Динамика численности основных групп микробного населения под насаждениями дубравы и сосны с березой в условиях различного антропогенного загрязнения

ДИНАМИКА ЧИСЛЕННОСТИ ОСНОВНЫХ ГРУПП МИКРОБНОГО НАСЕЛЕНИЯ ПОД НАСАЖДЕНИЯМИ ДУБРАВЫ И СОСНЫ С БЕРЕЗОЙ В УСЛОВИЯХ РАЗЛИЧНОГО АНТРОПОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

Э.А. Довлетярова

Кафедра безопасности жизнедеятельности и управления природными и техногенными рисками Российский университет дружбы народов ул. Миклухо-Маклая, 8/2, 117198 Москва, Россия

В статье изучена динамика численности основных групп микробного населения под насаждениями дубравы и сосны с березой в условиях различного антропогенного загрязнения на примере Лесной опытной станции Московской сельскохозяйственной академии имени К.А. Тимирязева.

Почвенные микроорганизмы, являясь основными компонентами почвенной биоты, выполняют огромные экологические функции. Они определяют уровень почвенного плодородия, самоочищающую способность почвы, фитосанитарную защиту.

При этом классики научного почвоведения В.В. Докучаев, П.А. Костычев и

В.Р. Вильямс рассматривали микробиологический фактор как один из основных звеньев, определяющих плодородие почвы, а следовательно, рост и развитие растений. Академик В.Н. Сукачев говорил: «При изучении биогеоценоза главное внимание должно сосредотачиваться на его строе, сложении и особенно на процессе превращения вещества и энергии в нем».

Принимая во внимание главенствующую роль микроорганизмов в процессах трансформации органического вещества в почве, понимание поведения, особенностей функционирования микробной компоненты будут способствовать выявлению механизма формирования устойчивых, продуктивных экосистем. Будучи исключительно чувствительными к малейшим изменениям состояния среды, микроорганизмы являются надежными индикаторами качества окружающей природной среды, что особенно важно для оценки устойчивости экосистем в условиях действия негативных антропогенных факторов.

Возможно более ранняя индикация нарушения функционирования фитоценозов позволит предотвратить необратимые последствия и снизить затраты на восстановление нарушенных экосистем.

В наших исследованиях расширены и дополнены основные направления изучения функционирования микробной компоненты в условиях действия повышенного антропогенного загрязнения ТМ и нерегулируемой рекреации, вызывающей переуплотнение почв.

Объектами исследования служили лесные насаждения, произрастающие на территории Лесной опытной дачи Московской сельскохозяйственной академии (ЛОД МСХА) в условиях различной антропогенной нагрузки.

Лесная опытная дача Московской сельскохозяйственной академии занимает площадь 232,3 га в северо-западной части г. Москвы и представляет собой вытянутый прямоугольник длиной 2,8 км и шириной 1,6 км. Научные исследования и наблюдения на этом уникальном объекте ведутся на протяжении более ста лет. Так, например, вот уже 100 лет проводятся таксационные исследования на постоянных пробных площадях, заложенных еще отечественным лесоводом М.К. Турским.

Для изучения влияния антропогенной нагрузки на почвенные микроорганизмы нами были проведены микробиологические исследования на территории пробных площадей, заложенных Мосиной Л.В. и Паракиным В.В. Так, нами были изучены, заложенные на территории Лесной опытной дачи пробные площади (№ 6,8,9), находящиеся на участках с естественной антропогенной нагрузкой в кварталах 3, 6, и пробные площади (№ 7,10,11) - с повышенной антропогенной нагрузкой в кварталах 1,2,5.

Несмотря на сравнительно небольшую территорию Лесной опытной дачи (232,3 га), в ней отчетливо проявляется общий тренд нарастания содержания тяжелых металлов в направлении от центра к периферии. Содержание тяжелых металлов (свинца, цинка, меди) на участках леса, прилегающих к городским магистралям (удаленность 100 м), значительно выше по сравнению с лесными массивами в центре ЛОД (удаленность от автомагистралей 500 м).

Важно отметить, что участки леса, произрастающего на пограничных с городом территориях (пробная площадь №7,10,11), отличаются повышенной суховершинностью, более подвержены различным заболеваниям, здесь страдают не только основные лесообразователи - насаждения I и II ярусов, но также подрост и подлесок. Чаще они полностью отсутствуют. У насаждений, расположенных в центре лесного массива, вдали от посещаемых населением мест (пробные площади №6,8,9), подрост и подлесок находятся в удовлетворительном состоянии. На этих пробных площадях также не отмечается явных признаков угнетения основных лесообразователей.

