|
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ МІКРОБІОЛОГІЇ І ВІРУСОЛОГІЇ ім. Д.К.ЗАБОЛОТНОГО
Макарчук Зоя Василівна
УДК: 669.018.674+631.427.22
МІКРОФЛОРА ЗАБРУДНЕНИХ ВАЖКИМИ МЕТАЛАМИ ГРУНТІВ, ЇХ ІНДИКАЦІЯ ТА ШЛЯХИ ОЗДОРОВЛЕННЯ
03.00.07-мікробіологія
Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата біологічних наук
Київ – 2000
Дисертацією є рукопис.
Робота виконана в Інституті мікробіології і вірусології
ім. Д.К.Заболотного НАН України.
Науковий керівник: доктор біологічних наук, ст.наук.співр. Іутинська Галина Олександрівна, Інститут мікробіології і вірусології ім. Д.К.Заболотного НАН України, завідувач відділу загальної та грунтової мікробіології.
Офіційні опоненти: доктор біологічних наук, професор Жданова Неллі Миколаївна, Інститут мікробіології і вірусології ім. Д.К.Заболотного НАН України, завідувач відділу фізіології та систематики мікроміцетів;
доктор медичних наук, Глоба Леонід Іванович, Інститут колоїдної хімії та хімії води ім. А.В.Думанського НАН України, завідувач відділу мікробіології очищення води.
Провідна установа: Інститут сільськогосподарської мікробіології УААН, м.Чернігів.
Захист відбудеться “15” листопада 2000 р. о 10 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.233.01 Інституту мікробіології і вірусології ім. Д.К.Заболотного НАН України за адресою: м. Київ, 03143, вул. Заболотного, 154
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту мікробіології і вірусології ім. Д.К.Заболотного НАН України за адресою: м. Київ, 03143, вул. Заболотного, 154
Автореферат розісланий “14” жовтня 2000 р.
Вчений секретар
спеціалізованої вченої ради,
кандидат біологічних наук Пуріш Л.М.
Актуальність теми. Важкі метали є небезпечними забрудненнями довкілля. Потрапляючи в грунт з газопиловими викидами промислових підприємств, автотранспорту, з домішками добрив, пестицидів та ін., вони накопичуються в ньому до небезпечних концентрацій і негативно впливають на грунтову біоту, сільськогосподарські рослини, тварин. По трофічних ланцюжках важкі метали можуть потрапити до людини і становити загрозу її здоров’ю.
Проблема боротьби з забрудненням грунтів набула глобального характеру, актуальна вона і для України. За структурою земельного фонду 2/3 території нашої країни зайнято землями сільськогосподарського призначення, з яких більш як 4,5 млн га забруднені важкими металами і радіонуклідами (Земельні ресурси України,1998).
У зв’язку з цим постає необхідність організації і проведення грунтового моніторингу, тобто постійних спостережень, оцінки і прогнозування екологічного стану грунтів.
Відомо, що мікроорганізми чутливо реагують на зміни факторів навколишнього середовища, зокрема, в грунтах, забруднених важкими металами, пригнічується розвиток окремих груп мікроорганізмів, їх біохімічна активність, змінюється склад мікробних угруповань (Гузев В.С. с соавт., 1985).
Зважаючи на це багато дослідників відносять мікроорганізми до приоритетних об’єктів моніторингу наземних систем, в тому числі і грунту (Евдокимова Г.А. с соавт.,1984; Doelman P.at al., 1994).
Проте до нинішнього часу не існує загальновизнаної системи мікробіологічних показників для проблемно орієнтованого біологічного моніторингу грунтів, забруднених важкими металами. Одним з важливих і мало вивчених аспектів моніторингових досліджень є визначення мутагенного впливу забруднених грунтів на мікробні популяції. Значної уваги заслуговує вивчення механізмів формування резистентності мікробних угруповань до забруднень.
При розробці заходів реабілітації забруднених важкими металами грунтів не в повній мірі використовуються сучасні біотехнологічні підходи, зокрема застосування мікроорганізмів і їх метаболітів для створення меліорантів комбінованої дії.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана у відповідності з напрямком науково-дослідних робіт Інституту мікробіології і вірусології в межах бюджетної тематики відділу загальної і грунтової мікробіології № 2.28.9.9, а також проектів ДНТП 01.05 ”Охорона і відтворення земельних ресурсів України”.
