Изменение состава и структуры микробного сообщества в условиях техногенного ландшафта отвалов Михайловского ГОКа КМА

ИЗМЕНЕНИЕ СОСТАВА И СТРУКТУРЫ МИКРОБНОГО СООБЩЕСТВА В УСЛОВИЯХ ТЕХНОГЕННОГО ЛАНДШАФТА ОТВАЛОВ МИХАЙЛОВСКОГО ГОКА КМА

А.И. Стифеев, А.В. Головастикова, Е.А. Бессонова

Аннотация. Приведены данные по составу и структуре микробного сообщества в горных породах разного возраста, отсыпанных в отвалы, которые образуют горно-обогатительными предприятиями ЕЖА техногенные ландшафты.

За 10-летний период на отвалах из лессовидных пород и глин происходит увеличение количества бацилл и актиномицетов, способных принимать активное участие в минерализации органических веществ.

Ключевые слова', микроорганизмы, техногенные ландшафты, горные породы, отходы обогащения, адаптация, бациллы, актиномицеты, минерализация.

Опыт рекультивации нарушенных земель как в России, так и в других странах свидетельствует о том, что его эффективность и экономичность в значительной мере зависят от правильной оценки экологической обстановки и прогноза динамики в природнотехногенных ландшафтах.

Так, ландшафты отвалов Михайловского железорудного карьера занимают огромную территорию, более 11 тыс. га и постоянно увеличиваются. В них отсыпано выше 1 миллиарда горных пород и отходов обогащения железной руды. Это создаёт нестабильную ситуацию в данном районе и достаточно высокую степень экологической напряженности.

Проблема рекультивации на современном этапе не может быть полностью и эффективно решена без комплексного изучения нарушенных экосистем, без изучения специфики и динамики экологических условий, создающихся при техногенном воздействии на природные ландшафты, без прогнозирования тех изменений, которые могут произойти в результате действия на

природные комплексы техногенных факторов, на что и направлены данные исследования

Восстановление земель, нарушенных добычей полезных ископаемых, начинается с формирования в отвальных грунтах микробных сообществ, выполняющих различную работу по подготовке горной породы для поселения на нем высших растений. “Микробы, будучи древнейшими организмами на земном шаре, существующие миллиарды лет, - подчеркивал В. А. Ковда, -являются самыми древними почвообразователями, действующими задолго до появления высших растений и животных. Последствия жизнедеятельности организмов далеко выходят за пределы обитаемых ими почв и определяют во многом свойства осадочных пород, состав атмосферы и природных вод, геохимическую историю таких элементов, как углерод, азот, фосфор, кислород, водород, кальций, калий, железо” (В. А. Ковда, 1973).

Среди многообразных форм деятельности микробных сообществ в техногенных ландшафтах важнейшими являются: деструкция минералов и вовлечение в биологический круговорот химических элементов породы, образование и разложение органического вещества, фиксация атмосферного азота, закрепление частиц грунта.

В состав почвенной микрофлоры входят микроорганизмы с различными требованиями к источникам энергии. Количественное соотношение между ними зависит от экологических условий, в которых складывается тот или иной микробный ценоз.

Установлено, что специфика развития и функционирования микробных ценозов определяется возрастом отвалов, физико-химическими свойствами отвальных материалов и сукцессий высшей растительности, поскольку растительные сообщества выполняют роль регуляторов эдафона (влажность, температура, реакция

среды) и поставляют органический опад, служащий источником энергии и питания многих групп микроорганизмов (Стифеев А.И.).

Исследованные нами отвалы из лёссовидного суглинка и глины келловея (5-ти, 15-ти и 25-ти лет) Михайловского железорудного карьера КМА и повторные исследования, проведенные на данных овалах через 10 лет, показали, что при заселении отвалов растительностью первоначально в техногенных грунтах возникают группировки микроорганизмов адаптированных к экстремальным условиям среды. Они имеют олиготроф-ный тип питания и низкую биохимическую активность, иногда при достаточно высокой численности микробных сообществ, что указывает на экологическую стратегию г - характера. Так, на лёссовидном суглинке этот этап характеризует высокая численность микроорганизмов - 601 тыс./г. породы при 491 тыс./г. почвы в зональной почве. Ведущее значение имеют неспорообразующие бактерии-гетеротрофы - 360 тыс./г. породы, использующие органический азот. Кроме того на данном этапе отмечается большое количество грибов (170 тыс./ г. почвы), как первичных деструкторов, обладающих мицелярным строением (А. Д. Михневская, Е. И. Лапта, 1991). Количество бацилл и актиномицетов, использующих минеральные формы азота, невелико - 79 тыс./ г. породы, так как их обилие напрямую связано с количеством азота в субстрате.

