Влияние загрязнения почв тяжелыми металлами на целлюлозолитическую активность микроорганизмов

The effect of soil contamination with heavy metals on cellulolytic activity of microorganisms

Cholpon Omurgazieva

candidate of biology, associate Professor of the Department botany and plant physiology, faculty of biology the Kyrgyz National university by Zhusup Balasagyn, Kyrgyzstan, Bishkek

Dzhamilia Karabekova

Doctor of Biological Sciences,  Professor, acting Director of the Institute Biology &Pedology, Kyrgyz National Academy of Sciences, Kyrgyzstan, Bishkek

Аннотация. Результаты полевых исследований целлюлозоли­тической активности аппликационными методами свидетельствовали о различной напряженности микробиологических процессов в почве контрольных и загрязненных площадок (в зоне Ак-Тюзского промыш­ленного комбината, вокруг хвостохранилище), а также на различном расстоянии 1, 3, 6, 10 км от комбината. Этот метод в практическом плане может быть применен для обнаружения среднего и сильного уровней загрязнения.

Abstract. The results of field studies of cellulolytic activity by application methods indicated different strains of microbiological processes in the soil of control and contaminated sites (in the zone of the Ak-Tyuz industrial complex, around the tailing pond), and at various distances 1, 3, 6, 10 km from the plant. This method can be used in practical terms to detect medium and strong pollution levels.

Ключевые слова: загрязнения почв; тяжелые металлы; целлюло­зоразлагающая активность; микромицеты.

Keywords: soil pollution; heavy metals; cellulose-decomposing activity; micromycetes

Целлюлозосодержащие материалы составляют основную массу растительных остатков, поступающих в почву с опадом. Их разложение в значительной степени характеризуют сапротрофный процесс, осущест­вляемый почвенными микроорганизмами. Скорость разложения поступающего в почву растительного опада зависит от целого рядам факторов. Определение биогенности позволяет получить ценное дополнение к общей характеристике данной почвы. Под биогенностью понимается суммарная активность почвенной биодинамики, т. е. различных протекающих в почве микробиологических процессов. Инди­катором на биогенность может служить интенсивность протекания в почве аэробного разложения микроорганизмами целлюлозы [8; 11].

Среди множества биологических критериев оценки токсичности тяжелых металлов в почве наиболее перспективным представляется использование микробиологических и биохимических показателей. При этом особую ценность имеют сведения об изменении важнейших биохимических процессов в почве – разложении целлюлозы, азотфиксации, нитрификации и др.

Многие исследователи утверждают [1; 2; 4], что в почвах с техногенной нагрузкой снижается целлюлозолитическая и протеазная активность, падает интенсивность дыхания микроорганизмов. В таких условиях целлюлозоразлагающие микроорганизмы испытывают в течение длительного времени стресса.

Целью данной работы явилось изучение влияния загрязнения почв тяжелыми металлами на целлюлозоразлагающую активность микроорганизмов в почвах в зоне Ак-Тюзского горно-обогатительного комбината Кыргызстана.

Объекты и методы исследования

В полевых условиях была изучена целлюлозоразлагающая фер­ментативная активность почвы промышленных площадок Ак‑Тюзской фабрики на различном расстоянии от источника загрязнения 1, 3, 6, 10 км от хвостохранилище № 1 - «Чыныке» в 7 разных точках (рис. 1.).

Контролем служил почвы, на расстоянии 15 км от комбината (р. Кичикемин).

По схеме [7] почвенного районирования Кыргызстана район наших исследований входит в Северо-Кыргызскую провинцию, Кеминский почвенный округ. Этот округ включает долины Кичикемин и Чонкемина.

Кичикеминская долина расположена (от 1100-1600 м до 1900 м н. у. м) к западу от Чон-Кеминской и представляет собой полу­замкнутую впадину, открытую к западу, где она ограничена Кастекским хребтом, на западе рекой – Чуй, на востоке – отрогом Заилийского Ала-Тоо и Тасса-Кеминским хребтом.

Почвенный покров исследуемых участков представлен горными черноземами, светло- и темно-каштановыми почвами.

