КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА
Исследование биологической активности почвы, загрязненной солями цинка
по
специальности 020803.65 - Биоэкология
Калининград
Реферат
Тема: Исследование биологической активности почвы, загрязненной солями цинка.
Объем работы 47 стр., количество иллюстраций 9, таблиц 1, приложений 1, количество использованных источников 46.
Ключевые слова: сульфат цинка, цинк сернокислый, загрязнение почвогрунтов, почвенные поллютанты, тяжелые металлы, суперэкотоксиканты, микрофлора, урбанизированная экосистема.
Исследовано влияние загрязнения солями цинка
микробный компонент биологической активности почвы - различные группы почвенной
микрофлоры. Воздействие цинкового загрязнителя на группы почвенных
микроорганизмов носит разностороннюю направленность и комплексный характер.
Наиболее устойчивые к загрязнению почвы цинком - спорообразующие и
аммонифицирующие микроорганизмы. Наиболее чувствительные к загрязнению солями
цинка - целлюлозоразлагающие микроорганизмы и актиномицеты.
Оглавление
Введение
Глава 1. Литературный обзор
.1 Специфика почвы как среды обитания микроорганизмов
.2. Понятие биологической активности почвы
.3 Характеристика основных групп почвенных микроорганизмов
.4 Цинк как поллютант почв
Глава 2. Материалы и методы исследования
.1 Объект исследования
.2 Ход эксперимента
Глава 3. Экспериментальные данные и обсуждение
Выводы
Библиографический список
Приложение
Введение
В течение достаточно длительного периода времени человеческая нация знакома с загрязнением природной среды опасными токсикантами - тяжелыми металлами. По мере поступления в различные компоненты биосферы, они способны оказывать комплексное негативное воздействие, приводя частичному или общему угнетению природных систем, а так же их полной деградации. Даже при низких концентрациях и следовых количествах тяжелые металлы обладают высокой токсичностью; они имеют тенденцию концентрироваться и накапливаться в живых организмах (биоаккумулирование) и способны наносить значительный вред здоровью населения и сельскому хозяйству (Теплая, 2013).
Почва является основой и обязательным компонентом любой наземной экосистемы и, как следствие, это своеобразное депо для всевозможных загрязняющих веществ. Накопление токсикантов, в т. ч. различных соединений цинка, влечёт за собой последствия в качестве угнетения почвенного покрова и создания неблагоприятной экологической обстановки. Ввиду активной способности тяжелых металлов мигрировать из почвы в иные природные среды, почва становится источником опасности для живых организмов, и человек не является исключением (Лобачева и др., 2011).
Важнейшим показателем «здоровья» почвы считается ее биологическая активность. Важнейшим же компонентом биологической активности является микробиологический показатель её активности - весьма чувствительный к загрязнителям различного рода. Одним из широко распространенных почвенных поллютантов, относящихся к категории природных загрязнителей, является цинк - тяжелый металл первого класса опасности (Мосина, 2013). Большая его природная часть содержится в виде изоморфных соединений в слюдах, обманках и других минералах. Обладая относительно низкой константой устойчивости, цинковые соединения проявляют высокие свойства подвижности и биодоступности. Так же существуют данные о том, что цинк эффективнее растворяется в почвах, чем остальные металлы, приписываемые к ряду «тяжелых». Источники цинка антропогенного происхождения - предприятия цветной металлургии (в первую очередь), агротехническая деятельность человека и сфера автомобильного транспорта. Наблюдения и результаты последних научных исследований показывают, что продолжающееся в нынешнее время загрязнение почв цинком и цинковыми соединениями приводит к необычайно высокому его накоплению в верхнем слое почвы. При поступлении в организм все цинковые соли способны вызывать тяжелые отравления ввиду токсичности ионов цинка. В частности, отравление сульфатом цинка приводит к малокровию, задержкам в росте, бесплодию. Одного грамма сульфата цинка достаточно, чтобы вызвать тяжелое отравление (Майстренко и др., 1996).
Поэтому, в настоящее время одной из задач современной экологии является изучение воздействия цинкового загрязнения на биологическую активность почвы, как одного из важнейших и функционально подвижных компонентов почвенного комплекса. Это позволит лучше понять некоторые аспекты воздействия поллютанта и эффективнее диагностировать критические нарушения биологической активности почвы, что может поспособствовать раннему выявлению техногенных неблагоприятных воздействий на природные и урбанизированные экосистемы.
Цель - изучить биологическую активность почвы (микробиологический показатель биологической активности), загрязненной солями цинка.
Для достижения поставленной цели было выделено несколько задач:
определить влияние различных концентраций цинка на количественные характеристики почвенной микрофлоры;
изучить влияние различных концентраций цинка на качественные характеристики почвенной микрофлоры;
выявить наиболее резистентные к загрязнению солями цинка и наиболее чувствительные к нему группы микроорганизмов.
