Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние электромагнитного загрязнения на биологические свойства чернозема обыкновенного

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Влияние электромагнитного загрязнения на биологические свойства чернозема обыкновенного"

На правах рукописи

ДЕНИСОВА ТАТЬЯНА ВИКТОРОВНА

ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЧЕРНОЗЕМА ОБЫКНОВЕННОГО

03.00.16- экология 03.00.27 - почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Ростов-на-Дону 2004

Работа выполнена на кафедре экологии и природопользования Ростовского государственного университета

Научный руководитель: кандидат биологических наук,

доцент К.Ш.КАЗЕЕВ

Официальные оппоненты: доктор сельскохозяйственных наук,

профессор Е.В. ПОЛУЭКТОВ доктор биологических наук Е.Н. БАКАЕВА

Ведущая организация: Кубанский государственный аграрный

университет, г. Краснодар

Защита состоится « 4 » июня 2004 г. в часов на заседании Диссертаци-

онного Совета К 307.011.01 в Азовском научно-исследовательском институте рыбного хозяйства по адресу: 344007, г. Ростов-на-Дону, ул. Береговая, 21/2.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Азовского научно-исследовательского института рыбного хозяйства по адресу: 344007, г. Ростов-на-Дону, ул. Береговая, 21/2.

Автореферат разослан «

апреля 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного Совета кандидат биологических наук

О.А. Зинчук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. К актуальным проблемам взаимодействия природы и общества относится охрана биосферы и почв, в частности, от нарастающего техногенного воздействия, среди которого значительная роль принадлежит электромагнитному загрязнению. С точки зрения экологии электромагнитные поля (ЭМП) - это один из видов энергетического загрязнения окружающей среды. Особую значимость в спектре ЭМП имеют ионизирующие излучения (ИИ), которые относятся к наиболее опасным антропогенным факторам. Количество промышленных, научных, медицинских установок, излучающих ЭМП, в мире оценивается в несколько сотен миллионов, и их число увеличивается на 3-7% в год (Сподобаев, Кубанов, 2000).

Эволюция и современное состояние биосферы неразрывно связано с воздействием ЭМП. ЭМП оказывают влияние на все биологические объекты. Это влияние характеризуется многообразными биологические эффектами - от изменений на молекулярном уровне до реакций целого организма. Показано отрицательное воздействие ЭМП на генетические структуры, клеточные мембраны, иммунную систему, гормональный статус. ИИ в результате прямого и косвенного действия приводят к соматическим и генетическим нарушениям в живом организме. На экосистемном уровне воздействие ИИ могут вызывать вымирание некоторых групп организмов в облученных экосистемах и приводить к существенному изменению свойств окружающей среды. Источниками ИИ, воздействующих на биосферу и почву, в частности, являются: аварии и выбросы АЭС, ядерные взрывы, радиоактивные отходы (РАО) и др. Современные АЭС являются рекордсменами неэкономичности функционирования, отходы составляют 99,999%. России принадлежит лидерство по количеству РАО, объем которых составляет 880 млн. м3 активностью 8,5 млрд. Ки, мест размещения более 1000 (Булатов, 1999).

Почва является аккумулятором радионуклидов, которые вызывают вторичное облучение почвы и ее обитателей, а мигрируя по трофическим цепям -животных и человека. Изучению этих аспектов посвящено большое число исследований (Алексахин, 1982; Криволуцкий, 1985; Щеглов, 2000 и др.). В то время как воздействию ИИ на свойства почвы, в том числе биологические, посвящено гораздо меньше работ (McNamara et al., 2003). Почва, являясь одним из важнейших незаменимых природных ресурсов, обеспечивает стабильность как отдельных биогеоценозов так и биосферы в целом. Черноземы, среди других типов почв, обладают высокой степенью устойчивости к антропогенному воздействию, однако и они не всегда способны противостоять этому влиянию (Колесников и др., 2000). Черноземы играют значительную роль в производстве сельскохозяйственной продукции в ЮФО и России в целом, поэтому снижение их плодородия в результате ухудшения их свойств крайне опасно. В связи с громадной экологической и экономической ролью черноземов, представляется важным изучение изменения их свойств, в частности, биологических под влиянием электромагнитного загрязнения.

Цель и задачи исследования. Цель исследований - установить закономерности влияния электромагнитных полей неионизирующей и ионизирующей природы на биологические свойства чернозема обыкновенного.

В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:

1. Изучить влияние электромагнитных полей на численность основных групп почвенных микроорганизмов, интенсивность основных микробиологических процессов, ферментативную активность, гумусное состояние, фитоток-сичность почвы.

2. Изучить зависимость изменения биологических свойств почвы от дозы воздействия гамма-излучения, а также установить взаимосвязь показателей биологической активности между собой и дозами воздействия гамма-излучения.

3. Изучить динамику восстановления биологических свойств почвы после воздействия гамма-излучения.

4. Определить наиболее информативные показатели биологической активности для мониторинга и диагностики загрязнения электромагнитным излучением.

Методы исследований. Основу диссертации составляют данные, полученные лично автором в результате модельных и лабораторно-аналитических исследований (2002-2004 гг.). В работе использованы литературные материалы по данной теме. Исследовали комплекс природных объектов и процессов, определяющий биоэкологические свойства почвы и их устойчивость к электромагнитному загрязнению. Исследование является комплексным на стыке многих наук — экологии, радиоэкологии, почвоведения, микробиологии, биохимии, радиационной химии, электромагнитной экологии.

Личный вклад автора. Модельные эксперименты, лабораторно-аналитические исследования изменения биологических свойств почвы выполнены лично автором в лабораториях кафедры экологии и природопользования РГУ и совместно с сотрудниками РГУ в Лаборатории ядерной физики (ЛЯФ) НИИ Физики РГУ.

