Убугунов В.Л. Воздействие свинца на численность почвенных и ризосферных аммонификаторов // Материалы 1-й междунар. геоэкол. конф. «Геоэкологические  проблемы загрязнения  окружающей среды  тяжёлыми металлами» (30-31 октября 2003 г.) ТулГУ. - Тула, 2003. – С. 201-205.

 

ВОЗДЕЙСТВИЕ СВИНЦА НА ЧИСЛЕННОСТЬ ПОЧВЕННЫХ И РИЗОСФЕРНЫХ АММОНИФИКАТОРОВ

 

В.Л. Убугунов

Институт общей и экспериментальной биологии СО РАН,

Улан-Удэ, Россия

 

Свинец среди тяжелых металлов является приоритетным загрязнителем окружающей среды, что связано со значительными выбросами при сжигании угля и нефтепродуктов, применении его в качестве антидетонационного средства в бензине, изготовлении аккумуляторов, производстве красок, охотничьих боеприпасов и др. Поэтому в настоящее время среднее содержание Pb в почвах повысилось с доиндустриального периода с 10 мг/кг до 16 мг/кг (Свинец …, 1987), а по некоторым оценкам (Bowen, 1979) до 35 мг/кг. Проблема загрязнения окружающей среды свинцом осложняется неравномерным распределением его по поверхности планеты, что приводит к  значительному концентрированию металла в локальных участках, приуроченных к источникам загрязнения. В некоторых индустриально развитых районах содержание свинца в почвах достигает 3000 мг/кг и более (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Очаговые техногенные нагрузки отмечаются не только в городской черте, но и в пригородных зонах, прилегающих к крупным промышленным центрам. На территории г. Улан-Удэ среднегодовое выпадение свинца достаточно значительное и составляет 1755 кг/км2, из которых 155 кг/км2 приходится на особенно биотоксичную воднорастворимую форму элемента (Белоголовов, 1989), причем существенная доля земель города занята садово-дачными кооперативами и приусадебными участками, на которых населением выращиваются сельскохозяйственные растения. В связи с этим, и учитывая высокий природный фон Pb в почвах Забайкалья, равный 34 мг/кг (Кашин, 2002), представляло интерес выяснить степень влияния возрастающих доз металла на численность почвенных и ризосферных аммонификаторов, участвующих в преобразовании и круговороте азота – одного из наиболее важных элементов, во многом определяющих плодородие почв.

В условиях Забайкалья микробиологическая активность почв невысока, что обусловлено неблагоприятными криоаридными экстраконтинентальными климатическими условиями и обедненностью почв органическим веществом (Нимаева, 1992). Поэтому избыточное  накопление токсичных элементов в низкобуферных по отношению к ТМ почвах может привести к угнетению жизнедеятельности, снижению численности многих групп микроорганизмов и даже полной  гибели некоторых из них.

 

Объекты и методы исследований

При изучении гранулометрического состава и физико-химических свойств почвы руководствовались общепринятыми методами исследований (Агрохимические …, 1975): рН водной вытяжки – потенциометрическим методом, содержание гумуса – по методу Тюрина в модификации Никитина. Для определения валового содержания Pb почвенные пробы подвергались полному разложению концентрированными кислотами, а подвижная форма металла вытеснялась ацетатно-аммонийным буфером с рН 4,8. Концентрацию металла определяли на атомно-абсорбционном спектрофотометре (Perkin-Elmer).  

Почва опытного участка – аллювиальная дерновая, слабощелочная, низкогумусная, легкого гранулометрического состава (табл. 1).

 

Таблица 1

Некоторые физико-химические свойства аллювиальной дерновой почвы

Горизонт

Слой, см

рН

водн

Гумус, %

ЕКО, мг·экв/100 г почвы

Содержание частиц <0,01 мм

Pbвал., мг/кг

Pbподв., мг/кг

% Pbподв. От Pbвал.

Апах

0-20

7,7

0,75

17,3

12,4

21,8

2,2

10

В

40-50

7,4

0,47

12,2*

10,2

27,0

0,3

1

С

80-90

7,3

0,05

9,2*

3,1

23,5

1,4

6

Примечание: * - сумма обменных катионов.

