Материал: Исследование биологической активности почвы, загрязненной солями цинка

Вероятно, это может объясняться конкуренцией разных групп за питательные вещества на одном субстрате. Актиномицеты на исследованных образцах с данной питательной средой (КАА) не были обнаружены, тогда как присутствует большое количество микроорганизмов, систематическую принадлежность которых трудно определить.

Рис.5 Зависимость количественного содержания микроорганизмов (КОЕ/г), от концентрации цинка на среде КАА.

Микроорганизмы из группы аммонификаторов не проявили особой чувствительности в повышению концентрации цинка (рис. 6). Но на диаграмме можно проследить зависимость от концентрации, напоминающую таковую в группе микроорганизмов, фиксирующих минеральные формы азота. В общей тенденции наблюдаются похожие колебания численности с минимальным значением при концентрации поллютанта в 1000 ПДК - 2·105 КОЕ/г. При остальных уровнях концентрации цинка уровень численности аммонификаторов остается сравнительно стабильным (3,4 - 4,2·105 КОЕ/г), что практически соответствует значению в контрольной пробе - 4,3·105 КОЕ/г (в сравнении с пробами, несущими добавочную дозу цинка). Подобная стабильность численности может быть связана с частными изменениями микробного состава исследуемой почвенной пробы, где угнетение одних аммонифицирующих микроорганизмов создает благоприятные условия для развития других, более устойчивых.

Рис. 6 Зависимость количественного содержания микроорганизмов (КОЕ/г) от концентрации цинка на среде МПА.

Численность микроскопических грибов на среде МПА в общем количестве незначительная - 15000-20000 КОЕ/г, таким образом не превышая контрольного значения в 30000 КОЕ/г. Пигментные бактерии регистрируются на пробах при всех добавочных концентрациях цинка, но их численность также незначительна - от 17000 до 80000 КОЕ/г в загрязненных пробах и 90000 КОЕ/г в контрольном значении. Это может объясняться тем, что более многочисленные аммонифицирующие микроорганизмы легче переносят высокие концентрации цинка, что позволяет им занять более выгодную нишу и увеличить численность. Нельзя не заметить, что аммонификация - широко распространенный процесс в почве, обеспечиваемый широкой группой микроорганизмов. Он является важнейшим процессом деструкции органических веществ в почве, обуславливая её плодородие. Таким образом, снижение общего числа аммонифицирующих микроорганизмов может повлечь за собой упадок и обеднение почвы.

Численность спорообразующих бактерий на среде МПА наблюдается стабильной. Они являются доминирующей группой в общем количестве микроорганизмов на среде МПА. Среди спорообразующих бактерий в исследуемой пробе с максимальной добавочной концентрацией цинка преобладает род Bacillus. Его представители легко идентифицируются с помощью микроскопа при исследовании фиксированного препарата, приготовленного из исследуемой культуры. Определить видовой состав не представилось возможным - абсолютное большинство исследуемых клеток обладает схожими характеристиками, что затрудняет дальнейшее определение.

Минимальная численность спорообразующих бактерий обнаруживается в пробе с добавочной дозой в 1000 ПДК - 109000 КОЕ/г, тогда как в контрольном значении их численность достигает 350000 КОЕ/г. На других экспериментальных концентрациях численность спорообразующих бактерий не отличается от контрольной пробы в значительной мере. Это уже третий случай угнетения активности при данной концентрации в 1000 ПДК. Возможно, что наибольшее токсическое действие на некоторые группы почвенной микрофлоры цинк проявляет на концентрации в 1000 ПДК или близких к ней.

Спорообразующие бактерии на среде МПА+СА слабо реагируют на повышение концентрации цинка в исследуемых образцах почвы (рис. 7). На диаграмме наблюдаются слабые флуктуации численности. Не прослеживается прямой или косвенной зависимости между концентрацией цинка и количеством спорообразующих бактерий - их количество остается сравнительно стабильным в общем числе микроорганизмов. Минимальная их численность обнаруживается в пробе с добавочной дозой в 100 ПДК - 1500 КОЕ/г, причем на данной концентрации цинка наблюдается небольшой упадок численности как спорообразующих бактерий, так и самой общей численности микроорганизмов - 4300 КОЕ/г. Максимальная численность спорообразующих бактерий устанавливается на концентрации 1000 ПДК, достигая значения в 3200 КОЕ/г и далее оставаясь стабильной.

