Влияние интенсивного антропогенного воздействия на формирование микромицетных сообществ и фитотоксичность почвы Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

УДК 631.95:631.4 О.Г. Марьина-Чермных,

Г.С. Марьин,

Н.Н. Апаева,

С.Г. Манишкин,

А.С. Петухов,

С.Г. Марьин

ВЛИЯНИЕ ИНТЕНСИВНОГО АНТРОПОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ФОРМИРОВАНИЕ МИКРОМИЦЕТНЫХ СООБЩЕСТВ И ФИТОТОКСИЧНОСТЬ ПОЧВЫ

Ключевые слова: микромицеты почвы, фитотоксичность, структура сообществ, биомасса.

Введение

Одной из важнейших задач экологомикологических исследований является представление о формировании микроми-цетного населения почвы и зависимость его от условий антропогенного воздействия. Несмотря на продолжительную историю изучения микромицетов почвы, до сих пор не сформированы общие принципы формирования почвенных микромицетных сообществ и отсутствует зональный системный признак формирования структуры при интенсивном антропогенном воздействии, на основании которого возможен прогностический фактор регуляции оптимального пути их формирования.

Имеющие в литературе сведения объясняют, что микромицеты почвы являются в экосистеме обязательным компонентом. Установлено, что они обладают мощным ферментативным аппаратом и выполняют многообразные функции в круговороте веществ, обеспечивая постоянное функционирование экосистемы в целом. Доказано, что микромицеты, активно участвуя в трансформации веществ в почве, в значительной степени влияют на ее плодородие. Для понимания функциональной роли мик-ромицетов в почве авторами изучаются их общее количество, биохимические и физиологических свойства [1], видовой состав, частота их встречаемости, плотность популяций отдельных видов, родов и физиологических групп [2]. Отмечается, что при интенсивном воздействии на почву происходят значительные изменения как в структуре, так и количественном составе микроценоза экосистемы [2].

Все факторы, влияющие на микроценоз почвы в условиях интенсивного антропогенного воздействия, можно разбить на две группы. Первая — физико-химические воздействия непосредственно через почву (в почву), вторая — воздействия, в основном химические, которые попадают на поверх-

ность почвы. Многие почвенные микроми-цетные организмы адаптированы к интенсивным антропогенным воздействиям без видимого ущерба для своей жизнедеятельности. Другие микромицеты в условиях повышенного антропогенного воздействия активно реагируют на внешние условия вплоть до перехода их одного ранга встречаемости (например, доминанта) в другой (например, редко встречаемого), и в зависимости от условий существования приобретают при этом ранг, какого раньше у него не наблюдалось.

В целом антропогенное воздействие на биологические объекты носит комплексный характер [3]. При антропогенном воздействии микромицеты переходят в различные жизненные формы, формируют своеобразные, ранее не существующие функциональные ряды и ферментообразующие единицы [2]. При этом во многих случаях возможно приобретение микромицетом новой функциональной формы, в т.ч. патогенной или токсикогенной, ко многим живым организмам от растительного до животного происхождения [4].

Цель исследования состояла в определении количественных показателей, структуры, встречаемости и токсичности почвенных микромицетов функционирующих в экосистемах с различной интенсивности антропогенного воздействия.

Объекты и методы

Исследования проводились в течение 2005-2011 гг. Почвы для исследований отбирали с земель, подвергшихся различному антропогенному воздействию. Контроль — лесной массив Азяковского лесничества, который примыкал к д. Малиновка Медве-девского района. Участок № 1 — д. Малиновка, незначительная степень воздействия (контроль удален от данного участка на

3 км). Участок № 2 — д. Покровка, низкая степень воздействия (контроль удален от данного участка на 7 км). Участок № 3 — опытное поле Марийского государственного университета (окраина п. Медведево),

средняя степень воздействия (контроль удален от данного участка на 10 км). Участок № 4 — д. Мышино, г. Йошкар-Ола, антропогенное воздействие выше среднего (контроль удален от данного участка на 15 км). Участок № 5 — парк Победы г. Йошкар-Ола, высокая степень воздействия (контроль удален от данного участка на 18 кмJ и участок № 6 — центральный парк г. Йошкар-Олы, очень высокая степень антропогенного воздействия (контроль удален от данного участка на 20 км).

