Мікрофлора забруднених важкими металами ґрунтів, їх індикація та шляхи оздоровлення

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна академія наук України

Інститут мікробіології і вірусології ім. Д.К. Заболотного

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

03.00.07-Мікробіологія

Мікрофлора забруднених важкими металами ґрунтів, їх індикація та шляхи оздоровлення

Макарчук Зоя Василівна

Київ 2000

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті мікробіології і вірусології ім. Д.К. Заболотного НАН України.

Науковий керівник: доктор біологічних наук, ст.наук.співр. Іутинська Галина Олександрівна, Інститут мікробіології і вірусології ім. Д.К. Заболотного НАН України, завідувач відділу загальної та ґрунтової мікробіології.

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук, професор Жданова Неллі Миколаївна, Інститут мікробіології і вірусології ім. Д.К. Заболотного НАН України, завідувач відділу фізіології та систематики мікроміцетів;

доктор медичних наук, Глоба Леонід Іванович, Інститут колоїдної хімії та хімії води ім. А.В. Думанського НАН України, завідувач відділу мікробіології очищення води.

Провідна установа: Інститут сільськогосподарської мікробіології УААН, м. Чернігів.

Захист відбудеться “15” листопада 2000 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.233.01 Інституту мікробіології і вірусології ім. Д.К. Заболотного НАН України за адресою: м. Київ, 03143, вул. Заболотного, 154

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту мікробіології і вірусології ім. Д.К. Заболотного НАН України за адресою: м. Київ, 03143, вул. Заболотного, 154

Автореферат розісланий “14” жовтня 2000 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, кандидат біологічних наук Пуріш Л.М.

1. Загальна характеристика роботи

метал мікрофлора мутагенний забруднений

Актуальність теми. Важкі метали є небезпечними забрудненнями довкілля. Потрапляючи в ґрунт з газопиловими викидами промислових підприємств, автотранспорту, з домішками добрив, пестицидів та ін., вони накопичуються в ньому до небезпечних концентрацій і негативно впливають на ґрунтову біоту, сільськогосподарські рослини, тварин. По трофічних ланцюжках важкі метали можуть потрапити до людини і становити загрозу її здоров'ю.

Проблема боротьби з забрудненням ґрунтів набула глобального характеру, актуальна вона і для України. За структурою земельного фонду 2/3 території нашої країни зайнято землями сільськогосподарського призначення, з яких більш як 4,5 млн. га забруднені важкими металами і радіонуклідами (Земельні ресурси України,1998).

У зв'язку з цим постає необхідність організації і проведення ґрунтового моніторингу, тобто постійних спостережень, оцінки і прогнозування екологічного стану ґрунтів.

Відомо, що мікроорганізми чутливо реагують на зміни факторів навколишнього середовища, зокрема, в ґрунтах, забруднених важкими металами, пригнічується розвиток окремих груп мікроорганізмів, їх біохімічна активність, змінюється склад мікробних угруповань (Гузев В.С. с соавт., 1985).

Зважаючи на це багато дослідників відносять мікроорганізми до пріоритетних об'єктів моніторингу наземних систем, в тому числі і ґрунту (Евдокимова Г.А. с соавт.,1984; Doelman P.at al., 1994).

Проте до нинішнього часу не існує загальновизнаної системи мікробіологічних показників для проблемно орієнтованого біологічного моніторингу ґрунтів, забруднених важкими металами. Одним з важливих і мало вивчених аспектів моніторингових досліджень є визначення мутагенного впливу забруднених ґрунтів на мікробні популяції. Значної уваги заслуговує вивчення механізмів формування резистентності мікробних угруповань до забруднень.

При розробці заходів реабілітації забруднених важкими металами ґрунтів не в повній мірі використовуються сучасні біотехнологічні підходи, зокрема застосування мікроорганізмів і їх метаболітів для створення меліорантів комбінованої дії.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у відповідності з напрямком науково-дослідних робіт Інституту мікробіології і вірусології в межах бюджетної тематики відділу загальної і ґрунтової мікробіології № 2.28.9.9, а також проектів ДНТП 01.05 ”Охорона і відтворення земельних ресурсів України”.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи - вивчити вплив важких металів на мікрофлору темно-сірого опідзоленого ґрунту, створити систему мікробіологічних показників для проблемно-орієнтованого біологічного моніторингу забруднених важкими металами ґрунтів, розробити основи заходів їх реабілітації.

Виходячи з мети досліджень вирішувались такі завдання:

- дослідити вплив важких металів і меліорантів на ферментативну активність ґрунту;

- вивчити токсичність і мутагенний фон ґрунту, забрудненого важкими металами, а також дію меліорантів для зменшення мутагенної дії забруднень;

- визначити резистентність ґрунтових мікроорганізмів до забруднень важкими металами;

- дослідити гомеостаз мікробних угруповань в забрудненому ґрунті;

- визначити вміст рухомих форм важких металів у забрудненому і меліорованих ґрунтах;

- розробити основи заходів для оздоровлення ґрунтів, забруднених важкими металами.

