Загрязнение тяжелыми металлами и дыхательная активность микроорганизмов в нативных почвах и искусственных субстратах (на примере заповедного участка “Ямская степь”) Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

УДК 631.427

ЗАГРЯЗНЕНИЕ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ И ДЫХАТЕЛЬНАЯ АКТИВНОСТЬ МИКРООРГАНИЗМОВ В НАТИВНЫХ ПОЧВАХ И ИСКУССТВЕННЫХ СУБСТРАТАХ (НА ПРИМЕРЕ ЗАПОВЕДНОГО УЧАСТКА "ЯМСКАЯ СТЕПЬ")

© 2016 г. Н. О. Бакунович1, О. С. Хохлова1, Т. Н. Мякшина1, А. В. Русаков2, А. С. Шаповалов3

1 Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, Россия, 142290Московская обл., Пущино, ул. Институтская, 2 e-mail: akhokhlov@mail. ru 2Институт наук о Земле Санкт-Петербургского государственного университета, Россия, 199178 Санкт-Петербург, В.О., 16 линия, 29 3Государственный заповедник "Белогорье", Россия, 309340 Белгородская обл., пос. Борисовка, Монастырский пер., 1

Участок "Ямская степь" заповедника "Белогорье" расположен в Белгородской области вблизи сосредоточения предприятий горнодобывающей промышленности: Лебединского и Стойленского ГОК, комбинатов "КМАруда" и Оскольский металлургический, ТЭЦ и др. Учитывая, что "Ямская степь" является особо охраняемой природной территорией и при этом испытывает значительную техногенную нагрузку, необходимость изучения свойств доминирующих почв и проведения оценки загрязнения их тяжелыми металлами (ТМ) приобретает актуальное значение. Целью работы являлась оценка токсичности загрязнения почв "Ямской степи" ТМ в зависимости от изучения дыхательной активности микроорганизмов нативных почв мониторинговых площадок (МП) и искусственно созданных смесей почвы с пылью из цехов комбината, содержащей повышенные количества ТМ. Исследования нативных почв на МП не выявили зависимости базального дыхания от типа почвы, лишь слабо и единично от типа землепользования. В почвах только двух из 21-й изученной МП обнаружены признаки нарушения функционирования микробного сообщества. Измерения валовых форм ТМ показали относительное превышение концентрации на этих МП Си, Zn, Zr, Sn, Pb, As. Опыты с искусственными субстратами позволили заключить, что добавление пыли с ТМ, взятой из цехов Лебединского ГОКа, сказывается на микробиологической активности, вызывая интенсификацию выделения СО2, как в случае измерения скорости базального, так и субстрат-индуцированного дыхания. Но только в вариантах при равном соотношении почва/пыль, что маловероятно в природных условиях, это влияние

было значительным. Необходим поиск более чувствительных индикаторов загрязнения ТМ изучаемых почв.

Ключевые слова: тяжелые металлы, загрязнение, черноземы, дыхательная активность микробоценоза, мониторинговые площадки, натурные и имитационные эксперименты, Ямская степь. DOI: 10.19047/0136-1694-2016-85-131-149

ВВЕДЕНИЕ

Во многих работах продемонстрировано, что минерализаци-онная или дыхательная активность почвенных микроорганизмов может являться сенситивным индикатором загрязнения почв тяжелыми металлами (ТМ) на естественных территориях вокруг промышленных предприятий (Berg et al., 1991; Aceves et al., 1999; Филимонова и др., 2000; Евдокимова, Зенкова, 2003). Однако отклик микробного сообщества на загрязнение бывает неоднозначным и выражен в разной степени. Во многих случаях обнаружено не угнетение, а стимуляция учитываемых тест-реакций (Кабиров и др., 1997; Яковлев, 2000; Девятова, 2005; Шунелько, Федорова, 2006; Терехова, 2007), что приводит к необходимости поиска причин этого явления. Поэтому продолжение исследований в данном направлении с привлечением разных подходов весьма актуально.

Участок "Ямская степь" государственного природного заповедника "Белогорье" расположен на северо-востоке Белгородской области, где на относительно небольшой площади сосредоточены предприятия горно-добывающей промышленности: Лебединский ГОК, Стойленский ГОК, комбинат "КМАруда", Оскольский металлургический комбинат, ТЭЦ и др. Ямская степь граничит непосредственно с Лебединским ГОК, и при сильном ветре, стоя на ее территории, можно наблюдать клубы пыли, поднимающиеся с отвалов предприятия. Роза ветров ближайшего к заповедному участку пункта метеонаблюдений (г. Губкин) представлена на рис. 1, из которого видно, что, хотя преимущественные ветра дуют мимо Ямской степи, вероятность ветров Ю, ЮЗ и ЮВ направления, захватывающих территорию заповедника, составляет около 40%, что тоже немало. Значительные объемы перерабатываемого сырья для выплавки металла, технологические "хвосты" и отходы, недостаточно утилизируемые пылегазовыбросы создают избыточную техногенную

Рис. 1. Роза ветров, г. Губкин (по данным ресурса World Weather).

