ВЛИЯНИЕ УРБАНИЗАЦИИ НА МИКРОБИОЦЕНОЗЫ ГОРОДСКИХ ПОЧВ

АННОТАЦИЯ

Проведено микробиологическое обследование почв загрязненных территорий, имеющих различного рода загрязнения городскими стоками, расположенных в разной степени удаления от источника загрязнения (на примере Бозсуйской станции аэрации в г. Ташкент).

Дана качественная и количественная характеристика бактериального сообщества и выявлено микробное разнообразие. Показано, что данный компонент любой экосистемы при усиленно возрастающем техногенезе и урбанизации уязвим. Выделены преобладающие микроорганизмы данного сообщества, способные активно функционировать при концентрации хлоридов в среде до 10% и обладающие высоким ремедиационным потенциалом от биологического и химического загрязнения. Получены редкие формы, относящиеся к р. Amycolatopsis, обладающие способностью, в отличие от типичных представителей данного рода, образовывать водорастворимый пигмент синего цвета.

ABSTRACT

Microbiological examination of soils of polluted territories with various kinds of pollution by urban runoff, located at varying degrees of distance from the source of pollution (on the example of the Bozsu aeration station in Tashkent) was carried out.

Qualitative and quantitative characteristics of the bacterial community are given and microbial diversity is revealed. It is shown that this component of any ecosystem is vulnerable with an increasing technogenesis and urbanization. The predominant microorganisms of this community have been identified, which are able to function actively at a concentration of chlorides in the medium up to 10% and have a high remediation potential from biological and chemical contamination. Rare forms belonging to R.Amycolatopsis have been obtained, which, unlike typical representatives of this genus, have the ability to form a water-soluble blue pigment.

Ключевые слова: микробное биоразнообразие, микробиоценоз, загрязнения, антропогенное воздействие, почва.

Key words: microbial biodiversity, microbiocenosis, pollution, anthropogenic impact, soil.

Введение

Почва является средой обитания бактерий, актиномицетов, грибов, простейших, микроскопических водорослей, вирусов. Все эти организмы составляют сложные и весьма изменчивые ассоциации. Рост городов и увеличение плотности населения в них неразрывно связаны с сильным антропогенным воздействием на окружающую среду и экологическую обстановку. Увеличение плотности населения способствует большему образованию загрязняющих веществ и отходов, что увеличивает вероятность повышенного воздействия загрязняющих веществ на экосистему в целом. По оценкам в глобальном масштабе к 2050 году примерно 68% населения мира будет проживать в городских районах [14]. В условиях урбанизации часто упускается из виду важность естественных экосистемных процессов и необходимость изучения микробиоценозов с целью возможного воздействия и обработки избыточных городских стоков, и изучение возможности использования микроорганизмов для улучшения качества воздуха и воды [1].

Хорошо известно, что микроорганизмы относительно устойчивы к воздействию окружающей среды по сравнению с другими представителями живой природы. Однако исследования последних лет показали, что данный компонент любой экосистемы при усиленно возрастающем техногенезе и урбанизации уязвим. Иными словами, в микробиоценозах происходит изменение количественного и качественного состава микроорганизмов, меняется их разнообразие и энзиматическая активность. Нарушения могут быть столь серьезными, что микроорганизмы окажутся не в состоянии осуществлять деструкцию органических остатков и высвобождать минеральные вещества для растений

Расширение городских территорий по всему миру усиливает антропогенное воздействие на почву и подчеркивает важную роль городских территорий в обеспечении устойчивого будущего. Таким образом, городские почвы становятся все более важными в обеспечении широкого спектра экосистемных условий существования [16]. Города по всему миру начали улучшать существующую инфраструктуру с использованием новейших технологий для управления стоком ливневых вод, улучшения качества воздуха и обеспечения дополнительных социальных и экономических выгод, повышая при этом уровень различного рода отходов. В первую очередь повышение уровня загрязнителей сказывается на микробиоценозах почв, т.к. микроорганизмы, являются очень чуткими индикаторами и резко реагируют на различные изменения в окружающей среде, следствием чего является высокая динамичность микробиологических показателей [11, 6, 15, 10].

