Первые описания сложных взаимоотношений между живыми и косными системами появились в работе В. В. Докучаева «Русский чернозем». Именно он собрал воедино множество факторов, влияющих на педогенез, и указал на необходимость изучения различных типов почв, в частности нарушенных в результате деятельности человека [7]. Стоит отметить, что идеи великого русского ученого и в настоящее время имеют ведущее значение в современных исследованиях природы нашей страны.

Почвенные микроорганизмы – обязательный компонент любого биогеоценоза, выполняющий ряд важных метаболических и экофизиологических функций. Они участвуют в восстановлении растительного покрова и процессах круговорота веществ, способствуют поддержанию почвенного плодородия и регулируют отдельные звенья процесса гумификации [5,6]. Первоочередная роль почвенной биоты в корневом питании растений состоит в её способности переводить недоступные и малодоступные формы химических соединений, в элементы, которые способны усваиваться растениями [3]. Установлено влияние почвенных микроорганизмов на стабилизацию кислотно-основного баланса, трансформацию корневых эксудатов, выделение ферментов, активно действующих на растения, кроме того было показано снижение уровня негативных последствий токсичных веществ на компоненты биогеоценозов [4]. Некоторые авторы отмечают способность биоты разрушать и синтезировать гуминовые вещества, улучшать физические параметры почв, воздушный, водный и другие режимы почв [8]. Биологическое состояние почв, которое в большей степени оценивается по микробиологической активности, рассматривается некоторыми исследователями как критерий почвообразовательных процессов [1]. Таким образом, положительные функции микробного сообщества можно свести к трансформации почвенных компонентов и свойств, трансформации чужеродных загрязняющих элементов и восстановлению естественного профиля почв [4, 2].

Карьеры по добыче строительных материалов могут характеризоваться высоким уровнем эмиссии СО2 в атмосферу, постепенно, по мере восстановления сообществ начинают преобладать процессы депонирования (секвестрации) углекислого газа из атмосферы. Принято считать, что микробная биомасса является индикатором процессов накопления и минерализации органического вещества [13]. Во многих странах содержание углерода микробной биомассы, оцененное методом субстрат индуцированного дыхания, рассматривается как индекс качества почвы [12]. Состояние микробоценозов реплантоземов изучено довольно плохо, при этом именно этот компонент играет важнейшую роль в поддержании устойчивости сообществ и развитии экосистем. Кроме того, принимая во внимание все вышеупомянутые аспекты, особенно актуальным является изучение состояния микробиологического компонента на техногенных местообитаниях. Целью данного исследования являлась оценка количественного содержания микробного компонента и его активности.

Объекты и методы

Исследование проводили на территории 7 карьерно-отвальных комплексов. Пять из них расположены на территории Ленинградской области: 2 карьера по добыче известняка в поселках Елизаветино и Печурки, 1 – по добыче известнякового туфа в пос. Пудость, карьер по добыче песчано-гравийных отложений в п.  Колтуши, месторождение фосфоритов в Кингисеппском районе, и 2 карьера расположено в Новгородской области – карьер по добыче песчано-гравийных отложений в дер. Окуловка и карьер по добыче огнеупорных глин в Устье-Брынкино (рис. 1).  

Рис. 1. Месторасположение объектов исследований


Обозначение карьеров: 1 – карьер по добыче известняка (Елизаветино); 2 – карьер по добыче известнякового туфа (Пудость); 3 – карьер по добыче известняка (Печурки); 4 – месторождение фосфоритов в Кингисеппском районе; 5 – карьер по добыче песчано-гравийных отложений (Колтуши); 6 – карьер по добыче песчано-гравийных отложений (Окуловка); 7 – карьер по добыче огнеупорных глин (Устье-Брынкино).

На каждом карьере были выделены основные экотопы, соответствующие элементарному почвенному ареалу, и проведен отбор образцов для лабораторных исследований. Характеристика объектов исследования приведена в таблице 1.

