Загрязнение тяжелыми металлами и дыхательная активность микроорганизмов в нативных почвах и искусственных субстратах (на примере заповедного участка “Ямская степь”) | Почвенный институт им. В.В. Докучаева

Загрязнение тяжелыми металлами и дыхательная активность микроорганизмов в нативных почвах и искусственных субстратах (на примере заповедного участка “Ямская степь”)

Н.О. Бакунович1, О.С. Хохлова1, Т. Н. Мякшина1, А.В. Русаков2, А.С. Шаповалов3

1Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, Россия, 142290 Московская обл., Пущино, ул. Институтская, 2
2Институт наук о Земле Санкт-Петербургского государственного университета, Россия, 199178 Санкт-Петербург, В.О., 16 линия, 29
3Государственный заповедник “Белогорье”, Россия, 309340 Белгородская обл., пос. Борисовка, Монастырский пер., 1

Участок “Ямская степь” заповедника “Белогорье” расположен в Белгородской области вблизи сосредоточения предприятий горно-добывающей промышленности: Лебединского и Стойленского ГОК, комбинатов “КМАруда” и Оскольский металлургический, ТЭЦ и др. Учитывая, что “Ямская степь” является особо охраняемой природной территорией и при этом испытывает значительную техногенную нагрузку, необходимость изучения свойств доминирующих почв и проведения оценки загрязнения их тяжелыми металлами (ТМ) приобретает актуальное значение. Целью работы являлась оценка токсичности загрязнения почв “Ямской степи” ТМ в зависимости от изучения дыхательной активности микроорганизмов нативных почв мониторинговых площадок (МП) и искусственно созданных смесей почвы с пылью из цехов комбината, содержащей повышенные количества ТМ. Исследования нативных почв на МП не выявили зависимости базального дыхания от типа почвы, лишь слабо и единично от типа землепользования. В почвах только двух из 21-й изученной МП обнаружены признаки нарушения функционирования микробного сообщества. Измерения валовых форм ТМ показали относительное превышение концентрации на этих МП Сu, Zn, Zr, Sn, Pb, As. Опыты с искусственными субстратами позволили заключить, что добавление пыли с ТМ, взятой из цехов Лебединского ГОКа, сказывается на микробиологической активности, вызывая интенсификацию выделения СО2, как в случае измерения скорости базального, так и субстратиндуцированного дыхания. Но только в вариантах при равном соотношении почва/пыль, что маловероятно в природных условиях, это влияние было значительным. Необходим поиск более чувствительных индикаторов загрязнения ТМ изучаемых почв. 

Ключевые слова: тяжелые металлы, загрязнение, черноземы, дыхательная активность микробоценоза, мониторинговые площадки, натурные и имитационные эксперименты, Ямская степь.

DOI: 10.19047/0136-1694-2016-85-131-149


DETECTION OF TOXICITY OF HEAVY METAL POLLUTION IN SOILS BASED ON THEIR RESPIRATORY ACTIVITY IN NATIVE SOILS AND SIMULATED SUBSTRATES (A CASE-STUDY OF THE PROTECTED AREA “YAMSKAYA STEPPE”)

N.O. Bakunovich1, O.S. Khokhlova1, T.N. Myakshina1, A.V. Rusakov2, A.S. Shapovalov3

1Institute of Physicochemical and Biological Problems of Soil Science, Russian Academy of Sciences, Russia, 142290 Pushchino, Moscow region, ul. Institutskaya, 2
2Institute of Earth Sciences of Saint-Petersburg State University, Russia, 199178 Saint-Petersburg, Vasilevsky island, 16 line, 29
3State Natural Reserve “Belogorye”, Russia, 309340 Belgorod region, urban settlement Borisovka, Monastyrsky pereulok, 3

