Биологическая активность почв сосновых фитоценозов Брянского полесья в условиях радиоактивного загрязнения

БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ПОЧВ СОСНОВЫХ ФИТОЦЕНОЗОВ БРЯНСКОГО ПОЛЕСЬЯ В УСЛОВИЯХ РАДИОАКТИВНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

Цветнова О.Б., Паников С.Н., Степанов А.Л.

The article is dedicated to study of biological activity of the soil in the contaminated pine tree forest of Bryansk Polessye.

В условиях глобального загрязнения окружающей среды широким спектром экотоксикантов, наряду с другими, остро встает проблема ухудшения биологических свойств почв. При любых изменениях этих свойств первыми на них реагирует биота. Вместе с тем известно, что из всех компонентов биоты почвенная микрофлора наиболее устойчива к радиоактивному загрязнению. Как правило, почвенные микроорганизмы не страдают при дозах губительных для высших растений и животных [5.10,12 и др.]. Так, было установлено, что численность микроорганизмов и содержание их метаболитов не находится в тесной прямой зависимости от уровня радиоактивного загрязнения почв. Однако также было показал

но, что при плотности загрязнения 150-200 Ки/км интенсивность биогенных процессов в почвах снижается, в то время как в диапазоне плотностей 10-50 Ки/км2 численность микроорганизмов и их метаболитов увеличивается. Кроме того, скорость миграции радионуклидов в почвах в значительной степени зависит от состояния микробиоты; с помощью таких биологических соединений, как ферменты, аминокислоты, нуклеиновые кислоты и др. возможен микробный метаболизм различных форм соединений радионуклидов в почвах [1,2,3].

Также было показано, что воздействие радиационного фактора на биоту усиливает наличие в почве комплекса загрязнителей различной природы. Воздействие на систему химических агентов даже в малых дозах может изменять биохимические параметры и тем самым влиять на биологические последствия действий ионизирующего облучения. Предполагается, что комбинированное воздействие радиации и одного или нескольких антропогенных факторов может изменить степень повреждения живых систем и привести к существенной модификации эффектов, установленных для изолированных факторов. При этом возможны два эффекта - аддитивный и синергический [7,10,12 и др.].

Все это свидетельствует от том, что проблема оценки влияния радиоактивного загрязнения на почвенную микробиоту не теряет своей актуальности. Последнее послужило целью настоящих исследований.

Работы проводились в 2004-2006 гг. на стационарном ключевом участке, заложенном на выровненном участке зандровой равнины в сосняке-зеленомошнике 60-летнего возраста на подзолистых иллювиально-железистых песчаных почвах (Красногорский район Брянской области, Красногорское лесничество). Плот-

137

ность загрязнения данной территории по Cs на начало исследований составляла 5200 кБк/м2 [11].

Для оценки ряда показателей биологической активности производился отбор почвенных образцов из слоя 0-5 см в центральных точках разбитой сети

квадратов в 30 кратной повторности. В данных образцах после их высушивания

137

и гомогенизации проводилось определение удельной активности Cs на сцин-тилляционном гамма-спектрометре с NaI-детектором. Обработка амплитудного спектра импульсов осуществлялось с помощью программы ПРОГРЕСС. Относительная погрешность определения радионуклидов составляла 10-25%.

137

Для массива данных по удельной активности Cs мы провели статистическую обработку, на основании которой выбрали образцы с показателями, соответствующими минимальному, максимальному и среднему значению удельной активности 137Cs (табл.1).

Таблица 1 - Статистические показатели пространственной неоднородности

137

удельной активности Cs

М Min Max Стандартное отклонение V,%

32,72 15,98 68,43 12,88 39,6

В указанных образцах нами было проведено определение ряда показателей биологической активности почв. В качестве параметров биологической активности нами были исследованы эмиссия углекислого газа, эмиссия метана, азотфик-сирующая и денитрифицирующая активность. Определение данных параметров проводили стандартными методами, принятыми в почвенной микробиологии [6,9].

Проведенные исследования показали, что уровень биологической активности почв существенно различается в зависимости от показателей радиоактивного загрязнения (рис. 1 - 4).

Так, интенсивность дыхания была наименьшей при значениях удельной ак-

137

тивности почв по Cs, близких к минимальным. С ростом удельной активности

137

почв по Cs интенсивность дыхания возрастает примерно на 30% (рис.1).

Дыхание CO2

J- 25

О

Ч 20

10 5

2

номер образца

40

35

30

2 15

0

3

Рисунок 1 - Интенсивность дыхания в 0-5 см слое исследуемых почв (Условные обозначения: 1 - образцы с уровнем загрязнения, близким к минимальному

137

показателю удельной активности Cs; 2 - близким к среднему, 3 - близким к максимальному)

Возможным объяснением этой зависимости может служить возрастание интенсивности дыхания на продуктах лизиса микробных клеток под действием радионуклидов [ 4 ].

Определение азотфиксирующей активности почв в целом подтвердило высказанное предположение. Так, максимум фиксируемых молекул азота отмечен в

131

образцах с максимальными показателями удельной активности Сб (рис. 2).

азотфиксация N2

0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0,05 0

2

номер образца

Рисунок 2 - Азотфиксирующая активность 0-5 см слоя исследуемых почв

Увеличение интенсивности азотфиксирующей активности почвы при высокой концентрации радионуклидов может привести к возрастанию содержания азота в таких условиях, что подтверждается более высоким уровнем денитрифи-кационной активности в тех же образцах с максимальной удельной активностью 137СБ.

