Решение о регистрации выдано: Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций. ЭЛ № ФС 77 - 68501, от 27 января 2017.
Live and bio-abiotic systems
ISSN 2308-9709 (Online)
Научное электронное периодическое издание
Южного федерального университета

Микробная биомасса и базальное дыхание карьерно-отвальных комплексов с различными субстратами

УДК:
DOI: 10.18522/2308-9709-2016-16-9
34
 Исследования были проведены на самозарастающих и рекультивированных карьерах Северо-Запада России. Были оценены основные биологические показатели, такие как содержание микробной биомассы, базальное дыхание почв и микробный метаболический коэффициент. Для всех изученных карьеров характерен низкий уровень биологической активности

Ключевые слова: микробная биомасса, базальное дыхание, метаболический коэффициент, карьеры строительных материалов.

Microbial biomass and basal soil respiration of quarry-dumps systems with different substrates Dmitrakova Ianina Aleksandrovna, Abakumov Evgenij Vasilevich. Abstract: The study was carried out at nonreclaimed and recultivated quarries with different soils in the North-West of Russia. The basic biological indicators such as microbial biomass content, basal soil respiration and  metabolic quotient were measured. For all quarries the level of microbiological activity is low.

Keywords: microbial biomass, basal soil respiration, metabolic quotient, quarries.

Первые описания сложных взаимоотношений между живыми и косными системами появились в работе В. В. Докучаева «Русский чернозем». Именно он собрал воедино множество факторов, влияющих на педогенез, и указал на необходимость изучения различных типов почв, в частности нарушенных в результате деятельности человека [7]. Стоит отметить, что идеи великого русского ученого и в настоящее время имеют ведущее значение в современных исследованиях природы нашей страны.

Почвенные микроорганизмы – обязательный компонент любого биогеоценоза, выполняющий ряд важных метаболических и экофизиологических функций. Они участвуют в восстановлении растительного покрова и процессах круговорота веществ, способствуют поддержанию почвенного плодородия и регулируют отдельные звенья процесса гумификации [5,6]. Первоочередная роль почвенной биоты в корневом питании растений состоит в её способности переводить недоступные и малодоступные формы химических соединений, в элементы, которые способны усваиваться растениями [3]. Установлено влияние почвенных микроорганизмов на стабилизацию кислотно-основного баланса, трансформацию корневых эксудатов, выделение ферментов, активно действующих на растения, кроме того было показано снижение уровня негативных последствий токсичных веществ на компоненты биогеоценозов [4]. Некоторые авторы отмечают способность биоты разрушать и синтезировать гуминовые вещества, улучшать физические параметры почв, воздушный, водный и другие режимы почв [8]. Биологическое состояние почв, которое в большей степени оценивается по микробиологической активности, рассматривается некоторыми исследователями как критерий почвообразовательных процессов [1]. Таким образом, положительные функции микробного сообщества можно свести к трансформации почвенных компонентов и свойств, трансформации чужеродных загрязняющих элементов и восстановлению естественного профиля почв [4, 2].

Карьеры по добыче строительных материалов могут характеризоваться высоким уровнем эмиссии СО2 в атмосферу, постепенно, по мере восстановления сообществ начинают преобладать процессы депонирования (секвестрации) углекислого газа из атмосферы. Принято считать, что микробная биомасса является индикатором процессов накопления и минерализации органического вещества [13]. Во многих странах содержание углерода микробной биомассы, оцененное методом субстрат индуцированного дыхания, рассматривается как индекс качества почвы [12]. Состояние микробоценозов реплантоземов изучено довольно плохо, при этом именно этот компонент играет важнейшую роль в поддержании устойчивости сообществ и развитии экосистем. Кроме того, принимая во внимание все вышеупомянутые аспекты, особенно актуальным является изучение состояния микробиологического компонента на техногенных местообитаниях. Целью данного исследования являлась оценка количественного содержания микробного компонента и его активности.

