CC BY
15
Б I Я Л А Г I Ч Н Ы Я Н А В У К I
УДК 57.083.1:431.427.2 (476.2-37 Хойники)
И. И. Концевая1, А. Н. Никитин2, Е. А. Танкевич3, Ю. С. Сидорейко4
кандидат биологических наук, доцент, доцент кафедры ботаники и физиологии растений, УО «Гомельский государственный университет им. Франциска Скорины», г. Гомель, Республика Беларусь
2Кандидат сельскохозяйственных наук, заведующий лабораторией радиоэкологии, ГНУ «Институт радиобиологии НАН Беларуси», г. Гомель, Республика Беларусь
3Младший научный сотрудник, аспирант лаборатории радиоэкологии, ГНУ «Институт радиобиологии НАН Беларуси», г. Гомель, Республика Беларусь Научный руководитель: Концевая Ирина Ильинична, кандидат биологических наук, доцент 4Магистрант кафедры ботаники и физиологии растений, УО «Гомельский государственный
университет им. Франциска Скорины», г. Гомель, Республика Беларусь Научный руководитель: Концевая Ирина Ильинична, кандидат биологических наук, доцент
МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИЙ СТАТУС ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ В ЗОНЕ ОТЧУЖДЕНИЯ ЧЕРНОБЫЛЬСКОЙ АЭС
В работе исследуется численность основных физиологических групп микроорганизмов в составе дерново-подзолистой почвы зоны отчуждения Чернобыльской АЭС.
Ключевые слова: почвенные ассоциации микроорганизмов, радиоактивное загрязнение, зона отчуждения Чернобыльской АЭС.
Введение
В связи с аварией на Чернобыльской атомной электростанции (ЧАЭС) в окружающую среду поступило большое количество радиоактивных веществ, что вызвало загрязнение сельскохозяйственных площадей и естественных экосистем на территории Беларуси техногенными радионуклидами. Почва является основным компонентом экосистем, аккумулирующим в себе радиоактивные изотопы, выброшенные в окружающую среду. Для периода отдаленных последствий ядерных аварий наиболее высокие дозы внешнего облучения формируются для живых организмов, обитающих в почвенной среде.
Почва является средой обитания большого разнообразия микроорганизмов. Количественный и качественный состав микрофлоры различных почв значительно колеблется в зависимости от химического состава почвы, ее физических свойств, реакции, влагоемкости, степени аэрации. Существенно влияют также климатические условия, время года, способы сельскохозяйственной обработки, характер растительного покрова и многие другие факторы [1].
Микрофлора играет важную роль в преобразовании физико-химического состояния радионуклидов в почве. В зависимости от типа почвы, а, соответственно, и населяющего его микробоценоза, эти процессы могут как ускоряться, так и тормозиться. Данный вопрос требует комплексного подхода, с организацией долгосрочного мониторинга. Определенные данные в этом направлении получены к настоящему времени. В частности, изучен качественный и количественный состав бактерий в различных экосистемах зоны отчуждении ЧАЭС. Было установлено, что селективный стресс длительного воздействия ионизирующих излучений на почвенные бактерии в зоне ЧАЭС привел к изменению качественного и количественного состава микроорганизмов, обитающих в почве [2].
Цель работы: выявить количественное участие основных физиологических групп почвенных микроорганизмов в зоне отчуждения Чернобыльской АЭС.
Методы и методология исследования
Объектом исследования является загрязненная радионуклидами дерново-подзолистая супесчаная почва. Отбор почвенных образцов проводили в июле 2018 г. согласно стандартным методикам [3] на двух площадках Полесского государственного радиационного экологического заповедника (вблизи населенного пункта Масаны Гомельской области, Беларусь), отличающихся по плотности загрязнения. Географические координаты и радиационная характеристика пробных участков представлены в таблице 1.
© Концевая И. И., Никитин А. Н., Танкевич Е. А., Сидорейко Ю. С., 2021
Методы исследования: чашечный метод Коха, агрохимические методы, у-спектрометрия, статистический анализ.