Почвенные образцы отбирались с пробных площадей с одинаковыми породным и возрастным составом древостоя, произрастающего на различном удалении от городской среды и разной рекреационной нагрузкой, что обеспечивало различные уровни антропогенного воздействия.

Образцы для микробиологического анализа отбирали в динамике по сезонам года из верхнего (10 см) слоя, где расположена основная масса всасывающих корней.

Для этого на пробных площадях выделялись модельные деревья (около 10 деревьев), под которыми по периметру проекции крон отбирали почвенные образцы 7-10 - кратной повторности [1].

Образцы тщательно перемешивались и составляли смешанный, в котором определяли микробиологические показатели.

Учитывая значимость гидротермического режима в развитии микроорганизмов, одновременно с определением микробной компоненты в каждом почвенном образце определяли температуру и влажность почвы (в трехкратной повторности). Микробиологические исследования проводили в свежих образцах почвы по общепринятой методике (Методы почвенной микробиологии и биохимии, 1991). Посевы проводились методом предельных почвенных разведений глубинным способом в четырехкратной повторности.

Общее количество аммонификаторов определяли путем посева почвенной суспензии на мясо-пептонный агар (МПА, pH 7,0-7.2), спорообразующие бактерии

- путем посева пастеризованной в течение 10 минут почвенной суспензии при 1:о=75...80оС на среду, состоящую из равных объемов мясо-пептонного агара и сусло-агара (МПА+СА, pH 7,0-7,2), общее количество микроорганизмов, использующих минеральные формы азота, в том числе актиномицеты - на крахмало-аммиачном агаре (КАА, pH 7,2-7,4); грибы - на подкисленном сусло-агаре (СА, pH 5,0-5,5). Численность микроорганизмов, выросших на питательных средах, пересчитывали с учетом влажности на 1 г абсолютно сухой почвы.

Результат динамических исследований основных групп микроорганизмов под изученными насаждениями представлены на рис. 1, 2.

Во все сроки исследования активность аммонифицирующих процессов выше на участках леса с минимальной антропогенной нагрузкой. Так, весной (май) численность микроорганизмов на МПА увеличивается более, чем в 2 раза: с 9,2±0,8 млн. клеток на участках 70-80- летней дубравы, произрастающей на пограничных с городом территории ЛОД, до 23,5 млн. клеток под однопородными одновозрастными древостоями в центре лесного массива

В веркнем 10-см слое

Рис. 1. Динамика численности аммонифицирующих микроорганизмов в почвах под лесными насаждениями ЛОД МСХА в условиях различного антропогенного воздействия:

(+) - естественная для ЛОД МСХА антропогенная нагрузка; (-) - повышенная для ЛОД МСХА антропогенная нагрузка

В летний период (июль) также отмечается почти двукратное снижение численности микроорганизмов на МПА (с 10,5 млн. до 3,9 млн.) под однопородными дубовыми древостоями.

Аналогичная зависимость проявляется в почвах и под другими изученными древостоями.

Снижение численности микроорганизмов в летний период связано с истощением доступных азотсодержащих органических веществ в почве, накоплением токсичных веществ, иссушением почвы и рядом других факторов, что согласуется с имеющимися литературными данными [2].

Антропогенный фактор также вносит существенные изменения в характер микробиологических процессов в почве, связанных с периодом вегетации.

В условиях минимального антропогенного воздействия под насаждениями, произрастающими в центре лесного массива, максимальная численность аммонифицирующих микроорганизмов установлена для осеннего периода, что связанно с поступлением в почву свежего органического вещества в период массового листопада. Подобная динамика характерна для микробиологических процессов в почве, что согласуется с рядом исследований [3, 5, 6, 7].

Иной характер носит динамика микроорганизмов, использующих органические формы азота, под насаждениями в условиях повышенного антропогенного воздействия.

Осенью в период массового листопада отмечается значительно меньшая по сравнению с весенним максимумом численность данной группы микроорганизмов, что, вероятно, объясняется увеличением загрязнения почвы тяжелыми металлами с опадающей листвой. То есть для процесса аммонификации в данной почве более значим не пищевой режим, а загрязнение данными токсикантами.

Так, в почвах 70-80-летней дубравы, произрастающей на пограничных с городом участках леса, осенний максимум в 1,5 раза ниже (6,8 млн. клеток в 1 г почвы) по сравнению с весенним (9,8 млн.). Среди древесных пород во все сроки исследования более высокая численность аммонификаторов отмечается под дубовыми древостоями. Так, в весенний период численность аммонифицирующих микроорганизмов составляла 20,5-23,5 млн. в 1г почвы, а под двухъярусными сосново-березовыми - лишь 15,8 млн. клеток в 1 г почвы.

