Использование микробиологических показателей в эколого-почвенном мониторинге города Медногорска

2. Шеин В. С. Геология и нефтегазоносность России. 2-е изд., перераб. и доп. М., 2012. 848 с.

3. Съестнова Л. П. Литолого-минералогическая характеристика бобриковских отложений Саратовского Поволжья // Вопросы стратиграфии, палеонтологии и литологии Нижнего Поволжья. Саратов, 1969. Вып. 9. С. 119-124.

4. Съестнова Л. П. Литология и условия формирования терригенных нефтегазоносных отложений нижнего карбона Саратовско-Волгоградского Поволжья : дис. ... канд. геол.-минерал. наук. Саратов, 1977. 139 с.

5. Батурин В. П. Палеогеография по терригенным компонентам. М. ; Баку, 1937. 291 с.

6. Батурин В. П. Петрографический анализ геологического прошлого по терригенным компонентам. М., 1947. 338 с.

7. Губкин И. М. Урало-Волжская нефтеносная область. М. ; Л., 1940. 117 с.

8. Вассоевич Н. Б. К изучения геоформаций (предисловие) // Осадочные формации и их нефтегазоносность. М., 1978. 140 с.

9. Методы палеогеографических реконструкций (при поисках залежей нефти и газа) / В. А. Гроссгейм, О. В. Бескровная, И. Л. Геращенко [и др.]. Л., 1984. 271 с.

10. Результаты региональных геолого-геофизических работ на территории юго-восточной части Русской плиты и перспективы их дальнейшего проведения / Ю. А. Писа-ренко, В. Я. Воробьев [и др.] // Геология нефти и газа. 2011. № 1. С. 68-77.

11. Астаркин С. В., Гончаренко О. П., Пименов М. В. Обстановки осадконакопления в бобриковское время в пределах юго-востока Русской плиты // Изв. Сарат. ун-та. Новая серия. Серия Науки о Земле. 2013. Т. 13, вып. 1. С. 57-62.

12. Астаркин С. В., Гончаренко О. П., Щеглов В. Б., Писа-ренко Ю. А., Зотов А. Н. Литолого-фациальная характеристика бобриковских отложений Березовской группы месторождений (Ближнее Саратовское Заволжье) // Осадочные бассейны, седиментационные и постседиментационне процессы в геологической истории : материалы VII Все-рос. литол. совещ. Новосибирск, 28-31 октября 2013 г. : в 3 т. Новосибирск, 2013. Т. I. С. 46-49.

13. Астаркин С. В., Гончаренко О. П., Зотов Н. А. Опыт применения дробного гранулометрического анализа для реконструкций условий формирования песчаников продуктивного пласта Б2 в пределах Березовской группы поднятий // Проблемы геологии Европейской России : сб. тр. Всерос. науч. конф., 11-14 сентября 2013 г., Саратов. Саратов : СГТУ, 2013. С. 38-48.

14. Леммлейн Г. Г., Князев В. С. Опыт изучения обломочного кварца // Изв. АН СССР. Сер. Геол. 1951. № 4. С. 142-148.

15. Симанович И. М. Кварц песчаных пород. М., 1978. 156 с.

16. Sneed E. D., Folk R. L. Pebbles in the lower Colorado River, Texas, a study of particle morphogenesis // J. of Geology. 1958. Vol. 66. P. 114-150.

УДК 504.064:574.21

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ В ЭКОЛОГО-ПОЧВЕННОМ МОНИТОРИНГЕ ГОРОДА МЕДНОГОРСКА

К. Т. Нгун, Е. В. Плешакова, М. В. Решетников, В. В. Кузнецов

Саратовский государственный университет E-mail: plekat@rambler.ru

Проведена микробиологическая индикация техногенно нарушенных почв г. Медногорска на основе оценки численности гетеротрофных, железо- и марганецокисляющих бактерий. Установлена взаимосвязь между высоким значением показателя коэффициента магнитности в почвах и повышенным содержанием железо-окисляющих бактерий, что свидетельствует о возможности использования данной группы микроорганизмов для мониторинга загрязненных тяжелыми металлами почв. Ключевые слова: тяжелые металлы, коэффициент магнитно-сти, железо- и марганецокисляющие бактерии, гетеротрофные микроорганизмы.