Таблица 1. - Географические координаты и радиационная характеристика пробных участков
Номер образца почвы (шифр пробной площади) Координаты МЭД, мкЗвч-1
широта долгота на поверхности на расстоянии 1 м от поверхности
I (М-1) 51°31'02,4" 30°01'10,3" 10,70 ± 1,07 6,50 ± 0,78
II (М-4) 51°30'47,5'' 30°01'10,3" 1,90 ± 0,29 1,30 ± 0,20
Анализ метеорологических условий вегетационного периода с апреля по июль показал, что среднемесячная температура воздуха оказалась выше средней многолетней, а количество осадков было несколько ниже среднего многолетнего [4]. Таким образом, складывающиеся метеорологические условия исследуемого этапа вегетационного периода не являлись оптимальными для микробного сообщества почвы.
Фитоценоз пробной площади М-1 (рисунок 1, а) - залежь с пустошным типом сообщества. Кроме травянистой растительности ксерофитного типа, имеет единично стоящие деревья сосны 15-20-летнего возраста, около 300 шт/га, и небольшое количество деревьев березы. Растительный покров представлен следующими видами: Calamagrostis epigejos (L.) Roth, Oenothera biennis L., Corynephorus canescens L., Sedum acre L., Verbascum Thapsus L., Achillea millefolium L. Почва дерново-подзолистая, супесчаная, пахотная. Пустошный тип сообщества залежи обусловлен значительной глубиной залегания грунтовых вод, низким содержанием органического вещества в почве (мощность гумусового слоя не более 5 см). Средняя продуктивность надземной фитомассы нижних ярусов не превышает 0,3 кг/м2. Проективное покрытие растительности составляет 75-80 %, задернение - 3-5 %.
Рисунок 1. — Общий вид пробных площадей: а — М-1, б — М-4
Пробная площадь М-4 - сосняк мшистый разнотравный (рисунок 1, б), древостой составляет сосна обыкновенная высотой 25 м, возраст - 120 лет. В подростово-подлесочном ярусе встречается Quercus robur L., Pinus sylvestris L., Betula pendula Roth. Проективное покрытие живого напочвенного покрова составляет 80 % площади пробного участка. Напочвенный покров представлен следующими видами: Pleurozium schreberi (Willd ex Brid) Mitt, Dicranum scoparium Hedw., Vaccinium myrtillus L., Lichenes.
Как известно, дерново-подзолистые почвы характеризуются невысоким плодородием, небольшим слоем перегнойного горизонта (10-20 см), низким содержанием гумуса (0,5-2,5 %), кислой реакцией почвенного раствора (рН менее 5), низким содержанием доступных для растений питательных элементов [5]. Агрохимические показатели почв исследуемых участков представлены в таблице 2.
