Евдокимова Г.А. Институт проблем промышленной экологии

Евдокимова Г.А.
Институт проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН
МИКРОБНЫЙ КОМПОНЕНТ ПРИРОДНЫХ
И ТЕХНОГЕННЫХ СИСТЕМ СЕВЕРА
Введение
В статье приведены результаты исследований сотрудников лаборатории экологии микроорганизмов,
вошедшие в Отчет о деятельности РАН в 2004 г. В первой части статьи оценены микробные ресурсы различных
природных зон Кольского полуострова. На основе этих данных составлена карта биогенности почв,
характеризующая потенциальное почвенное плодородие, способность почв к самоочищению и их устойчивость
к загрязнению. Карта включена в Экологический атлас Мурманской области.
Более 20 лет мы проводили комплексное исследование динамики биологических и химических
свойств окультуренной подзолистой почвы, интродуцированной в зону воздействия предприятия цветной
металлургии (на примере комбината “Североникель”). Выявлен принцип неравномерности темпов
изменения различных свойств почвы, определена скорость накопления тяжелых металлов в почве,
установлены пределы устойчивости бактерий и грибов к меди и никелю.
Далее были проведены многолетние наблюдения за восстановлением химических и биологических
свойств почвы, загрязненной воздушными выбросами комбината цветной металлургии. На основании
полученных данных определен период удаления тяжелых металлов из почвы до уровня их ПДК, оценена
роль микроорганизмов в снижении металлотоксикоза почвы.
Наряду с хорошо изученной проблемой изменения экосистем в результате воздействия медноникелевых комбинатов существует проблема загрязнения природы другими крупными добывающими и
перерабатывающими предприятиями Мурманской области, в частности Кандалакшским алюминиевым
заводом. Оценены уровни годовых нагрузок фторсодержащих соединений, макро- и микроэлементов,
содержащихся в воздушных выбросах завода, на почву, почвенную биоту и растительность. Выделено три
зоны по степени загрязнения почв и растительности под воздействием алюминиевого завода, что позволит
экологически правильно подойти к выбору площадки под строительство новой очереди данного
предприятия.
Жизнь и роль микроорганизмов в изменении среды их обитания в верхней части литосферы изучены
чрезвычайно слабо. Нами определена численность, биомасса, разнообразие бактерий и микроскопических грибов в
ряде подземных горных выработок Северо-восточной Фенноскандии и изучена их способность к биосорбции
тяжелых металлов.
В последние годы совместно с коллегами из ГоИ КНЦ РАН мы провели исследования
функциональной активности бактерий в процессе переработки апатит-нефелиновой руды на обогатительных
фабриках. Выявлено отрицательное воздействие бактериальной составляющей оборотных вод на флотацию
апатита из руды. Разрабатываются мероприятия по снижению этого воздействия.
Совместно с коллегами из ПАБСИ КНЦ РАН исследуется проблема первичного почвообразования на
нефелиновых хвостохранилищах, имеющая как фундаментальную, так и прикладную значимость.
Микроорганизмы составляют основной генофонд, противостоящий изменениям биосферы на нашей
планете. Высокая численность и темпы роста, разнообразие физиолого-биохимических свойств,
полифункциональность, высокие адаптационные способности определяют важнейшую роль микроорганизмов саморегулирование биосферы Земли. Они заселяют, казалось бы, самые непригодные для жизни ниши биосферы и
в результате своей жизнедеятельности изменяют окружающую среду. Основная функция микроорганизмов деструкция органических веществ, как природного так и антропогенного происхождения. В результате этого
процесса они возвращают в атмосферу углекислоту, необходимую для фотосинтеза растений. Кроме того, в
процессе деструкции органического вещества постоянно освобождаются биогенные элементы, для питания высших
растений. Однако часть биогенных элементов перехватывается микробиотой и временно становится недоступной
растениям. Биогенная аккумуляция предопределяет накопление элементов в верхней, наиболее функциональной
части почвенного профиля. Она противостоит их гравитационному выносу. Вместе с микробной массой часть
органического углерода и азота долговременно аккумулируется в гумусе - источнике питания и энергии для
растений и микроорганизмов.
Процессы синтеза и ресинтеза гумуса осуществляются почвенной биотой, и в каждой географической зоне
они сбалансированы соответственно конкретным климатическим условиям. Микробиота почв высоких широт
отличается от микробиоты почв более южных районов рядом специфических черт, обусловленных особенностями
среды их обитания. Микроорганизмы северных почв развиваются в условиях холодного климата, в относительно
бедных питательными элементами почвах. Растительный опад здесь обогащен значительным количеством
трудноразлагаемых соединений. Вследствие этого среди микробиоты северных почв преобладают мезо- и
психротолерантные и олиготрофные, микроорганизмы. Адаптация микробиоты к экстремальным природным
условиям выражается также в ограничении ее разнообразия и особенностями метаболизма. В частности, для
микробиоты тундры и северной тайги характерна высокая продуктивность в течение короткого летнего периода
(Евдокимова, 1973; Паринкина, 1989). Мы выделяем еще один механизм адаптации бактерий и грибов к
экстремальным природным условиям. Он проявляется в “карликовости” клеток бактерий и уменьшении диаметра
грибного мицелия. Известно, что карликовость - это энергетически более выгодная форма существования клетки.