The Use of Microbial Indicators in Environmental Soil Monitoring of the City Mednogorsk

C. T. Ngun, Ye.V. Pleshakova, М. V. Reshetnikov, V. V. Kuznecov

A microbiological indication of anthropogenic disturbed soils from the city Mednogorsk was carried out based on the evaluation of the

number of heterotrophic, iron- and manganese-oxidizing bacteria. This study states a relationship between high levels of magnetism in these soil samples and high content of iron-oxidizing bacteria, indicating the possible use of this group of microorganism for monitoring heavy metal contaminated soils.

Key words: heavy metals, coefficient of magnetism, iron- and manganese oxidizing bacteria, heterotrophic microorganisms.

В результате антропогенного загрязнения в окружающую среду поступают различные поллютанты, среди которых наиболее опасными являются тяжелые металлы (ТМ) [1]. Накапливаясь в почвах, ТМ снижают их биологический потенциал: подавляют активность почвенных ферментов, изменяют численность и состав микрофлоры, приводят к развитию фитопатогенных микроорганизмов, угнетают рост растений [1]. В результате почвы могут постепенно утратить свои уникальные свойства: плодородие, способность эффективно осуществлять биологический круговорот, поддерживать гомеостаз [2]. Важным аспектом в охране окружающей среды и одной

из экологических характеристик ТМ являются знание их нормального (фонового) содержания в почвах и параметры его возможного техногенного изменения, что позволяет осуществлять контроль за состоянием почвенного покрова, определять темпы и степень загрязнения его тяжелыми металлами [3]. Загрязнение почв ТМ нужно строго контролировать, так как эти токсиканты могут длительно и опасно воздействовать на живые организмы. Для рационального использования и воспроизводства природных ресурсов необходимо решить важную задачу, которой является поиск высокочувствительных индикаторов загрязнения почв тяжелыми металлами.

Будучи обязательными компонентами любого биоценоза, почвенные микроорганизмы могут служить индикаторами изменения состояния среды [4]. Преимущество микроорганизмов как индикаторов состоит в том, что они отличаются исключительно высокой скоростью размножения, быстротой наращивания биомассы, высокой чувствительностью к изменениям внешней среды и способностью к разнообразным ответным реакциям, которые могут быть положены в основу методов нормирования техногенного воздействия на наземные экосистемы.

Попадая в почву, ТМ вступают во взаимодействие с микроорганизмами, происходит изменение видового состава, численности, биомассы и продуктивности микроорганизмов [5]. В настоящее время накоплены сведения, свидетельствующие о неоднозначном влиянии техногенного загрязнения на почвенную микробиоту. Одни исследователи отмечают, что загрязнение почвы приводит к снижению численности неспорообразующих бактерий, микроскопических грибов, актиномицетов и возрастанию количества споровых и денитрифицирующих бактерий [6], другие высказывают мнение о преобладающем развитии олигонитрофиль-ных и сапрофитных бактерий в органогенных горизонтах почв, загрязненных выбросами металлургических производств [7]. С одной стороны, показано повышение активности окислительно-восстановительных ферментов в загрязненных антропогенными экотоксиканта-ми почвах [8]. По другим данным загрязнение промышленными выбросами металлургических производств приводит к снижению активности гидролитических ферментов, что объясняется либо подавлением биохимической активности микроорганизмов, либо уменьшением их количественного и качественного состава [9].

По данным О. В. Римкевич [5], реакции микробного комплекса на загрязнение почв разнообразны. Так, популяция или ее часть может: 1) приобретать устойчивость к ТМ; 2) снижать концентрацию ТМ в растворе до менее токсичного уровня, путем изменения степени окисления, извлекая энергию их химических связей; 3) снижать общую концентрацию и активность ТМ; 4) сни-

жать метаболическую активность и переходить в состояние покоя.

Способность окислять двухвалентные соединения железа и марганца и осаждать оксиды металлов на поверхности клеток присуща многим филогенетически разнообразным микроорганизмам [10]. Бактерии, использующие разные формы железа и марганца для конструктивных и энергетических потребностей, играют ключевую роль в геохимическом цикле этих элементов. Мы предположили, что при высокой концентрации ТМ в почве будут происходить существенные изменения в численности железоокисляющих и марганецокисляющих бактерий. Оценка данных показателей позволит выявить возможность их использования для мониторинга почв, загрязненных ТМ.

