Влияние антропогенной деятельности на почвенные микроорганизмы

Введение. Почвенные микроорганизмы – это огромное количество различных видов микроорганизмов, для которых почва является единственной средой обитания. Их роль в формировании почвы и ее плодородности очень важна. Почва образуется благодаря взаимодействию микроорганизмов, флоры и фауны.

Одним из основных источников органического вещества в почве являются отмирающие корни растений. Это органическое вещество образует перегной и окрашивает почву в темные оттенки. Перегной образуется на глубине, где находится наибольшее количество корней растений.

Растения, извлекая питательные вещества из глубин почвы и умирая, оставляют эти вещества в верхних слоях почвы вместе с органическими веществами. Таким образом, азотные и минеральные вещества накапливаются в верхних слоях почвы.

Каждому типу растительного сообщества соответствует свой комплекс микроорганизмов, то есть определенных видов микроорганизмов. Этот комплекс микроорганизмов может быть разным и изменяться в зависимости от процесса образования почвы, то есть от того, как образуется почва. Между процессом образования почвы и организмами, которые живут в этой почве, существует очень тесная связь. Эта связь настолько тесная, что без одного не может быть и другого.

Процесс разложения зелёной растительности происходит под воздействием бактерий и грибов. В результате этого процесса микроорганизмы изменяют не только органическую, но и минеральную составляющую почвы. Их активность и способность к размножению зависит от комплекса различных почвенных условий, которые могут способствовать их развитию или, наоборот, замедлять его [3].

По общей массе, почвенные микроорганизмы представляют собой большую часть всех микроорганизмов на нашей планете. В одном грамме чернозема может содержаться до десяти миллиардов (а иногда и больше) живых микроорганизмов, что составляет примерно десять тонн на гектар. Почвенные микроорганизмы включают в себя представителей как прокариотов (бактерии, актиномицеты и сине-зеленые водоросли), так и эукариотов (грибы, микроскопические водоросли и простейшие).

С использованием современных методов исследования ученые открывают новые виды микроорганизмов каждый год. Эти микроорганизмы обладают огромным разнообразием свойств и функций. Они могут быть гетеротрофами и автотрофами, то есть питаться либо готовыми органическими веществами, либо создавать их самостоятельно из неорганических соединений. Некоторые микроорганизмы нуждаются в кислороде для своей жизнедеятельности, другие могут обходиться без него. Они также различаются по оптимальному уровню pH, который является показателем кислотности или щелочности среды, а также по своей чувствительности к температуре. Микроорганизмы используют различные источники органических и неорганических веществ для своего роста и развития.

Несмотря на все эти различия, многие микроорганизмы могут сосуществовать в одной и той же почве, которая представляет собой множество различных микросред. Число микроорганизмов в почве меняется в зависимости от времени года [3].

Самое большое количество микроорганизмов находится в поверхностных слоях почвы (на глубине до 10 см). При увеличении глубины количество микроорганизмов уменьшается, и на глубине нескольких метров почва становится практически стерильной. Однако, в прикорневой зоне растений, то есть в ризосфере, наблюдается особенно большое количество почвенных микроорганизмов. Различные методы обработки почвы, внесения удобрений и создания оптимального водного режима способствуют увеличению биомассы микроорганизмов и активизации их деятельности. Наиболее благоприятной для микробиологических процессов является температура от 20 до 40 градусов Цельсия. В хорошо обрабатываемой и окультуренной почве количество микроорганизмов значительно выше. Их также больше в пресной нейтральной или известковой почве и меньше – в засоленной.

Цель исследований: изучить влияние человеческой деятельности на почвенные микроорганизмы, структуру сообществ микроорганизмов, а также рассмотреть отрицательные последствия вмешательств в данные сообщества для организмов человека и животных.

Объекты и методы исследования: исследования проводились на основании анализа открытых источников информации.

Результаты и обсуждения. Различные виды человеческой деятельности, такие как интенсивное земледелие, использование удобрений и рекреация, могут вызвать значительные изменения в почвенной экосистеме. Это включает изменения в структуре микробного сообщества, которое включает разнообразие и относительное количество различных видов микроорганизмов, а также изменения в процессах, которые они вызывают. Несмотря на то что даже сильно измененные почвы имеют микробные сообщества, вопрос состоит в том, являются ли эти изменения в микробном сообществе процессом деградации почвы или адаптивной перестройкой.

Когда любая система теряет своё разнообразие, это называется деградация. Когда система становится проще, обычно это значит, что уменьшается разнообразие. В контексте биологических сообществ, когда они становятся менее разнообразными, и это разнообразие уменьшается, можно сказать, что это деградация сообщества. Это обычно включает уменьшение количества различных видов в сообществе, но некоторые общие виды могут все еще оставаться [1].

