Микрофлора мерзлотных лугово-степных почв Центральной Якутии и влияние на неё разных доз тяжелых металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

МИКРОФЛОРА МЕРЗЛОТНЫХ ЛУГОВО-СТЕПНЫХ ПОЧВ ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЯКУТИИ И ВЛИЯНИЕ НА НЕЁ РАЗНЫХ ДОЗ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

03.02.08 - экология (биология) (биологические науки)

Стручкова Луиза Константиновна

Благовещенск 2011

Работа выполнена на кафедре биологии Биолого-географического факультета ФГАОУ ВПО «Северо-Восточный Федеральный университет им. М.К. Аммосова»

Научный руководитель:

кандидат биологических наук, доцент Щелчкова М. В.

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук Черосов М.М.,

доктор биологических наук, академик РАСХН Тильба В.А.

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Якутская государственная сельскохозяйственная академия»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный аграрный университет». Автореферат размещен на сайтах: http://www.dalgau.ru, http://mon.gov.ru.

Учёный секретарь

диссертационного совета Е.Б. Захарова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Почва представляет собой многокомпонентную биоминеральную (биокосную) динамическую систему, находящуюся в материальном и энергетическом взаимодействии с внешней средой, частично вовлеченную в биологический цикл круговорота веществ. Обязательными компонентами почвы являются живые микроорганизмы (Смагин, 1996). Им принадлежит огромная роль в осуществлении почвообразовательных процессов, разложении органического вещества, трансформации органических и минеральных веществ, формировании пищевого режима и плодородия почв. Важными экологическими функциями почвенной микрофлоры является осуществление круговорота веществ и поддержание почвенного гомеостаза. Вместе с тем почвенные микроорганизмы очень чутко реагируют на изменения окружающей среды, что определяет целесообразность использования их в мониторинге почв, подверженных загрязнению различными поллютантами.

В настоящее время все большую актуальность приобретает вопрос об устойчивости почв к избыточному поступлению в них тяжелых металлов (Бертокс,1980; Лимини и др., 2003; Гусакова, 2004; Радомская и др., 2006; Тимофеева, 2007). В условиях Якутии усиление рассеивания тяжелых металлов вызвано не только развитием добывающей промышленности, но и урбанизацией территории. Исследования почв наиболее плотно населенной местности «Туймаада» показывают, что в них максимальные концентрации Be, V, Ti, Cr, Mg, Co, Ni, Cu, Mo, Cd, Pb, Zn достигают и превышают уровень ПДК (Макаров, 2002; Картографический атлас…, 2007). Пахотные почвы могут загрязняться тяжелыми металлами, поступающими в составе фосфорных удобрений: последние содержат до 220мг Рb и до 1400мг Zn на кг (Водяницкий, 2004). Это обстоятельство особенно важно для мерзлотных почв Якутии, слабо обеспеченных подвижным фосфором и нуждающихся при освоении под пашню в регулярном внесении фосфорных удобрений.

Благодаря высокой поглотительной способности почвы аккумулирует тяжелые металлы, концентрации которых могут достигать значений, токсичных для её живого населения. Это неизменно приводит к снижению биологического потенциала почв, частичной и даже полной потере важнейших почвенных функций (Трофимов, 1989).

Характер и степень воздействия тяжелых металлов на почву определяются комплексом факторов: буферной способностью (устойчивостью) данной почвы к тяжелым металлам, природой металла и спецификой его взаимодействия с биологическими агентами (почвенными микроорганизмами, ферментами, растениями). Следовательно, каждому типу почвы, развивающемуся в конкретной экологической обстановке и обладающему характерным для него уровнем биологической активности и буферности, соответствует присущий только ему «ответ» на загрязнение тяжелыми металлами.

Центральная Якутия располагает большим резервом плодородных земель. Из всего разнообразия почвенного покрова наибольшим потенциальным плодородием характеризуются мерзлотные черноземы и лугово-черноземные почвы. Они широко используются под пашни и пастбищные угодья (Еловская, Коноровский и др., 1966). Генетические, физико-химические и агрохимические свойства этих почв достаточно хорошо изучены, однако микробиологическая активность и влияние на неё разных доз тяжелых металлов до сих пор не исследовалась. В связи с этим представляет большой научный и практический интерес изучение микробиологических показателей лугово-степных почв при воздействии на них разных доз тяжёлых металлов. Необходимость проведения исследований в данном направлении определяет актуальность выполненной работы.

Цель работы - исследование особенностей микрофлоры мерзлотных лугово-степных почв Центральной Якутии и изучение влияния на неё разных доз тяжелых металлов.

