Введение к работе
Актуальность темы. Урбанизация - один из прогрессирующих процессов на планете. С каждым годом стремительно увеличивается площадь урбанизированных территорий, и доля населения, проживающая в городах. Экосистемы городов радикально отличаются от примыкающих к ним природных биоценозов и сельскохозяйственных экосистем. Урбанизация ландшафтов приводит к существенному изменению рельефа, водного, воздушного, геохимического режимов местности, изменению состава флоры, фауны, микробиоты. Неотъемлемый компонент структуры наземных экосистем - почва - выполняет множество экологических функций, обеспечивающих жизнь обитающих в почве и на её поверхности организмов. Экологические функции почвы в своём проявлении обусловлены морфологическими, физическими и химическими свойствами почв (Добровольский, 2012; Чернов, 2012). Городские почвы резко отличаются от зональных по таким признакам как кислотность, содержание загрязняющих веществ, водный и тепловой режимы. Изменение химического режима почвы сказывается и на функционировании микробных сообществ (Звягинцев, 1987; Кабиров, 1991; Лысак, Сидоренко, 1998; Добровольская и др., 2001; Артамонова, 2002; Киреева и др., 2005; Марфенина, 2005; Терехова, 2007; Лысак, 2010 и др.). В частности, происходит усиление роли в педоценозах патогенных и оппортунистических форм бактерий и грибов, резко возрастает численность наноформ бактерий, меняется структура популяций микромицетов, сглаживаются зональные особенности почвенной альгофлоры, обедняется её видовое разнообразие. Однако до настоящего времени недостаточно изучена специфика формирования и функционирования комплексов водорослей, цианобактерий (ЦБ) и грибов городских почв, для которых показана особая роль в статусе почв сельскохозяйственных, луговых и лесных экосистем (Штина, 1955 - 1997; Штина, Голлербах, 1975; Алексахина, Штина, 1984; Панкратова, 1982, 1989; Дубовик, 1995; Домрачева, 2005; Кузяхметов , 2006).
Целью работы было изучение структуры комплексов водорослей, цианобактерий и грибов городских почв и выявление их реакций на действие различных поллютантов. Задачи исследования:
1. Видовая и количественная характеристика внутрипочвенных и наземных фототрофных
микробных группировок.
2. Изучение влияния различных поллютантов на структурные особенности, ход сукцессии
фототрофных микробных сообществ, физиологический отклик отдельных видов ЦБ и сообщества в целом.
3. Определение сорбционных возможностей отдельных штаммов цианобактерий и циано-
бактериальных комплексов.
Научная новизна. Впервые проведено комплексное изучение структуры комплексов почвенных водорослей, цианобактерий (ЦБ) и грибов в зонах г. Кирова с разной техногенной нагрузкой. Установлено, что максимальное видовое обилие фототрофов характерно для парковой и промышленной зон. Выявлен феномен «цветения» городских почв и субстратов, сообщества которых представляют многовидовые комплексы, с плотностью фототрофных по-пуляций от 18 до 47 млн. кл./см . Доля эукариотных водорослей в подобных сообществах колеблется от 2 до 12% при абсолютном доминировании ЦБ. Показано, что постоянным значимым компонентом «цветения» почвы являются микромицеты, структура популяций которых служит важным индикационным признаком в биодиагностике.
Впервые выявлены факты и специфические особенности зимней вегетации альгофлоры, включая «цветение» почвы.
Установлено, что под влиянием различных поллютантов изменяется ход сукцессии в природных биоплёнках Nostoc commune.
Предложены методы комплексной оценки адаптационных возможностей штаммов ЦБ Nostoc paludosum, N. muscorum, N. linckia, природных биоплёнки iV. commune и природных биоплёнок с доминированием безгетероцистных цианобактерий (БГЦ) на действие таких
поллютантов, нефтепродукты (НП), хлорида натрия, ионы меди и никеля, по возрастанию интенсивности процессов перекисного окисления липидов (ПОЛ), снижению концентрации хлорофилла а в клетках, изменению каталазной активности и жизнеспособности клеток, изменению плотности популяций фототрофов и бактерий-спутников.
Доказана высокая сорбционная способность чистых культур ЦБ и природных циано-бактериальных биоплёнок, выделенных из почв г. Кирова, по отношению к ионам меди и никеля.
