Вплив комплексного забруднення важкими металами на мікрофлору дерново-підзолистого ґрунту

Размещено на http://www.allbest.ru/

Державний агроекологічний університет

Валерко Р.А., аспірант

Досліджений вплив Cu, Pb, Zn при вмісті у дерново-підзолистому грунті на рівні 1, 5, 10 та 15 ГДК на його мікробні угрупування (бактерії, мікроміцети, стрептоміцети, Azotobaсter) через 1, 3 та 6 місяців. Критеріїєм оцінки впливу важких металів на мікрофлору грунту слугувала чисельність мікроорганізмів. Встановлено, що важкі метали в дерново-підзолистому грунті як пригнічують, так і стимулюють розвиток мікробоценозу. Дія забруднювачів залежить від їх концентрації та строку експозиції в грунті.

The paper investigates the influence of Cu, Pb and Zn with the level of their content in derno-podzolic soil as that of 1, 5, 10 and 15 MPC (maximum permissible concentration) on its microbial groups (bacteria, micromyceta, streptomyceta, Azotobacter) in one, three and six months. The number of microorganisms served as a criterion for evaluating the influence of heavy metals on soil microflora. It has been established that heavy metals both suppress and stimulate microbocenosis development. The effect of pollutants depends on their concentration and the time of exposure in the soil.

Важкі метали є небезпечними забруднювачами навколишнього середовища. До 90 % їх кількості, що потрапляє у довкілля із викидами промислових підприємств та автотранспорту, акумулюється грунтом. Накопичуючись у грунті в небезпечних концентраціях, елементи-забруднювачі здатні змінювати біологічні властивості ґрунту, негативно впливати на грунтову біоту, рослини і тварин.

Ґрунтові мікроорганізми відіграють значну роль у формуванні родючості ґрунту. Вони мають досить високу фізіологічну активність і тому є міцними природними хімічними реагентами, здатними акумулювати і розсіювати хімічні елементи. Пригнічення мікробіологічної діяльності може привести до різкого зниження біологічної активності природних комплексів, в тому числі й екосистеми ґрунту [1]. Ґрунтові мікроорганізми дуже чутливі до змін умов існування, зокрема, до забруднення грунту важкими метали. У забруднених грунтах змінюється чисельність мікробних угрупувань, пригнічується або стимулюється їх розвиток, з`являються резистентні до забруднювачів види мікроорганізмів [2]. Вивчаючи різні реакції ґрунтових мікроорганізмів на забруднення важкими металами, можна розробити методи біоіндикації забрудненого ґрунту.

Наразі накопичений досить значний теоретичний та експериментальний матеріал стосовно впливу важких металів на грунтову мікрофлору [3-8, 9-11, 12]. Однак результати досліджень не завжди є однозначними, що пов`язано із природним варіюванням біологічних властивостей грунтів, а також із відмінностями у підходах до досліджень у різних вчених. Вивчався вплив як окремих елементів-забруднювачів [1, 3-8, 10, 13], так і сумісний вплив важких металів [1, 3, 6, 10, 13] на чисельність представників мікробіоти ґрунту. В багатьох працях відмічається зменшення кількості спорових бактерій і мікобактерій [1], актиноміцетів [7], мікроскопічних грибів [8, 15] при забрудненні грунту важкими металами. Проте в деяких дослідженнях [4, 5], навпаки, не виявлено відмінностей в чисельності та складі грунтових мікроорганізмів при забрудненні важкими металами. Значний інтерес викликали дослідження реакції мікробної системи ґрунту на градієнт концентрації важких металів, в ході яких було виявлено чотири типи реакції мікробної системи ґрунтів на забруднення важкими металами: зони гомеостазу, стресу, резистентності та репресії. Встановлено, зокрема, що за сильного забруднення, яке характерне для зони резистентності, активні мікроорганізми переходять в неактивний стан, натомість розвиваються нетипові для даного ґрунту, резистентні до забруднювача організми. Негативна дія забруднення ґрунту в зоні репресії проявляється через ефект повної стерилізації [4, 7, 14].