Наукова новизна одержаних результатів.

Вперше для моніторингу забруднених важкими металами ґрунтів застосований системний підхід - вивчення впливу токсикантів на різні рівні організації мікробної системи ґрунту: доклітинний, клітинний, популяційний, ценотичний.

Показано, що як індикатор на забруднення може бути використана аскорбатоксидазна активність ґрунту, яка пригнічується під впливом важких металів.

Встановлено, що важкі метали підвищують токсичність і мутагенний вплив забрудненого ґрунту на тест-мікроорганізм Salmonella typhimurium TA 100.

Вперше вивчено вплив важких металів на швидкість руху мікроорганізмів методом лазерної кореляційно-доплерівської спектрометрії. Виділена тест-культура Pseudomonas sp.19, швидкість руху якої використана як показник стану забруднення середовища важкими металами.

Показано, що в забрудненому ґрунті зростає чисельність резистентних мікроорганізмів, співвідношення чисельності резистентних і чутливих мікроорганізмів у забрудненому ґрунті вище, ніж у контрольному.

Розраховані показники, що характеризують гомеостаз мікробних угруповань у ґрунті, забрудненому важкими металами: виживання мікроорганізмів, чутливість до токсикантів, швидкість відновлення чисельності мікробного ценозу.

Практичне значення одержаних результатів.

Запропонована і апробована система мікробіологічних показників для проблемно орієнтованого біологічного моніторингу ґрунтів, забруднених важкими металами, яка включає визначення аскорбатоксидазної активності ґрунту, токсичності і мутагенності забрудненого ґрунту з використанням тест-мікроорганізму Salmonella typhimurium TA 100, співвідношення чисельності резистентних і чутливих до важких металів мікроорганізмів, швидкість руху клітин тест-культури Pseudomonas sp.19, виживання мікроорганізмів у забрудненому ґрунті, чутливість до токсикантів, швидкість відновлення чисельності мікробного ценозу.

На основі розробленої нами системи індикаційних показників проведена комплексна порівняльна оцінка ефективності неорганічних, органічних, біологічних і комбінованих меліорантів. Розроблені заходи для оздоровлення забруднених ґрунтів - рекомендовано при низьких рівнях забруднення (1 ГДК) застосування цеоліту білого, цеоліту зеленого, вермікуліту, біогумусу, суспензії міцелію і спор культури Streptomyces alboviridis 141, а при високих рівнях забруднення (10-20 ГДК) перспективне використання біогумусу і гіпсу з культурою Streptomyces alboviridis 141.

Особистий внесок здобувача. Розробка програми досліджень, проведення польових та лабораторних дослідів, статистична обробка експериментальних даних, їх аналіз та теоретичне узагальнення отриманих результатів виконані дисертантом особисто або при його безпосередній участі.

Дослідження токсичності і мутагенного впливу на мікроорганізми ґрунту, забрудненого важкими металами, проводилось разом з кафедрою мікробіології Одеського державного університету ім. І.І.Мечникова за участю інж. Сопліної О.М. Штам Salmonella typhimurium TA 100, використаний для токсико-генетичних досліджень, був наданий завідувачем кафедри мікробіології Одеського державного університету ім. І.І.Мечникова д.б.н. В.О.Іваницею, за що ми висловлюємо щиру вдячність.

Визначення вмісту рухомих форм важких металів у ґрунті проводилось на базі Інституту екогігієни і токсикології ім.Л.І. Медведя.

Досліди з використанням методу лазерної кореляційно-доплерівської спектрометрії виконувались на базі Інституту біоорганічної хімії і нафтохімії НАН України.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідались на Міжнародній конференції “Проблемы микробиологии и биотехнологии” (м. Мінськ - 1998 р.); на 5-му Делегатському з'їзді ґрунтознавців і агрохіміків України (м. Рівне - 1998 р.); на конференції “Экономические проблемы производства и потребления экологически чистой продукции АПК” (м. Суми - 1999 р.).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 10 наукових праць, з них 6 статей - у фахових журналах.

Структура та обсяг роботи. Загальний обсяг роботи становить 120 сторінок машинописного тексту і складається з вступу, огляду літератури, п'яти розділів власних експериментальних досліджень, висновків, списку літератури, який включає 134 першоджерел (з них 55 іноземних). Робота ілюстрована 23 рисунками і 5 таблицями.

Огляд літератури

Складається з 4 підрозділів, в яких розглядаються питання джерел забруднення ґрунтів важкими металами, впливу важких металів на ґрунтову мікрофлору, резистентності ґрунтових мікроорганізмів до забруднення важкими металами, розглянуті методи оздоровлення ґрунтів, забруднених важкими металами.

