CC BY
15
МИКРОБНО-РАСТИТЕЛЬНЫЕ СООБЩЕСТВА В ТЕХНОГЕННЫХ ГРУНТАХ
РОССЫПНОЙ ЗОЛОТОДОБЫЧИ
Л.М. Павлова, канд. биол. наук, вед. науч. сотр. Л.П. Шумилова, канд. биол. наук, ст. науч. сотр. Институт геологии и природопользования ДВО РАН (Россия, г. Благовещенск)
DOI:10.24412/2500-1000-2021-12-3-7-13
Аннотация. В статье приведены результаты количественного и качественного анализа микробного сообщества техногенных грунтов с отвалов россыпной золотодобычи и ризосферных субстратов произрастающих на них пионерных растений. Изученные пионерные растения, за исключением тополя, характеризуются «ризосферным эффектом» с доминированием физиологической группы бактерий, утилизирующих минеральный азот. Специфичность ризосферных микробных сообществ, обусловленная селективным воздействием корневых выделений растений, в свою очередь способствует заселению техногенных субстратов пионерными растениями в неблагоприятных условиях среды произрастания.
Ключевые слова: микроорганизмы, трофические (физиологические) группы, техногенные грунты, ризосфера, золотодобыча.
Состав и стабильность биотического сообщества любой экосистемы регулируются трофическими и метаболическими связями между его членами, среди которых микроорганизмы являются основным компонентом. Разделить трофические и метаболические типы связи в сообществе почвенных микроорганизмов невозможно, поэтому микроорганизмы разных таксономических групп, но осуществляющие общую физиологическую функцию в цепи превращений веществ, объединяют в одну физиологическую (трофическую) группу. Численность и состав микробного почвенного сообщества, биохимическая активность отдельных трофических групп меняются при различных техногенных воздействиях, вследствие чего реакции микробных популяций относят к числу наиболее чувствительных тестов состояния элементов окружающей среды.
В формирующихся посттехногенных субстратах первичную стадию минерализации поступающего свежего органического вещества в виде растительных и животных остатков в первую очередь активно осуществляют сапротрофные аммонифицирующие бактерии и микроскопические грибы. При этом слабая обеспеченность субстрата органическими компонентами
обуславливает развитие олигонитрофиль-ных микроорганизмов (олигоазотрофов), которые используют элементы питания из «рассеянного» состояния, обогащая тем самым бедные субстраты и выполняя функции свободноживущих азотфиксато-ров. Амилолитические бактерии и актино-мицеты, обладающие активным комплексом протеолитических ферментов, разлагают сложные углеводы (крахмал), а для построения собственных клеток используют минеральные формы азота. Доминирование этой группы микроорганизмов свидетельствует об интенсивно протекающих процессах минерализации.
Негативное воздействие отходов горного производства на окружающую среду в северных районах Дальнего Востока достигло уровня, превышающего восстановительные силы природы [1]. Открытые горные работы на россыпных месторождениях золота сопровождаются процессами перемещения, переотложения и перемыва водой огромных масс рыхлых отложений, что приводит к сплошному уничтожению растительного и почвенного покрова. После вскрытия продуктивного почвенного горизонта остаются довольно обширные поля перемытого валун-гравийно-галечникового материала, на которых
естественное восстановление почвенно-растительного покрова идет очень медленно. По внешнему виду они представляют собой серию конусовидных образований высотой до десяти метров и протяженностью до нескольких километров, по строению, минеральному и химическому составу в корне отличающихся от природных форм рельефа. В первые десять лет после завершения добычи россыпного золота возобновление почвенно-растительного покрова на всех элементах техногенного рельефа происходит крайне медленно. Первичные процессы заселения техногенного грунта пионерной растительностью начинаются по лесному типу, главным образом, за счёт древесных видов растений, присутствующих в окружающих ценозах; инициируются процессы микробиологической минерализации и трансформации поступающего растительного и животного опада определенными физиологическими группами микроорганизмов. Поэтому для регионов, в которых горнодобывающая отрасль имеет длительную историю развития, необходимость поиска экономически оправданных способов восстановления биологической продуктивности нарушенных территорий особенно актуальна.
