На правах рукописи СТРУЧКОВА ЛУИЗА КОНСТАНТИНОВНА МИКРОФЛОРА МЕРЗЛОТНЫХ ЛУГОВО-СТЕПНЫХ ПОЧВ

На правах рукописи
СТРУЧКОВА ЛУИЗА КОНСТАНТИНОВНА
МИКРОФЛОРА МЕРЗЛОТНЫХ ЛУГОВО-СТЕПНЫХ ПОЧВ
ЦЕНТРАЛЬНОЙ ЯКУТИИ И ВЛИЯНИЕ НА НЕЁ РАЗНЫХ ДОЗ
ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ
03.02.08 – экология (биология) (биологические науки)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата биологических наук
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»
Защита состоится 27 декабря 2011г. в 11.00 часов на заседании диссертационного
совета Д 220.027.03 при ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный аграрный университет» по адресу: 675005, г. Благовещенск, ул. Политехническая , 86, ауд. 223, тел.
(факс): 8(4162)49-10-44, 8(4162)51-32-42, e-mail: agrodis@mail.ru.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Дальневосточный государственный аграрный университет». Автореферат размещен на сайтах:
http://www.dalgau.ru, http://mon.gov.ru.
Автореферат разослан «___» ноября 2011 г.
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 ха-
рактерным 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 луговостепных 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 дерновоглееватых 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
уро-
жайность 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 физикохимическими 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 луговочерноземной 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 «СевероВосточной 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.
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 × 5H2O,
ZnSO4 × 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
Тяжелые
Вариант опыта (количество вносимого металла, мг/кг)
металлы
контроль
0,5 ПДК
1,0 ПДК
10,0 ПДК
30,0 ПДК
Zn
0
50
100
1000
3000
Cu
0
28
55
550
1650
Pb
0
15
30
300
900
Cd
0
2,5
5
50
150
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
Количество вносимых металлов, мг/кг
Вариант опыта
N60 P60 K60 (Фон)
Сu
0
Pb
0
Zn
0
Cd
0
Фон + 1 ПДК
Фон + 5 ПДК
55
275
30
150
100
500
5
10
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 луговочерноземным 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)
Обмен- СаСО3,
ные Ca++
%
++
Гумус,
N обрН
и
Mg
,
Тип почвы
С, %
С:N
водный
%
щий, %
мгэкв/100г
Мерзлотный
чернозем
Мерзлотная
луговочерноземная
Мерзлотная
дерновоглееватая
Физическая
глина,
частицы
<0,01мм,
%
2,6
0,797
0,132
6,3
7,2
1,7
0
20,1
5,08
2,95
0,43
6,86
8,5
3,5
5,8
32,5
7,12
4,13
0,579
7,13
6,6
2,4
1,7
39,3
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 гумусовоаккумулятивных 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 2035%. 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)
Тип почвы
Мерзлотный
чернозем
Мерзлотная
луговочерноземная
Мерзлотная
дерновоглееватая
Гетеротрофы на
МПА, тыс. КОЕ/г
Бактерии на КАА,
тыс. КОЕ/г
Олигонитрофилы
на Эшби,
тыс.
КОЕ/г
Грибы
на
Чапека,
тыс.
КОЕ/г
Azotobacter,
%
Cl.pasteurianum,
клеток
/г
бациллы
неспорообразующие
бактерии
актиномицеты
бактерии
552,2
16157,5
888,0
2419,0
5204,7
30,2
13,5
8,2
1120,2
19697,5
1294,5
3966,5
5465,2
53,5
45,7
8,5
628,7
16181,5
2219,2
12007,2
9083,5
31,2
21,7
7,2
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.
0
2
4
8
6
10
12
14
16
18 млн. КОЕ/г
20
70
110
см
Мерзлотный чернозем
0
2
4
8
6
10 12 14
16 18 20
22
млн. КОЕ/г
20
70
110
см
Мерзлотная лугово-черноземная почва
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
19 млн. КОЕ/г
20
70
110
см
Мерзлотная дерново-глееватая почва
- бактерии на МПА
- бактерии на Эшби
- бактерии на КАА
- актиномицеты
Рисунок 1. Профильное распределение микроорганизмов в мерзлотных лугово-степных
почвах
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).
