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.