Для выполнения поставленной цели решались следующие задачи:

1) на основе определения основных трофических и таксономических групп микроорганизмов изучить численность микрофлоры и состав микробного комплекса мерзлотных черноземов, лугово-черноземных и дерново-глееватых почв в условиях незагрязненных ландшафтов;

2) изучить сезонную динамику и профильное распределение микрофлоры в данных типах почв;

3) изучить влияние Cu, Zn, Pb, Cd и их комплекса в дозах 0,5ПДК, 1ПДК, 5 ПДК, 10ПДК, 30 ПДК на численность и состав микроорганизмов мерзлотного чернозема в условиях модельного лабораторного опыта;

4) изучить комплексное воздействие Cu, Zn, Pb, Cd в дозах 1ПДК и 5ПДК на микрофлору мерзлотной лугово-черноземной почвы и урожайность ячменя сорта «Тамми» в условиях мелкоделяночного опыта.

Научная новизна. Получены новые данные о численности и составе микробного комплекса мерзлотных черноземов, лугово-черноземных и дерново-глееватых почв Центральной Якутии. Выявлены особенности микрофлоры в связи с генетическими и физико-химическими свойствами почв. Впервые в мерзлотных черноземах изучено влияние тяжелых металлов Cu, Zn, Cd, Pb на численность различных трофических и таксономических групп микроорганизмов в широком диапазоне концентраций - от низких концентраций (0,5 ПДК), до средних (1ПДК) и высоких (5ПДК, 10ПДК, 30ПДК) концентраций. Впервые для данного региона в условиях мелкоделяночного опыта на мерзлотной лугово-черноземной почве получена информация о комплексном влиянии Cu, Zn, Cd, Pb на состав и численность микрофлоры, а также урожайность ячменя сорта «Тамми»,

Практическая значимость. Результаты исследования микрофлоры могут быть использованы для оценки потенциального и актуального плодородия мерзлотных черноземов и лугово-черноземных почв. Показана перспективность использования микробиологических показателей - численность бактерий, использующих органические и минеральные формы азота, олигонитрофилов и бактерий рода Azotobacter для диагностики загрязнения тяжелыми металлами лугово-степных почв Центральной Якутии. Полученные результаты расширили информационные данные о микробиологических особенностях мерзлотных лугово-степных почв, их можно применять в сельскохозяйственной практике, а также при проведении экологического мониторинга.

Защищаемые положения:

1. Мерзлотные черноземы, лугово-черноземные и дерново-глееватые почвы Центральной Якутии характеризуются высокой биогенностью; численность бактерий разных трофических групп достигает в них несколько десятков миллионов клеток/г почвы и сопоставима с численностью микроорганизмов в аналогичных типах почв не мерзлотного ряда. Высокая биогенность мерзлотных лугово-степных почв определяется их генетическими и экологическими особенностями.

2. Состав микробного комплекса мерзлотных лугово-степных почв отражает направленность и интенсивность трансформации органического вещества в них.

3. Возрастающие дозы тяжелых металлов Cu, Zn, Pb, Cd приводят к снижению численности всех трофических и таксономических групп микроорганизмов в мерзлотных черноземах. Токсичность тяжелых металлов по отношению к большинству групп почвенных микроорганизмов образуют ряд: (Cu+Zn+Pb+Cd)>Cd>Pb>Zn>Cu.

4. Комплексное воздействие тяжелых металлов в дозах 1ПДК и 5ПДК снижает численность микроорганизмов в мерзлотной лугово-черноземной почве, ухудшает структуру урожая и понижает урожайность зеленой массы ячменя. Численность гетеротрофов, бактерий, использующих минеральные формы азота, актиномицетов, олигонитрофилов и бактерий рода Azotobacter можно использовать для диагностики эффективного плодородия мерзлотных лугово-степных почв и загрязнения их тяжелыми металлами.

Апробация. Основные положения диссертации были представлены на: форуме научной молодежи Дальнего Востока и Сибири в г. Нерюнгри (Нерюнгри, 2007); конференции Биолого-географического факультета Якутского государственного университета им. М.К. Аммосова (Якутск, 2007); международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2007, 2008); конференции научной молодежи, посвященной 50-летию СО РАН «Эрэл-2007» (Якутск, 2008), Научной конференции Якутского государственного университета им. М.К. Аммосова (Якутск, 2008); «XII Лаврентьевские чтения» Республики Саха (Якутия) (Якутск, 2008); международный, молодежный научный форум «Ломоносов - 2008» (XV Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов») (Москва, 2008); V Всероссийском съезде общества почвоведов им. В.В. Докучаева (Ростов-на-Дону, 2008); форуме научной молодежи Якутии им. В.П. Ларионова (Якутск, 2009); аспирантских чтениях Якутского государственного университета им. М.К. Аммосова (Якутск 2008, 2009).

Предварительные результаты научной работы были отмечены дипломом первой степени Министерства образования и науки РФ на Всероссийском открытом конкурсе на лучшую научную работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам. За выполнение данной работы был получен Грант Президента РФ для обучения за рубежом в 2009-2010гг., который позволил пройти научную стажировку в Университете Рединга, Великобритания.