нагрузку на экосистемы окружающих территорий, прежде всего, на почву, загрязняя ее ТМ, поступающими по воздуху вместе с пылью из цехов и отвалов.

Цель работы - оценка токсичности загрязнения почв и ландшафтов участка "Ямская степь" заповедника "Белогорье" ТМ на основе изучения сети мониторинговых площадок (МП). При этом комплексные почвенные исследования проводили с использованием традиционных методов исследования общих свойств почв, с одной стороны, и чувствительных к загрязнению микробиологических тестов, с другой.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Вокруг Ямской степи в Белгородской области в 2013-2015 гг. заложили сеть пунктов комплексных наблюдений (мониторинговых площадок) за воздействием Лебединского ГОК на экосистемы этого заповедного участка. В 2013-2014 гг. исследовали 21-у мониторинговую площадку (табл. 1). Провели морфогенетический анализ полнопрофильных почвенных разрезов, названия почв даны согласно Классификации и диагностики почв России (2004).

Со всех МП отобрали пробы с глубины 0-5 см. В пробах определяли содержание органического углерода (Сорг) по Тюрину, рН водной вытяжки, гранулометрический состав методом пипетки

с диспергацией пирофосфатом натрия и содержание валовых форм ТМ. Определение содержания ТМ проводили масс-спектральным методом с индуктивно-связанной плазмой, или атомно-эмиссионным методом с индуктивно-связанной плазмой. Содержание Mn, Cd, Fe определяли атомно-абсорбционным методом в ацетатно-аммонийной вытяжке (рН 4.8).

В пробах, отобранных с глубины 0-5 см, в лабораторных условиях измеряли микробиологическую активность почв (Vbasal) по интенсивности выделения СО2 при увлажнении, соответствующем 6570% от ППВ, и температуре 24оС в трехкратной повторности. Скорость субстрат-индуцированного дыхания (Vm-) измеряли при внесении в почву избытка доступного для микробов субстрата - глюкозы (Anderson, Domsch, 1978). На основе измеренных Vbasal и Var рассчитывали содержание микробного углерода (Cmic) и метаболический коэффициент (qCO2) (Благодатская и др., 1995).

Дополнительно провели опыты с пылью, загрязненной ТМ (полученной из цехов Лебединского ГОКа), получали искусственные смеси этой пыли с почвой, методику вырабатывали в ходе эксперимента, поэтому ее описание поместили в следующий раздел.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Общие свойства почв МП и дыхательная активность на-тивных почв. Содержание Сорг в верхнем слое (0-5 см) гумусово-аккумулятивного горизонта на изученных пунктах наблюдений варьирует от 3.69 (6.3% в пересчете на гумус) (МП Галичи, разр. Н4) до 2.06 (3.6% в пересчете на гумус) (МП Ямская степь, Суры, разр. Н11) (рис. 2А).

Поверхностные горизонты почв отличаются слабокислой, близкой к нейтральной, и нейтральной реакцией среды, т.е. условиями, необходимыми для проведения исследования по интенсивности выделения СО2 микроорганизмами. Показатели кислотности всех точек наблюдения лежат в пределах 5.0-6.4 ед. pH (МП Рома-ново, разр. Н1 и МП Барское, разр. Н7 соответственно) (рис. 2Б).

По гранулометрическому составу почвы МП незначительно различаются, это и средне- и тяжелосуглинистые отложения с содержанием физической глины от 42 до 54%.

Дыхательная активность микроорганизмов изменяется в широком диапазоне: от 0.6 (МП Ямская степь, Суры, разр. Н11, МП Садки, разр. Н33) до 2.2 мкг С/(г ч) (МП Барское, разр. Н7) (рис. 3).

Таблица 1. Сеть пунктов комплексных наблюдений за воздействием Лебединского ГОК на экосистемы Ямской степи_