Все эти особенности микробиоты способствуют поддержанию гомеостаза экосистем современной Субарктики.
Одной из главных задач, стоящих перед нашей лабораторией в последнее десятилетие, является оценка
микробных ресурсов и характеристика экологического и таксономического разнообразия микробного компонента
почв различных природных зон Северо-восточной Фенноскандии. Часть работы была выполнена в рамках
совместного проекта с норвежским сельскохозяйственным университетом (Ås) и Университетом г. Бергена.
Если рассматривать биологические ресурсы Планеты с биоцентрической, а не с антропоцентрической точки
зрения, то под биоресурсами следует понимать все многообразнообразие живых организмов, населяющих
биосферу, независимо от их важности и полезности для человека. “Биоресурсы – это все живые средообразующие
компоненты биосферы… с заключенным в них генетическим материалом” (Реймерс (1990), Все организмы,
населяющие биосферу, необходимы для ее нормального функционирования. Причем в понятие “микробные
ресурсы” следует включать не только знания о биомассе и таксономическом разнообразии микроорганизмов, но и
их функциональное разнообразие.
Биомасса прокариотных организмов велика, причем большая их часть до сих пор остается не только
не изученной, но и не выявленной. Мы определили величину микробной массы в Al-Fe-гумусовых подзолах
тундры, лесотундры и северной тайги. Этот тип почв доминирует на Кольском п-ве. Методологической
основой исследований явился биогеографический подход, основанный на изучении микроорганизмов с
учетом почвенных, растительных, климатических и орографических характеристик региона.
Биогеографический подход системно связывает географическую и экологическую концепции в развитии
микробиоты.
Самая высокая суммарная биомасса бактерий и микроскопических грибов по всему почвенному
профилю выявлена под еловыми лесами (рис. 1, табл. 1.). Наиболее заселен микроорганизмами
органогенный горизонт. Грибной компонент в этом горизонте доминирует над бактериальным, что особенно
ярко проявляется в тундре и под ельниками. Длина грибного мицелия достигает здесь сотен метров в 1 г
почвы.
В минеральных горизонтах биомасса бактерий, как правило, превосходит грибную. В этих горизонтах
бактериальная биомасса в почвах лесной зоны выше, чем в тундре, т.е. в верхних горизонтах почв тундры
доминирует грибной компонент и лишь в иллювиальном горизонте биомасса грибов снижается из-за
уменьшения аэрации.
Таблица 1.
Суммарная биомасса микроорганизмов (бактерии + грибы)
в почвах Кольского полуострова (в горизонтах А0, А2 и В)
Экосистема
Тундра
Лесотундра
Сосновые леса
Еловые леса
Биомасса, кг/га
сырая
сухая
973 ± 109
195
1159 ± 194
232
1311 ± 43
262
2083 ± 805
417
Lim,
кг/га
8 - 2100
14 - 2250
52 - 2490
25 - 5550
Число
образцов
184
56
130
41
Известно, что чем мельче организм, тем быстрее он размножается. Рассчитанное число генераций
бактерий в зоне тундры может достигать 6-8 генераций за месяц вегетационного периода, в зонах
лесотундры и тайги – 4-5, т.е. столько раз микробная масса может «оборачиваться» за сезон.
Количественные микробиологические показатели, в частности “коэффициент зрелости” (отношение
численности
микроорганизмов,
определенных
методом
микроскопирования
к
численности
микроорганизмов, определенных методом посева), характеризуют лесные системы как более зрелые по
сравнению с экосистемами тундры. Минеральные почвенные горизонты на основании этого коэффициента
характеризуются также как более устойчивые, зрелые системы по сравнению с подстилкой, для которой
присуща высокая динамичность и гетерогенность во времени и пространстве.
кг/га
2500
2000
3
1500
1
1000
2
500
0
Тундра
Лесотундра
Сосняки
1
Ельники
2
3
2
3
y = -39,333x + 67,5x + 597,83x - 151
2
y = 153,33x - 773,5x + 908,17x + 210
2
2
R =1
R =1
3
0,2399x
y = 725,79e
2
R = 0,9043
Бактерии
Грибы
Всего
Рис. 1. Биомасса микроорганизмов (на сырую массу, кг/га) в экосистемах Кольского полуострова.
На основании знаний о количестве микробной массы разработан критерий биогенности почвы (БП),
характеризующий потенциальное плодородие почвы и ее способность к самоочищению. В основу его легла
идея Т.В.Аристовской (1988) о потенциальном и актуальном почвенном плодородии. Критерий
рассчитывается по количеству микробиомассы (Бмикр.), приходящейся на единицу органического вещества
почвы (Сорг.) с учетом обогащенности его азотом (Nорг.):
БП = (Бмикр./Сорг.) х (Nорг./Сорг.) х 104 ,
где БП – безразмерная величина, остальные показатели выражены в т/га.