Публикации. По материалам исследований опубликовано 11 работ, в том числе 3 статьи в журналах из списка ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы (293 отечественных и 27 зарубежных источников). Работа изложена на 158 страницах машинописного текста и включает в себя 28 таблиц и 26 рисунков.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю к.б.н., доц. Марине Владимировне Щелчковой за оказанное внимание и поддержку в проведении исследовательской работы и обсуждении результатов научного труда. Особую признательность автор выражает коллективу кафедры биологии ФГАОУ ВПО «Северо-Восточной Федеральный университет им. М.К. Аммосова», а также директору Ботанического сада Института биологических проблем криолитозоны СО РАН Федорову И.А. за организационную и консультативную помощь.

микрофлора мерзлотный луговой степной почва металл

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Микрофлора почв и влияние на неё разных доз тяжелых металлов (обзор литературы)

Приведена характеристика численности, таксономического состава почвенных микроорганизмов и функций, выполняемых почвенной микрофлорой. Представлен краткий обзор изученности микрофлоры мерзлотных почв Якутии. Рассмотрены основные закономерности влияния тяжелых металлов на численность и метаболическую активность почвенной микроорганизмов и механизмы устойчивости микроорганизмов к тяжелым металлам.

Глава 2 Природные условия района исследования

Приведено описание геоморфологии, геологии, климата, растительного и почвенного покровов и мерзлотных условий Центральной Якутии. Наиболее подробно охарактеризованы генетические особенности и физико-химические свойства исследуемых мерзлотных черноземов, лугово-черноземных и дерново-глееватых почв.

Глава 3. Объекты и методы исследования

Для характеристики микрофлоры мерзлотных лугово-степных почв Центральной Якутии и влияния на неё разных доз тяжелых металлов определяли численность основных трофических и таксономических групп микроорганизмов:

1) гетеротрофные бактерии, использующие органические источники азота, выделяли на мясо-пептонном бульоне (МПА);

2) в составе гетеротрофных бактерий выделяли спорообразующие бациллы - на смеси мясо-пептонного и сусло-агара после предварительной пастеризации почвенной вытяжки;

3) бактерии и актиномицеты, использующие минеральные формы азота, выделяли на крахмало-аммиачном агаре (КАА);

4) олигонитрофильные бактерии, использующие следовые количества азота, определяли на среде Эшби;

5) грибы выделяли на среде Чапека;

6) аэробные азотфиксирующие бактерии р. Azotobacter выделяли на среде Эшби методом посева почвенных комочков;

7) анаэробные азотфиксирующие бактерии Clostridium pasteurianum выделяли на жидкой среде Виноградского.

Посев на твердые и жидкие питательные среды производили методом предельных разведений почвенной суспензии, повторность посева 3-х, 4-х кратная.

Исследования проводили в три этапа.

На I этапе исследований в 2005-2007гг., изучали численность, профильное распределение микрофлоры, состав микробного комплекса и сезонную динамику микроорганизмов в незагрязненных мерзлотных черноземах, лугово-черноземных и дерново-глееватых почвах. Для этого на II надпойменной террасе реки Лена в 14км к юго-востоку от г. Якутска под старой 40-летней залежью на характерных для данных типов почв элементах рельефа были заложены опорные почвенные разрезы. В них исследовали морфологические, генетические и основные физико-химические свойства почв принятыми в почвоведении методами (Аринушкина, 1970; Ковда, Розанов, 1988). Валовое содержание тяжелых металлов Cu, Zn, Cd, Pb определяли методом индукционно-связанной плазмы. В опорных почвенных разрезах ежегодно в середине июля производили стерильный отбор почвенных проб. Пробы отбирали послойно в пределах генетических горизонтов почв (с шагом 10см до глубины 50см; с шагом 20см до глубины 110см). Пробы до момента определения микроорганизмов хранили в холодильнике при низкой отрицательной температуре. В 2005 и 2006гг. изучали сезонную динамику микроорганизмов в данных типах почв. Для этого ежемесячно с июня по сентябрь отбирали почвенные пробы из гумусо-аккумулятивных горизонтов с глубин 0-10 и 10-20см с одновременным определением температуры и влажности почв в данных слоях. Температуру определяли коленчатым термометром Саввинова, полевую влажность почв - весовым методом.

На II этапе исследований в 2006-2008гг. изучали влияние солей тяжелых металлов (Cu, Zn, Cd, Pb) в разных дозах на численность основных трофических и таксономических групп микроорганизмов в мерзлотном черноземе в условиях модельного лабораторного опыта. Почву для эксперимента отбирали из верхнего 20-см слоя мерзлотного чернозема в опорном разрезе, высушивали, просеивали через сито с диаметром пор 2мм, набивали в пластиковые сосуды по 70 г почвы, увлажняли до 70 % от полной влагоемкости, вносили тяжелые металлы в форме легкорастворимых солей (CuSO₄ Ч 5H₂O, ZnSO₄ Ч 7H₂O, Pb(NO₃)₂, CdSO₄) и инкубировали почву в течение 7 дней, поддерживая заданную влажность. Затем в почвах определяли численность микроорганизмов. Схема опыта приведена в таблице 1. Повторность опыта 3-х кратная.