№ Пункт, Почва Ближай- Бас- Расстоя- Азимут

раз- координаты, ший пункт, сейн ние от к центру

реза положение в администр реки центра/ ЛебГОК

рельефе ативный границы

район промзоны

ЛебГОК,

км

Н11 Ямская степь, Стратозем Загорный, Чуфи- 6.9 9°

Суры, темногумусовый Губкин- чка 1.0

51°11'59.085"Ы сверхмощный ский

37°38'32.407"Е, тяжелосуглинистый

наветренное профильно оглеен-

ный на овражно-

балочных наносах

Н13 Ямская степь, Чернозем Загорный, Чуфи- 7.9 6°

плакор, миграционно- Губкин- чка- 2.0

51°11'23.8"Ы мицелярный средне- ский Дубе-

37°38'46.403"Е, мощный тяжело- нка

некосимый суглинистый средне

участок, карбонатный на

наветренное карбонатных лёссо-

видных суглинках

Н12 Ямская степь, Чернозем Загорный, Чуфи- 7.9 6°

плакор, миграционно- Губкин- чка- 2.0

51°11'23.8"Ы мицелярный мощный ский Дубе-

37°38'46.403"Е, среднесуглинистый нка

косимый глубоко карбонатный

участок, на карбонатных

наветренное лёссовидных

суглинках

Н21 Ямская степь, Чернозем глинисто- Загорный, Дубе- 9.1 4°

Еремкин Лог, иллювиальный Губкин- нка 3.0

51°10'38.4"Ы среднемощный ский

37°39'02.9"Е, тяжелосуглинистый

подветренное на бурых глинах

Н6 Должик, Темно-серая тяжело- Дубравка, Дубе- 14.0 31°

51°9'8.594"Ы суглинистая средне- Губкин- нка 6.0

37°33'15.987"Е, мощная на ский

наветренное бескарбонатных

лёссовидных

суглинках

Н9 Хмелеватое, Чернозем глинисто- Мелавое, Орлик 22.4 43°

51°6'42.64"Ы иллювиальный Губкин- 12.7

37°26'37.207"Е, тяжелосуглинистый ский

наветренное среднемощный на

бескарбонатных

лёссовидных

суглинках

№ Пункт, Почва Ближай- Бас- Расстоя- Азимут

раз- координаты, ший пункт, сейн ние от к центру

реза положение в администр реки центра/ ЛебГОК

рельефе ативный границы

район промзоны

ЛебГОК,

км

Н8 Водяное, Темногумусовая Дальняя Орлик 21.9 26°

51°4'57.059"Ы мощная тяжелосугли- Ливенка, 13.8

37°31'17.585"Е, нистая на карбонат- Губкин-

наветренное ных лёссовидных ский

суглинках, подсти-

лаемых элювием

меловых отложений

Н19 Вислое, Чернозем глинисто- Конь- Оль- 30.3 36°

51°2'11.772"Ы иллювиальный шино, шанка 21.2

37°24'34.846"Е, тяжелосуглинистый Губкин-

наветренное мощный на бескарбо- ский

натных лёссовидных

суглинках

Н3 Сенное, Стратозем темно- Сергиев- Оско- 11.9 61°

51°12'28.663"Ы гумусовый сверх- ка, Губ- лец 2.5

37°30'30.343"Е, мощный тяжелосуг- кинский

наветренное линистый на

овражно-балочных

наносах

Н18 Воробьево, Чернозем глинисто- Коньши- Оль- 28.3 28°

51°02'0.057"Ы иллювиальный но, Губ- шанка 19.9

37°28'30.003"Е, мощный тяжело- кинский

наветренное суглинистый на

бескарбонатных

лёссовидных

суглинках

Н1 Романово, Чернозем глинисто- Сергие- Оско- 12.6 75°

51°13'48.398"К иллювиальный вка, Губ- лец 4.6

37°28'55.447Е, оподзоленный кинский

наветренное среднемощный

тяжелосуглинистый

глубокооглеенный на

пролювиально-

делювиальных

переотложенных

бурых глинах

Н5 Кленовенькое, Стратозем Пугачи, Орлик 15.4 57°

51°11'2.679"К темногумусовый Губкин- 5.7

37°28'20.497"Е, сверхмощный ский

подветренное тяжелосуглинистый

Н4 Галичи, Темногумусовая Пугачи, Орлик 16.3 55°

51°10'28.892"Ы мощная тяжело- Губкин- 6.6

37°28'1.038"Е, суглинистая на ский

№ Пункт, Почва Ближай- Бас- Расстоя- Азимут

раз- координаты, ший пункт, сейн ние от к центру

реза положение в администр реки центра/ ЛебГОК

рельефе ативный границы

район промзоны

ЛебГОК,

км

наветренное бескарбонатных

лёссовидных

суглинках,

подстилаемых

меловыми

отложениями

Н7 Барское, Темногумусовая Копцево, Орлик 17.2 14°

51°6'38.209"Ы маломощная Губкин- 10.4

37°35'55.922"Е, тяжелосуглинистая ский

подветренное на красно-бурых

глинах

Н14 Осинник, Темногумусовая Старох- Орлик 23.9 1°

51°3'1.629"Ы глинисто-иллювииро- мелевое, 17.1

37°39'14.739"Е, ванная среднемощная Чернян-

наветренное тяжело суглинистая ский

на бурых глинах, под-

стилаемых меловыми

отложениями

Н16 Косино, Темногумусовая Кочегуры, Оль- 26.8 10°

