ВЛИЯНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА МИКРОБНОЕ РАЗНООБРАЗИЕ

АННОТАЦИЯ

Определена таксономическая структура микроорганизмов почв Ташкента. Выявлена зависимость почвенного микробиоценоза от степени антропогенной нагрузки. Отмечено снижение общего микробного числа в образцах с пониженным содержанием органического вещества – локации у загруженных автотрасс, тогда как парковые зоны обладают более высокой концентрацией и более широким разнообразием различных групп микроорганизмов. Показано, что базальное дыхание почвы прямо пропорционально количеству выявляемых жизнеспособных микробных клеток.

ABSTRACT

The taxonomic structure of soil microorganisms in Tashkent has been determined. The dependence of soil microbiocenosis on the degree of anthropogenic load was revealed. A decrease in the total microbial number was noted in samples with a low content of organic matter - locations near busy highways, while park areas have a higher concentration and a wider variety of different groups of microorganisms. It has been shown that the basal respiration of the soil is directly proportional to the number of viable microbial cells detected.

Ключевые слова: микроорганизмы, биоразнообразие, почва, базальное дыхание почв.

Keywords: microorganisms, biodiversity, soil, basal soil respiration

Введение

В условиях современных городов формируются особые биотопы, которые, в первую очередь, влияют на почвенные составляющие. Накапливание различных загрязнений, изменение плотности и влагонасыщенности почвенного покрова вследствие протекания биогеохимических процессов оказывает значительное влияние на состав и функциональность микробных консорциумов, как первого звена в цепочке биоразнообразия. Под воздействием нагрузки антропогенного характера почвы деградируют, теряя способность к саморегуляции. Естественные экосистемы могут сохраняться лишь на территориях оставшихся городских парков, площади которых в последнее время стремительно сокращаются.

Изучение количественно-качественного состава микробиоценозов приобретает особую актуальность в исследованиях такого рода. Почвенные микроорганизмы (бактерии, актиномицеты, микроскопические грибы) играют ведущую роль в процессах саморегуляции природной экосистемы. Они, участвуя, в биогеохимических циклах, либо исключают из биологического круговорота вещества, загрязняющие природу, либо накапливают [10].

Широко используемым в исследованиях информативным показателем микробиологической активности почвы является дыхание микроорганизмов.

В целом дыхание почвы есть образование двуокиси углерода двумя основными составляющими: почвенными микроорганизмами (за счет трансформации органического вещества) и корнями растений. По разным оценкам, порядка 50-90% дыхания почвы – вклад микроорганизмов [2, 4, 8].

Считают, что дыхание нативной (необогащенной) почвы (освобожденной от корней растений) обусловлено только микроорганизмами, поэтому его принято называть «базальным» или микробным дыханием почвы. Традиционным и наиболее часто используемым способом определения метаболической активности почвы и физиологического состояния микроорганизмов является определение базального дыхания (БД) [5, 1]. Показатель БД почвы широко используют в мониторинговых программах многих европейских стран: Германии, Швейцарии, Чехии, Великобритании, Эстонии, Финляндии, Италии, Латвии, Швеции [3].

С целью выявить степень влияния процессов урбанизации на качественный и количественный состав микробиоценозов почв различных зон г. Ташкента, нами проведено микробиологическое обследование территорий, в разной степени подвергшихся антропогенному воздействию.

Материалы и методы исследования

Исследовались образцы почв придорожных зон в центральной части города, имеющих высокую нагрузку (автотранспортные магистрали, строительство, близость ж/д вокзала) и рекреационных (парковых) зон. Для микробиологического анализа использовали верхний слой почвы глубиной от 0 до 20 см. Почвенные образцы отбирали по методу «конверта» из 25 точечных проб. Структуру комплекса бактерий характеризовали с использованием физиолого-биохимических и морфологических показателей отдельных культур, таких как форма, размер, цвет колоний, а также микроскопирование нативных и окрашенных по методу Грама препаратов чистых культур, руководствуясь при этом признаками, описанными в Определителе бактерий Берджи [7]. Для отдельных представителей использовался метод идентификации микроорганизмов Maldi Tof. Для количественного учета микроорганизмов, выделения микроорганизмов и определения микробного пейзажа в процессах развития микроорганизмов в работе использованы элективные питательные среды МПА, МПБ, Чапека-Докса, Сабуро, Эндо производства HiMedia. Определение количества микроорганизмов в 1г (1мл) исходного субстрата проводили методом серийных разведений с высевом на твердые и жидкие среды [9]. Количество микроорганизмов в жидких средах определяли, используя таблицу Мак-Креди.

Пробы отбирались на территории г. Ташкента в почвах придорожных зон и в почвах городских рекреационных зон (табл. 1).

Таблица 1.

Координаты отбора и характеристика проб почв

Образование СО2 почвой в лабораторных условиях оценивали поглощением раствором щелочи с последующим титрованием [6].

Результаты исследования и их обсуждение

Проведенные исследования образцов почвы показывают разнообразие выявленных микробиоценозов, которые во многом определяют ее активность и развитие в наступающем урбаногенезе. Анализируя полученные данные по микробиологическому обследованию образцов почв г.Ташкента, в разной степени подвергшихся антропогенному воздействию, выявлено, что микробные сообщества в исследуемых образцах имеют свои характеристики (рис.1).

