ГЛАВА 7 ДЕГРАДАЦИЯ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЧВ

Микроорганизмы почвы выполняют важнейшие функ­ции в экосистеме. Значение их обусловлено высоким био­геохимическим эффектом деятельности микроорганизмов, который во всех случаях тем выше, чем больше скорость размножения организмов, чем короче их жизненный цикл и больше численность в биосфере (Одум, 1986).

Значение почвенных микробиологических процессов может быть сопоставимо только с фотосинтезом. Именно они осуществляют в почве разложение растительных и животных остатков, превращая их в новые органические вещества, которые при взаимодействии с минеральны­ми компонентами придают почве все ее специфические свойства. Почвенные микроорганизмы играют важнейшую роль в трансформации не только соединений основных биогенных элементов (углерода, азота, фосфора, серы), но и соединений всех химических элементов. Основательно изучено влияние микроорганизмов на почвенные соедине­ния железа и марганца.

Почвенный микробоценоз представляет собой природ­ную систему. Способ функционирования системы — вза­имосвязь почвы и ее микроорганизмов. По этой причине все виды антропогенной деградации почв сказываются на состоянии почвенных микроорганизмов. И различные виды сельскохозяйственной деятельности (внесение минераль­ных удобрений и других средств химизации, орошение, системы обработки почв), и загрязнение почв аэрозольны­ми, жидкими, твердыми отходами влияют на химические свойства почв, нарушают в почве условия существования микроорганизмов. Функционирование микробиоты почвы нарушается под влиянием эрозии, переуплотнения, пере­увлажнения, засоления и других деградационных процес­сов. Химическое загрязнение — одна из мощных причин деградации микробиологического состояния почв.

Реакция микроорганизмов зависит от множества фак­торов: от вида воздействия, меры и режима воздействия, вида микроорганизмов, свойств почв. Отражают влияние антропогенных видов воздействия на микробоценоз чис­ленность микроорганизмов, их видовой состав, показатели их активности.

Почвенные биокосные системы, характеризующиеся взаимодействием органических и минеральных, биотиче­ских и абиотических компонентов, являются гетероген­ными, многофункциональными и динамическими. Микро­организмы способствуют изменению формы нахождения загрязняющих веществ, например металлов, в почвах. Они способны адсорбировать их на своей поверхности, которая велика у микроскопически малых организмов. Что касается поллютантов, закрепленных на поверхности твердых фаз почвы, они становятся менее доступными для микробиологи­ческой трансформации. Наиболее четко эта закономерность проявляется на легких и малогумусных почвах.

Воздействие загрязняющих веществ может носить характер острых (мощное непродолжительное, но ката­строфическое воздействие) и хронических (длительное воздействие с невысокой интенсивностью), реакция мик­робоценоза в этих случаях различна. При незначительном загрязнении в силу высокой вариабельности всех показа­телей функционирования микроорганизмов их реакцию выявить трудно. При более высоких степенях загрязнения деградация проявляется четко в изменении структуры и функционирования микробного сообщества.

Выявлены и общие, и специфические черты ответной реакции почвенного микробоценоза на антропогенную деградацию почв. Во всех случаях отмечается снижение численности микроорганизмов, сокращение видового разнообразия, изменение видового состава. Микроорга­низмы различаются по их толерантности к загрязняющим веществам. У почвенных грибов в загрязненных почвах наблюдается задержка и снижение уровня прорастания спор.

Вследствие этих процессов в загрязненных почвах ме­няется структура комплекса. Показателем этого является индекс разнообразия Шенона. Об изменении стурктуры комплекса свидетельствует снижение индекса Шенона в 1,5—2 и более раз (табл. 7.1).

Таблица 7.1

Изменение индекса разнообразия комплекса микроскопических грибов при загрязнении почв

тяжелыми металлами (Марфенина, Мирчинк, 1988)

Наблюдается упрощение структуры микробоценоза. Сокращается присутствие редко выделяемых чувствитель­ных видов (часто ими оказываются грибы), далее начинают выбывать виды — доминанты. Наблюдается повышение доминирования небольшого числа толерантных видов. Увеличивается содержание токсинообразующих , эпифит- ных и пигментрированных видов. Возможно появление не типичных для данных почв форм. Отмечено такое яв­ление, как сближение видового состава микроорганизмов в различных почвах, подверженных загрязнению одного рода. Это говорит о возможности глубокого нарушения исходного состояния почв и образования на их основе почв с нетипичными для данного ландшафта свойствами.

При нарушении состояния почв происходит изменение показателей ферментативной активности почв. Ферменты (энзимы) — это продуцируемые микроорганизмами веще­ства, которые способны многократно (на порядки) ускорять химические реакции и обеспечивать большинство реак­ций обмена веществ. Они характеризуют потенциальную биологическую активность почв. Всего обнаруживают в настоящее время до 1000 ферментов. Все они встречаются в почве, но с диагностической целью используют 8—9 из них. Наиболее распространено определение гидролаз (ин- вертаза, фосфатаза, уреаза, протеаза и др.) и оксидоредуктаз (каталаза, дегирогеназа, полифенолоксидаза и др.).