Таблица 1

Схема модельного опыта по влиянию тяжелых металлов на микробиологическую активность мерзлотного чернозема

На III этапе исследований в 2008-2009гг. мы изучали комплексное влияние тяжелых металлов (Cu, Zn, Cd, Pb) в дозах 1 и 5 ПДК на численность и состав микроорганизмов и эффективное плодородие мерзлотной лугово-черноземной почвы в условиях мелкоделяночного опыта. Опыт был заложен на территории ботанического сада ИБПК ЯНЦ СО РАН. Почва - мерзлотная лугово-черноземная малогумусная (Еловская, 1961). Площадь делянок 1м², ширина защиток 15см, мощность пахотного слоя 20см. Тяжелые металлы вносили в пахотный слой в дозах 1 ПДК и 5 ПДК в форме легкорастворимых солей на фоне полного минерального удобрения из расчета 60 т/га действующего вещества (табл. 2). Повторность делянок в одном варианте опыта четырехкратная, расположение вариантов на делянках рендомизированное. Тест-культура - районированный сорт ячменя «Тамми», который возделывали на богаре.

Таблица 2

Схема опыта

Изучение микробиологических показателей производили в динамике в разные фазы развития растений (6 июля -- кущение, 23 июля - колошение, 9 августа -- молочная спелость). Анализ проводили из свежеотобранной почвы. Отбор почвы с каждой делянки производили стерильно методом конверта, составляли смешанный образец, хранили в холодильнике при - 5°С не более 7 суток. Биометрические параметры растений и учет урожайности зеленой массы ячменя проводили в фазу молочной спелости в соответствии с методическими указаниями по изучению мировой коллекции ячменя и овса (Методические указания …, 1981). Полученные результаты подвергали статистической обработке (Доспехов, 1979).

Глава 4. Результаты и обсуждение

4.1 Морфологические и физико-химические свойства лугово-степных почв

Мерзлотные лугово-степные почвы описаны на второй надпойменной террасе реки Лена в 14км к юго-востоку от г. Якутска. Мерзлотные черноземы маломощные развиты на вершинах увалов под ковыльной степью, на речном аллювии. Для них характерно наличие хорошо выраженного гумусового горизонта мощностью 20см и переходного от гумусового к минеральному горизонта АВ мощностью до 30см. Генетическое строение профиля: А - АВ - В - С. Мерзлотные лугово-черноземные почвы занимают пологие склоны увалов под остепненными лугами. Для данного типа почв характерно наличие горизонтов А и АВ, но более темной окраски, что свидетельствует о большей обогащенности их органическим веществом. Генетическое строение профиля: А - АВ - В - С. Мерзлотные дерново-глееватые почвы приурочены к наиболее низким участкам рельефа, где развиваются разнотравные луга с элементами болотной растительности. Для данного типа почв характерно наличие дернового горизонта Ад с высоким содержанием корней и плохо разложившейся органики. В минеральной толще отмечаются признаки оглеения в виде сизых пятен и ржавых примазок. Генетическое строение профиля: А0 - Ад - АВ - Вg - Сg.

Изучение физико-химических свойств лугово-степных почв показало, что в них содержание гумуса и общего азота увеличивается в ряду от черноземов к лугово-черноземным и дерново-глееватым почвам, при этом соотношение углерода к азоту расширяется, что свидетельствует о более слабой трансформации органического вещества по мере увеличения влажности почв. Реакция среды нейтральная, а в лугово-черноземных почвах - щелочная за счет засоления. Почвенно-поглощающий комплекс насыщен ионами Са⁺⁺ и Mg⁺⁺, при этом сумма оснований не велика, что определяется легко- и среднесуглинистым составом данных почв и невысоким содержанием гумуса (табл.3). Наиболее высоким потенциальным плодородием обладают мерзлотные лугово-черноземные и дерново-глееватые почвы. В исследуемых почвах содержание тяжелых металлов Pb, Cu, Zn и Cd не превышает ПДК. Луговой тип почвообразования, нейтральная реакция среды, легкосуглинистый гранулометрический состав, насыщенность гумуса азотом предопределяют формирование в мерзлотных черноземах, лугово-черноземных и дерново-глееватых почвах высокого микробного пула.