Объекты и методы

Исследование проводили на территории 7 карьерно-отвальных комплексов. Пять из них расположены на территории Ленинградской области: 2 карьера по добыче известняка в поселках Елизаветино и Печурки, 1 – по добыче известнякового туфа в пос. Пудость, карьер по добыче песчано-гравийных отложений в п.  Колтуши, месторождение фосфоритов в Кингисеппском районе, и 2 карьера расположено в Новгородской области – карьер по добыче песчано-гравийных отложений в дер. Окуловка и карьер по добыче огнеупорных глин в Устье-Брынкино (рис. 1).  

Рис. 1. Месторасположение объектов исследований


Обозначение карьеров: 1 – карьер по добыче известняка (Елизаветино); 2 – карьер по добыче известнякового туфа (Пудость); 3 – карьер по добыче известняка (Печурки); 4 – месторождение фосфоритов в Кингисеппском районе; 5 – карьер по добыче песчано-гравийных отложений (Колтуши); 6 – карьер по добыче песчано-гравийных отложений (Окуловка); 7 – карьер по добыче огнеупорных глин (Устье-Брынкино).

На каждом карьере были выделены основные экотопы, соответствующие элементарному почвенному ареалу, и проведен отбор образцов для лабораторных исследований. Характеристика объектов исследования приведена в таблице 1.

Таблица 1 – Характеристика объектов исследования

№ участка

Особенности участка

Карьер по добыче известняка (Елизаветино, Ленинградская область)

1

Самозарастающий отвал отсева с зарослями ивы

2

Самозарастающее плотное днище, покрытое травянистым сообществом

3

Террасированная щебнистая поверхность, занятая мелколиственным лесом

Карьер по добыче известкового туфа (Пудость, Ленинградская область)

1

Рыхлый отвал элювия туфа, покрытый ельником

2

Скальное днище, покрытое травянистой растительностью

3

Окраина болота, с зарослями ивы

Карьер по добыче известняка (Печурки, Ленинградская область)

1

Рекультивированный участок под лиственницей

2

Самозарастающее днище карьера, покрытое мхами

3

Самозарастающий отвал, покрытый мелколиственным лесом

Карьер по добыче фосфоритов (Кингисеппский район, Ленинградская область)

1

 Рекультивированный участок под елью

2

Рекультивированный участок под лиственницей

3

Рекультивированный участок под сосной

Карьер по добыче песчано-гравийных отложений (Колтуши, Ленинградская область)

1

Органический субстрат, используемый для горно-технической рекультивации

2

Рекультивированное днище под мелколиственным лесом

3

Террасированная поверхность, проведена биологическая рекультивация травами

4

Органогенный субстрат с большим количеством строительного мусора, используемый для рекультивации

Карьер по добыче песчано-гравийных отложений (Окуловка, Новгородская область)

1

Самозарастающий трансэлювиально-аккумулятивный экотоп, покрытый сосняком

2

Самозарастающее днище, покрытое сосняком

Карьер по добыче огнеупорных глин

1

Трансэлювиально-аккумулятивный экотоп, биологическая рекультивация травами

2

Отвал, прошедший горнотехническую рекультивацию, покрытый мелколиственным лесом

3

Не рекультивированный отвал пиритосодержащей породы

 

Задачей исследования было количественное определение углерода микробной биомассы методом СИД. Общую микробную биомассу определяли с помощью субстрат индуцированного дыхания, которое фиксирует дополнительный отклик микроорганизмов на внесение питательного субстрата (глюкозы) [10]. Расчет проводили согласно формуле, предложенной J. P. E. Anderson [11]:

Смик (мкг С/г почвы) = СИД (мкл CО2/г почвы в час) ×40.04 + 0.37.