При оценке характера антропогенного влияния на почвенные микроорганизмы, специалисты обращают особое внимание на ключевые показатели, которые отражают уровень разнообразия и внутреннего деления сообщества микроорганизмов. Эти параметры, которые позволяют измерять различия в разнообразии и внутренней структуре системы, играют важную роль в современной науке о сообществах организмов (синэкологии).

Эти показатели предоставляют информацию о том, насколько разнообразны микроорганизмы в почве, и насколько они отличаются друг от друга. Это помогает ученым понять, как изменения окружающей среды, вызванные деятельностью человека, влияют на экосистему.

Используя эти данные можно определить, какие виды микроорганизмов наиболее чувствительны к изменениям, вызванным антропогенным воздействием, и разработать стратегии для сохранения и восстановления почвенных экосистем.

В области изучения почвенных микроорганизмов есть существенные проблемы. Одна из них связана с трудностями в определении таксономических различий между микроорганизмами и интерпретации разнообразия микроорганизмов с точки зрения описательного подхода (в отличие от количественного синэкологического аспекта, который рассматривает разнообразие сообщества). Другая проблема заключается в том, что методы изучения структуры микробных сообществ недостаточно развиты. Например, методы прямого анализа разнообразия ДНК ещё недостаточно разработаны, а функциональные возможности микробного сообщества ещё сложно оценить с помощью мультсубстратного тестирования.

Однако в последнее десятилетие наблюдается активное развитие методов изучения структуры микробных сообществ. Например, развиваются методы прямого анализа разнообразия ДНК, которые позволяют получить более точные и детальные данные о составе микробного сообщества. Также разрабатываются новые подходы к оценке функциональных возможностей микробного сообщества, такие как мультсубстратное тестирование и определение активности ферментов.

Кроме того, проводятся исследования по изучению влияния различных факторов на структуру и функции микробных сообществ в почве. Это позволяет лучше понять механизмы функционирования почвенных экосистем и разработать эффективные методы управления ими.

Почвенно-биологические исследования последних десятилетий XX века показали, что ухудшение состояния почвенного покрова обычно сочетается с серьезными нарушениями природного устройства и функционирования сообществ микроорганизмов в почве.

Кроме того, микроорганизмы в почве постоянно взаимодействуют с другими живыми существами в наземных экологических системах. Изменения микробных сообществ в результате антропогенного воздействия могут привести к изменениям во взаимоотношениях между организмами и оказать негативное влияние на растительность, животных и человека.

Например, увеличение количества фитотоксичных микроорганизмов в почве может привести к снижению качества растительности и ее продуктивности. Это может повлечь за собой изменения в пищевых цепях беспозвоночных животных, создание неблагоприятных условий для их обитания.

Также возможно увеличение присутствия потенциально патогенных микроорганизмов, микотоксинов и аллергенов в почвах, что может негативно сказаться на здоровье человека. Это касается, например, употребления загрязненных продуктов питания или воды, а также вдыхания загрязненной пыли или воздуха.

Изменение активности микробных сообществ, включая процессы трансформации органических веществ, азотных соединений и некоторых минеральных элементов, указывает на нарушение их функционирования. Однако на данный момент ученые смогли определить только потенциальные негативные изменения в структуре микробных сообществ при ухудшении состояния почв. Исследования, проведенные на кафедре биологии почв Московского государственного университета (МГУ), выявили, что антропогенная деятельность влияет на разнообразие микроорганизмов в почве, и при усилении антропогенного воздействия на почвенные системы можно ожидать снижения микробного разнообразия. Наиболее изученной с точки зрения изменений является популяция микроскопических грибов, хотя в последние десятилетия были проведены исследования и по другим направлениям [2].

На основе изучения микроскопических грибов было выявлено, что при стрессовых антропогенных воздействиях разнообразие почвенной микробиоты может уменьшаться на разных уровнях экосистемы:

• 1.    На локальном уровне: в одном и том же географическом районе (урочище) виды становятся более похожими друг на друга, что свидетельствует о снижении их разнообразия.

• 2.    На региональном уровне: в нарушенных человеком почвах количество доминирующих видов увеличивается, а количество редких видов уменьшается, что приводит к общему снижению регионального разнообразия.

• 3.    На зональном уровне: в почвах одного и того же типа, но расположенных в разных регионах и подвергающихся одинаковым антропогенным воздействиям, формируются более похожие друг на друга грибные сообщества, чем в аналогичных нетронутых почвах. В результате утрачивается зональная специфика почвенной микробиоты.

