CC BY
35
БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 579.26/504.3.054(470.21)
БАКТЕРИАЛЬНЫЙ АЭРОПЛАНКТОН ПРИЗЕМНОГО СЛОЯ ВОЗДУХА РАЗЛИЧНЫХ ПРИРОДНЫХ И ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗОН В КОЛЬСКОЙ АРКТИКЕ*
Г. А. Евдокимова, Н. П. Мозгова
ФГБУН Институт проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН
Аннотация
Выполнены исследования численности бактериального аэропланктона приземных слоев воздуха в тундре, подзоне северной тайги и промышленных зонах Евро-Арктического региона. Отбор проб проведен в летне-осенний период автоматическим пробоотборником ПУ1Б на каждом участке в 3 повторностях на высоте 1.2 м. Среди бактериальной биоты в приземном воздухе как тундры, так и тайги доминируют Гр+ бактерии (отдел Fermicutes). Наиболее чист воздух над побережьем Баренцева моря, всего 1-2 клетки в 1 м . Выявлено бактериальное загрязнение воздуха (100-600 КОЕ в 1 м3) вблизи промышленных предприятий (до 3 км) с доминированием Гр- бактерий (отдел Gracilicutes), обладающих большей устойчивостью к неблагоприятным факторам благодаря наличию более мощной и слабо проницаемой клеточной стенки по сравнению с Гр+ неспорообразующими бактериями. Ключевые слова:
бактериальный аэропланктон, воздушная среда, тундра, тайга, промышленная зона.
BACTERIAL AEROPLANKTON IN THE SURFACE LAYERS AIR FROM DIFFERENT NATURAL AND INDUSTRIAL ZONES OF THE KOLA ARCTIC
Galina A. Evdokimova, Natalya P. Mozgova
Institute of the Industrial Ecology Problems of the North, Kola Science Center RAS
Abstract
A number of fungi and bacterial aeroplankton in surface air of Euro-Arctic areas (i. e. in tundra zone, Northern taiga subzone and industrial zones) have been studied. Sampling was carried out in summer-autumn period by automated sampler PU1B at three points for each sampling site at the height of 1.2 m. Gram-positive bacteria (division Fermicutes) dominate among the bacterial biota in the surface air of both tundra and taiga. The cleanest air was found above the Barents Sea coast (only in 1-2 cells per 1 m3). Bacterial pollution is registered in the vicinity of industrial centers (100-600 cells per 1 m3). In the polluted air near the copper-nickel smelters, gram-negative bacteria (division Gracilicutes) dominate because they have more resistant cell walls compared to gram-positive bacteria.
Keywords:
bacterial aeroplankton, air environment, tundra, taiga, industrial zone.
Введение
Человек от первого вздоха при рождении в течение всей своей жизни находится в воздушной атмосфере. С воздухом он соприкасается раньше, чем с другими природными средами — водой и почвой. От состава воздуха, от содержащихся в нем химических и биологических примесей зависит качество жизни человека.
Атмосферный воздух не является благоприятной
* Исследования выполнены при финансовой поддержке программы фундаментальных исследований Президиума РАН «Живая природа: современное состояние и проблемы развития».
средой для развития микроорганизмов по ряду причин: нехватка питательных элементов, сухость и высокая температура в определенные периоды, ультрафиолетовое облучение. Однако бактериальные споры длительный период времени могут находиться и сохранять свою жизнеспособность в воздушной среде, особенно на частицах пыли.
Основные источники загрязнения воздуха микроорганизмами — это почва и растительность. Количественный и качественный состав микробиоты атмосферного воздуха зависит от климатических и метеорологических условий, сезона года, близости промышленных предприятий и других факторов. Количество микроорганизмов в воздухе может колебаться в широких пределах и достигать десятков тысяч в 1 м3. Летом ветер, поднимая с земли пыль, отягощает приземный воздух бактериями, содержание которых в воздухе уменьшается в дождливый период времени как в результате седиментации частиц пыли и отдельных спор, так и в силу снижения поступления в воздух микробов с влажных почв и растений [1].