Рис. 7 Зависимость количественного содержания микроорганизмов (КОЕ/г) от концентрации цинка на среде МПА+СА.

Доля актиномицетов чрезвычайна мала и они обнаруживаются лишь в половине исследуемых образцов. Активность актиномицетов полностью ингибируется на концентрациях поллютанта 500 ПДК и 1000 ПДК. В остальных пробах актиномицеты обнаруживаются в двух третях от всех повторностей. Видимо, эта группа почвенных микроорганизмов также обладает высокой чувствительностью к цинковому загрязнению почв наряду с целлюлозодеструкторами.

Следует отметить, что эти данные идут в разрез с имеющимися в литературных источниках. Актиномицеты - одна из наиболее многочисленных групп, в то же время она является самой распространенной. Ранее её представители обнаруживались в городских почвах в изобилии и достаточно большом количестве. По некоторым данным их число достигало значения в 45·106 КОЕ/г в почвах слабозагрязненной зоны (Куркина, Родимова, 2011).

В исследуемом образце с дополнительной дозой цинка в 1500 ПДК с помощью осмотра фиксированного препарата был идентифицирован представитель рода Micrococcus - единственного присутствующего представителя актиномицетов в исследуемых пробах с добавочным цинковым загрязнением. Это еще одно расхождения с данными литературных источников. Ранее обнаруживались актиномицеты рода Streptomyces с преобладанием секций Cinereus, Albus и Roseus (Куркина, Родимова, 2011). В настоящем же эксперименте данный род не обнаружился вовсе, а общее число актиномицетов чрезвычайно мало. Более подробный анализ состава этой группы микроорганизмов в исследуемых загрязненных образцах не представляется возможным именно из-за их сверхмалой численности.

Общее содержание микроскопических грибов в почве, загрязненной цинком, невелико (рис. 8).

Рис. 8 Зависимость количественного содержания микроорганизмов (КОЕ/г) от концентрации цинка на среде Чапека.

При этом возрастание общей численности микроорганизмов на данной среде наблюдается при добавочной концентрации 1000 ПДК - до 8200 КОЕ/г, что некое подобие обратной зависимости (в отличие от вышеописанных случаев) и превышает контрольное значение как минимум в 2,5 раза. В исследуемых пробах с микромицетами присутствует большое число микроорганизмов, принадлежность которых к определенной группе трудно определить.

Значительное повышение содержания данной группы микроорганизмов в почве нежелательно, так как вырабатываемые ими микотоксины способствуют неблагоприятным изменениям в микробоценозе почвы, оказывая губительное воздействие на отдельные компоненты почвенной микрофлоры. Это может повлечь за собой смену доминантных групп почвенных микроорганизмов, что вызовет нарушения в микробном балансе почвы и снизит общий показатель ее биологической активности.

Активность азотофиксирующих микроорганизмов на загрязненной цинком почве значительно снижена (рис. 9). Азотфиксаторы наблюдаются в присутствии всех добавочных концентраций цинка. Их численность не слишком сильно отличается от контрольного значения (150000 КОЕ/г), за исключением одного случая - на максимальной концентрации поллютанта (1500 ПДК). В этом случае количество азотофиксаторов резко возрастает почти в 4 раза - до 600000 КОЕ/г. Однако их доля в общем числе почвенных микроорганизмов остается не слишком значительной. На исследуемой среде Эшби так же обнаружилось большое число микроорганизмов, принадлежность которых к определенной группе трудно определить - многочисленные колонии представителей разных групп, не являющихся ключевыми на данной среде.

Рис. 9 Зависимость количественного содержания микроорганизмов (КОЕ/г) от концентрации цинка на среде Эшби.