Степень воздействия включает: выпас

скота; обработка почвы (вспашка зяблевая, поверхностная обработка — боронование, культивация, дискование); интенсивность обработки; урбанизированная нагрузка (численность людей, их проходы по почве; отторжение из экосистемы органической массы).

Объектом исследований были микромицеты почвы, функционирующие в слое 0-10 см. На каждом исследуемом участке были выделены по 3 делянки с площадью 4 м2 (2*2 м). Почву для анализа отбирали

4 раза за вегетационный период (в начале мае, начале июля, конец августа и в средине октября). В качестве количественных критериев оценки микромицетов почвы были выбраны общая численность микроскопических грибов, их видовой состав, встречаемость, биомасса мицелия и уровень токсичности микромицетов.

Образцы почвы (5 г) смешивали с 495 мл стерильной воды и перемешивали в течение

5 мин. на качалке (120 об/мин.). Получали образец разведения. После 30-секундной седиментации (происходило оседание только крупных частиц почвы) из полученного разведения отбирали 1 мл суспензии с высоты 1 см над осадком и производили посев. Необходимое разведение для конкретных образцов почвы подбирали экспериментально в предварительных исследованиях.

Из каждого подготовленного образца (разведения) почвы проводили посев в 10 чашек Петри. Использовали агаризиро-ванную среду Чапека. После инокуляции почвенной суспензии на питательную среду чашки Петри подсушивали при 50оС в течение 2 мин. После подсушивания проводили инкубацию в термостате ТС-80 М2. Температура инкубации 28оС. Микромицеты выделяли в чистую культуру и проводили идентификацию. Всего проанализировано за период 2005-2009 гг. в осенний срок анализа 28036 штаммов. Определение родовой принадлежности микромицетов проводили по Т.С. Кириленко (1977). Для видовой идентификации групп использовали определители А.А. Милько (1974), сумчатых гри-

бов — Т.С. Кириленко (1977), пенициллов —

Н.М. Пидопличко (1976), аспергиллов —

H.М. Пидопличко (1977), фузариев —

В.И. Билай (1977) и другие определители (Пидопличко, 1978).

Частоту встречаемости определяли как отношение количества образцов, в которых данный вид обнаружен, к общему числу исследованных образцов [11, 12]. Сходство микоценозов почвы оценивали с помощью коэффициента Джакарта [13]. Виды с высокой встречаемостью (более 60%) относили к доминантам, виды с встречаемостью 6030% — к частым, виды с низкой встречаемостью (30-10%) — к редким, но типичным и виды с низкой встречаемостью (менее 10%) — к случайным.

Общую биомассу определяли прямым микрокопированием. Для этого 1 г почвы смешивали с 2 мл 0,08%-ного раствора анилиновой сини и тщательно растирали в ступке в течение 2 мин. Полученную пасту разбавляли дистиллированной водой до 100 мл. После 5-минутного перемешивания в качалке 1 мл суспензии и 20 мл воды отфильтровывали. Препараты просматривали в световом микроскопе. Биомассу рассчитывали в килограммах на гектар, считая, что удельная плотность мицелия — 1,05, спор

I,20 (Бернат и др., 1989), а массу почвы на 1 га — 2 млн кг.

Статистическую обработку данных проводили с помощью программы «STATISTIKA». Достоверность различий обсуждалась при 5%-ном уровне значимости.

Результаты и их обсуждение

В результате изучения микромицетов дерново-подзолистой почвы при различной степени антропогенного воздействия было выделено 106 видов, которые были отнесены к 32 родам. На основании данных проведенных исследований можно отметить, что в зависимости от антропогенного воздействия изменялись численность грибов, их видовой состав, структура и их функциональные качества.

Так, на контрольном участке доминирующими микромицетами были 2 вида (M. ramanniana и P. dalese), 7 часто встречаемых, среди которых встречаемость выше 50% была у 2 видов (T. viride и C. sulfu-reum), они тяготели к доминированию, у остальных микромицетов на данном участке встречаемость колебалась в пределах чуть более 30% (табл. 1).

