К вопросу о биоремедиации урбанизированных почв аридной зоны России: микробиологические показатели и индикаторные биообъекты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

удк 631.461

Астраханский государственный университет, Астрахань, Российская Федерация

Астраханский государственный медицинский университет, Астрахань, Российская Федерация

К вопросу о биоремедиации урбанизированных почв аридной зоны России: микробиологические показатели и индикаторные биообъекты

В.Е. Калинкина

Н.А. Сальникова

А.K. Сальников

Аннотация

микробиологический почвенный рекультивация почва

В настоящее время исследование экологических особенностей микробных сообществ урбанизированных почв г. Астрахани представляется достаточно актуальным. Такое исследование позволит охарактеризовать участие микроорганизмов в экологических функциях городских почв, а также разработать технологию проведения индикации различных городских загрязнений. Целью данной работы явилось изучение микробиологических показателей почвенного покрова урбанизированной территории г. Астрахани в свете биоремедиации и рекультивации нарушенных и загрязненных почв. Объектами послужили почвенные образцы урбаноземов, урбопочв, культуроземов, природных грунтов, отобранные в разных административных районах г. Астрахани. Также исследованы почвы бэровских бугров (бурые аридные) и острова Городского (аллювиальные). В работе использованы методы люминесцентной микроскопии (ЛЮМАМ-1), посева на твердые питательные среды. Изучены основные микробиологические показатели: численность прокариотов и водорослей, основных эколого-трофических групп микроорганизмов и их количественные соотношения. Проведена санитарно-эпидемиологическая индикация городских почв, их состояние оценивается как удовлетворительное по показателям колититра и индекса энтерококков. Результаты работы показывают, что прокариоты в аллювиальных почвах о. Городского превалируют в весенний период, а водоросли - в осенний. В бурых аридных почвах бэровских бугров более интенсивно протекают процессы минерализации органического вещества. Выявлена приуроченность свободноживущих азотфиксаторов к загрязненным щелочным почвам. В образцах урбаноземов и урбопочв высокую активность проявляет популяция сульфатредуцирующих бактерий, в образцах природных грунтов и конструктоземов - популяция аммонифицирующих бактерий. В качестве индикаторных биообъектов предлагается использовать численность почвенных водорослей и диазотрофных бактерий.

Ключевые слова: биоремедиация, рекультивация, урбанизированные почвы, микроорганизмы, индикаторные биообъекты, экологическое состояние, показатели.

Annotation

At present the study of ecological specifics of microbial community in urban soils of the city of Astrakhan is quite urgent. This research enables to characterize the participation of microorganisms in ecological functions of urban soils, as well as to develop the technology for indicating urban pollution. The aim of the given work is to study microbial indices for soils of the urban territory of Astrakhan for bio-remediation and reclamation of disturbed and contaminated soils. The objects were soils sampled in different administrative districts of the city. The soils of Baer's mounds (brown arid) and island Gorodskoy (alluvial) were also studied. The methods of fluorescent microscopy and inoculation of solid medium were used. The main microbiological indices were investigated, such as the number of prokaryotes and algae, the main ecological and trophic groups of microorganisms, and their quantity ratios. Sanitary-epidemiological indication of urban soils was done. Their state is estimated as satisfactory according to coli titer and index enterococci. The results of the work show that in alluvial soils of the island Gorodskoy prokaryotes predominate in spring, and algae - in autumn. In brown arid soils of Baer's mounds the processes of organic matter mineralizing are more intensive. It is revealed that free-living nitrogen fixers locate in contaminated alkaline soils. Sulphate-reducing bacteria display activity in urban soils; ammonifying bacteria have high activity in the samples of natural soils and konstruktozems. It is proposed to use as indicators the number of soil algae and diazotroph-bacteria.

Keywords: bio-remediation, reclamation, urban soils, microorganisms, bio-objects as indicators, ecological state, indices.