Матеріали і методи дослідження

Об'єктом дослідження була мікрофлора темно-сірого опідзоленого ґрунту Київської області. Досліджувався вплив важких металів на різні систематичні і еколого-трофічні групи мікроорганізмів: мікроміцети, стрептоміцети, органотрофні, амілолітичні бактерії та бактерії, що синтезують екзополісахариди (ЕПС). В лабораторних і польових дослідах проводили модельне забруднення ґрунту шляхом внесення водних розчинів солей важких металів Cu2+, Cd2+, Pb2+, Zn2+, Hg2+, Sr 2+ або їх сумішей в різних дозах (кожного металу) від 1 до 20 гранично-допустимих концентрацій (ГДК). В контрольний ґрунт важкі метали не вносили.

Для розробки заходів оздоровлення забрудненого важкими металами ґрунту вивчали дію неорганічних, органічних, біологічних і комбінованих меліорантів: неорганічні - цеоліт білий (3 т/га), цеоліт зелений (3 т/га), вермікуліт (0,5 т/га); органічні - біогумус (8 т/га); біологічні - культура Streptomyces alboviridis 141, стійка до високих доз важких металів і здатна вилучати їх з водних розчинів (доза внесення 3х1010 колонійутворюючих одиниць/га); комбіновані - гіпс (2,1 т/га) з культурою S.alboviridis 141 (3х1010 колонійутворюючих одиниць/га), колоїдний сополімер на основі мікробного полісахариду - енпосану (20%) і поліакриламіду (80%), доза внесення 15 т/га.

В своїй роботі ми базувались на системному підході до мікробної системи ґрунту, яка має такі рівні організації: доклітинний, клітинний, популяційний, ценотичний. На кожному з цих рівнів вивчали індикаційні показники, які характеризували вплив важких металів.

На доклітинному рівні організації мікробної системи визначали аскорбатоксидазну активність ґрунту модифікованим аскорбінометричним методом (Иутинская Г.А., Серая Л.И.,1996).

На клітинному рівні вивчали токсичність і мутагенний вплив ґрунту на клітини ауксотрофного по гістидину штаму Salmonella typhimurium TA 100. Це - відомий тест-мікроорганізм, який застосовується генетиками і мікробіологами як дуже чутливий до впливу важких металів, пестицидів, радіонуклідів. Штам дуже легко утворює мутації під впливом токсикантів. Токсичність ґрунту визначали по пригніченню розвитку тест-мікроорганізму, а мутагенну активність - за індукцією зворотніх мутацій (реверсій) до прототрофності (збільшенням числа прототрофних колоній на мінімальному селективному середовищі в присутності витяжки з забрудненого ґрунту порівняно з контрольним середовищем).

На популяційному рівні вивчали резистентність і чутливість окремих мікробних популяцій до забруднення ґрунту важкими металами. Кількість резистентних органотрофних мікроорганізмів визначали на розведеному вдвічі м'ясо-пептонному бульйоні (МПБ) з 2% агар-агару при додаванні важких металів в двох градієнтах концентрацій - від 0,1 до 1 та від 1 до 9 ГДК. Ступінь резистентності мікробних угруповань характеризували за співвідношенням чисельності резистентних і чутливих мікроорганізмів.

На ценотичному рівні були досліджені показники, які характеризують гомеостаз мікробного угруповання: здатність до виживання мікроорганізмів у забрудненому ґрунті (в % від контролю), чутливість до важких металів, швидкість і тривалість періоду відновлення окремих груп мікроорганізмів (органотрофних, амілолітичних, ЕПС-синтезуючих бактерій, мікроміцетів, стрептоміцетів).

Поведінку резистентної і чутливої культур мікроорганізмів при різних концентраціях важких металів вивчали за допомогою лазерної кореляційно-доплерівської спектрометрії, яка надає можливість визначити лінійну швидкість руху бактеріальних клітин. Для роботи з контрольного і забрудненого ґрунту були виділені культури, які характеризувались активним поступальним рухом зі швидкістю - 45-47 мкм/с. Серед цих культур для дослідів була відібрана чутлива до дії важких металів культура Pseudomonas sp.19 і резистентна - Pseudomonas sp.33. Чутлива культура не росла при 1 ГДК важких металів у середовищі. Резистентна культура Pseudomonas sp.33 здатна була витримувати концентрації важких металів у середовищі 5-7 ГДК. Швидкість руху клітин вимірювали в контрольному середовищі (МПБ) і при додаванні в нього різних концентрацій важких металів (Cu2+, Cd2+, Pb2+ і Zn2+).

Визначення вмісту рухомих форм Cu2+, Cd2+, Pb2+ i Zn2+ у ґрунті проводили в ацетатно-амонійній витяжці (рН 4,8) методом атомно-абсорбційної спектрометрії (Физико-химические методы исследования почв, 1980).

Статистичну обробку даних експериментальних досліджень проводили за Ашмаріним І. П. і Воробйовим А. А. (1990).

2. Основний зміст роботи

Вплив важких металів і меліорантів на аскорбатоксидазну активність ґрунту

Чутливими до змін факторів зовнішнього середовища є ферменти. В нашій роботі як показник впливу важких металів на ферментативну активність ґрунту була використана аскорбатоксидазна активність. Цей фермент відноситься до групи оксидоредуктаз, які зв`язані з транспортом електронів, що беруть участь в “диханні ґрунту”, тобто в процесі, який є чутливим до дії важких металів.