На основе этого критерия составлена карта биогенности почв Кольского полуострова (Экологич. атлас…,
1999). Почвы Мурманской области по их потенциальному плодородию и устойчивости к загрязнению разделены
согласно предложенному критерию на три группы:
1.
Почвы с низкой биогенностью, БП<2: примитивные, иллювиально-гумусовые тундровые и
иллювиально-железистые подзолы.
2.
Почвы со средней биогенностью, БП=2-8: лесотундровые иллювиально-гумусовые подзолы,
гумусово-железистые
подзолы,
иллювиально-многогумусовые
подзолы,
торфяно-подзолистые
иллювиально-гумусовые, торфяно-болотные верховые.
3.
Почвы с высокой биогенностью, БП>8: – торфяно-болотные переходные.
Значительные территории на Кольском полуострове подвержены техногенной трансформации, ведущей к
изменению состава и свойств почв, включая и их биологическую составляющую. Мы провели уникальный,
многолетний эксперимент, заложив в 1976 г. опыт с насыпной изначально незагрязненной почвой, которая служила
как бы планшетом для сбора выпадений из воздуха, и проследив на протяжении 20 летнего периода за изменением
биологических и химических свойств почвы. Участки были заложены на различных расстояниях от комбината
«Североникель» по градиенту загрязнения.
По материалам этих исследований издано две монографии (Евдокимова и др., 1984; Евдокимова,
1995). Серия статей была опубликована в журналах «Микробиология» и «Почвоведение» и ряде зарубежных
изданий (Евдокимова, 1982; Евдокимова, Moзгова, 1991; Евдокимова, Moзгова, 2000; Evdokimova, 1997;
Evdokimova, Mozgova, 1998; Evdokimova, Mozgova, 2003).
мг/кг
10000
9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
1000
годы
00
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
Cu
Ni
Co
Тренд (Cu)
Тренд (Ni)
Тренд (Co)
Рис. 2. Динамика содержания и тренды тяжелых металлов в окультуренной подзолистой почве в центре
загрязнения, 1976 - 1990 г.г. Примечание. В 1981г участок был разрушен.
Приведу только данные по интенсивности накопления тяжелых металлов в почве и скорости их выноса из
почвы. В центре загрязнения происходило быстрое и значительное накопление Cu, Ni и Co в 10-см слое почвы.
Особенно интенсивно процесс накопления проходил в первые месяцы с момента закладки опыта, когда почвеннопоглощающий комплекс ранее незагрязненной почвы был способен к обменной сорбции выпадающих на почву
поллютантов. В целом за 5 лет количество меди возросло в центре воздействия выбросов в 60, никеля - в 40,
кобальта - в 6 раз относительно исходного уровня (рис.2). В почве импактной зоны (5 км от комбината) содержание
меди через 20 лет возросло почти в 4 раза, никеля - в 3 раза (рис. 3). В буферной зоне (15 км от комбината)
количество меди и никеля в почве удвоилось за двадцатилетний период. После 1990 года эмпирические цифры
становятся ниже расчетных, что связано, вероятно, с общим спадом объема производства на комбинате в эти годы.
Импактная зона
мг/кг
250
200
150
100
50
0
Буферная зона
150
100
50
0
Фоновая зона
150
100
50
годы
0
76
77
78
79
Cu
80
81
Ni
82
83
84
Co
85
86
87
88
Тренд (Cu)
89
90
91
92
93
Тренд (Ni)
94
95
96
97
Тренд (Co)
Рис. 3. Динамика содержания и тренды тяжелых металлов в окультуренной подзолистой почве в импактной,
буферной и фоновой зонах, 1976 - 1997 г.г.
Очищение почв от тяжелых металлов на фоне замедленных процессов энерго- и массообмена в природных
средах Крайнего Севера – длительный процесс. Данные рисунка 4 характеризуют скорость выноса тяжелых
металлов из загрязненной почвы, перемещенной в “чистые” условия. Выщелачивание меди и никеля из почвы
наиболее интенсивно происходило в течение первого года ее пребывания в “чистых” условиях. За 8 лет количество
меди в загрязненной почве уменьшилось в 3 раза, никеля - в 6 раз. На основании полученных данных был рассчитан
период удаления меди и никеля из почвы до уровня их ПДК. Снижение содержания меди и никеля до значений
ПДК произойдет за 100 – 110 лет при прекращении выпадений загрязняющих веществ из воздуха. Наши расчеты
хорошо согласуются с данными японских авторов (Iimura et al., 1977).
Мы также можем дать ответ на вопрос, что же происходит с микробиотой, в почвах, загрязненных
воздушными выбросами медно-никелевого предприятия. На данной синэкологической диаграмме (рис. 5) наглядно
продемонстрированы изменения, происходящие с микробным сообществом лесных подзолов при возрастании в
них содержания меди и никеля. Структура микробного сообщества начинает разрушаться при концентрации меди
300-400 мг/кг почвы и никеля - 600-700 мг/кг, когда из микробного сообщества выпадают азотфиксирующие
бактерии, сапротрофные неспорообразующие бактерии, бактерии актиномицетной линии. При очень высоких
концентрациях меди и никеля в почве остаются и функционируют преимущественно эукариотные микроорганизмы
– мицелиальные и одноклеточные формы грибов, резистентные к загрязнению.
