Трансформация биологических свойств почвогрунтов посттехногенных ландшафтов Бородинского угольного разреза в Рыбинской лесостепи

ТРАНСФОРМАЦИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЧВОГРУНТОВ ПОСТТЕХНОГЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ БОРОДИНСКОГО УГОЛЬНОГО РАЗРЕЗА В РЫБИНСКОЙ

ЛЕСОСТЕПИ

Антонов Георгий Иванович

Кандидат биологических наук, младший научный сотрудник лаборатории микробиологии и экологической биотехнологии

ФГБУН Институт леса им. В.Н. Сукачева СО РАН, г. Красноярск

Чмуж Ольга Андреевна Магистр -2го года обучения базовой кафедры биотехнологии ФГАОУ ВПО Сибирский Федеральный Университет, г. Красноярск TRANSFORMATION OF SOIL BIOLOGICAL PROPERTIES OF BORODINO MINE TIP POSTTECHNOGENIC LANDSCAPES IN THE RYBINSK FOREST-STEPPE

Antonov G.I.

Laboratory of microbiology and ecological biotechnology FSBIS Institute of forest V.N.Suckachev Candidate of biological scienses, junior research associate

Chmuzh O.A.

FSAEIHPE Siberian Federal University The Basic department of biotechnology 2nd year student of magistracy

АННОТАЦИЯ

Проведена оценка биохимической активности техногенных почв угольных отвалов. Выявлено повышение уровня активности фермента пероксидазы в верхнем слое почвы, что является индикатором стрессового размножения определенных групп почвенных микроорганизмов. В пользу этого говорит также увеличение доли трудногидролизуемого азота в исследуемых литостратах и реплантоземах, так как легкогидролизуемая фракция расходуется на питание микробов. Подробный дальнейший анализ биологических процессов в техногенных почвах угольных отвалов поможет выбрать прием биологической рекультивации нарушенных земель и разработать способы повышения плодородия вскрышных пород.

ABSTRACT

The estimation of biochemical activity of technogenic mine soils is conducted. Increase of a level of peroxidase activity in the topsoil that is the indicator of stressful generation of the certain groups of soil microorganisms is revealed. In favor of it speaks also increase in share hard-hydrolyzable nitrogen in investigated litostrates and recultivating soils as light nitrogen fraction used for a feed of microbes. The detailed further analysis of biological processes in technogenic mine soils coal will assist to choose reception biological recultivation the disturbed lands and to develop ways of increase of overburden fertility.

Ключевые слова: техногенные ландшафты, угольные отвалы, биологическая активность техногенных почв, биологическая рекультивация нарушенных земель

Keywords: technogenic landscapes, mine tips, biological activity of technogenic soils, biological recultivation of disturbed lands

Введение

Разработка угольных месторождений является причиной образования техногенных ландшафтов. При данном антропогенном воздействии почва, как неотъемлемый компонент экосистемы претерпевает некоторые трансформации, что в итоге отражается на ее лесорастительной способности. Разработка Бородинского буроугольного месторождения привела к коренной трансформации ландшафта с изменением рельефа, нарушением гидрологического режима, уничтожением крупного фрагмента целостной лесостепной экосистемы. Общая площадь нарушенности территории деятельностью разреза составялет 4,0 тыс. га., из которых 22,2% занимают старые рекультивированные отвалы (возрастом более 25 лет), 6% приходится на средневозрастные (12-15 лет), 13,9% - на сежие (до 5 лет) [5,7].

Объекты и методы исследования

В структуре почвенного покрова Рыбинской лесостепи преобладают черноземы глинисто-иллювиальные ти-

пичные, глинисто-иллювиальные глееватые, а также их агроестесственные типы под остепненными лугами и их сельскохозяйственными угодьями. Имеются также островные участки лиственнично-сосновых и осиново-березовых лесов, сформированных на серых и дерново-подзолистых почвах. Все пробные площади (ПП) были заложены сотрудниками лаборатории техногенных лесных систем ФГБУН Институт леса СО РАН под руководством А.С. Шишикина.