Зауважимо також, що переважна більшість досліджень по впливу забруднення важкими металами (як моно- так і поліелементного) на чисельність ґрунтових мікробоценозів проводилась на чорноземах [6, 9, 10], результати ж досліджень, проведених на дерново-підзолистих ґрунтах, у науковій літературі висвітлені недостатньо [13].

Однак, не зважаючи на протиріччя, аналіз літературних даних дає підстави припустити, що високі концентрації важких металів викликають зміни у складі грунтової мікрофлори, які можуть бути зареєстровані за допомогою звичайних мікробіологічних методів кількісного підрахунку мікробних груп, а також на основі появи або зникнення із біоти популяцій окремих видів, які найбільш чутливі до фактору забруднення певного типу ґрунту [4, 16]. метал мікрофлора забруднювач грунт

В ході виконання досліджень нами було поставлено за мету вирішити наступні завдання:

1) оцінити вплив комплексного забруднення важкими металами (Cu, Zn і Pb) на мікрофлору дерново-підзолистого глеюватого супіщаного грунту;

2) визначити особливості впливу комплексного забруднення важкими металами (Cu, Zn і Pb) на зміну чисельності мікробних угруповань в грунті;

3) встановити найбільш чутливі до комплексного забруднення важкими металами мікроорганізми та оцінити можливість їх використання в якості тест-об'єктів при біоіндикації.

Польовий модельний дослід був закладений в 2006 році на дерново-підзолистому глеюватому супіщаному грунті. В якості речовин - забруднювачів були вибрані мідь, цинк і свинець. Грунт забруднювали сумішшю металів - 1, 5, 10 і 15ГДК кожного. При цьому виходили з літературних даних [2], що ГДК для Cu складає 55 мг/кг грунту, Zn - 100 мг/кг, Pb - 32 мг/кг. Важкі метали вносили в 0 - 20 см шар грунту у вигляді оцтовокислих солей. Зразки грунту для визначення впливу на грунтову мікрофлору відбирали через 1, 3 і 6 місяців після внесення комплексу ацетатів Cu, Zn і Pb.

Чисельність мікроорганізмів визначали методом посіву граничних розведень грунтових суспензій на агарові середовища, що відповідають потребам основних таксономічних і еколого-трофічних груп. Кількість мікроорганізмів-амоніфікаторів визначали на м'ясо-пептонному агарі; азотфіксуючих бактерій - на середовищі Ешбі; бактерій, що вживають мінеральні форми азоту, і стрептоміцетів - на крахмальо-аміачному агарі; мікроміцетів - на середовищі Чапека; оліготрофів - на розведеному в 100 разів середовищі Ешбі, азотобактера - методом обростання колонією грудочок грунту на середовищі Федорова.

Результати досліджень впливу комплексного забруднення важкими металами на грутові мікроорганізми, представлені в таблиці та на рисунку, свідчать про наступне.

Найчутливішою до забруднення групою мікроорганізмів виявилися мікроскопічні гриби, чисельність яких із збільшенням концентрації важких металів та строку експозиції зменшувалася у 2-2,5 рази порівняно з контролем. Найменша кількість мікроміцетів спостерігалася у варіанті із забрудненням грунту на рівні 15 ГДК через 6 місяців. Це дає підстави твердити про можливість використання мікроміцетів в якості біоіндикатора забруднення важкими металами (Cu, Zn і Pb) дерново-підзолистого ґрунту.

Досить чутливими до дії важких металів виявились і оліготрофні бактерії. Однак, при забрудненні грунту в 1 ГДК чисельність даних мікроорганізмів залишаласяся на рівні контролю, лише через 6 місяців дещо зменшуючись. При збільшенні концентрації важких металів у ґрунті до 5-15 ГДК кількість бактерій через 1 та 3 місяці зменшувалася, а через півроку, навпаки, різко зростала, що пояснюється появою резистентних до полютантів видів. Проте загалом кількість бактерій на цих варіантах залишалася меншою порівняно з контролем.

