Анализ состава микромицетного сообщества в посттехногенном субстрате золотодобывающего производства

В горнодобывающей отрасли в отходы различной консистенции переходит до 90% извлекаемого из недр планеты минерального сырья [1], под складирование которых в РФ занято более 300 тыс. га земель [2]. В результате извлечения и перемещения огромных масс горной породы практически полностью уничтожаются окружающие природные ландшафты и вместо них появляются локальные техногенные экосистемы, формируемые карьерами, отвалами горных пород, хранилищами отходов переработки руд и др. За счет гипергенных преобразований минеральной составляющей отвальных пород негативное воздействие техногенных зон на окружающую среду продолжается достаточно долго. Современный подход к методам рекультивации таких территорий базируется на использовании регенерационных возможностей самой техногенной экосистемы, активизации процессов самовосстановления естественного почвообразования, особенно в случае полного уничтожения почвенно-растительного покрова.

Ключевое звено в почвообразовательных процессах - деятельность почвенных микроскопических грибов вследствие активного биохимического преобразования ими органических и минеральных веществ и формирования гумуса. Данных, характеризующих биоразнообразие и жизнедеятельность грибных сообществ в районах горнопромышленного техногенеза в экстремальных природных зонах немного. Северные районы Дальнего Востока РФ характеризуются доминированием горнодобывающей отрасли в структуре экономики, а обширные площади вечной мерзлоты в этом регионе придают экосистемам дополнительную хрупкость и уязвимость. Поэтому целью настоящих исследований был анализ микромицетного сообщества в посттехногенном субстрате золотодобывающего производства на примере хвосто-хранилища Токурской золотоизвлекатель-ной фабрики (ЗИФ) на одноименном золоторудном месторождении (Селемджин-ский район, Амурская область). Это один из самых северных районов в области, представляющий собой горно-таежную местность.

Материалы и методы. Образцы техногенных грунтов и природных почв отбирали в августе 2014-2015 гг. из верхнего горизонта (до 10 см) с соблюдением условий стерильности. Всего было отобрано 20 образцов. Выделение культивируемых видов микромицетов проводили методом посева из серийных разведений на агаризованный подкисленный агар Чапека в 10-кратной повторности для каждого образца [3]. Инкубацию осуществляли в термостате при 24°С. Отдельные колонии грибов отсевали в пробирки не ранее, чем на 5 сутки, окончательный учет колоний проводили на 714 сутки. Численность микромицетов выражали в количестве колониеобразующих единиц (КОЕ) на 1 грамм абсолютно-сухой почвы.

Идентификацию чистых культур проводили по культурально-морфологическим признакам с использованием определителей для конкретной таксономической группы [4-8]. Для идентификации микро-мицетов, таксономическая принадлежность которых по культуральноморфологическим признакам была затруднена, использовали метод молекулярногенетической идентификации [9]. Названия и положение таксонов унифицировали с использованием международной базы данных Index Fungorum .

Анализ структуры комплексов культивируемых грибов проводили на основании показателей пространственной частоты встречаемости и относительного обилия видов [10]. Для оценки видового разнообразия рассчитали индекс Шеннона [11]; для сравнения степени видового сходства микромицетных сообществ в исследуемых биоценозах рассчитали индекс сходства Сёренсена.

Результаты исследований. Район исследования относится к дальневосточной таежно-лесной почвенно-биоклиматической зоне (Буреинская горная провинция). Район характеризуется резко континентальным климатом в зимний период и муссонным распределением годовых осадков, из среднегодового количества которых (700 мм) до 90% выпадает в летний период. Наиболее жаркий месяц -июль, со среднемесячной температурой +15 - +20 °С, самый холодный - январь, когда температура может опускаться до – 50 °С. Многолетняя мерзлота характерна для всего района. Растительность района типична для таежных лесов, склоны хребтов покрыты лиственничными лесами. Зо- нальные почвы - горные буро-таежные, по современной классификации - буроземы грубогумусовые, сформированные на каменисто-суглинистом элюво-делювии плотных пород под светлохвойными лиственничными и сосново-лиственничными лесами. Почвы характеризуются маломощностью горизонтов, незначительной степенью оподзоливания, слабым расчленением профиля с хорошо выраженной полуразложившейся подушкой из мхов в верхней части и рыхлым нижним маломощным гумусовым горизонтом с полу-разложившимися растительными остатками. Если летом мерзлая толща открытых грунтов оттаивает на глубину 2-3 м, то под мхами - всего на 20-30 см, что приводит к замедленному разложению органических веществ верхних горизонтов почв.

