Введение
Бурые лесные почвы покрывают площади высоких и средне-высоких гор как на северных, так и на южных склонах Северного Кавказа. Они формируются под мертвопокровными буковыми, буково-грабовыми, пихтовыми и пихто-еловыми лесами, также под дубовыми лесами с примесью граба, бука и дикорастущих плодовых растений [1]. Большинство исследований, посвященных бурым лесным почвам, направлено на влияние на них таких загрязнителей, как нефть, тяжелые металлы, электромагнитное излучение. Однако сочетанное воздействие этих факторов до сего момента не изучалось [2-5].
Целью нашего исследования было установить степень влияния сочетанного загрязнения свинцом и переменным магнитным полем на численность основных групп почвенных микроорганизмов серопесков, таких как аммонификаторы, азотфиксаторы, амилолитики, а также на микромицеты.
Объекты и методы исследований
В качестве объекта исследований были использованы бурые лесные почвы, отобранные на территории республики Адыгея, рядом с п. Никель. Почвы расположены под буково-грабовым лесом, рН 5,4, содержание гумуса 4,4 % [1].
Из тяжелых металлов в качестве загрязнителя был выбран свинец как тяжелый металл, относящийся к 1-му классу опасности. Свинец вносили в почву в форме оксида PbO в количестве 100, 500, 1000, 1500, 2000 мг/кг. Далее почву увлажняли до 60 % от общей влагоемкости.
В качестве электромагнитного воздействия было выбрано воздействие переменным магнитным полем (ПеМП) промышленной частоты 50 Гц индукцией 300, 1500 и 3000 мкТл в установках, представляющих собой соленоиды. Почву увлажняли до 60 % от общей влагоемкости и помещали в установку.
Для того чтобы оценить сочетанное воздействие факторов, почву загрязняли оксидом свинца во всех описанных выше концентрациях и помещали в установки со всеми представленными уровнями индукции так, чтобы в эксперименте присутствовали все возможные сочетания дозы факторов. Контролем служили образцы почв не подвергавшиеся воздействию факторов.
Образцы почвы инкубировали в вегетационных сосудах при комнатной температуре (20–22 °С) и оптимальном увлажнении (60 % от полевой влагоемкости) в трехкратной повторности. Длительность эксперимента 10 суток.
По окончании срока инкубации в опытных и контрольных образцах определяли микробиологические параметры состояния почв. Всю массу почвы извлекали из вегетационного сосуда и перемешивали, тем самым получали «средний образец», из которого отбирали пробы для определения исследуемых показателей.
Лабораторно-аналитические исследования были выполнены с использованием методов, общепринятых в биологии, почвоведении и экологии [6]. Статистическая обработка данных была выполнена с использованием статистического пакета Statistica 6.0 для Windows.
Результаты и обсуждение
Свинцовое загрязнение снижало активность каталазы (рис.1). Был зафиксирован рост активности фермента при внесении в почву свинца в концентрациях 100 и 500 мг/кг, однако дальнейшее увеличение концентрации свинца влекло за собой снижение активности на 23–30 % (p<0,05).
Тяжелые металлы изменяют сродство почвенных ферментов к субстрату, снижают численность почвенных микроорганизмов, отчего уменьшается производство ферментов. Ионы тяжелых металлов способны переводить ферменты из сорбированного состояния (на гранулах почвы) в водорастворимое, что снижает скорость реакций [4].
Переменное магнитное поле снижало активность фермента на 23 % при индукции магнитного поля 3000 мкТл (p<0,05).
Рис. 1. Влияние сочетанного загрязнения на активность каталазы
При сочетанном загрязнении переменное магнитное поле оказывало протекторные свойства на активность каталазы: если при свинцовом загрязнении снижение активности составило 23–30 %, то при индукции 3000 мкТл – 12–25 % (p<0,05).
Двухфакторный дисперсионный анализ показал, что вклад взаимодействия свинцового и электромагнитного загрязнения составил 17 %, вклад загрязнения свинцом – 62 % соответственно. Достоверного вклада переменного магнитного поля установлено не было.
Так же, как и активность каталазы, активность дегидрогеназы снижалась при внесении в почву оксида свинца (рис. 2).