Климат Кеминской долины резко континентальный, характери­зуются холодной зимой, умеренно теплым летом с весенне-летним максимумом увлажнения. Среднегодовое количество осадков равно 300-600 мм с максимумом в мае (123 мм) и минимумом в январе (10 мм). Снеговой покров держится 111 дней. Среднегодовая температура равна 6,5-7,5º тепла, средняя температура января 5ºC мороза, в июле-19º тепла, максимум 38ºС. тепла, минимум 30ºС мороза.

Растительность представлена полынно-типчаковыми и типчаково-ковыльными степями, еловыми лесами, высокотравными лугостепями, субальпийскими и кобрезиевыми пустошами.

Почвы этого района в зависимости от условий почвообразования содержат от 5 до 20 % гумуса. Горно-луговые черноземовидные субальпийские почвы, где расположен наш исследуемый объект (Ак‑Тюзский промышленный комбинат), в верхнем горизонте содержат 4-6 % гумуса. Реакция почв колеблется от нейтральной до слабокислой. Обладают высокой емкостью поглощения 32-51 мг-экв/100 г почвы и содержат до 0,35 % валового азота, Р₂О₅-0,15-0,30 %, К₂О до 2,6 %. По механическому составу неоднородные, чаще средне- и тяжело­суглинистые.

Определение целлюлозоразрушающей активности почвы проводили в летний период (июль) с помощью аппликационного метода – по интенсивности и характеру аэробного разрушения льняной ткани при контакте с почвой загрязненной тяжелыми металлами [9; 10]. Стерильные льняные ткани, пришитые к полимерной пленке (ширина 10 и длина 30 см) были заложены в разрез почвы и к ее вертикальной, хорошо защищенной стенке плотно прижимали ткани. С обратной стороны полимерной пленки придавливали, и разрез засыпали почвой. Верхняя грань ткани была погружена на 3-5 см в почву. Учитывая неблагоприятные климатические условия этого региона (низкие темпера­туры) полотна оставляли в почве в течение 3 месяца. По истечении этого срока их осторожно извлекали, отмывали от почвы и продуктов полураспада, подсушивали, а затем взвешивали.

По шкале предложенной Мишустиным, по убыли массы каждых 25 см² ткани судили об интенсивности процесса разрушения клетчатки: очень слабая < 10, слабая 10-30, средняя 30-50, сильная 50-80, очень сильная > 80 %.

Сразу же после их доставки в лабораторию (через 2-3 ч) отбирали пробы для выявления целлюлозоразлагающих бактерий и грибов.

Из каждой пробы льняной ткани измельчали вместе с почвой, соблюдая асептики, готовили навески по 5 г в двух повторностях; каждую навеску помещали в колбу со 100 мл стерильной воды и встря­хивали в течение 20 минут. Затем из колбы готовили несколько серийных разведений в пробирках с 9 мл стерильной воды. Из разведений (от 10^-3 до 10^-5) производили посев глубинным методом на твердые питательные среды Гетчинсона и на среду Чапека. Родовую и видовую иденти­фикацию микромицетов проводили по определителям [6; 9; 13].

Результаты и их обсуждения

В районе Ак-Тюзского редкометального месторождения Кыргызстана нами исследовались почвы с различным содержанием тяжелых металлов, как свинец, цинк, кадмий и медь. Деятельность предприятия отрицательно сказывается на экологии района. Основным источником загрязнения природной среды стал Ак-Тюзский рудник, расположенный в верховьях реки Кичикемин. Наиболее интенсивному загрязнению подверглись почвы Кичи-Кеминской долины. Загрязнение происходило двумя путями:

1) во время транспортировки руды из Ак-Тюзского рудника в горнорудный комбинат в поселок Орловка,

2) в результате прорыва хвостохранилища № 2 рудника в 1964 г. А также основными источниками загрязнения биосферы в районе п. Ак-Тюз являются расположенные в непосредственной близости карьеры с отвалами, открытое складирование руды, горно-обогатительная фабрика с очистными сооружениями.