В качестве техногенно-преобразованных ландшафтов исследовали участки различной окультуренности, длительности и типа рекультивации разреза. За контроль взяты 70-летний березняк, сформированный на серой почве O-AY-AEL-BEL-BT-C и залежный злаковый луг с агрочер-ноземами глинисто-иллювиальными типичными Ри-(Аи)-BI-C(Ca). Почвы техногенных ландшафтов представлены литостратами: (11111 (отвал 1985 года), ПП16 (отвал 2005 года) и ПП19 (отвал 2003 года)) и реплантоземами: (11112 (отвал 1982 года), ПП9 (отвал 2006 года) и ПП18 (отвал 2003

года с высаженными культурами сосны Pinus sylvestris)), где было произведено выравнивание и при рекультивации нанесен поверхностный плодородный слой. Контрольные участки ПП11 и ПП13 - лесная и луговая экосистемы соответственно.

Цель работы - биоиндикация почвенных экологических условий и диагностика биологических процессов, протекающих в почвогрунтах посттехногенных ландшафтов Бородинского разреза.

Для оценки биологических свойств почвы использовались показатели ак-тивности ферментов окислительно-восстановительной группы (каталаза, пероксидаза и полифе-нолоксидаза) и фракционного состава почвенного азота. Гумусное состояние почвы определяли методом И.В. Тюрина в модификации Б.А. Никитина. Для определения содержания валового азота в почве применялся метод мокрого озоления в присутствии хлорной кислоты по Кьельдалю. Для определения гидролизуемых форм использовалась методика ступенчатого щелочного гидролиза по Корнфилду в чашках Конвея с помощью NaOH. Потенциальную минера-лизационную активность оценивали по накоплению аммонийного азота (N-NH4) после 2-недельного компостирования образцов почвы в оптимальных условиях температуры

(28°С) и влажности (60%) с последующим колориметриро-ванием с реактивом Несслера при 440 нм [1,3,4].

Результаты и их обсуждение

Почвы контрольных участков отличаются высоким содержанием гумуса в верхнем биологически активном слое 0-10 см. - серая под березняком (ПП11) - 8,5% и агрочер-нозем в луговой экосистеме (ПП13) - 6,8%. Содержание валового азота в данном слое на ПП11 - 182 мг/100 г, на ПП13 - 359 мг/100 г. Содержание подвижного азота - 3,9 и 17,2 мг/100 г. Содержание гумуса на литострате ПП16 и - 7,2%, валового азота - 130,5 мг/100 г. Содержание гумуса на реплантоземе ПП2 - 8,6%, азота - 220,5 мг/100 г. На более свежем реплантоземе ПП9 содержание гумуса - 6,9%, азота 128,3 мг/100 г. При этом на реплантоземах отмечается повышенное содержание аммонийной формы азота в исследуемом слое до 24,3 мг/100 г [2].

Оценка почвенных гидротермических условий в течении вегетационного периода показала, что температура поверхности угольных отвалов колеблется от 13 до 16,70С, что несколько выше чем на контроле ПП11 и ПП13 (11,2 и 12,80С). Однако исследуемый биологически-активный слой 0-10 см лучше всего прогревается на свежем литострате ПП16 (Рис.1).

Поверхность  0-5  5-10  10-20

18 16 О 14 °я 12 ^ 10 8 6 4 2 0

ш о.

ф

ф

ПП1. Литострат 1985 г.

ПП2. Реплантозем 1982 г.

ПП9. Реплантозем 2006 г.

ПП11. Контроль. Лес.

ПП13. Контроль. Луг

ПП16. Литострат 2005 г.

Рисунок 1. Средняя температура техногенных ландшафтов Бородинского разреза и контрольных участков.

Анализ ферментативной активности почвы показал достаточно высокие показатели окислительных процессов, причем как в нарушенных техногенных почвогрунтах так и на контрольных почвах. Каталазная активность более проявлена на литострате с высаженными культурами (ПП19) - до 3 ф.е. Со сменой сезона, в 2013 году ее активность увеличивалась во всех исследуемых местообитанииях, как на отвалах, так и на контроле. Максимум активности катала-зы приходится на агрочерноземные почвы луговой экосистемы (до 7,0 ф.е.) и свежий литострат ПП16 (до 4,3 ф.е.). Полифенолоксидазы и пероксидазы (ПФО и ПО) участву-

ют в процессах гумусообразования, превращая соединения арома-тического ряда в компоненты гумуса, различие их состоит лишь в том, что полифенолоксидазы используют для окисления фенольных соединений до хинонов кислород воздуха, а пероксидаза нуждается в перекиси водорода. Выражение их активности называют условным коэффициентом гумификации (ПФО/ПО), который в определенной мере характеризует направленность этого процесса [6]. В начале сезона фенолоксидазная активность была выше пероксидаз-ной на контролях и на 30-летнем литострате, поэтому коэффициент гумификации здесь достигал 1,35 (Рис.2).