В связи с вышесказанным целью настоящей работы явилась биоиндикационная оценка техногенно нарушенных почв г. Медногорска. В ходе работы оценивались показатель магнитной восприимчивости почв, общая численность гетеротрофных микроорганизмов (ОЧГМ) и количество железо- и марганецокисляющих бактерий в почвенных образцах. Решалась задача по выбору показателей, которые могут быть использованы для биомониторинга загрязненных ТМ почв.

Материалы и методы

Объектом исследования явились образцы почв, отобранные на территории г. Медногорска Оренбургской области, который входит в пятерку самых сложных городов по экологическим и санитарным условиям проживания в России. Одним из ведущих предприятий города является медно-серный комбинат (производство черновой меди, серной кислоты). Антропогенное воздействие на почву и растительный покров происходит в результате газопылевых выбросов комбината и через объекты размещения отходов. Приоритетными загрязняющими веществами являются медь, железо, марганец, а также соединения серы. Усугубляет сложившуюся ситуацию месторасположение Медногорска, который расположен в котловине отрогов Уральских гор.

Отбор почвенных проб проводила группа студентов и преподавателей геологического факультета Саратовского государственного университета имени Н. Г. Чернышевского в июле 2012 г. Выбор пробных площадок основывался на сходстве ландшафта и типа антропогенного воздействия.

В почвенных пробах определяли коэффициент магнитности (Кт^):

Kmag — К1 К/оп ,

где К - среднее значение магнитной восприимчивости в почве; а Коп - среднее значение магнитной восприимчивости на фоновом участке [11].

Оценку общей численности гетеротрофных микроорганизмов производили на мясо-пептон-ном агаре (МПА) общепринятыми бактериологическими методами [12]. Учет численности культивируемых бактерий, окисляющих Бе и Мп, проводили на агаризованной селективной среде следующего состава (г/л): (КЫ4)^04 0,5; ШК03 0,5; К2ЫР04 0,5; MgS04.x7H20 0,5; лимонная кислота 10; сахароза 2; пептон 1; агар 20 [13]. Для оценки содержания в почве железоокисляющих бактерий в среду добавляли FeS04x7H20 в количестве 5,9 г/л; марганецокис-ляющих бактерий MnS04x5H20 - в количестве 4,72 г/л. Учитывая, что производился анализ численности нейтрофильных бактерий, рЫ среды перед стерилизацией доводили до 7,0 титрованием 30%-ным раствором №0Ы.

Определение содержания микроорганизмов (гетеротрофных, железо- и марганецокисляющих) в исследуемых почвенных образцах включало несколько этапов: подготовку почвы к микробному анализу (гомогенизация), приготовление разведений почвенной суспензии в стерильном физиологическом растворе; посев полученных разведений на плотную среду в чашки Петри и подсчет выросших колоний после культивирования в термостате при 28°С.

Высевы на МПА и на селективную среду для учета численности железоокисляющих бактерий производили из разведений 10-3, 10-4, 10-5, для оценки численности марганецоокисляющих бактерий - из разведений 10-2, 10-3, 10-4. Из каждого разведения производили по 2 параллельных высева. Колонии микроорганизмов на МПА подсчитывали через 2-3 сут, на селективных средах - через 5-7 сут инкубации. На поверхности селективных сред появлялись характерные колонии, рост которых сопровождался накоплением желто-оранжевых окислов железа или бурых окислов марганца. По мере роста и развития колоний используемая среда также меняла цвет, постепенно окисляясь, от светло-зеленого до ржавого у железоокисляю-

Попадая в почву, ТМ, как известно, вступают во взаимодействие с почвенными микроорганизмами, происходит изменение видового состава, численности, биомассы и продуктивности микроорганизмов [14]. В связи с этим в отобранных образцах почвы г. Медногорска нами исследовалась общая численность гетеротрофных микроорганизмов. В пробах почвы с высоким уровнем маг-нитности ОЧГМ составляла в среднем от 14,9 до 71,5*105 кл/г почвы (рис. 1).

