Введение к работе
Актуальность работы. Урбоэкосистемы - это обладающие особыми свойствами и малоизученные биологические системы, которые занимают около 1,5 % площади земного шара (Свистова и др., 2003). Глобальные изменения природной среды, такие как аридизация, парниковый эффект, загрязнение, кислотные дожди, деградация почв и растительности, наблюдаются, прежде всего, на урбанизированных территориях. При этом степень экологического риска возрастает для всех компонентов урбоэкосистем: воздуха, растительности, почвы, воды (Экогеохимия городских ландшафтов, 1995). Формирующиеся в урбоэкосистеме почвы, аналогично естественным почвам выполняют роль базисной составляющей, в них замыкаются биогеохимические круговороты веществ, происходит биохимическое преобразование культурного насыпного слоя, трансформация поверхностных вод в грунтовые, они являются питательным субстратом для растений (Добровольский, Никитин, 1990).
Почва содержит значительное количество микроорганизмов, играющих огромную роль в непрерывно осуществляющихся в ней биохимических процессах (Тешева, 2007). Микробное сообщество почвы играет важнейшую роль в реализации ее экологических функций и поддержании устойчивости почвы, как биокосной системы. Различная чувствительность компонентов микробного сообщества почвы к антропогенному воздействию приводит к выпадению наименее устойчивых его звеньев, нарушению естественного равновесия между отдельными группами микрофлоры. В свою очередь, это меняет интенсивность отдельных стадий процессов круговорота биогенных элементов, что ведет к деградации почв, дегумификации, нарушению экологических функций почвы и потере почвенного плодородия (Структурно-функциональная роль почвы в биосфере, 1999). В числе фактологических и функциональных критериев состояния почвенного микробоценоза традиционно используют численность отдельных видов микроорганизмов, а также их физиолого-биохимических групп, ведущих в почве разнообразные процессы (Марченко, Кожевин, 2008).
До недавнего времени почвы городских территорий, в известной степени, игнорировались исследователями, и только в последнее десятилетие интерес к этому объекту усилился, что привело к увеличению числа публикаций, посвященных этой важной проблеме (Экологические функции городских почв, 2004). Между тем, в нашей стране в городах и населенных пунктах на территории в 0,65% площади проживает около 3/4 населения, что составляет более 100 млн. человек (Джувеликян, 1999). Условия и качество жизни населения зависят от городской среды, в том числе и от состояния почвенного покрова городов. Следует также отметить, что загрязненные городские почвы могут служить резервуаром патогенных и аллергенных для человека бактерий и грибов, причем некоторые из них могут накапливаться в значительных количествах (Da Silva Pontes, Oliveira, 2008). Таким образом, комплексное исследование городских почв, их микрофлоры, механизмов и закономерностей антропогенного воздействия на почвы является чрезвычайно актуальным и представляет существенный научный и практический интерес.
Цель и задачи исследования. Целью данной работы было исследование количественных соотношений и качественного состава микрофлоры урбопочв г. Ростова-на-Дону.
.
Для выполнения цели были поставлены следующие задачи:
1. Исследовать численность ряда физиологических и эколого-трофических групп микроорганизмов, а именно аммонификаторов, аминоавтотрофов, педотрофов, олиготрофов, олигонитрофилов, аэробных и анаэробных азотфиксаторов, денитрификаторов, нитрификаторов, актиномицетов и цианобактерий в почвах г. Ростова-на-Дону.
2. Выявить различия в численности перечисленных групп бактерий в центральной и окраинных частях города.
3. Оценить сезонную динамику численности перечисленных эколого-трофических групп микроорганизмов в урбопочвах в весенний, летний и осенний периоды года.
4.Оценить изменения в структуре микробоценозов с помощью коэффициентов минерализации, олиготрофности, педотрофности и олигонитрофильности в городских почвах центра и окраин города, в сравнении с контролем и данными литературных источников.
5.Выявить наиболее часто встречающиеся виды аммонифицирующих и аминоавтотрофных бактерий, а также актиномицетов и провести их родовую и видовую идентификацию.
6. Оценить степень накопления в исследуемых почвах тяжелых металлов: свинца, цинка, меди, никеля, кобальта, ванадия и марганца, рассчитать коэффициенты суммарной токсичности, выявить коррелятивную связь между микробиологическими показателями и концентрацией в почвах валовых форм тяжелых металлов, соотнести полученные данные с содержанием в почве гумуса и pH почвенной вытяжки.
7. Провести оценку токсичности тяжелых металлов по отношению к актиномицетам, выделенным из городских почв.
