Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

ВЛИЯНИЕ ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА СТРУКТУРУ И ФУНКЦИИ МИКРОБНЫХ ЦЕНОЗОВ ЧЕРНОЗЕМНЫХ ПОЧВ ИНОГО УРАЛА

ВАК РФ 06.01.03, Агропочвоведение и агрофизика

Автореферат диссертации по теме "ВЛИЯНИЕ ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА СТРУКТУРУ И ФУНКЦИИ МИКРОБНЫХ ЦЕНОЗОВ ЧЕРНОЗЕМНЫХ ПОЧВ ИНОГО УРАЛА"

А-гвт

ВСЕСОЮЗНАЯ ОРДЕНА ЛЕНИНА И СРдаА ПУДОВОГО КРАСНОГО Э1ДНЕКИ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ НАУК тюня В.И.ЛЕНИНА

ОРДЕНА ПУДОВОГО КРАСНОГО ЗНМ1ЕНИ ПСЧВЯШЙ ИНСТИТУТ теки В.В,ДОКУЧАЕВА

на правах рукописи

ЛУРЬЕ НАТАЛЬЯ СРЬГВНА

УДК 579.64:631.484

' ВЛИЯНИЕ ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЙ НА СТИЮт Л ЯУНКЦИИ МИКРОБНЫХ ЦЕНОЗОВ ЧКИКШИМХ ПОТВ ИНОГО УРАЛА

Специальность 06.01.03 -почвоведение

Автореферат дмсеартапм* на соискание ученой степени кандидат» сельсхохоаяЯстаеняых

' Косите 1966

/ ¿^Работа выполнена в Отделе биологии я биохимии почв ' Почвенного института н*.В.В.Докучаева

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук И.Г.Вменен

Официальные оппоненты: доктор биологических наук И .Номеров '■...■ • кандидат сель с котоа яй ст венных наук Р.Л.Ншршова.'

Ведущее учреждение: Институт общей и коммунальной гигиени нм.Сысина

Эацита состоится Ур * 19й?г. в {Очас. на авс*-

данки специализированного совете Д 020.25.01 при Почвенном -институте им.В.В.Доцгчаева по адресу: 109017 кооква, ГНлевскшй „ пер., 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Почвенного института им.В.В.Докучаева

Автореферат разослан 1986

Ученый секретарь ■- ' <

спаисовета, доктор биологических наук \ С.Одинцов

у'

ВВЕДЕНИЕ.

Актуальность проблемы. Б условиях нарасташцего загрязнения . о кружащей среды проблема охрены и рационального использования почвенного покрова приобретает все возрастайте значение. Загрязнение почв техногенными выбросами ведет к снижения их виол отческой активности, потенциального плодородия и,е конечном итоге, урожая сельскохозяйственных культур.

К настоящему времени накоплен обширный материал о существенной влиянии техногенных выбросов на состояние почвенной микрофлоры, однако, эти данные, в основном, хасаотея изменения численности отдельных таксономических rfynn микроорганизмов или интенсивности агрономически полезных почвенно-микробиологическик процессов, При этом остаются не выявленными пределы устойчивости микробной системы почв, не исследована взаимосвязь уровня и хврак-. тера загрязнения с изменения«« в, состава и функционировании микробного ценоза почвы. В связи с этим, особо важное значение приобретает комплексное изучение структуры микробного ценоза и функциони-_ рования микробных механизмов в условиях техногенного загрязнения.

Другим важным направлением является использование почвенных микроорганизмов в качестве индикаторов для диагностики изменений уровня плодородия почвы и для прогнозирования последствий при техногенном загрязнении о дружащей среды. Среди высших растений такие индикаторы выявлены, и система биоиндикации хорошо разработана, в то время как'среди микроорганизмов, играющих важную . роль в процессе самоочищения почвы и являющихся важными экологическими факторами состояния биосферы, подобной системы практи-■ чески нет.

Поль работы. Изучить изменение структуры микробного ценоза черноземных почв, длительное время находящихся в зоне воздействия ' пыле-газовых выбросов предприятий черной и цветной металлургии, а также ^выявить специфичность Функционирования почвенной микрофлоры в зависимости от характера и уровня техногенного загрязнения. Изучить структуру комплекса почвенных микроскопических , грибов в целях выбора тест-объекта для индикации загрязнения окружающей,среды.

, Основные задачи исследования. . Изучение структуры микробного ценоза черноземных почв Шного .Урала, находящихся вне зоны техногенного воздействия', для состивле-' ния эталонной модели состояния почвенной микрофлоры; •2« Диагностика изменений в таксономической в пространственное

Vf!

[■ .■ -л.\(чя. Г,lo ;*" i ■'^'"-»i

eWib'«:.' i" T "i. А"'1 t:. A. -rt

г.

сруктуре, а также выявление нарушений морфо-функциональмой структуры микробного ценоза почв, загрязненных выбросами предприятий черной и цветной металлургии;

3. Изучение изменений комплекса ыитгроскопических грибов в почвах, подверженных воздействию кислых пыле-газовых выбросов;

4. Определение границ выживаемости и жизнедеятельности микроскопических грибов при различных уровнях содержания меди в целях выбора тест-объекта для индикации необратимого уровня изменений функционирования микрофлоры в техногенно загрязненных почвах*

Научная новизна. Проведена оценка техногенного воздействия иа микрофлору черноземных почв Ежного Урала. Разработана система параметров, характеризующая различные аспекты изменения структуры микробного пеноэа почвы по сравненное эталонной модель». Показана зависимость изменения биологических параметров, характеризующих черноземные почвы, от уровня загрязнения н состава техногенных выле-гаэовых выбросов..

Определены пределы выживаемости и жизнедеятельности различных видов микроскопических грибов в условиях загрязнения почвы кислыми техногенными выбросам». Доказана возможность использования грибов-микромицетов для биоиндикации техногенного загрязнения почв.