Материал хвостохранилища Токурской ЗИФ представляет собой преимущественно песок мелкого и тонкого состава (от 58 до 81% частиц представлены фракциями +0.071-0.25 мм), с незначительным содержанием глины (от 1 до 14%) и практически полным отсутствием органических коллоидов [12]. Хвостовые отходы ЗИФ складировались в хвостохранилище до 2003 г, после чего работы на руднике были остановлены. К настоящему моменту хвосто-хранилище не законсервировано, но для складирования отходов не используется и сейчас представляют собой особую экосистему с зачаточными признаками самоза-растания. Поверхность хвостохранилища лишена гумусового слоя, часто размывается атмосферными и паводковыми водами, на нем изредка встречается угнетенная поросль тополя, полыни, подорожника. По своим физико-химическим характеристикам эти хвостовые отходы кардинально отличаются от природных почв - имеют легкий гранулометрический состав, сильнощелочную реакцию среды (8,86-9,29), высокие концентрации токсичных элементов, содержание обменных кальций и магний, на порядок превышающих содержание в природных почвах. Количество органического углерода в грунтах очень низкое (0,63-0,7%), что обусловлено, в первую очередь, отсутствием полноценного растительного покрова.

Состав микромицетного сообщества в горных буротаежных почвах и техногенных отвалах. Видовой состав микро-мицетных комплексов природных почв и техногенных грунтов различается значительно (табл.). В природных почвах сообщество микроскопических грибов представлено 35 видами из 15 родов без учета стерильного мицелия. В большинстве своем это анаморфные грибы из отдела Asco-mycota (94%); сумчатая стадия отмечена только у Chaetomium globosum . Отдел Zy-gomycota малочисленный (6%) и представлен двумя видами – Cunninghamella echinulata и Mucor hiemalis .

По видовому разнообразию самый богатый род Penicillium , на долю которого приходится 43% выделенных от общего числа видов; 8,6% видов приходится на род Trichoderma; по 6% – на рр. Alternaria,

Aspergillus и Talaromyces ; содержание остальных родов не превышает 3%, практически все они одновидовые. С высокой частотой встречаемости в почвах отмечены Lecanicillium lecanii , Penicillium sclero-tiorum , P . waksmanii и Talaromyces funicu-losum ; типичные частые виды – Alternaria alternata , Cladosporium cladosporioides , Mucor hiemalis , P.canescens , P . citrinum , P . dierckxii , P . herquei , P . implicatum , P . ochrochloron , P . simplicissimum , P . thomii , Pseudogymnoascus pannorum , Trichoderma virens , T . viride и светлоокрашенный Myce-lia sterilia. Темноокрашенные гифомицеты ( Alternaria spp., Cladosporium cladospori-oides , Ulocladium consortiale, Paraphoma sp.) представлены достаточно слабо, в общей структуре занимают всего 12% от общего числа видов.

Таблица. Состав микромицетных комплексов в природных почвах и техногенном субстрате геотехнозоны Токурского золоторудного месторождения

Примечание: «*» – виды, идентифицированные молекулярно-генетическим методом.

Из техногенных отходов хвостохрани-лища выделено 23 вида микроскопических грибов из 9 родов, стерильный мицелий не учитывали (табл.). Из них преобладают анаморфные грибы из отдела Ascomycota (96%), отдел Zygomycota представлен только Mucor hiemalis. В техногенном грунте частота встречаемости и обилие типичных для природных почв этого района грибов рода Penicillium снижается в два раза, тогда как доля грибов р. Aspergillus, которые традиционно приурочены к более южным широтам, напротив, возрастает. К особенностям таксономического распределения микромицетов в техногенных грунтах можно отнести бóльшую ви- довую насыщенность родов. При этом виды широко распространенных рр. Cladosporium, Fusarium, Trichoderma представлены обильно, среди которых темно-окрашенный С. cladosporioides доминирует; остальные роды немногочисленны, а выделенные виды отмечены как редкие, обилие которых уменьшается.

Общими для исследуемых природных почв и грунтов оказались 10 видов из 7 родов. При этом в техногенных грунтах частота встречаемости снижается для всех общих видов, за исключением C.cladosporioides , который наоборот становится доминирующим.