51°1'21.529"Ы слитизированная Чернян- шанка 20.2

37°35'52.563"Е, мощная тяжело- ский

подветренное суглинистая на бурых

глинах

Н15 Резников Яр, Темно-серая Ольша- Оль- 27.1 0°

51°1'0.736"Ы стратифицированная нка, шанка 20.9

37°39'41.024"Е, маломощная Черня-

подветренное тяжелосуглинистая на нский

бурых глинах

Н32 Обручное, Темногумусовая Ковыли- Ха- 33.9 359°

50.95613°Ы глинисто-иллювииро- но, Чер- лань -

37.67445°Е, ванная остаточно кар- нянский

подветренное бонатная среднемощ-

ная тяжелосуглинис-

тая на бурых глинах,

подстилаемых пере-

отложенными мело-

выми отложениями

Н33 Садки, Темногумусовая Верхнее Ха- 40.1 7°

50.90226°Ы метаморфизованная Кузькино, лань -

37.59580°Е, глинисто-иллювииро- Чернян-

наветренное ванная среднемощная ский

тяжелосуглинистая

на бурых глинах

№ Пункт, Почва Ближай- Бас- Расстоя- Азимут

раз- координаты, ший пункт, сейн ние от к центру

реза положение в рельефе администр ативный район реки центра/ границы промзоны ЛебГОК, км ЛебГОК

Н35 Репное, Чернозем глинисто- Жилин Оль- 34.7 30°

50.98851°Ы иллювиальный Колодезь, шанка -

37.41460°Е, среднемощный Губкин-

наветренное легкоглинистый на бурых глинах ский

Н36 Перелесок 2, Чернозем глинисто- Кочегуры, Оль- 30.1 10°

координаты не иллювиальный Чернян- шанка 23.5

определили мощный тяжелосуглинистый на бурых глинах ский

Самые низкие значения зафиксированы в стратоземе темно-гумусовом, расположенном в днище балки (МП Ямская степь, Суры, разр. Н11); черноземе глинисто-иллювиальном (МП Воробье-во, разр. Н18) и темногумусовой метаморфизированной почве (МП Садки, разр. Н33). Наибольшие показатели базального дыхания обнаружены в темногумусовой маломощной почве (МП Барское, разр. Н7), темно-серой (МП Должик, разрез Н6), черноземе миграцион-но-мицелярном (МП Ямская степь, плакор, разр. Н12) и черноземе глинисто-иллювиальном (МП Ямская степь, Еремкин лог, разр. Н21). Таким образом, зависимость базального дыхания от типа почвы не прослеживается. Однако отмечена некоторая связь с режимом землепользования: на плакоре косимого участка Ямской степи (чернозем миграционно-мицелярный, разр. Н12) уровень Рьаза1 выше, чем на некосимом участке (та же почва, участки расположены в нескольких метрах друг от друга, разр. Н13).

Наибольшие значения содержания Сшю обнаружены в тех же МП, что и в случае с Рыша1 (МП 6, 7, 12, 21). Максимальные величины Сшю достигают 168 мг С/100 г почвы (МП Барское, разр. Н7) в темногумусовой маломощной почве. Минимальные же значения зафиксированы в темно-серой стратифицированной почве (МП Резников Яр, разр. Н15) и черноземе глинисто-иллювиальном (МП Воробьево, разр. Н18), 30.1 и 20.6 мг С/100 г почвы соответственно. При этом уровень Р^а! на этих МП не был самым низким.

Сорг, % А

4 -

Т Н3

4 I I

3 3 2 2 1 1

Н5

Н7

Н9

Н12

I

Н16

Н19

I

Н35

Н14

Н32

I

0

HI Н4 Нб Н8 НИ Н13 Н15 Н18 Н21 НЗЗ НЗб

I I I I I I I I I I

рН Н2О Б

Н5

Н7

I Н9 Н12

НЗ

Н14 U1K

! I Н16 ^ Н|Э

Н32

НЗБ

4 3 2 1

HI Н4 Нб Н8 НИ Н13 Н15 Н18 Н21 НЗЗ НЗб

Рис. 2. Содержание органического углерода (А) и рН (Б) в почвенных пробах с глубины 0-5 см на МП.

Следует отметить, что в почвах разр. Н15 (МП Резников Яр) и Н18 (МП Воробьево) наблюдаются самые высокие показатели метаболического коэффициента qCO2: 0.369 и 0.375 соответственно (рис. 4). Все остальные МП укладываются в диапазон значений от 0.052 до 0.143. На участках косимой (разр. Н12) и некосимой (разр. Н13) Ямской степи с черноземом миграционно-мицелярным

нз

Crnic, мг С/100 г почвы 180 160

140 Н5

120 100 80 60 40 20

0

Н7

I

H12

Н9

H19

Н32

Н35

H14

H16

Hl H4 Vbasal, мкг С/(г ч)

2,5

2,0

Н6 Н8 НИ Н13 H15 Н18 Н21 НЗЗ Н36

1,5 1,0 0,5 0,0

Н9

H16

H14

I

Н32

I

H35

I

H4 H6

H8 НИ H13 H15 H18 H21 НЗЗ H36

Рис. 3. Содержание углерода микробной биомассы (А) и уровень базального дыхания (Б) в почвенных пробах с глубины 0-5 см на МП.