 

Эксперимент проводился на микроделянках площадью 0,1 м2 (0,25х0,40 см), в 6-кратной повторности. Свинец вносился в 0-20 слой почвы в виде легкорастворимой уксуснокислой соли из расчета: 1) контроль (без внесения Pb); 2) 125; 3) 250; 4) 500; 5) 1000; 6) 1500; 7) 2000 и 8) 2500 мг Pb/кг почвы.  После внесения свинца почва инкубировалась в течение 30 дней.  

Пробы почв для изучения динамики численности аммонификаторов отбирались трижды в течение вегетационного периода, а пробы ризосферы – в однократно в июне с прикорневой зоны растений кресс-салата. Определение численности почвенных и ризосферных аммонификаторов проводили методом 10-кратных разведений на жидких средах в 2-кратной повторности. Наиболее статистически вероятные значения численности микроорганизмов находили по Мак-Креди (Теппер и др., 1993).

Вариационно-статистическую обработку полученных данных проводили по Доспехову (1979) с использованием программы Microsoft® Excel 2000.

 

Результаты исследований

Численность почвенных аммонификаторов изменялась в зависимости от времени отбора проб и доз вносимого свинца (табл. 2).

 

Таблица 2

Влияние возрастающих доз свинца на численность почвенных и ризосферных аммонификаторов

Вариант

(доза свинца, мг/кг почвы)

Численность аммонификаторов тыс. кл./г почвы

почвенных

ризосферных

июнь

июль

август

июнь

0

25,0

25,0

25,0

25,0

125

6,0

13,0

2,5

6,0

250

1,3

6,0

1,3

2,5

500

2,0

6,0

2,5

2,5

1000

1,3

6,0

2,5

6,0

1500

2,5

1,3

6,0

6,0

2000

1,2

1,3

2,5

6,0

2500

1,2

1,3

2,5

1,3

 

На контрольном варианте количество почвенных аммонификаторов было на относительно высоком уровне и не изменялось в течение всего вегетационного периода. Число микроорганизмов этой группы в почве и ризосфере, определенных в июне, оказалось равнозначным. 

Внесение в почву возрастающих доз свинца привело к значительному уменьшению численности почвенных аммонификаторов. При дозе 125 мг/кг эта разница по отношению к контролю в почве составила 4 раза в июне, 2 – в июле и 10 раз – в августе, в ризосфере – в 4 раза. Увеличение дозы до 250 мг Pb/кг почвы привело к еще большему снижению количества аммонифицирующих микроорганизмов в почве до 19 раз в июне и августе и 4 – в июле, а в ризосфере в 10 раз по сравнению с контролем. При дальнейшем повышении доз свинца от 500 до 2500 мг/кг резкое снижение численности прекратилось. Вероятно в этом интервале доз оставались жизнеспособными наиболее резистентные к Pb виды микроорганизмов аммонифицирующей группы, количество которых варьировало в зависимости от концентрации металла в почве и срока отбора проб от 1,2 до 6,0 тыс. кл./г почвы, что в 4-21 раз ниже контрольного варианта.

Обращает внимание тот факт, что в июле микроорганизмами проявляется большая толерантность к свинцу, нежели в другие месяцы, что мы связываем с некоторым снижением токсичности металла, продолжающего связываться почвой и переходить в недоступное или малодоступное живым организмам состояние, и более благоприятным режимом тепло- и водообеспеченности. Корневые выделения кресс-салата не способствовали снижению токсичности Pb для ризосферных аммонификаторов: количество последних как в почве, так и в ризосфере уменьшалось практически одинаково. Возможно другие виды и сорта растений способны сильнее снижать токсичность металла для изученной группы микроорганизмов, однако это остается предметом дополнительных исследований. Все же следует отметить, что минимальное содержание почвенных и ризосферных микроорганизмов этой группы было обнаружено при максимальных дозах внесенного поллютанта. 

Статистическая достоверность снижения численности микробных клеток группы аммонификаторов под воздействием возрастающих доз металла наглядно иллюстрируется данными табл. 3. Корреляционная зависимость между этими параметрами была очень тесной (r = 0,70-0,98) и носила обратный характер. Снижение количества микроорганизмов в градиенте концентрации свинца наиболее эффективно описывается логарифмической и экспоненциальной кривыми.