Традиционные рекультивационные технологии заключаются в технической подготовке нарушенных земель и последующей фиторемедиации. Положительный эффект от фиторемедиации основан на взаимодействии и совместном развитии корневой системы растений и микробного сообщества грунтов, поскольку основные процессы почвообразования связаны непосредственно с деятельностью микроорганизмов. В почвах северных мерзлотных районов микробные комплексы априори функционируют в экстремальных условиях.
Фундаментальной основой для понимания процессов восстановления техноген-но-нарушенных экосистем является изучение не только механизмов функциональных взаимоотношений в системе «почва-микроорганизмы-растение», но и исследование структуры нативного микробного комплекса. Корневые экссудаты растений способствуют колонизации корневых во-
лосков определенными (специфическими?) физиологическими группами бактерий и микроскопических грибов, развивая симбиотрофный принцип взаимодействия в ризосферной зоне. При этом ризосфер-ные микроорганизмы быстро реагируют на изменения внешних условий и защищают растение от стрессовых воздействий. Количественных и качественных данных о ризосферной микрофлоре пионерных растений в отвалах россыпной золотодобычи в литературе практически нет. Поэтому были изучены особенности микробно-растительного сообщества техногенных грунтов россыпной золотодобычи на примере 7-10-летних гале-эфельных отвалов Яснополянской россыпи (Дамбукинский золотоносный узел, Амурская область).
Материалы и методы. Отбор проб почвы и грунта осуществляли из верхнего 10 см горизонта с соблюдением правил асептики. Среднюю пробу получали смешиванием пяти проб, отобранных по «принципу конверта» [2] с площади 100 м2. Основные эколого-трофические (физиологические) группы микроорганизмов учитывали на разных агаризованных средах, выделяя культивируемые виды методом серийных разведений в 10-кратной повторности для каждого образца [3, 4, 5]. Для учета численности сапротрофных ам-монификаторов использовали мясо-пептонный агар (МПА), для использующих минеральные соединения азота (ами-лолитических бактерий и актиномицетов) - крахмало-аммиачный агар (КАА); учет олигоазотрофов (олигонитрофильных бактерий) проводили на среде Эшби; почвенные микромицеты выделяли со среды Чапека; численность выражали в колоние-образующих единицах (КОЕ) на 1 г абсолютно-сухой почвы.
Ризосферную микрофлору пионерных растений - сосны обыкновенной (Pinus sylvestris L.), лиственницы Гмелина (Larix gmelinii Rupr.), берёзы даурской (Betula davurica Pall.), чозении земляничниколист-ной (Chosenia arbutifolia Pall.), ивы Шве-рина (Salix schwerinii Wolf.), тополя душистого (Populus suaveolens Fish.), полыни цельнолистной (Artemisia integrifolia L.), подорожника прижатого (Plantago depressa
исследовали аналогичными методами.
Об интенсивности и направленности минерализационных процессов судили по коэффициенту минерализации (Кмин = КАА/МПА). В техногенно измененных грунтах высокий коэффициент минерализации свидетельствует о естественной способности субстрата к самоочищению и самовосстановлению за счет деятельности почвенной микробиоты.
Результаты исследований. Исследованные отвалы россыпной золотодобычи в разрезе представляют слабостратифициро-ванный грунт с преобладанием промытой крупной гальки и гравия и содержанием мелкозёма до 10-30%. Под растительностью до глубины 10-15 см просматривается корнеобитаемый слой, морфологически мало отличающийся от нижележащих горизонтов. По физико-химическим показателям мелкозём грунтов характеризуется минимальным содержанием гумуса (0,34%) и азота (0,019%), высокой обеспеченностью обменными формами калия (155-190 мг/кг), значительным количеством общего фосфора (340-380 мг/кг) и очень низким - подвижного (27-42 мг/кг), что свидетельствует о низком потенциальном плодородии техногенных грунтов.
