Реакция почвенного микробного сообщества на загрязнение разных типов почв тяжелыми металлами

The article is devoted to the evaluation of the response of soil microbial communities in soddy-podzolic soil and typical chernozem polluted by cadmium and lead in the conditions of a pot experiment. It is established that high concentrations of heavy metals in soils cause significant changes in the number of microorganisms and enzyme activities.

Нарастающая техногенная нагрузка на экосистемы делает актуальной проблему оценки их устойчивости. Почвы являются важным компонентом экосистем, средой обитания сообществ живых организмов, в частности микроорганизмов. Резистентность почв к различным воздействиям определяется способностью микроорганизмов противостоять различным стрессам и возвращаться к нормальному функционированию. Высокая чувствительность почвенного микробного сообщества даже к низким концентрациям загрязняющих веществ и любым нарушениям позволяет использовать микробиологические характеристики для оценки экологического состояния почвы.

Биологическая индикация действия тяжелых металлов (ТМ) на окружающую среду в некоторых ее аспектах достигла значительного прогресса. Разработаны новые методические подходы к оценке изменений структуры и функционирования почвенного микробоценоза в условиях загрязнения металлами-токсикантами [1, 2], разработаны системы показателей для микробиологического мониторинга почв, загрязненных ТМ [3], состоящих из определения численности основных эколого-трофических групп микроорганизмов, активности почвенных ферментов, фитотоксической активности почвы, углерода микробной биомассы, суммарного биологического показателя, показателя биологической деградации. Выбор параметров определяется чувствительностью конкретного показателя к действию фактора загрязнения.

Однако, вопросы оценки реакции биологических систем на загрязнения ТМ достаточно сложны вследствие существования проблемы выбора биоиндикаторов, отсутствия четких критериев для выбора показателей. Поэтому изучение влияния техногенного загрязнения почв металлами-токсикантами с целью оценки показателей и параметров экологической устойчивости почвенного микробоценоза к действию ТМ остается актуальным.

Цель настоящих исследований состояла в оценке реакции почвенных микробных сообществ дерново-подзолистой почвы и чернозема типичного на загрязнение кадмием (Cd) и свинцом (Pb).

Эксперимент проводили в теплице с контролем условий окружающей среды в сосудах объемом 5 л. В почву каждого сосуда вносили питательные элементы P 2 O 5 , K 2 O из расчета 200 мг/кг по действующему веществу в виде водных растворов солей KH 2 PO 4 , K 2 SO 4 , N - в виде NH 4 NO 3 , соответственно.

ТМ вносили в воздушно-сухую почву в возрастающих дозах в виде водных растворов азотнокислых солей (в пересчете на элемент): Cd в дерновоподзолистую почву – 2, 5, 10, 20, 50, 100, в чернозем - 5, 10, 20, 50, 100, 200 мг/кг почвы; Pb в дерново-подзолистую почву – 50, 100, 250, 500, 1000, 1500, в чернозем–500, 1000, 1500, 2000, 3000, 4000 мг/кг почвы. В каждой серии опыта с ТМ все варианты выравнивали по азоту.

Основные физико-химические показатели, характеризующие почвы (перед внесением солей металлов), приведены в таблице 1.

Таблица 1. Физико-химические характеристики используемых типов почв

Показатель	Дерново-подзолистая Чернозем супесчаная
рН солевой вытяжки Подвижный K 2 O мг/100 г почвы по Масловой Подвижный P 2 O 5 мг/100 г почвы по Кирсанову Гумус, % Сумма поглощенных оснований, мг-экв/100 г почвы Нг, мг-экв/100 г почвы	5.23±0.01                     5.55±0.01 11.05±0.39                    13.15±0.6 18.84±1.74                    17.07±1.11 1.33±0.03                     5.13 ± 0.19 5.37±0.12                    32.3±0.07 1.76±0.01                    2.94±0.03

Сосуды с почвой после внесения возрастающих концентраций металлов выдерживали увлажненном до 60% от водоудерживающей способности в течение трех недель, после чего высаживали семена кормовых бобов ( Viсia faba L., сорт Орлецкие) по 12 штук в каждый сосуд. Для каждого варианта опыта использовали по три сосуда. После выращивания растений и уборки урожая отбирали образцы почв для микробиологических анализов с соблюдением стерильности.

Учет почвенных микроорганизмов проводили методом посева почвенной суспензии на чашки Петри с питательными средами: мясо-пептонный агар (МПА), крахмало-аммиачный агар (КАА), среда Чапека (СЧ) [4]. Результаты выражали в колониеобразующих единицах (КОЕ) на 1 г абсолютно сухой почвы.