Высокое антропогенное воздействие и скорость урбанизации приводят к снижению способности городских почв восстанавливаться после негативного воздействия. Отражением антропогенного воздействия на экосистему служат морфологические и структурные изменения микробных популяций, изменение их биохимической активности. Микробные реакции на воздействие антропогенного фактора проявляются быстро, достаточно отчетливо, что позволяет в короткие сроки выявить наиболее ранимые экологические зоны, прогнозировать их состояние при сохранении антропогенного воздействия и помогут спрогнозировать мероприятия, необходимые для смягчения этого воздействия [4].

Загрязнение почв ведет к ухудшению их свойств, вызывает снижение биологической активности, поэтому выявление отдельных групп микроорганизмов, способных противостоять токсичному воздействию и использование их адаптационных возможностей может способствовать очищению почв от продуктов техногенного загрязнения [18]. Имеющиеся в научной литературе данные позволяют заключить, что даже при очень сильном бактериальном загрязнении процесс самоочищения почв может происходить в течение нескольких месяцев [8]. В условиях сложной экологической обстановки в городе, в том числе в связи с нарушением свойств почв, сапротрофные микробные сообщества продолжают функционировать за счет своей высокой биологической и экологической пластичности [19]. Установлено также, что влажность влияет на количество и активность микробной биомассы, контролирует доступность кислорода для микроорганизмов, вызывает периоды микробного стресса в воде, а также может способствовать разрушению органического вещества, что приводит к увеличению доступности углерода для почвенных микроорганизмов [4]. Таким образом, следует обратить внимание на поддерживающих и восстанавливающих процессах, которые стимулируют функционирование почвы и почвенных экосистем [5, 3]. Возможно также, что для оценки микробного сообщества в перспективе необходимо определение источника органического вещества и выяснение взаимосвязи между растительностью, загрязненными почвами и микроорганизмами.

В связи с этим, целью данного исследования была характеристика бактериального сообщества и выявление микробного разнообразия почв загрязненных территорий, расположенных в разной степени удаления от Бозсуйской станции аэрации в г.Ташкенте.

Материалы и методы исследований

Пробы. Объектом исследований служили сероземные почвы разных по уровню загрязнения зон, расположенные как на территории самой очистной станции, так и непосредственно прилегающие к ней.

Было отобрано и проанализировано 5 образцов проб почвы (табл. 1).

Таблица 1.

Характеристика и координаты отбора проб

Микробиологическому анализу подвергали слой почвы (0 – 20 см). Почвенные образцы отбирали по методу «конверта» из 25 точечных проб.

Отбор почвенных образцов проводили в зимний период и период вегетации растений –весенний отбор.

Химический анализ. Перед анализом образцы почв были высушены на воздухе, измельчены и просеяны через сито (1 мм). До постоянного веса образцы сушились в сушильном шкафу при 105°С. Для анализа готовились водные вытяжки – 30 г почвы + 150 мл дистиллированной воды. Кислотность и электропроводность измерялись рН-EC-метром (Hanna) непосредственно в водных вытяжках (суспензиях) через 1 минуту после перемешивания стеклянной палочкой. Анионы и катионы измерялись в фильтрованных пробах, фильтрование через фильтр «синяя лента». Нитраты и фосфаты измерялись фотометрически (Riele 520). Подвижные натрий и калий, а также содержание хлоридов измерялись с помощью ион-селективных электродов (Элит-031 (K⁺); Элит-261 (Cl^-), Элис-112Na (Na⁺) потенциометрически на иономере Эксперт-001.3 (Россия) (табл.2).

Таблица 2.

Химические показатели образцов почв с Бозсуйской станции аэрации (БСА), Ташкент

Питательные среды. Для выделения микроорганизмов и определения микробного пейзажа в процессах деструкции пестицидов использованы питательные среды МПА, МПБ Чапека-Докса, Сабуро, Эндо (производства HiMedia Pvt Ltd Mumbai, India), а также среды Гильтая, Эшби, Постгейта.

Микроорганизмы. Структуру комплекса бактерий характеризовали с использованием физиолого-биохимических и морфологических показателей отдельных культур [26]. Родовую идентификацию проводили согласно определителю бактерий Берджи [23]. Родовую принадлежность микромицетов определяли по морфологическим и культуральным признакам [25, 28].