зафиксированы практически одинаковые значения qCÜ2. С точки зрения антропогенного загрязнения величины qCÜ2, превышающие 0.1-0.2, отражают угнетение и нарушение микробного сообщества (Благодатская и др., 1995). Анализ удельной скорости базального дыхания (Vbasai/Сорг, мкг С/(г ч)) - величины, которая может служить косвенной характеристикой устойчивости

о.5 qC02

0,4 -

Н16

Н14

НЗ

I

т Н7

Н5 I 1

I

Н9

I

Н12

I I

Н19 1

Н32

Н35

I

Vbasal/ С орг 0,8

Нб

Н8 НИ Н13 Н15 HIS Н21 НЗЗ НЗб

Н7

Н12

I

Н16

I Н5

I

Н9

Н14

Н32

НЗБ

j НЗ

Н19

HI Н4 Нб Н8 НИ Н13 Н15 Н18 Н21 НЗЗ НЗб

Рис. 4. Метаболический коэффициент qCO2 (А), отношение базального дыхания к содержанию органического углерода (Б) в почвенных пробах с глубины 0-5 см на МП.

органического вещества к разложению, показал, что наименьшие значения зафиксированы в МП Воробьево (разр. Н18) -0.266 мкг С/(г ч) и Садки (разр. Н33) - 0.270 мкг С/(г ч). Чем ниже значения Р^а^Сорг, тем менее подвержено органическое вещество почв минерализации и соответственно более стабильно (Мостовая

и др., 2015). Наибольшие значения отмечены в Барском (разр. Н7) - 0.727 мкг С/(г ч) и на участках косимой и некосимой степи в заповеднике (разр. Н12 и Н13), 0.684 и 0.651 мкг С/(г ч) соответственно.

Для целей нашего исследования важно, что низкие значения удельной скорости базального дыхания означают уменьшение содержания легкодоступного субстрата в органическом веществе, которое может быстро разлагаться микроорганизмами, такие значения косвенно свидетельствуют об угнетенном состоянии микробного сообщества (в данном случае считали, что качество органического вещества одинаковое, так как почвы одного биоклиматического ряда).

В работе изучали содержание валовых форм ТМ (табл. 2). Повышенными концентрациями Си выделяется МП Еремкин лог (разр. Н21); 2п - Резников Яр (разр. Н15); 2г - Барское (разр. Н7), Резников Яр (разр. Н15) и Косино (разр. Н15); 8п и РЬ - Должик (разр. Н6) и Резников Яр (разр. Н15); Л8 - Воробьево (разр. Н18). Лишь для одной из опробованных МП получена связь превышения ПДК с ингибированием микробного сообщества - это Резников Яр (разр. Н15), который характеризуется наибольшим содержанием 8г, 2п, 2г, 8п и РЬ, коэффициент дС02 здесь составляет 0.369. В МП Воробьево (разр. 18), для которого получен высокий дС02 и наименьшая удельная скорость Уъааа1 - 0.375, отмечается повышенное относительно других опробованных МП содержание Л8, но не превышающее ПДК. Коэффициенты корреляции содержания валовых форм ТМ для изученных МП с дС02 представлены в табл. 2. Выявлена средняя корреляция (более 0.5) между 8г и ^С02, близкая к средней (0.44) для Со и слабые корреляции для остальных ТМ. Для других показателей корреляционный анализ показал слабые и очень слабые связи с содержанием ТМ, поэтому эти данные не приводятся.

Эксперименты с искусственными субстратами. Полученные результаты измерения дыхательной активности почв в натив-ных образцах не смогли в полной мере ответить на поставленные задачи. Несмотря на локальные превышения концентраций ТМ и некоторое угнетение микробного сообщества почв, о котором судили по интегральным показателям дыхательной активности, было не ясно, является ли перенос с воздушными массами пыли из

Таблица 2. Содержание тяжелых металлов валовых

юрм

Название н.п. № МП и V Сг Со № Си Ав 8г гг Мо са 8п 8Ь Се Ва РЬ

Романове Н1 26.0 110.0 57.0 9.5 32.0 25.0 67.0 6.7 100.0 180.0 1.10 0.36 3.60 2.30 4.0 390.0 24.0

Сенное НЗ 27.0 110.0 54.0 9.5 29.0 18.0 57.0 7.1 91.0 160.0 1.00 0.27 2.50 0.63 4.1 340.0 21.0

Галичи Н4 29.0 120.0 55.0 11.0 31.0 18.0 63.0 5.7 110.0 160.0 0.85 0.25 2.50 0.54 4.4 360.0 23.0

Кленовенькое Н5 21.0 120.0 56.0 12.0 32.0 19.0 75.0 7.1 150.0 160.0 1.40 0.33 2.30 0.55 4.2 360.0 24.0

Должик Нб 26.0 110.0 50.0 11.0 30.0 20.0 74.0 6.4 100.0 180.0 0.93 0.71 12.00 1.90 3.8 400.0 30.0

Барское Н7 22.0 110.0 51.0 12.0 31.0 31.0 80.0 4.6 110.0 210.0 1.10 0.58 5.50 0.85 3.6 440.0 27.0