Научная новизна. В настоящей работе впервые проведено комплексное исследование влияния ЭМП на биологические свойства чернозема обыкновенного: численность микрофлоры, ферментативную активность, гумусное состояние, фитотоксичность почвы, скорость разложения мочевины, интенсивность продуцирования углекислого газа. Изучено влияние переменного (ПеМП) и постоянного (ПМП) магнитных полей, полей сверхвысокочастотного излучения (СВЧ) и гамма-излучения. Оценена динамика восстановления биологических свойств почвы после воздействия гамма-излучения.

Теоретическая и практическая значимость. Материалы исследований могут быть использованы природоохранными и научными организациями при проведении мониторинга и диагностики биологических свойств почвы под влиянием электромагнитного загрязнения. Полученные результаты использу-

ются в лекциях и практических занятиях по биологии, экологии, охране окружающей среды в РГУ.

Настоящие исследования поддержаны Федерально-целевой программой «Интеграция» - проект № Б010З.

Основные положения, выносимые на защиту:

• Электромагнитные поля оказывают существенное влияние на биологические свойства чернозема обыкновенного, зависящее от природы и дозы воздействия.

• Биологические показатели чернозема обыкновенного обладают разной чувствительностью к электромагнитному воздействию. ЭМП оказывают подавляющее воздействие на численность микрофлоры. К воздействию гамма-излучения грибы более чувствительны, чем бактерии, в то время как к воздействию магнитных полей более чувствительными являются бактерии. Показатели ферментативной активности более устойчивы к воздействию ЭМП как ионизирующей, так и неионизирующей природы, чем микрофлора.

• Интегральный показатель биологического состояния почвы снижается под влиянием гамма-излучения тем сильнее, чем выше доза воздействия. При низких дозах гамма-излучения наблюдается восстановление биологических свойств чернозема обыкновенного. Однако, при высоких уровнях воздействия отдельные показатели не восстанавливаются даже спустя 90 суток.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на Молодежных научных конференциях «Экологические проблемы в сельском хозяйстве» (пос. Персиановский, 2002), «Экологические аспекты агропромышленного комплекса» (пос. Персиановский, 2003), на Научной конференции аспирантов и соискателей РГУ (Ростов н/Д, 2003), на Конференции «Экология и биология почв Юга России» (Ростов н/Д, 2003), на Научно-практической конференции «Экология, почва, город» (Краснодар, 2003), на X Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоно-сов-2003», секция «Почвоведение» (Москва, 2003), на Международной научной конференции «Экология и биология почв» (Ростов н/Д, 2004).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 научных работ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа изложена на 149 страницах печатного текста, состоит из введения, 4-х глав, выводов, практических рекомендаций, списка литературы и приложения; содержит 13 таблиц, 26 рисунков, 3 фотографии и 22 приложения. Список литературы включает 223 источника, из них 18 на иностранных языках.

Автор глубоко признателен за помощь в работе своему научному руководителю к.б.н., доценту К.Ш. Казееву, д.с.-х.н., профессору СИ. Колесникову, зав. Отделом ядерной физики НИИ Физики РГУ д.ф.-м.н., чл.-корр. РИА М.Г. Давыдову, заведующему кафедрой экологии и природопользования РГУ д.б.н., профессору В.Ф. Валькову, всем сотрудникам кафедры экологии и природопользования РГУ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ: Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Влияние электромагнитных полей на биологические объекты и почву

В разделе приведена общая характеристика электромагнитных полей, механизм и биологические эффекты влияния ЭМП на различные живые организмы, проявляющиеся на молекулярном уровне и реакции целого организма. Рассмотрено влияние ЭМП на свойства почвы и дана характеристика магнитных свойств почвы.

1.2. Влияние ионизирующих излучений на биологические объекты и почву

В разделе дана общая характеристика ионизирующих излучений, приведены механизм действия и биологические эффекты влияния ИИ на живые организмы и свойства почвы. Рассмотрена радиоактивность почв, наиболее опасные в биологическом отношении радионуклиды. Охарактеризована роль военных конфликтов и оружия как источников радиоактивного и электромагнитного загрязнения биосферы и почвы, в частности.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЙ

В разделе приведены эколого-географические условия района исследований, география черноземов обыкновенных, генетические, биологические и экологические особенности черноземов обыкновенных.

В качестве объекта исследования был использован чернозем обыкновенный южно-европейской фации карбонатный среднемощный малогумусный на желто-бурых лессовидных суглинках. Отбор почвы для модельных опытов проводили в учхозе «Донской» ДонГАУ, Октябрьского района, Ростовской области. Почву для модельных экспериментов отбирали из пахотного горизонта в ноябре 2002 г., в марте, мае, сентябре и декабре 2003 г.

ГЛАВА 3. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Методика исследования влияния магнитных полей -

В настоящем исследовании смоделировано воздействие переменного магнитного поля (ПеМП) индукцией 1500 и 6000 мкТл и постоянного магнитного поля (ПМП) индукцией 6000 и 15000 мкТл промышленной частоты (50 Гц) на биологические свойства чернозема обыкновенного.

Свежевысушенные образцы почвы помещали в стеклянные сосуды, увлажняли водой и помещали в установку (соленоид), создающую магнитные поля на 5 суток, в установку помещали также пробирки с почвенной суспензией и суспензии чистых культур бактерий (Bacillus micoides) и грибов (Penicillum sp.). После окончания срока экспозиции опытные образцы вынимали из установки и исследовали различные показатели, характеризующие биологические

свойства почвы. Контролем служили образцы почвы, находившиеся в тех же условиях, но не подвергавшиеся воздействию МП. Опыты ставили в трехкратной повторности. Значение показателей в контрольных образцах принимали за 100%.