Наиболее загрязнен микробиотой воздух крупных промышленных городов [2-8]. Особенно повышено количество бактерий и грибов в воздухе вблизи городских автомагистралей [9].
Цель данного исследования состояла в получении новых знаний о численности бактериального аэропланктона приземных слоев воздуха в высоких широтах в фоновых и промышленных регионах.
Объекты и методы
Пробы воздуха отбирали и анализировали в нескольких аспектах — микробиота воздушной среды тундры, подзоны северной тайги и промышленных зон. Отбор проб проведен в летне-осенний период автоматическим пробоотборником ПУ1Б с принудительным осаждением бактерий из воздуха на поверхность мясо-пептонного агара (рис. 1). В зависимости от предполагаемой степени загрязнения пропускали от 250 до 350 л воздуха на высоте 1.2 м в трех повторностях на каждом участке. Отбор проб проводили в сухую погоду.
Рис. 1. Отбор проб воздуха автоматическим пробоотборником ПУ1Б на п-ове Рыбачий
Климатические показатели влияют на формирование не только растительного и почвенного покровов, но и на состав приземного воздуха, в том числе его бактериальной составляющей. Средние климатические показатели по Мурманской обл. за последнее десятилетие представлены в табл. 1. В целом климат Кольского п-ова можно охарактеризовать как субарктический морской, имеющий многие черты континентального климата. Он определяется географическим положением Кольского п-ова за полярным кругом между Европейским материком с юга и Арктическим
бассейном с севера, а также близостью теплого сектора Атлантики. Значительное влияние на климат оказывает проходящее у северных берегов теплое Нордкапское течение в Баренцевом море. В связи с этим в холодный период времени температура воздуха в тундре выше, чем в подзоне северной тайги. В теплый период — период вегетации растений, воздух в подзоне северной тайги прогревается больше, чем в тундре, где ветер сильнее.
Таблица 1
Средние климатические показатели природных зон Мурманской области (за период с 01.02.2006 по 01.02.2016 гг.)*
Климатические показатели Зона тундры Подзона северной тайги
Количество дней с температурой выше 5 оС 112-128 126-142
Сумма положительных температур за вегетационный период (май — сентябрь), оС 1133 1559
Средняя температура, оС годовая январь июль теплый период (май — сентябрь) холодный период (октябрь — апрель) 0.5 - 2.6 -11.6 - -4.9 9.5 - 11.4 7.6 - 8.8 -4.9 - -1.6 -0.3-1.8 -13.9 - -8.2 12.9 - 14.6 9.3 - 10.7 -7.1 - -3.8
Сумма осадков, мм/год 354 - 463 455 - 574
Скорость ветра, м/с 4.7-7.1 1.3-5.1
Относительная влажность, % 81-84 79-84
* Источник данных — архив сайта www.rp5.ru (составитель — В. А. Мязин по данным 10 метеостанций).
**
Учитывалась средняя температура за сутки.
Характеристика участков. Полуостров Рыбачий расположен выше 69-й параллели, в зоне тундры, и относится к районам с типично морским муссонным климатом, формирующимся под воздействием Баренцева моря. В целом средняя температура летнего сезона на Мурманском побережье не более +9 оС [10]. Минимальная температура в июне может опускаться до -3 оС при вторжении арктических воздушных масс. Относительная влажность воздуха > 80 %. Часты туманы.
Маршрут по полуострову пролегал от губы Большая Волоковая Баренцева моря на запад к мысу Немецкий. Даты отбора проб — 6-8 июля 2015 г. Температура воздуха в этот период изменялась от +6.4о до +7.9 оС. В табл. 2 приведена характеристика участков отбора проб воздуха в тундровой зоне.