Таблица 1 – Характеристика объектов исследования

№ участка

Особенности участка

Карьер по добыче известняка (Елизаветино, Ленинградская область)

1

Самозарастающий отвал отсева с зарослями ивы

2

Самозарастающее плотное днище, покрытое травянистым сообществом

3

Террасированная щебнистая поверхность, занятая мелколиственным лесом

Карьер по добыче известкового туфа (Пудость, Ленинградская область)

1

Рыхлый отвал элювия туфа, покрытый ельником

2

Скальное днище, покрытое травянистой растительностью

3

Окраина болота, с зарослями ивы

Карьер по добыче известняка (Печурки, Ленинградская область)

1

Рекультивированный участок под лиственницей

2

Самозарастающее днище карьера, покрытое мхами

3

Самозарастающий отвал, покрытый мелколиственным лесом

Карьер по добыче фосфоритов (Кингисеппский район, Ленинградская область)

1

 Рекультивированный участок под елью

2

Рекультивированный участок под лиственницей

3

Рекультивированный участок под сосной

Карьер по добыче песчано-гравийных отложений (Колтуши, Ленинградская область)

1

Органический субстрат, используемый для горно-технической рекультивации

2

Рекультивированное днище под мелколиственным лесом

3

Террасированная поверхность, проведена биологическая рекультивация травами

4

Органогенный субстрат с большим количеством строительного мусора, используемый для рекультивации

Карьер по добыче песчано-гравийных отложений (Окуловка, Новгородская область)

1

Самозарастающий трансэлювиально-аккумулятивный экотоп, покрытый сосняком

2

Самозарастающее днище, покрытое сосняком

Карьер по добыче огнеупорных глин

1

Трансэлювиально-аккумулятивный экотоп, биологическая рекультивация травами

2

Отвал, прошедший горнотехническую рекультивацию, покрытый мелколиственным лесом

3

Не рекультивированный отвал пиритосодержащей породы

 

Задачей исследования было количественное определение углерода микробной биомассы методом СИД. Общую микробную биомассу определяли с помощью субстрат индуцированного дыхания, которое фиксирует дополнительный отклик микроорганизмов на внесение питательного субстрата (глюкозы) [10]. Расчет проводили согласно формуле, предложенной J. P. E. Anderson [11]:

Смик (мкг С/г почвы) = СИД (мкл CО2/г почвы в час) ×40.04 + 0.37.

Также нами оценивалось базальное дыхание почвы, определяемое по методике СИД, но в необогащенной субстратом почве. Микробный метаболический коэффициент (удельное дыхание микробной биомассы) найден как отношение величины базального дыхания к показателю углерода микробной биомассы: qСО2(мкг СО2 С/мг Смик/ч) = БД/Смик.

Результаты и обсуждение

Содержание микробной биомассы всегда было максимально в подстилке, значения составляли от 8,9 до 65, 6 мкг С/г почвы, различия между этими величинами составляли почти 7 раз (табл. 2). Смик максимален в подстилке трансэлювиально-аккумулятивного экотопа на карьере по добыче песчано-гравийных отложений в Новгородской области. Микробная биомасса подстилки всех остальных участков значительно меньше (от 13,0 до 8,9 мкг С/г почвы). Содержание Смик во всех остальных горизонтах изменяется в узких пределах от 1,0 до 4,7 мкг С/г почвы. Как правило, наблюдается тенденция уменьшения этого показателя вниз по почвенному профилю. В целом, можно отметить очень низкое содержание почвенной микробной биомассы во всех изученных образцах по сравнению с естественными экосистемами, что говорит о медленной скорости восстановления почвенного покрова.

 Таблица 2 – Основные микробиологические показатели почв

Участок

 

Горизонт

Смик, мкг С/г почвы

БД, мкг СO2–С/г в час

qCO2,

мкг СO2–С/мг Смик в час

Карьер по добыче известняка (пос. Елизаветино, Ленинградская обл.)

1

АY

2,4

0,018

0,008

C

2,0

0,027

0,013

2

AY

2,3

0,032

0,012

C

1,8

0,009

0,007

3

AY

1,9

0,019

0,012

AC

1,8

0,013

0,007

C

1,4

0,028

0,018

Карьер по добыче известкового туфа (Пудость, Ленинградская обл.)

1

О

12,4

0,200

0,016

А

2,5

0,029

0,011

АС

2,9

0,025

0,007

С

1,4

0,023

0,017

2

А

2,9

0,032

0,008

АС

2,0

0,024

0,010

С

2,0

0,026

0,015

Карьер по добыче известняка (Печурки, Ленинградская обл.)

1

А

4,7

0,023

0,005

С

3,7

0,041

0,010

2

А

3,6

0,032

0,009

С

3,8

0,018

0,005

3

А

4,3

0,021

0,005

С

3,1

0,018

0,006

Карьер по добыче фосфоритов (Кингисеппский район, Ленинградская область)

1

О

8,9

0,152

0,011

АY

2,4

0,073

0,021

АС

1,6

0,023

0,013

2

О

13,0

0,091

0,007

АУ

2,1

0,022

0,010

С

1,6

0,035

0,019

3

О

11,0

0,094

0,008

АY

1,6

0,032

0,019

Асg

1,5

0,013

0,007

Карьер по добыче песчано-гравийных отложений (Колтуши, Ленинградская обл.)