Для изучения влияния СВЧ-излучения, воздушно-сухие образцы почвы в стеклянных сосудах подвергали воздействию СВЧ-излучения помещением в микроволновую печь марки LG, магнетрон которой работает на частоте 2450 МГц при мощности 800 Вт на 30 секунд, 1, 10 и 60 минут.

3.2. Методика исследования влияния гамма-излучения и последующего восстановления облученной почвы

Облучение почвы гамма-излучением проводили в Лаборатории ядерной физики (ЛЯФ) НИИ Физики РГУ. В качестве источника облучения использовали микротрон - электронный ускоритель с энергией до 22 МэВ и током пучка до 20 мкА ФИШ-СТ-22.

Воздушно-сухие образцы почвы одновременно облучались тормозным излучением микротрона с максимальной энергией 20 МэВ. После набора заданной дозы облучения образец почвы убирали из пучка ускорителя. Погрешность определения дозы не превышала 10% (обусловлена вариацией тока пучка ускорителя во время облучения). Дополнительная доза облучения за счет наведенной в образцах активности не превышала 10 5%. Через 2 суток после окончания облучения мощность дозы облучения от каждого образца уменьшилась до уровня фонового. Были выбраны следующие дозы воздействия: 0,1 Мрад; 0,5 Мрад; 1,0 Мрад и 2,0 Мрад.

Для изучения динамики восстановления биологических свойств чернозема обыкновенного после воздействия гамма-излучения были заложены модельные эксперименты на 3, 30 и 90 суток. Облученные и контрольные образцы почвы помещали в стеклянные сосуды, увлажняли стерильной водопроводной водой. Инкубирование осуществляли при температуре +20-22 °С и оптимальной влажности почвы. Полив осуществляли по мере необходимости стерильной водопроводной водой. Опыты ставили в трехкратной повторности.

3 3. Методы определения биологических свойств почвы

Лабораторно-аналитические исследования выполняли с использованием общепринятых в биологии, экологии и почвоведении и методов (Галстян, 1974, 1978; Хазиев, 1990; Методы почвенной микробиологии и биохимии, 1991; Ка-зеев и др., 2003).

Численность бактерий и микроскопических грибов учитывали методом глубинного посева почвенной суспензии на плотные питательные среды по числу колониеобразующих единиц (КОЕ). На МПА (мясо-пептонный агар) выделяли аммонифицирующих бактерий, использующих органический азот, на КАА (крахмало-аммиачный агар) — амилолитических бактерий, использующих минеральный азот. Численность спорообразующих бактерий учитывали на

МПА из предварительно пастеризованной суспензии. Численность грибов учитывали на кислой среде Чапека. Численность азотфиксирующих бактерий рода Azotobacter учитывали методом комочков обрастания на среде Эшби. Все данные представлены в пересчете на массу воздушно-сухой почвы. «Дыхание» почвы определяли по методу Карпачевского, Киселевой (1969) и по Галстяну (1961). Скорость разложения в почве мочевины по Аристовской и Чугуновой (1989). О ферментативной активности почвы судили по активности каталазы, инвертазы, дегидрогеназы. По рекомендации А.Ш. Галстяна (1978) активность почвенных ферментов изучали при естественной рН почвы. Активность катала-зы и дегидрогеназы определяли по Галстяну (1978), инвертазы — по Галстяну в модификации Хазиева (1990). Содержание общего гумуса определяли по методу И.В. Тюрина в модификации Никитина (1972). Определение группового фракционного состава гумуса определяли по Тюрину в модификации Пономаревой и Плотниковой (1968). О фитотоксичности почвы, подвергнутой воздействию гамма-излучения, судили по изменению показателей прорастания семян (всхожесть), интенсивности начального роста проростков (длина корней, длина зеленых проростков, воздушно-сухая масса (Бабьева, Зенова, 1989; Казеев и др., 2003). В качестве тест-объектов использовали озимую пшеницу и редис.

Для объединения различных показателей была использована методика определения интегрального показателя биологического состояния почвы (ИПБС), разработанная на кафедре экологии и природопользования РГУ (Казе-ев, 1996; Вальков и др., 1999; Колесников и др., 2000, 2001; Казеев, 2003; Казе-ев и др., 2003). ИПБС рассчитывали по 7 показателям: активность каталазы, де-гидрогеназы, инвертазы, численность аммонифицирующих бактерий, спорооб-разующих бактерий, микроскопических грибов и азотфиксирующих бактерий рода Azotobacter.

Модельные эксперименты ставили в 3-кратной повторности. Аналитические определения биологических свойств почвы выполняли в 3-18-кратной по-вторности. Всего проанализировано 494 почвенных образца и выполнено 2824 аналитических определения.

3.4. Статистическая обработка результатов

Статистическая обработка данных была проведена с использованием общепринятых в почвоведении методов обработки данных (Дмитриев, 1995). Использовали статистический пакет Statistica 6.0 для персонального компьютера.

Дисперсионный анализ использовали для оценки достоверности влияния электромагнитных полей на показатели биологических свойств почвы. Корреляционный анализ использовали для изучения тесноты и формы связи между дозами воздействия электромагнитных излучений и показателями биологических свойств почвы, а также между различными показателями биологических свойств чернозема обыкновенного.

ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИИ И ИХ ОБ СУЖДЕНИЕ

4.1. ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЧЕРНОЗЕМА ОБЫКНОВЕННОГО

4.1.1. Изменение биологических свойств чернозема обыкновенного под влиянием переменного н постоянного магнитных полей

Большое количество исследований посвящено изучению влияния ЭМП на чистые культуры микроорганизмов (Влияние..., 1971; Бинги, 2003). Показано угнетающее воздействие МП (Manigault, 1948; Букса, 1950; Павлович, 1971, 1981). Об отсутствии влияния МП на микроорганизмы отмечали (Luyet, 1935; Коган и др., 1965; Коган, Тихонова, 1965; Харланова и др., 1985). Показано угнетающее действие ЭМП от высоковольтных линий электропередач на рост, развитие растений и азотфиксацию (Шляхтин и др., 2003). На численность микрофлоры чернозема обыкновенного магнитные поля исследованных доз оказывают подавляющее воздействие, но отмечается различная чувствительность к воздействию МП бактерий и микроскопических грибов (рис. 1).