Практическая;значимость. Результаты проведенных исследований могут быть использованы при диагностике изменений уровня потенциального плодородия почвы в условиях техногенного эагря- , анения по микробиологический параметрам. Выявлены вида почвенных микроскопических грибов, наличие которых в почве с высокой частотой встречаемости позволяет диагностировать необратимые изменения в Функционировании микрофлоры техногенно загрязненных почв. Полученные результаты использованы при испытании эффективности грибных препаратов (триходермина) в условиях пригородных овощеводческих хозяйств, находящихся в зоне воздействия пыле-гаэовых выбросов промышленных предприятий.

Апробация. Основные положения диссертации были доложены иа конференциях молодых ученых Почвенного института им.В.В.Докучаева (1984 г.) и Ей/А (1985 г.), а также на заседаниях Отдела биологин и биохимии почв Почвенного института.

Публикааяи. По теме диссертации опубликовано 3 работы. •

|Обгям|работы. Диссертация состоит из введения, глав, выводов и эаклвчения. Материалы изложены на __стр. машинописного текста и включают __ рисунков,_таблиц к список

литературы из_наименования (из них - __ зарубежные).

ОБЪЕКТЫ И МЕТОда иосотдовлния.

Исследования проводились в 1983-85 гг. в Восточном Оренбуржье, -а- составе Пгно-Уральской почвенно-агрохимической экспедиции. Почвенного института кн.В.В.Докучаева на черноземных почвах. Изучаемая территория выделяется как природная биогеохимическая провинция с аномальным содержанием микроэлементов, так как вследствие неглубокого залегания полиметаллических руд почвы региона обогащены марганцем, троном, медь», цинком а т.д. Развитие на основе этих месторождений черной и цветной металлургии привело К образовании техногенной биогеохимической провинции ; территория площадь» 300 тыс.га, в том числе, большая часть сельскохозяйственных угодий, оказалась загрязненной техногенными гшле-газовыми выбросами, '

В районе исследований было заложено II пробных площадок, в той или иной степени подверженных техногенному воздействию. Были исследованы почвы в окрестностях ыедно-серного комбината (ИСК, г.Кедногорск), Орско-Халшговского металлургического комбината (ОЖК, г.НовотротпО и Юкно-Уральекого никелевого комбината (0НК, г.Орск) (табл.I), Полевые исследования, а также отбор почвенных образцов проводился в три срока (май, шаль, сентябрь). В полевых условиях биологическуп активность почв (пеллюлозояитическуп и протеаэную) определяли аппликационными , методами Штаустин и др.,19С8; Никитин и др.,1976). Пространственное распределение микроорганизмов в почве определяли методом стекол обрастания (Рыбалкина, Кононемко, 1957).

Для проведения лабораторных исследований смешанные образцы почвы, состоящие из 10 индивидуальных проб, взятых с глубины 0-10(16) см, отдаляли от корней, просеивали через сито I мм и хранили при температуре б°С, Нитрифшсационнад способность почв определялась методом компостирования (Саги, 1963), активность внеклеточных нитрат- к нктритредуктаз - поГалстяну (1974).

, Интенсивность дыхания почв определяли газово-хроматографически. Учет различных з кол ого-трофичееккх груш микроорганизмов проводился методом посева на элективные питательные среды.

Б почвах, загрязненных кислыми техногенными выбросами, изучалась структура комплекса микроскопических грибов. Групповой состав микроммцетов определялся на среде Чапека, что позволяет выделять кош леке грибов разных э коло го-троф яч е ских группировок.; Такой комплекс характерен для конкретных почв к достаток-

-.-."" Таблица I.'

Характеристика исследуемых олощадо«

ю Рассто- Характер к Степень Растительная-

яние от уровень загряз- ассоциапия' Почва

Ю загрязнения нения

I 0,5 иедь - до сильная пырейно-л сланная дерново-степная

2 2,5 300 »-г/кг сильная тилчаково-поштая чернозем горный

3 7 цинк-до 4200 средня* полынно-типчаково-ковыльная чернозем обыкновенный

4 I хром-до 720 сильная рогачем-тигтаково-гошмная чернозем гадай

5 3 харганеп- сольная спормЕево-рогачево-полынная чернозем икиый

' 6 7 до I2C0 средняя полынно-тгачекоао-ковшьная чернозем горай

7 0,5 нкуен>-до сильная тюпаково-ховыльная . темно-каштановая

120С погребенная

■а 7 ; *ед£ - до слабая СТеПН (ШТЛИЕОВСНЗОЛЬНН 0- лугово-чернозеивг

5С0 разнотравная

9 типчаяово-степномятликово- ' темно-каштановая

полынная ■ 1

10 контроль тиочаково-ковшьно-полыиная ' чернозем киаЛ

Ц ооиино-тигчеко во-оеристояота- чернозем горный

дъная

но чутко реагирует не воздействие различных природных к антропогенных факторов (Нирчинк,1982). Выделенные грибы определяло на основании культуральных и морфологических признаков по определителям Тома и Рейпера ( ТЬоп.дсрег , 1949) и Пидопличяо (1972). Идентификация выделенных культур до вида проводилась на каф.биологии почв ф-та Почвоведения МГУ под руководством ст.н.с, канд.Сиол.наук Кирчикк Т.Г. Для определения внутривидовой вариабельности йыло взято по 5 штатов каждого вида.

С целью изучения устойчивости выделенных культур к техногенному загрязнения и определения возможности использования их в качестве биоиндикаторов в модельных опытах определялась интенсивность прорастания конидий и радиальная скорость роста грибов при различных концентрациях сульфата меди в среде. Прорастание конидий определяли через 24(36) часов после посева, для чего просматривали по 10 полей зрения. Интенсивность про; растания рассчитывали по отношении числа проросших конидий к их общему количеству. Радиальную скорость роста определяли об. с^еяринятюа методом» ...','..■■

. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБОБЩЕНИЕ.