Дослідження впливу окремих важких металів - Cu2+, Cd2+, Hg2+ - в дозі 2 ГДК на аскорбатоксидазну активність ґрунту показало, що в перші строки активність ферменту найсильніше (на 40-50%) пригнічує ртуть і кадмій (рис.1).

При забрудненні сумішшю важких металів в дозі 20 ГДК аскорбатоксидазна активність також зменшується на 40%.

Застосування таких меліорантів як цеоліт білий і біогумус у забрудненому сумішшю важких металів ґрунті сприяло підвищенню активності ферменту у 1,5 рази порівняно з забрудненим ґрунтом без меліорантів.

Токсичність і мутагенність ґрунту, забрудненого важкими металами

Негативний вплив важких металів на мікроорганізми проявляється в мутагенній дії на генетичний апарат мікробної клітини. Поява мутантних штамів може призвести до непередбачуваних екологічних наслідків.

Проведені дослідження показали, що при забрудненні ґрунту сумішшю важких металів (Cu2+, Cd2+, Pb2+, Zn2+) його токсичність зростала на 46-78% порівняно з контролем.

Меліоранти зменшували токсичні властивості забрудненого ґрунту, а в деяких випадках навіть відмічена стимуляція росту тест-мікроорганізму. Наприклад, при дозі забруднення 1 ГДК стимуляцію розвитку тест-мікроорганізму спостерігали при застосуванні біогумусу, культури Streptomyces alboviridis 141, цеоліту білого - у 2,2-3,4 рази, а при внесенні цеоліту зеленого та вермікуліту - у 4,7-6,2 рази порівняно з контролем. При дозі 10 ГДК токсичність ґрунту знімали такі меліоранти: цеоліт білий, біогумус, КС-1 і гіпс з S. alboviridis 141. При більш високій дозі забруднення (20 ГДК) ефективним був лише біогумус.

Встановлено, що як розчини солей важких металів, так і забруднений ними ґрунт мають значний мутагенний вплив на мікроорганізми. Так, при вивченні дії розчинів солей окремих металів найбільшу мутагенну дію на тест-культуру мав Pb2+, в присутності якого частота мутацій перевищувала спонтанний рівень у 2,1 рази. Мутагенна дія Cu2+, Zn2+ і Cd2+ була статистично недостовірною. Суміш досліджуваних важких металів мала сильніший мутагенний вплив на тест-мікроорганізм, ніж будь-який важкий метал окремо: частота мутацій перевищувала рівень спонтанних мутацій у 7,8 рази.

Забруднення ґрунту важкими металами в дозах від 1 до 20 ГДК призводило до збільшення його мутагенної активності в 2,29-5,10 рази порівняно зі спонтанним рівнем (рис.2).

При невисокій дозі забруднення (1 ГДК) всі досліджені меліоранти знешкоджували мутагенну дію важких металів.

При більш високих дозах забруднення ефективність меліорантів зменшувалась. Так, при дозі забруднення 10 ГДК мутагенність ґрунту знижувало до спонтанного рівня застосування біогумусу та сополімеру енпосану з поліакриламідом, а при 20 ГДК - застосування біогумусу і гіпсу з S.alboviridis 141.

Резистентність ґрунтових мікроорганізмів до забруднення важкими металами

Проведені дослідження показали, що в складі органотрофних мікроорганізмів забрудненого ґрунту значно зростає кількість резистентних мікроорганізмів, здатних витримувати високі концентрації металів у середовищі.

Так, в забрудненому ґрунті при дозі 1 ГДК кількість резистентних мікроорганізмів становила 64-94% від загальної чисельності органотрофів, в той час як у контрольному - 27-62%. При більш високих дозах забруднення ґрунту (10 і 20 ГДК) спостерігалась така ж закономірність у формуванні мікробної резистентності. Найбільш висока чисельність резистентних мікроорганізмів відмічається на 15-30-у добу після внесення металів у ґрунт - до 95% від загальної кількості мікроорганізмів.

Показано, що використання меліорантів на забруднених ґрунтах прискорювало розвиток резистентної до важких металів мікрофлори. Так, вже на 15-у добу досліду найбільша відносна кількість резистентних мікроорганізмів була виявлена при застосуванні біогумусу - 90%, в той час як в забрудненому ґрунті без меліорації вона дорівнювала 52,1%.

Для характеристики резистентності мікробних угруповань нами був використаний такий показник як співвідношення чисельності резистентних і чутливих мікроорганізмів. Це співвідношення в мікробних угрупованнях контрольного ґрунту коливалось від 3 до 5, а забрудненого - від 8 до 21.

Слід відмітити, що мікроорганізми зберігали резистентність до важких металів після тривалого зберігання і пересівів на середовища без металів.

Вивчення діапазону чутливості мікроорганізмів до важких металів показало, що резистентні культури витримували концентрацію важких металів у середовищі, еквівалентну 5-7 ГДК, поріг їх чутливості дорівнював 5 ГДК, а чутливі культури не росли при концентрації важких металів у середовищі, еквівалентній 1 ГДК, поріг їх чутливості становив 0,25 ГДК.