Рис. 1. Влияние магнитных полей на численность микрофлоры чернозема обыкновенного и на суспензии чистых культур В. micoides и PeшcШum, % от

контроля

По влиянию на численность бактерий (посев из почвы) различие в дозах воздействия 1500 или 6000 мкТл и характере МП - переменное или постоянное - не сказалось. Во всех случаях отмечается подавляющее воздействие МП -численность ниже контроля на 57-64% (р<0,001).

Микроскопические грибы более устойчивы к воздействию МП, но наблюдается усиление подавляющего воздействия с увеличением индукции МП. ПеМП индукцией 1500 мкТл подавляет численность грибов на 26% (р<0,05), ПеМП и ПМП индукцией 6000 мкТл - на 39% (р<0,01) и 56% (р<0,001) по сравнению с контролем соответственно.

ПеМП и ПМП индукцией 6000 мкТл оказало выраженное подавляющее на бактерии (посев из почвенной суспензии) - численность ниже контроля на 80% и 38% (р<0,001) соответственно. В то время как численность микромице-тов находится на уровне контроля. Такая же тенденция наблюдается при воздействии ПеМП индукцией 6000 мкТл на суспензии чистых культур бактерий и грибов. Численность В. micoides на 70% (р<0,01) ниже контроля, а численность РетсШыт достоверно не отличается от контрольных значений. Интересно отметить, что при одинаковом значении индукции МП - 6000 мкТл - подавляющее воздействие ПМП на численность грибов (посев из почвы) и РетсШыт сильнее чем ПеМП, хотя считается, что физиологическое воздействие постоянного магнитного поля слабее, поскольку оно не наводит индукционных токов (Электромагнитные поля..., 1984; Поляков, 1998).

На активность ферментов чернозема обыкновенного ПеМП индукцией 1500 и 6000 мкТл, ПМП индукцией 6000 мкТл не оказало влияния (рис. 2).

Рис. 2. Влияние магнитных полей на ферментативную активность чернозема обыкновенного, % от контроля

В качестве дополнительного контроля образцы почвы, почвенной суспензии, суспензии чистых культур помещали в термостат ^=30Х), так как воз-

и

дух в установке по созданию МП нагревался до 30°С, в то время как температура в лаборатории, где находились контрольные образцы 20-22°С. Достоверных отличий в активности ферментов и численности микрофлоры между контрольными образцами и помещенными в термостат не отмечено.

Отмечено практически одинаковое подавляющее воздействие ПМП индукцией 15000 мкТл: активность каталазы и инвертазы ниже контроля на 51% (р<0,001) и 47% (р<0,01) соответственно. В то время как дегидрогеназная активность оказалась устойчивой и к этой дозе воздействия. Для ПМП показана неоднородность в ряде магнитобиологических эффектов (Шишло, 1971). Ряд авторов отмечали отсутствие воздействия ЭМП при исследовании их влияния на растворы ферментов (КаЫпоуюИ й а1., 1967; Балаклеевская, 1985; Марты-нюк, 2003).

4.1.2. Влияние СВЧ-излучения на биологическую активность чернозема

обыкновенного

СВЧ-излучение оказывает подавляющее воздействие на активность каталазы (рис. 3). Но 30-секундное, 1 и 10-минутное воздействия оказывают незначительное влияние - активность фермента снижается на 10, 11 и 11% (р<0,05). 60-минутное воздействие подавляет активность на 86% (р<0,01). Наблюдается тенденция снижения активности инвертазы при 30-секундном и. 1-минутном воздействии, но эти отличия не достоверны из-за высокого варьирования показателя. 10-минутное воздействие снижает активность фермента на- 53% (р<0,05). Есть сведения об отсутствии изменения активности ферментов при исследовании влияния СВЧ-излучения на их растворы (Штемлер, 1968; Игнатов и др., 1973).

Рис. 3. Влияние СВЧ-излучения на ферментативную активность и дыхание чернозема обыкновенного, % от контроля

Определение интенсивности дыхания почвы показало, что при 30-секундном и 10-минутном воздействии продуцирование почвой углекислого газа достоверно не отличается от контрольных значений, а при 1-минутном воздействии резко увеличивается - на 167% (р<0,05) по сравнению с контролем (рис. 3). Вероятно, это связано с известным в литературе фактом, повышения интенсивности дыхания микроорганизмами за счет лизирования погибших. Сходную тенденцию дают результаты скорости разложения мочевины. Через сутки при 10 и 60-минутном воздействии выделение аммиака, вызывающее изменение рН среды, не отличалось от контроля. При низких уровнях воздействия (30-секундном и 1-минутном) разложение мочевины значительно увеличилось. Эти показатели, характеризующие жизнедеятельность почвенных микроорганизмов, повышались и при низких уровнях загрязнении почвы тяжелыми металлами и пестицидами (Колесников и др., 2000; Казеев и др., 2003). Показана стимуляция роста актиномицетов при 30-секундном СВЧ-воздействии (Лукьянов, 2003).