Уреазную активность определяли по количеству аммиака, образующегося при гидролизе мочевины, и выражали в мкг аммонийного азота (NH 4 -N) на 1 г почвы за 1 час. При определении дегидрогеназной активности почвы в качестве субстрата использовали бесцветный 2,3,5-трифенилтетразолий хлористый (ТТХ), превращающийся в результате реакции в 2,3,5-трифенилформазан (ТФФ), имеющий малиновую окраску, интенсивность которой определяли фотоколориметрически. Активность дегидрогеназы рассчитывали в мг ТФФ на 10 г почвы за сутки [4]. Выбор показателей обусловлен их достаточно высокой информативностью и простотой определения.

Для удобства сравнения показателей при различных концентрациях ТМ в разных почвах величину параметра в контрольном варианте принимали за 100%, а остальные величины выражали в процентах к контролю. Затем все полученные значения в процентах для одной концентрации ТМ складывали и делили на число показателей. Таким способом рассчитывали интегральный показатель биологической активности - ИПБА [5-6].

Оценку устойчивости микробного сообщества к воздействию ТМ определяли по Домшу с соавт. [7], предложившим оценивать микробные реакции к различным токсикантам по трем категориям: «незначительная», или «безопасная», когда показатель снижается по сравнению с контрольным меньше, чем на 20%; «терпимая», «обратимая» или «допустимая» (снижение на 20-50%); «критическая» (снижение более 50%). Такая градация широко используется в отечественной и зарубежной литературе [8-9].

Все измеренные параметры почвенного микробного сообщества реагировали на воздействие тяжелых металлов. Численность бактерий, актиномицетов и грибов (микромицетов) уменьшалась с увеличением содержания тяжелых металлов в почвах, но снижение численности, как правило, было более заметным в случае бактерий и актиномицетов (таблицы 23). Д.Г. Звягинцев с соавторами [10-11] при оценке загрязнения дерновоподзолистой почвы свинцом также пришли к выводу, что численность микроорганизмов является достаточно чувствительным критерием для обнаружения загрязнения.

Анализ различий между контролем и вариантами с возрастающими дозами ТМ проводили, используя критерии оценки устойчивости почвенного микробного сообщества, которые предложили Домш с соавт. [7]. Так, в дерново-подзолистой почве уже при концентрации 5 мг Cd/кг почвы происходило снижение численности микроорганизмов на 20-40%, что соответствовало допустимому уровню загрязнения почвы. Для ферментативной активности уровень загрязнения 5 мг Cd/кг был безопасен. Критическими для микроорганизмов, а также для ферментативной активности были концентрации выше 20 мг Cd/кг (таблица 2).

Таблица 2. Изменение микробиологических показателей при загрязнении почв Cd, в процентах к контролю

ТМ	Бактерии  Актиномицеты		Грибы	Дегидрогеназа	Уреаза	ИПБА*
Дерново-подзолистая почва
Cd0	100	100	100	100	100	100
Cd2	90	89	85	93	91	90
Cd5	79	63	63	82	80	73
Cd10	63	51	55	51	55	55
Cd20	47	44	44	44	47	45
Cd50	38	35	38	36	39	37
Cd100	30	29	31	24	30	29
Чернозем типичный
Cd0	100	100	100	100	100	100
Cd5	96	99	93	97	91	95
Cd10	91	85	92	91	90	90
Cd20	75	64	82	79	81	76
Cd50	58	45	64	63	72	60
Cd100	47	36	51	49	54	47
Cd200	38	26	44	37	49	39

* ИПБА – интегральный показатель биологической активности

В черноземе содержание поллютанта, приводившее к незначительным изменениям (снижение показателя менее чем на 20%), составляло до 10 мг/кг для всех показателей, а для грибов и ферментов даже концентрация 20 мг Cd/кг была безопасной (таблица 2). Допустимое содержание металла в почве для бактерий составило 50 мг/кг, для актиномицетов — 20 мг/кг, а для микромицетов — от 50 до 100 мг/кг. Практически такая же концентрация Cd, как и для грибов, была допустимой для дегидрогеназной и уреазной активности чернозема. Концентрация металла в 50 мг/кг и выше стала критической для актиномицетов. Критическому уровню для бактерий соответствовало содержание поллютанта, превышающее 100 мг/кг, а для грибов и ферментов уреазы и дегидрогеназы — выше 200 мг/кг.