Чутливі до токсикантів штами мікроорганізмів можуть бути використані як індикатори на забруднення ґрунту важкими металами.

Проведені дослідження впливу важких металів на швидкість руху мікроорганізмів методом лазерної кореляційно-доплерівської спектрометрії показали, що реакція на внесення Pb2+, Cd2+, Zn2+, Cu2+ у чутливої до металів культури (Pseudomonas sp.19) була більш виразною, ніж у резистентної (Pseudomonas sp.33).

Встановлено, що на 20-40 хв. досліду дози важких металів, еквівалентні 1 ГДК не чинили значного токсичного впливу на швидкість руху мікроорганізму Pseudomonas sp.19; більш високі концентрації металів (3, 5 і 10 ГДК) призводили до стійкого зменшення швидкості її руху - на 25-36,5%. У резистентної культури Pseudomonas sp.33 під впливом важких металів швидкість руху після незначного зниження відновлювалась.

За негативним впливом на швидкість руху метали можна вишикувати у такий зростаючий ряд: Cu2+ ‹ Zn2+ ‹ Cd2+ ‹ Pb2+. Цей ряд відповідає визначеній нами токсичності металів по їх відношенню до ґрунтових мікроорганізмів.

Результати проведених досліджень показали, що для вивчення впливу важких металів на мікроорганізми ґрунту можливе використання такого показнику як швидкість руху чутливої культури, що визначається методом лазерної кореляційно-доплерівської спектрометрії. Відібрана чутлива культура (Pseudomonas sp.19), яка може бути використана як тест-об'єкт для експрес-оцінки стану ґрунтів, забруднених важкими металами.

Гомеостаз мікробних угруповань ґрунту, забрудненого важкими металами

Важливою характеристикою мікробного угруповання є його гомеостаз, тобто здатність мікробного ценозу підтримувати свої кількісні характеристики при дії на нього несприятливих факторів. Дані щодо динаміки чисельності мікроорганізмів у забрудненому ґрунті свідчать, що в першу-другу добу після внесення важких металів спостерігається зменшення чисельності мікроорганізмів, а з часом їх кількість відновлюється.

Досліджені нами різні групи мікроорганізмів (органотрофні, амілолітичні, ЕПС-синтезуючі бактерії, мікроміцети, стрептоміцети) відрізнялися кількісними характеристиками гомеостазу. Так, високу здатність до виживання (92-94% від контролю) проявляли амілолітичні, органотрофні бактерії, стрептоміцети при забрудненні Sr і Cu в дозах від 2 до 4 ГДК (рис.3).

Найбільший негативний вплив на чисельність досліджених мікроорганізмів мало внесення в ґрунт іонів Hg2+. При дозі забруднення цим металом 2 ГДК виживання мікроорганізмів коливалось від 55 до 79%, а при 4 ГДК не перевищувало 33-62%.

Стійкість мікробного угруповання ґрунту до забруднення важкими металами можна охарактеризувати тривалістю періоду відновлення кількості мікроорганізмів. При внесенні в ґрунт окремих металів у випробуваних нами дозах чисельність мікроорганізмів більшості вивчених груп відновлювалась.

Найкоротшим був період відновлення кількості мікроміцетів - він складав 13-58 діб. Можливо, коротким періодом відновлення чисельності і пояснюється поширене серед дослідників твердження про більш високу стійкість мікроміцетів до забруднення важкими металами. У стрептоміцетів, органотрофних, амілолітичних і ЕПС-синтезуючих бактерій період відновлення був більш тривалим і складав 35-200 діб. Слід звернути увагу на те, що при забрудненні Pb2+ і Hg2+ в дозі 4 ГДК, а також сумішшю металів у цій же дозі чисельність зазначених вище мікроорганізмів не відновлювалась протягом усього періоду спостережень. Отримані дані вказують на те, що при таких дозах забруднення гомеостаз мікробного угруповання порушується.

На підставі проведених досліджень для проблемно орієнтованого моніторингу ґрунтів, забруднених важкими металами, можна запропонувати систему індикаційних показників, зображену в табл.1.

Таблиця 1 Система мікробіологічних показників для мікробіологічного моніторингу ґрунтів, забруднених важкими металами

Ієрархічний рівень мікробної системи ґрунту	Індикаційний показник	Біотест
Доклітинний	Аскорбатоксидазна активність ґрунту	Аскорбатоксидаза
Клітинний	Токсичність і мутагенна дія ґрунту на клітини тест-мікроорганізмів	Тест-культура S.typhimurium ТА 100
Популяційний	Реакція чутливих культур мікроорганізмів	Відношення чисельності чутливих і резистентних культур. Швидкість руху клітин тест-культури, визначена за допомогою лазерного кореляційно-доплерівського спектрометру
Ценотичний	Гомеостаз мікробного угруповання ґрунту	Виживання мікроорганізмів в забрудненому ґрунті, чутливість до токсикантів, швидкість відновлення чисельності ценозу

Динаміка вмісту рухомих форм важких металів у ґрунті при застосуванні меліорантів

Для комплексної оцінки ефективності дії меліорантів одночасно з індикаційними показниками вивчали вміст рухомих форм важких металів. Фоновий вміст рухомих форм важких металів у темно-сірому опідзоленому ґрунті становив: міді - 0,61; кадмію - 3,58; свинцю - 1,40; цинку - 29,86 мг/кг ґрунту.