7
г/кг
6
5
4
3
2
1
0
0
10
20
30
40
50
Cu
60
70
80
90
мес.
Ni
Рис. 4. Вынос меди и никеля из загрязненной почвы, перемещенной в “чистые” условия.
Наряду с хорошо изученной проблемой изменения экосистем в результате воздействия медно-никелевых
комбинатов существует проблема загрязнения природы другими крупными добывающими и перерабатывающими
предприятиями Мурманской области, например, Кандалакшским алюминиевым заводом. Оценены уровни годовых
нагрузок фторсодержащих соединений, макро- и микроэлементов, содержащихся в воздушных выбросах
алюминиевого завода, на почву и растительность Кольского региона.
Наблюдение проводили на стационарных площадках, расположенных по градиенту загрязнения
воздушными выбросами алюминиевого завода в северном направлении. Максимально загрязненный участок
- в 2 км от завода, контрольный – в 50. Площадки были заложены в плакорных условиях в однотипных
сосновых лесах с кустарничковым (в основном вороничным) напочвенным покровом. Тип почвы – Al-Fe –
гумусовый подзол.
Снег. Как показали данные снегосъемки, значение pH атмосферных осадков в районе исследований в
условиях отсутствия аэротехногенного загрязнения (20-й км и далее от завода) составляет примерно 4.8, что
соответствует фоновым показателям. Под воздействием выбросов алюминиевого завода кислотность
снеговой воды снижается: в 2 км от источника это снижение достигло одной единицы рН (рис. 6).
80
тыс/г 50
600
300
Зона
гомеостаза
2000
5000
2400
1200
мг/кг
Зона
стресса
Зона
резистентности
Pseudomonas sp.5
Corynebacterium sp.4
Streptomyces sp. (albus)
600
200
Streptomyces sp. (griseus)
Bac. licheniformis
Bac. agglomeratus
Bac. subtilis
Chaetomium sp.
Rhizopus sp.
Acremonium sp.
Verticillium sp.
Bac. megaterium
110
90
Mucor griseo-cyanus
Aspergillus sp.
Mortierella ramanniana
Trichoderma sp.3
Penicillium sp.7
Sterile mycelium
Bac.sp.
Rhodotorula glutinis
Phialophora melinii
Tr. koningii
Tr. aureoviride
70
Pen. simplicissimum
Paecilomyces farinosus
Sterile mycelium
Рис. 5. Изменение структуры микробного сообщества при возрастающих концентрациях меди и никеля в лесных
подзолах. По оси ординат - численность микроорганизмов, тыс./г.
рН
6
5
4
км
0
10
20
30
40
50
Рис. 6. Кислотность снеговой воды по градиенту загрязнения.
На рис. 7 представлено соотношение суммы химических элементов в различных фазах снеговой воды
в зоне наибольшего загрязнения. В твердой фазе – это осадок после фильтрации и в сухом остатке – это
вещества, присутствующие в растворенном виде в снеговой воде и остающиеся после выпаривания.
Большинство соединений находится в твердой фазе и выпадает в пределах 5-ти км зоны.
мг/л
200
150
100
50
км
0
0
10
20
30
Твердая фаза
40
50
Сухой остаток
Рис. 7. Твердая фаза и сухой остаток (мг/л) в снеговой воде.
Таким образом, распространение элементов от источника загрязнения зависит от фазового состояния
их соединений. Такие элементы как Al, Fe, P находятся в основном в твердой составляющей атмосферных
выбросов. В связи с этим большая часть их выпадает сравнительно недалеко от источника загрязнения.
Другие элементы F, Ca, Mg, K и даже Si, содержатся в основном в виде водорастворимых соединений и
распространяются на большее расстояние от источника загрязнения (рис. 8).
г/м
0,3
2
2 км
5 км
10 км
20 км
50 км
0,2
0,1
0
K
Mg
P
Ca
Fe
Рис. 8. Поступление макроэлементов со снеговой водой, г/м2.
Основными загрязнителями, концентрация которых в зимних осадках наиболее высокая, является Al
и F (рис. 9). Больше всего со снеговой водой в почву поступает Al, на него приходится примерно половина
твердых осадков. Вторым по величине элементом в снеговой воде является F. Ход кривых, отражающих
изменение концентрации этих элементов в снеговой воде, заметно различается. Это связано с разным
фазовым состоянием данных элементов: Al в основном входит в состав твёрдой фазы и поэтому выпадает
вблизи источника загрязнения, а F, по-видимому, в большей степени распространяется в газообразном
состоянии. Так же велико поступление на почву Si и Fe.