При изучении влияния возрастающих концентраций Pb на микробиологические показатели установлено, что в дерново-подзолистой почве при содержании 50-100 мг/кг почвы происходило снижение численности бактерий и грибов, а также активности дегидрогеназы, не более чем на 20%, (таблица 3).

Численность актиномицетов снижалась на 20% уже при концентрации 50 мг Pb/кг почвы, а активность уреазы оставалась на уровне 80% к контролю даже при содержании металла 250 мг/кг. Для бактерий и актиномицетов нагрузка в 250 мг/кг была терпимой. Численность грибов при 500 мг Pb/кг составляла 61%, что соответствовало допустимой нагрузке, однако при возрастании загрязнителя до 1000 мг/кг снижалась до 46% к контролю. Для более чувствительных к поллютанту бактерий и актиномицетов критическая концентрация, при которой их количество было меньше 50% к контролю, составляла 500 мг Pb/кг почвы. Содержание металла до 1000 мг/кг было допустимым для обоих ферментов, и только увеличение концентрации до 1500 мг/кг приводило к снижению ферментативной активности до критического уровня.

В черноземную почву вносили более высокие концентрации металла, чем в дерново-подзолистую (таблица 3). Установлено, что для всех микробиологических показателей безопасной нагрузкой была концентрация Pb, равная 500 мг/кг, а активность дегидрогеназы даже при 1000 мг/кг снижалась лишь на 20% по отношению к контролю. Численность бактерий и грибов оставалась допустимой в пределах концентраций Pb 1000-2000 мг/кг, а актиномицетов — 1000-1500 мг/кг. Активность ферментов при содержании металла 1500 мг/кг также соответствовала допустимой. Критическими для бактерий и грибов были концентрации поллютанта в черноземной почве 3000 мг/кг, а для актиномицетов и ферментов — 2000 мг/кг.

Таблица 3. Изменение микробиологических показателей при загрязнении почв Pb, в процентах к контролю

	Бактерии  Актиномицеты		Грибы	Дегидрогеназа   Уреаза		ИБПА
Дерново-подзолистая почва
Pb0	100	100	100	100	100	100
Pb50	94	80	93	96	96	92
Pb100	80	75	83	90	91	84
Pb250	67	62	71	70	80	70
Pb500	47	40	61	55	59	52
Pb1000	41	38	46	50	52	45
Pb1500	36	27	39	37	41	36
Чернозем типичный
Pb0	100	100	100	100	100	100
Pb500	81	85	82	92	88	86
Pb1000	72	59	67	80	78	71
Pb1500	58	53	60	66	60	59
Pb2000	52	32	59	49	47	48
Pb3000	41	29	43	36	41	38
Pb4000	31	25	38	30	33	31

Полученные данные свидетельствуют о том, что почвенный микробоценоз весьма чувствителен к воздействию ТМ. Концентрации металлов, приводившие к снижению показателей менее чем на 20%, были, согласно критериям Домша с соавт. [7], «незначительными», или «безопасными» для почвенных микроорганизмов и осуществляемых ими процессов. Содержание металлов, соответствующее снижению параметров биологической активности менее чем на 50%, вызывало нарушения микробоценоза, которые, однако, были «обратимыми», или «допустимыми», а снижение более чем на 50% расценивали как «критический уровень» токсичности ТМ по отношению к микробоценозу .

Путем расчета интегральных показателей биологической активности – ИПБА - [6], используя критерии оценки устойчивости микробного сообщества [7], установлены пределы устойчивости микробоценоза к токсичным ТМ для каждого типа почвы (таблица 4).

Таблица 4. Пределы устойчивости микробоценозов к ТМ в разных почвах

ТМ	Уровни токсичности ТМ (мг/кг) для микробоценозов разных типов почв
	безопасный		допустимый		критический
	1	2	1	2	1	2
Cd	<5	<10	5 - 20	10 - 100	>20	>100
Pb	<100	<500	100 - 1000	500 - 2000	>1000	>2000

1 – дерново-подзолистая почва; 2 – чернозем типичный

На основании полученных данных установлено, что по негативному воздействию на микробиологическую активность почв Cd был более токсичен, чем Pb.

Микробиологические и биохимические показатели по мере возрастания устойчивости к загрязнению исследованными ТМ образуют следующий ряд: численность актиномицетов < численность бактерий < активность дегидрогеназы < активность уреазы < численность микроскопических грибов.

Следует отметить, что негативное воздействие металлов на микробное сообщество более выражено в дерново-подзолистой почве, бедной органическим веществом и содержанием питательных веществ, по сравнению с черноземом, более устойчивым к ТМ.