В двух вариантах наблюдалось пониженное содержание гетеротрофных микроорганизмов (№ 4 и № 54). Именно эти образцы почв характе-

щих бактерий или от бежевого до коричневого у марганецокисляющих бактерий.

Статистическую обработку экспериментальных данных осуществляли с применением пакета прикладных программ Microsoft Excel 2003 (для Windows XP).

Результаты и их обсуждение

Аккумуляция ТМ в почве зависит от целого комплекса природных и техногенных факторов, важнейшими из которых являются характер по-чвообразующей породы, климат, растительность, почвенные микроорганизмы, рельеф местности, расположение и особенности техногенных источников ТМ региона.

Магнитная восприимчивость является показателем наличия в почве магнитных минералов, в первую очередь минералов группы железа (магнетита, гематита и других), т. е. в химическом отношении является показателем, отражающим концентрацию железа [11]:

Kmag < 1 - допустимый уровень содержания железа;

1 < Kmag < 1,5 - умеренный уровень;

1,5 < Kmag < 3 - опасный уровень;

Kmag > 3 - чрезвычайно опасный уровень.

Из исследованных 70 проб г. Медногорска нами для микробиологического анализа были отобраны 10 проб (№№ 4, 7, 13, 32, 53, 54, 55, 56, 69, 70), которые по результатам оценки магнитной восприимчивости характеризовались чрезвычайно высоким уровнем коэффициента магнит-ности (таблица). Исходя из того, что оксиды и гидрооксиды железа в почве сорбируют катионы ТМ, можно предположить, что в отобранных пробах будут повышенные по сравнению с другими пробами концентрации тяжелых металлов и, как следствие, общая токсичность почв. В качестве контрольных образцов (с низким коэффициентом магнитности) нами исследовались варианты .№ 11, 15 и 48 (см. таблицу).

ризовались максимальным значением магнитной восприимчивости (см. таблица). Это согласуется с рядом литературных данных о снижении количества прокариотных микроорганизмов в разных типах почв под влиянием загрязнения их тяжелыми металлами [15].

Один образец почвы (№ 7) отличался высокой численностью гетеротрофных микроорганизмов (3,25*107 кл/г почвы), что может быть связано с другим видом загрязнения почвы, например с высоким содержанием органических веществ. В контрольных образцах почвы (с низким содержанием ТМ согласно анализу коэффициента магнит-

Показатели магнитной восприимчивости в образцах почвы г. Медногорска

Номер пробы 4 7 13 32 53 54 55 56 69 70 11 14 48

K -^mag 6,49 4,10 3,82 3,15 4,97 5,60 3,16 4,64 4,02 3,18 0,33 0,57 0,37

4 7 13 32 53 54 55 56 69 70 И 15 48

№ пробы

Рис. 1. Общая численность гетеротрофных бактерий в почвенных образцах

ности) ОЧГМ варьировала от 1,9 до 34,6*105 кл/г почвы (см. рис. 1).

Для мониторингового микробиологического анализа нами были выбраны также две физиологические группы микроорганизмов: железоокисляю-щие и марганецокисляющие бактерии, учитывая, что почвы г. Медногорска загрязнены ТМ, в том числе железом. В связи с тем, что микроорганизмы могут участвовать в превращениях железа в почве в разнообразных условиях, мы попытались обнаружить различные железобактерии. Специфические железоокисляющие микроорганизмы, такие как ThюbaciПus ferrooxidans, выделяли в кислой среде Летена (рН 3,5) [16]. Нам не удалось обнаружить в анализируемой почве бактерии ThiobacШus ferrooxidans, вероятно, потому, что данные почвы не отличались повышенной кислотностью. Поэтому мы сосредоточили свое внимание на другой группе железоокисляющих микроорганизмов, которые развиваются в нейтральной среде. Как известно, для таких бактерий процесс окисления железа является побочным и идет без использования ими энергии этого

окисления. Как показала Г. А. Дубинина [17], он проводится гетеротрофными микроорганизмами, которые удаляют таким путем образующуюся в их метаболических процессах перекись водорода. Эта функция у них проявляется только в специфических экологических условиях. К данной группе микроорганизмов относятся представители самых разных групп прокариот. Из них в почве распространены микоплазмы и представители рода Arthrobacter.