Мета і задачі дослідження. Мета роботи – вивчити вплив важких металів на мікрофлору темно-сірого опідзоленого грунту, створити систему мікробіологічних показників для проблемно орієнтованого біологічного моніторингу забруднених важкими металами грунтів, розробити основи заходів їх реабілітації.
Виходячи з мети досліджень вирішувались такі завдання:
- дослідити вплив важких металів і меліорантів на ферментативну активність грунту;
- вивчити токсичність і мутагенний фон грунту, забрудненого важкими металами, а також дію меліорантів для зменшення мутагенної дії забруднень;
- визначити резистентність грунтових мікроорганізмів до забруднень важкими металами;
- дослідити гомеостаз мікробних угруповань в забрудненому грунті;
- визначити вміст рухомих форм важких металів у забрудненому і меліорованих грунтах;
- розробити основи заходів для оздоровлення грунтів, забруднених важкими металами.
Наукова новизна одержаних результатів.
Вперше для моніторингу забруднених важкими металами грунтів застосований системний підхід - вивчення впливу токсикантів на різні рівні організації мікробної системи грунту: доклітинний, клітинний, популяційний, ценотичний.
Показано, що як індикатор на забруднення може бути використана аскорбатоксидазна активність грунту, яка пригнічується під впливом важких металів.
Встановлено, що важкі метали підвищують токсичність і мутагенний вплив забрудненого грунту на тест-мікроорганізм Salmonella typhimurium TA 100.
Вперше вивчено вплив важких металів на швидкість руху мікроорганізмів методом лазерної кореляційно-доплерівської спектрометрії. Виділена тест-культура Pseudomonas sp.19, швидкість руху якої використана як показник стану забруднення середовища важкими металами.
Показано, що в забрудненому грунті зростає чисельність резистентних мікроорганізмів, співвідношення чисельності резистентних і чутливих мікроорганізмів у забрудненому грунті вище, ніж у контрольному.
Розраховані показники, що характеризують гомеостаз мікробних угруповань у грунті, забрудненому важкими металами: виживання мікроорганізмів, чутливість до токсикантів, швидкість відновлення чисельності мікробного ценозу.
Практичне значення одержаних результатів.
Запропонована і апробована система мікробіологічних показників для проблемно орієнтованого біологічного моніторингу грунтів, забруднених важкими металами, яка включає визначення аскорбатоксидазної активності грунту, токсичності і мутагенності забрудненого грунту з використанням тест-мікроорганізму Salmonella typhimurium TA 100, співвідношення чисельності резистентних і чутливих до важких металів мікроорганізмів, швидкість руху клітин тест-культури Pseudomonas sp.19, виживання мікроорганізмів у забрудненому грунті, чутливість до токсикантів, швидкість відновлення чисельності мікробного ценозу.
На основі розробленої нами системи індикаційних показників проведена комплексна порівняльна оцінка ефективності неорганічних, органічних, біологічних і комбінованих меліорантів. Розроблені заходи для оздоровлення забруднених грунтів - рекомендовано при низьких рівнях забруднення (1 ГДК) застосування цеоліту білого, цеоліту зеленого, вермікуліту, біогумусу, суспензії міцелію і спор культури Streptomyces alboviridis 141, а при високих рівнях забруднення (10-20 ГДК) перспективне використання біогумусу і гіпсу з культурою Streptomyces alboviridis 141.
Особистий внесок здобувача. Розробка програми досліджень, проведення польових та лабораторних дослідів, статистична обробка експериментальних даних, їх аналіз та теоретичне узагальнення отриманих результатів виконані дисертантом особисто або при його безпосередній участі.
Дослідження токсичності і мутагенного впливу на мікроорганізми грунту, забрудненого важкими металами, проводилось разом з кафедрою мікробіології Одеського державного університету ім. І.І.Мечникова за участю інж. Сопліної О.М. Штам Salmonella typhimurium TA 100, використаний для токсико-генетичних досліджень, був наданий завідувачем кафедри мікробіології Одеського державного університету ім. І.І.Мечникова д.б.н. В.О.Іваницею, за що ми висловлюємо щиру вдячність.
Визначення вмісту рухомих форм важких металів у грунті проводилось на базі Інституту екогігієни і токсикології ім.Л.І. Медведя.
Досліди з використанням методу лазерної кореляційно-доплерівської спектрометрії виконувались на базі Інституту біоорганічної хімії і нафтохімії НАН України.
Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідались на Міжнародній конференції “Проблемы микробиологии и биотехнологии” (м. Мінськ - 1998 р.); на 5-му Делегатському з’їзді грунтознавців і агрохіміків України (м. Рівне – 1998 р.); на конференції “Экономические проблемы производства и потребления экологически чистой продукции АПК” (м. Суми – 1999 р.).
Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 10 наукових праць, з них 6 статей - у фахових журналах.
Структура та обсяг роботи. Загальний обсяг роботи становить 120 сторінок машинописного тексту і складається з вступу, огляду літератури, п’яти розділів власних експериментальних досліджень, висновків, списку літератури, який включає 134 першоджерел (з них 55 іноземних). Робота ілюстрована 23 рисунками і 5 таблицями.
ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ
Складається з 4 підрозділів, в яких розглядаються питання джерел забруднення грунтів важкими металами, впливу важких металів на грунтову мікрофлору, резистентності грунтових мікроорганізмів до забруднення важкими металами, розглянуті методи оздоровлення грунтів, забруднених важкими металами.
МАТЕРІАЛИ І МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ
Об’єктом дослідження була мікрофлора темно-сірого опідзоленого грунту Київської області. Досліджувався вплив важких металів на різні систематичні і еколого-трофічні групи мікроорганізмів: мікроміцети, стрептоміцети, органотрофні, амілолітичні бактерії та бактерії, що синтезують екзополісахариди (ЕПС). В лабораторних і польових дослідах проводили модельне забруднення грунту шляхом внесення водних розчинів солей важких металів Cu2+, Cd2+, Pb2+, Zn2+, Hg2+, Sr 2+ або їх сумішей в різних дозах (кожного металу) від 1 до 20 гранично-допустимих концентрацій (ГДК). В контрольний грунт важкі метали не вносили.
Для розробки заходів оздоровлення забрудненого важкими металами грунту вивчали дію неорганічних, органічних, біологічних і комбінованих меліорантів: неорганічні - цеоліт білий (3 т/га), цеоліт зелений (3 т/га), вермікуліт (0,5 т/га); органічні - біогумус (8 т/га); біологічні - культура Streptomyces alboviridis 141, стійка до високих доз важких металів і здатна вилучати їх з водних розчинів (доза внесення 3х1010 колонійутворюючих одиниць/га); комбіновані - гіпс (2,1 т/га) з культурою S.alboviridis 141 (3х1010 колонійутворюючих одиниць/га), колоїдний сополімер на основі мікробного полісахариду – енпосану (20%) і поліакриламіду (80%), доза внесення 15 т/га.
В своїй роботі ми базувались на системному підході до мікробної системи грунту, яка має такі рівні організації: доклітинний, клітинний, популяційний, ценотичний. На кожному з цих рівнів вивчали індикаційні показники, які характеризували вплив важких металів.
На доклітинному рівні організації мікробної системи визначали аскорбатоксидазну активність грунту модифікованим аскорбінометричним методом (Иутинская Г.А., Серая Л.И.,1996).
На клітинному рівні вивчали токсичність і мутагенний вплив грунту на клітини ауксотрофного по гістидину штаму Salmonella typhimurium TA 100. Це - відомий тест-мікроорганізм, який застосовується генетиками і мікробіологами як дуже чутливий до впливу важких металів, пестицидів, радіонуклідів. Штам дуже легко утворює мутації під впливом токсикантів. Токсичність грунту визначали по пригніченню розвитку тест-мікроорганізму, а мутагенну активність - за індукцією зворотніх мутацій (реверсій) до прототрофності (збільшенням числа прототрофних колоній на мінімальному селективному середовищі в присутності витяжки з забрудненого грунту порівняно з контрольним середовищем).
На популяційному рівні вивчали резистентність і чутливість окремих мікробних популяцій до забруднення грунту важкими металами. Кількість резистентних органотрофних мікроорганізмів визначали на розведеному вдвічі м’ясо-пептонному бульйоні (МПБ) з 2% агар-агару при додаванні важких металів в двох градієнтах концентрацій - від 0,1 до 1 та від 1 до 9 ГДК. Ступінь резистентності мікробних угруповань характеризували за співвідношенням чисельності резистентних і чутливих мікроорганізмів.