Таблиця. Чисельність основних груп мікроорганізмів у дерново-підзолистому ґрунті при забрудненні важкими металами за різних строків експозиції

Рис. Вплив важких металів на чисельність основних груп мікроорганізмів у дерново-підзолистому ґрунті, у % до контролю (ГДК* - 1 - 1 ГДК; 2 - 5 ГДК; 3 - 10 ГДК; 4 - 15 ГДК)

Важкі метали, впливаючи на бактерії-амоніфікатори при концентраціях 1 та 5 ГДК, сприяли різкому збільшенню їх чисельності, причому ця тенденція зберігалася і для строку експозиції. Кількість бактерій за таких рівнів забруднення збільшувалась майже у 2,5 рази, що свідчить про стимулюючий вплив елементів-забруднювачів на дану групу мікроорганізмів. За рівня забруднення 10 ГДК також спостерігалося незначне стимулювання росту бактерій-амоніфікаторів, а при збільшенні строку експозиції до 6 місяців їх кількість зростала майже вдвічі. Кількість бактерій на найбільш забрудненому варіанті, де концентрація важких металів в ґрунті була в межах 15 ГДК, залишалась на рівні контролю, що свідчить про надзвичайну стійкість амоніфікаторів до полютантів.

При забрудненні дерново-підзолистого грунту сумішшю важких металів на рівні 1 та 5 ГДК спостерігалось незначне підвищення чисельності стрептоміцетів через 1 місяць після забруднення середовища.

При концентраціях 10 та 15 ГДК, навпаки, відмічалось чітке зниження чисельності цих мікроорганізмів, що свідчить про негативний вплив високих концентрацій важких металів на їх життєдіяльність. Яскраво вираженою в даному випадку була й обернена пропорційна залежність кількості мікроорганізмів від строку експозиції забруднювачів у грунті.

Комплексний вплив важких металів на асоціативні азотфіксуючі бактерії також був неоднозначним. Важкі метали в концентраціях 1, 5 та 10 ГДК стимулювали ріст азотфіксуючих мікроорганізмів: їх кількість порівняно із контролем збільшувалась вдвічі. При більш високій концентрації забруднювачів у 15 ГДК розвиток асоціативних азотфіксуючих бактерій залишався на рівні контролю. Строк експозиції практично не впливав на чисельність даної групи мікроорганізмів.

Щодо азотфіксуючих бактерій роду Azotobaсter, які вільно існують, то за рівня забруднення в 1 ГДК кількість грудочок обростання грунту залишалась на рівні контролю, а при збільшенні концентрації до 5 - 10 ГДК кількість мікроорганізмів поступово зменшувалась. Збільшення ж концентрації забруднювачів до 15 ГДК призвело до зменшення кількості вільно існуючих азотфіксуючих бактерій майже у 2 рази. Ця ж тенденція була характерна і для строку експозиції важких металів у грунті.

Бактерії, що використовують в своїй життєдіяльності мінеральні форми азоту, виявились резистентними до забруднення середовища важкими металами. При концентрації важких металів на рівні 5 та 10 ГДК відбувалося помітне стимулювання розвитку бактерій, причому ця тенденція зберігалася і для строку експозиції. За рівнів забруднення в 1 та 15 ГДК чисельність бактерій даного виду залишалась на рівні контролю, що свідчить про надзвичайну стійкість цих мікроорганізмів до полютантів та їх широку екологічну валентність.

За результатами проведених досліджень було встановлено, що суміш важких металів (Cu, Pb, Zn) в концентраціях 1, 5, 10 і 15 ГДК неоднозначно впливає на мікрофлору ґрунту: спостерігається як пригнічення, так і стимулювання розвитку окремих груп мікроорганізмів.