Микробные сообщества грунтов. Техногенные грунты отвалов характеризуются низкой численностью микробного пула по сравнению с природными буро-таёжными почвами, характерными для этой природно-климатической зоны (табл.). В грунтах наблюдается некоторое количественное доминирование олигоазотрофов и амило-литических бактерий и очень низкая численность грибных зачатков, что свидетельствует об интенсивно протекающих процессах минерализации того незначи-
тельного объема свежей органики, которое в них привносится. Тем не менее, по сравнению с фоновыми почвами в техногенных грунтах эти показатели ниже на 1 -2 порядка (табл.). Незначительное количество микроскопических грибов в корневой зоне растений и в исследуемом грунте коррелирует с низким содержанием органических веществ, причём в ризоплане подорожника и тополя, а также в корневой зоне ивы, микроскопические грибы практически отсутствовали.
Буро-таёжные почвы характеризуются высоким содержанием не только амилоли-тических и олигонитрофильных бактерий, но и органолитических (сапротрофных бактерий и микроскопических грибов), вероятно, благодаря наличию дернового горизонта и обилию органической массы (11-28%) на глубине корнеобитаемого слоя (до 20 см). Таким образом, согласно критериям степени обогащенности почв микрофлорой [5], исследуемые грунты характеризуются как крайне бедные микроорганизмами.
Основным фактором, лимитирующим развитие органолитиков является недостаток питательных веществ в почве. В этих условиях существенную роль в процессах почвообразования играют олигонитрофи-лы и бактерии, использующие минеральные формы азота (амилолитики). Эти группы бактерий способны переносить длительные периоды голодания, используя как свою эндогенную систему метаболизма, так и труднодоступные для других микроорганизмов субстраты. Кроме того, повышение олиготрофности при низкой продуктивности почв может свидетельствовать о значительном влиянии тяжелых металлов на почвенную микробиоту.
Таблица. Количество эколого-трофических (физиологических) групп микроорганизмов в грунтах Яснополянской россыпи, КОЕ x 105/г_
Источник Кмин Коэффициенты «ризосферного эффекта» Эколого-трофические (физиологические) группы микроорганизмов, КОЕ х 105/г
для 1 для 2 1 2 3 4
Сосна обыкновенная
Рс 1.7 2.5 2.6 1,8+0,03 2,9+0,02 2,1+0,03 0,18+0,005
Рп 1.3 1,3+0,03 1,8+0,02 2,5+0,02 0,08+0,004
Лиственница Гмелина
Рс 1.2 1.5 1.4 1,6+0,04 2,0+0,03 0,99+0,003 0,1+0,002
Рп 1.6 0,3+0,02 0,5+0,02 0,6.0+0,01 0,07+0, 002
Береза даурская Рс 1.4 1.4 1.3 1,5+0,01 2,1+0,001 1,4+0,002 0,02+0,001
Рп 0.7 0,3+0,002 0,2+0,003 0,3+0,009 0,01+0,002
Чозения
Рс 2.0 1.2 1.7 1,3+0,03 2,6+0,02 2,2+0,02 0,02+0,002
Рп 1.7 0,2+0,01 0,3+0,01 1,2+0,01 0,01+0,001
Ива Шверина Рс 1.4 1.4 1.3 1,5+0,003 2,1+0,03 1,4+0,02 0
Рп 0.7 0,2+0,01 0,2+0,006 0,3+0,001 0
Тополь душистый Рс 0.6 0,5+0,01 0,3+0,02 0,1+0,009 0,02+0,001
Рп 0.5 0,1+0,01 0,06+0,001 0,07+0,001 0
Полынь цельнолистный
Рс 1.4 1.3 1.1 0,9+0,04 1,3+0,02 0,9+0,02 0,01+0,001
Рп 0.9 0,73+0,03 0,7+0,009 76.0+1.2 0,03+0,005
Подорожник прижатый Рс 1.3 1.4 1,0+0,01 1,3+0,02 2,2+0,02 0,07+0,002
Рп 0.4 0,7+0,01 0,3+0,01 0,8+0,01 0
Техногенный грунт 1.4 1,3+0,01 1,8+0,04 2,2+0,01 0,09+0,001
Буро-таёжные почвы
0-10 см (мин-макс) 1.7-1.5 6,2-46 4,6-60 40-82 0,2-11
10-20 см (мин-макс) 1.2 5-47 1-6,2 28-100 1,2-3,4