Таблица 2. - Агрохимические показатели почв
Агрохимические показатели почвы, единицы измерения Номер участка
I II
рН (в KCl), ед. 4,28 3,55
Са (обм), ммоль/100 г 1,13 0,41
Са (обм), млн 1 (мг/кг) 225 81
Продолжение таблицы 2
Мя (обм, подв.), ммоль/100 г 0,53 0,31
Мg (обм, подв.), млн 1 (мг/кг) 106,5 62,6
Р2О5 (подв), млн 1 (мг/кг) 160 46
Органическое в-во (гумус), % 2,09 3,09
8, сумма поглощённых оснований, ммоль/100 г 2,0 0,6
Нг, гидролитическая кислотность, ммоль/100 г 2,5 5,1
Т, ёмкость поглощения, ммоль/100 г 4,50 5,70
V, степень насыщенности почв основаниями, % 44,4 10,5
Как видно из таблицы 2, по степени кислотности исследуемые почвы относятся к сильнокислым (рН в KCl равна 3,55-4,28). Необходимо отметить, что почвенная кислотность неблагоприятна для развития растений и микроорганизмов, плодородия почвы, что обусловлено недостатком кальция, изменением доступности для растений элементов питания, ухудшением физических свойств [5]. Образцы почвы из обоих участков по содержанию обменного кальция и обменного магния относятся к группе с низким и очень низким содержанием, соответственно. У обоих образцов почвы - низкое содержание гумуса. Почва участка I имеет среднее содержание подвижных форм фосфора (160 мг/кг), а участка II - низкое (46 мг/кг). По сумме поглощенных оснований оба образца почвы характеризуются очень низким уровнем (0,6-2,0 ммоль/100 г). Это сказывается на относительно низкой скорости всасывания воды, прочности структуры почв и некоторых других показателях. Измерение амбиента экспозиционной дозы в месте отбора образцов выполняли с помощью дозиметра МКС-АТ1125. В отобранных образцах почвы определяли содержание изотопов 137Cs и 241Am методом гамма-спектрометрии с использованием детектора из высокочистого германия с расширенным энергетическим диапазоном в составе у-спектрометрического комплекса Canberra. Обработку результатов измерений выполняли в программном пакете Genie 2000. Агрохимические показатели анализа почвенного субстрата осуществляли по ГОСТам. Микробиологическую индикацию почвы выполняли согласно общепринятым в почвенной микробиологии методам [3], [6]. Использовали чашечный метод Коха, с помощью которого определяли численность аммонифицирующих, амилолитических, олигонитрофильных, олигокарбофильных, автохтонных микроорганизмов на селективных питательных средах: мясо-пептонном (МПА), крахмало-аммиачном (КАА), среда Эшби, голодном (ГА), нитритном (НА) агарах, соответственно. Все посевы проводили в трехкратной повторности. Численность микроорганизмов определяли в колониеобразующих единицах (КОЕ), пересчитывали на 1 г абсолютно сухой почвы. Расчет эколого-физиологических индексов и коэффициентов выполняли по [7]. Полученные данные обработаны статистически с использованием пакета прикладного программного обеспечения «Statsoft (USA) Statistica v.7.0» [8]. Для оценки измеряемых показателей использовали среднюю арифметическую и доверительный интервал при уровне значимости 95 %.
Результаты исследования и их обсуждение
Исследуемые образцы почвы характеризуются различной удельной активностью изотопов 137Cs и 241Am (рисунок 2). Как видно из представленных данных, наибольшая удельная активность почвы по 137Cs и 241Am приходилась на пробный участок II, соответственно, 31 850,0 и 400,2 Бк/кг. В то же время содержание данных изотопов на пробной площадке I было ниже в 2-4 раза, которая характеризовалась удельной активностью почвы по 137Cs - 7 657,8 Бк/кг и по 241Am - 201,3 Бк/кг.
I II
образцы почвы
I-1 Ауд.(& -137), Бк/кг —О— Ауд.(Ат-241), Бк/кг
Рисунок 2. — Содержание 137Cs и 241Am в почвенных образцах
Анализ численности основных физиологических групп микроорганизмов (рисунок 3) показал, что почва участка II содержит в 3-17 раз меньшее количество микроорганизмов по всем исследуемым группам по сравнению с участком I. Однако тенденция снижения численности микроорганизмов по физиологическим группам одинаковая. В почве исследованных участков наибольшая численность характерна для целлюлозоразрушающих аэробных бактерий, далее в ряду по мере уменьшения представлены группы: олигонитрофильные, олигокарбофильные, аммонифицирующие, амилолитические, фосфатмобилизующие, споровые аммонификаторы, микромицеты. Если предположить, что выявленные различия в составе физиологических групп почвенных микроорганизмов обусловлены в первую очередь различными уровнями загрязнения радионуклидами, то наиболее чувствительными к ионизирующему излучению являются микроскопические грибы. Отмечена наименьшая численность КОЕ грибных зачатков почвы. При этом в почвенном образце II плесневых грибов насчитывали в 60 раз меньше, чем в образце I. Несомненно влияние большей плотности загрязнения (рисунок 2) на бактерии и, в первую очередь, на эукариотические микроорганизмы. Аналогичные данные получены в исследованиях [9; 10]. При этом установлено, что численность микроорганизмов не зависит напрямую от уровня радиоактивного загрязнения почвы, хотя негативные последствия на микробоценоз отмечаются.