Научная новизна. Принципиальная новизна полученных данных состоит в том, что впервые проведена комплексная оценка структуры бактериоценозов урбопочв, сформированных на основе черноземов степной зоны. Определена численность основных эколого-трофических групп бактерий, обеспечивающих реализацию азотного цикла в урбопочвах. Показано увеличение численности аммонификаторов, аминоавтотрофов, педотрофов, олиготрофов и олигонитрофилов и снижение численности актиномицетов в почвах центральной части города по сравнению с окраинными. Методом непараметрического дисперсионного анализа Краскела-Уоллиса показано, что отличия в численности микроорганизмов различных групп между центральной и окраинной частями города наиболее выражены в весенний период, сглаживаются летом и восстанавливаются осенью. Методом анализа главных компонент показан различный характер распределения бактериального и актиномицетного комплекса городских почв. Рассчитаны коэффициенты минерализации, олиготрофности, педотрофности и олигонитрофильности для исследуемых городских почв, а также для контрольной почвы с минимальным уровнем антропогенного воздействия. Показано устойчивое снижение коэффициентов минерализации, олиготрофности, педотрофности и олигонитрофильности в ряду: почва залежи вне городской черты – почвы окраин – почвы центральной части города
Выделены наиболее часто встречающиеся в урбопочвах виды аммонификаторов, аминоавтотрофов и актиномицетов проведена их родовая и видовая идентификации. Показаны существенные изменения видового состава микробоценозов урбопочв по сравнению с черноземами. Установлен ряд токсичности тяжелых металлов для штаммов актиномицетов, выделенных из городских почв.
Практическая значимость. Результаты исследования позволяют установить общие закономерности изменений структуры и состава микробного сообщества городских почв под влиянием антропогенной нагрузки. Полученные данные открывают возможности для создания многофакторной системы мониторинга городских почв на основе микробиологических показателей. Выявленные изменения в видовом составе косвенно демонстрируют существенную опасность городских почв, в связи с повышенным содержанием санитарно-показательных, а также потенциально аллергенных микроорганизмов (р. Rhodococcus, р. Micrococcus, р. Arthrobacter). Изучение сезонной динамики популяций бактерий и актиномицетов в урбопочвах показывает, что в летний период снижена прогностическая значимость микробиологических показателей в связи с выраженностью абиотических факторов среды (высокая температура, низкая влажность). Широкое использование коэффициентов, отражающих структуру микробоценоза, может помочь избежать ошибок при мониторинге, поскольку соотношение групп микроорганизмов является более устойчивым показателем, чем их численность. Материалы работы могут быть использованы в лекционных курсах «Микробиология», спецкурсе «Микробные трансформации», а также задачах большого практикума по микробиологии и при выполнении научно-исследовательских работ почвенной микробиологии.
Личный вклад автора. Тема исследования, цель, задачи, объекты и методы определены автором лично при участии научного руководителя. Отбор образцов почвы, лабораторные эксперименты осуществлены лично автором. Анализ, обобщение и статистическая обработка полученных результатов, формулировка выводов и основных положений диссертации выполнены лично автором при направляющем и корректирующем участии научного руководителя.
Апробация результатов исследований. Материалы, положенные в основу работы, были представлены на следующих конференциях: 1-я Молодежная экологическая научная конференция (Ростов-на-Дону, 2009), 9-я Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Биоразнообразие: состояние, проблемы и региональная стратегия сохранения и развития» (Тобольск, 2010), VIII Всероссийская научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Молодежь XXI века – будущее Российской науки», (Ростов-на-Дону, 2010), Всероссийская научная конференция «Экологические проблемы промышленных городов» (Саратов, 2011), 6-я Всероссийская конференция молодых ученых “Стратегия взаимодействия микроорганизмов и растений с окружающей средой» (Саратов, 2012), II Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых «Молодежь и наука: модернизация и инновационное развитие страны» (Пенза, 2012), Всероссийская молодежная конференция «Развитие студенческих научных обществ и молодежных инновационных центров для решения задач регионального социально-экономического развития» (Ростов-на-Дону, 2012).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 3 статьи в журнале, рецензируемом ВАК Минобрнауки РФ, 2 подготовлены к печати.
Основные защищаемые положения:
-
В урбопочвах центральной части г. Ростова-на-Дону численность аммонификаторов, аминоавтотрофов, педотрофов, олиготрофов и денитрификаторов выше по сравнению с урбопочвами окраин.
-
В урбопочвах г. Ростова-на-Дону в летний период нивелируются различия микробиологических показателей между центральной и окраинной частями города.
-
В урбопочвах г. Ростова-на-Дону происходит изменение структуры бактериоценозов, выраженное в снижении коэффициентов минерализации, педотрофности, олиготрофности и олигонитрофильности в ряду: почва залежи > урбопочвы окраин > урбопочвы центральной части города.
-
В урбопочвах г. Ростова-на-Дону наблюдается изменение видового состава микробоценозов: уменьшается доля бацилл и грамотрицательных бактерий, доминируют нокардиоформные бактерии. Эти сдвиги достигают максимальной выраженности в почвах центральной части города.
Объем и структура работы. Диссертация выполнена на 148 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, экспериментальной части и обсуждения результатов, заключения, выводов и списка литературы (259 источников). Иллюстрационный материал включает 24 рисунка, 17 таблиц.