Черноземные почвы ЕЬшого Урала отлкчеотся значительной Сио-генность». Известно, что почва является гетерогенной системой, в которой на жизнедеятельность микроорганизмов влияет множество факторов, находящихся .в динамических соотношениях. Очевидно,! что появление стодь мощного фактора воздействия на экосистему, как техногенное загрязнение, приводит к резким изменениям состояния почвенной микрофлоры.

В пространстве параметров, описываадих микробное сообщество, можно представить определенную область, внутри которой система устойчива. При выходе за граниШ этой области система разрушается или видоизменяется. Поэтому для диагностики повреждения микробного ценоза в первую очередь необходимо определить параметры его нормального функционирования, то есть установить »талонную модель функционирования микробных сообществ в почвах исследуемого региона.

Характеристика микробного ценоза черноземных почв ■■ Петого Урала.

В микробных сообществах степных биотопов контрольных илоща- ' дох численность микроорганизмов до стигаетыид лиардов клеток в Гглочвш, Преобладает микроорганизмы, манерализущие органи-

ческое вещество почвы (до 50000 тые.кл./г почвы)« чеку способствует высокое содержание гумуса и нейтральная реакция почвы.

Жесткий гидротермический режим, в условиях которого происходит фондирование микробных сообществ, обусловливает развитие у микроорганизмов олиготрсфного типа питания. Коэффициенты олнготрофности и педотрофности уикробоценоэов в контрольных почвах превышали I. Также многочисленной была группа микроорганизмов, используплих в процессе жизнедеятельности азот в форме минеральных соединений (до 20000 тыс.кл./г почвы). Количв1^" ство микроорганизмов, использующих органические формы азота, не превнпало нескольких миллионов. Коэффициент минерализации в исследуемых почвах составляет 1,7-2,0, что свидетельствует о достаточно интенсивном круговороте азота.

Далее в порядке уменьшении численности следовали актиноми-нетн и почвенные микроскопические грибы. Обособленной группой представлены анаэробные целл&лоэолитнческие микроорганизмы (до 210 тыс.кл./г почвы). Популяции аэотфиксирущих микроорганизмов в изученных почвах развиты слабо: численность анаэробных азотфиксаторов колебалась в пределах нескольких тысяч клеток в I г почвы. Азотобактер встречался в виде единичных клеток. .

Сезоннуг динамику численности микроорганизмов в общем виде можно представить следующим образом: значительный рост числа микроорганизмов весной, резкое уменьшение в июле, после которого следует новое повышение численности почвенной микрофлоры осень«.. Это объясняется тем, что весной в процессе оттаивания почвы происходит быстрая деструкция растительных остатков, а наличие влаги повышает растворимость-органических и минеральных компонентов почвы, что вызывает быстрое развитие всех групп микроорганизмов. Осенью поступление свежих растительных остатков, сопровождается обычно выпадением некоторого количества осадков,.что также вызывает популяционный "взрыв". Амплитуда колебаний численности микроорганизмов варьирует, в основном, в пределах 5-20. Следует отметить,, что микроорганизмы, развитие которых зависит от наличия в почве органического вещества и поступления органических остатков, имеют приблизительно одинаковые перепади численности. Для олиготрофной микрофлоры характерна несколько меньшая амплитуда колебаний.

При рассмотрении динамики численности микроорганизмов за период 1963-85 гг. ясно прослеживается зависимость от гидро-тернических условий вегетационного сезона. Так как годы исследования заметно различались по количеству осадков «„средне-

месячным температурам, то и численность всех форм микроорганизмов заметно варьировала.

Общая биологическая активность черноземных почв Екного Урала, определяемая в полевьос условиях невелика. Целлюлозолитичес-кая активность' больную часть времен» не проявляется. Невысокая ■ интенсивность разложения клетчатки свидетельствует о том, что круговорот;углерода в этих почвах приурочен, главнвм образом, к деятельности бактериальной микрофлоры. Микробные ассоциации обладают четко выраженной врЬтеолитической активностью Î60—IOOfÉ) что также свидетельствует о доминировании бактериального компонента.

Б исследуемых почвах активно протекает китрифияационные процессы, четко выражена активность ферментов нитрат* и нитритре-дуктаз, что свидетельствует об интенсивной трансформации соединений азота.

! Исследование пространственной структура микробных ценозов показало, что наибольшим богатством форм и плотность» обрастания отличалось микробное население, находящееся в почве в активном состоянии в весенне-осенниЯ период. Наиболее частым проявлением трофических связей микроорганизмов непосредственно в почве было использование бактериями старых и отмерших гиф грибов в качестве субстрата; на грибных гифах поселяются единичные, а 'чаще в скоплениях и микроколониях бактерии овальной и палочко-> видной формы. Б летних микробных пейзажах количество всех форм микроорганизмов заметно уменьшается.

Установленные для контрольных площадок значения микробиологических показателей приняты нами за »талонную модель функционирования микробных сообществ в почвах исследуемого региона.

Изменение микрофлоры черноземных почв под воздействяеи пше-газовых выбросов ИСК.

. Структуру микробных ценозов в почвах в окрестностях Ii CK' определяют три основных фактора: загрязнение почвы тяжелыми металлами, кислая реакция среды и низкая продуктивность фитоценоз о в на исследуемых площадках.

В условиях сильного загрязнения выбросами ИСК происходит, ..' при общем снижении биомассы, полная перестройка микробного ценоза. Здесь микробопенозы формируются под прессом жесткого отбора форм« способных выжить не только в условиях биологически экстремальных, концентраций тяжелах металлов, ко и при кислой реакции среды, низком уровне обеспеченности влагой и элементами питания (особенно азотом).

