Введение к работе
Актуальность темы. Применение ядохимикатов обусловлено масштабными потерями урожая сельскохозяйственных культур от болезней, сорных растений и вредителей. По разным оценкам, в последние годы в мире насчитывается более 1000 химических соединений, на основе которых выпускают десятки тысяч препаративных форм пестицидов (Агроэкология, 2000). Токсическое действие пестициды оказывают не только на целевые организмы. Их многолетнее применение показало, что они обладают глобальным действием как на отдельные компоненты экосистем, так и на биосферу в целом. Наиболее подвержена влиянию пестицидов почва, «здоровье» которой определяется группировками микроорганизмов, обеспечивающими важнейшие функции синтеза и деструкции органических веществ, круговорота биогенных элементов и др. Внесение в почву пестицидов, являющихся чужеродными для неё соединениями, может приводить к перерождениям микробных комплексов. Именно микроорганизмам принадлежит ведущая роль в трансформации и биодеградации пестицидов, в ходе которых последние используются в качестве источников углерода, азота, фосфора и энергии. При участии микроорганизмов или их ферментов в почве и воде происходят процессы гидролиза, окисления и восстановления пестицидов (Добровольский, Гришина, 1985; Круглов 1991; Ашихмина и др., 2010; Brusa, Del Puppo, 1995; Feng et al, 1998; Navarro et al, 2009; Biodegradation of Chlorpyrifos..., 2009). Проблема детоксикации старых пестицидов и продуктов их деструкции, а также исследования по влиянию новых поколений пестицидов на почвенную микробиоту для оценки степени их безопасности по-прежнему входят в число первоочередных задач биомониторинга.
Целью работы явилась комплексная оценка влияния пестицидов старого и нового поколений при остром и хроническом воздействии на микробные комплексы почв в районе захоронения ядохимикатов и в почвах агроэкосистем.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
-
Выявить особенности альго-циано-микологических комплексов в почвах района захоронения ядохимикатов по видовому составу фототрофной микрофлоры и количественных характеристиках популяций водорослей, цианобак-терий (ЦБ) и микромицетов.
-
Оценить характер действия различных пестицидов на микробиологические группировки в модельных почвенных микрокосмах и агроэко системах.
-
Сравнить эффективность применяемых методов биотестирования и биоиндикации почвы, загрязненной пестицидами.
-
Изучить физиологический отклик почвенной ЦБ Nostoc paludosum на действие пестицидов.
Научная новизна. Впервые проведено комплексное исследование состояния почв с использованием методов химического анализа и выявления особенностей развития альго-циано-микологических комплексов в районе Киль-мезского захоронения ядохимикатов (Кировская область). Для оценки степени загрязнения почвы пестицидами использованы такие показатели состояния
микробоценозов, как видовой состав альгофлоры, численность и биомасса аль-го-циано-микологических комплексов.
Проведено сравнение методов биоиндикации (по меланизации микоцено-зов и цианофитизации альгоценозов) и методов биотестирования (с использованием в качестве тест-объектов инфузорию Paramecium caudatum и люминесцентную генноинженерную бактерию Escherichia coli М-17) при оценке уровня загрязнения почвы.
Предложен новый метод оценки степени токсичности пестицидов по показателю дегидрогеназной активности ЦБ. Составлен ряд токсичности исследуемых пестицидов разных поколений при анализе действия почвенных вытяжек на уровень жизнеспособности клеток ЦБ Nostoc muscorum.
В ходе полевых опытов в агроценозах получены результаты, отражающие характер воздействия современных пестицидов на микробные комплексы почвы под зерновыми и бобовыми культурами, который проявляется, в первую очередь в изменении хода сезонных альгосукцессий.
Теоретическая и практическая значимость. Результаты исследования расширяют представления о специфике реакций почвенных водорослей, ЦБ и грибов на воздействие различных групп пестицидов. Доказано, что степень токсичности почвы при пестицидном загрязнении определяется доминированием ЦБ и меланизированных микромицетов в структуре микробных комплексов.
Изучены возможности применения отдельных штаммов ЦБ для оценки степени токсичности различных пестицидов. Выявлена коррелятивная зависимость между активностью каталазы и количеством живых клеток в популяции Nostoc paludosum. Доказана возможность использования таких показателей, как перекисное окисление липидов, каталазная активность и жизнеспособность клеток ЦБ в качестве биомаркеров стресса Nostoc paludosum на поллютанты различной природы.
Разработан новый комплексный подход в оценке экотоксикологического состояния почв, загрязненных пестицидами и продуктами их деструкции, при сочетании методов биоиндикации и биотестирования, а также метод оценки токсичности пестицидов различных групп и поколений с использованием ЦБ N. muscorum. Создана система практических рекомендаций по определению степени пестицидного загрязнения почвы с использованием химических, биоиндикационных и биотестовых методов.
Результаты диссертационного исследования внедрены в учебный процесс при чтении курсов лекций «Экология почв», «Экологическая токсикология», «Химия окружающей среды» в Вятском государственном гуманитарном университете; «Основы биомониторинга» в Вятском государственном университете; «Биомониторинг сельскохозяйственных экосистем», «Почвенная микология», «Микробные биотехнологии в сельском хозяйстве» в Вятской государственной сельскохозяйственной академии.
Апробация работы. Основные положения работы доложены на Всероссийской научной школе для молодежи «Инновационные методы и подходы в изучении естественной и антропогенной динамики окружающей среды» (Киров, 2009), международной конференции «Водоросли и цианобактерии в при-
родных и сельскохозяйственных экосистемах», посвященной 100-летию со дня рождения проф. Э. А. Штиной (Киров, 2010), Всероссийском симпозиуме с международным участием «Автотрофные микроорганизмы» (Москва, 2010), XVIII Всероссийской молодежной научной конференции «Актуальные проблемы биологии и экологии» (Сыктывкар, 2011), на III-VII Всероссийской молодежной научно-практической конференции «Экология родного края - проблемы и пути их решения» (Киров, 2008-2013), Всероссийской научно-практической конференции «Биологический мониторинг природно-техногенных систем» (Киров, 2011), X Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Биодиагностика состояния природных и природно-техногенных систем» (Киров, 2012), VIII международной научно-практической конференции «Дни знания- 2012» (Прага, 2012), VIII научно-практической конференции «Новые научные достижения» (София, 2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 25 работ, в том числе 1 глава в коллективной монографии и 5 статей в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Личный вклад автора. Автор принимал активное участие на всех этапах подготовки диссертационной работы: при проведении полевых экспедиционных исследований, при отборе почвенных образцов, сборе и обобщении литературных источников по теме исследования, химическом анализе почв; микробиологических, биотестовых, биоиндикационных исследованиях и определении количественного состава почвенных водорослей и цианобактерий, определении количественных параметров микоценозов, обработке и интерпретации полученных данных. Определение видового состава почвенных фототрофов выполнено при участии автора.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и выводов, изложенных на 99 страницах машинописного текста, иллюстрированных 12 рисунками и 29 таблицами, приложения. Список литературы включает 149 наименований, в том числе 65 на иностранном языке.