4.2. ВЛИЯНИЕ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЧЕРНОЗЕМА

ОБЫКНОВЕННОГО

4.2.1. Влияние гамма-излучения на микрофлору чернозема обыкновенного Различные группы микроорганизмов не равноценны по резистентности к гамма-излучению (рис. 4). Широкую вариабельность радиочувствительности почвенных микроорганизмов к гамма-излучению отмечали и другие исследователи (Тихомиров, 1972). Наиболее чувствительными к воздействию гамма-излучения оказались микроскопические грибы и бактерии на среде Добровольской. Доза 0,1 Мрад подавляла их численность на 57% и 51% (р<0,001) по сравнению с контролем соответственно. Уменьшение численности и разнообразия почвенных бактерий при длительном воздействии ядерного излучения отмечали В.А. Романовская с соавторами (1998).

Дозы 0,5; 1,0 и 2,0 Мрад оказали достоверное подавляющее воздействие на все исследованные группы микроорганизмов. На бактерии дозы 0,5 и 1,0 Мрад оказали практически одинаковое воздействие. Для грибов наблюдалась более четкая зависимость - с увеличением дозы численность микромицетов снижалась. Доза 2 Мрад оказала выраженное подавляющее воздействие на все исследованные группы микроорганизмов на 96-99,9%. На азотфиксирующие бактерии рода Azotobacter эта доза оказала 100%-ное подавляющее воздействие.

По степени радиорезистентности к воздействию гамма-излучения исследованные микроорганизмы образовали следующий ряд: амилолити-ки > бактерии рода Azotobacter > спорообразующие бакте-

рии > аммонифицирующие бактерии > микроскопические грибы.

0,1 Мрад 0,5 Мрад 1 Мрад 2 Мрад

□ Аммонифицирующие бактерии □ Амилолитические бактерии

О Бактерии на среде Добровольской ■ Спорообразующие бактерии

ЕЗ Микромицеты Ш Бактерии рода Azotobacter

Рис. 4. Влияние гамма-излучения на численность микрофлоры чернозема обыкновенного, % от контроля

Микромицеты чернозема обыкновенного проявили себя наиболее чувствительной группой микроорганизмов к гамма-излучению, что отмечалось и другими исследователями для подзолистых почв (Щербакова, 1976) и некоторых субтропических почв (Lopez, Barbara, 1988). Такая высокая чувствительность микромицетов к гамма-излучению резко контрастирует с их высокой устойчивостью к загрязнению тяжелыми металлами (Колесников и др., 2000) и сельскохозяйственному использованию (Казеев и др., 2003).

4.2.2. Влияние гамма-излучения на ферментативную активность и содержание гумуса чернозема обыкновенного

На активность почвенных ферментов гамма-излучение оказало незначительное подавляющее воздействие (рис. 5).

Активность каталазы чернозема обыкновенного достаточно устойчива к облучению. Дозы 0,5; 1,0 и 2,0 Мрад снизили активность фермента на 7% (р<0,05), 9% (р<0,05) и 19% (р<0,001) по сравнению с контролем соответственно. На активность дегидрогеназы гамма-излучение оказало большее по сравнению с каталазой ингибирующее воздействие. Дозы 0,5 Мрад, 1,0 Мрад и 2,0 Мрад снизили активность дегидрогеназы на 12% (р<0,05), 32% и 32% (р<0,001) соответственно. Активность инвертазы отличалась значительным

варьированием, в связи с чем не было зарегистрировано достоверных изменений активности фермента по сравнению с контролем. Полученные данные сходны с результатами исследования влияния ионизирующей радиации на чистые растворы ферментов. Показано, что каталаза является ферментом сравнительно устойчивым к облучению, а большую чувствительность к ионизирующей радиации проявляют ферменты, активность которых зависит от наличия свободной сульфгидрильной группы, в частности дегидрогеназа (Кузин, 1962).

Каталаза Инвертаза Дегидрогеназа

□ 0,1 Мрад 00,5 Мрад В1 Мрад Я2 Мрад

Рис. 5. Влияние гамма-излучения на активность ферментов чернозема обыкновенного, % от контроля

Гамма-излучение не повлияло на содержание гумуса, достоверных отличий от контроля не обнаружено. Это можно объяснить тем, что гумус считается одним из наиболее консервативных показателей биологической активности (Звягинцев, 1978; Орлов и др., 1979; Казеев и др., 2003). Более того, в литературе имеются сведения о протекторных свойствах гумусовых веществ при ионизирующем воздействии (Горовая, Скворцов, 1989; Дьяченко, 1993).

4.2.3. Влияние гамма-излучения на дыхание чернозема обыкновенного и скорость разложения мочевины

Гамма-излучение не оказало достоверного влияния на скорость разложения мочевины и интенсивность выделения из почвы углекислого газа - дыхание почвы. В связи с этим мы использовали модифицированную методику определения дыхания почвы. В качестве субстрата использовали не воду, а 2% раствор глюкозы и инкубировали образцы почвы в термостате не 24, а 48 часов. Результаты представлены на рисунке 6. Модификация данной методики направлена на создание оптимальных условий для развития микроорганизмов.

□ 0,1 Мрад 00,5 Мрад В1 Мрад Ш2 Мрад

Рис. 6. Влияние гамма-излучения на интенсивность дыхания чернозема обыкновенного, % от контроля

При отсутствии негативных факторов в оптимальных условиях отмечали резкое увеличение интенсивности дыхания почвы (Кудеяров и др., 1995). И при создании таких оптимальных условий нами обнаружено достоверное подавляющее воздействие гамма-излучения на дыхание чернозема, с увеличением дозы на 17%, 30%, 48% и 47% (р<0,001) по сравнению с контролем.

4.2.4. Влияние гамма-излучения на фитотоксичность чернозема обыкновенного

Гамма-излучение (воздействие на почву) оказало подавляющее воздействие на длину корней тест-объектов (рис. 7).