The area “Yamskaya Steppe” of “Belogorye” preserve is located in Belgorod Oblast near the concentration of mining factories: Lebedinskiy and Stoylenskiy mining and concentration complex (MCC), complexes of “KMA-ore” and Oskol metallurgical, TPP etc. Taking into account that the “Yamskaya Steppe” is a SPNR and along with that bears a significant technogenic burden, it is necessary to investigate the properties of dominating soils and to provide the assessment of its contamination by heavy metals (HM). The main purpose of the work was to assess the toxicity of contamination of the soils of “Yamskaya Steppe” by HM in correlation to the investigated respiration activity of microorganisms of native soils of monitoring areas (MA) and artificially created mixes of soils with the dust from shops of factories, containing high concentrations of HM. The investigation of the native soils did not show the correlation of the basal respiration and the type of the soil. However weak and single case showed the correlation of basal breath and the type land use. Only in two soils of the whole 21 soils from the investigated MA the signs of disturbance of functioning of microbial community were revealed. The measurement of the bulk forms of HM showed relative increase in concentrations of Сu, Zn, Zr, Sn, Pb, As on these MA. The experiments with artificial mixtures allowed us to conclude that the implementation of the dust with HM, taken from the shops of Lebedinskiy MCC, affect the microbial activity. That causes the intensification of СО2 emission as incase of measuring of basal respiration rate and in case of substrata-induced respiration. However, that impact might be possible only in conditions of equal amount of the soil and dust in artificial mixtures, but this is impossible in natural conditions. It is necessary to find more senstive indicators of HM contamination for the investigated soils. 

Key words: heavy metals, contamination, chernozems, respiration activity of microbiocenosis, monitoring areas, nature and imitation experiments, Yamskaya Steppe.


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Благодатская Е.В., Ананьева Н.Д., Мякшина Т.Н. Характеристика состояния микробного сообщества по величине метаболического коэффициента // Почвоведение. 1995. № 2. С. 205–210.
2. Девятова Т.А. Биоэкологические принципы мониторинга и диагностика загрязнения почв // Вестник ВГУ. Сер. Химия. Биология. Фармация. 2005. № 1. С. 105–106.
3. Евдокимова Г.А., Зенкова И.В. Влияние выбросов алюминиевого завода на биоту почв Кольского полуострова // Почвоведение. 2003. № 8. С. 973–979.
4. Кабиров P.P., Сагитова А.Р., Суханова Н.В. Разработка и использование многокомпонентной тест-системы для оценки токсичности почвенного покрова городской территории // Экология. 1997. № 6. С. 408–411.
5. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена, 2004. 342 с.
6. Мостовая А.С., Курганова И.Н., Лопес де Гереню В.О., Хохлова О.С., Русаков А.В., Шаповалов А.С. Изменение микробиологической активности серых лесных почв в процессе естественного лесовосстановления // Вестник ВГУ. Сер. Химия. Биология. Фармация. 2015. № 2. С. 64–72.
7. Терехова В.А. Биоиндикация и биотестирование в экологическом контроле // Использование и охрана природных ресурсов в России. Информационно-аналитический бюл. 2007. № 1 (91). С. 88–90.
8. Филимонова Ж.В., Покаржевский А.Д., Зайцев A.C., Криволуцкий Д.А., Фергуф С.К. Экологические механизмы устойчивости почвенной биоты
к загрязнению металлами // Докл. РАН. 2000. Т. 370. С. 571–573.
9. Шунелько Е.В., Федорова А.И. Экологическая оценка городских почв и выявление уровня токсичности тяжелых металлов методом биотестирования // Вестн. Воронеж. гос ун-та. География и экология. 2000. №. 4. С. 77–83.
10. Яковлев А.С. Биологическая диагностика и мониторинг состояния почв // Почвоведение. 2000. № 1. С. 70–79.
11. Aceves M.B., Ansorena C.G.J., Dendooven L., Brookes P.C. Soil microbial biomass and organic e in a gradient of zinc concentrations in soils around a mine spoil tip // Soil Biol. Biochem. 1999. V. 31. P. 867–876.
12. Anderson T.H., Domsch K.H. The metabolic quotient for CO2 (qCO2) as a specific activity parameter to assess the effects of environmental conditions, such as pH, on the microbial biomass of forest soils // Soils Biol. Biochem. 1993. V. 25. P. 393–395.
13. Berg C., Ekbohm G., Soederstroem B.E., Staaf H. Reduction of decomposition rates of Scots pine needle litter due to heavy-metal pollution // Water, Air Soil Pollution. 1991. V. 59. P. 165–178.