В настоящее время темпы урбанизации неуклонно растут, и к концу XXI века ожидается вовлечение в этот процесс до 20 % всей пригодной для жизни человека территории суши [1]. Городская почва - сложный объект, располагающийся на стыке природных и городских систем. Именно здесь происходит наложение антропогенных процессов на естественные процессы почвообразования [2]. Несмотря на коренную перестройку основных свойств и фрагментарность распространения, почвы города, как и естественных ландшафтов, играют роль базового компонента, продолжая оставаться «зеркалом», «памятью» городских экосистем и важнейшим фактором формирования условий жизни человека [3, 4].

В настоящее время проводится интенсивная работа по созданию теоретических основ учения о городских экосистемах и роли в них почв. Большое число опубликованных в России и за рубежом работ посвящено изучению почвенного покрова города [5-9].

Как правило, в практике экологического мониторинга для оценки степени воздействия на экосистемы и почвы, подвергающиеся антропогенному влиянию, и скорости их самоочищения используются различные показатели. При этом оценка состояния и изменения почвенной биоты является одной из важнейших задач мониторинга почв, так как почвенные организмы являются наиболее чувствительными индикаторами изменения почвенно-экологических условий [2, 10].

Таким образом, исследование экологических особенностей микробных сообществ урбанизированных почв г. Астрахани представляется достаточно актуальным. Такое исследование позволит охарактеризовать участие микроорганизмов в экологических функциях городских почв, а также разработать технологию проведения индикации различных городских загрязнений.

Целью исследовательской работы являлось изучение микробиологических показателей почвенного покрова урбанизированной территории г. Астрахани в свете биоремедиации и рекультивации нарушенных и загрязненных почв (земель).

Материал и методика исследований. Объектами исследований послужили образцы почв, отобранные в различных экосистемах города Астрахани. Были задействованы как различные геоморфологические структуры: бэровские бугры, намывные острова, луга высокого уровня [11, 12] (современные парковые зоны), так и типичные урбаноземы, техноземы, культуроземы, урбопочвы.

Исследования почвенного покрова бэровских бугров проводились в четырех административных районах: Кировский район - Заячий бугор, бурые аридные типичные; Советский район - Паробичев бугор, бурые аридные типичные; Трусовский район - бугор Каратобе, бурые аридные засоленные; Ленинский район - бугор Татарский, бурые аридные гидрометаморфизованные почвы. Основу всех бэровских бугров составляют различные подтипы бурой аридной почвы, но верхний почвенный слой представляет собой урбанозем либо культурозем.

Также объектами исследования послужили различные подтипы аллювиальных почв острова Городского, который выполняет рекреационную функцию (является местом отдыха горожан и туристов, проведения игр по спортивному туризму) и представляет собой остров-осередок. На о. Городском были заложены ключевые участки (рисунок 1): участок А - прирусловая грива, заросшая древесной растительностью, почвы аллювиальные темногумусовые гидрометаморфические; участок B - култучная зона, открытое водное пространство; участок C - водно-болотное местообитание, почвы аллювиальные болотные перегнойно-глеевые; участок D - песчаные дюны, незакрепленные аллювиальные пески; участок E - луг высокого уровня, почвы аллювиальные темногумусовые гидрометаморфические; участок F - лесопосадка, почвы аллювиальные серогумусовые.

Рисунок 1 - Картосхема отбора почвенных проб с ключевых участков о. Городского

Для исследования экологического состояния микробного сообщества почв социально значимых объектов г. Астрахани отбирались почвенные образцы следующих городских субъектов:

- дворовые территории: ул. Дж. Рида (участок 1), ул. Звездная (2), ул. Татищева (3), ул. Минусинская (4), ул. Дзержинского (5), пер. Грановский (6). Почвы - урбаноземы;

- пешеходные зоны с зелеными насаждениями: ул. Калинина (7), ул. Кр. Набережная (8), ул. Савушкина (9), ул. К. Маркса (10), ул. Жилая (11), ул. С. Перовской (12). Почвы: урбопочвы и культуроземы;

- детские школьные площадки: ул. Цурюпы, СОШ № 61 (13); пер. Бакинский, СОШ № 58 (14); ул. Татищева, СОШ № 56 (15); пл. К. Маркса, лицей № 2 (16); пл. Шаумяна, гимназия № 3 (17). Почвы: конструктоземы и природные грунты.