Al, мг/л
80
F, мг/л
10
Al
60
F 8
6
40
4
20
2
0
0
2
5
10
20
50
км
Рис. 9. Концентрация (мг/л) алюминия и фтора в снеговой воде.
Среди микроэлементов по величинам поступления их в почву выделяются Ni и Zn, а затем идут Mn и
Cr. Меньше поступает Cu.
С учетом соотношения атмосферных осадков, выпадающих в холодное и теплое время года, можно
оценить общее поступление элементов на поверхность почвы аэрогенным путём за год (табл. 2). В зоне
максимального загрязнения выпадает: пыли – около 900 кг/га, Al – 400, F – 45, Fe – 8 кг/га. Остальные
элементы поступают в значительно меньших количествах (до 2-х кг/га). Данные расчеты условны,
поскольку принимается, что концентрация химических элементов в снеге и дожде одинакова.
Таблица 2.
Поступление пыли и макроэлементов (кг/га в год) на поверхность почвы
с атмосферными осадками
Зона
Максимального загрязнения
Умеренного загрязнения
Фоновая
Пыль
890
93
10
Al
395
10
1
Fe
8.0
1.6
1.3
F
45.0
6.4
1.0
Таблица 3
Содержание золы в подстилках, %
Расстояние, км
Содержание золы (M ± m)
Коэффициент вариации, V%
2
59.35±0.29
9.6
5
23.93±1.61
24.2
10
19.18±0.26
14.0
20
9.3±1.8
36.2
Почва. Под воздействием воздушного загрязнения изменяется химический состав почвы. В первую очередь,
обращает внимание увеличение зольности подстилки. В зоне максимального загрязнения количество минеральных
веществ в подстилке достигает 60%, в то время как на фоновой площадке оно не превышает 10% (табл. 3).
Увеличение зольности подстилок произошло в результате возрастания содержания в первую очередь Si, Al, Ti.
Таким образом, в результате длительного воздействия выбросов типичная для сосновых лесов
подстилка превратилась в органо-минеральное образование, главным компонентом которого является
минеральная, а не органическая составляющая.
Кривая, характеризующая распределение валового фтора в подстилках (рис. 10), представляет собой
отрицательную экспоненту при высокой репрезентативности (R2=0,91). Четкая зависимость содержания
фтора в подстилке от расстояния от источника выбросов позволяет провести зонирование территорий по
градиенту загрязнения (табл.4). Зона максимального загрязнения с содержанием фтора от 6 до 25 раз
превышающим фоновое (200 мг/кг по Виноградову) распространяется на сравнительно небольшое
расстояние (до 2-2.5 км) от источника загрязнения. Зона сильного загрязнения распространяется до 13 км, с
содержанием фтора в подстилке от 2 до 6 раз превышающим фоновое и зона умеренного загрязнения с
содержанием фтора, не превышающего 2-х раз фоновое.
Доля водорастворимых фторидов от общего содержания фтора в подстилках в среднем составляет
10%, закономерно изменяясь по градиенту загрязнения, подобно валовому фтору.
мг/кг
6000
5000
-0,831
4000
y = 2735,7x
2
R = 0,9118
3000
2000
1000
км
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Рис. 10. Содержание валового фтора в почве (мг/кг) по трансекте в северном направлении от КАЗ.
Таблица 4
Зоны загрязнения почвы фтором
Загрязнение
Максимальное
Сильное
Умеренное
Отсутствует
Расстояние, км
0-2.5
2.5-13
13-20
>20
Содержание фтора, мг/кг
>1200
1200-400
400-200
<200
Четко выражена внутрипрофильная дифференциация в распределении фтора. Выявлены два максимума в
его накоплении: в подстилке, где фтор закрепляется гумусовыми кислотами, а также осаждается в виде
труднорастворимого флюорита – СаF2 и в иллювиальном горизонте, где наблюдается сорбция фтора полуторными
окислами Fe и Al, которыми богаты подзолы Кольского п-ва. Из подзолистого горизонта наблюдается активный
вынос фтора.
Определенная зависимость содержания микроэлементов от интенсивности загрязнения получена для
Mn, Zn и Cr. Для них характерно значительное накопление в составе подстилки на площадке, находящейся
вблизи завода. Так, количество Zn здесь почти в 3 раза, Cr в 7 раз, Mn – в 2 раза превышает содержание их в
подстилке фоновой площадки (рис. 11).
мг/кг
400
2 км
300
5 км
10 км
20 км
200
100
0
Mn
Zn
Cr
Ni
Cu
Рис. 11. Содержание микроэлементов в подстилках, мг/кг.
Как было показано, атмосферные осадки, выпадающие вблизи источника загрязнения, отличаются
невысокой кислотностью и содержат большое количество соединений алюминия. Известна роль Al в
увеличении почвенной кислотности. Однако в конкретных условиях, когда наряду с Al в подстилку
поступает большое количество других катионов (Ca, Mg), находящихся в отличие от Al, в подвижной
форме, совокупное влияние всех компонентов выбросов алюминиевого завода приводит к нейтрализации
почвенной кислотности вблизи завода.