Аналіз динаміки вмісту рухомих форм важких металів у забрудненому ґрунті показав, що з часом концентрація їх поступово знижується, що є свідченням природної здатності ґрунтів до відновлення.

Так, при дозі забруднення 1 ГДК (кожного металу в суміші) кількість рухомих форм важких металів у ґрунті на 60-ту добу зменшилась: Cu2+ - на 83, Cd2+ - на 24, Zn2+ - на 38% порівняно з концентрацією їх в перші строки (рис.4).

Таку ж закономірність спостерігали і при дозі забруднення 20 ГДК.

Застосування меліорантів сприяло значному зменшенню вмісту рухомих форм важких металів у забрудненому ґрунті. При низьких дозах забруднення (1 ГДК) всі застосовані меліоранти - цеоліт білий, цеоліт зелений, вермікуліт, біогумус, культура S.alboviridis 141 - зменшували вміст рухомого Pb2+ у ґрунті на 87-96% порівняно з його кількістю у забрудненому ґрунті без меліорантів. При використанні цеоліту зеленого і культури S.alboviridis 141 концентрація рухомих форм металів зменшувалась (відповідно): Cu2+ - на 10 і 36,7; Cd 2+- на 31,9 і 62,3; Zn2+ - на 13,45 і 32,7%. Внаслідок цього на меліорованих ділянках вміст металів не перевищував показники контрольного ґрунту.

При більш високих дозах забруднення (10 і 20 ГДК) жоден з меліорантів не знижував вміст важких металів до рівня незабрудненого контролю.

При 10 ГДК застосовані меліоранти зменшували вміст Pb2+ на 44-63%, а при дозі забруднення 20 ГДК різниця вмісту рухомих форм важких металів у забрудненому ґрунті з меліорантами і без них була несуттєвою. Як було відмічено, при високих дозах забруднення порушується гомеостаз мікробних угруповань. Можливо, що це порушення є однією з важливих причин зменшення ефективності дії меліорантів.

На базі розробленої нами системи індикаційних показників була оцінена ефективність меліорантів (табл.2).

Таблиця 2 Меліоранти, що знешкоджували негативний вплив важких металів

Індикаційний показник	Ефективний меліорант при дозах забруднення
	1 ГДК	10 ГДК	20 ГДК
Аскорбатоксидазна активність ґрунту	Цеоліт білий, цеоліт зелений, біогумус, вермікуліт, культура Streptomyces alboviridis 141	Цеоліт білий, біогумус	Цеоліт білий, біогумус
Токсичність і мутагенна дія ґрунту	Цеоліт білий, цеоліт зелений, біогумус, вермікуліт, культура Streptomyces alboviridis 141	Біогумус, КС-1	Біогумус, гіпс+ S.alboviridis 141
Резистентність мікробних угруповань	Біогумус	Біогумус	Біогумус
Динаміка рухомих форм важких металів у ґрунті	Цеоліт білий, цеоліт зелений, біогумус, вермікуліт, культура Streptomyces alboviridis 141	-	-

За результатами комплексної оцінки найбільш перспективними для реабілітації ґрунтів, забруднених важкими металами є такі меліоранти: цеоліт білий, цеоліт зелений, вермікуліт, біогумус, культура Streptomyces alboviridis 141 (при низьких рівнях забруднення) і біогумус, гіпс з культурою S.alboviridis 141 (при високих рівнях забруднення). Ці меліоранти можуть бути запропоновані виробництву як основа заходів для оздоровлення ґрунтів, забруднених важкими металами.

Висновки

1. В процесі 3-річного моніторингу темно-сірого опідзоленого ґрунту Київської області, забрудненого важкими металами, вперше застосований ієрархічний підхід, який базується на вивченні різних рівнів організації мікробної системи ґрунту - доклітинного, клітинного, популяційного, ценотичного.

2. Виявлено, що аскорбатоксидазна активність ґрунту є чутливим індикатором на доклітинному рівні організації мікробної системи ґрунту. В умовах забруднення важкими металами при дозі 20 ГДК ферментативна активність ґрунту пригнічується на 40%.

3. Забруднення важкими металами в дозах від 1 до 20 ГДК у 2-5 разів підвищує мутагенний вплив ґрунту на тест-культуру Salmonella typhimurium TA 100. Використання меліорантів з високою сорбційною здатністю - біогумусу, колоїдного сополімеру і гіпсу з культурою Streptomyces alboviridis 141 знижує мутагенний вплив важких металів до спонтанного рівня.