Отбор почвенных проб проводили в весенний и осенний периоды 2014 года. Отбор осуществлялся в соответствии с ГОСТ 17.4.4.02-84 «Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб почвы для химического, бактериологического и гельминтологического анализа», МУ 1446-76 «Методические указания по санитарному микробиологическому исследованию почвы», ГОСТ 28168-99 «Почвы. Отбор проб» [13].

При определении численности микроорганизмов (бактерий, длины актиномицетного мицелия) использовали люминесцентную микроскопию (микроскоп ЛЮМАМ-1). Суспензии почвенных образцов наносили микропипеткой на тщательно обезжиренные предметные стекла (0,02 мл на препарат для бактерий) и равномерно распределяли петлей на площади 4 см². Для одного почвенного образца готовили 12 препаратов. Препараты для подсчета бактерий и мицелия актиномицетов окрашивали раствором акридина оранжевого (1:10000, в течение 3 минут). Водоросли обладают собственным свечением. Для численности бактерий доля среднего квадратического отклонения () не превышала 10 %, для актиномицетного мицелия - 20 %. Количество микробных клеток (мицелия), содержащихся в 1 г почвы, вычисляли по формуле [14, 15]:

,

где - количество клеток (длина мицелия, мкм) на 1 г почвы;

- площадь препарата, мкм²;

- количество клеток (длина мицелия, мкм);

- показатель разведения почвенной суспензии, мл;

- объем капли, наносимый на стекло, мл;

- площадь поля зрения микроскопа, мкм²;

- навеска почвы, г.

Определение численности эколого-трофических групп микроорганизмов проводили с помощью метода посева из разведений почвенных суспензий на твердые питательные среды. Для выделения аммонификаторов (бактерий-копиотрофов) применяли мясо-пептонный агар (МПА). Рост бактерий на крахмало-аммиачном агаре (КАА) позволяет охарактеризовать численность и разнообразие прокариотного амилолитического комплекса (амилолитиков). Количество диазотрофных бактерий (свободноживущих азотфиксаторов) учитывали методом почвенных комочков на среде Эшби без внесения в нее азота и среде Фёдорова - Калининской. Численность бактерий группы кишечной палочки (БГКП) определяли в трех параллельных разведениях на лактозо-пептонной среде (ЛПС) и среде Кесслера. Определяли колититр (наименьшую массу почвы, в которой содержится одна кишечная палочка). Численность энтерококков определяли с помощью высева почвенных разведений с ЛПС через 24 часа инкубации на молочно-ингибиторную среду (МИС). Численность сульфатредуцирующих бактерий определяли посевом почвенной суспензии на питательную среду Баарса. Посевы инкубировали при температуре 28-30 °С в течение 5-14 дней в зависимости от типа среды. Данные об общей численности микроорганизмов, полученные методом посева, выражали в колониеобразующих единицах (КОЕ) и делали пересчет на 1 г воздушно-сухой почвы по формуле [15]:

,

где - количество клеток в 1 г почвы;

- среднее количество колоний на чашке;

- разведение, из которого сделан посев;

- количество капель в 1 мл суспензии;

- масса воздушно-сухой или абсолютно-сухой почвы, взятой для анализа, г.

Результаты исследований и их обсуждение. Проведенные исследования показали, что численность бактерий в почвах ключевых участков о. Городского снижалась к осеннему периоду и не превышала за все время наблюдений 2,5 млрд/г. Среднее значение численности прокариот составляло 1,5-1,6 млрд/г. Наибольшая длина актиномицетного мицелия наблюдается на участке E - лугу высокого уровня (430 м/г ± 22 м/г весной и 405 м/г ± 20 м/г осенью). Также отмечено снижение длины мицелия к осеннему периоду, которая в среднем составляет 266 м/г ± 16 м/г. Численность водорослей сохраняется на протяжении всего вегетационного периода, максимальные значения отмечены в почвах водно-болотного местообитания (от 4,9 до 5,3 млн/г). Средние значения численности водорослей не превышают 3,9 млн/г (таблица 1). На основании полученных микробиологических показателей и сравнения с показателями аллювиальных почв дельты Волги [11] о. Городской можно считать условно ненарушенной природной экосистемой.