1

органострат

1,6

0,031

0,019

2

О

11,4

0,092

0,008

AY

1,6

0,021

0,013

C

1,0

0,013

0,013

3

A

1,9

0,024

0,012

C

1,4

0,021

0,015

4

органолитострат

1,8

0,029

0,016

Карьер по добыче песчано-гравийных отложений (Окуловка, Новгородская обл.)

1

О

65,6

0,208

0,003

А

4,5

0,031

0,007

С

3,8

0,009

0,003

2

RY

4,3

0,013

0,003

C

3,9

0,016

0,004

Карьер по добыче огнеупорных глин (Устье-Брынкино, Новгородская обл.)

1

АY

2,8

0,043

0,014

АС

2,5

0,040

0,015

С

2,5

0,031

0,014

2

AY

3,2

0,042

0,011

AC

2,5

0,037

0,018

C

1,1

0,009

0,012

3

С

1,0

0,008

0,014

С

1,6

0,021

0,012

 

Базальное (микробное) дыхание изученных почв изменялось в пределах от 0,008 до 0,208 мкг СO2–С/г в час, различие между этими величинами в 26 раз. Как и в случае с содержанием микробной биомассы микробиологическое дыхание максимально в подстилке. Каких-либо значительных отличий между органоминеральными и минеральными горизонтами по данному показателю выявлено не было. Скорость продуцирования углекислоты на изученных участках намного ниже, чем у ненарушенных почв, что свидетельствует о низкой биологической активности.

Показатели базального дыхания и содержание микробной биомассы сильно зависят от таких параметров как влажность и температура [9]. В связи с этим, нами был рассчитан микробный метаболический коэффициент, который относится к интегральным показателям биологического состояния почв. Значения данного показателя варьировали от 0,003 до 0,021 мкг СO2–С/мг Смик в час, различия между этими показателями в 7 раз. На карьере по добыче песчано-гравийных отложений отмечены минимальные значения qCO2. Полученные результаты свидетельствуют о пониженной устойчивости микробных сообществ и неэффективном использовании органического субстрата.

Выводы

Установлено, что на изученных карьерах с различными субстратами довольно низкий уровень интенсивности микробиологических процессов. По величине микробной биомассы исследуемые образцы можно расположить в ряд: подстилка > органоминеральный горизонт > порода. Значения микробного метаболического коэффициента, которые не превышали 0,021 мкг СO2–С/мг Смик в час, свидетельствуют о нестабильном функционировании микробных сообществ. Таким образом, вне зависимости от типа субстрата и растительного сообщества восстановление микробиологической активности нарушенных земель крайне замедленно.

Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ мол-а-вед 15-34-20844.

Список литературы:

1. Ананьева Н.Д., Микробиологические аспекты самоочищения и устойчивости почв. М.: Наука, 2003. – 223 с.

2. Ананьева  Н.Д.,  Благодатская  Е.В.,  Демкина  Т.С.  Оценка  устойчивости  микробных комплексов почв к природным и антропогенным воздействиям  // Почвоведение. 2002. № 5. С. 580-587.

3. Белоголова  Г.А.,  Соколова  М.Г.,  Пройдакова  О.А.  Влияние  почвенных  бактерий  на поведение химических элементов в системе почва-растение // Агрохимия. 2011. № 9.  С. 68-76.

4. Войно  Л.И.,  Павликова  Т.А.,  Сидоренко  О.Д.  Устойчивость  и  изменение  численности почвенных  микроорганизмов  при нефтезагрязнении  почвы  //  Высокоэффективные технологии, методы и способы для их реализации. М.: Изд-во МГУП, 2003. С. 160-162.

5. Добровольский  Г.В.,  Никитин  Е.Д.  Сохранение  почв  как незаменимого  компонента биосферы:  Функционально-экологический подход.  М.:  МАИК  «Наука,  Интерпериодика», 2000. 185 с.

6.  Добровольский  Г.В.,  Никитин  Е.Д.  Экология  почв.  М.:  Издательство Московского университета, 2012. 412 с.

7. Докучаев В. В. Русский чернозем // Избр. соч. М.: Гос. изд-во с.-х. лит., 1948. Т. 1. 480 с.

8. Козлов А.В, Селицкая О.В., Значение микроорганизмов в поддержании устойчивости почв к воздействию антропогенных факторов // Вестник Мининского университета. 2015. № 3 (11). С. 27.