Интенсивность разложения целлюлозы в почве зависела от сезона и степени загрязнения. В этот период на контрольных площадках и на расстоянии 10 км от комбината (горные черноземы) скорость разложения целлюлозы была достаточно высокой (рис. 1).

Как видно из таблицы 1, на участках вокруг хвостохранилища и промышленного комбината (рис.1 в, г) целлюлозоразлагающая актив­ность было несколько ниже, то есть на 10-15 % и 5-9,2 %. Такая же картина наблюдалось на 6 км от источника загрязнения (рис. 1 е), и скорость разложения целлюлозы была очень низкой, составила 5-10 %. Это свидетельствует об угнетении и ослаблении ферментативной активности целлюлозоразлагающих микроорганизмов, связанных со значительным уровнем загрязнения почвы тяжелыми металлами.

Таблица 1.

Интенсивность аэробного разрушения льняной ткани при контакте с почвой в зоне загрязнения Ак-Тюзского промышленного комбината, в летне-осенние периоды (июль‑октябрь)

Осенний период скорость разложения целлюлозы в почве несколько выше, чем весной, что связано с более благоприятными гидротермическими условиями. Наиболее низкую целлюлозоразла­гающую активность не более 35 % имели почвы в зоне 1 км от источника загрязнения. Среднюю активность для всех 6 участков составили 38 % на расстоянии 3км от хвостохранилище.

Таким образом, в пределах рассмотренных зон имеется четко выраженное зависимость между содержанием в почве тяжелых металлов и уровнем целлюлозоразлагающей активности.

На втором этапе эксперимента нами было определено, какие представители из целлюлозоразрушающих микроорганизмов принимали активное участие при разложении целлюлозы в почвах загрязненных участков. Результаты исследований показали, что на разлагающих целлюлозных субстратах (куски льняной ткани) доминировали виды микромицетов, идентифицированные как Trichoderma viridea и Penicillium sp., незначительную долю составлял Aspergillus fumigatus.

В зоне вокруг промышленного комбината (№ 2 участок) был обнаружен только один вид микромицета: Trichoderma viridea, а из целлюлозоразрушающих бактерий только одним видом – Cytophaga.

Примечание: Р - разложившийся участки льняной ткани (источник целлюлозы). HP- не разложившийся участки ткани.

Рисунок 1. Степень разложения целлюлозы: а) на контрольном участке; б) 10 км от промышленного комбината; в) вокруг промышленного комбината; г) хвостохранилище №1; д) на расстоянии 1км; е) 6км от источника загрязнения

Литературные данные также подтверждают, что наиболее высокой устойчивостью к избытку тяжелых металлов в почвах северных территорий [4; 11; 13] обладают представители рода Trichoderma, хотя некоторые виды этого рода проявляют высокую чувствительность к повышению концентрациям в среде марганца, кадмия и никеля.

Тогда как, в контрольных образцах, а также на участках 10 км от источника загрязнения были обнаружены другие доминирующие виды микромицетов, рода Penicillium: P.vermiculatum, P.purpurogenum.

Таким образом, полученные данные показывают, что целлюлозо­литическая активность микроорганизмов отличается в загрязненных участках менее загрязненных и в большой степени она отличается от контрольных. Если в контрольных почвах интенсивность разложения целлюлозного субстрата за период исследования составила почти 90‑95 %, то в загрязненных почвах, всего 40-45 %, т. е. почти в два порядка ниже.

Видовое разнообразие микроорганизмов, участвующих в разложении целлюлозы в опытных и контрольных участках также имеет достоверное отличие. Если в контрольных образцах в разложении целлюлозы принимали активное участие обычные природные дест­рукторы, приспособленные к горным климатическим условиям, такие как микромицеты рода Penicillium: P.vermiculatum, P.purpurogenum. Тогда как в загрязненных почвах произошло перераспределение членов микробного сообщества, при этом доминирующими оказались более устойчивые к разным неблагоприятным факторам, в том числе и загрязнению виды.

Таким образом, выявление целлюлозолитической активности микроорганизмов в полевых условиях является важным биохимическим дополнительным критерием и индикационным признаком для оценки уровней загрязнения почв тяжелыми металлами.