Уменьшается численность большинства исследовании* групп микроорганизмов, причем, в зависимости от степени загрязнения (табл.2). Наибольшее угнетение, в общем виде, испытывает . салрфитныа микроорганизмы, то есть та часть почвенной микрофлоры, которая ответственна за гидролиз полимеров и ароматических соединений, Функционально это подтверждается крайне низкой (или деже полным отсутствие«) целлюлозолитичееной и протеаэной активность» почв сильной степени загрязнения (табл. 3). Снижение доли салрофитс» в состава микробного ценоза, по-видяяоиу, обусловлено длукя причинами. Во-яервьгг, здесь сказывается прямое Техногенное "давление". Во-вторых, наблюдается и опосредованное влияние Техногенеэа: в зоне воздействия выбросов КСК продуктивность фитоцеиоэов крайне низка.- Соответственно , малое количество поступающих в почву растительных . остатков тормозит развитие атих групп микрофлоры. . .

Эта же причина определяет условия развития олиготрофной микрофлоры, способной утилизировать рассеянные источники ве- ' щества и энергии, недостаточны» для саярофитов. При сильном уровне загрязнения коэффициент олиготрофности составляет 1014, что значительно превышает вровень нормы. Те же особенности характерны и для микроорганизмов, испольэущих гумусовые вещества (табл.4).

5 техногенно загрязненных почвах отмечено снижение численности всех групп микроорганизмов, участвующих в трансформации и постепенной минерализации азотсодержащих соединений (кроме группы деиктрифккаторов, для которых «в обнаружено зависимости их количества в почве от уровня загрязнения). Актяноми-цеты из состава микробного ценоза исчезают, что, по-видимому, связано с сильным подкислением почвы.

Выявлено, что сильное загрязнение почв стимулирует развитие почвенных микроскопических грибов. Их численность возрастает а 2-4 раза. - ' -

Уменьшение степени загрязнения сопровождается усложнением таксономической структуры микробного ценоза и приближением к эталонной модели. . .

Специфический режим техногенеэа оказывает дестабилиэиру-' тацее влияние на развитие почвенной микрофлоры, поэтому различия в максимальной и минимальном показателях для всех эполого -трофических групп микроорганизмов здесь, в основном, выше, чем в нормально развивающихся зональных почвах. Нестабильность микрофлоры техногенно загрязненных почв, скорее всего,

У.

Таблица 2.

Численность основных эколого-трофических групп микрофлоры в почвах, загрязненных выбросами ИСК (тыс.кл./г почвы; Ро,95*

группа почвенной У* площадки, степень загрязнения микрофлоры I 2 3 контроль

сильная

средняя

олиготрофы

использующие гумусовые вещества 1887-3032 3543-5603

используицие органические формы азота

испольэущие минеральные формы азота

ектиноыицеты грибы

денитрификат оры

анаэробные азот-фиксаторы

анаэробные пелл»-лоэолитические

554-1246 2457-3743 9745-13128 10010-10020 £5200-33162 49675-80246 4546-6328 4174-10053

59-134 200-324

5,3-40,2 684-1716 635-1365 IIÜ76-I6348

0 '0 1,4 3100-5006'

40-104 82-168 32-47 19-37

30-180 19,4 . 2326 204-21065

0 0 0,9 5,8-233

о 0,4 0 0.05-0,6

Таблица 3.

Полевые показатели биологической активности техногенно загрязненных почв (ИСК)..

ДО Степень ; Целлюлозолитическая активность Протеазная

пл. загрязнения Ute ичль сентябрь ¿езон активность

1 сильная О О О 5,7 15,8

2 сильная : 4,8 . О 7,4 10,6 24,9

3 Средняя 3,2 0 ,* 11,1 23,6 40,3 контроль 10-12 0 ■ 10-16- ' 49-60 " . 43-100

Коэффициенты, характеризующие микрофлору твхиогенно а«грязненных почв (ИСК) ;

Ü

пл.

Степень

загрязнения одоготрофностк педотрофности

Коэффициенты

Таблица 4,

Индекс■ минерализации

1 сильная

2 сильная

,3 '.- средняя ;

• * контроль

1040

14, О * *

К4, ,

I.3-1.6

27,3 21,3 . 6,3 5f6-9.3

2.5

5.6 0,2

1.4-2.0

связана с большим влиянием гидротермического фактора, так как ' для любых составных частей экосистем, находящихся в экстремальных условиях по какому-либо фактору, дополнительные абиотические факторы приобретают решающее значение по сравнению с биотическими-(Одум, 1975).

Вследствие этого, хотя флуктуации гидротермических параметров одинаковы для всего изучаемого региона, изменение численности различных »колого-трофических групп почвенной микрофлоры здесь ' отличается от характера сезонной динамики, установленного для' ь эталонной модели. Ддя сапрофитов в этих почвах характерно наличие весеннего максимума развития; к осени их количество уменьшается, причем аютлитуда колебания различна для всех исследованных площадок (рис.1). Более четко выражена сезонная динамика почвенных микроскопических грибов (рис.2). Для остальных групп микроорганизмов характер сезонной динамики в целом соответствовал эталон- . ной модели.

Пространственная структура микробных ценозов этих почв резко отличается от контрольных. В активном.состоянии доминируют почвенные микроскопические грибы (бактериальный компонент в микробных пейзажах почв сильной степени загрязнения не обнаруживался). "Экологическое доминирование" грибов-микромицетов обусловливает специфику функционального проявления почвенной микрофлоры.

Нмтрификационная способность почв сильной степени загрязнения в сравнении с контрольными изменяется незначительно (в 1,5-2 раза), хотя наблюдаются весьма существенные различия в сезонной динамики интенсивности этого процесса (рис.3). Возможно, здесь вступает в действие компенсаторный механизм замены одной экологической группы микроорганизмов, осуществляющих данные функции, другой, более устойчивой к действию тетногенеоа, что обеспечивает своеобразный "запас прочности" в функционировании микробных сообществ. Можно предположить, что достаточно высокий уровень нитрифихационной активности этих почв обусловлен гетеротрофной нитрификацией, осуществляемой почвенными микроскопическими грибами рода V«nicilliun (Василенко, 1963).