почва цинк микроорганизм
Глава 1. Литературный обзор
.1 Почва как специфическая среда обитания
микроорганизмов
Почва является гетерогенной полифункциональной многофазной органоминеральная система, возникшая на поверхности земли в результате длительного воздействия биотических, абиотических и антропогенных факторов. Важнейшее свойство почвы - плодородие, что лишь подчеркивает ее ценность для нормального функционирования наземных экосистем, как в для всей биосферы в целом, так и для сельскохозяйственной сферы деятельности человека.
Почва - среда трехфазная. Она представлена
твёрдыми, жидкими и газообразными компонентами. Все компоненты активно
взаимодействуют между собой. Однако жизнедеятельность микроорганизмов
представлена в основном на микрозонах - местах скопления микробных метаболитов
и определённых условий, которые способствуют жизнедеятельности. В различных
почвенных горизонтах, имеющих различные плотность, цвет, уровень инсоляции,
температуру, влажность, концентрацию кислорода и других газов, различных
веществ наблюдается большая гетерогенность. Поэтому условия жизнедеятельности
микроорганизмов в разных горизонтах и почвах существенно отличаются. Почва
также и гетерохронная среда, в которой условия изменяются во времени. Наиболее
значительно это проявляется в различных процессах разложения и иных процессах,
при которых активность групп микроорганизмов сменяется активностью других.
Таким образом, условия для существования микробоценозов достаточно непостоянны
и могут меняться в зависимости от ряда факторов, таких как климат, поступления
различных неорганических и органических соединений и техногенных веществ, в том
числе тяжёлых металлов (Нетрусов и др., 2004).
1.2. Понятие биологической активности почвы
В своем обобщенном понятии биологической активностью почвы принято считать совокупность процессов в почве - биологических и биохимических - прочно связанных с жизнедеятельностью обитающей в ней фауны, микробиологической составляющей и корней растительности.
О почвенной биологической активности можно судить по многим критериям. Насколько интенсивно в ней протекают процессы газообмена с атмосферой, какой эквивалент тепловой энергии производится микроорганизмами почвы. К этому также можно отнести интенсивность процесса деструкции органических веществ (процессов разложения клетчатки, нитрифицирования и аммонифицирования в почве) и общее количество почвенных микроорганизмов на 1 г сухой почвы, то есть биогенному показателю.
Нормальная биологическая активность отражает важнейшее свойство почвы - плодородие. В свою очередь, главным компонентом биологической активности считается микробиологическая активность, которую обуславливает численность населяющих почву микроорганизмов (Мосина, 2013).
В настоящее время в почвах повсеместно
отмечается снижение биологической активности как основного показателя ее
плодородия и «здоровья». Это объясняется колоссальным загрязнением естественной
и трансформированной природной среды. При таких изменениях значительную часть
нагрузки терпит именно почва, превращаясь в настоящее «депо» для токсикантов
различного рода. Главными загрязнителями приоритетного ряда выступают тяжелые
металлы, которые по масштабам загрязнения и силе воздействия на биологические
системы занимают по праву лидирующую позицию. Это придает проблеме загрязнения
почвогрунтов тяжелыми металлами глобальный экологический масштаб (Мосина,
2013).
1.3 Характеристика основных групп почвенных
микроорганизмов
Обитающие в почве микроорганизмы представляют собой не просто компонент почвенной биоты, они также являются ключевым фактором процесса почвообразования и миграции биогенных элементов, что обеспечивает разложение растительных останков - опада, образование и разложение гумуса, деструкцию минералов материнской породы и обеспечение процессов минерализации.
Микробиотическое сообщество представлено сложным комплексом тесно взаимодействующих друг с другом микроорганизмов из различных функциональных и систематических групп. Они связаны широким спектром связей, но главную роль играют связи трофического характера. Например, объединение в кооперации для совместной эксплуатации субстратов; в процессе конкуренции за питательные вещества могут иметь место антагонистические взаимоотношения (Гусев, Минеева, 2003). В сообществе микроорганизмов жизненно важными являются именно взаимодействия кооперативного характера. Пути взаимодействий как правило разветвлены и соединены различными типами связей: прямые и обратные связи, отрицательные и положительные, связи топического и трофического характера. В результате микробное сообщество выступает единой кооперацией, что позволяет взаимодействовать с окружающей средой как единое целое (Нетрусов и др., 2004). Среди широкого разнообразия почвенных микроорганизмов обычно выделяют несколько основных групп, представленных ниже:
Азотфиксирующие бактерии - одна из важнейших групп почвенных микроорганизмов. Они способны усваивать молекулярный азот непосредственно из воздуха, переводя его в доступные формы для других живых организмов, таким образом, играя ключевую роль в биосферном круговороте азота. Микроорганизмы этой группы могут быть аэробными и анаэробными, как свободноживущими, так и симбиотическими. (Нетрусов, Котова, 2006).