Наряду с уменьшением микробного разнообразия под воздействием антропогенных факторов, могут происходить негативные (с точки зрения сохранения природных зон) изменения в составе почвенной микробиоты. В результате влияния антропогенных факторов образуются комплексы почвенных микроорганизмов с составом, не характерным для данной природной зоны. Также происходит обратный процесс – исчезновение видов, характерных для определенных зональных почв, поскольку их распространенность и количество уменьшаются.

В результате этого в природных зонах распространяются микроорганизмы, которые могут выживать в различных условиях, так называемые «сорные» виды. Эти негативные тенденции наблюдаются не только в микробных сообществах, но и в высших организмах.

В городских районах при высоком уровне промышленного загрязнения увеличивается численность пигментированных бактерий родов Rhodococcus, Micrococcus и Arthrobacter в почве и на опавших листьях деревьев и кустарников. Бациллы, наиболее устойчивые к различным неблагоприятным факторам внешней среды, являются преобладающими бактериями в комплексах всех исследованных городских почв в зоне серых лесных почв. В почвах, загрязненных нефтью и мазутом, доминирующими бактериями являются родококки.

В почвах, подверженных антропогенному воздействию, может уменьшаться количество активных микроорганизмов и увеличиваться количество покоящихся микроорганизмов. Характерной особенностью бактериального комплекса в загрязненных почвах является низкая доля метаболически активных клеток, например, в незагрязненных серых лесных почвах эта доля составляет около 60%, в то время как в загрязненных образцах – около 20%. В городских зонах транспортного загрязнения наблюдается низкое содержание мицелия, но увеличенное количество грибковых спор в почве [3].

Почвенные микроорганизмы, взаимодействуя с другими компонентами наземных экосистем, могут оказывать как положительное, так и негативное влияние. Негативное влияние на растения, животных и людей могут оказывать патогенные организмы и микроорганизмы, производящие токсичные вещества в почве. В настоящее время установлено, что ряд антропогенных факторов, вызывающих различные формы деградации почвы, также может способствовать накоплению потенциально патогенных микроорганизмов.

Это было продемонстрировано в случае длительного использования азотных удобрений на дерново-подзолистых почвах, которое приводило к увеличению фитотоксичных грибов, замедляющих прорастание семян, а также рост и развитие растений. В антропогенных экосистемах может увеличиваться содержание видов грибов, которые известны как продуценты зоо- и микотоксинов, то есть токсинов, вызывающих разные заболевания и отравления у животных и людей.

Антропогенные факторы, которые вызывают деградацию почвы и изменяют состав почвенной микробиоты, могут нарушить функционирование зоомикробных комплексов и существующих в них связей. Как упоминалось ранее, антропогенные факторы могут:

• 1)    приводить к развитию видов микроорганизмов, которые являются токсичными для почвенных беспозвоночных животных;

• 2)    нарушать трофические цепи беспозвоночных;

• 3)    оказывать неблагоприятное влияние на развитие популяций этих животных.

На примере микроскопических грибов можно наблюдать следующее:

• –    Репеллентный эффект при развитии определенных видов.

• –    Невозможность использования животными видов, сохраняющихся в почве, в качестве пищи.

• –    Токсичное воздействие этих грибов на животных и нарушение популяций при питании «некачественным грибковым кормом».

Например, важная группа почвенных беспозвоночных – дождевые черви. При развитии грибов рода аспергиллов в антропогенно-нарушенных почвах:

• 1)    черви не используют эти грибы в качестве пищи;

• 2)    метаболиты этих грибов отпугивают червей;

• 3)    вызывают гибель молодых червей.

Специальное кормление этими грибами приводит к нарушению развития популяции червей.

Изменения в сообществах почвенных микроорганизмов вызванные антропогенной деятельностью, могут привести к изменению их состава и накоплению опасных для здоровья человека почвенных микроорганизмов. Различные антропогенные факторы, включая загрязнение тяжелыми металлами, рекреационное использование территорий, урбанизацию и другие, могли способствовать увеличению количества потенциально патогенных грибков в почве [4].

Заключение. Трансформация микробных сообществ, вызванная деятельностью человека, может привести к ухудшению качества почвы и сделать ее менее пригодной для жизни. Это не только приведет к потере биологического разнообразия, но и создаст условия, в которых жизнь человека станет менее комфортной или даже опасной. Такие условия могут возникнуть из-за загрязнения, неправильного использования ресурсов, изменения климата и других факторов. В результате почва может потерять свои полезные свойства и способность поддерживать жизнь.

Изменение микробного сообщества является одним из главных последствий деградации почвы. Это может привести к снижению количества полезных микроорганизмов и увеличению числа патогенных. В почве могут появиться вирусы, бактерии и другие организмы, которые могут вызывать заболевания у людей, животных и растений. Также в почве могут накапливаться вредные вещества, такие как тяжелые металлы и пестициды, что может негативно сказаться на здоровье человека [5].