Активность ферментов нитратредукт&з в техногенно загрязненных почвах была, в среднем, в 2-3 раза меньше, чем в контроле, при- * чем зависимости активности фермента отстепени загрязнения не обнаружено (рис.4). НитритредуктаэноЙ активности почвы техноген-но загрязнении* площадок не обнаруживали.

Дяя характеристики изменений морфо-функинональной cjyXTypM микробньгх ценозов техногенно загрязненных почв по сравнению с эталонной моделью был проведен факторный анализ структуры микроб-

(

1 &

*

+

5 г

г~1

/

1 г з к л^л

Рис.1. Сезонная динамика численности микроорганизмов, использующих органические формы азота (КОК)

у

/

• ' * ; ■ ; ■ ■ *

Рис.2. Сезонная динамика численности почвенных иииро*-■ скопических грибов •

лл? 7 мЛ шг. дом* ■ свят.

\Pltc.3. Нитрификшионная ак-; Рис.4. Активность ферментов-тивность почв (ИСК) нитратредуктаэ

1,2-сильная степень загрязнения 3-средняя степень загрязнения

К-уровень активности, установленный для ятаяоккой модели

^кочтрвл ь шРнгя степень Зиуш. сшшяглеаегь 3&/&SH.

ШПШ-/ I-1-3 СШ-» wm-f иттттл-е

Рис.5. вменение корфо-фун «тональной структуры ч^рноэеи^ьгх почв

под воздействием кислых техногенных выбросов I - микроорганизм, участвующие в круговороте азота;' Z - показатели интенсивности азотного режима почвы; Э - неучтенные элементы; А - олкготрофная микрофлора;. 5 - анаэробная микрофлора; 6 - почвенные макроскопические грибы

ных иеноэов по 12 показателям,, что даяо возможность вычислить долевое участие каждого из ртих показателей состояния микрофлоры в функционировании микробного ценоза (рис.5).

Для микробного ценоза эталонной модели выбранная нами система показателей объясняет морфо-функциональную структуру на 9EÄ, Соответственно, около Sit приходится на доли неучтенных или случайных микробиологических параметров. Ведущая роль в Функционировании микробного иеноза здесь принадлежит микроорганизмам, осуществлятхцим трансформацию соединений азота.

По мере загрязнения почвы структура получает большее дробление, с включением дополнительных факторов, описывающих микрофлору рассеяния, В почвах средней степени загрязнения важную роль ' играют также показатели, ха(рактеризуищие анаэробную микрофлору,

Факторная модель микробного ценоза сильно загрязненной почвы характеризуется еще более дробной структурой. Ведущая рочь в функционировании микробных механизмов здесь грииадтежит олиго-трофной группе микроорганизмов и гочвенным микроскопически* грибам.

Таким образом, в почвах, загрязненных кислыми техногенными выбросами, скчадывается структура микробного пеноза, принципи- ■ ально отличная от эталонной.

Изменение микрофлоры черноземных почв под воздействием пыле-гаэовьос выбросов OMJK.

В районе ОХМК изучались почвы сильной и средней•степени вагряэнения. Экологические условия этих почв ярко "техногенные" и для развития микробных сообществ в большей или меньшей ; степени неблагоприятны. Здесь отмечается уменьшение численности всех исследованных гдопп микроорганизмов (табл.5). На фоне общего снижения количества микроорганизмов в почвах здесь, как и для эталонной модели, наблюдается преобладание численности бактерий, иепояьзупцих минеральные формы азота,.над чис-лои бактерий, утилиэир/щих азот органических соединений.(табл 6). Наиболее многочисленной'здесь также, как ив почвах контрольных площадок; была группа микроорганизмевj минерализующих гумусовые вещества. Однако, доля их в общем количестве микроорганизмов была несколько ниже. Коэффициент педотрофности для всех почв, загрязненных выбросами (Ш1К, ниже нормального уровня. Возможно, этому способствует повышенная растворимость гумуса в условиях.щелочной среды. В своп очередь, растворение гумусовых веществ обусловливает возможность более широкого развития гетеротрофов за счет расширения источников питания.

К своеобразным биологическим особенностям почв, находящихся в сфере воздействия пыле-гаэовых выбросов ОЯАК, следует отнести и сравнительно низку» численность олиготрофной микрофлоры, Низкий коэффициент олиготрофности объясняется, во-пер- ■ вых, сравнительно высоким числом бактерия, утилизируюцих азот органических соединений, и во-вторых, слабой активностью процессов минерализации органических веществ.

Численность актиномицетов, по сравнению с другими группами почвенной микрофлоры, изменяется незначительно. Наиболее резко падает численность почвенных микроскопических'грибов. В общей биомассе техногенно загрязненных площадок грибы составляют очень незначительный процент, что, скорее всего, связано с подщелачквением почвы.

Численность денитрнфицирувдих микроорганизмов, в целом, соответствует уровню нормы. Азотфиксаторов в почвах техногенно • загрязненных площадок не обнаружено*

■ Сезонная динамика численности большинства эволого-трофичв- _ свих групп1 микроорганизмов как бы повторяет динамику на контрольных площадках, только в меньших масштабах (Рис.6). Значительные отличия наблюдаются только при рассмотрения динамики

Таблица 5.

Численность основных эколого-трофическкх групп микроорганизмов в почвах, загрязненных выбросами ОХКК (тыс./г п. ,^95)

группа почвенной микрофлоры

ТУ площадки, степень загрязнения

сильная

срецняя

контроль

олиготрофы

использугаше гц-мусовме вещества

использутаие органические формы азота

использущие минеральные Форш азота

актиномицеты грибы 1

денитрификаторы

.анаэробные азот-фиксатора

анаэробные келяю-лозолитические .