Культивирование выделенных микроорганизмов проводили в качалочных условиях при температуре 27ºС в течение 7 суток.

Определение количества микроорганизмов в 1г (1мл) исходного субстрата проводили методом серийных разведений с высевом на твердые и жидкие среды [26]. Количество микроорганизмов в жидких средах определяли, используя таблицу Мак-Креди.

Результаты и обсуждение

Почвенные микроорганизмы (бактерии, актиномицеты, микроскопические грибы) играют ведущую роль в процессах саморегуляции природной экосистемы. Известным является тот факт, что численность микроорганизмов в почве постоянно изменяется.  Они, участвуя, в биогеохимических циклах, либо исключают из биологического круговорота вещества, загрязняющие природу, либо накапливают. В качестве основных источников загрязнения почвы можно выделить: химически загрязненные осадки, образуемые вследствие сжигания ископаемого топлива, мусора и т. п., скопления бытовых и промышленных отходов. Известным является тот факт, что численность микроорганизмов в почве постоянно изменяется. Но в любом почвенном покрове есть определенный  естественный уровень численности микробиоты, который можно рассматривать в качестве пула, иными словами, того запаса микроорганизмов почвы, который не обеспечивается  энергетическим веществом, необходимым  для  непрерывного размножения, но находится в состоянии поддержания. На величину такого запаса не влияет сезонность, пул обуславливается особенностями самой почвы и факторами среды, влияющими на почвенные свойства [2].

Структура бактериального комплекса городской экосистемы изучена недостаточно. Известно, например, что в наземном ярусе и опаде доминируют грамотрицательные бактерии, а в почвенном ярусе на первый план выходят грамположительные бактерии родов Bacillus, Artrobacter и актиномицеты рода Streptomyces. Это характерно как для нарушенных экосистем, так и для городских урбанизированных территорий. Особую актуальность в исследованиях такого рода приобретает изучение количественно-качественного состава микробиоценозов. В качественном отношении микробные сообщества изучаемых площадок отличаются высоким биоразнообразием (рис.1).

Рисунок 1. Количественный анализ образцов почв Бозсуйской КНС (общее количество сапрофитных микроорганизмов и денитрификаторов)

Почва интенсивно аккумулирует значительную часть загрязняющих веществ, попадающих в нее, и сохраняет их в себе долгое время.  Тяжелые металлы фиксируются верхними гумусосодержащими горизонтами наиболее прочно, то есть эти токсиканты накапливаются в самом плодородном слое. Почвенному покрову в пределах города принадлежат различные экологические функции. Основными и наиболее важными свойствами городской почвы являются  плодородие,  ее  пригодность.

Микробиологическая активность почв определяет трансформацию, миграцию и аккумуляцию вещества, энергии в почве. Полученные результаты показывают, что биовосстановление, как правило, связано с несколькими ключевыми отрядами: Pseudomonadales, Actinomycetales, Flavobacteriales, Bacilleas и Clostridiales.

Нами показано, что в почвенных микробиоценозах всех исследованных образцов доминирующее положение занимает бактериальный комплекс, в котором выявлены микроорганизмы, среди которых превалируют бактерии родов Bacillus и Pseudomonas. Кокковые формы встречаются редко, в основном родов Sarcina и Micrococcus. Таким образом, проведённое обследование показывает, что видовое разнообразие микроорганизмов в исследуемых почвах несколько понижено.

Согласно результатам химического анализа почвы, данных образцов имеют достаточно высокое хлоридное и фосфатное засоление (табл.2).   Проведенные исследования позволили выявить микроорганизмы, которые могут расти при концентрации соли в среде до 10% и получить солеустойчивые формы бактерий, проявляющие физиологическую активность при 5-7% хлоридов, выделенные штаммы отнесены на основании изучения физиолого-биохимических признаков, а также масс-спектроскопического анализа (Malditof) к Bacillus сereus и Pseudomonas aeruginosa.

Проведенное обследование загрязненных участков выявило наличие высокого титра азотфиксирующих микроорганизмов, отнесенных нами к роду Azotobacter (особенно в период вегетации растений) (рис. 2). Надо отметить, что олигонитрофилы являются довольно распространенными в почвах микроорганизмами, которые способны расти на субстрате с низкой концентрацией азотистых соединений и фиксировать свободный атмосферный азот (они принимают участие во всех важнейших биологических этапах разложения органики.