Таблица 3

Физико-химические свойства мерзлотных лугово-степных почв (горизонт А)

4.2 Микрофлора мерзлотных лугово-степных почв

Микробный комплекс в мерзлотных лугово-степных почвах формируется за счет бактерий, в том числе бацилл, а также за счет актиномицетов и грибов, соответственно, в них осуществляется достаточно полный механизм деструкции органического вещества. Доминирующей трофической группой являются гетеротрофы, их количество в гумусово-аккумулятивных горизонтах составляет от 16 до 20млн. клеток/г Численность олигонитрофилов лежит в диапазоне от 5 до 9млн., а бактерий, использующих минеральный азот, изменяется от 3 до 12млн. Содержание грибов низкое и составляет несколько десятков тысяч колоний на грамм почвы. Оценка обогащенности лугово-степных почв микроорганизмами по шкале Д.Г. Звягинцева (1978) показывает, что они богаты гетеротрофами и соответственно средне и слабо обогащены олигонитрофилами и бактериями, использующими минеральный азот, и грибами. В данных почвах активно протекают процессы аэробной азотфиксации. Относительная обогащенность азотобактером мерзлотных черноземов составляет 13-50%, лугово-черноземных почв - 46-100%, дерново-глееватых 20-35%. Роль анаэробных клостридий в связывании молекулярного азота несущественна, т.к. их численность мала и не превышает нескольких тысяч клеток/г (табл.4).

Таблица 4

Микрофлора мерзлотных лугово-степных почв Центральной Якутии (средняя арифметическая за вегетационные периоды 2005-2006гг., 0-20см)

Профиль мерзлотных лугово-степных почв насыщен микроорганизмами, что в целом характерно для почв степного и лугового ряда. С глубиной численность микроорганизмов снижается постепенно. Высокая численность гетеротрофов (1 млн. клеток/г) сохраняется до глубины 70см, олигонитрофилов и бактерий, использующих минеральный азот, - до глубины 50см и 70см соответственно. Грибы в значимых количествах обнаруживаются в верхнем 40-см слое.

Распределение аэробных азотфиксирующих бактерий рода Azotobacter в профиле мерзлотных лугово-степных почв носит иной характер. Азотобактер чувствителен к недостатку влаги, поэтому в иссушенных верхних слоях его численность ниже и наилучшим образом он развивается в средних частях профиля на глубине 20-40см (рис.2).

Рисунок 2. Обогащенность профилей мерзлотных лугово-степных почв бактериями рода Azotobacter

Численность микроорганизмов тесно связана с влажностью почв, продуктивностью растительного покрова и возрастает в ряду от черноземов к лугово-черноземным и дерново-глееватым почвам. При этом состав микробного комплекса закономерно изменяется. В ряду: черноземы, лугово-черноземные, дерново-глееватые почвы возрастает относительная доля спорообразующих бактерий рода Bacillus, что свидетельствует об усилении процессов аммонификации, и снижается доля актиномицетов, что говорит об ослаблении интенсивности разложения органического вещества.

В 2005-2006гг. изучена сезонная динамика микрофлоры. Она аналогична для всех трофических групп микроорганизмов во всех изученных типах почв. В ней отмечаются летние максимумы численности микроорганизмов и осенние минимумы. Кратность падения численности микроорганизмов от лета к осени - 1,5-10 раз. Тесная связь численности микроорганизмов с температурой в сезонном цикле подтверждается корреляционным анализом (r = 0,678 - 0,945, при 0,90 р 0,99).

Для выявления особенностей микрофлоры мерзлотных почв мы сопоставили результаты наших исследований с литературными данными, а именно с аналогичными типами почв не мерзлотного ряда (табл.5). Сравнение показало, что численность микроорганизмов разных трофических групп в мерзлотных лугово-степных почвах примерно в 2-10 раз выше, чем в их не мерзлотных аналогах. Высокую биогенность мерзлотных почв можно рассматривать как адаптацию к жестким климатическим условиям их формирования. Высокий пул микрофлоры позволяет в короткий вегетационный период достаточно эффективно осуществлять трансформацию органических и минеральных соединений.

Таблица 5

Сравнение микрофлоры черноземовидных и глеевых почв мерзлотных и не мерзлотных областей

Таким образом, мерзлотные черноземы, лугово-черноземные и дерново-глееватые почвы обладают высокой биогенностью, численность микроорганизмов отражает генетические, физико-химические особенности почв, их потенциальное плодородие, а состав микробного комплекса - направленность и интенсивность разложения органического вещества.

4.3 Влияние тяжелых металлов Cu, Zn, Pb, Cd на численность микроорганизмов мерзлотного чернозема в условиях модельного опыта

Исследования показали, что рассматриваемые тяжелые металлы подавляли численность всех изученных групп микроорганизмов (рис.3).

Рисунок 3. Влияние комплекса тяжелых металлов на численность микроорганизмов в мерзлотном черноземе

Негативный эффект определялся как дозой, так и природой металла. Медь в самой низкой дозе 0,5 ПДК достоверно снижала численность разных бактерий примерно на 20-50% по сравнению с контролем. Исключение составили бактерии и актиномицеты на КАА - в варианте с медью их численность выросла на 30%. Далее по мере увеличения дозы загрязнения численность популяции бактерий неуклонно снижалась. Цинк в дозе 0,5 и 1 ПДК подавляли численность микроорганизмов на 25-55%, а в дозе 10 и 30 ПДК - на 60-90%. Токсический эффект свинца и кадмия был выражен ярче, в дозе 1 ПДК численность популяции снизилась в целом на 60-95%. В дозе 10 ПДК негативное действие тяжелых металлов достигло в среднем 70%, а в дозе 30 ПДК устойчиво увеличилось до 80-90% и более. Кадмий оказывал аналогичное со свинцом воздействие.