Растения. Повышенное содержание фтора в воздухе и почвах приводит к накоплению его в тканях
растений. На всех площадках количество фтора в водянике превышало фоновый уровень, который
составляет 20 мг/кг, но превышение ПДК (50 мг/кг) отмечено только на площадке с максимальным
загрязнением (рис. 12).
180
140
160
120
140
Подстилка
Водяника
100
120
100
80
80
60
60
40
40
20
20
0
0
2
Рис.
12. Содержание
от КАЗ.
фтора
в
Фтор в водянике, мг/кг
Фтор в подстилке, мг/кг
160
подстилке
5
и
10
водянике
20
по
км
трансекте
в
северном
направлении
Мы отмечаем, что химический состав растений более консервативен в отношении воздействия на
него техногенного загрязнения, чем подстилка, в которой происходит интенсивная аккумуляция элементов,
попадающих в нее с выбросами.
Зона гомеостаза
10 000
6 000
4 000
2 000
100
10
1
8000-9000
1500-2000
тыс./г 200
Зона стресса
25000 мг/кг F валовой
Зона резистентности
Proteobacteria α подкласса (олиготрофы)
Pseudomonas sp. 5 штаммов
Corynebacterium: p.p. Arthrobacter sp
Mycobacterium sp., Rhodococcus sp
Penicillium decumbens
P. frequentans
P. spinulosum
P. raistrickii
P. verrucosum
Mortierella ramanniana
Thielaviopsis basicola
Torula allii
Toxotrichum cancellatum
Trichoderma lignorum
Tr. viride
Tr.koningii
Penicillium ochraceum
Mucor sp.
Sterilia mycelia
Aspergillus niger
Streptomyces Helvolo-flavus
Str. roseus
Str. albus
Bacillus licheniformis
Bac. megaterium
Вас. firmus
Bac. laterosporus
Bac. cereus
Bac. subtilis
Bac. pumilis
Рис. 13. Изменение структуры микробного сообщества при загрязнении почв выбросами алюминиевого
предприятия. По оси ординат – численность микроорганизмов, тыс./г.
Биота. По принципу градиентного анализа на основании полученных данных по численности,
разнообразию и частоте встречаемости бактерий и грибов составлена синэкологическая диаграмма,
характеризующая изменение микробного сообщества по мере возрастания содержания валового фтора в
почве (рис. 13). На диаграмме видно, что наиболее устойчивы к выбросам алюминиевого завода
неспорообразующие гетеротрофные бактерии (рр. Pseudomonas, Corynebacterium, Mycobacterium). Грибы,
среди которых доминируют представители рода Penicillium, чувствительнее к газовоздушным выбросам
завода, чем бактерии. Споровые бактерии менее устойчивы к загрязнению почвы соединениями фтора и
полиароматическим циклическим углеводородам, которых достаточно много в выбросах завода, чем
неспрообразующие. Возможно, какое-либо из этих соединений ингибирует синтез специфичного для споры
вещества – дипиколиновой кислоты, входящей в состав оболочки спор.
В целом, воздушные выбросы алюминиевого завода в значительно меньшей степени, чем выбросы
медно-никелевого производства, оказывают влияние на состояние почвенной биоты и растительного
покрова.
Биотрансформация органического вещества. Обнаружена сравнительно невысокая зависимость
интенсивности разложения растительных остатков от генетических особенностей почв и степени их загрязнения
тяжелыми металлами и соединениями фтора. Этот вывод особенно четко обоснован нашими многолетними
исследованиями в зоне воздействия комбината «Североникель», когда наблюдения проводились на различных
типах почв Северной Фенноскандии (Евдокимова и др., 2002).
Ведущая роль почвенной биоты в процессах трансформации органического вещества определяется ее
полифункциональной природой. Почвенные организмы являются неотъемлемой частью живой
составляющей почвы, и в то же время, они выполняют функции внешнего фактора (одного из 5
докучаевских факторов почвообразования), под воздействием которого происходит трансформация
органических веществ. Подобная двойственность локализации и функций почвенной биоты определяет ее
ведущую роль в почвообразовательных процессах.
Сокращение микробиомассы, уменьшение биологического и функционального разнообразия
микроорганизмов снижает устойчивость природных экосистем к антропогенному воздействию. В общем
“хозяйстве” земного шара бактериям и микроскопическим грибам принадлежит не меньшая роль, чем
фотосинтезирующим растениям. Природа – это целостная система, экологические функции любого ее
компонента важны и уникальны. Микробиологический мониторинг должен быть неотъемлемой частью
общеэкологического мониторинга.
Подземные биосферы
В последние годы возрос интерес к исследованиям биоты, населяющей подземные горные выработки,
естественным образом связанные с наземными экосистемами. Подземные горные выработки с полным
основанием можно охарактеризовать как “подземные биосферы”, так как в этих верхних частях литосферы
существует активная жизнь. Здесь живые организмы и среда их обитания органически связаны между собой,
взаимодействуя друг с другом.