Также нами оценивалось базальное дыхание почвы, определяемое по методике СИД, но в необогащенной субстратом почве. Микробный метаболический коэффициент (удельное дыхание микробной биомассы) найден как отношение величины базального дыхания к показателю углерода микробной биомассы: qСО2(мкг СО2 С/мг Смик/ч) = БД/Смик.

Результаты и обсуждение

Содержание микробной биомассы всегда было максимально в подстилке, значения составляли от 8,9 до 65, 6 мкг С/г почвы, различия между этими величинами составляли почти 7 раз (табл. 2). Смик максимален в подстилке трансэлювиально-аккумулятивного экотопа на карьере по добыче песчано-гравийных отложений в Новгородской области. Микробная биомасса подстилки всех остальных участков значительно меньше (от 13,0 до 8,9 мкг С/г почвы). Содержание Смик во всех остальных горизонтах изменяется в узких пределах от 1,0 до 4,7 мкг С/г почвы. Как правило, наблюдается тенденция уменьшения этого показателя вниз по почвенному профилю. В целом, можно отметить очень низкое содержание почвенной микробной биомассы во всех изученных образцах по сравнению с естественными экосистемами, что говорит о медленной скорости восстановления почвенного покрова.

 Таблица 2 – Основные микробиологические показатели почв

Участок

 

Горизонт

Смик, мкг С/г почвы

БД, мкг СO2–С/г в час

qCO2,

мкг СO2–С/мг Смик в час

Карьер по добыче известняка (пос. Елизаветино, Ленинградская обл.)

1

АY

2,4

0,018

0,008

C

2,0

0,027

0,013

2

AY

2,3

0,032

0,012

C

1,8

0,009

0,007

3

AY

1,9

0,019

0,012

AC

1,8

0,013

0,007

C

1,4

0,028

0,018

Карьер по добыче известкового туфа (Пудость, Ленинградская обл.)

1

О

12,4

0,200

0,016

А

2,5

0,029

0,011

АС

2,9

0,025

0,007

С

1,4

0,023

0,017

2

А

2,9

0,032

0,008

АС

2,0

0,024

0,010

С

2,0

0,026

0,015

Карьер по добыче известняка (Печурки, Ленинградская обл.)

1

А

4,7

0,023

0,005

С

3,7

0,041

0,010

2

А

3,6

0,032

0,009

С

3,8

0,018

0,005

3

А

4,3

0,021

0,005

С

3,1

0,018

0,006

Карьер по добыче фосфоритов (Кингисеппский район, Ленинградская область)

1

О

8,9

0,152

0,011

АY

2,4

0,073

0,021

АС

1,6

0,023

0,013

2

О

13,0

0,091

0,007

АУ

2,1

0,022

0,010

С

1,6

0,035

0,019

3

О

11,0

0,094

0,008

АY

1,6

0,032

0,019

Асg

1,5

0,013

0,007

Карьер по добыче песчано-гравийных отложений (Колтуши, Ленинградская обл.)

1

органострат

1,6

0,031

0,019

2

О

11,4

0,092

0,008

AY

1,6

0,021

0,013

C

1,0

0,013

0,013

3

A

1,9

0,024

0,012

C

1,4

0,021

0,015

4

органолитострат

1,8

0,029

0,016

Карьер по добыче песчано-гравийных отложений (Окуловка, Новгородская обл.)

1

О

65,6

0,208

0,003

А

4,5

0,031

0,007

С

3,8

0,009

0,003

2

RY

4,3

0,013

0,003

C

3,9

0,016

0,004

Карьер по добыче огнеупорных глин (Устье-Брынкино, Новгородская обл.)