Низкая численность азотфиксаторов в почве может привести к негативным изменениям не только в почвенной микрофлоре, но и в масштабах всей экосистемы. Это обосновывается тем, что данная группа микроорганизмов является неотъемлемым участником в круговороте азота в живой природе, а также важной симбиотической группой для высших растений. Полное ингибирование активности азотофиксирующих микроорганизмов может грозить упадком плодородного потенциала почвы и снижению ее способности к самоочищению.

Воздействие цинка в качестве поллютанта почвы на различные группы микроорганизмов представилось достаточно разносторонним. Наибольшую устойчивость к нему показали аммонифицирующие и спорообразующие группы микроорганизмов, а так же микроорганизмы, использующие минеральные формы азота. Численность вышеупомянутых групп оставалась относительно стабильной. Наибольшую чувствительность к цинковому загрязнению демонстрировали целлюлозоразлагающие микроорганизмы, исчезнувшие из исследованных образцов при первой добавочной концентрации цинка в 100 ПДК. Чуть меньшую чувствительность продемонстрировали актиномицеты и азотфиксирующие микроорганизмы. Актиномицеты являются самой малочисленной группой в исследованных пробах с высокими добавочными дозами цинка.

Отдельного внимания явно заслуживает фиксированная концентрация поллютанта в 1000 ПДК, так как именно в данной концентрации происходит угнетение групп почвенных микроорганизмов, признанных обладателями повышенной устойчивости к загрязнителю.

Таким образом, комплексное влияние загрязнения цинком в виде сульфата на микробный компонент биологической активности почв имеет достаточно разносторонний характер и проявляется в количественном и качественном изменении различных показателей почвенных микроорганизмов. Повышение уровня концентрации поллютанта может приводить к слабым колебаниям численности одних групп почвенных микроорганизмов, устойчивых к загрязнителю, тогда как доля других остается невысокой.

При сравнении активности разных групп почвенных микроорганизмов было установлено, что в разные группы характеризуются разнонаправленным изменением под влиянием воздействия высоких концентраций солей цинка.

Значительные изменения в составе почвенных групп микроорганизмов способны привести к деградации микробного комплекса почвы, что немедленно повлечет за собой изменения среди других компонентов биологической активности почв, с последующим накоплением поллютанта, утратой плодородия и способности к самоочищению. Данные изменения также могут привести к формированию вредной или патогенной микрофлоры - замещению доминантных групп микроорганизмов в присутствии загрязнителя.

Выводы

) Влияние солей цинка на микробиологический компонент биологической активности почв имеет разносторонний характер, оказывая неоднозначное воздействие на качественные и количественные показатели различных групп почвенных микроорганизмов.

) Чувствительными к повышенной концентрации сульфата цинка группами почвенной микрофлоры являются целлюлозоразлагающие микроорганизмы и актиномицеты, активность которых полностью ингибировалась при первой добавочной дозе поллютанта в 100 ПДК.

) Устойчивыми группами микроорганизмов к загрязнению сульфатом цинка являются спорообразующие бактерии (3200-3400 КОЕ/г), в частности бактерии рода Bacillus, а так же группа аммонифицирующих микроорганизмов - их численность колебалась в достаточно узких пределах от 3,4 до 4,2·105 КОЕ/г.

) Максимальное угнетающее действие на активность микроорганизмов оказывают следующие концентрации поллютанта: 1000 ПДК и 1250 ПДК.

Библиографический список

1) Аванесян Н. М. Методические указания к практическим занятиям по «Основам токсикологии». - Ульяновск: Изд-во УлГТУ, Биохимия - 2006. - С. 7-10.

2) Анциферова О. А., Мурачёва Л. С. К характеристике почв городских парков Калининграда <http://journals.kantiana.ru/vestnik/416/1033/> // Вестник БФУ им.И.Канта, Естественные науки - 2009. - №07. - С. 83-90.

) Буракаева А. Д., Русанов А. М., Лантух В. П. Роль микроорганизмов в очистке сточных вод от тяжелых металлов: методическое пособие. - Оренбург: Изд-во ОГУ, Биология - 1999. - С. 20-24.