Таблица 1 - Микробиологические показатели почвенного покрова о. Городского

Численность бактерий, усваивающих как органический (бактерии на МПА - аммонификаторы), так и минеральный азот (бактерии на КАА - амилолитики), убывает вниз по почвенному профилю для всех изученных проб бэровских бугров. Максимальные значения численности амилолитиков не превышают 7000·10² кл/г почвы, аммонификаторов - 4000·10² кл/г почвы. Таким образом, амилолитики обуславливают более интенсивные процессы минерализации органического вещества в бурых аридных почвах (рисунок 2).

почвенный профиль: глубина 1 - 15-20 см; глубина 2 - 10-15 см; глубина 3 - 5-10 см; глубина 4 - 0-5 см

Рисунок 2 - Соотношение бактерий, растущих на МПА и КАА, в почвах бэровских бугров г. Астрахани

На роль индикаторных бактерий, используемых для мониторинга городской среды, может претендовать таксономически определенная популяция, совокупность биологических потребностей которой соответствует свойствам городской среды, где такие бактерии могут отбираться в процессе антропогенеза, выживать и доминировать.

Поэтому при мониторинге городской среды важно исследовать характер распространения свободноживущих азотфиксирующих (диазотрофных) бактерий, способных к постоянному размножению и развитию не только в ризосфере растений, но и свободно в почвенном пространстве при сохранении их исходных свойств: азотфиксации, продукции фитогормонов и некоторых типов фунгистатических агентов [16].

Для определения численности азотфиксирующих (диазотрофных) бактерий исследовали почвенный покров некоторых антропогенно преобразованных участков города, испытывающих различную нагрузку [17]. Анализ полученных данных показал, что имеется тенденция к приуроченности численности бактерий к слабощелочным и щелочным почвам. Величина рН является одним из условий жизнеспособности клеток Azotobacter chroococcum в урбаноземах. Было обнаружено, что содержание популяции азотфиксирующих бактерий варьирует в пространстве. Данная группа широко представлена в урбаноземах, где наблюдается сильный антропогенный прессинг, и практически отсутствует в почвах парковой зоны. Процент обрастания комочков почвы в данных исследованиях зависел от типа питательной среды, и более информативной оказалась среда Фёдорова - Калининской (таблица 2). Наибольший процент обрастания комочков почвы диазотрофными бактериями наблюдается в образцах из прибрежной зоны р. Кутум (87-92 %) и придорожного газона автозаправочной станции № 21 (90-92 %). Минимальный процент обрастания комочков почвы бактериями наблюдался в образцах из сквера Астраханского кремля (20-35 %).

Вероятнее всего, фактором, лимитирующим развитие данной группы бактерий в почве, является не только реакция среды, но и содержание токсических элементов (что требует проведения дальнейших химических исследований).

Санитарно-микробиологическая оценка почвенного покрова социально значимых мест г. Астрахани показала следующее. Из анализа показателей колититра следует, что почвенный покров участков 1, 12 и 13 (нумерация объектов приводится в методике) имеет очень высокую степень экологического неблагополучия. Относительно удовлетворительное экологическое состояние почвы имеют участки 2, 4, 8, 9, 15 и 17. Значения индекса энтерококков в почвах изученных объектов распределились от удовлетворительного до высокого (от 5 до 15 клеток на 1 грамм почвы) (таблица 3).

Таблица 2 - Содержание азотфиксирующих (диазотрофных) бактерий в урбаноземах г. Астрахани

Таблица 3 - Оценка эпидемической опасности почв социально значимых объектов г. Астрахани

Численность сульфатредуцирующих бактерий почвенного покрова распределилась неоднозначно по участкам дворовых территорий (урбаноземам): максимальные значения численности сульфатредукторов наблюдались в местах отбора на улице Николая Островского (72·10⁴ кл/г почвы), минимальные - на улице Джона Рида (24·10⁴ кл/г почвы). Наибольшая численность аммонифицирующих бактерий наблюдалась в почвенных образцах, отобранных на улице Дзержинского (40·10⁴ кл/г почвы), наименьшая - в переулке Грановском (11·10⁴ кл/г почвы) (рисунок 3).