2305-3555 8350-1С592 2341-3599 1С010-1В020

7033-9107 23940-36660 7248-9352 46975-80246 .

1255-2242 6209-8298 2836-4257 . 4474-10053

2637-3960 10674-13086 3115-4545 11076-16348

900-1620 1830-4170 1138-2060 2,1-3,3 2,5-3,8 1,7-2,0 42-936 962-21060 42-940

О О

0,6-1,3 О

о

0,3-0,7

3100-5006

19-37 204-21065

5,8-233

0,05-0,6

Таблица 6.

Коэффициенты, характеризующие микрофлору техногенно

загрязне) ных почв (СХКК)

Г» Степень ■ 4 Коэффициенты Индекс

пл. загрязнения оли гот рс^кости пе^отрофностн минерализации

4 сильная 1,2 • 1,9.

5 ■ сильная • .. 1,5 1,9

.6 средняя ■ . 0,9 2,5' 1,2

контроль - 1,3-1,9 5,6-9;3 1,4-2,0

,, Таблица 7,

Полевые показатели биологической активности

техьогеяно загрязненных почв (ОХЫК)

' Целлюлозолитичеекая активность,%• Протеазная

пл. май^ ■ июль сентябрь сезон активность, %

4 ' 0 0 0 14,4

С 5,6 0 11,7 13,0 ' не опр.

6 0 0 0 не опр. 22,3

К 10-12 б 10-16 • 48-60 43-100

8 7

6 -Г

Н %

г 1

♦

Р1'С

Ч • 3 -

г <

Ч £ 6 К ■,\'*<г*.

.6. Сезонная винамигл чречсриостр и'^кро организмов. ь-и'ррали-ЯуМШ'Х ГОЧРГНГОР прГЯЕ'Г^РСеое ргтгствп, р гоивях в ст1 >остях »-етя -чу р р с уч ро^-букета

р1'С.7 Сезонная динамика численности грибов-микромииетов в почвах в окрестностях металлургического комбината

Р)'с. 0. Дгп'ри^ст1- в глорах, загрялт1-

гых рыРросрт'у ►,ртач"урп'ие ск^гп »^о^йеиатв П'-Ч'ЙЯ п8Гряа1'е< V«; :

сргцияя ст*""^")

УО)"грОчь - ,

5,1 '

е -в -

развития потаенной микофлоры, что, по-видимому, объясняется не только и не столько гидротермическими условиями, сколько общей нестабильностью грибной популяции а условиях техногенеэа при Иелочной реакции среди (рис,7).

Общая биологическая активность этих почв крайне низка (табл.7) Процесс разложения клетчатки в них резко заторможен, что объясняется как прямым воздействием повышения концентрации злементов-»агрязнителей на почвенную микрофлору, так и низким уровнем поступления растительных остатков в почву. Проявление (хотя и в 2-4 раза меньше уровня, установленного для модели-эталона) протео-лнтической активности в этих почвах свидетельствует о том, что круговорот азота и углерода в экосистеме приурочен к бактериальной биомассе, которая не содержит целлюлозы и сравнительно богата белковыми компонентами.

Процесс нитрификации практически отсутствует, что говорит о , неглубокой трансформации соединений азота. Активность внеклеточных ферментов (нитрат- и нитритредуктаз) также крайне низка по сравнению с контролем (рис.8). Здесь, в отличие от зональных почв не наблюдается четко выраженной сезонной динамики. Можно отметить некоторое повышение ферментативной активности только в осенний период.• *

При загрязнения почв выбросами 0Д1К было четко выражено подавление активной микрофлоры. ;

Изменение'микрофлоры черноземных почв под

воздействием пыле-газовнх выбросов Ш1К.. ' ' '.

Верхний горизонт почвы сильной степени загрязнения представляет собой мелкоземнстый минеральный субстрат - дезинтегрированные влаки-никелевого производства. Микробный ценоз здесь формируется под воздействием двух эястеремальных факторов- техногенеэа к недостаточной влагообеслеченности; Поэтому; несыотря на высокое содержание элементов литания, численность микроорсанизыов здесь эна чктельно пеньке, чем в зональных почвах (табл.8). Наиболее резко снижается количество микроорганизмов, участвущкг в минерализации азотсодержащих соединений, ИЗ микробной ассоциация практически1 полностью исчезают актиномицеты. Снижение численности денитрифицирующих микроорганизмов объясняется, по-видимому, не столько специфичным вдкянием техиогенеза.скояько рыхлым строением верхнего горизонта, что и скатает возможность создания анаэробных вихровок, необходимых для развития денмтрификаторов. Отличитель-Новособенностмвданного мккробоценоэа ялляетсл относительно высокое содержала» микроскопических грибов,, что подтверждается

характером микробных пейзажей.

Для микробной ассоциации в целом характерен' четко выраженный олиготрофный тип.питания (табл.9). Коэффициент.олиготрофности превышает таковой для зональных почв примерно в 10 раз.8начитель-ио возрастает такие в составе микробного ценоза доля микроорганизмов, минерализующих гумусовые вещества. Г.

Общая биологическая активность,этой почт крайне низка (табл. 10). Здесь отиачаегс.ч интересно« противоречие :ярк сравнительно высокой численности грибов-«йкромицетов почва в функциональном отношении неактивна, способность к разложению клетчатки в ней отсутствует. Нежно предположить, что биогеохимичеекая деятельность микроорганизмовселективно сдерживается специфическим режимом техногенеза. Функциональная инертность этих почв .подтверждается ■ такие практически'полным отсутствием обрастания на стеклах.