Практическая значимость. Результаты диссертации дополняют представления о влиянии поллютантов на видовой состав, численность и структуру комплексов водорослей, ЦБ и грибов урбанозёмов. Данные исследования показывают, что для биоиндикации состояния сред, загрязненных ионами тяжёлых металлов (ТМ) и НП, перспективно использование биоиндикационного метода по соотношению микромицетов с бесцветным и окрашенным мицелием; цианобактериального анализа, учитывающего соотношение группировок гетеро-цистных (ГЦ) и безгетероцистных (БГЦ) форм, а также соотношение эукариотных и прока-риотных фототрофов. С целью проведения биотестирования состояния окружающей среды возможно определение жизнеспособности клеток ЦБ тетразольно-топографическим методом. Выявлены цианобактериальные штаммы, обладающие высокой сорбционной активность по отношению к ТМ и НП, что может служить основой для получения биосорбентов.
Установлены условия, при которых природный комплекс БГЦ ЦБ способен очищать водные растворы от ионов меди (II) и никеля (II), а также выявлен высокий потенциал в обезвреживании ТМ у природных биоплёнок Nostoc commune и чистых культур iV. paludosum, N. linckia. На основании полученных данных возможно создание надёжного и эффективного биопрепарата для биоремедиации загрязнённых природных сред.
Личное участие автора. Автором проведены аналитический обзор литературы, планирование экспериментальной работы, отбор почвенных образцов, получена основная часть фактических данных, проведена интерпретация полученных результатов.
Апробация работы. Материалы диссертации представлены на научных конференциях: 9-ая научная конференция аспирантов и соискателей «Науке нового века - знания молодых» (Киров, 2009); 4-я областная научно-практическая конференция молодёжи «Экология родного края: проблемы и пути их решения» (Киров, 2009); 2-ая Всероссийская научно-практическая конференция «Водоросли: проблемы таксономии, экологии и использование в мониторинге» (Сыктывкар, 2009); Всероссийская научно-практическая конференция, посвященная 65-летию агрономического факультета «Инновационные технологии - в практику сельского хозяйства» (Киров, 2009); Всероссийская научно-практическая конференция «Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития» (Киров, 2009); Всероссийский симпозиум с международным участием «Современные проблемы физиологии, экологии и биотехнологии микроорганизмов», посвященный 125-летию со дня рождения академика В. Н. Шапошникова и 120-летию со дня рождения профессора Е. Е. Успенского (Москва, 2009); Всероссийская научно-практическая конференция молодых учёных, аспирантов и соискателей, посвященная 80-летию Вятской ГСХА «Науке нового века - знания молодых» (Киров, 2010); Всероссийская научно-практическая конференция молодёжи «Экология родного края: проблемы и пути их решения» (Киров, 2010); Международная научно-практическая конференция, посвященная 100-летию со дня рождения профессора Э. А. Штиной «Водоросли и цианобактерии в природных и сельскохозяйственных экосистемах» (Киров, 2010); 2-ой Всероссийский симпозиум с международным участием «Автотрофные микроорганизмы» (Москва, МГУ, 2010); Вторая научно-практическая конференция «Молодые ученые в решении актуальных проблем науки» (Владикавказ, СОГУ, 2011); Международная научно-практическая конференция молодых ученых, аспирантов и соискателей «Науке нового века - знания молодых» (Киров, ВГСХА, 2011); Всероссийская молодёжная науч-
но-практическая конференция «Экология родного края: проблемы и пути их решения» (Киров, ВятГТУ, 2011); Всероссийский симпозиум «Экология мегаполисов: фундаментальные основы и инновационные технологии» и Школа молодых учёных по экологической физиологии растений (Москва МСХА им. Тимирязева, 2011); VI съезд общества почвоведов им. В. В. Докучаева Всероссийская с международным участием научная конференция «Почвы России: современное состояние, перспективы изучения и использования» (Петрозаводск -Москва, ПГУ, 2012)
Публикации. По результатам исследований опубликовано 26 научных работы, из которых 3 статьи в журналах рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения, выводов, списка литературы включающего 265 наименований, в том числе 73 зарубежных издания. Работа содержит 160 страниц текста, 13 рисунков, 42 таблицы.