1 - ул. Дж. Рида; 2 - ул. Звездная; 3 - ул. Н. Островского; 4 - ул. Татищева; 5 - ул. Минусинская; 6 - ул. Дзержинского; 7 - пер. Грановский

Рисунок 3 - Распределение численности микроорганизмов в урбаноземах г. Астрахани

В урбопочвах распределение численности микроорганизмов сложилось следующим образом. Наибольшие значения численности сульфатредукторов отмечались в образцах, отобранных на улице Софьи Перовской (61·10⁴ кл/г почвы) и улице Жилой (50·10⁴ кл/г почвы). Максимальные значения численности аммонификаторов наблюдались в образцах, отобранных на улице Карла Маркса (22·10⁴ кл/г почвы), наименьшие значения - в образцах с улицы Красной Набережной (9·10⁴ кл/г почвы) (рисунок 4).

1 - ул. Калинина; 2 - ул. С. Перовской; 3 - ул. Жилая; 4 - ул. К. Маркса; 5 - ул. Керченская; 6 - ул. Кр. Набережная

Рисунок 4 - Распределение численности микроорганизмов в урбопочвах г. Астрахани

Количество клеток сульфатредукторов в почве детских школьных площадок колеблется от 60·10⁴ до 20·10⁴ кл/г почвы (соответственно СОШ № 61 и СОШ № 56), численность аммонифицирующих бактерий варьирует от 35·10⁴ до 25·10⁴ кл/г почвы (соответственно гимназия № 3 и лицей № 2) (рисунок 5).

Таким образом, впервые была проведена оценка урбанизированных почв г. Астрахани по микробиологическим показателям. Установлено, что численность бактерий, актиномицетов и водорослей в аллювиальных почвах острова Городского сопоставима с таковыми показателями почв дельты Волги и остров может считаться условно ненарушенной экосистемой г. Астрахани. В бурых аридных почвах бэровских бугров численность амилолитиков превышает численность аммонификаторов, что обуславливает более интенсивные процессы минерализации органического вещества в этих почвах. По показателям колититра и индекса энтерококков степень экологического неблагополучия городских почв варьирует от удовлетворительной до высокой.

1 - СОШ № 61; 2 - СОШ № 58; 3 - СОШ № 56; 4 - лицей № 2; 5 - гимназия № 3

Рисунок 5 - Распределение численности микроорганизмов в почвенных образцах детских школьных площадок г. Астрахани

В урбаноземах и урбопочвах возрастает численность популяции сульфатредуцирующих бактерий, в почвах детских школьных площадок - аммонифицирующих бактерий. Выявлена определенная тенденция к приуроченности неассоциированных азотфиксаторов (диазотрофов) к загрязненным щелочным почвам, которые участвуют в процессе деструкции органического вещества.

Данное исследование имеет не только научное, но и социальное значение для города. В связи с этим необходимо совершенствование системы мониторинга состояния почвенного покрова социально значимых мест для горожан и гостей города с внедрением новых показателей и критериев. Выявленные микробиологические показатели могут являться основанием для дальнейших исследований с целью создания биоремедиационной технологии городских почв, а численность неассоциированных азотфиксаторов (диазотрофов) может служить индикатором экологического состояния почвы.

Список использованных источников

1 Лысак, Л. В. Бактериальные сообщества городских почв: автореф. дис. … д-ра биол. наук: 03.02.03 / Лысак Людмила Вячеславовна. - М., 2010. - 48 с.

2 Яковлев, А. С. Биологическая диагностика и мониторинг состояния почв / А. С. Яковлев // Почвоведение. - 2000. - № 1. - С. 70-79.

3 Полянская, Л. М. Биомасса грибов в различных типах почв / Л. М. Полянская, В. В. Гейдебрехт, Д. Г. Звягинцев // Почвоведение. - 1995. - № 5. - С. 566-572.

4 Раппопорт, А. В. Антропогенные почвы городских ботанических садов (на примере Москвы и Санкт-Петербурга): автореф. дис. … канд. биол. наук: 03.00.27 / Раппопорт Александр Витальевич. - М., 2004. - 25 с.