Содержание культивируемых железоокис-ляющих бактерий в исследованных нами почвах составляло в среднем от 0,8 до 32*105 кл/г почвы (рис. 2). В некоторых вариантах наблюдалась более высокая численность по сравнению с другими образцами (№ 13, 32, 69, 70). В почвенном образце № 7 обнаруживалась самая высокая численность железоокисляющих бактерий, как и гетеротрофных. В контрольных образцах почвы содержание железоокисляющих бактерий было невысоким, составляя 0,6-4,8*105 кл/г почвы (см. рис. 2).

Марганец в почве находится в рассеянном состоянии в разных формах, в том числе и в

54 55

№ пробы

Рис. 2. Численность железоокисляющих бактерий в почвенных образцах

виде металлорганических комплексов. Как и железо, он имеет переменную валентность и по-разному подвижен в зависимости от этого. Мигрирует марганец в почве главным образом в двухвалентной форме, в этой же форме он и усваивается растениями и микроорганизмами. В трех- и четырехвалентном состоянии марганец входит в состав железомарганцевых конкреций [18]. Наиболее изученный микроорганизм, участвующий в окислении и аккумуляции марганца, -Metallogenium. В окислительных процессах, разрушении минералов и в разложении органоми-

4- 7 13 32 53 54 55 56 69 70 11 15 4-1

неральных комплексных соединений с марганцем участвуют почвенные грибы, гетеротрофные бактерии, простекобактерии рода Pedomicrobium. Мы проводили выделение и учет численности марганецокисляющих бактерий, развивающихся в нейтральной среде.

Содержание марганецокисляющих бактерий в почвах по сравнению с железобактериями было намного меньше, в двух образцах менее 100 кл/г почвы (№ 4 и № 70), в четырех образцах от 0,9 до 2,3*104 кл/г почвы (рис. 3). А вариант № 7 характеризовался самой высокой численностью

№ пробы

Рис. 3. Численность марганецокисляющих бактерий в почвенных образцах

марганецокисляющих бактерий (14,2*105 кл/г почвы). В контрольных образцах почвы содержание марганецокисляющих бактерий составляло 0,13-2,38*105 кл/г почвы (см. рис. 3).

Анализируя полученные результаты, мы подсчитали, какую часть составляют железоокисляю-щие, марганецокисляющие бактерии и гетеротрофные микроорганизмы в составе исследованных почвенных микробных сообществ. Полученные данные позволили распределить исследованные нами варианты почв по нескольким группам:

- 1-я группа - почвенные образцы № 7, 32 и 54, в которых количество железоокисляющих

бактерий значительное; содержание марганецо-кисляющих бактерий также выше, чем в других вариантах;

- 2-я группа (самая многочисленная) - образцы № 4, 13, 56, 69 и 70, в которых численность железоокисляющих бактерий высокая, а маргане-цокисляющих невысокая;

- 3-я группа - образцы № 53 и 55, в которых содержание и железоокисляющих, и марганецо-кисляющих бактерий невелико.

По одному примеру для каждой группы приведено на рис. 4. Контрольные образцы почвы были отнесены нами к 1-й и 3-й группе.

№32 №4 №5 5

еео

1-я группа 2-я группа 3-я группа

Гетеротрофные бактерии иКе-бактерии [иМп-бакгерии

Рис. 4. Долевая часть гетеротрофных, железо- и марганецокисляющих бактерий в составе микробоценозов почв г. Медногорска

Заключение

Таким образом, среди исследованных образцов техногенно нарушенных почв г. Медногорска были выявлены 2 образца, которые характеризовались самым высоким уровнем коэффициента магнитности (№ 4 и № 54) и пониженным содержанием гетеротрофных микроорганизмов, что указывало на ингибирующий эффект ТМ на почвенные бактерии.

Результаты микробиологического анализа показали, что содержание марганецокисляющих бактерий в почвах было на несколько порядков меньше, чем железобактерий, оно варьировало независимо от высокого или низкого значения коэффициента магнитности в пробах.

Было обнаружено, что в почвах с чрезвычайно высоким значением показателя магнитности достоверно увеличено содержание железоокис-ляющих бактерий по сравнению с контрольными пробами. Результаты наших исследований позволяют предположить, что данная физиологическая группа бактерий может использоваться для мониторинга загрязненных тяжелыми металлами почв.