4. В складі органотрофних бактерій забрудненого ґрунту зростає чисельність мікроорганізмів, стійких до високих доз (5-7 ГДК) важких металів. Внесення в забруднений ґрунт біогумусу сприяє підвищенню резистентності мікробних угруповань.

5. Вперше вивчено вплив важких металів на швидкість руху мікроорганізмів методом лазерної кореляційно-доплерівської спектрометрії. Показано, що швидкість руху чутливої до важких металів культури Pseudomonas sp.19 в присутності іонів Cu2+, Zn2+, Cd2+, Pb2+ зменшується на 25-36,5%. Цей показник можна використовувати для експрес-оцінки стану забруднення ґрунтів.

6. Досліджено вплив важких металів на показники гомеостазу мікробних угруповань: виживання, чутливість до токсикантів, швидкість і період відновлення чисельності окремих систематичних і еколого-трофічних груп мікроорганізмів. При забрудненні ґрунту сумішшю важких металів в дозі 4 ГДК гомеостаз мікробних угруповань порушується незворотньо.

7. На базі розробленої нами системи індикаційних показників проведена комплексна оцінка меліорантів з метою їх використання для реабілітації ґрунтів, забруднених важкими металами. При низьких рівнях забруднення (1 ГДК) ефективними є цеоліт білий, цеоліт зелений, вермікуліт, біогумус, культура Streptomyces alboviridis 141, а при високих рівнях забруднення (10-20 ГДК) перспективне застосування біогумусу і гіпсу з культурою Streptomyces alboviridis 141.

Список опублікованих праць

1. Іутинська Г.О., Петруша З.В.* Резистентність ґрунтових мікроорганізмів до забруднення важкими металами // Мікробіологічний журнал - 1999. - №5. - С.72-77.

2. Андреюк Е.И., Иутинская Г.А., Петруша З.В.* Гомеостаз микробных сообществ почв, загрязненных тяжелыми металлами // Мікробіологічний журнал - 1999. - №6. - С.15-21.

3. Іутинська Г.О, Петруша З.В.,* Сіра Л.І. Вплив міді на мікрофлору темно-сірого опідзоленого ґрунту і розробка способів його оздоровлення //Бюлетень Інституту сільськогосподарської мікробіології. - 1999. - №4. - С.11-14.

4. Іутинська Г.О., Петруша З.В.* Вплив суміші важких металів на мікрофлору темно-сірого опідзоленого ґрунту //Бюлетень Інституту сільськогосподарської мікробіології. - 1999. - №5. - С.14-17.

5. Іутинська Г.О., Петруша З.В.*, Васильєва Т.В., Сопліна О.М. Токсичність і мутагенність важких металів - забруднювачів ґрунту // Современные проблемы токсикологии. - 2000.- №2. - С.53-56.

6. Петруша З.В.* Ефективність меліорантів, що відновлюють біологічні функції ґрунтів, забруднених важкими металами // Науковий вісник ВДУ -1999. - №4. - С.142-144.

7. Иутинская Г.А., Антипчук А.Ф., Валагурова Е.В., Козырицкая В.Е., Петруша З.В.* Структура микробиологического мониторинга почв как составной части биологического мониторинга // Технические и системные средства экологического мониторинга почв. - Киев, 1998. - С. 63-68.

8. Петруша З.В.,* Краснобрижа О.М., Антипчук А.Ф., Іутинська Г.О. Біоіндикація забруднених важкими металами ґрунтів та заходи їх оздоровлення. - Екологічність продукції АПК: економіка та технологія. - Суми:”Козацький вал”, 1999. - С.206-209.

9. Иутинская Г.А., Антипчук А.Ф., Валагурова Е.В., Козырицкая В.Е, Петруша З.В.* Использование микроорганизмов как биотестов на загрязнение почв тяжелыми металлами // Материалы Междунар. конф. «Проблемы микробиологии и биотехнологии». - Минск: "Микробио". - 1998. - С.170-172.

10. Іутинська Г.О., Антипчук А.Ф., Валагурова Е.В., Козырицкая В.Е., Петруша З.В.* Відновлення біологічних функцій ґрунтів, забруднених важкими металами // Агрохімія і ґрунтознавство: Спец. випуск до V з'їзду УТГА (Рівне, 6-10 липня 1998 р.). - Харків: УААН, 1998. - С.93-95.

Аннотація

Макарчук З.В. Мікрофлора забруднених важкими металами ґрунтів, їх індикація та шляхи оздоровлення. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за спеціальністю 03.00.07-мікробіологія. - Інститут мікробіології і вірусології ім. Д.К.Заболотного НАН України, м.Київ, 2000.

Дисертацію присвячено вивченню впливу важких металів на мікрофлору темно-сірого опідзоленого ґрунту. Вперше застосований системний підхід для вивчення впливу важких металів на різні ієрархічні рівні мікробної системи ґрунту: доклітинний, клітинний, популяційний, ценотичний. Вивчені токсичність і мутагенна активність ґрунту, забрудненого важкими металами, та запропоновані нові заходи для їх зменшення. Для вивчення впливу важких металів на мікробні популяції ґрунту вперше використаний метод лазерної кореляційно-доплерівської спектрометрії. Розраховані показники, які характеризують резистентність і гомеостаз мікробних угруповань в ґрунті, забрудненому важкими металами.