Таблица 2
Характеристика участков на п-ове Рыбачий
№ участка Координаты, высота над у. м., м Почва Растительность
1 69° 49' 17'' N 32° 01' 58'' Е 20 н. у. м. Подбур Побережье моря. Воронично-ерниковая тундра
2 69° 49' 31'' N 32° 02' 10'' Е 73 н. у. м. Подбур Воронично-ерниковая тундра
3 69° 18' 53'' N 32° 03' 13'' Е 73 н. у. м. Торфяная Склон горы. Воронично-ерниковая тундра с обилием хвоща лесного
Окончание таблицы 2
4 69° 48' 5'' N 32° 03' 30'' Е 100 н. у. м. А№е-гумусовый подзол Воронично-ерниковая тундра, очень пятнистая из-за выхода коренных пород
5 69° 48' 55'' N 32° 03' 30'' Е 100 н. у. м. Криогенная Криогенное пятно диаметром 70 см, без растительности
6 69° 46' 02'' N 32° 06' 03'' Е 51 н. у. м. Торфяная Березовое криволесье с разнотравьем из злаков, герани лесной, дерна шведского, вороники, папоротников, марьянника лесного, бодяка разнолистного
7 69° 46' 03'' N 32° 06' 10'' Е 66 н. у. м. Подбур Воронично-лишайниковая тундра
8 69° 45' 59'' N 32° 05' 18'' Е 0 н. у. м. Примитивная. Каменисто-щебнистый субстрат в приливно-отливной зоне Прибрежная полоса лебеды голостебельной (Atriplex nudicalis Bogusl.)
9 69° 44' 17'' N 32° 10' 44'' Е 116 н. у. м. А№е-гумусовый подзол Равнинная воронично-лишайниковая тундра
10 69° 44' 16'' N 32° 11' 15'' Е 107 н. у. м. Болотная Болото. Растительность: пушица, осоки, ива травянистая
11 69° 44' 39'' N 32° 05' 25'' Е 15 н. у. м. Торфяная Равнинная воронично-зеленомошная тундра с примесью морошки, жирянки обыкновенной, подбела многолистного
Другие территории обследования включали в себя площадки, расположенные в подзоне северной тайги в государственном заповеднике «Пасвик» и в районах, загрязняемых выбросами промышленных предприятий: в зонах воздействия газовоздушных выбросов медно-никелевого комбината Печенганикель» ^02, тяжелые металлы) и Кандалакшского алюминиевого завода -КАЗ (Р, А1, ПАУ) (табл.3). Сроки отбора проб в зоне воздействия комбината «Печенганикель» и в заповеднике — 19-21 июня 2012 и 2014 гг. Температура воздуха в периоды отбора проб изменялась от 6.3 до 16.0 °С. В зоне воздействия Кандалакшского алюминиевого завода отбор проб воздуха проводили 10 июня 2012 и 2015 гг. (при температуре 6.4-15.4 °С) и 11 сентября 2012, 2013 и 2014 гг. (при температуре 9.2-17.0 °С), в каждый срок по 3 повторности.