Появление в постехногенную фазу эволюции ландшафтов высшей и низшей растительности, поставляющей наземный и корневой опад, а также корневые выделения, стимулируют изменение численности, структуры и функциональной нагрузки микробоцено-зов в таких системах. При этом на отвалах лёссовидного суглинка (15 лет) численность микроорганизмов практически не возрастает или даже несколько уменьшается (до 572 тыс./ г. почвогрунта) вследствие качественной перестройки микробного сообщества. Значительно сокращается отмечаемая ранее “очаговость”, что выражается в уменьшении разницы в количестве микроорганизмов на склонах и плато, что указывает на формирование более устойчивого микробоценоза и переход с г-стратегии на к- стратегию. Снижается численность олиготрофов (302 тыс./г. почвы) и грибов (127 тыс./г. почвы), увеличивается количество бацилл и актиномицетов, способных принимать активное участие в минерализации.

На 25-летних отвалах четвертичных лёссов отмечается дальнейшее (Головастикова А.В., 2006).

Проведенные нами исследования через 10 лет на отвалах 25 - летнего возраста (т.е. 35 летние отвалы) показали что сохранилась к- стратегия, однако уровень бацилл и актиномицетов на КАА существенно увеличился (572 тыс/г. почвогрунта), что свидетельствует о нарастании г - характера процессов минерализации азота. Количество бактерий на КАА и грибов на среде Чапека практически не изменилось и составило соответственно 297 тыс/г. почвогрунта и 91 тыс/г. почвогрунта.

Ход процесса стабилизации микробного сообщества на глине келловея отличается от описанного выше постепенным увеличением всех составляющих зимогенного комплекса микробного сообщества: сапрофитных бактерий на МПА (231 тыс./г. почвы), бацилл и актиномицетов на КАА (196 тыс./г. почвы), почвенных грибов на среде Чапека (182 тыс./г. почвы). Следова-

тельно, интенсивнее прочих идет нарастание количества микроорганизмов, использующих минеральный азот. Общее количество сапрофитной микрофлоры составляет 609 тыс./г. почвогрунта, что приближается к уровню старых (25 лет) отвалов четвертичного суглинка (627 тыс./г. почвогрунта). Процентное соотношение групп микроорганизмов на глине келловея, в этот период, имеет приблизительно такую же характеристику, что и на 15 летних отвалах лёссовидного суглинка, соответственно: 53-48% - на МПА, 25 - 29% - на КАА, 22 - 32% - на среде Чапека.

Исследования, проведенные через 10 лет на отвалах 15, 25, 35 - летнего возраста, свидетельствуют о нарастании г-стратеги с существенным увеличением сапро-фитов и бацилл и актиномицетов на КАА. При этом, на 35- летних отвалах количество сапрофитов на МПА увеличивается до 859 тыс/г.- на почвогрунте, а грибов на среде Чапека сократилось до 100 тыс/г. почвогрунта. Количество бацилл и актиномицетов на КАА возросло до 902 тыс/г. почвогрунта. Все эти изменения свидетельствуют об увеличении процессов минерализации азотистых соединений и формировании более устойчивого микробного сообщества.

Такой ход изменений микробиологических сукцессий соответствует сукцессиям высшей растительности и свидетельствует об определенной закономерной направленности микробиологических процессов в измененных биопедоценозах.

Для накопления гумуса в фунтах имеет значение не только количество микроорганизмов, но и уровень их продуктивности, то есть скорость “оборачиваемости” микробной биомассы и характер тех окислитель-но-восстановительных процессов, которым подвергаются растительные остатки (В.П. Стефурак, А.С. Усатая, Н.И. Фрунз, Э.А. Катрук, 1990).

Список использованных источников

1 Головастикова, А.В. Микробоценозы отвальных территорий Михайловского ГОКа КМА/ А.В. Головастикова II Экологические проблемы современности: материалы научно-практической конференции. -Екатеринбург, 2006. - С. 113-115.

2 Ковда, В.А. Основы учения о почвах. Кн I/ В.А. Ковда. -М.: Наука, 1973. -448с.

3 Лапта, Е.И. Микробиологические процессы и пути их регулирования в лёссовых породах степной зоны УССР в ходе сельскохозяйственной рекультивации: дис. канд. биол. наук/ Е.И. Лапта. -Л., 1987. -205 с.

4 Биологическая активность почв в условиях антропогенного воздействия. Кишинев/ В.П. Стефурак, А.С. Усатая, Н.И. Фрунз, Э.А. Катарук,- Штинница, 1990. -214 с.

5 Стифеев, А.И. Микробиологическая активность техногенных образований II Плодородие почв и устойчивость земледелия/ А.И. Стифеев. -М.: Колос, 1995. - С. 251-252.

Информация об авторах

Стифеев Анатолий Иванович, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующий кафедрой экологии и охраны природы ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».

Головастикова Антонина Валентиновна, кандидат сельскохозяйственных наук, доцент кафедры защиты растений ФГБОУ ВПО «Курская ГСХА».

Бессонова Елена Анатольевна, кандидат экономических наук, докторант МГУ.