Библиографический список

1. Robert B. Heavy metal pollutants and chemical ecology : exploring new frontiers // J. Chem. Ecol. 2010. Vol. 36. P. 46-58.

2. Экология почв : учеб. пособие для студ. вузов : в 3 ч. / под ред. В. Ф. Валькова. Ростов н/Д, 2004. 54 с.

3. Прохорова Н. В., Матвеев Н. М. Тяжелые металлы в почвах и растениях в условиях техногенеза // Вестн. СамГУ. 1996. Спец. вып. С. 125-147.

4. Минкина Т. М. Ферментативная индикация почв района Новочеркасской ГРЭС // Почвоведение. 2011. № 1. С. 32-37.

5. Римкевич О. В. Эколого-функциональная роль микроорганизмов техногенно-нарушенных почвогрунтов : авто-реф. дис. ... канд. биол. наук. Благовещенск, 2006. 27 с.

6. Евдокимова Г. А., Мозгова Н. Р. Влияние выбросов предприятия цветной металлургии на почву в условиях модельного опыта // Почвоведение. 2000. № 5. С. 630-638.

7. Наплекова Н. Н. Микробиологическая индикация состояния почв // Микробное разнообразие : состояние, стратегия сохранения, биотехнологический потенциал :

материалы 3-й Междунар. науч. практ. конф. Пермь, 2008. С. 15.

8. Karthikeyan G., Meenakshi S., Satheesh B. T. G. Influence of soil characteristics on the leaching of fluoride from soils in selected fluoride environments of Tamil Nadu // Pollution Research. 2008. № 3. Р. 503-506.

9. Gadd G. M., Burford E. P. Fungal influences on metal mobility // Mechanisms and relevance to environment and biotechnology : abstract of the 7th International mycological congress. Oslo, 2002. P. 34-37.

10. SabrinaH., MichaelS., Johnson B. The iron-oxidizing pr oteobacteria // Microbiology. 2011. Vol. 157. P. 1551-1564.

12. Практикум по микробиологии : учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / под ред. А. И. Нетрусова. М., 2005. 608 с.

11. Кузнецов В. В. Применение петромагнитного метода при оценки геоэкологического состояния почв на примере города Медногорск // Л0М0Н0С0В-2013 : материалы Междунар. молод. науч. форума. / отв. ред. А. И. Андреев, А. В. Андриянов, Е. А. Антипов, К. К. Андреев, М. В. Чистякова. [Электронный ресурс]. М. : МАКС Пресс, 2013. 1 электрон. опт. диск (DVD-ROM) ; 12 см. Систем. требования : ПК с процессором 486+ ; Windows 95 ; дисковод DVD-ROM ; Adobe Acrobat Reader.

13. Захарова Ю. Р., Парфенова В. В. Метод культивирования микроорганизмов, окисляющих железо и марганец в донных осадках оз. Байкал // Изв. РАН. Сер. Биол. 2007. № 3. С. 290-295.

14. Гузев В. С., Левин С. В. Техногенные изменения сообщества почвенных микроорганизмов // Перспективы развития почвенной биологии. 2001. № 5. С. 178-219.

15. Murata T., Kanao-Koshikawa M., Takamatsu T. Effects of Pb, Cu, Sb, Zn and Ag contamination on the proliferation of soil bacterial colonies, soil dehydrogenase activity, and phospholipid fatty acid profiles of soil microbial communities // Water, Air and Soil Pollution. 2005. Vol. 164. P. 103-118.

16. Leathen W. W., McIntyre L. D., Braley S. A. A medium for study ofthe bacterial oxidation of ferrous iron // Science. 1951. Vol. 114. P. 280.

17. Дубинина Г. А. Биология железобактерий и их роль в образовании железомарганцевых руд : автореф. дис. ... д-ра биол. наук. М., 1977. 45 с.

18. Юдович Я. Э., Кетрис М. П. Геохимия марганца в процессах гипергенеза : обзор // Междисциплинарный научный и прикладной журнал «Биосфера». 2013. Т. 5, № 1. С. 21-36.