Аммонифицирующие бактерии - группа бактериальных микроорганизмов, обеспечивающих процесс минерализации азотсодержащих веществ органического происхождения под реакцией протеолитических ферментов. Благодаря процессу аммонифицирования продуктов жизнедеятельности растений и животных почва постепенно обогащается азотом. Одновременно с этим данные бактерии выполняют функцию санитаров - они обеспечивают естественную очистку почвы от разлагающихся остатков органического происхождения (Куркина, Дедков, Уманский, 2013).
Актиномицеты - организмы с прокариотным типом клеточной организации. Имеют грамположительный тип строения клеточных стенок, а также обладают способностью к формированию ветвящегося мицелия. В почве актиномицеты представлены достаточно широко. Представители почти всех известных родов актиномицетов выделены из почв. На субстрате формируют мицелий, появляющийся в результате врастания в питательную среду, и воздушный мицелий, растущий на ее поверхности. Экологическая роль актиномицетов заключается в разложении сложных субстратов, недоступных другим микроорганизмам, тем самым обеспечивая ввод малодоступных соединений в биологический круговорот. Выявлена зависимость количества обнаруживаемых в почвенных пробах актиномицетов от сезона, pH среды и типа почвы (Куркина, Родимова, Дедков, 2011).
Микромицеты - широко распространенная и достаточно разнообразная группа микроскопических грибов. По признаку размера плодовых тел представлены двумя основными группами: макрофиты, имеющие крупные плодовые тела, образующиеся на поверхности почвы или непосредственно в почве; микрофиты, имеющие плодовые тела малых размеров. Микромицеты преимущественно распространены в лесных почвах, нередко являются микоризообразователями или естественными деструкторами древесных пород. Также являются одними из регуляторов почвообразовательных процессов (Нетрусов, Котова, 2006).
Целлюлозоразлагающие бактерии - способны
разлагать целлюлозу в анаэробных и аэробных условиях. Относятся к различным
таксономическим группам. Все обладают способностью синтезировать ферменты,
расщепляющие целлюлозу (Куркина и др., 2013).
.4 Цинк как поллютант почв
В современной научной литературе довольно часто встречается специфический термин «супертоксикант». Его используют, чтобы обозначать загрязняющие вещества, обладающие мощными мутагенными и канцерогенными эффектами. Эти вещества отличаются высокой способностью к накоплению и сильной токсичностью в малых дозировках. Все супертоксиканты без исключений располагают широчайшим диапазоном ингибирующих и индуцирующих свойств. Они также могут вызывать повышение восприимчивости к некоторым веществам природного происхождения или ксенобиотикам у живых организмов. Необходимо отметить стойкость супертоксикантов к деструкции, а так же наличие способности сверхаккумулироваться, что объясняется отсутствием у них верхнего предела токсичности. (Майстренко и др., 1996).
Тяжелые металлы имеют прямое отношения к супертоксикантам, т.к. многие из них (ртуть, свинец, кадмий, цинк, медь и др.) обладают всеми вышеперечисленными характеристиками и проявляют высокие токсикологические свойства даже в следовых количествах, концентрируясь в живых организмах (Майстренко и др., 1996).
Почвы урбанизированных экосистем дополнительно подвергаются негативным физическим воздействиям - активное давление на поверхность почвы (вытаптывание и транспорт), агротехнические мероприятия и особенно процессы связанные с перемещением большого количества почвы. Данные процессы в корне изменяют почвенные параметры, её структуру, водный режим, уровень аэрации (Куркина и др., 2009).
Цинк - является приоритетным поллютантом из числа супертоксикантов. Соединения цинка обладают высокотоксичными свойствами даже в следовых количествах. Кларк Zn в земной коре - 10 мг\кг почвы. В природе этот металл распространен преимущественно в виде различных минералов: цинкит, сфалерит, виллемит, каламин, смитсонит, франклинит и других. Цинк также является крайне энергичным водным мигрантом. В сумме с его металлическими свойствами, он играет роль микроэлемента. В почве также может содержаться в следующих формах: водорастворимой, ионообменной и непрочно адсорбированной. Водорастворимые формы включают в себя: хлориды, соли, сульфаты и нитраты. Так же в почве присутствуют комплексные органические цинковые соединения. Такие свойства этого металла-токсиканта, как растворимость и доступность, в почве сводятся к отрицательной корреляции с насыщенностью кальцием и фосфором. Данные свойства могут изменяться под влиянием адсорбции, взаимодействия между вышеуказанными элементами, процесса осаждения. В областях высоких показателей кислотности среды нельзя игнорировать влияние растворимых цинк-органических комплексных соединений и анионных форм цинка на способность хорошо растворяться и оставаться доступным. Цинк так же легко мобилизуется продуктами аэробного разложения клетчатки из основных карбонатов и оксидов (Майстренко и др., 1996).