Дія ВМ на мікроорганізми залежить від вмісту їх у ґрунті, їх концентрації та строку експозиції, а також від стійкості самих мікроорганізмів. За ступенем толерантності до забруднення дерново-підзолистого ґрунту ВМ групи мікроорганізмів розташовуються наступним чином: мікроскопічні гриби > азотобактер > стрептоміцети > оліготрофи > бактерії, що використовують мінеральні форми азоту > амоніфікатори > азотфіксуючі бактерії. Найбільш чутливими до дії ВМ виявились мікроміцети та азотобактер, що дає підставу використовувати ці групи мікроорганізмів в якості тест-об'єктів для індикації забруднення важкими металами дерново-підзолистого ґрунту.

Подальші дослідження слід зосередити в напрямку оцінки впливу різних концентрацій важких металів на ферментативну активність дерново-підзолистого ґрунту.

Література

1. Надточій П.П., Вольвач Ф.В., Гермашенко В.Г. Екологія ґрунту та його забруднення. К.: Аграрна наука, 1997. - 286 с.

2. Агроекологічний моніторинг та паспортизація сільськогосподарських земель (методично-нормативне забезпечення) / За заг. ред. акад. УААН В.П. Патики, акад. УААН О.Г. Тараріка. - К., 2002. - С. 136 - 146.

3. Бабьева М.А., Зенова Н.К. Биология почв. Микробоценозы зональных типов почв СССР. - М.: Изд - во МГУ, 1989. - 201 с.

4. Бабьева И.П., Левин С.В., Решетова И.С. Изменение численности микроорганизмов в почвах при загрязнении тяжелыми металлами // Тяжелые металлы в окружающей среде. - М., 1980. - С. 115.

5. Булавко Г.И. Влияние различных соединений свинца на почвенную микрофлору // Изв. СО АН СССР. Сер. биол. - 1982. - Вып. 1, №5. - С. 79.

6. Вальков В.Ф., Колесников С.И., Казеев К.Ш., Тащиев С.С. Влияние загрязнения тяжелыми металлами на микроскопические грибы и Azotobacter чернозема обыкновенного // Экология. - 1997. - № 5. - С. 388-390.

7. Гузев В.С., Левин С.В., Звягинцев Д.Г. Реакция микробной системы почв на градиент концентрации тяжелых металлов // Микробиология. - 1985. - Вып. 3, № 54. - С. 414-420.

8. Гузев В.С., Левин С.В. Перспективы эколого-микробиологической экспертизы состояния почв при антропогенных воздействиях // Почвоведение. - 1991. - № 9. - С. 50-62.

9. Жовинский Э.Я., Кураева И.В. Геохимия тяжелых металлов в почвах Украины. - К.: Наукова думка, 2002. - 213 с.

10. Каббата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях: Пер. с англ. - М.: Мир, 1989. - 439 с.

11. Кобзев В.А. Взаимодействие загрязняющих почву тяжелых металлов и почвенных микроорганизмов // Тр. Ин - та эксп. метеорологии. - М.: Гидрометеоиздат, 1980. - Вып 10. - С. 48.

12. Надточій П.П., Мислива Т.М., Трембіцький В.А. Агроекологічний моніторинг присадибних ділянок на радіонуклідно забруднених територіях Житомирської області // Таврійський наук. вісн. - 2004. - Вип. 31. - С. 87 - 93.

13. Марфенина О.Е., Мирчинк Т.Г. Микроскопические грибы при антропогенном воздействии на почву // Почвоведение. - 1988. - № 9. - С. 107-112.

14. Колесников С.И., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. Влияние загрязнения тяжелыми металлами на микробные сообщества чернозема // Почвоведение. - 1999. - № 4. - С. 506-511.

15. Евдокимова Г.А., Мозгова Н.П. Влияние ионов тяжелых металлом на изменение численности микроорганизмов в почве // Биологическая диагностика и индикация почв. - М.: Наука, 1976.

16. Макарчук З.В. Мікрофлора забруднених важкими металами грунтів, їх індикація та шляхи оздоровлення: Автореф. дис… к. б. н.: 03.00.07 / НАН України; Інститут мікробіології і вірусології ім. Д.К. Заболотного. - К., 2000. - 18 с.

Размещено на Allbest.ru