Микробиологическая индикация филлосферы лесных экосистем Сибири

Отражением антропогенного (техногенного) воздействия на лесные экосистемы и их различные элементы (почву, подстилку, филлосферу) служат морфологические изменения микробных популяций, кинетика их роста и развития, структурные преобразования микробных сообществ, биохимическая активность [3, 2, 8, 12, 13, 5]. Микробные реакции на воздействие различных нарушающих факторов проявляются быстро и достаточно отчетливо, что позволяет в короткие сроки выявить наиболее нарушенные экологические зоны, прогнозировать их состояние при сохранении или устранении антропогенного фактора. С другой стороны, выявление устойчивых к антропогенному воздействию групп, популяций или отдельных видов микроорганизмов дает возможность их дальнейшего использования в биоремедиации нарушенных экосистем [14].

Изучение степени допустимости антропогенного воздействия на различные элементы лесной экосистемы возможно только путем сопоставления изменения микробного компонента под действием антропогенных нагрузок с изменениями, вызванными природными факторами [8, 13, 14]. Отсюда вытекает необходимость проведения эколого-микробиологического анализа в ненарушенных экосистемах, изучения ответных реакций микробных комплексов на антропогенные (техногенные) воздействия и выбора индикационных микробиологических показателей, пригодных для оценки состояния нарушенных экосистем.

Цель исследований . Выявление адекватных микробиологических показателей-индикаторов состояния филлосферы при разного рода природных и техногенных нарушениях.

Материалы и методы исследований . Эколого-микробиологический анализ комплексов микроорганизмов филлосферы лесных экосистем проводился в условиях Средней Сибири в 1995–2010 гг. на стационарных пунктах, оборудованных на юге Красноярского края (Канско-Ачинский топливно-энергетический комплекс – КАТЭК) и Хакасии.

В зоне техногенного воздействия исследовали насаждения, подверженные выбросам предприятий КАТЭКа. Изучали нарушающее воздействие техногенных выбросов на эпифиты филлосферы, а также влияние дефолиаций сибирским шелкопрядом на динамику комплексов офиостомовых грибов, ассоциированных с насекомыми-ксилофагами на древесных видах.

Исследование микробоценозов филлосферы проводилось в сосновых насаждениях Дороховского, Пионерского, Захаринского боров и Ададымских березовых насаждениях. Эпифитные микроорганизмы изучались на культурах сосны и лиственницы. Все указанные участки расположены в 5–7 км от факела техно- генных выбросов Назаровской ГРЭС; вне сферы влияния поллютантов находятся Ададымские березовые насаждения и культуры сосны южного склона хребта Арга.

В Хакасии образцы для микологического анализа офиостомовых грибов филлосферы отбирали в зоне лесостепных лиственничников, отличающихся повышенной теплообеспеченностью, оптимальной для развития короеда Ips cembrae – основного переносчика микромицетов. Образцы пораженной древесины собирали на гарях в сосновых и сосново-лиственничных древостоях.

За основу при изучении количественного и качественного состава различных эколого-трофических групп микроорганизмов (ЭКТГМ) в почве и лесной подстилке взято руководство [7].

Учитывали следующие группы микроорганизмов: бактерии – на мясопептонном агаре (МПА); актино-мицеты и бактерии – на крахмало-аммиачном агаре (КАА); олигонитрофилы – на среде Эшби; денитрифицирующие бактерии – на среде Гильтая; олигокарбофилы – на голодном агаре (ГА); целлюлозоразрушающие микроорганизмы – на среде Гетченсона. Спорообразующие формы учитывали на плотной среде МПА+СА в равном отношении, с предварительной пастеризацией почвенной взвеси.