Рис. 2. Влияние сочетанного загрязнения на активность дегидрогеназы
Снижение составило 14–30 % в зависимости от дозы, при этом при низких дозах (100–500 мг/кг) достоверных изменений активности не наблюдалось.
Переменное магнитное поле снижало активность дегидрогеназы бурой лесной почвы на 24 % при индукции 3000 мкТл.
Переменное магнитное поле в сочетанном загрязнении со свинцом не оказывало влияния на активность дегидрогеназы бурой лесной почвы.
Достоверного вклада взаимодействия загрязнителей в изменение активности дегидрогеназы обнаружено не было. Вклад свинцового загрязнения составил 70 % (p<0,05). Достоверного вклада переменного магнитного поля установлено не было.
Из изложенных данных следует, что дегидрогеназа более устойчива к загрязнению свинцом, чем каталаза. Также она менее подвержена влиянию сочетанного действия факторов.
Тяжелые металлы могут и напрямую поступать в растение из почвы, затем накапливаться в его тканях, клетках, нарушая течение многих биологических процессов, в том числе синтез белка и фотосинтез.
Внесение в почву свинца вызывало снижение длины побегов и корней проростков редиса до 63–70 % соответственно (p<0,05) (рис. 3).
(А)
(Б)
Рис. 3. Влияние сочетанного загрязнения на длину корней (А) и побегов (Б)
Переменное магнитное поле индукцией 300 мкТл приводило к увеличению длины побегов и корней редиса на 18–25 %.
Сочетанное загрязнение не приводило к изменению картины, появившейся при загрязнении отдельно свинцом. Некоторое снижение показателей стало заметно только при высоком уровне индукции – 3000 мкТл.
Достоверного вклада взаимодействия факторов в изменение фитотоксичности бурой лесной почвы обнаружено не было, как и переменного магнитного поля. Свинцовое загрязнение внесло вклад в количестве 77 % (p<0,05).
Внесение свинца в количестве 100–500 мг/кг в бурую лесную почву влекло за собой рост биомассы на 18–24 % (рис. 4), дальнейшее повышение концентрации свинца приводило к снижению показателя на 26–27 % (p<0,05).
Рис. 4. Влияние сочетанного загрязнения на количество микробной биомассы почвы
Токсическое действие свинца вызывает изменения в физиологии бактериальной клетки, что приводит к изменению скоростей роста и отмирания бактерий, а значит, и количества почвенной биомассы в целом.
Переменное магнитное поле индукцией 300 и 1500 мкТл не оказывало на биомассу почвы достоверного влияния, однако с увеличением индукции до 3000 мкТл отмечалось снижение количества биомассы на 29–36 % (p<0,05).
Переменное магнитное поле индукцией 1500 мкТл при сочетанном загрязнении приводило к увеличению количества биомассы в почве по сравнению со случаем загрязнения отдельно свинцом. Более того, при малых дозах внесенного свинца отмечался стимулирующий эффект (17–31 %), не проявляющийся ранее (p<0,05). Однако дальнейшее увеличение индукции до 3000 мкТл приводило к снижению количества биомассы по сравнению с загрязнением отдельно свинцом.
Согласно двухфакторному дисперсионному анализу вклад взаимодействия загрязняющих факторов в изменение численности биомассы бурой лесной почвы составил 25 %, свинцового загрязнения – 50 %, переменного магнитного поля – 19 % (p<0,05).
Действие загрязнителей на почву при сочетанном загрязнении не является простой суммацией факторов. В почве происходит взаимодействие двух факторов, что влияет на итоговый показатель биологической активности. При этом результат взаимодействия зависит от дозы каждого из факторов. Основной вклад в изменение почвенных свойств вносили тяжелые металлы – 50–77 %. Взаимодействие действующих одновременно факторов составило 17–25 % для активности каталазы и микробной биомассы.
Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (14.A18.21.0187, 14.A18.21.1269, 16.740.11.0528, 14.740.11.1029), ФЦП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2013 годы" (14.515.11.0055) и в рамках реализации Программы развития Южного федерального университета.
Рецензенты:
Минкина Т. М., д.т.н., профессор кафедры почвоведения и оценки природных ресурсов ЮФУ, г. Ростов-на-Дону.
Казеев К. Ш., д.г.н., профессор кафедры экологии и природопользования ЮФУ, г. Ростов-на-Дону.