Рисунок 2.  Количественный анализ образцов почв Бозсуйской КНС (олигонитрофилы)

Следует отметить, что в загрязненных городских почвах отмечается существенное изменение структуры микробных сообществ, характеризующееся снижением, по сравнению с фоновыми почвами, доли физиологически активных клеток бактерий. Нами показано, что значительную часть выявленных биоценозов составляют микромицеты, среди которых преобладают активные формы р. Trichoderma, а также представители родов Aspergillus, Penicillium повышение титра которых, как правило, является специфической реакцией микробиоты на урбанизацию. Как известно, в почвах загрязненных городских зон активизируются представители р.Penicillium, а также темноокрашенные популяции Azotobacter chroococcum, что является специфической реакцией микробиоты на урбанизацию [22].

Анализ развития сульфатредуцирующих микроорганизмов показал присутствие их в данных почвах в незначительном количестве. Наблюдался лишь незначительный скачок в период весенней вегетации растений в образце среднезагрязненной почвы (рис.3).  

Рисунок 3. Количественный анализ образцов почв Бозсуйской КНС (сульфатредукторы)

Актиномицеты на начальном этапе поступления органических веществ разрушают труднодоступные структурные компоненты растительного и животного происхождения и вместе с бактериями выполняют в экосистеме функцию по переработке органического вещества, поступившего в почву. Актиномицеты представляют собой единое звено в трофической цепи экосистемы, осуществляя функции микробов - редуцентов. Основная роль мицелиальных прокариот состоит в разложении сложных полимеров (лигнин, хитин, ксилан, целлюлоза, гумусовые соединения) [13, 9, 21, 12]. Увеличение численности почвенных актиномицетов происходит на поздних этапах микробной сукцессии, когда биомасса грибов начинает снижаться [27].

В литературе неоднократно отмечалось участие актиномицетов в разложении и синтезе гумусовых веществ в почве [20, 29]. Имеются сведения об использовании актиномицетами полифенолов гуминовых кислот в присутствии доступных источников углерода. Отдельные представители родов Nocardia, Micromonospora способны окислять гуматы, принимая участие в минерализации гумусовых веществ в почве. Актиномицеты участвуют в накоплении в почве биологически активных веществ [17] и формировании азотного баланса почв [24]. Выявлено, что исследуемые образцы почв широко представлены актиномицетами, в основном относящимися к роду Streptomyces (рис.4).

Рисунок 4. Количественный анализ образцов почв Бозсуйской КНС (актиномицеты)

В сильнозагрязненных городских почвах происходит существенное изменение структуры микробных сообществ, изменяется соотношение таксонов и возникают новые доминанты. Особенно при комплексном хозяйственно-бытовом загрязнении выявляются энтеробактерии в значительном количестве (роды Escherichia, Enterobacter).

Известно, что санитарно-гигиенический мониторинг имеет непосредственное отношение к микробиологическим свойствам почвы, поскольку с почвенной пылью воздушным путем переносятся споры грибов, актиномицетов, бактерий, а также другие устойчивые к инсоляции жизненные формы микроорганизмов.

При микробиологических исследованиях очень важно выявление такого санитарно-показательного микроорганизма, как кишечная палочка и сходных с ней бактерий. Кишечные патогенные бактерии широко распространены во всем мире. Их называют бактериями группы кишечной палочки (БГКП) или колиформными микроорганизмами.

Кишечная палочка – показатель свежего фекального загрязнения. Остальные микроорганизмы этой группы – показатели относительно давнего фекального загрязнения воды. Кроме того, особенности почвы свидетельствуют о заражении кишечными бактериями, что, вероятно, связано с введением фекалий животных.  При санитарно-микробиологических исследованиях бактерии группы кишечной палочки именуют общими колиформными бактериями – ОКБ. Как выявлено, такие бактерии в значительном количестве присутствовали в почвах, обработанных удобрениями, полученными после очистки стоков и используемыми для выращивания сельхоз. растений, здесь их титр достигал 5,2·10³ и 1,5·10⁴ КОЕ/г почвы в зимний период и увеличивается до 2,36·10⁴ в период вегетации (рис. 5).

