Введение к работе
Актуальность. Почва представляет собой многокомпонентную биоминеральную (биокосную) динамическую систему, находящуюся в материальном и энергетическом взаимодействии с внешней средой, частично вовлеченную в биологический цикл круговорота веществ. Обязательными компонентами почвы являются живые микроорганизмы (Смагин, 1996). Им принадлежит огромная роль в осуществлении почвообразовательных процессов, разложении органического вещества, трансформации органических и минеральных веществ, формировании пищевого режима и плодородия почв. Важными экологическими функциями почвенной микрофлоры является осуществление круговорота веществ и поддержание почвенного гомеостаза. Вместе с тем почвенные микроорганизмы очень чутко реагируют на изменения окружающей среды, что определяет целесообразность использования их в мониторинге почв, подверженных загрязнению различными поллютантами.
В настоящее время все большую актуальность приобретает вопрос об устойчивости почв к избыточному поступлению в них тяжелых металлов (Бертокс,1980; Лимини и др., 2003; Гусакова, 2004; Радомская и др., 2006; Тимофеева, 2007). В условиях Якутии усиление рассеивания тяжелых металлов вызвано не только развитием добывающей промышленности, но и урбанизацией территории. Исследования почв наиболее плотно населенной местности «Туймаада» показывают, что в них максимальные концентрации Be, V, Ti, Cr, Mg, Co, Ni, Cu, Mo, Cd, Pb, Zn достигают и превышают уровень ПДК (Макаров, 2002; Картографический атлас…, 2007). Пахотные почвы могут загрязняться тяжелыми металлами, поступающими в составе фосфорных удобрений: последние содержат до 220мг Рb и до 1400мг Zn на кг (Водяницкий, 2004). Это обстоятельство особенно важно для мерзлотных почв Якутии, слабо обеспеченных подвижным фосфором и нуждающихся при освоении под пашню в регулярном внесении фосфорных удобрений.
Благодаря высокой поглотительной способности почвы аккумулирует тяжелые металлы, концентрации которых могут достигать значений, токсичных для её живого населения. Это неизменно приводит к снижению биологического потенциала почв, частичной и даже полной потере важнейших почвенных функций (Трофимов, 1989).
Характер и степень воздействия тяжелых металлов на почву определяются комплексом факторов: буферной способностью (устойчивостью) данной почвы к тяжелым металлам, природой металла и спецификой его взаимодействия с биологическими агентами (почвенными микроорганизмами, ферментами, растениями). Следовательно, каждому типу почвы, развивающемуся в конкретной экологической обстановке и обладающему характерным для него уровнем биологической активности и буферности, соответствует присущий только ему «ответ» на загрязнение тяжелыми металлами.
Центральная Якутия располагает большим резервом плодородных земель. Из всего разнообразия почвенного покрова наибольшим потенциальным плодородием характеризуются мерзлотные черноземы и лугово-черноземные почвы. Они широко используются под пашни и пастбищные угодья (Еловская, Коноровский и др., 1966). Генетические, физико-химические и агрохимические свойства этих почв достаточно хорошо изучены, однако микробиологическая активность и влияние на неё разных доз тяжелых металлов до сих пор не исследовалась. В связи с этим представляет большой научный и практический интерес изучение микробиологических показателей лугово-степных почв при воздействии на них разных доз тяжёлых металлов. Необходимость проведения исследований в данном направлении определяет актуальность выполненной работы.
Цель работы – исследование особенностей микрофлоры мерзлотных лугово-степных почв Центральной Якутии и изучение влияния на неё разных доз тяжелых металлов.
Для выполнения поставленной цели решались следующие задачи:
-
на основе определения основных трофических и таксономических групп микроорганизмов изучить численность микрофлоры и состав микробного комплекса мерзлотных черноземов, лугово-черноземных и дерново-глееватых почв в условиях незагрязненных ландшафтов;
-
изучить сезонную динамику и профильное распределение микрофлоры в данных типах почв;
-
изучить влияние Cu, Zn, Pb, Cd и их комплекса в дозах 0,5ПДК, 1ПДК, 5 ПДК, 10ПДК, 30 ПДК на численность и состав микроорганизмов мерзлотного чернозема в условиях модельного лабораторного опыта;
-
изучить комплексное воздействие Cu, Zn, Pb, Cd в дозах 1ПДК и 5ПДК на микрофлору мерзлотной лугово-черноземной почвы и урожайность ячменя сорта «Тамми» в условиях мелкоделяночного опыта.