Из редко встречаемых видов, но типичных для этой системы (а их было 8 видов),

5 имели уровень встречаемости 25-30% и 3 — 15-18%. Остальные пять видов были случайными, их встречаемость была на уровне 1,3-9,5%. При этом следует отме-

тить, что в системе не встречаются виды микромицетов, которые могли бы стать потенциально токсинообразующими.

Сравнивая с контролем разнотравье с постоянным скашиванием (объект 1, табл. 2), можно видеть, что из 2 доминан-тов сохранился вид M. ramanniana, а другой заменился (Scopulariopsis sp.). Из часто встречаемых остался один T. viride, другие претерпели значительную перегруппировку. Не стало в этом ранге C. sulfureum и M. hiemalie. Вид P. thomii перешел из ранга редко встречаемых, а S.decumbens появилась вновь. Уменьшился на один вид ранг типичных и увеличился ранг случайных на 3 вида, среди случайных появился токсинообразующий гриб P. nigricans.

На залежи с постоянным выпасом скота (объект 2, табл. 2) в сравнении с предыдущими экосистемами изменился доминант, им стал единолично P. janthinellum. В часто встречаемые микромицеты из доминирующих видов перешел M. ramanniana, а из случайных — P. nigricans. Ранг типичных расширился до 1G видов, в него вошли большинство пенициллов, а также C. herbarum и V. terrestre. В ранг случай-

ных вошел P. thomii, который в предыдущих экосистемах был в ранге часто встречаемого, и этот ранг пополнился токсикогеном P. purpurogenu, который в ранее рассматриваемых экосистемах не встречался.

Особенность экосистемы полевого зернового севооборота, как пахотная земля с интенсивной эксплуатацией (объект 3, табл. 2), заключается в том, что в экосистеме отсутствует доминант. Экосистема характеризуется рангом «часто встречаемые микромицеты». Из этого ранга более встречаемыми были P. janthinellum (46,5),

C. fuckelli (41,8) и T. viride (40,5). Из ред-ковстречаемых, но типичных для зоны было

6 видов, среди которых A. fragrans перешел в этот ранг из ранга часто встречаемых, остальные остались те же, что и на 2-м участке. Не изменился и ранг случайные микромицеты, по сравнению с предыдущей экосистемой. Однако особенностью этой экосистемы было то, что в ней общее количество видов уменьшилось. По сравнению с вышерассматриваемыми системами в этой экосистеме видовой состав микромицетов снизился на 3 вида: Z. heterogamous, S. de-cumbens, C. fimbriatum.

Таблица 1

Встречаемость микромицетов дерново-подзолистой почвы на контроле, естественная экосистема, без антропогенного воздействия (лес, ельник-кисличник), %

Виды микромицетов Нумерация делянки исследуемого участка

1 2 3 4 среднее

Montirella ramanniana Fr 95 91 92 81 89,75

Thysanophora penicilloides Syd 61 32 51 52 49,GG

Trichoderma viride Pers 45 61 54 51 52.75

Chrysosporium sulfureum Sacc 35 42 73 72 55,5G

Mucor hiemalie Fr 41 5 55 25 31,5G

Penicillium dalese Staub 62 65 72 54 63,25

P. chrysoderma Westl 31 12 61 41 36,25

P. lanosum Westl 31 51 42 31 38,75

P. auretio-candidum Dierckh 31 31 33 22 29,25

P. thomii Staub 32 44 12 21 27,25

P. fregyentane Dale 11 5 32 13 15,25

P. roguefortane Thom 5 5 51 14 18,75

P. cycciopim Westl 5 12 5 13 35,GG

P. restrictum Thom 32 G 13 12 35,GG

P. casei Staub G 5 12 5 5,5G

P. sclerotiorum Thom G G 5 5 2,5G

P. corylophilum Bain G G 5 G 1,25

Verticillium terrestre Isaak 32 24 31 15 25,5G

Scopulariopsie sp. 21 25 41 31 29,5G

Aposphaeria sp. 15 45 33 22 28,75

Spicaria decymbene Fr 25 5 11 14 13,75

Cladosporium herbe Brune 15 22 13 12 15,5G

Aureobasidium pululans Arnaud 5 13 5 15 9,5G

Xulohypha sp. 15 G 5 15 8,75

Таблица 2

Частота встречаемости микромицетов почвы (слой 0-10 см) в зависимости от степени антропогенного воздействия, %