5 Некоторые методологические принципы при исследовании городских почв / Т. В. Бардина, Л. П. Капелькина, В. С. Зуев, Е. В. Иванцова // Тез. докл. III съезда Докучаевского общества почвоведов, г. Суздаль, 11-15 июля 2000 г. - Суздаль, 2000. - С. 14.

6 Строганова, М. Н. Экологическое состояние городских почв и стоимостная оценка земель / М. Н. Строганова, Т. В. Прокофьева, А. Н. Прохоров // Почвоведение. - 2003. - № 7. - С. 867-875.

7 Burghardt, W. Soil quality of urban ecosystems / W. Burghardt // Integrated soil and sediment research: a basis for proper protection. - Dordrecht: Kluwer, 1993. - P. 359-364.

8 Jim, C. Y. Urban soils characteristics and limitations for landscape planting in Hong Kong / C. Y. Jim // Landscape and urban planning. - 1998. - V. 40. - P. 235-249.

9 Effects of elevation, slope position and livestock exclusion on microfungi isolated from soils of Mediterranean grasslands / O. Maggi, A. M. Persiani, M. A. Casado, F. D. Pineda // Mycologia. - 2006. - V. 97. - P. 984-995.

10 Пархоменко, А. Н. Влияние загрязнений нефтепродуктами и серой на микрофлору почв аридной зоны (на примере Астраханской области): автореф. дис. … канд. биол. наук: 03.02.08 / Пархоменко Анна Николаевна. - Уфа, 2011. - 22 с.

11 Микробные сообщества аллювиальных почв дельты Волги / Н. А. Сальникова, Л. М. Полянская, З. Т. Тюгай, А. Л. Сальников, М. А. Егоров // Почвоведение. - 2009. - № 1. - С. 64-70.

12 Оценка содержания запасов углерода в гидроморфных почвах дельты Волги / Н. А. Сальникова, А. Л. Сальников, З. Т. Тюгай, Л. М. Полянская, М. А. Егоров // Вестник Оренбургского государственного университета. - 2008. - № 12. - С. 139-142.

13 Муравьев, А. Г. Оценка экологического состояния природно-антропогенного комплекса: практ. рук-во / А. Г. Муравьев. - СПб.: «Крисмас+», 2000. - 78 с.

14 Распределение численности и биомассы микроорганизмов по профилям зональных типов почв / Л. М. Полянская, В. В. Гейдебрехт, А. Л. Степанов, Д. Г. Звягинцев // Почвоведение. - 1995. - № 3. - С. 322-328.

15 Методы почвенной микробиологии и биохимии / И. В. Асеева [и др.]; под ред. Д. Г. Звягинцева. - М.: Изд-во МГУ, 1991. - 302 с.

16 Скворцова, И. Н. Азотобактер в почвах города Москвы / И. Н. Скворцова, М. Н. Строганова, Д. А. Николаева // Почвоведение. - 1997. - № 3. - С. 384-391.

17 Пищухина, Е. Ю. Азотобактер в условиях урбанизированной среды (на примере г. Астрахани) / Е. Ю. Пищухина, А. Л. Сальников, Н. А. Сальникова // Биология - наука XXI века: XV Международная Пущинская школа-конференция молодых ученых, г. Пущино, 18-22 апреля 2011 г. - Пущино, 2011. - С. 53-54.

Калинкина Виталина Евгеньевна - аспирант кафедры агроинженерии, мелиорации и агроэкологии, Астраханский государственный университет, Астрахань, Российская Федерация.

Контактный телефон: +7 988 074-91-86.

Е-mail: rogozavitalina@mail.ru

Сальникова Наталья Алексеевна - кандидат биологических наук, доцент, доцент кафедры фармакогнозии, фармацевтической технологии и биотехнологии, Астраханский государственный медицинский университет, Астрахань, Российская Федерация.

Контактный телефон: +7 903 349-31-34.

Е-mail: natalya-salnikova-81@mail.ru

Сальников Алексей Львович - доктор биологических наук, доцент, заведующий кафедрой агроинженерии, мелиорации и агроэкологии, Астраханский государственный университет, Астрахань, Российская Федерация.

Контактный телефон: +7 903 378-59-60.

E-mail: alsalnikov@yandex.ru

Размещено на Allbest.ru