На основі вивчення мікрофлори і динаміки рухомих форм важких металів при застосуванні неорганічних, органічних, біологічних і комбінованих меліорантів розроблені заходи для реабілітації забруднених ґрунтів.

Ключові слова: ґрунт, важкі метали, мікрофлора, меліоранти

Аннотация

Макарчук З.В. Микрофлора загрязненных тяжелыми металлами почв, их индикация и пути оздоровления. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук по специальности 03.00.07-микробиология. - Институт микробиологии и вирусологии им.Д.К.Заболотного НАН Украины, г.Киев, 2000.

Диссертация посвящена изучению влияния тяжелых металлов (Cu2+, Cd2+, Pb2+, Zn2+, Hg2+, Sr 2+ ) на микрофлору темно-серой подзолистой почвы Киевской области. Впервые использован системный подход для изучения влияния тяжелых металлов на разные уровни организации микробной системы почвы: доклеточный, клеточный, популяционный, ценотический.

Показано, что как индикатор на загрязнение можна использовать аскорбатоксидазную активность почвы, которая угнетается под влиянием тяжелых металлов на 40-50%.

Изучены токсичность и мутагенная активность почвы, загрязненной тяжелыми металлами. Показано, что тяжелые металлы в 2-5 раз увеличивают мутагенное влияние загрязненной почвы на тест-микроорганизм Salmonella typhimurium TA 100. Предложены новые способы для уменьшения токсичности и мутагенности загрязненной почвы.

Впервые изучено влияние тяжелых металлов на скорость движения микроорганизмов методом лазерной корреляционно-допплеровськой спектрометрии. Выделена тест-культура Pseudomonas sp.19, скорость движения которой использована как показатель состояния загрязнения среды тяжелыми металлами.

Рассчитаны показатели, которые характеризуют резистентность и гомеостаз микробных сообществ в почве, загрязненной тяжелыми металлами. Показано, что в загрязненной почве увеличивается численность резистентных микроорганизмов, соотношение численности резистентных и чуствительних к тяжелым металлам микроорганзмов в загрязненной почве в 2-4 раза выше, чем в контрольной. Гомеостаз микробных сообществ в почве, загрязненной тяжелыми металлами, можна характеризовать такими показателями, как выживание микроорганизмов, чувствительность к токсикантам, скорость восстановления численности микробного ценоза.

Таким образом, предложена и апробирована система микробиологических показателей для мониторинга почв, загрязненных тяжелыми металлами, которая включает определение аскорбатоксидазной активности почвы, токсичности и мутагенности загрязненной почвы с использованием тест-микроорганизма Salmonella typhimurium TA 100, соотношения численности резистентных и чувствительных к тяжелым металлам микроорганизмов, скорости движения клеток тест-культуры Pseudomonas sp.19, выживания микроорганизмов в загрязненной почве, их чувствительности к токсикантам, скорости восстановления численности микробного ценоза.

На основе изучения микрофлоры и динамики подвижных форм тяжелых металлов при использовании неорганических, органических, биологических и комбинированных мелиорантов разработаны способы для оздоровления загрязненных почв. Рекомендовано при низких уровнях загрязнения (1 ГДК) использовать цеолит белый (3 т/га), цеолит зеленый (3 т/га), вермикулит (0,5 т/га), биогумус (8 т/га), суспензию мицелия и спор культуры Streptomyces alboviridis 141 (3х1010 КОЕ/га), а при высоких уровнях загрязнения (10-20 ГДК) -, загрязненной тяжелыми металлами биогумус (8 т/га) и гипс (2,1 т/га) с культурой Streptomyces alboviridis 141 (3х1010 КОЕ/га).

Ключевые слова: почва, тяжелые металлы, микрофлора, мелиоранты

Summary

Makarchuk Z.V. Microflora of heavy metals polluted soils, their indication and ways of improvement. - Manuscript.

Thesis for a candidate's degree by speciality 03.00.07-microbiology. - The Institute of Microbiology and Virology of National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2000.

The dissertation is devoted to study of heavy metals influence on dark grey podsolic soil microflora. The system approach for study of influence of heavy metals on different hierarchical levels of microbial system of soil is used for the first time: subcellular, cellular, populational, cenotic. Toxigenic and mutagenic activity of soil polluted with heavy metals are investigated, and the new ways for decrease of their action are offered. The method of laser Doppler correlationaly spectrometry is used for the first time for study of influence of heavy metals on soil microbial population. The parameters, which characterise the resistance and homeostasis of microbial populations in soil polluted with heavy metals, are designed.

On the basis of study microflora and dynamic of the mobile forms of heavy metals with use of inorganic, organic, biological and combined ameliorants the ways for reabilitation of polluted soils are developed.

Key words: soil, heavy metals, microflora, ameliorants

Размещено на Allbest.ru