной биомассы микроорганизмов почв различных ценозов под действием ацетата свинца

Более глубокое и продолжительное воздействие на микробное дыхание почвы всех трех ценозов оказал ацетат свинца по сравнению с ацетатом кадмия. Диапазон доз х 10...Х 200 сразу после внесения привел к нарушению устойчивости микробного сообщества сильной степени. Более того, доза х 200 приводила к катастрофическим изменениям (Оя > 1,0) в дыхании почвы соснового ценоза трижды за время эксперимента, дважды - в дыхании смешанного и ни разу - в почве дубового. Катастрофические изменения наблюдались нами в вариантах х 100 дважды (почва соснового ценоза) и один раз (почва смешанного ценоза). Кроме того, сильная степень нарушения устойчивости микробного сообщества почв соснового и смешанного ценозов дозой х 200 продолжалась до 64 сут. включительно, в то время, как почва дубового ценоза на 32-е сут. вернулась к показателям контроля. Таким образом, почва соснового ценоза была наиболее уязвима к действию ацетата свинца. Микроорганизмы почвы дубового ценоза оказались менее чувствительными, что согласуется сданными описанных выше модельных опытов.

Степень нарушения устойчивости микробного сообщества под действием ацетата кадмия в большинстве случаев была на уровне градаций средняя-слабая. Сильное воздействие оказала лишь доза х 200 сразу после внесения поллютанта. К 64 сут. отмечено снижение устойчивости для большинства вариантов. Скорее всего, ацетат кадмия к этому сроку только начинал проявлять ингибирующее действие.

Таблица 2

Изменение коэффициента микробного дыхания почвы

соснового ценоза под действием солей и РЬ_

Дозы мг/кг поллютанты сроки, сутки

0 2 4 8 16 32 64

600 ацетат Сс) 1,00 0,40 0,35 0,65 0,57 0,76 0,80

нитрат Сс1 0,42 0,35 0,49 0,37 0,38 0,53 0,61

ацетат РЬ 0,63 0,27 0,44 0,26 0,31 0,41 0,48

нитрат РЬ 0,44 0,35 0,39 0,38 0,28 0,31 0,35

3000 ацетат Сс1 1,09 0,55 0,72 0,75 0,11 0,79 0,71

нитрат Сс1 0,59 0,53 0,49 0,52 0,42 0,38 0,54

ацетат РЬ 0,86 1,10' 0,69 0,32 0,44 0,33 0,43

нитрат РЬ 0,62 0,45 0,41 0,31 0,41 0,23 0,67

6000 ацетат СЬ 0,95 1,02 0,98 1,06 1,00 1,11 . 0.76

нитрат Сс1 0,82 0,65 0,58 0,37 0,37 0,37 0,69

ацетат РЬ 0,80 0,54 1.24 1,20 0,39 0,47 0,40

нитрат РЬ 0,81 0,61 0,36 0,35 0,42 0,19 0,27

12000 ■ ацетат Сс1 0,97 0,89 0,97 1,09 0,58 0,96 1,14

нитрат Сс) 0,87 0,88 0,68 0,45 0,45 0,51 0.64

ацетат РЬ 1,02 0,67 0,79 0,83 4,95 0,97 0,87

нитрат РЬ 1,26 0,91 0,76 0,45 0,54 1,18 0,54

При анализе влияния доз соединений Сс1 и РЬ, выровненных по абсолютным значениям (см. табл.2), отмечалось более сильное и продолжительное токсическое действие кадмия по сравнением со свинцом.

Катастрофическое или близкое к нему состояние чаще было в вариантах с ацетатом кадмия, ацетатом свинца (дозы 6000 и 12000 мг/кг почвы), меньшую токсичность проявили азотнокислые соли Сс1 и РЬ. Однако, при максимальной дозе 12000 мг/кг почвы различить между собой действие изучаемых поллютантов не удалось. Все они приводили к значительным изменениям в дыхательной активности, которые сохранялись до конца эксперимента.

4. Характеристика состояния микробной компоненты почв лесных ценозов, находящихся в условиях различной антропогенной нагрузки

Полевые исследования выявили, что максимальные значения активной микробной биомассы имели почва естественного дубового ценоза Краснополянского лесничества - 418,1 мг С/100 г почвы, сосново-березового ценоза Истринского лесничества - 199,2 мг С/100 г почвы, в то время как для соответствующих ценозов ЛОД (в черте г. Москва) АМБ была на уровне 118...193,4 и 100,1.„123,6 мг С/100 г почвы. Максимальное значение - 193,4 мг С/100 г почвы отмечено для пробн. пл. 6, находящейся в центре ЛОД и мало подверженной загрязнению ТМ и рекреации. Для пробн. пл. 11 отмечалось существенное снижение величины активной микробной биомассы, что хорошо объясняется возрастающей антропогенной нагрузкой. В среднем за 3 года исследований различались ме>еду собой по показателю активной микробной биомассы и пробн. пл. 9 и 10 (сосново-березовый ценоз).

По коэффициенту временного варьирования более стабильными оказались показатели пробн. пл. "Ю", "О" и 4-А, которые ближе других расположены к автомагистрали. Вероятно, здесь сформировался устойчивый к антропогенному воздействию микробоценоз.