пшеница редис

□ 0,1 Мрад Е30,5 Мрад □ 1 Мрад В2 Мрад

Рис. 7. Влияние гамма-излучения на длину корней тест-объектов, % от контроля

Гамма-излучение не оказало достоверного влияния на такие показатели фитотоксичности как длина побегов (зеленой части), сухая фитомасса и всхожесть семян тест-объектов. Показано отсутствие заметных отклонений в посевных свойствах семян травянистой растительности (масса 1000 семян, всхожесть) под влиянием ионизирующего излучения в зоне аварии на ЧАЭС (Попова, Фролова, 1993; Таскаев и др., 1993).

4.3. ДИНАМИКА ВОССТАНОВЛЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЧЕРНОЗЕМА ОБЫКНОВЕННОГО ПОСЛЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ ГАММА-ИЗЛУЧЕНИЯ

4.3.1. Изменение численности микрофлоры чернозема обыкновенного

Для аммонифицирующих бактерий не отмечено однозначной закономерности изменения численности после облучения в зависимости от доз и сроков инкубации (рис. 8).

Облучение Э сутки 30 сутки 90 сутки

■• Ж--0.1 Мрад -О- 0,5Мрад

—Л— I Мред ■ 2 Мргщ

Рис. 8. Изменение численности аммонифицирующих бактерий на МПА через 3, 30 и 90 суток после воздействия гамма-излучения на чернозем, % от контроля

За исключением дозы 1,0 Мрад на остальных дозах наблюдался рост численности бактерий на 3-й и 30-е сутки по сравнению с облученной почвой, а на 90-е сутки вновь снижение. Возможно, это объясняется таким явлением как осцилляции (Семенов, 2001). Численность микрофлоры максимальна через месяц после начала сукцессии, инициированной увлажнением.

Численность аммонификаторов на всех вариантах после активизации биологических процессов, вызванных увлажнением сухой почвы нарастает, достигая своего максимума через 30 суток инкубирования. Затем их численность стабилизируется и через 90 дней инкубирования приближается к начальным значениям. При этом в облученных образцах почвы численность этой

группы микроорганизмов зависит от дозы облучения. Исключением является лишь вариант максимального воздействия.

При воздействии дозой 2,0 Мрад, практически полностью стерилизующей почву, уже после 3 дней инкубации численность бактерий аммонификаторов восстанавливается до контрольных значений. Эта тенденция сохраняется и через 30 суток инкубирования. Возможно, это связано с тем, что толерантные микробы дают вспышку численности за счет питания лизированными клетками погибших, менее устойчивых микроорганизмов. И лишь спустя 90 дней поведение этой группы микроорганизмов становится «правильным», и они подчиняются общему для всех исследуемых групп микрофлоры правилу снижения численности прямо пропорциональному дозе облучения.

Спорообразующие бактерии в целом при инкубировании почвы снижают свою долю в общей численности бактерий, выявляемых посевом на МПА. Через 30 дней инкубировании при максимальных значениях численности бакте-рий-аммонификитаров, доля споровых форм минимальна для всего периода наблюдения (рис. 9). В начальные и конечные сроки наблюдения доля споровых в общей численности бактерий, выявляемых на МПА, примерно одинакова и составляет от 25 до 58%.

млн/г

2,0

Облучение 3 сутки 30 сутки 90 сутки

• • Ж ■ - 0,1 Мрад —О—0,5 Мрад —А—I Мрад ■ "2 Мрад -—^—Контроль

Рис. 9. Изменение численности спорообразующих бактерий через 3,30 и 90 суток после воздействия гамма-излучения на чернозем, млн/г

В начальные сроки после облучения почвы (3 и 30 суток) не наблюдалось существенных изменений численности спорообразующих бактерий. В то время как, на 90-е сутки зарегистрировано увеличение их численности. Численность споровых бактерий увеличивалась тем больше, чем меньше была доза гамма-излучения. При этом, в вариантах с дозами воздействия 0,1 и 0,5 Мрад количество бактерий превысило контроль на 148% и 55% (р<0,001) соответственно.

Из всех наблюдаемых групп почвенной микрофлоры лишь эти бактерии, пусть и спустя 90 дней, восстановили и даже превысили контрольные значения. Из литературных данных известно, что спорообразующие бактерии являются наиболее устойчивой группой микроорганизмов к ионизирующему излучению (Сафиязов, 1971). В то же время, установлена их низкая устойчивость к химическому загрязнению по сравнению с другими группами почвенных микроорганизмов (Колесников и др., 2000; Казеев и др., 2003).

Численность микроскопических грибов оставалась значительно ниже контроля и через 3, 30 и 90 сутки после воздействия гамма-излучения на чернозем (рис. 10). Некоторое восстановление численности грибов наблюдается в вариантах с дозами 0,1 и 0,5 Мрад через 30 и 90 суток.

Рис. 10. Изменение численности микромицетов через 3,30 и 90 суток после воздействия гамма-излучения на чернозем, % от контроля

Для азотфиксирующих бактерий рода Л1^оЬа^вг наблюдалась сильная отрицательная корреляция между их обилием и дозами воздействия после 3,30 и 90-суточной инкубации г = -0,91; -0,93; -0,93 (р<0,05). Доза 2,0 Мрад для бактерий рода ЛzotoЬacter является летальной и даже через 90 суток инкубирования они не развиваются (рис. 11). В почвенных образцах, подвергнутых воздействию гамма-излучения дозой 1,0 Мрад численность азотфиксирующих бактерий остается практически одинаковой и через 3, 30 и 90 суток — ниже контроля на 90%, 87% и 86% (р<0,001) соответственно. В почвенных образцах, облученных дозами 0,1 и 0,5 Мрад после 3, 30 и 90 суток инкубирования численность бактерий рода Л^оОЬа^ег находится на уровне контроля.