Таблица 3
Характеристика участков в зонах воздействия комбината «Печенганикель», Кандалакшского алюминиевого завода и в заповеднике «Пасвик»
Расстояние от источника загрязнения, км Координаты Растительность
Комбинат «Печенганикель»
1 N 69024' 25' ' Е 30013' 04 ' ' Город, ивняк с куртинками хвоща
2 N 69024' 27 ' ' Е 30011' 25' ' Березняк с редкими пятнами хвоща
3 N 69023' 44 ' ' Е 30010' 42 ' ' Сосняк брусничный с примесью березы
5 N 69023'33' ' Е 30006' 05' ' Сосняк воронично-брусничный
8 N 69024' 35' ' Е 29058 ' 21' ' Сосняк кустарничковый
10 N 69023'51' ' Е 29056'12 ' ' Болото, луговина
13 N 69023' 09 ' ' Е 29056'12 ' ' Сосняк кустарничковый с примесью березы
16 N 69021' 44 ' ' Е 29032' 31' ' Сосняк кустарничковый с примесью березы
20 N 69021' 46 ' ' Е 29045'11' ' Сосняк старовозрастный с примесью березы
25 N 69019'11' ' Е 29040' 20 ' ' Сосняк брусничный
30 N 69017'18 ' ' Е 29027' 44 ' ' Сосняк вороничный
КАЗ
0.5 N 67011'17 ' ' Е 32025' 03' ' Сосняк брусничный с примесью берез
2 N 67012' 82 ' ' Е 32025' 58 ' ' Сосняк вороничный
5 N 67014' 72 ' ' Е 32024' 79 ' ' Сосняк брусничный сфагновый
8 N 67015'16 ' ' Е 32025' 47 ' ' Сосняк брусничный сфагновый
15 N 67018 ' 43' ' Е 32029' 07 ' ' Сосняк брусничный сфагновый
* 50 N 67033' 54 ' ' Е 32010' 91' ' Сосняк чернично-сфагновый
Заповедник «Пасвик»
* 40 N 69013' 36 ' ' Е 29021' 31' ' Сосняк вторичный кустарничково-зеленомошный
* 50 N 69007' 56 ' ' Е 69007' 56 ' ' Сосняк кустарничково-лишайниковый
* Фоновые участки в подзоне северной тайги.
Зоны максимального загрязнения находятся до 2 км от КАЗ и 3 км от комбината «Печенганикель». Зоны среднего загрязнения — до 8 км от КАЗ и 16 км от комбината «Печенганикель» и умеренного загрязнения — до 15 и 30 км соответственно.
Результаты и обсуждение Зона тундры, п-ов Рыбачий
Воздух над ландшафтами п-ва Рыбачий относительно чист по микробиологическим показателям (табл. 4). Наиболее чистый воздух над побережьем Баренцева моря, всего 1-2 клетки в 1 м3 (площадка № 8).
Среди бактериальной биоты в воздухе доминируют Гр+ бактерии (отдел Fermicutes). Их доля составляет 90-99 % от общего числа бактерий в воздухе. В воздушном пространстве, подверженном в полярный день воздействию круглосуточного ультрафиолетового облучения, они находятся в основном в виде эндоспор, что позволяет этим бактериям длительно сохраняться в неблагоприятных условиях.
Над большинством наземных ландшафтов полуострова число грибных колониеобразующих единиц (КОЕ) в приземном воздухе преобладает над числом бактериальных КОЕ [11]. Особенно хорошо это прослеживается над участками с обильным растительным покровом, например над болотной почвой (разрез 10).
Таблица 4
Численность бактерий (КОЕ/м3) в воздухе п-ова Рыбачий
№ участка Бактерии
1 230 ± 54
2 75 ± 27
3 40 ± 16
4 36 ± 17
7 34 ± 26
8 1.4 ± 1
9 15 ± 8
10 27 ± 3
Загрязненные участки в зоне воздействия комбината «Печенганикель»
Полученные данные свидетельствуют о бактериальном загрязнении воздуха вблизи промышленных центров, чему немало способствует почва этих территорий, эродированная и не имеющая наземной растительности (табл. 5).
Таблица 5
Численность бактерий (КОЕ/м3) в воздухе по градиенту загрязнения выбросами
комбината «Печенганикель»
Расстояние от источника загрязнения, км Бактерии Расстояние от источника загрязнения, км Бактерии
1 388 ± 42 16 6 ± 1
2 113 ± 48 20 47 ± 18
3 612 ±71 25 8 ± 0
5 40 ± 5 30 11 ± 3
8 20 ± 11 40* 16 ± 0
10 208 ± 0 50* 12 ± 0
13 Не обн.
* Чистые участки в заповеднике «Пасвик» (подзона северной тайги).
Численность бактерий в воздухе зоны максимального загрязнения, в пределах 3 км от комбината, составила 100-600 КОЕ в 1 м3. По мере удаления от города число бактериальных клеток в воздухе снизилось до 8-40 КОЕ/м3, что свидетельствует о бактериологической чистоте воздуха в лесных экосистемах (рис. 2).