Значения базального, субстрат-индуцированного дыхания и метаболического коэффициента приведены в табл.3. Почвы контрольных пробн пл., расположенные за пределами города, показали максимальные характеристики Так, \Zbas в почве дубового ценоза была 11,1, а сосново-березового - 5.94 мкг С/г*час. Наименьший коэффициент временного варьирования отмечен для показателей почвы сосново-березового ценоза Истринского лесничества (15 %). Почвы ЛОД характеризовались меньшими значениями \Zbas. Причем для пар 8 и 7, 9 и 10 пробн. пл. отмечено более высокое значение базального дыхания на участках с повышенной антропогенной нагрузкой, что, очевидно, свидетельствует о наличии доступного субстрата для микроорганизмов и согласуется с данными почвенно-агрохимических характеристик.

Некоторые микробиологические показатели почв лесных ценозов, подверженных различной антропогенной нагрузке (полевые исследования)

Таблица 3

№ пр. це- со- базалъное дыхание, Кв субстрат-индуцированное дыхание, Кв коэффициент сред

площ. ноз сто- мкгС/г-час мкгС/г-час микробного дыхания -нее

яние

раст 1994 1996 1997 сред % 1994 1996 1997 среднее % 1994 1996 1997

6 Д + 10,92 3,99 3,45; 4,21 5,64 133 30,60 17,57 13,65; 17,63 19,86 85 0,36 0,23 0,25; 0,24 0,27

11 Д - 2,85 9,64 3,90 5,46 124 7,03 20,59 15,46 14,36 94 0,41 0,47 0,25 0,38

8 Д + 1,31 3,61 1,56 2,16 107 4,37 16,19 9,53 10,03 118 0,30 0,22 0,16 0,23

7 Д 2,15 6,50 3,23 3,96 110 10,55 27,57 10,88 16.33 104 0,20 0,24 0,30 0.25

9 С+Б + 1,77 2,07 4,04; 2,96 2.71 84 6,13 11,56 18,42; 6,78 10,72 115 0,29 0,18 0.22; 0,44 0,28

10 С+Б - 2,08 6,51 4,77 4,45 100 9,06 6,32 7,45 7,61 36 0,23 1,03 0,64 0,63

"Ю" С - 2,47 4,61 3,86 3,65 69 11.74 16,98 14,87 14,53 36 0,21 0,27 0,26 0,25

"О" д не опр. 3,48 4,49 3,99 25 не опр 13,15 16,22 14,69 21 не опр. 0,27 0,28 0,27

4-А с не олр.. 3,19 2,50; 3,15 2,95 23 12,10 9,39; 10,19 10,56 26 0.25 0,27, 0,31 0,23

Краен. д + 16,80 5,39 11,1 103 68,52 25,89 47,21 90 | -"- 0.25 0,21 0.23

Истр. С+Б + 6,39 5,49 5.94 • 15 19,27 20,89 20,08 8 | 0,33 0.26 0,30

• Примечание: + - участки с естественной нагрузкой

- - участки с повышенной антропогенной нагрузкой

Vsir была почти в 2 раза больше в почвах лесничеств по сравнению с почвами ПОД. Пробн. пл. 6 и 11, 9 и 10 достоверно различались между собой: повышенная антропогенная нагрузка снижала активность микробного сообщества. Однако, временное варьирование показателя была значительным, лишь на пробн. пл. 10, "Ю", "О" и 4-А Кв = 21 ...36 %.

Анализ устойчивости системы по величине Qr показывает, что микробоценозы почв большинства пробн. пл. способны противостоять техногенным нагрузкам (Qr = 0,2.. 0,3). Вероятно, здесь проявилась физиологическая адаптация микроорганизмов, наступившая при постепенном увеличении антропогенной нагрузки. Лишь состояние почв пробн. пл. 11 (Qr = 0,35), 10 (Qr = 0,63) вызывает беспокойство.

ВЫВОДЫ

1.Соли свинца и кадмия, внесенные в дерново-подзолистую почву дубового и соснового ценозов в количествах х 2...Х 2000 по отношению к исходному содержанию ТМ, вызвали сукцессионные изменения в комплексе микроорганизмов. Отклики на поллютанты наступали быстрее и были менее продолжительными в почве дубового ценоза. Высокую чувствительность проявили микроорганизмы, потребляющие минеральные формы азота. Дозы х 2000 стойко ингибировали численность большинства изученных групп микроорганизмов.

2.Под действием соединений ТМ отмечена перегруппировка бациллярного населения почв: в почве дубового ценоза нитрат свинца вызывал увеличение количества спор Вас. idosus, Вас. cereus, Вас. agglomeratus, сокращение - Вас. virgulus. В вариантах с ацетатом РЬ наблюдались выпадения Вас. mycoides, Вас. cereus. В загрязненной почве соснового ценоза преобладали споры Вас. agglomeratus. Соединения кадмия приводили к доминированию Вас. agglomeratus,. Вас. mycoides, Вас. cereus; угнетали Вас. idosus, Вас. virgulus. В целом видовое разнообразие под действием поллютантов снижалось.

3.Индикаторным показателем загрязнения почв ТМ может служить доля аспорогенных форм актиномицетов, увеличение которой составило 1,3. 2,3 раз для вариантов с соединениями кадмия, 1,2...1,3 -для вариантов с нитратом свинца (дубовый ценоз); 2,1...4,6 раза -ацетат свинца, сосновый ценоз

4.Чувствительными к воздействию поллютантов были актиномицеты гр Albus и Albidus, устойчивыми - яркопигментированные, особенно гр. Niger, которые занимали доминирующее положение к 30...60 сут.

5.Более устойчивой к загрязнению солями свинца и кадмия можно считать почву дубового ценоза. В диапазоне доз х 10.. х 200 ацетат свинца сильнее угнетал процесс дыхания, чем ацетат кадмия; однако, в выровненных по абсолютным значениям вариантах (600... 12000 мг/кг