0 ■-■-■-■

Облучение 3 сутки 30 сутки 90 сутки

- - -Ж - - 0,1 Мрад -О- 0,5 Мрад

—*— 1 Мрад ■ 2 Мрад

Рис. 11. Изменение численности бактерий рода Л1^оЬа^вг через 3,30 и 90 суток после воздействия гамма-излучения на чернозем, % от контроля

Таким образом, даже спустя 90 суток после воздействия гамма-излучения дозами 1,0 и 2,0 Мрад не происходит полного восстановления численности почвенных микроорганизмов. Хотя в литературе отмечают, что одноклеточные в целом считаются наиболее радиоустойчивой группой организмов, если сохраняется хотя бы часть популяции, ее численность быстро восстанавливается до исходных значений (Тихомиров, 1972).

43.2. Изменение ферментативной активности и содержания гумуса чернозема обыкновенного

В ранние сроки инкубации после облучения (через 3 суток) наблюдается увеличение активности каталазы на 10-18% (р<0,01) (рис. 12). Изменение ката-лазной активности мало зависит от дозы облучения, а в большей степени зависит от срока инкубирования после облучения. Через 90 суток активность каталазы во всех вариантах находится на уровне контроля.

Отмечено постепенное восстановление дегидрогеназной активности через 30 и особенно через 90 суток, где наблюдается увеличение активности де-гидрогеназы выше контрольных значений в вариантах с дозами 0,1 и 0,5 Мрад на 65% и 63% (р<0,01) соответственно (рис. 13).

Значение инвертазной активности, как правило, несколько ниже контроля. При этом, в большинстве случаев отличия не достоверны, что объясняется существенным варьированием показателя и высокой ошибкой опыта (рис. 14).

100 80 60

0

Контрол^^^* ч^------Ж---- - О— .......

Облучение

3 сутки

--Ж--0.1 Мрад —А— I Мрад

30 сутки

90 сутки

э- 0,5 Мрад "2 Мрад

Рис. 12. Динамика изменения активности каталазы спустя 3, 30 и 90 суток после воздействия гамма-излучения на чернозем, % от контроля

Рис. 13. Динамика изменения активности дегидрогеназы спустя 3,30 и 90 суток после воздействия гамма-излучения на чернозем, % от контроля

100

80

60 -

40 -

20 ■

0 -,-,-,

Облучение 3 сутки 30 сутки 90 сутки

•Ж- -0,1 Мрад

—о- 0,5 Мрад

—А— 1 Мрад

'2 Мрад

Рис. 14. Динамика изменения активности инвертазы через 3,30 и 90 суток после воздействия гамма-излучения на чернозем, % от контроля

Содержание гумуса в модельных экспериментах по восстановлению облученной почвы достоверно не отличается от контроля. Достоверные отличия обнаружены в опыте с инкубацией 90 суток в варианте с дозой воздействия 2,0 Мрад - содержание гумуса выше контроля на 14% (р<0,001). Это связано с тем микроорганизмы, разлагающие органическое вещество, практически отсутствуют в вариантах с высокими дозами.

Таким образом, гумусное состояние и активность ферментов чернозема обыкновенного значительно устойчивее к воздействию гамма-излучения, чем микрофлора. Устойчивость почвенных ферментов к гамма-излучению контрастирует с их высокой чувствительностью к загрязнению тяжелыми металлами (ТМ). Показано, что загрязнение ТМ, практически всегда приводит к снижению ферментативной активности почв (Колесников и др., 2000).

4.3.3. Изменение интегрального показателя биологического состояния (ИПБС) чернозема обыкновенного под влиянием гамма-излучения

Под воздействием гамма-излучения наблюдается значительное достоверное снижение ИПБС в зависимости от дозы на 20%, 47%, 52% и 63% (рис. 15). Это показывает высокую степень негативного воздействия гамма-излучения на биологические свойства почвы. Через 3 и 30 суток ИПБС находится практически на одном уровне, несколько повышаясь по сравнению с облученной почвой, но в вариантах с дозами 1,0 и 2,0 Мрад остается на 45-55% ниже контроля.

Контроль а

-- 1 1

Е ( [Г II 1

Облучение 3 сутки 30 сутки 90 сутки

□ 0,1 Мрад Ш0,5 Мрад ОI Мрад И2 Мрад

Рис. 15. Изменение интегрального показателя биологического состояния (ИПБС) чернозема обыкновенного после воздействия гамма-излучения и через 3, 30 и 90 суток инкубации, % от контроля

Через 90 суток в вариантах с дозами воздействия 0,1 и 0,5 Мрад ИПБС достоверно не отличается от контроля, в вариантах с дозами 1,0 и 2,0 Мрад остается на 46% и 59% ниже контроля соответственно.

Показано, что варьирование ИПБС 5-9% находится в пределах нормы, а снижение ИПБС более чем на 10% по сравнению с контролем - это уже существенное негативное воздействие фактора (Колесников и др., 2000; Казеев и др., 2003). Таким образом, скорость восстановления биологических свойств зависит от дозы облучения: чем меньше доза, тем быстрее восстанавливаются биологические свойства чернозема обыкновенного. Но даже спустя 90 суток при дозах гамма-излучения 1,0 и 2,0 Мрад не происходит полного восстановления биологических параметров.

ВЫВОДЫ

1. Электромагнитные поля индукцией 1500, 6000 мкТл (ПеМП) и 6000 мкТл (ПМП) не оказывают влияния на активность почвенных ферментов. В то же время, численность микрофлоры подавляется в зависимости от индукции магнитного поля, причем, бактерии более чувствительны, чем грибы.

2. СВЧ-излучение длительностью 60-минут подавляет активность каталазы на 86%; 10-минутное воздействие снижает активность инвертазы на 53%.