9. Приходько В. Е., Сиземская М. Л., Базальное дыхание и состав микробной биомассы целинных, агро- и лесомелиорированных полупустынных почв Северного Прикаспия  // Почвоведение. 2015. № 8. С. 974

10. Ananyeva N.D., Susyan E.A., Chernova O.V., Wirth S. Microbial respiration activities of soils from different climatic regions of European Russia // European J. of Soil Biology. 2008. V. 44. № 2. P. 147–157.

11. Anderson J. P. E., Domsch K. H. A., 1978. Phisiological method for the quantitative measurement of microbial biomass in soils // Soil Biol. Biochem. 1978, V. 10. № 3. P. 215–221.

12. Conrad R. Soil Microorganisms as controllers of atmospheric trace gases (H2, CO, CH4, OCS, N2O, and NO) // Microbiological Reviews. 1996. V. 60. № 4. P. 609–640.

13. Jenkinson D.S., Ladd J.N. Microbial biomass in soil: measurement and turnover // Soil Biochemistry/ Eds. Paul E.A., Ladd J.N.,N Y: Marcel Dekker, 1981. V. 5. P. 415–471.

Spisok literatury

1. Anan'eva N.D., Mikrobiologicheskie aspekty samoochishheniya i ustojchivosti pochv. M.: Nauka, 2003. – 223 s.

2. Anan'eva  N.D.,  Blagodatskaya  E.V.,  Demkina  T.S.  Ocenka  ustojchivosti  mikrobnyx kompleksov pochv k prirodnym i antropogennym vozdejstviyam  // Pochvovedenie. 2002. № 5. S. 580-587.

3. Belogolova  G.A.,  Sokolova  M.G.,  Projdakova  O.A.  Vliyanie  pochvennyx  bakterij  na povedenie ximicheskix e'lementov v sisteme pochva-rastenie // Agroximiya. 2011. № 9.  S. 68-76.

4. Vojno  L.I.,  Pavlikova  T.A.,  Sidorenko  O.D.  Ustojchivost'  i  izmenenie  chislennosti pochvennyx  mikroorganizmov  pri neftezagryaznenii  pochvy  //  Vysokoe'ffektivnye texnologii, metody i sposoby dlya ix realizacii. M.: Izd-vo MGUP, 2003. S. 160-162.

5. Dobrovol'skij  G.V.,  Nikitin  E.D.  Soxranenie  pochv  kak nezamenimogo  komponenta biosfery:  Funkcional'no-e'kologicheskij podxod.  M.:  MAIK  «Nauka,  Interperiodika», 2000. 185 s.

6.  Dobrovol'skij  G.V.,  Nikitin  E.D.  E'kologiya  pochv.  M.:  Izdatel'stvo Moskovskogo universiteta, 2012. 412 s.

7. Dokuchaev V. V. Russkij chernozem // Izbr. soch. M.: Gos. izd-vo s.-x. lit., 1948. T. 1. 480 s.

8. Kozlov A.V, Selickaya O.V., Znachenie mikroorganizmov v podderzhanii ustojchivosti pochv k vozdejstviyu antropogennyx faktorov // Vestnik Mininskogo universiteta. 2015. № 3 (11). S. 27.

9. Prixod'ko V. E., Sizemskaya M. L., Bazal'noe dyxanie i sostav mikrobnoj biomassy celinnyx, agro- i lesomeliorirovannyx polupustynnyx pochv Severnogo Prikaspiya  // Pochvovedenie. 2015. № 8. S. 974

10. Ananyeva N.D., Susyan E.A., Chernova O.V., Wirth S. Microbial respiration activities of soils from different climatic regions of European Russia // European J. of Soil Biology. 2008. V. 44. № 2. P. 147–157.

11. Anderson J. P. E., Domsch K. H. A., 1978. Phisiological method for the quantitative measurement of microbial biomass in soils // Soil Biol. Biochem. 1978, V. 10. № 3. P. 215–221.

12. Conrad R. Soil Microorganisms as controllers of atmospheric trace gases (H2, CO, CH4, OCS, N2O, and NO) // Microbiological Reviews. 1996. V. 60. № 4. P. 609–640.

13. Jenkinson D.S., Ladd J.N. Microbial biomass in soil: measurement and turnover // Soil Biochemistry/ Eds. Paul E.A., Ladd J.N.,N Y: Marcel Dekker, 1981. V. 5. P. 415–471.

 

Библиографическая ссылка

Дмитракова Я. Ал., Абакумов Е. В., Микробная биомасса и базальное дыхание карьерно-отвальных комплексов с различными субстратами // «Живые и биокосные системы». – 2016. – № 16; URL: http://www.jbks.ru/archive/issue-16/article-9