1

АY

2,8

0,043

0,014

АС

2,5

0,040

0,015

С

2,5

0,031

0,014

2

AY

3,2

0,042

0,011

AC

2,5

0,037

0,018

C

1,1

0,009

0,012

3

С

1,0

0,008

0,014

С

1,6

0,021

0,012

 

Базальное (микробное) дыхание изученных почв изменялось в пределах от 0,008 до 0,208 мкг СO2–С/г в час, различие между этими величинами в 26 раз. Как и в случае с содержанием микробной биомассы микробиологическое дыхание максимально в подстилке. Каких-либо значительных отличий между органоминеральными и минеральными горизонтами по данному показателю выявлено не было. Скорость продуцирования углекислоты на изученных участках намного ниже, чем у ненарушенных почв, что свидетельствует о низкой биологической активности.

Показатели базального дыхания и содержание микробной биомассы сильно зависят от таких параметров как влажность и температура [9]. В связи с этим, нами был рассчитан микробный метаболический коэффициент, который относится к интегральным показателям биологического состояния почв. Значения данного показателя варьировали от 0,003 до 0,021 мкг СO2–С/мг Смик в час, различия между этими показателями в 7 раз. На карьере по добыче песчано-гравийных отложений отмечены минимальные значения qCO2. Полученные результаты свидетельствуют о пониженной устойчивости микробных сообществ и неэффективном использовании органического субстрата.

Выводы

Установлено, что на изученных карьерах с различными субстратами довольно низкий уровень интенсивности микробиологических процессов. По величине микробной биомассы исследуемые образцы можно расположить в ряд: подстилка > органоминеральный горизонт > порода. Значения микробного метаболического коэффициента, которые не превышали 0,021 мкг СO2–С/мг Смик в час, свидетельствуют о нестабильном функционировании микробных сообществ. Таким образом, вне зависимости от типа субстрата и растительного сообщества восстановление микробиологической активности нарушенных земель крайне замедленно.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ мол-а-вед 15-34-20844.

Список литературы:

1. Ананьева Н.Д., Микробиологические аспекты самоочищения и устойчивости почв. М.: Наука, 2003. – 223 с.

2. Ананьева  Н.Д.,  Благодатская  Е.В.,  Демкина  Т.С.  Оценка  устойчивости  микробных комплексов почв к природным и антропогенным воздействиям  // Почвоведение. 2002. № 5. С. 580-587.

3. Белоголова  Г.А.,  Соколова  М.Г.,  Пройдакова  О.А.  Влияние  почвенных  бактерий  на поведение химических элементов в системе почва-растение // Агрохимия. 2011. № 9.  С. 68-76.

4. Войно  Л.И.,  Павликова  Т.А.,  Сидоренко  О.Д.  Устойчивость  и  изменение  численности почвенных  микроорганизмов  при нефтезагрязнении  почвы  //  Высокоэффективные технологии, методы и способы для их реализации. М.: Изд-во МГУП, 2003. С. 160-162.

5. Добровольский  Г.В.,  Никитин  Е.Д.  Сохранение  почв  как незаменимого  компонента биосферы:  Функционально-экологический подход.  М.:  МАИК  «Наука,  Интерпериодика», 2000. 185 с.

6.  Добровольский  Г.В.,  Никитин  Е.Д.  Экология  почв.  М.:  Издательство Московского университета, 2012. 412 с.

7. Докучаев В. В. Русский чернозем // Избр. соч. М.: Гос. изд-во с.-х. лит., 1948. Т. 1. 480 с.

8. Козлов А.В, Селицкая О.В., Значение микроорганизмов в поддержании устойчивости почв к воздействию антропогенных факторов // Вестник Мининского университета. 2015. № 3 (11). С. 27.

9. Приходько В. Е., Сиземская М. Л., Базальное дыхание и состав микробной биомассы целинных, агро- и лесомелиорированных полупустынных почв Северного Прикаспия  // Почвоведение. 2015. № 8. С. 974

10. Ananyeva N.D., Susyan E.A., Chernova O.V., Wirth S. Microbial respiration activities of soils from different climatic regions of European Russia // European J. of Soil Biology. 2008. V. 44. № 2. P. 147–157.