Водяное Н8 35.0 130.0 59.0 11.0 37.0 21.0 97.0 7.6 93.0 170.0 0.93 0.29 3.50 0.73 4.6 380.0 24.0

Хмелеватое Н9 27.0 110.0 53.0 9.2 28.0 17.0 54.0 5.7 91.0 180.0 0.78 0.25 2.50 0.57 3.7 350.0 22.0

Днище Суры Н11 18.0 63.0 71.0 8.3 26.0 26.0 78.0 4.9 110.0 140.0 1.70 0.41 1.90 0.67 3.3 320.0 18.0

Ямская плакор косимая Н12 26.0 90.0 42.0 8.8 25.0 18.0 47.0 5.1 68.0 110.0 0.81 0.40 2.60 0.54 3.7 310.0 22.0

некосимая Н13 22.0 90.0 46.0 8.7 25.0 17.0 45.0 5.8 68.0 110.0 0.81 0.32 2.30 0.54 3.5 300.0 21.0

Осинник Н14 27.0 120.0 54.0 13.0 34.0 20.0 57.0 6.1 110.0 170.0 1.20 0.36 2.70 0.59 4.3 410.0 26.0

Резников Яр Н15 24.0 110.0 55.0 13.0 35.0 25.0 85.0 6.2 170.0 200.0 0.95 0.54 6.40 1.90 4.1 420.0 28.0

Косино Н16 22.0 110.0 53.0 13.0 32.0 22.0 61.0 6.0 110.0 210.0 0.97 0.34 2.30 0.57 3.7 420.0 24.0

Воробьеве Н18 29.0 120.0 55.0 11.0 36.0 21.0 63.0 8.4 92.0 140.0 0.93 0.29 2.60 0.66 4.4 330.0 22.0

Вислое Н19 29.0 120.0 57.0 12.0 34.0 19.0 58.0 7.6 100.0 180.0 0.86 0.29 2.50 0.61 4.3 400.0 24.0

Еремкин лог Н21 21.0 89.0 94.0 11.0 38.0 34.0 73.0 7.8 110.0 230.0 3.00 0.29 2.50 0.68 3.9 390.0 20.0

Коэффициент 0.010 0.166 0.057 0.448 0.391 0.151 0.197 0.156 0.510 0.152 -0.113 0.227 0.212 0.302 0.219 0.208 0.316

корреляции с дС02 Пыль РУ 17 52 110 11 59 20 35 5.2 110 110 0.87 0.11 0.97 1.1 5.3 360 12

Пыль ГО ФОК 3.4 28 47 2.3 15 6.9 12 16 11 16 0.98 0.21 1.9 1.4 0.16 13 5.1

00 (Л

цехов и отвалов ГОК причиной ингибирования микробов в почвах МП. Поэтому, помимо исследований дыхательной активности на-тивных почв МП, провели два эксперимента с искусственными субстратами, которые основывались на определении скорости выделения СО2 в специально полученной смеси почвы и пыли с высоким содержанием ТМ. Пыль брали из цехов Лебединского ГОКа; почву - с участка косимой степи (разр. Н12). В пыли, взятой для опытов, зафиксированы следующие концентрации ТМ (мкг/г): 28-52 V, 47-110 Сг, 15-59 N1, 7-20 Си, 12-35 2п, 5.2-16 Л8, 11-110 8г, 16-110 2г, 5.1-12 РЬ. Вариабельность содержания связана с тем, что в разных цехах пыль включала неодинаковые количества ТМ. В первом этапе эксперимента использовали пыль с условным названием РУ, во втором - ГО ФОК, содержание ТМ в них приведено в табл. 2.

Первый эксперимент включал в себя определение КЬака1 и Р7^ в трех вариантах смесей: 90% почвы и 10% пыли, 50% почвы и 50% пыли, 10% почвы и 90% пыли при одинаковой навеске. Контролем к каждому варианту служили смеси прокаленной почвооб-разующей породы и той же почвы в тех же соотношениях: 90% почвы и 10% породы, 50% почвы и 50% породы, 10% почвы и 90% породы.

Второй эксперимент включал определение и Р7^ в смесях, где к фиксированной навеске 5 г почвы добавляли по 1, 2, 3, 4, 5 г пыли. Контролем также служили смеси почвы и породы в тех же соотношениях. Дополнительным контролем для второго опыта являлись нативная почва, прокаленная порода и пыль. Во всех опытах повторность трехкратная.

В первом опыте стремились получить качественную реакцию, которая бы показала, каким образом загрязненная пыль влияет на дыхательную активность микробных сообществ. Выяснилось, что смесь прокаленной породы и почвы продемонстрировала ожидаемый результат: с повышением содержания породы, уменьшалась дыхательная активность вплоть до нулевых значений, когда в смеси 10% почвы и 90% породы ^¡^1 составило 0.01, а -0.08 мкг С/(г ч) (рис. 5). Это ожидаемый результат, поскольку при внесении в почву пустой или чистой (не загрязненной ТМ) породы происходит разбавление субстрата (в данном случае - нативной почвы), а, следовательно, нарушение среды обитания микрооргани-

А

Б

Ужа1, мкг С/(г ч) 2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

0,0

ф

V» 16 14 12 10

мкг С/(г ч)

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Содержание пыли/породы, %

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Содержание пыли/породы, %

Рис. 5. Уровень базального (А) и субстрат-индуцированного (Б) дыхания в первом опыте с пылью, загрязненной ТМ, и чистой прокаленной породой: 1 - варианты с пылью, 2 - варианты с породой.