Рисунок 5. Количественный анализ образцов почв Бозсуйской КНС (бактерии группы кишечной палочки)

Присутствие бактерий группы кишечной палочки служит указанием на возможное загрязнение патогенными микроорганизмами, как бактериями, так и вирусами. Источником происхождения колиформных бактерий могут быть не только экскременты теплокровных животных, но также растительность и почва.

Во многих случаях исследуемая почва – это своеобразное депо и аккумулятор, обеспечивающий длительное сохранение как патогенов, так и почвенных микроорганизмов. Продолжительность сохранения патогенов в жизнеспособном состоянии определяется самоочищающей способностью почвы – ее совокупными физико-химическими, биохимическими, супрессивными и иными генетическими свойствами.

Таким образом, надо отметить, что для почв постоянную угрозу представляют неочищенные стоки, некомпостированные отходы животноводства и продукты жизнедеятельности человека, используемые в качестве местных органических удобрений. Их повсеместное обеззараживание и утилизации должны стать обязательной частью региональной социально-экологической политики.

Заключение

Антропогенные изменения в почве можно проследить, опираясь на результаты экологического мониторинга комплекса почвенных микроорганизмов.  Состояние почвы городских территорий требует особого внимания, так как влияние антропогенных процессов на почвенную систему, приводит к изменению практически всех ее компонентов, начиная с агрохимических и физических свойств и заканчивая микробиологическими и биохимическими показателями, лишая почвенный покров способности выполнять важные экологические функции. Длительное загрязнение почв вызывает изменение в численности основных групп почвенной микрофлоры. Уменьшается содержание бактерий и актиномицетов. Более устойчивы к загрязнению микроскопические грибы.

В результате проведенных исследований показано, что большим ремедиационным потенциалом от биологического и химического загрязнения обладают такие типичные представители микробиоты, как гетеротрофные микроорганизмы рр. Bacillus и Pseudomonas и актиномицеты. Причем загрязнение почвы исследованных рекреационных территорий, вызванное антропогенным воздействием, приводит в итоге к снижению видового разнообразия и изменению видового состава микробоценоза почвы.

Почвы изучаемых площадок — это неотъемлемая часть природной среды, которая находится в динамическом равновесии со всеми компонентами природной среды. Стабильное и устойчивое микробное сообщество имеет большое значение для восстановления и функционирования экосистемы, в связи с этим необходимо обратить особое внимание на эффективное сохранение находящихся под угрозой экологических сообществ [7].

Полученные результаты убедительно раскрывают перспективы биомониторинга и возможного использования микроорганизмов в процессах очистки почв. Практическим подходом в будущем для очистки почв от различного рода загрязнений может стать внесение устойчивых к загрязнениям микроорганизмов, способных их разлагать.

Список литературы:

1. Aitkenhead-Peterson J. A., Steele M. K., Volder A. Services in natural and human dominated ecosystems // Urban ecosystem ecology. 2010.  №. 55. – P. 373-390.
2. Bahrampour T. et al. Evaluation of soil biological activity after soil contaminating by crude oil // International Journal of Agriculture: Research and Review. 2012. Vol. 2.  №. 6. – P. 671-679.
3. Baveye P. C., Baveye J., Gowdy J. Soil “ecosystem” services and natural capital: critical appraisal of research on uncertain ground // Frontiers in Environmental Science. 2016. №. 4. – P. 41.
4. Brianskaia I., Vasenev V., Brykova R. Soil organic carbon stability of urban soils and of floodplain soils under different hydrothermal conditions // EGU General Assembly Conference Abstracts. 2020. – P. 663.
5. Dominati E., Patterson M., Mackay A. A framework for classifying and quantifying the natural capital and ecosystem services of soils // Ecological economics. 2010. Vol. 69. №. 9. – P. 1858-1868.
6. Glick B. R. Using soil bacteria to facilitate phytoremediation // Biotechnology advances. 2010. Vol. 28. №. 3. – P. 367-374.
7. Harris R. M. B. et al. Noah’s Ark conservation will not preserve threatened ecological communities under climate change // PLoS One. 2015. Vol. 10. №. 4. – P. e0124014.
8. Hung H. et al. Atmospheric monitoring of organic pollutants in the Arctic under the Arctic Monitoring and Assessment Programme (AMAP): 1993–2006 // Science of the Total Environment. 2010. Vol. 408. №. 15. – P. 2854-2873.
9. Jendrossek D., Tomasi G., Kroppenstedt R. M. Bacterial degradation of natural rubber: a privilege of actinomycetes? // FEMS Microbiology letters. 1997. Vol. 150. №. 2. – P. 179-188.
10.  Joyner J. L. et al. Green infrastructure design influences communities of urban soil bacteria // Frontiers in microbiology. 2019. Vol. 10. – P. 982.
11.  Kim M. et al. A novel biomonitoring system using microbial fuel cells // Journal of environmental monitoring. 2007. Vol. 9. №. 12. – P. 1323-1328.
12.  Lynd L. R. et al. Microbial cellulose utilization: fundamentals and biotechnology // Microbiology and molecular biology reviews. 2002. Vol. 66.  №. 3. – P. 506-577.
13.  McCarthy A. J., Williams S. T. 17 Methods for Studying the Ecology of Actinomycetes // Methods in Microbiology. 1990. Vol. 22. – P. 533-563.
14.  Ocampo J. A., Chowdhury A., Alarcon D. The World Economy through the Lens of the United Nations. – 2018.
15.  Ojuederie O. B., Olanrewaju O. S., Babalola O. O. Plant growth promoting rhizobacterial mitigation of drought stress in crop plants: Implications for sustainable agriculture // Agronomy. 2019. Vol. 9. №. 11. – P. 712.
16.  O'Riordan R., Jess Davies, Carly Stevens, John N Quinton. The ecosystem services of urban soils: A review // Geoderma. 2021. Vol. 395. – P. 115076.
17.  Piepersberg W. Pathway engineering in secondary metabolite-producing actinomycetes // Critical reviews in biotechnology. 1994. Vol. 14. №. 3. – P. 251-285.
18.  Satchanska G. et al. Culture-dependent approach for determining microbial diversity in soils from KCM/AGRIA region // Comptes rendus de l'Academie bulgare des Sciences. 2005. Vol. 58. №. 4. – P. 409-416.
19.  Tobor‐Kapłon M. A., Bloem J., De Ruiter P. C. Functional stability of microbial communities from long‐term stressed soils to additional disturbance //Environmental Toxicology and Chemistry: An International Journal. 2006. Vol. 25. №. 8. – P. 1993-1999.
20.  Trigo C., Ball A. S. Is the solubilized product from the degradation of lignocellulose by actinomycetes a precursor of humic substances? // Microbiology. 1994. Vol. 140. №. 11. – P. 3145-3152.
21.  Williamson N., Brian P., Wellington E. M. H. Molecular detection of bacterial and streptomycete chitinases in the environment // Antonie Van Leeuwenhoek. 2000. Vol. 78. №. 3. – P. 315-321.
22.  Артамонова В. С. Особенности микробиологических свойств почв урбанизированных территорий // Сибирский экологический журнал. – 2002. – Т. 9. – №. 3. – С. 349-354.
23.  Дж Х. и др. Определитель бактерий Берджи // М.: Мир. – 1997. – Т. 1. – С. 1-429.
24.  Калакуцкий Л. В., Шарая Л. С. Актиномицеты и высшие растения // Успехи микробиологии. – 1990. – Т. 24. – С. 26-65.
25.  Литвинов М. А. Определитель микроскопических почвенных грибов. – Рипол Классик, 2013.
26.  Нетрусов А.И., Егорова М.А., Захарчук Л.М., Колотилова Н.Н. Практикум по микробиологии Учебное пособие для студентов высших учебных заведений. — М.: Академия, 2005. — 608 c.
27.  Полянская Л. М., Звягинцев Д. Г. Содержание и структура микробной биомассы как показатели экологического состояния почв // Почвоведение. – 2005. – №. 6. – С. 706-714.
28.  Саттон Д., Фотергилл А., Ринальди М. Определитель патогенных и условно патогенных грибов. – 2001.
29.  Черников В. А. Диагностика гумусового состояния почв по показателям структурного состава и физико-химическим свойствам // М.: МСХА. – 1984.