Виды микромицетов Нумерация исследуемых объектов

1 2 3 4 5 6

Montierella ramanniana Fr. 63,2 49,G 37,25 3G,2 6,5 G

Scopulariopsis sp. 69,7 G G G G G

Trichoderma viride Pers 55,G 45,7 4G,5G 3G,5 11,G 14,25

Spicaria decumbens 38,7 21,2 G G G G

Penicillium thomii Maire 34,2 G,7 G,7 1,2 1,G G,5

P. cyclopium Westl 37,5 38,2 2G,G G G G

P. piscarium Bain 45,5 38,2 32,G G G G

P. dalese Thom 12,7 G G G G G

P. freguentans Westl. 8,7 1G,7 13,75 2G,G 5G,7 28,5

P. jenseni Westl 8,7 G G G G G

P. rubicundum Thom 11,G G G G G G

P. paxilii Bain 18,7 1 G,2 9,2 G G G

P. rogueforti Thom 3,7 G G G G G

P. nigricans Tiegh (Bionrge) Thom 2,7 33,2 33,5 41,G 58,7 53,7

P. chrysogenum Westl 1,2 G G G G G

P. simplicissimum Thom 5,G 23,5 25,25 31,G G G

P. lanosum Westl 1,2 G G G G G

P. funiculosum Thom. G 19,2 31,75 43,2 49,2 48,5

P. janthinellum Biogre (Tiegh). G 89,G 46,5 88,7 86,7 86,G

P. martensii Biougre G 33,2 36,G 39,7 48,7 44,76

P. purpurogenum Stoll. G 1,GG 1 ,G 1 G,7 26,7 21,G

Thysanophora penicilloides Honel 42,5 G G G G G

Aposphseria sp. 33,5 G G G G G

Xylchypha sp. 3G,5 G G G G G

Chrysosporium sulfureum Sacc 12,7 G G G G G

Verticillium terrestre Isaak 19,G 19,G 2G,5 25,G 25,1 26,G

Cladosporium herbarum (Pers) Link 2G,G 2G,2 16,7 32,2 33,G 33,5

Aureobasidium pullulens (D B) Arbaud 12,5 G G G G G

Coniothirium fuckelli Sacc G 51,5 41,7 36,5 17,2 33,3

Arthrobotrys fragrans Wor. G 37,7 22,5 28,7 5G,7 48,G

Cliocladium fimbriatum Gilman. G 23,G 9 G G G

Mucogone nigra Fr. G 11,G 9,G G G G

Odiodendron tenuisimum Wor. G 15,5 6,7 G G G

Zygorhinctus heterogamous Burgett. G 35,7 G G G G

Примечание. 1 — д. Малиновка, луг, заливной, естественное разнотравье с ежегодным скашиванием — незначительная степень антропогенного воздействия. 2 — д. Покровка, залежь, разнотравье с преимуществом клевера белого (ползучего) при ежегодным выпасе мелкого рогатого скота — низкая степень антропогенного воздействия. 3 — Медведево (Опытное поле), зерновой севооборот «яровая пшеница — ячмень — вико/овес на зеленый корм — озимая рожь» — средняя степень антропогенного воздействия. 4 — г. Йошкар-Ола, д. Мышино, зерновой севооборот «яровая пшеница — ячмень — озимая рожь-ячмень — антропогенное воздействие выше среднего. 5 — г. Йошкар-Ола, парк Победы, отторжение растительных остатков, высокая нагрузка отдыхающих — высокая степень антропогенного воздействия. 6 — г. Йошкар-Ола, парк Городской парк культуры, полное отторжение растительных остатков, очень высокая нагрузка отдыхающих — очень высокая степень антропогенного воздействия.

В экосистеме, характеризующейся как пригородная и с интенсивным землепользованием (объект 4, табл. 2), в сравнении с предыдущей экосистемой, вновь появился доминант P. janthinellum. Причем его встречаемость была достаточно высокая (88,75%). Доминирование этого микроми-цета ранее отмечено на залежи при постоянной пастьбе скота (объект 2, табл. 2).