Примечание. Рп - ризоплана; Рс- ризосфера; «-» - не обнаружено. Эколого-трофические группы микроорганизмов: 1 — аммонифи-каторы; 2 — амилолитические; 3 — олигоазотрофные; 4 — микроскопические грибы
Значения Кмин > 1 свидетельствуют о преобладании в почве процессов интенсивной иммобилизации почвенного азота микроорганизмами с включением его в микробную биомассу; значения меньше единицы указывают на усиление минера-лизационных процессов. Иммобилизаци-онные процессы способствуют восстановлению естественного плодородия почвы и повышению содержания гумуса. Коэффициент минерализации грунтов составляет 1,4, что свидетельствует об активно протекающих процессах микробной иммобилизации азота.
Анализ ризосферной микрофлоры. Сравнительный анализ микробного сообщества ризосферных субстратов и грунтов также выявил значительные различия в количественном соотношении трофических групп микроорганизмов (рис.). Для
большинства пионерных растений (группа Р1 - сосна, лиственница, береза, ива, полынь) характерно преобладание в сфере роста их корней амилолитических бактерий, обогащающих субстрат азотом за счет своей биомассы. Преобладание олиго-нитрофилов характерно для фоновых почв, техногенных грунтов и ризосферы чозении и подорожника. Возможно, данное обстоятельство объясняется тем, что олиго-нитрофильные микроорганизмы получают преимущество для своего развития только при недостаточном количестве азота в субстрате, тогда как в ризосферной почве других растений, благодаря корневым экссудатам, количество легкодоступных азотсодержащих веществ достаточно для развития аммонификаторов и гидролиза органических форм азота до минеральных. По-видимому, видовые особенности корневых
выделений растений являются тем самым фактором, обуславливающим различия в количественном и качественном составах ризосферных микробных комплексов. Тем не менее, для интенсивного развития мик-
роскопических грибов этого количества органических веществ явно недостаточно, поэтому относительно остальных трофических групп пул микромицетов незначителен.
тг
PI Р2 РЗ
олигонитрофилы > аммонификаторы > мин. формы азота >
олигонитр офилы > мин. формы азота > аммонификаторы >
мин.формы азота > олигонитрофилы > шмонификаторы >
олигонитрофилы > мин.формы азота > аммонификаторы
аммонификаторы > мин.формы азота > олигонитрофилы
микромицеты ■ микромицеты • микромицеты
> микромицеты
> микромицеты
Рисунок. Сравнительные ряды количественного ранжирования физиологических групп микроорганизмов в различных субстратах экосистемы россыпной золотодобычи: БТП -буро-таёжные почвы; ТГ - техногенный грунт; Р1 - ризосферные грунты сосны, ивы, полыни; лиственницы, берёзы; Р2 - ризосферные грунты чозении, подорожника; Р3 - ризо-
сферный грунт тополя
В отличие от других древесных пород в ризосферном субстрате тополя душистого (группа Р3) общая численность микроорганизмов на порядок меньше, чем в ризосфере других растений, а среди физиологических групп наблюдается доминирование гидролитиков. Возможно, это объясняется тем, что тополь по сравнению с остальными растениями, обладая более высокой способностью к транспирации и, соответственно, большему поглощению влаги из почвы, создаёт в зоне роста корней малопригодные для функционирования микроорганизмов условия повышенной влажности. Известно, что при повышении влажности почвы до 50-60% и более (от полной влагоёмкости), наблюдается угнетение роста и развития микроорганизмов [6].