Мерзлотный
чернозем
Мерзлотная
луговочерноземная
почва
Мерзлотная
дерновоглееватая
почва
чернозем
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
Тип почвы, регион, источник
n
Мерзлотный чернозем (Центральная Якутия), наши данные
Южный чернозем (Новосибирская область), малогумусный карбонатный чернозем (Луганская область), по
Рунов, 1954; Самцевич,
1966; Клевенская, 1967
Мерзлотная луговочерноземная (Центральная
Якутия), наши данные
Лугово-черноземная (Новосибирская область), луговобуро-черноземовидная
(Приморский край), по
Клевенская, 1963; Щапова,
1994
Мерзлотная дерновоглееватая (Центральная
Якутия), наши данные
Луговая глеевая слабо солонцеватая (Приморский
край), по Щапова, 1994
4
Бактерии на МПА, тыс.
КОЕ/г
общее кол- бациллы
во
11651
552
6400-20763
369-774
Бактерии на КАА, тыс.
КОЕ/г
общее колактино
во
мицеты
4193
888
1603-5514
214-1873
Бактерии
на Эшби,
тыс. КОЕ/г
5364
4995-6053
2
1699
891-2620
478
201-744
2663
1967-3317
942
503-1704
-
4
16562
10403-22556
1120
148-1861
6174
3030-8325
1294
4231-2048
6657
2471-9445
2
6585
2247-13320
900
250-1384
6623
170314550
1351
447-4060
5700
4436-6964
4
15020
10018-23602
628
331-1018
2219
1517-2504
2
7092
2200-11900
1122
300-2140
11131
481014304
4490
630-11100
11361
766815565
1909
120-4200
28
5-93
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 2050% 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 6090%. 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 луговочерноземной 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»
Параметр
Густота
стеблестоя
Высота
растений,мм
Число
листьев
на расте-нии
Максимальная длина
листа, мм
Максимальная ширина
листа, мм
Площадь
листьев
на 1м2
Фон
M
125
650,2
3,6
215,6
14,6
6916,2
(N60P60
N60)
M±tm
118,6131,4
627,9–72,2
3,4-3,8
207,6 – 223,6
14,2 – 15,1
6341,57490,9
Фон+
M
130
573,1*
3,7
194,9*
14,6
6074,5*
1ПДК
M±tm
125,7134,4
568,5–
577,8*
3,6 – 3,9
180,2 – 209,7*
14,3 – 14,9
5575,36573,7*
Фон+
M
95,0*
548,7*
4,1*
190,1*
13,7
4540,9*
5ПДК
M±tm
86,6103,4*
468,0–
629,5*
4,0 – 4,2*
177,8 –
202,4*
11,9 – 15,5
3859,15222,7*
Вариант
опыта
Примечание. * - изменение параметра относительно контрольного варианта достоверно при
Р=0,05
Таблица 7
Влияние комплекса тяжелых металлов на урожайность зеленой массы ячменя сорта «Тамми»
Сырая масса, ц/га
Вариант опыта
М
Фон (N60Р60К60)
Фон + 1ПДК
Фон + 5ПДК
89,5
76,3
57,1
М±tm
(Р=0,05)
87,2 - 91,7
75,3 - 77,3
56,8 - 57,4
Снижение
урожайности
сырой массы, ц/га
-13,2
-32,4
Сухая масса, ц/га
М
15,8
14,3
9,5
М±tm
(Р=0,05)
14,9 - 16,7
12,9- 15,6
5,5 - 13,5
Снижение
урожайности
сухой массы,
ц/га
-1,5
-6,3
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 дерновоглееватой 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. 7982.
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 Яку-
тии / Л.К. Стручкова // Матер. XLV междунар. науч. студенческая конф. «Студент и научно-технический прогресс», 10-12 апреля 2007г. – Новосибирск: Изд-во НГУ, 2007. – С.8485.
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.