3. Гамма-излучение в зависимости от дозы оказывает различное подавляющее воздействие на численность микрофлоры и активность ферментов чернозема обыкновенного. Гамма-излучение не оказало влияния на содержание

гумуса, скорость разложения мочевины, показатели фитотоксичности: всхожесть, длину зеленых проростков, общую фитомассу пшеницы и редиса.

4. Микроорганизмы по радиорезистентности образовали следующий ряд: амилолитики > бактерии рода Л1о1оЬас1ег > спорообразующие бактерии > аммонифицирующие бактерии > грибы. Даже через 90 суток инкубации после воздействия гамма-излучения численность грибов в зависимости от дозы ниже контроля на 31-96%. Численность спорообразующих бактерий через 90 суток в вариантах с дозами 0,1 и 0,5 Мрад выше контроля на 148% и 55%.

5. Ферментативная активность чернозема более устойчива к гамма-излучению, чем микрофлора. Однако, чувствительность ферментов зависит от их природы: дегидрогеназа чувствительнее, чем каталаза. Активность инвертазы вследствие высокого варьирования достоверно не отличалась от контроля. Активность каталазы через 90 суток после облучения во всех вариантах на уровне контроля. Активность дегидрогеназы в вариантах с дозами 0,1 и 0,5 Мрад выше контроля на 65% и 63%.

6. Значение интегрального показателя биологического состояния чернозема обыкновенного под влиянием гамма-излучения снижается в зависимости от дозы воздействия на 20-63%. Через 90 суток в вариантах с дозами 0,1 и 0,5 Мрад значения ИПБС достоверно не отличаются от контроля, в вариантах с дозами воздействия 1,0 и 2,0 Мрад остаются на 46% и 59% ниже контроля.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

1. В целях мониторинга и диагностики электромагнитного загрязнения почв целесообразно использовать микробиологические показатели как более чувствительные по сравнению с биохимическими и которые и через 90 суток после воздействия гамма-излучения находятся в подавленном состоянии.

2. Показатели ферментативной активности почвы, показавшие высокую чувствительность к химическому загрязнению, в частности загрязнению тяжелыми металлами, не чувствительны к воздействию электромагнитного загрязнения. Малопригодными для мониторинга и биоиндикации электромагнитного загрязнения чернозема является скорость разложения мочевины в почве, показатели фитотоксичности: длина зеленых проростков, общая фитомасса.

3. При мониторинге и индикации почв под влиянием электромагнитного загрязнения необходимо применение комплексного подхода и определение интегрального показателя биологического состояния почвы.

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ

ПеМП — переменное магнитное поле; ПМП — постоянное магнитное поле; ЭМП - электромагнитное поле; ИИ - ионизирующие излучения; Тл - Тесла -единица измерения магнитной индукции; рад - поглощенная доза излучения.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Денисова Т.В. Экологические последствия радиоактивного загрязнения почв // Экологические проблемы в сельском хозяйстве. Мат-лы молодежи, научн. конф. 26-27 ноября 2002 г. пос. Персиановский. 2002. С. 24.

2. Денисова Т.В. Влияние гамма-излучения на микрофлору чернозема обыкновенного // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. Приложение. № 8.2003. С. 32-33.

3. Денисова Т.В. Влияние переменного магнитного поля промышленной частоты дозой 1500 мкТл на биологическую активность чернозема // Экология и биология почв Юга России. Ростов н/Д: Изд-во ЦВВР, 2003. С. 81-84.

4. Денисова Т.В. Влияние магнитного поля на биологическую активность чернозема / Тезисы докл. научно-практической конф. «Экология, почва, город». Энтузиасты аграрной науки. Вып. 2. Краснодар, 2003. С. 231.

5. Денисова Т.В. Влияние переменного магнитного поля индукцией 6000 мкТл на численность микроорганизмов чернозема обыкновенного // Экологические аспекты агропромышленного комплекса. Мат-лы молодежи, научн. конф. 27-28 ноября 2003 г. пос. Персиановский. 2003. С. 19.

6. Денисова Т.В. Влияние переменного магнитного поля на биологическую активность чернозема // Тез. докл. X Междунар. конф. студентов и аспирантов по фундам. наукам «Ломоносов-2003», секция «Почвоведение», 2003. М.: МГУ, факультет почвоведения. С. 34-35.

7. Денисова Т.В. Влияние сверхвысокочастотного излучения (СВЧ) на биологические свойства чернозема обыкновенного. Труды аспирантов и соискателей Ростовского государственного университета. Т. IX. Ростов-на-Дону: Изд-во Ростовского университета. 2003. С. 98-99.

8. Денисова Т.В. Некоторые аспекты влияния ионизирующего излучения на биологические свойства почвы // Экологические аспекты агропромышленного комплекса. Мат-лы молодежи, научн. конф. 27-28 ноября 2003 г. пос. Персиановский. 2003. С. 20.

9. Денисова Т.В. Сравнительная оценка влияния переменного и постоянного магнитных полей индукцией 6000 мкТл на биологические свойства чернозема обыкновенного // Экология и биология почв. Мат-лы Междунар. на-учн. конф. Ростов н/Д: Изд-во ЦВВР, 2004. С. 105-108.

10. Денисова Т.В., Казеев К.Ш. Динамика изменения численности микрофлоры чернозема обыкновенного после воздействия гамма-излучения // Экология и биология почв. Мат-лы Междунар. научн. конф. Ростов н/Д: Изд-во ЦВВР, 2004. С. 108-114.

Печать цифровая. Бумага офсетная. Гарнитура "Тайме". Формат 60 х 84 / 16. Объем 1,0 уч. - изд. л. Заказ № 137. Тираж 100 экз. Отпечатано в КМЦ "КОПИ ЦЕНТР" 344006, г. Ростов-на-Дону, Суворова, 19. тел. 47-34-88

¿ • 9454