Исследование цикла молекулярного азота в почвах показало, что изучаемый фактор приводит к значительному изменению биологического баланса азота в изучаемых образцах. Активность азотфиксации достигала 0,4 нмоль/г*ч, а активность денитрификации колебалась в пределах от 30 до 90 нмоль/г*ч азота. Отмеченная закономерность свидетельствует о теоретической возможности снижения запасов минерального азота в долгосрочном прогнозе под действием изучаемого фактора.

Определение активности денитрификации по скорости эмиссии К20 из почвы указывает на отчетливую тенденцию роста этого показателя при увеличении уровня загрязнения почв. Об этом свидетельствуют данные по снижению активности редуктазы под действием гамма-излучения [8], что приводит к преимущественному выделению в продуктах денитрификации К20, а не молекулярного азота.

Теоретически возможно усиление парникового эффекта под действием исследуемого фактора. Изучение трансформации органического вещества анаэробными сообществом почв показало, что анаэробные микроорганизмы более устойчивы к действию фактора, что определяется возрастанием скорости биологической репарации в отсутствии свободного кислорода.

3

номер образца

Рисунок 3 - Денитрифицирующая активность 0-5 см исследуемых почв

Вместе с тем, оценка активности анаэробного сообщества микроорганизмов в разных вариантах опыта указывает на незначительное влияние изучаемого фактора на активность метаногенных архебактерий (рис.4). Об этом же свидетельствует отсутствие различий между первым и вторым вариантами опыта. Это позволяет сделать вывод о слабом влиянии ионизирующего излучения на активность строго анаэробных архебактерий в исследуемых почвах.

В целом на основании проведенных исследований можно заключить, что радиоактивное загрязнение почв в наибольшей степени сказывается на таких показателях биологической активности, как интенсивность дыхания, процессы азот-фиксации и денитрификации. Влияние данного фактора на активность метано-генных архебактерий незначительно, что может быть интерпретировано как их большая устойчивость к условиям повышенной радиации и УФ излучения на на-

131

чальных этапах эволюции. Рост удельной активности почв по Cs (более чем в 4 раза) приводит к усилению интенсивности дыхания (примерно на 30%), а также к увеличению активности азотфиксации (до 0,4 нмоль/г*ч) и детитрификации (до 30-90 нмоль/г*ч). Это обусловлено гибелью нерезистентной части микробной биомассы почв и развитием на продуктах лизиса устойчивых микробных популяций. При этом доля N2O в газообразных продуктах денитрификации возрастает из-за снижения активности редуктазы закиси азота в рассматриваемых условиях, что может сопровождаться отрицательными экологическими последствиями, в частности аккумуляцией парниковых газов.

СН4

0,014 и

0,012

0,01----- -

у

<L

§ 0,008 --- - -

О -ü

§ 0,006 --- - -

2 х

0,004 -------

0,002 --- - -

0 -I---1---1---

1 2 3

Номер образца

Рисунок 4 - Метаногенная активность 0-5 см исследуемых почв

Литература

1. Ефремов А.Л. Индикация радионуклидного загрязнения хвойных лесов по активности почвенной микробиоты // Почвоведение. - 1997. -№ 6.- С. 743-749

2. Ефремов А.Л. Биологическая активность и динамика разложения аппликационных материалов в почвах лесных биогеоценозов в связи с их радионуклидным загрязнением // Почвоведение. -1999.- № 10. -С. 1273-1279

3. Ефремов А.Л. Динамика почвенной микрофлоры и микробных метаболитов в условиях радиоактивного загрязнения // Радиоактивность при ядерных взрывах и авариях. Тез. докл. междун. конф. -СПб: Гидрометеоиздат, 2006.- С. 218

4. Звягинцев Д.Г. Почвы и микроорганизмы. -М.:МГУ, 1987. -255 с.

5. Марадудин И.И., Панфилов А.В., Шубин В.А. Основы прикладной радиоэкологии леса: -М.: ВНИИЛМ, 2001 - 224 с.

6. Методы почвенной микробиологии и биохимии /ред. Звягинцев Д.Г. -М.:МГУ, 1991. -304 с.

7. Просянникова С. П. Влияние агрогенной нагрузки на микробиоту почв, загрязненных радионуклидами. Автореф. канд. диссертации. -М., 1995. -24 с.

8. Степанов А.Л., Егорова Е.В., Влияние гамма излучения на выживаемость и денитрифицирующую активность Pseudomonas fluorescens в дерново-подзолистой почве // Вестник МГУ, серия 17. Почвоведение.- 1991.- №3. -с.61-64.

9. Степанов А.Л., Лысак Л.В. Методы газовой хроматографии в почвенной микробиологии: Учебно-методическое пособие. - М.: МАКС Пресс, 2002. -88с.

10. Щеглов А.И., Цветнова О.Б. Радиоактивное загрязнение почв /«Деградация и охрана почв. Радиоактивное загрязнение почв». - М.: МГУ, 2002. -С. 373-400.

11. Щеглов А.И., Цветнова О.Б. Пространственное распределение радионуклидов и тяжелых металлов в лесных почвах Брянского полесья // Актуальные проблемы лесного комплекса. Труды БГИТА. Вып. 9. -Брянск, 2004. - С. 138-141.

12. Ярмоненко С.П. Радиобиология человека и животных. - М.: Высшая школа, 1988. -424 c.