Техногенное загрязнение, а сочетании с контрастным почвенным гидротермическим режимом, приводит к крайней нестабильности микробного ценоза. Различия в максимальном и минимальном показателях здесь всегда выи®, чемв зональных почвах;, в отдельные периоды численность.многих групп микроорганизмов падает до нескольких тысяч клеток в I г почвы. Дня сезонной динамики здесь также характерно большее различие-® максимальном и минимальном показателях (рис.9).

- Процесс нитрификации практически отсутствует. Лишь осенью моя- ■ > ко отметить небольшую активизацию круговорота азота,(рис.10, II).

. В почве, расположенной а эоке слабого загрязнения выбросами И/НК, мы видим стикуляш» биологических процессов тяжелыми ые- ' - ' таллами, которые здесь, очевидно, виступают в роли микроэлементов. В целой таксономическая структура микробного ценоза данной почвы соответствует таковой для эталонной модели. Количество микроорганизмов, ответственны* эа. функционирование основных звеньев круговорота азота, соответствует уровню нормы (табл.В). Интересно отметить, что в этой почве наблвдается некоторое увеличение количества анаэробной микрофлоры; Очевидно, этому благоприятствует 1 луговый пщротермичесхий режим данной почвы.

По данным трех лет наблюдений, различил в максимальном I» минимальном показателях численности различных групп микрофлоры здесь, , в среднем, несколько ниже, чем в зональных почвах, что свидетельствует о стабильности микробных ассоциаций. Скорее всего, это связано как с влиянием микроэлементов, так и с богатством и разнообразием растительности, формирухщейся на яуговс-чериоземкых . почвах. Сезонная динамика численности основных групп почвенной микрофлоры такж& не отличается от, контроля (рис.9).

хэ.

Таблица 8.

Численность основных групп ыикрофлоры в почвах, загрязненных выбросакн ПУНК (тыс.кл./г почвы;

группа почвенной площадки, степень загрязнения ыикрофлоры 1 - 8 К

сильная слабая ^яонтроль^

10010-18020

49675-80246

4174-10053

I1076-16340

3100-5006

19-37 £04-21065

6-233

0,1-0,6

Таблица 9.

Коэффициенты, характеризуете микрофлору техногенно

загрязненных почв (Ш1К) '

1» . Степень Коэффициенты Индекс

пл. загрязнения ояиготрофности педотрофности минерализации

7 сильная 14,6 . 27,7 3,6

в слабая 1,6 • 7,3 • 1,3

контроль V., 1,3-1,9 5,6-9,3 1,4-2,0

Таблица 10

Полевые показателя .биологической активности

техногенно загрязненных почв (Ш1К)

» Степень ■ Целлюлозолиткческая активность,Поотеаэная

пл. загрязнения май ишь сентябрь сезон активность■

7 сильная 0 0 0 0 16,3

в слаб&ж 18,4 0 23,5 48,0 .100

контроль 10-12 0 10-16 48-60 43-100.

оянготрофы

кспольэувдие гумусовые вещества

использующие ор—. ганические формы азота

использующие ыл- , моральные формы азота

аятиномицеты грибы

денмтрификаторй

анаэробные езот-фиксаторы

анаэробные целлюлоз о литичес кие

2305-^655 4703-6432 148-255

417-1043 О

23-72 9-210

О

4,3-9,4

I6642-I9758 72480-93520 100X9-12595

13710-16550

2970-4270

45-62 42735-936000

271-5925

10-21

¥ Г

ч

г 4

ал

л

С3\

V

/

у*5* ТА

Рис ,9

е : 75СЯ егитж^Л ■ ;■ ■ лей . иыл сечгх^

Рис.10. Нитрификационная вп- Рис.II.Активность формантов-

тивность почв (ЮНК) питратредуктеэ

7-сидьная степень загрязнения в-сдабая степень загрязнения

К-уровень активности; установленный для эталонной модели

Влияние кислых пыле-гаэ овых выброссв на комплекс почвенных микроскопических грибов*

Изучение структуры микробного ценоза почв, загрязненных выбросами ИСК, показало, что общая численность почвенных микроскопических грибов превышает уровень кормы* В какой-то мере зто объясняется подкисленном почвы на площадках, расположенных в непосредственной близости от комбината. Почвенные макроскопические гриба в подавляющем большинстве являются ацндофилами, и стабильность их общего количества может объясняться отсутствием конкурентных группировок микроорганизмов, не приспособленных к сильному подкислению почвы. Однако, накопление тяжелых металлов в почве ведет к существенному обеднению структуры котлеяса почаенних микроскопических грибов.

Доминируют грибы рода Реп1с1111ига , причем, , видовое разнообразие снижается до нескольких, очевидно, наиболее устойчивых в»-

дов. Нами било выделено всего 6 видов почвенных микроскопических грибов, из них ?т1о1Ше1п гочиеГог^ - типичный доминируищий вид, Р.Ъгеу!-сопрчс1.1Ш и Р. ГипЗси1о»ига - типичные частые И Р.1апо во-еоеги1еиго- типичный редкий вид, а также 2 вида сем,иета1;1асеав с. пространственной и временной частотой встречаемости менее ЗС^, относящиеся к случайным.

Все выделенные из техногенно загрязненных почв виды микроскопических грибов относятся к космополитам и встречаются в самых разных экологических условиях. Для подобных микроорганизмов доказано наличие экотипов, то есть широкая изменчивость по самым различным признакам на уровне вида обеспечивает возможность выживания части видовой популяции в экологически неблагоприятных по самым различным факторам условиях. Выживаемость в условиях такого экстремального фактора, как техногенеэ .(с которым организмы не встречались в процессе своего эволюционного развития) позволяет отнести данные виды к особой экологической группе -"технофилов".

Моделирование в лабораторных условиях различных уровне!! техногенного загрязнения позволило выявить различия в устойчивости выделенных видов грибов-мииромицетов к данному фактору. Наибольшей устойчивостью к высоким концентрациям меди обладала популяция Р.гочиеГогМ. (рис.12 и 13). Оптимальный интервал для роста всех штаммов этого вида составляет 600-2000 мг Си ЭД^/кг, Отмеченная стжцуляпия роста позволяет предположить наличие технофи-лъ ной популяции данного вида.