Анализ сходства видового состава с использованием коэффициента Сёренсена (0,28) доказывает минимальное сходство между сообществами грибов и подтверждает существенные различия в составе микромицетных комплексов естественных почв и техногенных грунтов. Природные буро-таежные почвы обладают более высоким видовым разнообразием, это подтверждают значения индекса Шеннона – 2,8-3,3, тогда как индекс Шеннона для техногенных грунтов значительно ниже – 2,4-2,6. Это свидетельствует об отсутствии активного размножения аборигенных видов грибов в техногенных грунтах вследствие низкого пула питательных веществ. Восстановление микромицетного сообщества в субстратах возможно только после оформления системообразующей структуры экосистемы – растительного сообщества, за счет биомассы которого полноценно развивается микромицетное сообщество. На сегодняшний день говорить даже о примитивных почвообразовательных процессах рано, так как практически не наблюдается заселение грунтов пионерными растениями.

Почвы северных регионов сами по себе представляют среду с экстремальными условиями существования для микроскопических грибов. Вечная мерзлота, короткий период положительных температур, горный рельеф и другие природные факторы сильно влияют на видовую вариабельность и специфичность микромицет-ных комплексов [9]. В техногенном грунте хвостохранилища микофлора значительно отличается от аборигенной, заметна большая специфичность микосообществ – возрастает доля видов, имеющих более широкий диапазон толерантности по отношению к внешним условиям среды – темно-окрашенные, условно патогенные и фито-патогенные формы, устойчивые к повышенному содержанию тяжелых металлов.

Отмечена тенденция меланизации стерильного мицелия в техногенном грунте в отличие от природных почв. Для почв северного региона наличие большого числа мицелия, не имеющего конидиального спороношения (стерильного мицелия), является показателем физиологической адаптации грибов к низким температурам [13]. В природных почвах встречается стерильный мицелий, преимущественно, светлоокрашенный, содержание которого достигает 12%, а доля темноокрашенных спорулирующих микроскопических грибов не превышает 12%. В техногенных грунтах стерильный мицелий исключительно темнопигментированный, его содержание повышается до 30% от общего числа выделенных видов. Меланиновые темноокрашенные пигменты играют существенную роль в стратегии выживания грибов в экстремальных условиях существования. Они являются важным фактором защиты от воздействия УФ-излучения, замораживания, токсичных веществ и элементов. Высокая доля темноокрашенных грибов в структуре микосообществ приводит к его меланизации, что рассматривается как ответная реакция микромицетного сообщества на негативное влияние факторов окружающей среды и указывает на неблагоприятные условия существования микромицетов в техногенных отвалах.

Кроме того, в техногенном субстрате широко представлены грибы, проявляющие токсигенные свойства. Патокомплекс представлен родами Alternaria spp., Aspergillus spp., Cladosporium spp., Fusarium spp., Pseudogymnoascus sp.; при этом в техногенных грунтах их обильность и частота встречаемости гораздо выше, чем в природных почвах. Эти грибы выделяют токсины, способствующие повышению их устойчивости к неблагоприятному воздей- ствию различных факторов внешней сре- приятных условиях и может представлять ды.

опасность для растительности сопредель-

Наряду с токсигенными, активно заселяющими обедненный субстрат и наиболее конкурентоспособными оказались и фитопатогенные грибы. В микромицетном комплексе техногенных грунтов обильно представлены фитопатогенные грибы из рода Fusarium. Род представлен несколькими видами, среди которых особенно обильны F. oxysporum и F. solani. Обычно данная группа грибов приурочена к травянистым местообитаниям. Однако растительность на поверхности хвостохранили-ща представлена минимальным количеством и разнообразием, поэтому обильность фузариумов скорее всего обусловлена их высокой выживаемостью в неблаго- ных природных экосистем.

Заключение. Таким образом, результаты исследования показали, что микро-мицетный комплекс посттехногенных субстратов горнодобывающего производства имеет невысокое видовое разнообразие и минимальное сходство с микромицетными комплексами естественных почв, что обусловлено отсутствием почвеннорастительного покрова, неблагоприятными условиями среды (рН субстрата, токсичные элементы и др.). В посттехногенных субстратах увеличивается число мелани-зированных, фитопатогенных и токсиген-ных форм грибов – более устойчивых к неблагоприятным факторам среды.