Этому способствовало интенсивное механическое воздействие на почву: в первом случае пастьба скота, во втором — тракторные воздействия. Отсутствие этого доминанта на 3-м объекте можно объяснить незначительным воздействием на почву (семенной севооборот) и наличием в севообороте вико-овса с выращиванием на зеленый корм, т.е. экосистема находится на проме-

жуточном развитии между естественными и пахотными. Группу часто встречаемых микрогрибов характеризуют такие микромице-ты, как P.nigricans, P. funiculosum и T. vi-ride, грибы отличающиеся особенностью образовывать токсинообразующие веществ. В ранг редких, но типичных грибов устойчиво встал токсикообразователь — P. purpu-rogenum ( 1 G,75%). Все это не позволяет положительно характеризовать настоящий почвенный покров. В группе случайных мик-ромицетов в этой экосистеме остался один микромицет — P. thomii и его встречаемость составила всего 1,25%, хотя его адаптивные особенности достаточно высокие. Общее количество микромицетов в этой экосистеме было 14 видов, их численность оказалась ниже, чем в предыдущей на 5 видов.

Экосистемы с высоким антропогенным воздействием имели свои особенности. Так, в системах с высоким антропогенным воздействием (табл. 2, объект 5) при общем числе микромицетов из 14 видов сохранился доминант P. janthinellum с высокой встречаемостью (86,G%). Из группы часто встречаемых T. viride перешел в редко встречаемые, а микромицет M. ramanniana из системы полностью исчез. Токсикообра-зующие микромицеты в группе редко встречаемые сохранились. Сохранился и среди случайных микромицет P. thomii. В почвах Центрального парка (табл. 2, объект 6) структура и состав микромицетов практически не претерпели изменений по сравнению с почвой парка Победы.

Следовательно, независимо от удаленности экосистемы от контроля микромицетная характеристика почвы зависит от функциональной роли объекта и его окружающей среды. По мере увеличения антропогенного воздействия на изучаемые экосистемы наблюдается перегруппировка микромицетов

экосистем: смена доминантов и значительное уменьшение видового состава. При этом в структуре видового состава микро-мицетов почвы с ростом антропогенного воздействия растет число микромицетов, способных к образованию токсинов. Этот факт отчетливо виден на графике (рис.).

Если в естественной экосистеме без антропогенного воздействия отсутствовали микромицеты — токсинообразователи, то уже при невысокой антропогенной нагрузке (естественный луг с постоянным скашиванием) появляется P.nigricans, а в условиях залежи, но при ежегодном выпасе скота, встречаемость этого токсиканта увеличивается по сравнению с предыдущей экосистемой почти в 12 раз. В то же время на залежи с постоянным выпасом скота появляются другие токсикообразователи: P. pur-purogenum и P. martensii. И если встречаемость первого составила 1%, то второго — 32,2%, таким образом этот потенциальный токсинообразователь сразу же вошел в ранг часто встречаемых микромицетов.

На пахотных почвах с поддержанием севооборота, как планомерной вторичной сукцессии (объект 3, табл. 2) этот показатель «встречаемости» у большинства токси-нообразователей вырастает. Так, у токси-нообразователей P. funiculosum, P. janthinellum, P. martensii, P.nigricans встречаемость находилась в пределах 31,7-46,5%, это ранг часто встречаемых. Но в то же время встречаемость P. purpurogenum осталась на уровне 1%. Это говорит о том, что в этой экосистеме еще существует сдерживающий фактор ее экологического качества, который поддерживается и севооборотом с бобовой культурой, и незначительным механическим воздействием на почву (севооборот семеноводческий МарНИИСХа).

1

6

P. janthinellum Biogre (Tiegh). И P. nigricans Tiegh (Bionrge) Thom P. funiculosum Thom. P. martensii Biougre

Рис. Численность токсинообразователей в различных почвах

Что нельзя сказать положительно об экологической системе пахотной почвы с интенсивной эксплуатацией (объект 4, табл. 2). В этой системе доминантом является потенциальный токсикант P. janthinellum, причем его встречаемость достигла 88,7%, и он является единичным микромицетом в системе. На фоне часто встречаемых ток-сикогенов (P. martensii, P.nigricans, P. funi-culosum) выросла встречаемость P. purpu-rogenum (1G,75), который вошел в ранг редко встречаемых, но типичных микроми-цетов для экосистемы. Это позволяет судить о том, что данная система находится на уровне большой сложности и требует срочного вмешательства — возврата в систему органического вещества.