Группы микроорганизмов: 1 — аммонифицирующие, 2 — амилолитические, 3 — олигонитрофильные, 4 — микромицеты, 5 — фосфатмобилизующие, 6 — споровые аммонификаторы, 7 — автохтонные, олиготрофы, 8 — целлюлозоразрушающие аэробные, 9 — олигокарбофильные; I, II — номер участка
Рисунок 3. — Численность основных физиологических групп почвенных микроорганизмов
Следует отметить высокую численность целлюлозолитической группы микроорганизмов для почвенного образца I - 34,1 млн. КОЕ/г почвы, из них 4,4 % представлены микромицетами. Следует упомянуть, что эта почва была взята в фитоценозе, который представляет залежь с пустошным типом сообщества, где из-за большого поступления растительных остатков процессы разложения целлюлозы должны проходить интенсивно. Для установления особенностей взаимоотношений отдельных групп микроорганизмов, участвующих в общем процессе разложения органического вещества почвы, был произведен расчет эколого-трофических индексов и коэффициентов почвы (рисунок 4).
Сравнение данных параметров выявило более низкие их значения для образца почвы II по сравнению с образцом почвы I. Тем не менее, в обоих образцах преобладают, согласно установленным значениям коэффициента минерализации и иммобилизации Мишустина, процессы минерализации, что и было ожидаемо для июля месяца, когда производили отбор образцов почвы. Значения коэффициента педотрофности указывают, что фитоценоз I более приближен к естественным ценозам изучаемой почвенно-климатической зоны по сравнению с фитоценозом II. Индекс олиготрофности показывает почти одинаковую активность олиготрофной экологической ниши обоих образцов почвы (значения равны 1,21 и 1,36). Однако более глубокий анализ по изменению численности экологических групп олиготрофной части микробоценоза почвы свидетельствует, что участок I характеризуется более высокой интенсивностью деструкции органического вещества почвы промежуточной степени разложенности, деструкцией азотистых компонентов гуминовых и фульвокислот гумуса, более глубоким процессом минерализации органического вещества почвы и началом его гумификации.
1,6 1,4 1,2 1
0,8 0,6 0,4 0,2 0
1,36
1,21
0,93
0,84
0,41
0,16
1
□ I
□ II
коэффициент минерализации
коэффициент педотрофности
индекс олиготрофности
Рисунок 4. — Эколого-трофические индексы органического вещества почвы
Полученные значения численности микроорганизмов физиологических групп микробного сообщества почвы, определенные методом посева, были оценены согласно шкале ориентировочной обогащенности почвы микроорганизмами. Установлено, что образец почвы I соответствует средней степени насыщенности почвы микроорганизмами, участвующими в переработке различного органического вещества почвы, а образец почвы II характеризуется очень бедной степенью обогащенности микроорганизмами.
Заключение
Установлено, что численность микроорганизмов в почве экосистемы, отличающейся более высоким уровнем загрязнения техногенными радионуклидами, ниже в 3-17 раз по всем исследованным физиологическим группам по сравнению с аналогичной по характеристикам почвой, имеющей в 2-4 раза более низкую удельную активность 137С8 и 241Лш. Снижение численности микроорганизмов по всем физиологическим группам имеет однонаправленный тренд. В исследованных образцах почв наибольшая численность характерна для целлюлозоразрушающих аэробных бактерий, далее в ряду по мере уменьшения представлены группы: олигонитрофильные, олигокарбофильные, аммонифицирующие, амилолитические, фосфатмобилизующие, споровые аммонификаторы, микромицеты.