Пероксидаза Полифенолоксидаза Коэффициент гумификации

о с

0

1

ф

0,6

1

0,9 0,8 0,7

о ф

С

0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

май сентябрь

Контроль (ПП11) Лес

май сентябрь

Контроль (ПП13) Луг

май сентябрь ПП1 1985

май сентябрь ПП16 2005

Л итостраты

май сентябрь ПП2 1982

1,6 1,4 1,2 1

0,8 0,6 0,4 0,2 0

сентябрь

ПП9 2006

Реплантоземы

з

3

(В §

3

I

<ъ 3

3 £

Рисунок 2. Изменение активности пероксидазы и полифенолоксидазы в пределах сезона в почвогрунтах отвалов и ненарушенных системах (ПП11 и ПП13).

На реплантоземах данный коэффициент оставался на уровне 0,70-0,78, при этом незначительно повышаясь в конце вегетационного периода до 0,87-0,88. Чего нельзя сказать о литостратах и контрольных участках, где, судя по всему, в почвах повышалось содержание органических перекисей из-за высокой метаболической активности микробного сообщества, что привело к увеличению активности перокси-дазы и как следствие падению коэффициента гумификации до 0,66.

Исследовался фракционный состав почвенного азота в

почвогрунтах отвалов и на контроле. Большая часть почвенного азота представлена негидролизуемой фракцией (от 40,7 до 97,6%). Содержание легкогидролизуемой фракции азота (ЛГ) на контроле 111111 в конце вегетационного периода 2012 года было 21,1 мг/100 г, что составляет 11,6% от валового азота серой почвы березняка. На реплантоземах содержание легкогидролизуемого азота больше чем на ли-тостратах, за исключением старых отвалов 1985 и 1982 гг., где содержание данной фракции составляет 10,7 и 12,6% от валового азота (Рис.3).

5 50

ЛГ Азот  ТГ Азот  НГ Азот

120

О -&

О)

.О

си ^

со ^

о ^

О X

ч

О

си

45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

Л

I

л1

Л

Ш

100

80

60

40

20

2012 2013 2012 2013 2012 2013 2012 2013 2012 2013 2012 2013 2012 2013

ПП1 1985 ПП19 2003 ПП16 2005 ПП2 1982 ПП18 2003 ПП9 2006

Контроль Литостраты Реплантоземы

о о

0) ^

со

о

0) X

Рисунок 3. Изменение фракционного состава азота в пределах года в почвогрунтах отвалов и ненарушенных системах (ПП11).

Через год, в конце сезона заметно увеличилось содержание негидролизуемой формы азота, а содержание легкоги-дролизуемой фракции имело тенденцию к уменьшению, как на отвалах, так и на контроле. То же самое можно сказать и о коэффициенте гумификации, который в 2013 году снизился

как в почве под березняком с 3,34 до 0,74 так и на отвалах с 1,1-1,7 до 0,66-0,88, что также может говорить не только о стрессовом характере биокруговорота но и о некоторых микроклиматических изменениях, как о дополнительном абиотическом факторе.

0

Заключение

Таким образом, снижение легкогидролизуемого азота на фоне увеличивающейся активности пероксидазы может свидетельствовать о стрессовом характере размножения почвенных микроорганизмов при формировании почвенного покрова на угольных отвалах. Потребляя аммонийный азот, источником которого является легкогидролизуемая фракция, микроорганизмы интенсивно выделяют органические перекиси, что способствует торможению процессов конденсации хинонов с аминокислотами и пептидами, что в дальнейшем может отрицательным образом сказаться на гумусном состоянии почв и лесорастительной способности посттехногенных ландшафтов Бородинского угольного разреза.

В перспективе планируется более подробное изучение биохимических процессов в почвогрунтах угольного разреза по мере окультуривания техногенного ландшафта с целью выбора наиболее оптимального способа биологической рекультивации нарушенных земель.

Список литературы:

1. Голубева П.П. Определение щелочно-гидролизуе-мого азота по Корнфильду // Пособие по проведению анализов почв и составлению агрохи-мических картограмм. М.:

Наука, 1969. С. 179-180.

2. Гродницкая И.Д. Агрохимические и микробиологические свойства техногенных почв отвалов (Канско-Ры-бинская котловина) / И.Д. Гродницкая О.В. Трефилова, А. С. Шишикин // Почвоведение. 2010. № 7. С. 867-878.