В воздухе вблизи комбината доминируют Гр- бактерии (отдел Gracilicutes). Из-за своей более мощной и плохо проницаемой клеточной стенки грамотрицательные бактерии устойчивее грамположительных не только к антибиотикам, но и к воздействию тяжелых металлов [12]. Можно предположить, что их устойчивость сохраняется и к загрязняющим соединениям, содержащимся в воздухе промышленных центров. В воздухе над удаленными чистыми участками Гр- бактерии, за редким исключением, не выявлены, здесь доминируют Гр+ бактерии, как и в воздушной среде п-ва Рыбачий. Преобладают среди этой группы бактерий споровые пигментные формы, устойчивые к высушиванию и солнечной радиации. Доминирование пигментообразующих бактерий в воздухе было отмечено и в работе Ахмедовой и Джафаровой [13].
Рис. 2. Распределение числа бактерий (КОЕ/м3) в воздухе по градиенту загрязнения выбросами комбината «Печенганикель».
Загрязненные участки в зоне воздействия КАЗ
В зоне воздействия газовоздушных выбросов КАЗ численность микробиоты в воздухе определяли в июне и сентябре. Количество бактерий в зоне максимального загрязнения выше, чем над удаленными участками, и достигает 300-400 КОЕ в 1 м3 (табл. 6).
Таблица 6
Численность бактерий в воздухе (КОЕ/м3) по градиенту загрязнения выбросами КАЗ
Расстояние от источника загрязнения, км Температура воздуха (июнь/сентябрь), оС КОЕ/м3
июнь сентябрь среднее
0.5 14.4/10.2 308±50 425±93 367±71
2 13.4/9.8 67±30 101±10 84±20
5 14.5/9.8 43±17 36±14 39±15
10 14.6/10.4 29±14 51±13 40±14
20 15.4/10.2 36±4 33±8 35±6
50 12.4/9.2 41±10 7±6 24±8
По мере удаления от завода число бактерий в воздухе уменьшилось на порядок (30-50 КОЕ в 1 м3). Несмотря на снижение температуры в сентябре, численность бактерий в воздухе
на ближних к заводу участках не снизилась и даже превосходила их число в летний период. Возможно, существенное влияние на число бактерий в приземных слоях воздуха оказали участившиеся в осенний период порывы ветра и занос бактерий с эродированных урбанизированных территорий.
Таким образом, получены новые сведения о численности бактериального аэропланктона приземных слоев воздуха в высоких широтах в природных и техногенных условиях. В воздухе чистых регионов, как в тундре, так и в тайге, среди бактериальной биоты доминируют Гр+ бактерии (отдел Fermicutes). Выявлено бактериальное загрязнение воздуха (100-600 КОЕ в 1 м3) вблизи промышленных предприятий (до 3 км), чему немало способствует почва этих территорий, эродированная и без наземной растительности. Здесь доминировали Гр- бактерии (отдел Gracilicutes), обладающие высокой устойчивостью к неблагоприятным факторам.
Благодарности
Авторы благодарят сотрудников лаборатории экологии микроорганизмов к. б. н. М. В. Корнейкову за помощь в отборе проб воздуха и к. б. н. В. А. Мязина за сбор и обобщение климатических показателей по Мурманской обл.