Наиболее высокую чувствительность к действию ионизирующего излучения продемонстрировали микроскопические грибы. В почвенных образцах участка с более высоким уровнем загрязнения количество плесневых грибов было в 60 раз меньше по сравнению с менее загрязненной техногенными радионуклидами почве. Несомненно, влияние более высокого уровня загрязнения радионуклидами на бактерии и, в первую очередь, на эукариотические микроорганизмы. При этом установлено, что численность микроорганизмов не зависит напрямую от уровня загрязнения почвы техногенными радионуклидами, хотя негативные последствия на микробоценоз отмечаются. Полученные результаты свидетельствуют о сукцессионных различиях в микробиологических процессах исследуемых фитоценозов. Установлено, что экосистема участка II с более неблагоприятными агрохимическими показателями почвенного субстрата и более высоким содержанием радионуклидов в почве характеризуется сниженной численностью представителей зимогенной, олиготрофной, автохтонной микробных ниш по сравнению с экосистемой участка I. Наиболее чувствительными к ионизирующему излучению являются эукариотические микроорганизмы - микромицеты.
СПИСОК ОСНОВНЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Мишустин, Е. Н. Микроорганизмы и продуктивность земледелия / Е. Н. Мишустин. -М. : Агропромиздат, 1972. - 342 с.
2. Экологические последствия радиоактивного загрязнения для почвенных бактерий в 10-км зоне ЧАЭС / В. А. Романовская [и др.] // Микробиология. - 1998. - Т. 67. - № 2. - С. 274-280.
3. Основные микробиологические и биохимические методы исследования почв / под ред. Ю. М. Возняковской. - Л. : ВНИИСХМ, 1987. - 47 с.
4. История погоды 2014-2020 гг. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://weatherarchive.ru/Pogoda/Khoyniki. - Дата доступа: 15.06.2020.
5. Марчик, Т. П. Почвоведение с основами растениеводства : учеб. пособие / Т. П. Марчик, А. Л. Ефремов. - Гродно : ГрГУ, 2006. - 248 с.
6. Теппер, Е. З. Практикум по микробиологии / Е. З. Теппер, В. К. Шильникова, Г. И. Переверзева. - 3-е изд., перераб. и доп. - М. : Агропромиздат, 1987. - 239 с.
7. Титова, В. И. Методы оценки функционирования микробоценоза почвы, участвующего в трансформации органического вещества : науч.-метод. пособие / В. И. Титова, А. В. Козлов. -Н. Новгород : Нижегород с.-х. акад., 2012. - 192 с.
8. Доспехов, Б. А. Практикум по земледелию : учеб. для ун-тов / Б. А. Доспехов, И. П. Васильев, А. М. Туликов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Агропромиздат, 1987. - 58 с.
9. Панахова, А. А. Влияние гамма-излучения на микробиологические свойства почвы (на примере серо-бурой почвы Абшерона) / А. А. Панахова // Baki universitetinin xsbsrbri: Tsbbt elmbri seriyasi. - 2009. - № 4. - С. 92-96.
10. Чувствительность к стрессовым факторам почвенных бактерий, изолированных из зоны отчуждения Чернобыльской АЭС / В. А. Романовская [и др.] // Микробиология. - 1999. - Т. 68. -№ 4. - С. 534-539.
Поступила в редакцию 06.10.2020
E-mail: [email protected]; [email protected]; sus2015 @tut.by
I. I. Kantsavaya, A. N. Nikitin, E. A. Tankevich, Yu. S. Sidareika
MICROBIOLOGICAL STATUS OF TURF-SINGLED SOIL IN THE EXCLUSION ZONE
OF THE CHERNOBYL NPP
The quantitative analysis of main physiological groups of soil microorganisms in sod-podzolic soils from exclusion zone of the Chernobyl NPP is presented in the article.
Keywords: associations of soil microorganism, radioactive contamination, exclusion zone of Chernobyl NPP.