змов, интенсивность дыхания должна снижаться, что и наблюдали. В случае со смесью пыли, содержащей ТМ, и почвы наблюдалась такая же картина: чем больше становились пропорции пыли в почве, тем меньше выделение СО2 как в нативной, так и в субстрат-индуцированной почве. Но здесь во всех трех вариантах выделение СО2 происходило гораздо интенсивнее, чем в аналогичных в количественном отношении смесях почвы и породы. То есть в смесях с пылью, обогащенной ТМ, микроорганизмы не угнетались, а наоборот, показывали большую интенсивность дыхания, как базального, так и субстрат-индуцированного по сравнению с вариантами смесей с прокаленной породой, лишенной ТМ.

Второй этап эксперимента имитировал процесс постепенного накопления пыли в почве. Пошаговое повышение концентрации пыли в почве не проявлялось заметно в скорости базального дыхания и было практически одинаковым с чистой почвой (рис. 6А, сравниваем с вариантом 7) до тех пор, пока соотношение почва-пыль не достигло 1/1 (5 г почвы + 5 г пыли). Лишь в этом случае скорость выделения СО2 заметно снизилась по сравнению с чистой почвой. При измерении скорости У51Г видно постепенное уменьшение этого показателя от 1 к 5 г добавленной в почву пыли (рис. 6Б), скорость У^ начинает достоверно отличаться от дыхания чистой почвы уже начиная с варианта 3 г пыли на 5 г почвы. При этом варианты с чистой (без ТМ) породой показали постепен-

А

Уъш, мкг С/(г ч) 1,6

1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2

I'« I I

0,0

Уш-, мкг С/(г ч) 14

12 10 8 6 4 2 0

П.

ы

Б

II

12345678 Образец

Рис. 6. Уровень базального (А) и субстрат-индуцированного (Б) дыхания во втором опыте с пылью, загрязненной ТМ, и чистой породой; образцы: 1, 2, 3, 4 и 5 - количество грамм пыли/породы, добавленное к 5 г почвы, 6 - контроль с прокаленной породой, 7 - контроль с почвой, 8 - контроль с пылью; а - варианты с пылью, б - варианты с прокаленной породой.

ное уменьшение скорости как базального, так и субстрат-индуцированного дыхания, и во всех вариантах уровень дыхания в смесях с породой был ниже, чем с пылью.

По сути, получили ту же картину, как и в опыте 1: в вариантах смесей с пылью, загрязненной ТМ, скорость дыхания была выше по сравнению с вариантами смесей с породой при том, что

"чистая" пыль и "чистая" порода в контролях (образцы 6 и 8 на рис. 6 соответственно) давали одинаковые и близкие к нулевым значения измеряемых показателей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучение нативных почв, отобранных на МП, не выявили зависимости базального дыхания от типа почвы, лишь слабо и единично - от типа землепользования. Вместе с тем, в некоторых случаях складываются стрессовые условия для микробного сообщества. Для них характерен максимум активности микробного сообщества и увеличении скорости минерализации органического углерода. Измерения валовых форм ТМ показали относительное (но не достигающее ПДК) превышение концентраций Си, 2п, 2г, Бп, РЬ, Л8.

Опыты с искусственными смесями подтвердили предположение о том, что добавление пыли, обогащенной ТМ, заметно сказывается на микробиологической активности, вызывая интенсификацию выделения СО2, как в случае измерения скорости ба-зального, так и субстрат-индуцированного дыхания.

В результате опытов с искусственными субстратами установлено, что однозначный и статистически достоверный вывод о превышении скорости дыхания микроорганизмов по сравнению с обычной незагрязненной почвой для изучаемого региона может быть получен при значительной концентрации пыли в почве, доходящей до уровня 3 г пыли на 5 г почвы, а лучше 5 г пыли к 5 г почвы (1 к 1), что трудно представить в натурных условиях. Поэтому необходимо продолжить поиск более чувствительных индикаторов загрязнения изучаемых почв.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Благодатская Е.В., Ананьева Н.Д., Мякшина Т.Н. Характеристика состояния микробного сообщества по величине метаболического коэффициента // Почвоведение. 1995. № 2. С. 205-210.

2. Девятова Т.А. Биоэкологические принципы мониторинга и диагностика загрязнения почв // Вестник ВГУ. Сер. Химия. Биология. Фармация. 2005. № 1. С. 105-106.

3. Евдокимова Г.А., Зенкова И.В. Влияние выбросов алюминиевого завода на биоту почв Кольского полуострова // Почвоведение. 2003. № 8. С. 973-979.