) Вайнерт Э. Биоиндикация загрязнений наземных экосистем. - М.: 1988. - С. 231 - 248.

) Ващейкин А. С., Садовников П. В., Куркина М. В., Дедков В. П. О содержании тяжелых металлов в почвогрунтах урбанизированных экосистем Калининграда // Вестник БФУ им. И. Канта, Естественные науки - 2014. - С. 82 - 96.

) Гусев М.В., Минеева Л.А. Микробиология: Учебник для студ. биол. специальностей вузов - 4-е изд., стер. - М.: Издательский центр «Академия», 2003. -464 с.

) Дедков В.П., Куркина М.В. Актуальные проблемы изучения микрофлоры почв города Калининграда // Вестник БФУ им.И.Канта, Естественные науки - 2009. - №07. - С. 77-83.

) Добровольский Г.В. Место и роль почвоведения в изучении и решении современных экологических проблем // Вестник МГУ. Сер. 17. Почвоведение. - 20061. - №2. - С. 3- 7.

) Добровольский В. В. География микроэлементов: глобальное рассеяние. - М.: Мысль - 1983. - С. 65- 71, 110.

) Добровольский В. В. Основы биогеохимии. Изд-во АCADEMIA - 2003. - С. 90-98.

) Евдокимова Г. А., Мозгова Н. П. Биоразнообразие почвенной биоты, как фактор устойчивости почв к загрязнению // Тезисы Всероссийского совещания «Антропогенной воздействие на природу Севера и его экологические последствия». - Мурманская обл., 1998 - С. 1 - 2.

) Егоров Н.С. Руководство к практическим занятиям по микробиологии: Учеб. пособие - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Изд-во МГУ, 1995. - 224 с.

)  Зайцева Т.А., Рудакова Л.В., Уланова Т.С. Оценка влияния выбросов автотранспорта на микрофлору экосистемы почвы // Фундаментальные исследования, Технические науки - 2014. - №05. - С. 23-28.

) Зигель Х., Зигель А. Некоторые вопросы токсичности ионов металлов. - М.: Мир, 1993. - С. 233-245.

) Иванова Е. Ю. Основы микробиологии и экологии бактерий. Методические указания. - Воронеж: Изд-во ВГУ, Геоэкология - 2000. - С. 12 - 13.

) Казеев К.Ш., Колесников С.И. Вальков В.Ф. Биологическая диагностика и индикация почв: методология и методы исследований. Изд-во РГУ - 2003. - 216 с.

) Калюжин В.А., Калюжина О.В. Влияние концентрированных растворов солей тяжелых металлов на физиологические и кинетические показатели микроорганизмов. - Томск: Биологические науки - 2006. - С. 218 - 221.

) Ковда В. А. Почвенный покров, его улучшение, использование и охрана. - М.: Наука - 1981. - С. 69 - 182.

) Козлова А. А. Учебная практика по физике почв: учеб.-метод. пособие. - Изд-во Иркут. гос. ун-та, 2009. - 81 с.

) Колесников О. В. Влияние ксенобиотиков и тяжелых металлов на систему «микроорганизм-растение». Автореферат. - Москва: РГАУ-МСХА. - 2012. - С. 5 - 22.

) Колосова И.И. Влияние ацетата свинца, солей тяжёлых металлов на репродуктивную функцию // Вестник проблем биологии и медицины - 2013. - Вып. 3, Том 2. - С. 13-18.

) Костина Л. В., Куюкина М. С., Ившина И. Б. Методы очистки загрязненных тяжелыми металлами почв с использованием биосурфактантов // Вестник Пермского Университета. Вып. 10 (36). - Пермь: Биология, 2009. - С. 96 - 105.

) Куркина М.В., Ващейкин А.С., Дедков В.П., Краснопёров А.Г. Сравнительный анализ групп микроорганизмов в естественных и антропогенно измененных бурых лесных почвах Калининградского полуострова <http://journals.kantiana.ru/vestnik/1438/4080/> // Вестник БФУ им. И. Канта, Естественные науки - 2013. - №07. - С. 8-14.