Нами выполнены исследования по численности и биоразнообразию микроорганизмов, населяющих
породы и рудничные воды различных подземных горных выработок Кольского п-ва и Северной Норвегии
(Евдокимова, Науменко 2002). Горные выработки представляют собой уникальный объект, являясь
относительно обособленными и замкнутыми экосистемами с целым рядом специфических особенностей. Из
таких особенностей можно выделить: низкое содержание элементов питания или их малодоступность;
постоянную темноту; недостаточную аэрацию; относительное постоянство влажности и температуры. В
таких условиях единственными формами жизни являются, как правило, микроорганизмы. Занесенные при
разработке месторождений из поверхностных сред вместе с крепежным лесом, оборудованием, одеждой,
микроорганизмы могут приспосабливаться к глубинным местообитаниям и существовать в них весьма
продолжительное время, формируя уникальные микробные сообщества.
Выявлено значительное биологическое разнообразие микроскопических грибов в подземных горных
выработках Северной Фенноскандии. Наибольшим разнообразием отличались грибы апатит-нефелиновых и
редкоземельных рудников. Доминируют в большинстве исследованных горных выработок грибы рода
Penicillium, преобладающие также в почвенном покрове северных экосистем.
Бактериальный компонент различных сред подземных выработок состоит из представителей 12
родов, среди которых бактерии родов Pseudomonas и Bacillus, доминирующие в почвенном покрове,
отмечены во всех исследованных рудниках. Общая численность бактерий изменялась от 40 до 120 млн.
клеток в 1 г породы.
Воздушная среда эксплуатируемых участков подземных горных выработок содержит, в основном,
споровые грамположительные бактерии и споры микроскопических грибов. Общее количество
микроорганизмов в воздухе шахт изменялось от сотен клеток до 20 тыс. клеток в 1 м3 воздуха, что не
превышает известных норм для жилых помещений.
Изучение биосорбции тяжелых металлов грибной биомассой имеет как фундаментальную, так и
прикладную значимость при использовании микроорганизмов в биотехнологических процессах. Грибы
способны аккумулировать тяжелые металлы как путем сорбции их на поверхности мицелия, так и в
результате проникновения металлов в мицелий и химического их взаимодействия с внутриклеточными
метаболитами, например, полифосфатами. Показано, что грибы, выделенные из почв с высоким
содержанием меди и никеля, способны к значительной биоаккумуляции этих элементов, накапливая в своей
биомассе до 1,5% меди и никеля на абсолютно сухую массу (Evdokimova, Mozgova, 1998).
Грибы, выделенные из подземных горных выработок, проявили различную активность по отношению
к сорбции меди и никеля. Они аккумулировали медь более активно, чем никель. Восемь видов из 16
содержали до 0.4% меди в расчете на сухую биомассу. Гриб Aspergillus sydowii, выделенный из рудника
“Севредмет” (г. Ревда), аккумулировал до 1.6% меди, а Aspergillus versicolor - до 1%. Количество
адсорбированного никеля было меньше.
Микроорганизмы, активно извлекающие тяжелые металлы из среды, могут быть использованы для
оздоровления и очистки ее от токсичных элементов. Живая или мертвая биомасса грибов часто
характеризуется более высокими сорбционными свойствами, чем известные коммерческие сорбенты. Кроме
того, грибная биомасса отличается высокой избирательной способностью при сорбции различных
металлических катионов (Siegel, 1973). Использование в качестве биосорбентов аборигенных, выделенных
из местных сред обитания микроорганизмов, наиболее перспективно.
В последние годы нами совместно с ГоИ и ОАО “Апатит” проводятся исследования
микробиологических процессов, протекающих в системе добычи и переработки апатит-нефелиновых руд и
хранении производственных отходов. В основе работы лежит идея значимости микробиологических
процессов при обогащении несульфидных руд с использованием оборотного водоснабжения. Основная
бактериальная масса поступает в обогатительный процесс из оборотной воды и частично с рудой. При
кл. х 10 3
транспортировке и измельчении руды численность бактерий в ней снижается по сравнению с их числом в
руднике и вновь значительно возрастает при флотации в пенном продукте, сливе сгустителей, хвостах
флотации, в фильтрате за счет внесения дополнительных источников питания и аэрации (рис. 14).
Доминируют в оборотных водах сапротрофные гетеротрофные бактерии. Все они относятся к роду
Pseudomonas, являясь грамотрицательными, неспорообразующими, в основном оксидазоположительными
(рис. 15).
В лабораторных условиях на установке по беспенной флотации было изучено влияние бактерий,
доминирующих в оборотных водах, на флотационные свойства апатита и кальцита (Гершенкоп и др., 2005).
Установлено, что внесенные бактерии играют отрицательную роль при флотации этих минералов.
Ухудшение флотируемости исследуемых минералов можно объяснить как взаимодействием бактерий с их
активными центрами, связанными с кальцием, так и интенсивной флокуляцией при флотации, что нарушает
селективность процесса.