Минимальное содержание микроорганизмов на МПА под сосново-березовыми древостоями объясняется, на наш взгляд, двумя причинами: с одной стороны, береза, обладая большей фолиарной способностью к поглощению ТМ, привносит более значительное загрязнение, что негативно сказывается на функционировании данного сообщества.

Другая причина ослабления процесса аммонификации органического вещества в почве объясняется наличием в составе данного фитоценоза сосны - древесной породы, исключительно неустойчивой к действию ТМ.

Эти два фактора, снижая устойчивость данного фитоценоза, ослабляют ассимиляционные процессы и таким образом уменьшают интенсивность синтеза органических веществ в фотосинтезирующем аппарате растений и их поступление по корневым системам. В конечном итоге это снижает биологическую активность почвы, и, в частности, ее аммонифицирующую способность.

Под однопородными дубовыми древостоями разного возраста наибольшая биологическая активность установлена под более молодыми - 70-80-летними фитоценозами по сравнению с приспевающими 100-120-летними, что обусловлено более активными возрастными физиолого-биохимическими процессами и связанной с этим большей ассимиляционной способностью и устойчивостью к действию антропогенного загрязнения.

Ш Дуб \Л1-\ЛИ ДубХ-Х11

мжсимапьная минимальная максимагьная минимальная мансимагъная мипиипгыия максимальная

антропогенная антропогенная антропогенная антропогенная антропогенная антропогенная антропогенная

нагрузка нагрузка нагрузка нагрузка нагрузка мгруэка нагрузка

май июль сентябрь ноябрь

Рис. 2. Динамика численности микроорганизмов, использующих минеральные формы азота, под насаждениями ЛОД МСХА в условиях различной антропогенной нагрузки

Аналогичная зависимость проявляется и у микроорганизмов, развивающихся на КАА (усваивающих минеральные формы азота) (рис.2).

Включение в биологический круговорот свинца также негативно влияет на микробиологические процессы, следствием чего является снижение численности

микроорганизмов, использующих минеральные формы азота, особенно осенью в период массового листопада.

Так, на участках леса с минимальной антропогенной нагрузкой в осенний период под 70 и 120-летними дубовыми древостоями и двухярусными насаждениями сосны с березой содержание микроорганизмов на КАА соответственно 36,4; 38,0; 21,0 млн. клеток в 1 г почвы. При увеличении антропогенной нагрузки (под насаждениями вблизи автомагистралей) численность микроорганизмов, использующих минеральные формы азота, снижается в этот срок исследования в несколько раз: 8,2; 6,4; 4,4 млн. клеток в 1 г почвы под соответствующими древесными породами.

Анализ климатических факторов (температуры и влажности почвы) показал благоприятствование условий для функционирования микроорганизмов, поэтому имеющиеся различия в численности и динамике микробиологических процессов следует отнести за счет влияния антропогенного загрязнения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Карпачевский И.О., Холопова Л.Б., Просвирина А.П. О динамике строения почвенного покрова в лесных биогеоценозах. - Почвоведение. - 1980. - № 5. -

С.40-49.

2. Комаревцева Л.Г. Процессы превращения растительных остатков в почве и формирование гумусового горизонта в условиях южной тайги. - Дис. ... канд. биол. наук. - М.: ТСХА. - 1972. - 266 с.

3. Кузьмина И. В. Микрофлора черноземов и оподзоленных почв западин. Автореф. канд. дисс. - М., 1973.

4. Методы почвенной микробиологии и биохимии. - Под ред. Д.Г. Звягинцева. -М.: Изд-во МГУ. - 1991. - 304 с.

5. Мишустин Е.Н., Мирзоева В.А., Громыко Е.П. Микрофлора черноземных почв.

- Микрофлора почв северной и средней чисти СССР. - М., 1966.

6. Мкртумян Н.Н. Микрофлора почв сухостепной зоны

- Автореф. канд. дисс. - Москва, 1973.

7. Моста Л.В. Антропогенное изменение лесных экосистем в условиях мегаполиса Москва. - Автореф. докт. дисс. - М., 2003.

DYNAMICS OF THE NUMBER OF THE BASIC GROUPS OF MICROBIAL POPULATION UNDER THE CULTIVATIONS OF OAK GROVE AND PINE TREE WITH THE BIRCH UNDER THE CONDITIONS FOR DIFFERENT ANTHROPOGENIC POLLUTION

E.A. Dovletyarova

Department of safety of vital activity and control of the natural and technogenic risks Russian People’s Friendship University st. Miklucho-Maklay, 8/2, 117198, Moscow, Russia

In the article is studied the dynamics of the number of the basic groups of microbial population under the cultivations of oak grove and pine tree with the birch under the conditions for different anthropogenic pollution based on the example to the forest experimental station of the Moscow agricultural academy of name K.A. Timiryazeva.