 

Таблица 3

Корреляционная связь между численностью почвенных и ризосферных аммонификаторов, содержанием NH4+ в аллювиальной дерновой почве и возрастающими дозами свинца

Численность

аммонификаторов

Возрастающие дозы свинца

r±Sr

уравнение регрессии

почвенных

июнь

-0,91±0,13

у = 30,3х-0,42

июль

-0,98±0,10

у = -3,40Ln(x)+27,4

август

-0,70±0,21

y = 17x-0,27

ризосферных

июнь

-0,87±0,15

у = -2,82Ln(x)+23,5

Содержание NH4+

-0,80±0,18

у = -0,02Ln(x)+0,28

Примечание:        все корреляционные связи статистически достоверны;

                   у – численность аммонификаторов; х – доза свинца.

 

Анализ почвенных проб, отобранных в конце вегетационного периода, показал снижение в них NH4+ при внесении возрастающих доз свинца (рис.). Кривая концентрации NH4+ в градиенте содержания Pb в общих чертах повторяла снижение численности почвенных и ризосферных аммонификаторов, что подтверждает тесную сопряженность этих показателей (табл. 4). Это приводит к дефициту аммонийного азота в почве, что является, по нашему мнению, одной из важных причин, приводящих к снижению продуктивности и качества урожая сельскохозяйственных культур при техногенном загрязнении почв тяжелыми металлами.

 

Рис. Влияние возрастающих доз свинца на содержание

в аллювиальной дерновой почве нитратов и аммония

 

Таблица 4

Корреляционная связь между содержанием в аллювиальной дерновой почве NH4+

и численностью почвенных и ризосферных аммонификаторов, r±Sr

Численность аммонификаторов

Содержание NH4+

почвенных

июнь

0,93±0,15

июль

0,85±0,22

август

0,93±0,15

ризосферных

июнь

0,96±0,11

Примечание: все корреляционные связи статистически достоверны

 

Проведение нами подобных экспериментов по изучению численности почвенных и ризосферных нитрификаторов и денитрификаторов показало, что их жизнедеятельность также значительно угнетается в результате загрязнения почв свинцом. Очевидно, что и другие физиологические группы микроорганизмов также ингибируются как свинцом и другими токсичными тяжелыми металлами, вследствие чего нарушается естественный баланс биофильных элементов в почвах.

Таким образом, численность почвенных и ризосферных аммонификаторов резко уменьшается при внесении в почву свинца в дозах 125-500 мг/кг, а при дозах 1000-2500 мг/кг дальнейшее снижение проявляется слабо. Угнетение жизнедеятельности аммонифицирующих микроорганизмов приводит к резкому снижению содержания в опытной почве содержания одного из важных в питании растений веществ – аммонийного азота. В этой связи токсичность свинца для растений может проявиться как прямо, так и косвенно посредством возникающего дефицита почвенного аммония.

Техногенное загрязнение почв приводит прежде всего к изменению численности и активности микробиоты, что в дальнейшем нарушает природные биогеохимические циклы миграции элементов в почвах и сопредельных средах, поэтому необходим постоянный контроль за содержание тяжелых металлов в почвах.

 

Литература

1.     Свинец в окружающей среде. – М.: Наука, 1987. – 180 с.

2.     Bowen H.J.M. Environmental Chemistry of the Elements. – London: Acad. Press., 1979. – 317 p.

3.     Кабата-Пендиас А., Кабата Х. Микроэлементы в почвах и растениях. – М.: Мир, 1989. – 439 с.

4.     Белоголовов В.Ф. Геохимический атлас Улан-Удэ. Улан-Удэ: Бурятское кн. изд-во, 1989. – 51 с.

5.     Кашин В.К. Свинец в абиотических компонентах и растениях ландшафтов Забайкалья // Геохимия. – 2002. - №7. – С. 794-800.

6.     Нимаева С.Ш. Микробиология криоаридных почв (на примере Забайкалья). – Новосибирск: Наука, 1992. – 173 с.

7.     Агрохимические методы исследования почв. – М.: Наука, 1975. – 656 с.

8.     Теппер Е.З., Шильникова В.К., Переверзева Г.И. Практикум по микробиологии. – М.: Колос, 1993. – 175 с.

9.     Доспехов Б.А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований). – М.: Колос, 1979. – 416 с.

 

 

Хостинг от uCoz