Возможно поэтому у тополя душистого не выявлен «ризосферный эффект» (индуцированное растениями увеличение численности микроорганизмов в прикорневой зоне) в отличие от остальных пионерных растений. Для аммонифицирующих и ами-лолитических бактерий показатели степени «ризосферного эффекта» приведены в таблице. По убыванию этого показателя для каждой эколого-трофической группы микроорганизмов пионерные растения составили следующие ранжированные ряды: аммонификаторы: сосна> лиственница, подорожник, береза, ива, полынь, чозения > тополь;
олигоазотрофы: сосна > чозения, подорожник > ива, береза, полынь, лиственница > тополь;
амилолитики: сосна > чозения, лиственница, ива, береза > полынь > подорожник > тополь;
микромицеты: сосна > лиственница > подорожник > полынь, береза, чозения > тополь.
В целом наиболее высокие показатели «ризосферного эффекта» характерны для сосны. По-видимому, благодаря этому факту, сосна доминирует среди остальных пионерных растений в скорости и степени заселения техногенных грунтов россыпной золотодобычи в северных районах исследуемой области.
Из прикорневой зоны древесных пионерных растений с наиболее высокими количественными и качественными параметрами микробно-растительного взаимодействия (сосны, лиственницы, березы) и техногенных грунтов отвалов месторождения россыпного золота методом активной селекции выделили 236 бактериальных штаммов. Выбор видов растений был обусловлен их доминирующим положением в пионерном растительном сообществе. Из общего количества выделенных штаммов 57 изолированы из корневой зоны сосны, 62 - из корневой зоны лиственницы, 44 -из корневой зоны берёзы и 63 штамма -непосредственно из грунтов.
На основе фенотипического и генетического анализов этих штаммов была выявлена их видовая принадлежность - 14 видов из 12 родов и трёх классов. Класс Bacilli представлен Bacillus thuringiensis, Spo-rosarcina ureae, Sporolactobacillus inulinus, Staphylococcus saprophyticus, Bacillus val-lismortis, Planococcus psychrotoleratus и Lactobacillus delbrueckii. Класс Proteobacte-ria (грамотрицательные бактерии) представлен Acinetobacter lwoffii, Paracoccus aminovorans, Serratia ficaria и Serratia mar-cescens. Класс Actinobacteria представлен Agrococcus jenensis, Kocuria rosea и Micro-coccus luteus. Наряду с бактериями, обычно широко распространенными в почвенных экосистемах (рр. Bacillus, Paracoccus, Serratia, актинобактерии), отмечены редко встречающиеся кислото- и щелочетоле-рантные формы родов Acinetobacter и Planococcus соответственно. Причём Acinetobacter lwoffii доминировал по отношению к другим видам и был выделен из всех источников. Это обусловлено вероятнее всего тем, что малопригодные для жизнедеятельности основных почвенных микроорганизмов природные субстраты являются благоприятными экологическими нишами для заселения видами, более адаптированными к экстремальным условиям обитания. Только в корневой зоне сосновых выявлены такие бактериальные виды как Bacillus thuringiensis, Micrococcus luteus, Paracoccus aminovorans, Sporolactobacillus inulinus, Sporosarcina ureae и Staph-ylococcus saprophyticus, а в корневой зоне берёзы обнаружены Agrococcus jenensis, Bacillus vallismortis, Planococcus psychrotoleratus и Serratia ficaria. Видовой состав техногенный грунтов также отличается от растительных. Только из грунтов выделены Kocuria rosea, Serratia marcescens и Lactobacillus delbrueckii.