3. Казеев, К. Ш. Биологическая диагностика и индикация почв: методология и методы исследований / К. Ш. Казеев, С. И. Колесников, Вальков В.Ф. - Ростов-на-Дону : Изд-во Ростовского университета, 2003. - 202 с.

4. Кислых Е.Е. К методике фракционирования органического азота и оценке плодородия подзолистых почв // В кн.: Органическое вещество в почвах Кольского полуострова. Апатиты, Изд-во Кольского научного центра РАН, 1975. С. 95-106.

5. Мурзакматов Р.Т. Лесообразовательный процесс на отвалах Бородинского буроугольного разреза / Р.Т. Мурзакматов, А.С. Шишикин // Лесная таксация и лесоустройство. 2009. № 1(41). С. 29-32.

6. Хазиев, Ф.Х. Методы почвенной энзимологии / Ф.Х. Хазиев. - Ин-т биологии Уфим. НЦ. - М.: Наука, 2005. - 252 с.

7. Шишикин А.С. Классификация техногенных территорий // Лесная таксация и лесоустройство. 2012. № 1(47). С. 142-148.

ИНДИВИДУАЛЬНАЯ БОЛЕВАЯ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ И ПОКАЗАТЕЛИ ЭЛЕКТРОМИОГРАФИИ ВЕРХНЕЙ КОНЕЧНОСТИ

У ЗДОРОВЫХ ЛИЦ

Кондрашкин Петр Владимирович

Аспирант кафедры анатомии, физиологии человека и животных, Челябинского государственного педагогического

университета, г. Челябинск, Россия

Шибкова Дария Зайтдиновна

Д.б.н., Заведующий кафедры анатомии, физиологии человека и животных, Челябинского государственного

педагогического университета, г. Челябинск, Россия

АННОТАЦИЯ

Хроническая мышечная боль является причиной дискомфорта, снижения качества жизни и влияет на работоспособность и социальную активность. Снятие болевого синдрома это одна из задач реабилитационных мероприятий. Целью исследования являлось (1) получение средних данных по болевой чувствительности (БЧ) и электро-миографическим характеристикам (ЭМГ) для лиц без жалоб на состояние позвоночно-двигательных сегментов в области шеи; (2) определение наличия или отсутствия связи БЧ и ЭМГ характеристиками по данным исследований верхних конечностей. Материалы и методы. В исследовании приняли участие 10 добровольцев женского возраста в возрасте 20-21 г. Измерение БЧ проводилось с помощью тензоалгометра производства «Wagner» USA в единицах кг/см2. Исследование ЭМГ проводилось с помощью компьютерного комплекса Нейро - ЭМГ -микро производства ооо «Нейрософт» Россия, г. Иваново. Стимуляция и регистрация осуществлялась по срединному нерву (n Medianus). Результаты и выводы. Средние значения БЧ в области верхнего пучка трапециевидной мышцы составили 3,58-3,83 кг/см2; моторного ответа - 6,24-6,87 мВ; резидуальныя ла-тентность 1,67-1,81 мсек. Показатели были близкими для левой и правой стороны тела. Не обнаружено корреляционной связи между БЧ и показателями ЭМГ в изученной группе, коэффициент корреляции Спирмена был не достоверен (р>0.1). Полученные количественные оценки БЧ и ЭМГ будут использованы для оценок эффективности реабилитационных мероприятий (рефлекторно-сегментарный массаж) при нарушениях ПДС в шейном отделе позвоночника.

ABSTRACT

Chronic musculoskeletal pain causes reduced quality of life with loss of work and social networks. Pain relief is one of the main tasks of rehabilitation procedures. The aim of this study is (1) to obtain the average values of the pain threshold (PT) and electro-motor myographic characteristics (EMG) of n. Medianus for persons people who have no health complaints on vertebral-motor segments in the neck; (2) determining the relationship between PT and EMG characteristics on the basis of the studies of the upper extremities. Materials and methods. Ten healthy volunteers aged 20-21 participated in this study. The PT measurements were preformed with use of the Wagner FPX™ Algometer (USA) in terms of kg/cm2. EMG study was conducted using the computer complex "Neuro - EMG micro" produced by «Neurosoft» Russia, Ivanovo. Median nerve (n Medianus) was stimulated. Results and conclusions. The average PT values in the upper trapezius muscle bundle were 3.58-3.83 kg/cm2; motor response - 6,24-6,87 mv; residual latency- 1.67-1.81 ms. Values were similar in the left and right sides of the body. There was no correlation between the PT