. Минимальной устойчивостью характеризуется популяция Р.1апово-соеги1е«п . Этот вид овладеет умеренной толерантностью к повышению концентрации меди, и его высокая встречаемость в почвах сильной степени загрязнения объясняется, скорее всего, отсутствием конкуренцииэа источники питания со»стороны других, менее стойких микроорганизмов.

Популяции. Р.Ъгет1-С01прв^иви, особенно» Р,Гии4еи1ооща отличаются исключительной гетерогенностью. Для Г.Гип1си1оешя наличие повышенных концентраций меди в среде приводит К раздев ленив исходной популяции на рри ыутанткые субпопуляшт. Различия как в пределах жизнеспособности, так и жианедеятельнеети , для разных штаммов этого вида превышают различия.по этим хе . показателям для разных видов» ЛЪкии образом, устойчивость втих «■до» в целом нестабильна, и существует лишь возможность вдап-: тапки отдельных втаымов к техногенным условиям. Очевидно,' для цел»й биоинднкаци* »то имеет частное значение.

ка» гш л&о &<>0

/*С СаВРе/кг. 13. Интенсивность прорастания конидий грибов« выделенных ка техногенно загрязненных почв

ща ПГ, СаЗОу/кг. Ряс.12, Радиальная скорость роста Рис, грибов-микромкцетов, выделенных их техногенно загрязненных почв

1 - Р.гочиеГогИ

2 - Р.Ьге-Л-еепрасгш»

3 - Р.Гип1ои1овил

4 — Р.1апоео-еовги1еця1

Вид-индккатор должен удовлетворять трех условиям:

- наличие его в почве с высокой частотой встречаемости;

- наличие выраженной устойчивости к определенному загрязнителю}

- однородность популяции.'

Рвп1с1111шп гочиеГог-И обнаруживается в исследуемых почвах с максимальной частотой встречаемости, а отсутствие морфологических изменений позволяет легко идентифицировать этот микроорганизм. Таким образом, зтот вид можно считать биоиндикатором на

в«грязнен»« черноземных почв соединениями меди.

" '1 у *

швода.

1.' Установлено существенное изменение структуры микробного ценоза техногенно загрязнённых черноземных почв, длительное время находящихся в сфере воздействия пыле-газовых выбросов предприятий чертой н цветной металлургии.

2. Основными факторами, определятся«« структуру микробного ценоза техногенно загрязненных почв, являются агрохимические свойства почвы,' концентрация и состав техногенных выбросов я состояние фитоценозов загрязненных территорий.

3. В техногенно загрязненных почвах уменьшается численность

практически всех эколого-трофических групп микроорганизмов, а также изменяется соотношение между ними. Наблюдаются значительные изменения в составе активной микрофлоры. Изменения в таксономической к пространственной структуре микробного ценоза обусловливают нарушения функциональных связей в экосистеме, что приводит к снижен»» биологической активности почв, и как следствие, нарушению круговорота основных элементов питания растений.

4. По изменению структуры установлено два типа реакции микробного ценоза черноземных почв на техногенное загрязнение:

- загрязнение выбросами предприятий черной и цветней металлургии, не нэменявщее рН почвы в существенных пределах, ведет к снижению численности всех пколого-трофических групп почвенной микрофлоры, не изменяя в целом характера структуры микробного ценоза;

- при подкислении исходно нейтральных черноземных почв с одновременным загрязнением их тяжелыми металлами происходит существенная перестройка таксономической и пространственной структуры микробного ценоза с доминированием в составе активной микрофлоры почвенных микроскопических грибов.

5. Развитие'микробных сообществ в почвах, загрязненных кислыми техногенными выбросами, происходит по.пути отбора групп и видов микроорганизмов, устойчивых к техногенному загрязнению. По мере роста уровня загрязнения возрастает доля участия олиготроф-ной микрофлоры в функционировании микробного сообщества. При этом сумь.1рные физиологические функции этих почв изменяются в меньшей мере, чем таксономическая структура микробного ценоза.

6. В почвах, загрязненных кислыми техногенными выбросами, наблюдается доминирование в составе активной микрофлоры микроскопических грибов, ^минирование грибов рода Рвп1с1111ш , являвшихся сильными токсин оо б раз о вател яии, является вторичной причиной повышенной токсичности техногенно загрязненных почв,

7. По степени роздействия соединений меди на особенности роста и раэвиткн почвенных микроскопических грибов асе изученные

виды можр-> разделить на две группы: технофильные и текнотокерант-кые. Техн"фильный вид Регл^ииит гочиеГоН;! , встречающийся в1® чвах сильной степени аагряанения с максимальной частотой встр*"аемости, можно использовать в качестве биоиндикатора на загрязнение черноземных почв соединениями меди;

ОДШШ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ, Пкгмвяты штаммов грибе Р«л1е1111ша Гип1си1овив , выделенных Из разных типов почв,-Почвоведение, 1994, 1Р2, с,71-76, (в соавторстве)

Изменение структура микробных ценозов под влиянием техногенных выбросов.-Тез.дохл^П съезда ВШ, кн.2, Ташкент, 1985, •с.163 (в соавторстве) 3. Слияние техногенных выбросов металлургических предприятия па «труктуру микробных иенозов ганых черноземов.-Химия в тажътчкж хозяйстве, 1985, Р6, с.52-54.

Л-тент . ' . Подписано к печати ix.ii.biC

Формат 60 х В4 1/16 I п.л. Тираж 100 вяз. Заказ ат > Бесплатно

Типография ВАСДШ I078I4, ГСП, Москва, Б-79 Б.Харитоньевский пер., д.21,