Образцы филлосферы отбирали 4–6 раз в течение вегетационного периода и приурочивали к определенным фазам роста и развития основной лесообразующей породы в районе исследований. Фенофаза: I) начало вегетации, период роста побегов; II) период роста хвои и начало закладки верхушечной почки центрального побега; III) конец роста хвои; IV) начало листопада и формирования верхушечных почек. Работали с такими разведениями суспензии, при которых на чашке Петри вырастало 50–150 колоний бактерий и акти-номицетов и 20–50 колоний грибов. Таким образом, в течение 4 сезонов вегетации проанализировано 24 образца филлосферы.

Идентификацию выделенных культур эпифитных микроорганизмов осуществляли по морфологическим, культуральным и физиологическим признакам с использованием определителей [6, 11, 4, 9].

У эпифитных микроорганизмов изучали способность усваивать источники азота, используя синтетическую среду М.В. Федорова. В качестве источников брали минеральный азот в виде KNO 3 и (NH4) 2 SO 4 и органический – мочевину, пептон, аспарагин, гликокол. Исследовали возможность культур гидролизовать крахмал и клетчатку, расщеплять жиры, усваивать и сбраживать углеводы.

Были исследованы свойства спорообразования у культур и образования ацетилметилкарбинола по тесту Фогес-Проскауера. Определяли кислотоустойчивость, реакцию на каталазу, способность образовывать пигмент.

Виды офиостомовых грибов идентифицировали на основании морфологических признаков анаморф и телеоморф [1]. Статистическая обработка данных проведена в Microsoft Excel.

Результаты исследований и их обсуждение . При анализе микрофлоры филлосферы древостоев Дороховского (зона интенсивного влияния ГРЭС) и Захаринского (в 70–80 км от ГРЭС) боров установлено, что число микробных клеток на 1 г хвои в Дороховском бору в два раза больше, чем в Захаринском (табл. 1). Существенные различия отмечаются в качественном составе микроорганизмов. Эпифиты Захаринского бора на 96 % представлены неспорообразующими Гр(-) бактериями, близкими по таксономическому положению к роду Pseudomonas . В Дороховском бору 70 % эпифитов составляют пигментные формы. Эпифитная микрофлора Ададымских березовых насаждений в численном отношении значительно превосходит микрофлору Дороховского и Захаринского боров и достигает 52 840 тыс. КОЕ на 1 г хвои. Объясняется это различие разным фитонцидным действием на микрофлору лиственных и хвойных пород. В составе микроорганизмов на листьях березовых насаждений возрастает до 30 % количество спорообразующих бактерий преимущественно рода Bacillus .

Численность эпифитных микроорганизмов культур сосны и лиственницы в зоне активного техногенеза превосходит таковую на контрольном участке почти в 20 раз. Здесь доминируют спороносные бактерии (92 % на сосне и 96 % на лиственнице), а на культурах сосны контрольного участка – неспорообразующие формы (90 %). Такая существенная разница в составе микробоценозов филлосферы объясняется влиянием частиц техногенных выбросов. За счет увеличения в микробных комплексах спорообразующих форм микроорганизмов повышается их устойчивость к высоким концентрациям техногенных загрязнителей, в составе которых преобладают соединения кальция, железа, магния, марганца, стронция, бария и кадмия.

При учете биомассы эпифитных микроорганизмов и исследовании физиологической активности доминантных культур отмечено, что по мере приближения насаждений к источнику загрязнения (Назаровская ГРЭС) биомасса микроорганизмов возрастает, а физиологическая активность снижается. Снижение ферментативной активности микроорганизмов следует расценивать как вреадаптивную реакцию на те компоненты, которые попадают на поверхность древостоев в результате осаждения поллютантов.