11. Anderson J. P. E., Domsch K. H. A., 1978. Phisiological method for the quantitative measurement of microbial biomass in soils // Soil Biol. Biochem. 1978, V. 10. № 3. P. 215–221.

12. Conrad R. Soil Microorganisms as controllers of atmospheric trace gases (H2, CO, CH4, OCS, N2O, and NO) // Microbiological Reviews. 1996. V. 60. № 4. P. 609–640.

13. Jenkinson D.S., Ladd J.N. Microbial biomass in soil: measurement and turnover // Soil Biochemistry/ Eds. Paul E.A., Ladd J.N.,N Y: Marcel Dekker, 1981. V. 5. P. 415–471.

Spisok literatury

1. Anan'eva N.D., Mikrobiologicheskie aspekty samoochishheniya i ustojchivosti pochv. M.: Nauka, 2003. – 223 s.

2. Anan'eva  N.D.,  Blagodatskaya  E.V.,  Demkina  T.S.  Ocenka  ustojchivosti  mikrobnyx kompleksov pochv k prirodnym i antropogennym vozdejstviyam  // Pochvovedenie. 2002. № 5. S. 580-587.

3. Belogolova  G.A.,  Sokolova  M.G.,  Projdakova  O.A.  Vliyanie  pochvennyx  bakterij  na povedenie ximicheskix e'lementov v sisteme pochva-rastenie // Agroximiya. 2011. № 9.  S. 68-76.

4. Vojno  L.I.,  Pavlikova  T.A.,  Sidorenko  O.D.  Ustojchivost'  i  izmenenie  chislennosti pochvennyx  mikroorganizmov  pri neftezagryaznenii  pochvy  //  Vysokoe'ffektivnye texnologii, metody i sposoby dlya ix realizacii. M.: Izd-vo MGUP, 2003. S. 160-162.

5. Dobrovol'skij  G.V.,  Nikitin  E.D.  Soxranenie  pochv  kak nezamenimogo  komponenta biosfery:  Funkcional'no-e'kologicheskij podxod.  M.:  MAIK  «Nauka,  Interperiodika», 2000. 185 s.

6.  Dobrovol'skij  G.V.,  Nikitin  E.D.  E'kologiya  pochv.  M.:  Izdatel'stvo Moskovskogo universiteta, 2012. 412 s.

7. Dokuchaev V. V. Russkij chernozem // Izbr. soch. M.: Gos. izd-vo s.-x. lit., 1948. T. 1. 480 s.

8. Kozlov A.V, Selickaya O.V., Znachenie mikroorganizmov v podderzhanii ustojchivosti pochv k vozdejstviyu antropogennyx faktorov // Vestnik Mininskogo universiteta. 2015. № 3 (11). S. 27.

9. Prixod'ko V. E., Sizemskaya M. L., Bazal'noe dyxanie i sostav mikrobnoj biomassy celinnyx, agro- i lesomeliorirovannyx polupustynnyx pochv Severnogo Prikaspiya  // Pochvovedenie. 2015. № 8. S. 974

10. Ananyeva N.D., Susyan E.A., Chernova O.V., Wirth S. Microbial respiration activities of soils from different climatic regions of European Russia // European J. of Soil Biology. 2008. V. 44. № 2. P. 147–157.

11. Anderson J. P. E., Domsch K. H. A., 1978. Phisiological method for the quantitative measurement of microbial biomass in soils // Soil Biol. Biochem. 1978, V. 10. № 3. P. 215–221.

12. Conrad R. Soil Microorganisms as controllers of atmospheric trace gases (H2, CO, CH4, OCS, N2O, and NO) // Microbiological Reviews. 1996. V. 60. № 4. P. 609–640.

13. Jenkinson D.S., Ladd J.N. Microbial biomass in soil: measurement and turnover // Soil Biochemistry/ Eds. Paul E.A., Ladd J.N.,N Y: Marcel Dekker, 1981. V. 5. P. 415–471.