4. Кабиров P.P., Сагитова А.Р., Суханова Н.В. Разработка и использование многокомпонентной тест-системы для оценки токсичности почвенного покрова городской территории // Экология. 1997. № 6. С. 408-411.

5. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена, 2004. 342 с.

6. Мостовая А.С., Курганова И.Н., Лопес де Гереню В.О., Хохлова О.С., Русаков А.В., Шаповалов А.С. Изменение микробиологической активности серых лесных почв в процессе естественного лесовосстановления // Вестник ВГУ. Сер. Химия. Биология. Фармация. 2015. № 2. С. 64-72.

7. Терехова В.А. Биоиндикация и биотестирование в экологическом контроле // Использование и охрана природных ресурсов в России. Информационно-аналитический бюл. 2007. № 1 (91). С. 88-90.

8. Филимонова Ж.В., Покаржевский А.Д., Зайцев A.C., Криволуцкий Д.А., Фергуф С.К. Экологические механизмы устойчивости почвенной биоты к загрязнению металлами // Докл. РАН. 2000. Т. 370. С. 571-573.

9. Шунелько Е.В., Федорова А.И. Экологическая оценка городских почв и выявление уровня токсичности тяжелых металлов методом биотестирования // Вестн. Воронеж. гос ун-та. География и экология. 2000. №. 4. С. 77-83.

10.Яковлев А.С. Биологическая диагностика и мониторинг состояния почв // Почвоведение. 2000. № 1. С. 70-79.

11.AcevesM.B., Ansorena C.G.J., Dendooven L., Brookes P.C. Soil microbial biomass and organic e in a gradient of zinc concentrations in soils around a mine spoil tip // Soil Biol. Biochem. 1999. V. 31. P. 867-876.

12.Anderson T.H., Domsch K.H. The metabolic quotient for CO? (qCO2) as a specific activity parameter to assess the effects of environmental conditions, such as pH, on the microbial biomass of forest soils // Soils Biol. Biochem. 1993. V. 25. P. 393-395.

13. Berg C., Ekbohm G., Soederstroem B.E., Staaf H. Reduction of decomposition rates of Scots pine needle litter due to heavy-metal pollution // Water, Air Soil Pollution. 1991. V. 59. P. 165-178.

DETECTION OF TOXICITY OF HEAVY METAL POLLUTION IN SOILS BASED ON THEIR RESPIRATORY ACTIVITY IN NATIVE SOILS AND SIMULATED SUBSTRATES (A CASE-STUDY OF THE PROTECTED AREA "YAMSKAYA STEPPE")

N. O. Bakunovich1, O. S. Khokhlova1, T. N. Myakshina1, A. V. Rusakov2, A. S. Shapovalov3

1Institute of Physicochemical and Biological Problems of Soil Science, Russian Academy of Sciences, Russia, 142290 Pushchino, Moscow region, ul.

Institutskaya, 2

2Institute of Earth Sciences of Saint-Petersburg State University, Russia, 199178 Saint-Petersburg, Vasilevsky island, 16 line, 29

3State Natural Reserve "Belogorye ", Russia, 309340 Belgorod region, urban settlement Borisovka, Monastyrsky pereulok, 3

The area "Yamskaya Steppe" of "Belogorye" preserve is located in Belgorod Oblast near the concentration of mining factories: Lebedinskiy and Stoylen-skiy mining and concentration complex (MCC), complexes of "KMA-ore" and Oskol metallurgical, TPP etc. Taking into account that the "Yamskaya Steppe" is a SPNR and along with that bears a significant technogenic burden, it is necessary to investigate the properties of dominating soils and to provide the assessment of its contamination by heavy metals (HM). The main purpose of the work was to assess the toxicity of contamination of the soils of "Yamskaya Steppe" by HM in correlation to the investigated respiration activity of microorganisms of native soils of monitoring areas (MA) and artificially created mixes of soils with the dust from shops of factories, containing high concentrations of HM. The investigation of the native soils did not show the correlation of the basal respiration and the type of the soil. However weak and single case showed the correlation of basal breath and the type land use. Only in two soils of the whole 21 soils from the investigated MA the signs of disturbance of functioning of microbial community were revealed. The measurement of the bulk forms of HM showed relative increase in concentrations of Cu, Zn, Zr, Sn, Pb, As on these MA. The experiments with artificial mixtures allowed us to conclude that the implementation of the dust with HM, taken from the shops of Lebedinskiy MCC, affect the microbial activity. That causes the intensification of СО2 emission as incase of measuring of basal respiration rate and in case of substrata-induced respiration. However, that impact might be possible only in conditions of equal amount of the soil and dust in artificial mixtures, but this is impossible in natural conditions. It is necessary to find more senstive indicators of HM contamination for the investigated soils.

Key words: heavy metals, contamination, chernozems, respiration activity of microbiocenosis, monitoring areas, nature and imitation experiments, Yamskaya Steppe.