Таблица 1

Численность, биомасса и физиологическая активность эпифитных микроорганизмов

Район	Число клеток на 1 г хвои или листьев	Биомасса, мг/г хвои или листьев	Преобладающая форма	Положительная реакция, %
				на органический азот	на неорганический азот	на крахмал	на желатину	на каталазу
Ададымские насаждения	52840	0,21	Спорообразующие (30 %)	84	82	67	36	73
Захаринский бор	1400	0,012	Неспоровые (90 %)	57	64	72	36	63
Дороховский бор	2900	0,013	Пигментные (70 %)	37	46	6	13	7
Хребет Арга	2100	0,005	Неспоровые (86 %)	44	42	22	11	10
Культуры сосны	14500	0,05	Спорообразующие (92 %)	10	25	17	14	12
Культуры лиственницы	18400	0,06	Спорообразующие (96 %)	40	30	26	21	18

Эпифитная микрофлора при ее высокой чувствительности к аэрозольным воздействиям тем не менее теряет свое диагностическое значение в периоды обильного выпадения осадков, которые смывают микробные клетки с поверхности растений в подстилку. Именно микробоценозы подстилок в большей степени пригодны для диагностики влияния аэрозольных загрязнений на лесные экосистемы на ранних стадиях техногенного онтогенеза. Как и при индикации почв, здесь решающее значение имеет соотношение диапазонов численности ЭКТГМ и изменения в видовом составе доминантных форм микроорганизмов.

При исследовании филлосферы древесных насаждений в лесных экосистемах Сибири вместе с эпифитными бактериями в качестве индикаторных микроорганизмов для оценки состояния дерева использовали офиостомовые грибы, ассоциированные в природе с насекомыми-ксилофагами [10, 1]. Установлено, что грибы синевы древесины являются обязательным компонентом грибных сообществ в ходах короеда-типографа и черного пихтового усача, доминируя среди других мицелиальных форм на первых этапах сукцессии грибов в поврежденных растительных тканях ели и пихты. Исследованы грибы синевы древесины, переносимые черным пихтовым усачом и короедом-типографом в хвойных древостоях, дефолиированных сибирским шелкопрядом (мощный повреждающий фактор). В дефолиированных шелкопрядом древостоях ели и пихты сибирской грибы синевы древесины являются обязательным компонентом и основой микобиоты черного пихтового усача и короеда-типографа. Зарегистрированная частота встречаемости грибов свидетельствует об эпидемическом уровне их распространения в популяции вредителя на поврежденных участках (табл. 2). В исследуемом районе (Нижнее Приангарье) черный пихтовый усач переносит комплекс грибов синевы древесины, представленный главным образом видами Ophiostoma curvicollis , Ophiostoma sp.и Leptographium sp.

Частота встречаемости грибов синевы древесины в тканях пихты сибирской, поврежденной черным пихтовым усачом

Таблица 2

Тип леса	Период дефолиации, гг.	Встречаемость грибов, %
		Общая	Leptographium sp .	Ophiostoma sp.	O. curvicollis
Контроль	0	60	60	0	0
ПОР	1994–1995	96	68	28	60
ПОР	1995–1996	100	88	52	16
ПМЗ	1995.	100	100	63	29
ПРО	1994–1995	84	68	52	48

Примечание. ПОР – пихтарник осочково-разнотравный; ПМЗ – пихтарник мелкотравно-зеленомошный; ПРО – пихтарник разнотравно-осочковый.

Общая частота встречаемости этого комплекса в ходах вредителя достигла 90–100 % на пробных площадях в дефолиированных шелкопрядом древостоях и не превышала 60 % на контрольном участке в ненарушенном древостое. Исследование видового состава и численности микромицетов коры ели и пихты позволяет говорить о зависимости этих показателей от вида и степени дефолиации кроны растения-хозяина.

Заключение . Результаты микробиологического анализа филлосферы в зоне активного антропогенного (техногенного) воздействия показывают, что микробные комплексы служат инструментом диагностики состояния и мониторинга лесной экосистемы.

Численность эпифитных микроорганизмов, соотношение спороносных и неспоровых форм, наличие пигментированных бактерий являются критериями степени техногенного воздействия Назаровской ГРЭС на древостои.

Негативное состояние насаждений в результате нарушающих воздействий (дефолиация сибирским шелкопрядом) диагностируется высокой частотой встречаемости комплекса офиостомовых грибов, ассоциированных с насекомыми ксилофагами.