Научная новизна. Получены новые данные о численности и составе микробного комплекса мерзлотных черноземов, лугово-черноземных и дерново-глееватых почв Центральной Якутии. Выявлены особенности микрофлоры в связи с генетическими и физико-химическими свойствами почв. Впервые в мерзлотных черноземах изучено влияние тяжелых металлов Cu, Zn, Cd, Pb на численность различных трофических и таксономических групп микроорганизмов в широком диапазоне концентраций - от низких концентраций (0,5 ПДК), до средних (1ПДК) и высоких (5ПДК, 10ПДК, 30ПДК) концентраций. Впервые для данного региона в условиях мелкоделяночного опыта на мерзлотной лугово-черноземной почве получена информация о комплексном влиянии Cu, Zn, Cd, Pb на состав и численность микрофлоры, а также урожайность ячменя сорта «Тамми»,
Практическая значимость. Результаты исследования микрофлоры могут быть использованы для оценки потенциального и актуального плодородия мерзлотных черноземов и лугово-черноземных почв. Показана перспективность использования микробиологических показателей - численность бактерий, использующих органические и минеральные формы азота, олигонитрофилов и бактерий рода Azotobacter для диагностики загрязнения тяжелыми металлами лугово-степных почв Центральной Якутии. Полученные результаты расширили информационные данные о микробиологических особенностях мерзлотных лугово-степных почв, их можно применять в сельскохозяйственной практике, а также при проведении экологического мониторинга.
Защищаемые положения.
1. Мерзлотные черноземы, лугово-черноземные и дерново-глееватые почвы Центральной Якутии характеризуются высокой биогенностью; численность бактерий разных трофических групп достигает в них несколько десятков миллионов клеток/г почвы и сопоставима с численностью микроорганизмов в аналогичных типах почв не мерзлотного ряда. Высокая биогенность мерзлотных лугово-степных почв определяется их генетическими и экологическими особенностями.
2. Состав микробного комплекса мерзлотных лугово-степных почв отражает направленность и интенсивность трансформации органического вещества в них.
3. Возрастающие дозы тяжелых металлов Cu, Zn, Pb, Cd приводят к снижению численности всех трофических и таксономических групп микроорганизмов в мерзлотных черноземах. Токсичность тяжелых металлов по отношению к большинству групп почвенных микроорганизмов образуют ряд: (Cu+Zn+Pb+Cd)>Cd>Pb>Zn>Cu.
4. Комплексное воздействие тяжелых металлов в дозах 1ПДК и 5ПДК снижает численность микроорганизмов в мерзлотной лугово-черноземной почве, ухудшает структуру урожая и понижает урожайность зеленой массы ячменя. Численность гетеротрофов, бактерий, использующих минеральные формы азота, актиномицетов, олигонитрофилов и бактерий рода Azotobacter можно использовать для диагностики эффективного плодородия мерзлотных лугово-степных почв и загрязнения их тяжелыми металлами.
Апробация. Основные положения диссертации были представлены на: форуме научной молодежи Дальнего Востока и Сибири в г. Нерюнгри (Нерюнгри, 2007); конференции Биолого-географического факультета Якутского государственного университета им. М.К. Аммосова (Якутск, 2007); международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2007, 2008); конференции научной молодежи, посвященной 50-летию СО РАН «Эрэл-2007» (Якутск, 2008), Научной конференции Якутского государственного университета им. М.К. Аммосова (Якутск, 2008); «XII Лаврентьевские чтения» Республики Саха (Якутия) (Якутск, 2008); международный, молодежный научный форум «Ломоносов – 2008» (XV Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов») (Москва, 2008); V Всероссийском съезде общества почвоведов им. В.В. Докучаева (Ростов-на-Дону, 2008); форуме научной молодежи Якутии им. В.П. Ларионова (Якутск, 2009); аспирантских чтениях Якутского государственного университета им. М.К. Аммосова (Якутск 2008, 2009).
Предварительные результаты научной работы были отмечены дипломом первой степени Министерства образования и науки РФ на Всероссийском открытом конкурсе на лучшую научную работу студентов по естественным, техническим и гуманитарным наукам. За выполнение данной работы был получен Грант Президента РФ для обучения за рубежом в 2009-2010гг., который позволил пройти научную стажировку в Университете Рединга, Великобритания.
Публикации. По материалам исследований опубликовано 11 работ, в том числе 3 статьи в журналах из списка ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и списка литературы (293 отечественных и 27 зарубежных источников). Работа изложена на 158 страницах машинописного текста и включает в себя 28 таблиц и 26 рисунков.
Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю к.б.н., доц. Марине Владимировне Щелчковой за оказанное внимание и поддержку в проведении исследовательской работы и обсуждении результатов научного труда. Особую признательность автор выражает коллективу кафедры биологии ФГАОУ ВПО «Северо-Восточной Федеральный университет им. М.К. Аммосова», а также директору Ботанического сада Института биологических проблем криолитозоны СО РАН Федорову И.А. за организационную и консультативную помощь.