Комплексное воздействие четырех металлов было наиболее губительным для бактерий. В самой низкой из испытанных концентраций, 0,5 ПДК, численность олигонитрофилов падала на 88%, гетеротрофов - на 92%, а бактерий, ассимилирующих минеральный азот - на 100%. При дальнейшем увеличении концентрации металлов в почве происходило практически полное вымирание популяции. По токсичности в отношении бактерий исследуемые тяжелые металлы образуют следующий ряд: (Cu+Zn+Pb+Cd)>Cd>Pb>Zn>Cu.

Тяжелые металлы также подавляли численность азотфиксирующих аэробных бактерий рода Azotobacter и анаэробных бактерий Clostridium pasteurianum. Токсичность тяжелых металлов в отношении аэробных бактерий рода Azotobacter образует ряд: (Cu+Zn+Pb+Cd)>Zn>Cd>Cu>Pb; а анаэробных бактерий Clostridium pasteurianum: (Cu+Zn+Pb+Cd)>Cd>Zn>Cu>Pb.

Воздействие тяжелых металлов на микроскопические грибы было несколько отличным от их воздействия на бактерии. Медь, цинк и свинец в низкой концентрации (0,5 ПДК) существенно не влияли на численность грибов. Кадмий в дозе 0,5 ПДК снижал численность грибов на 70%, а комплекс всех четырех металлов полностью подавлял рост популяции. При дальнейшем увеличении концентрации металлов численность грибов резко снижалась. По токсичности в отношении микроскопических грибов исследуемые тяжелые металлы образуют следующий ряд: (Cu+Zn+Pb+Cd)>Pb>Cu>Cd>Zn.

Проведенное исследование показало, что в условиях модельного эксперимента все изученные группы микроорганизмов - бактерии и грибы обладают высокими индикаторными свойствами по отношению к изученным металлам, что подтверждается высокими и достоверными коэффициентами корреляции (r = - 0,401 - - 0,871 при p ? 0,95).

4.4 Влияние комплекса тяжелых металлов Cu, Zn, Pb, Cd на микрофлору и эффективное плодородие мерзлотной лугово-черноземной почвы в условиях мелкоделяночного опыта

Литературные данные указывают, что в природных условиях поведение микроорганизмов по отношению к поллютантам может отличаться от результатов лабораторного эксперимента. Поэтому на мерзлотной лугово-черноземной почве заложили мелкоделяночный опыт по изучению комплексного влияния тяжелых металлов (Cu, Zn, Pb, Cd) на численность микрофлоры и урожайность ячменя сорта «Тамми».

Исследования показали, что комплекс тяжелых металлов в целом подавлял численность всех изученных групп микроорганизмов в мерзлотной лугово-черноземной почве, причем негативное воздействие поллютантов возрастало во времени и проявлялось наиболее ярко в конце вегетационного периода. Однако, численность некоторых групп бактерий - гетеротрофов и олигонитрофилов, при низкой дозе загрязнения 1ПДК несколько повышалась, что связано, вероятно, с большей устойчивостью этих микроорганизмов к тяжелым металлам. Более высокая доза загрязнения 5ПДК однозначно подавляла численность этих групп бактерий. Комплекс тяжелых металлов существенно снижал численность бактерий и актиномицетов, использующих минеральные формы азота, и численность грибов в целом на 50-70%. Сильный токсический эффект проявлялся в отношении азотфиксирующих бактерий. Комплекс тяжелых металлов подавлял развитие азотфиксирующих бактерий во всех испытанных дозах. Причем степень подавления популяции Azotobacter возрастала с течением времени и эта зависимость наиболее ярко была выражена в варианте опыта Фон+5 ПДК. Например, в фазу кущения тяжелые металлы в дозе 5 ПДК снижали численность бактерий в 5 раз, в фазу колошения - в 7 раз, а в фазу молочной спелости в 11 раз. В отношении анаэробных азотфиксирующих бактерий Clostridium pasteurianum комплекс тяжелых металлов был еще более токсичен - он приводил к гибели популяции данных бактерий.

Тяжелые металлы не только понижали биологическую активность лугово-черноземной почвы, но и негативно сказывались на условиях роста и развития растений и урожайности зеленой массы ячменя. Уже в начале вегетационного периода в варианте опыта Фон+5 ПДК мы наблюдали задержку всходов на 5-7 дней и снижение всхожести на 25 % по сравнению с фоном. Возрастающие дозы тяжелых металлов уменьшали густоту стеблестоя, высоту растений, длину листьев. Это приводит к тому, что в опытных вариантах существенно уменьшается площадь ассимиляционной поверхности растений и снижается урожайность. В целом по вариантам опыта площадь ассимиляционной поверхности растений уменьшилась соответственно в 1,1 и в 1,5 раза (табл.6).