Надо отметить, что в качественном отношении микробные сообщества изучаемых площадок отличаются высоким биоразнообразием. По сравнению с почвами парковых зон (образцы 3, 4, 5, 7) в придорожных городских почвах (образцы 1, 2, 6) снижено содержание мицелия грибов, основных почвообразующих организмов – деструкторов органических остатков. При этом ухудшаются условия для роста растений. Отмечено снижение целлюлолитических микроорганизмов в придорожных почвах по сравнению с почвами рекреационных зон, которые обладают более высокой растительной биомассой, что согласуется с данными авторов [1].

Рисунок 1. Количественные и качественные показатели сероземных почв г. Ташкента (3,4, парковые зоны, 5,7 – газоны вдали от дорог, 1,2,6 – близ центральных дорог)

Общее количество бактерий в почвенной биомассе снижается, по отношению к показателям почв чистых зон. Однако, значительно возрастает количество денитрификаторов – на 3 порядка. 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 рода Micrococcus. Таким образом, отмечается, что видовое разнообразие микроорганизмов в исследуемых почвах несколько понижено.

Среди микромицетов придорожных зон основную долю составляют рр. Fusarium, Penicillium, Aspergillus, Mucor, тогда как в парковых зонах преобладают рр. Trichoderma, Alternaria, Aspergillus. На поверхности почвы увеличивается присутствие фитопатогенных грибов.

Увеличивается количество актиномицетов, в основном пигментированных форм (до 10⁵ КОЕ/г). Формируются более упрощенные, чем в естественных условиях, микробокомплексы, с преобладанием быстрорастущих и пигментобразующих форм.

В своих исследованиях образование СО₂ почвой в сезонной динамике мы оценивали в лабораторных условиях методом поглощения раствором щелочи с последующим титрованием. Результаты представлены в таблице 2.

Таблица 2.

Сезонные изменения дыхательной активности почв г. Ташкента

Оценивая микробные параметры, потенциально служащие индикаторами изменений окружающей среды в рамках мониторинга сезонной динамики развития и оценки антропогенного воздействия, можно отметить, что образцы почвы нарушенных участков (близлежащих дорог – пробы № 1,2,6) и парковых зон (пробы № 3,4,5,7) имели некоторые различия интенсивности базального дыхания до 2 и более раз. Группы показали различия в основных микробных параметрах. Наименьшая микробная биомасса обнаружена в образцах почв, подвергшихся в большей степени негативному воздействию и со слабым содержанием органического вещества (пробы 1,2,5,6). Дыхание показало аналогичные результаты для микробной биомассы.

Таким образом, можно сказать, что функциональное разнообразие и дыхательная активность почв являются важными индикаторами временных тенденций, микробная биомасса, по-видимому, отражает различные условия, складывающиеся на нарушенных участках.

Выводы

Микробиологическое обследование выявило изменение качественного состава микробиоценозов урбаноземов, особенно расположенных на небольших расстояниях от транспортных систем. Отмечается снижение количества микроорганизмов, активно участвующих в саморегуляции почвенного покрова, и увеличение видов, устойчивых к неблагоприятным условиям, что в дальнейшем может оказывать влияние на весь биоценоз. Становится очевидным, что для сохранения естественных свойств почв при застраивании городов следует снижать «запечатывание» почв и сохранить по возможности больше соединенных между собой озелененных зон, сохраняющих специфику природных экосистем. Также необходимо проводить мероприятия по рекультивации почв в промышленных зонах. Для этого следует разрабатывать и применять новые методы, в том числе биотехнологические, а также создавать микробные комплексы способные активно участвовать в восстановлении земель.

Список литературы:

1. Alef K. Soil respiration / In: Methods in applied soil microbiology and biochemistry. Alef K., Nannipieri P. (Eds.). – Academic Press. –  1995. – P. 214-218.
2. Bowden R.D., Nadelhoffer K.J., Boone R.D., Melillo J.M., Garrison J.B. Contributions of above ground litter, below ground litter, and root respiration to total soil respiration in a temperate mixed hardwood forest // Can J For Res. –  1993. – V. 23. – P. 1402-1407.
3. Nielsen M.N., Winding A. Microorganisms as indicators of soil health. // National environmental research institute. – Denmark. – Technical report № 388. – 2002. – 84 p.
4. Tate K.R., Ross D.J., O‟Brien B.J., Kelliher F.M. Carbon storage and turnover, and respiratory activity, in the litter and soil of an old-growth southern beech (Nothofagus) forest // Soil Biol. Biochem. – 1993. – V. 25. – P. 1601-1612.
5. Zibilske L.M. Carbon mineralization // In: Methods of soil analysis. Part 2 Microbiological and biochemical properties. Mickelson S.H. (Ed.). Soil Science Society of America.  – Inc.1994. – P. 835-863.
6. Артамонова В. С. Особенности микробиологических свойств почв урбанизированных территорий // Сибирский экологический журнал. – 2002. – Т. 9. – №. 3. – С. 349-354.
7. Берджи Д. Х., Беркли Р. Определитель бактерий Берджи. [под ред. Хоулта Д.Г., пер. Заварзин Г.А.]. – М.: Мир, 1997. – 799 с.
8. Евдокимов И.В., Ларионова А.А., Шмитт М., Лопес де Гереню В.О., Бан М. Определение вклада дыхания корней растений в эмиссию СО2 из почвы методом субстрат-индуцированного дыхания // Почвоведение. – 2010. – № 3. – С. 349-355.
9. 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.
10. Чернов Т.И., Железова А.Д. Динамика микробных сообществ почвы в различных диапазонах времени (Обзор) // ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2020, № 5, с. 590–600