О том, что внесение в систему органического вещества находит положительную характеристику, можно судить по двум экосистемам г. Йошкар-Олы: парку Победы и парку Центральному. В Центральном парке активно вносится на поверхность почвы торфяная крошка как органическая масса, а в парке Победы этого никогда не делалось. На рисунке можно видеть устойчивое снижение, пусть не большое, но устойчивое в верхних слоях почвы всех потенциальных токсинообразователей. Можно предположить, что при дальнейшем использовании этого приема наверняка ситуация будет положительная.

Выводы

1. При изучении микромицетов почвы в условиях различного антропогенного воздействия установлено, что с увеличением антропогенного воздействия на экологическую систему снижается видовое разнообразие почвенных микромицетов. Снижение видового разнообразия микромицетов почвы составило от 11,5% при незначительном антропогенном воздействии до 41,2-53,8 — при высоком (пахотные почвы с интенсивной эксплуатацией и урбанизированные земли).

2. Выявлена существенная перегруппировка микромицетов почвы (на 35,3-64,7%). Наименьшее изменение видового состава микромицетов отмечено между естественным лугом при постоянном скашивании и залежной почвой с выгулом скота (35,3%). А наибольшее между естественным лугом при постоянном скашивании и экосистемами с высокой антропогенной нагрузкой (пахотные почвы с интенсивной эксплуатацией и урбанизированные земли).

3. Численность микромицетов с потенциальными токсикологическими характеристиками увеличивается с ростом антропогенного воздействия. Даже незначительное ан-

тропогенное воздействие в виде скашивания растений и отторжение растительной массы с объекта способствуют появлению в экосистеме токсиканта (встречаемость 2,8%). Активный выпас скота и использование экосистемы для пахотного использования усугубляет образование токсикогенов и приводит экосистему в стрессовое состояние, где токсикант занимает главенствующее положение (встречаемость 88,35%). Наибольший токсикологический потенциал почвы наблюдается при использовании пахотных земель с повышенной и необоснованной эксплуатацией и урбанизированные земли.

Библиографический список

1. Мишустин Е.Н. Микроорганизмы и продуктивность земледелия. — М.: Наука, 1972.

2. Мирчинк Т.Г., Гузев В.С. Микроорганизмы в дерново-подзолистой почве при применении удобрений // Продуктивность почв Нечерноземной зоны и пути ее увеличения. — М., 1978. — С. 80-85.

3. Экология города Йошкар-Олы: научное издание / отв. О.Л. Воскресенская; Марийский государственный университет. — Йошкар-Ола, 20о7. — 300 с.

4. Марьин Г.С. Теоретические и технологические основы управлением фитосанитарным состоянием почвы северо-восточного Нечерноземья РФ: автореф. дис. ... докт. с.-х. наук. — М.: ТСХА, 1996. — 36 с.

5. Кириленко Т.С. Атлас родов почвенных грибов: (Ascomycetes u fungi imperfecti). — Киев: Наукова думка, 1977. — 128 с.

6. Милько А.А. Определитель мукораль-ных грибов. — К.: Наукова думка, 1974. — 302 с.

7. Пидопличко Н.М. Грибы — паразиты культурных растений: определитель. — Киев, 1976. — Т. 1. — 225 с.

8. Пидопличко Н.М. Грибы — паразиты культурных растений: определитель. — Киев, 1977. — Т. 2. — 300 с.

9. Билай В.И. Фузарии. — Киев: Наукова Думка, 1977. — 442 с.

10. Пидопличко Н.М. Грибы — паразиты культурных растений: определитель. — Киев, 1978. — Т. 3. — 300 с.

11. Одум Ю. Основы экологии. — М.: Мир, 1975. — 740 с.

12. Одум Ю. Экология: в 2 т. — М.: Мир, 1986. — Т. 2. — 328 с.

13. Миркин Б.М., Розенберг Г.С. Толковый словарь современной фитоценологии. — М.: Наука, 1983. — 134 с.

+ + +