Повышенные концентрации тяжелых металлов в различных органах и тканях растений могут приводить к изменению их химического состава и снижению урожайности.

В нашем опыте под влиянием комплекса тяжелых металлов (Pb, Cd, Zn, Cu) снижалась урожайность зеленой массы ячменя (табл.7). В контрольном варианте урожайность сырой массы ячменя составляла 89,5ц/га, а сухой массы - 15,8ц/га. Тяжелые металлы в дозе 1 ПДК снижали урожайность сырой массы ячменя на 13,2ц/га, а сухой массы - на 1,5ц/га. При дозе 5 ПДК урожайность сырой массы ячменя снижалась на 32,4ц/га, а урожайность сухой массы уменьшалась на 6,3 ц/га. Эти данные достоверны при уровне вероятности Р=0,05.

Таблица 6

Влияние тяжелых металлов на биометрические параметры ячменя сорта «Тамми»

Примечание. * - изменение параметра относительно контрольного варианта достоверно при Р=0,05

Таблица 7

Влияние комплекса тяжелых металлов на урожайность зеленой массы ячменя сорта «Тамми»

Между численностью микрофлоры и уровнем загрязнения тяжелыми металлами существует тесная отрицательная корреляционная связь, что подтверждается высокими и достоверными коэффициентами корреляции (r = - 0,85 - - 0,99 при p?0,05). Наряду с этим между микрофлорой и урожайностью ячменя существует тесная положительная корреляционная связь (r = 0,904 - 0.999 при p?0,05). Это свидетельствует о том, что в условиях мелкоделяночного опыта численность почвенных микроорганизмов отражает эффективное плодородие мерзлотной лугово-черноземной почвы, загрязненной тяжелыми металлами.

ВЫВОДЫ

1. Мерзлотные черноземы, лугово-черноземные и дерново-глееватые почвы Центральной Якутии характеризуются высокой биогенностью; численность бактерий разных трофических групп достигает в них несколько десятков миллионов клеток/г почвы. Среди них наиболее многочисленны гетеротрофы (10⁶-10⁷ КОЕ/г); численность олигонитрофилов и бактерий, использующих минеральный азот, характеризуется средними величинами (10⁵-10⁶ КОЕ/г), содержание грибов низкое (10² КОЕ/г). Среди азотфиксаторов преобладают аэробы рода Azotobacter.

2. Численность микроорганизмов в мерзлотных лугово-степных почвах тесно связана с содержанием органического вещества и влажностью почв и возрастает в направлении от черноземов к лугово-черноземным и дерново-глееватым почвам.

3. Состав микробного комплекса мерзлотных лугово-степных почв отражает направленность и интенсивность разложения органического вещества в них. В дерново-глееватой почве, развивающейся в условиях временного переувлажнения, лучше развиты микроорганизмы (бациллы), обеспечивающие начальные этапы разложения органического вещества и формирование грубого гумуса. В черноземе и лугово-черноземной почвах трансформация растительных и животных остатков протекает более глубоко при большем участии актиномицетов, что приводит к формированию более мягкого гумуса. Преобладание гетеротрофов над олигонитрофилами свидетельствует об обеспеченности исследуемых почв доступным для микроорганизмов органическим веществом и связанным азотом.

4. Температура мерзлотных лугово-степных почв является ведущим экологическим фактором, определяющим сезонную динамику микрофлоры: она характеризуется летними максимумами и осенними минимумами.

5. Возрастающие дозы тяжелых металлов Pb, Cd, Zn, Cu и их комплекса в условиях модельного лабораторного опыта в целом приводит к снижению численности микроорганизмов в мерзлотных черноземах. Токсичность тяжелых металлов в отношении основных трофических групп бактерий, образует ряд: (Pb+Cd+Zn+Cu)>Cd>Pb>Zn>Cu, микроскопических грибов: (Cu+Zn+Pb+Cd)>Pb>Cu>Cd>Zn, аэробных бактерий рода Azotobacter (Cu+Zn+Pb+Cd)>Zn>Cd>Cu>Pb, анаэробных бактерий Clostridium pasteurianum: (Cu+Zn+Pb+Cd)>Cd>Zn>Cu>Pb.

6. Комплексное воздействие тяжелых металлов (Cu, Zn, Pb, Cd) в дозах 1ПДК и 5ПДК в мерзлотной лугово-черноземной почве приводит к снижению численности основных трофических и таксономических групп микроорганизмов и ухудшает биометрические параметры растений: густоту стеблестоя, высоту растений, максимальную длину листа, площадь ассимилирующей поверхности и снижает урожайность зеленой массы ячменя соответственно на 13,2ц/га и 32,4ц/га.