ЛИТЕРАТУРА
1. Влодавец В. В. Микрофлора атмосферного воздуха // Роль микроорганизмов в круговороте газов в природе. М.: Наука, 1979. С. 50-65. 2. Микроскопические грибы в воздушной среде Санкт-Петербурга / Е. В. Богомолова [и др.] под ред. М. А. Бондарцевой. СПб.: Химиздат, 2012. 215 с. 3. Колосова Е. Д., Mарфенина О. Е. Грибные споры в приземных слоях воздуха (сезонная и суточная динамика, размерный состав, влияние метеофакторов) на примере ЮЗАО г. Москвы // Современная микология в России: материалы III Международного микологического форума (Москва, 14-15 апреля 2015 г.) / под ред. Ю. Т. Дьякова, Ю. В. Сергеева. М.: Нац. акад. Микол., 2015. Т. 4. С. 196-198. 4. Иванова А. M., Кирцидели И. Ю. Микромицеты в воздушном бассейне Санкт-Петербурга // Новости систематики низших растений. 2005. Т. 39. С. 124-128. 5. Mарфенина О. Е., Mакарова Н. В., Иванова А. Е. Оппортунистические грибы в почвах и приземных слоях воздуха мегаполиса (на примере района Тушино г. Москвы) // Микология и фитопатология. 2011. Т. 45, вып. 5. С. 397-407. 6. Абросимова О. В., Гудкова M. А. Оценка численности микроорганизмов в приземном слое воздуха и снеговом покрове промышленных районов г. Саратова // Экологические проблемы промышленных городов: сб. науч. тр. Саратов, 2009. С. 3-5. 7. Diurnal distribution of airborne bacteria and fungi in the atmosphere of Helwan area, Egypt / A. A. Abdul Hameed [et al.] // Sci. Total Environ. 2009. 407 (24). P. 6217-6222. 8. Микроорганизмы воздушной среды обитания по градиенту загрязнения от комбината «Печенганикель» к заповеднику «ПАСВИК» / Г. А. Евдокимова [и др.] // Вестник Кольского научного центра РАН. 2012. № 3(10). С. 22-25. 9. Кузнецова А. В., Владимцева И. В. Микробиологический мониторинг атмосферного воздуха // Вестник ВолГУ. Волгоград, 2011. № 2. С. 267-270. 10. Яковлев Б. А. Климат Мурманской области. Мурманск: Книжное изд-во, 1961. 183 с. 11. Корнейкова M. В., Лебедева Е. В. Микобиота приземного воздуха различных природных зон в Кольской Арктике // Микология и фитопатология. 12. Бузолева Л. С., Кривошеева А. M. Влияние тяжелых металлов на размножение патогенных грибов // Успехи современного естествознания. 2013. № 7. С. 30-33. 13. Ахмедова Ф. Р., Джафарова У. Д. Изучение распространения пигментообразующих бактерий в различных субстратах // Актуальные проблемы гуманитарных и естественных наук. 2012. Вып. 12. С. 26-29.
Сведения об авторах
Евдокимова Галина Андреевна — доктор биологических наук, профессор, заместитель директора по научной работе Института проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН, заведующий лабораторией экологии микроорганизмов E-mail: galina@ inep.ksc.ru
Мозгова Наталья Петровна — старший научный сотрудник Института проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН E-mail: [email protected]
Author Affiliation
Galina A. Evdokimova — Dr. Sci. (Biol.), Professor, Vice Director on Science of the Institute of the Industrial Ecology Problems of the North, Kola Science Center RAS, Head of Laboratory on Microorganisms Ecology E-mail: galina@ inep.ksc.ru
Natalya P. Mozgova — Senior Researcher of the Institute of North Industrial Ecology Problems of the KSC of the RAS
E-mail: [email protected].
Бактериальный аэропланктон приземного слоя воздуха... Библиографическое описание статьи
Евдокимова, Г. А. Бактериальный аэропланктон приземного слоя воздуха различных природных и промышленных зон в Кольской Арктике / Г. А. Евдокимова, Н. П. Мозгова // Вестник Кольского научного центра РАН. — 2016. — № 3 (26). — С. 96-104.
Reference
Evdokimova Galina A., Mozgova Natalya P. Bacterial Aeroplankton in the Surface Layers Air from Different Natural and Industrial Zones of the Kola Arctic. Herald of the Kola Science Centre of the RAS, 2016, vol. 3 (26), pp. 96-104. (In Russ.).