140
120
100
80
60
40
20
0
1
2
3
4
руда
рудничная вода
5
Рис. 14. Общее количество бактерий в подземных выработках: 1 - “Апатит”; 2 - “Ковдорслюда”; 3 “Севредмет”; 4 - “Sydvaranger”; 5 - “Кола ГМК”.
Рис. 15. Морфотипы бактерий, выделенных из оборотной воды апатит-нефелиновых фабрик. Увеличение х
1000.
Проведенные исследования имеют практическую значимость, т.к. намечают новые направления в
совершенствовании процесса флотации несульфидных руд на оборотной воде, а также содержат важные
фундаментальные аспекты, ведущие к получению новых знаний о функционировании микроорганизмов в биосфере
и техносфере.
В заключении мне хотелось бы выразить уверенность, что придут времена, когда ни одно
государственное решение, касающееся судеб природы и человека, не будет приниматься без всестороннего
научного рассмотрения, и только тогда развитие страны приобретет столь необходимую ей устойчивость.
Автор выражает искреннюю благодарность сотрудникам лаборатории Н.П.Мозговой, Т.А.Агеевой,
Н.В.Ворониной, М.В.Пуговкиной за их неоценимую помощь в исследованиях, водителю В.П.Содылеву, а также
А.Ш.Гершенкопу, Ю.Е.Брылякову, В.Н.Переверзеву, А.Ф.Науменко, Е.В. Лебедевой, Г.А. Ахтемовой, Н.Б.
Климовскому, А.Д. Уколову, В.Д.Пучке, Тор-Арне Бьерн за интерес к данной работе и содействие в ее выполнении.
Литература
1.
Аристовская Т.В. Микробиологические аспекты плодородия почв // Почвоведение. 1988. № 9.
С. 53-63.
2.
Гершенкоп А.Ш., Г.А. Евдокимова, Н.В. Воронина, Л.Л. Креймер. Влияние бактериального
компонента оборотных вод на флотацию несульфидных руд на примере ОАО “Апатит”. Инженерная
экология. 2005. №3. С.51-56.
3.
Евдокимова Г. А. Динамика численности микроорганизмов в ризосфере некоторых злаков в
условиях Кольского полуострова // Почвоведение. 1973. №12. С. 38-46.
4.
Евдокимова Г. А. Микробиологическая активность почв при загрязнении тяжелыми металлами
// Почвоведение. 1982. №6. С. 125-132.
5.
Евдокимова Г. А. Эколого-микробиологические основы охраны почв Крайнего Севера.
Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 1995. 272 с.
6.
Евдокимова Г. А., Зенкова И.В., Переверзев В.Н. Биодинамика процессов трансформации
органического вещества в почвах Северной Фенноскандии. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2002. 154 с.
7.
Евдокимова Г. А., Кислых Е. Е., Мозгова Н. П. Биологическая активность почв в условиях
аэротехногенного загрязнения на Крайнем Севере. Л.: Наука, 1984. 121 с.
8.
Евдокимова Г. А., Moзгова Н. П. Аккумуляция меди и никеля почвенными грибами //
Mикробиология. 1991. Т.60. Вып.5. C. 801-807.
9.
Евдокимова Г.А., Мозгова Н.П. Влияние выбросов предприятия цветной металлургии на почву
в условиях модельного опыта // Почвоведение. 2000. №5. С.630-638.
Евдокимова Г.А., Науменко А.Ф. Микроорганизмы подземных горных выработок Северной Фенноскандии.
//Геоэкология. 2002. №3. С. 237-242.
10. Паринкина О.М. Микрофлора тундровых почв. Л.: Наука,1989. 159 с.
11. Реймерс Н.Ф. Природопользование. Словарь-справочник. М.: Мысль. 1990. 639 с.
12. Экологический атлас Мурманской области / Ред. И.А. Вишняков, Г.В. Калабин и др. / М., 1999. 48 с.
13. Evdokimova G. A. Dynamics of the Industrial Transformation of Terrestrial Ecosystems in the Kola Subarctic //
Biomarkes: A Pragmatic Basis for Remediation of Severe Pollution in Eastern Europe / Eds.: D. B. Peakall, C. H. Walker, P.
Migula. Dordrecht, Boston, London, 1997. P. 1-14.
14. Evdokimova G. A., Mozgova N. P. Soil fungi in the impact zone of non-ferrous metallurgy enteprise emission
and their capability for copper and nickel biosorbtion // Ecologija. 1998. № 2. P.11-15. Evdokimova G.A., Mozgova N.P.
Restoration of properties of cultivated soils polluted by copper and nickel // Journal of Environmental Monitoring, (JEM)
2003, Vol. 5, № 4. P.667-670.
15. Iimura K., Ito H., Chino M., Morishita T., Hirata H. Behavior of contaminant heavy metals in soil-plants system //
Proc. Inst. Sem. SEFMIA. Tokio, 1977. 357 p.
16. Siegel S.M. Solubiliration and accumulation of copper from elementary surface by Penicillium notatum //
Environ. Biol. аnd Med. 1973. v. 2. № 1. P.19-22.