7. Для диагностики загрязнения мерзлотных лугово-степных почв Центральной Якутии тяжелыми металлами Cu, Zn, Pb и Cd целесообразно использовать численность гетертрофных бактерий, бактерий, использующих минеральные формы азота, актиномицетов, олигонитрфилов и относительную обогащенность почв бактериями рода Azotobacter.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи, опубликованные в журналах, рекомендованных ВАК РФ:

1. Щелчкова, М.В. Изменение численности почвенных микроорганизмов в условиях моделирования загрязнения мерзлотного чернозема тяжелыми металлами / М.В. Щелчкова, Л. К. Стручкова // Проблемы региональной экологии. - Новосибирск, 2009. - № 2. - С. 79-82.

2. Щелчкова, М.В. Показатели численности микроорганизмов в диагностике загрязнения мерзлотного чернозема тяжелыми металлами / М.В. Щелчкова, Л.К. Стручкова // Изв. Самарского науч. центра Российской Академии наук. - Самара, 2010. - Т. 12 №1 (4). - С. 1090-1092.

3. Щелчкова, М.В. Комплексное влияние тяжелых металлов на ферментативную активность и эффективное плодородие мерзлотной лугово-черноземной почвы / М.В. Щелчкова, Л.К. Стручкова, И.А. Федоров // Вестник СВФУ им. М.К. Аммосова. - Якутск, 2010. - Т. 7 №4. - С.16-21.

Статьи, опубликованные в материалах научных конференций и других изданиях:

1. Стручкова, Л.К. Микрофлора мерзлотных черноземовидных почв Центральной Якутии / Л.К. Стручкова // Матер. VII научно-практической конф. молодых ученых, аспирантов и студентов посвященной 50-летию ЯГУ им. М.К. Аммосова, 27-31 марта 2006г. - Нерюнгри: Изд-во ТИ (ф) ЯГУ, 2006. - С.261-262.

2. Стручкова, Л.К. Микробиологические процессы трансформации органического вещества в мерзлотных лугово-черноземных и дерново-глееватых почвах Центральной Якутии / Л.К. Стручкова // Матер. XLV междунар. науч. студенческая конф. «Студент и научно-технический прогресс», 10-12 апреля 2007г. - Новосибирск: Изд-во НГУ, 2007. - С.84-85.

3. Стручкова, Л.К., Микробиологическая активность мерзлотного чернозема и влияние на нее разных доз тяжелых металлов / Л.К. Стручкова, Р.Н. Абдуллаева, М.В. Щелчкова // Материалы конф. науч. молодежи к 50-летию СОРАН «Эрэл-2007» 14-15 мая 2007г. - Якутск: Изд-во ЯНЦ СОРАН, 2008. - С. 170-173.

4. Стручкова, Л.К. Микрофлора мерзлотных черноземовидных почв Центральной Якутии / Л.К. Стручкова // Лучшие докл. науч. конф. студентов Якутского государственного университета им. М.К. Аммосова (2005-2006гг.). - Якутск: Изд-во ЯГУ, 2007г. - С.121-123.

5. Стручкова, Л.К. Структура микробного комплекса мерзлотных черноземовидных и дерново-глееватых почв Центральной Якутии / Л.К. Стручкова // Лучшие докл. науч. конф. студентов Якутского государственного университета имени М.К. Аммосова (2007-2008 гг.). - Якутск: Изд-во ЯГУ, 2008. - С. 217-219.

6. Стручкова, Л.К. Микробиологическая характеристика мерзлотных луговых почв Центральной Якутии / Л.К. Стручкова // Ломоносов-2008: тез. докл. XV Междунар. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых, 8-12 апреля 2008г. Секция: Почвоведение. - М.: Изд-во МГУ, 2008. - С. 123-124.

6. Стручкова, Л.К. Характеристика микробного комплекса мерзлотных луговых почв Центральной Якутии / Л.К. Стручкова // Матер. XLVI междунар. науч. студенческой конф. «Студент и научно-технический прогресс», 26-30 апреля 2008г. - Новосибирск: РИЦ НГУ. - 2008. - С. 55-56.

7. Стручкова, Л.К. Микрофлора мерзлотных луговых почв Центральной Якутии / Л.К. Стручкова // Вестник ЯГУ им. М.К. Аммосова. - Т. 5, № 2. - Якутск, 2008. - С. 111-114.

8. Щелчкова, М.В. Структурно-функциональная организация микробоценозов в мерзлотных луговых почвах Центральной Якутии / М.В. Щелчкова, Л.К. Стручкова // Матер. V Всеросс. съезда общества почвоведов им. В.В. Докучаева. Ростов-на-Дону, 18-23 августа. 2008г. - Ростов-на-Дону: КМЦ Копицентр. - 2008. - С. 139.

Размещено на Allbest.ru