В корневой зоне всех исследуемых растений бациллы и протеобактерии доминировали. Их количество в ризосфере сосны составило 65 и 68х103 КОЕ/г, лиственницы - 44 и 43х103 КОЕ/г, берёзы - 43 и
41х103 КОЕ/г соответственно. В грунтах доминировали грамотрицательные бактерии (52х103 КОЕ/г). Актинобактерии оказались минорными компонентами исследуемого сапротрофного комплекса прокариот, что является еще одним свидетельством специфичности местообитания для этих микроорганизмов. В корневой зоне сосны их количество составило 27х103 КОЕ/г, лиственницы - 13х103 КОЕ/г, берёзы - 6х103 КОЕ/г, в почвогрунтах -30х103 КОЕ/г.
Заключение. Таким образом, сравнительный анализ количественного содержания и качественного состава микробного сообщества техногенных грунтов и ризо-сферных субстратов пионерных растений отвалов россыпной золотодобычи выявил особенности микробно-растительных взаимодействий. Общими характерными чертами для них являются - невысокая общая численность микроорганизмов (103-105 КОЕ/г) и количественное преобладание утилизирующих минеральный азот бактерий.
В прикорневой зоне изучаемых пионерных растений (за исключением тополя) обнаружен «ризосферный эффект», имеющий наиболее высокие показатели у сосны обыкновенной для всех трофических групп микроорганизмов. Среди таксонов доминируют бациллы и протеобактерии (42 и 38% от общего числа изолятов соответственно); бактерии актиномицетной линии занимают 20% от общего числа выделенных из разных мест обитания штаммов.
Анализ полученных результатов позволяет говорить о селективном воздействии корневых выделений растений как на количественные, так и на качественные характеристики микробных комплексов прикорневой зоны пионерных растений отвалов россыпной золотодобычи. В свою очередь, специфичность структуры микробных сообществ способствует росту и развитию пионерных растений в неблагоприятных условиях окружающей среды.
Библиографический список
1. Гула К.Е., Морина О.М., Крупская Л.Т., Морин В.А. Оценка экологического состояния некоторых объектов окружающей среды в зоне влияния хвостохранилища // Системы. Методы. Технологии. - 2012. - № 3 (15). - С. 128-133.
2. Теппер Е.З., Шильникова В.К, Переверзева Г.И. Практикум по микробиологии. - М.: Агропромиздат, 1993. - 175 с.
3. Добровольская Т.Г., Скворцова И.Н., Лысак Л.В. Методы выделения и идентификации почвенных бактерий. - М.: МГУ, 1989. - 72 с.
4. Звягинцев Д.Г. Методы почвенной микробиологии и биохимии. - М.: МГУ, 1980. -233 с.
5. Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв. М.: МГУ, 1989. - 336 с.
6. Мишустин Е.Н. Микроорганизмы почвы и плодородие. - М.: АН СССР, 1956. -243 с.
FEATURES OF FORMATION MICROBIAL-PLANT COMMUNITY IN TECHNOGENIC SOILS OF GOLD MINING
L.M. Pavlova, Candidate of Biological Sciences, Leading Researcher L.P. Shiimilova, Candidate of Biological Sciences, Senior Researcher Institute of Geology & Nature Management FEB RAS (Russia, Blagoveshchensk)
Abstract. The results of a quantitative and qualitative analysis of the technogenic soils microbial community from alluvial gold mining dumps and rhizosphere substrates of pioneer plants growing on them are presents in this article. The studied pioneer plants, with the exception of poplar, are characterized by a "rhizosphere effect" with the dominance of the bacteria utilizing mineral nitrogen. The specificity of rhizosphere microbial communities, due to the selective effect of plants root exudates, in turn contributes to the colonization of technogenic substrates by pioneer plants under unfavorable growing conditions.
Keywords: microorganisms, trophic (physiological) groups, soils, technogenic soils, rhizo-sphere, gold mining.