Чаще всего отмечается снижение содержания присут­ствия микроорганизмов, участвующих в процессах азот- фиксации. Поэтому чутким показателем загрязнения почв являются ферменты процессов трансформации соединений азота в почве.

Наблюдаются специфические проявления влияния различных видов загрязняющих веществ на микробоценоз. Например, пестициды обладают избирательной токсично­стью для микрорганизмов, влияют на ход разных биохими­ческих реакций. Например, хлороорганические пестициды подавляют активность фосфатазы на 30 — 60 %. Они наиболее активны в подавлении процессов нитрификации (до 70 %). Многие из них подавляют интенсивность процессов раз­ложения органических веществ, реакции цикла фосфора, серы. Особенно сильное влияние на процессы азотного цикла оказывает прометрин.

Металлы могут концентрироваться и на поверхности клеток микроорганизмов, и внутри их клеток. Микроорга­низмы способны как переводить неорганические соедине­ния металлов в органические, так и, напротив, органические в минеральные. Перерабатывая в почве органоминеральные соединения загрязняющих почву металлов, они способны переводить их в более подвижные соединения, что может являться причиной их вторичной мобилизации.

Загрязнение почв тяжелыми металлами нарушает важнейшие свойства почв: их дыхание, аммонификацию, нитрификацию. Под влиянием металлов снижается спо­собность почв фиксировать азот (табл. 7.2).

Таблица 7.2

Азотфиксирующая активность серозема обыкновенного при разной степени загрязнения свинцом (Левин, Гузев, Асеева, 1989)

По-разному протекают эти процессы в разных почвах. Устойчивость микробоценоза чернозема к загрязнению кадмием выше, чем серозема (табл. 7.3).

Таблица 7.3

Влияние доз кадмия на активность азотфиксации в черноземе и сероземе (Умаров, Азиева, 1980)

В загрязненных металлами почвах снижается актив­ность ферментов (табл.

Кислые дожди действуют на все звенья биогеоценоза. При их регулярном выпадении страдает наземная расти­тельность, меняется количество и состав органических веществ мортмассы и условия ее переработки. Под влия-

Таблица 7.4

Изменение активности каталазы в дерново-подзолистой почве через 24 ч после инкубации в зависимости от концентрации свинца, внесенного в форме Pb(NO3)₂ (Левин, Гузев, Асеева, 1989)

нием избыточных количеств протона и анионов снижается скорость минерализации органических остатков почвенным микробоценозом.

Специфические условия для микробоценоза созда­ются в почвах, загрязненных нефтью. Летучие углеводо­роды нефти (толуол, бензол, ксилол) оказывают прямое токсическое действие на почвенные микроорганизмы, но эффект их относительно краткосрочен. Более устойчи­вые фракции нефти поставляют дополнительное питание для микроорганизмов, способных окислять эти вещества. Это создает стимулирующие условия для таких организ­мов, они активны в росте и в биохимических процессах трансформации органических веществ. На этом основаны методы очистки почв, загрязненных нефтью. Но при этом ослабляется ферментативная активность многих других видов микроорганизмов, так как тяжелые фракции нефти заполняют поры почвы, что ухудшает физические свойства почв, их водно-воздушный режим. Многие микроорганиз­мы страдают также от токсичного действия избытка солей в нефтезагрязненных почвах, так как соленые пластовые воды сопутствуют нефти.

Состояние микроорганизмов в нарушенных почвах может служить индикатором степени загрязнения почв. Но и сами микроорганизмы могут включать эти вещест­ва в циклы их трансформации, что особенно важно для ксенобиотиков, т. е. веществ, несвойственных природе (пестициды, детергенты).

Так как микроорганизмы способны к относительно быстрой адоптации, то до тех пор, пока загрязненная почва будет оставаться почвой, ее микробиота будет перераба­тывать и трансформировать соединения загрязняющих веществ, приближая состояние почв к естественному. В разных почвах эффект деградации микробиологических процессов различен. Величина зоны гомеостаза почвенной микробной биомассы может служить мерой ее устойчиво­сти к конкретному виду антропогенной деградации почв. Например, в черноземной почве величина зоны гомеостаза на порядок выше, чем в дерново-подзолистой почве. Мик­робиологическое состояние почв является индикатором, с одной стороны, нарушений, произошедших в загрязнен­ных почвах, с другой стороны, показателем способности почв к реабилитации.

Перечень показателей антропогенных нарушений микробиологического состояния почв включает массу микроорганизмов, их численность, видовое разнообразие, структуру сообщества, показатели его функционирования, величину зоны гомеостаза микробоценоза. Численность микроорганизмов — трудный диагностический показатель, так как он меняется по сезонам, зависит от обеспеченности организмов питанием. Микробную активность определяют по разным показателям, часть из которых названа выше. Часто характеризуют ее по количеству выделенного или поглощению СО₂. Имеет широкое распространение метод определения активности инициированного микробного сообщества, которое развивается в исследуемых почвах при внесении специфических веществ. Все они способ­ны характеризовать экологического состояние почвы, ее «здоровье».