На ценотичному рівні були досліджені показники, які характеризують гомеостаз мікробного угруповання: здатність до виживання мікроорганізмів у забрудненому грунті (в % від контролю), чутливість до важких металів, швидкість і тривалість періоду відновлення окремих груп мікроорганізмів (органотрофних, амілолітичних, ЕПС-синтезуючих бактерій, мікроміцетів, стрептоміцетів).
Поведінку резистентної і чутливої культур мікроорганізмів при різних концентраціях важких металів вивчали за допомогою лазерної кореляційно-доплерівської спектрометрії, яка надає можливість визначити лінійну швидкість руху бактеріальних клітин. Для роботи з контрольного і забрудненого грунту були виділені культури, які характеризувались активним поступальним рухом зі швидкістю - 45-47 мкм/с. Серед цих культур для дослідів була відібрана чутлива до дії важких металів культура Pseudomonas sp.19 і резистентна - Pseudomonas sp.33. Чутлива культура не росла при 1 ГДК важких металів у середовищі. Резистентна культура Pseudomonas sp.33 здатна була витримувати концентрації важких металів у середовищі 5-7 ГДК. Швидкість руху клітин вимірювали в контрольному середовищі (МПБ) і при додаванні в нього різних концентрацій важких металів (Cu2+, Cd2+, Pb2+ і Zn2+).
Визначення вмісту рухомих форм Cu2+, Cd2+, Pb2+ i Zn2+ у грунті проводили в ацетатно-амонійній витяжці (рН 4,8) методом атомно-абсорбційної спектрометрії (Физико-химические методы исследования почв, 1980).
Статистичну обробку даних експериментальних досліджень проводили за Ашмаріним І. П. і Воробйовим А. А. (1990).
ВПЛИВ ВАЖКИХ МЕТАЛІВ І МЕЛІОРАНТІВ НА АСКОРБАТОКСИДАЗНУ АКТИВНІСТЬ ГРУНТУ
Чутливими до змін факторів зовнішнього середовища є ферменти. В нашій роботі як показник впливу важких металів на ферментативну активність грунту була використана аскорбатоксидазна активність. Цей фермент відноситься до групи оксидоредуктаз, які зв‘язані з транспортом електронів, що беруть участь в “диханні грунту”, тобто в процесі, який є чутливим до дії важких металів.
Дослідження впливу окремих важких металів – Cu2+, Cd2+, Hg2+ – в дозі 2 ГДК на аскорбатоксидазну активність грунту показало, що в перші строки активність ферменту найсильніше (на 40-50%) пригнічує ртуть і кадмій (рис.1).
При забрудненні сумішшю важких металів в дозі 20 ГДК аскорбатоксидазна активність також зменшується на 40%.
Застосування таких меліорантів як цеоліт білий і біогумус у забрудненому сумішшю важких металів грунті сприяло підвищенню активності ферменту у 1,5 рази порівняно з забрудненим грунтом без меліорантів.
ТОКСИЧНІСТЬ І МУТАГЕННІСТЬ ГРУНТУ, ЗАБРУДНЕНОГО ВАЖКИМИ МЕТАЛАМИ
Негативний вплив важких металів на мікроорганізми проявляється в мутагенній дії на генетичний апарат мікробної клітини. Поява мутантних штамів може призвести до непередбачуваних екологічних наслідків.
Проведені дослідження показали, що при забрудненні грунту сумішшю важких металів (Cu2+, Cd2+, Pb2+, Zn2+) його токсичність зростала на 46-78% порівняно з контролем.
Меліоранти зменшували токсичні властивості забрудненого грунту, а в деяких випадках навіть відмічена стимуляція росту тест-мікроорганізму. Наприклад, при дозі забруднення 1 ГДК стимуляцію розвитку тест-мікроорганізму спостерігали при застосуванні біогумусу, культури Streptomyces alboviridis 141, цеоліту білого - у 2,2-3,4 рази, а при внесенні цеоліту зеленого та вермікуліту – у 4,7-6,2 рази порівняно з контролем. При дозі 10 ГДК токсичність грунту знімали такі меліоранти: цеоліт білий, біогумус, КС-1 і гіпс з S. alboviridis 141. При більш високій дозі забруднення (20 ГДК) ефективним був лише біогумус.
Встановлено, що як розчини солей важких металів, так і забруднений ними грунт мають значний мутагенний вплив на мікроорганізми. Так, при вивченні дії розчинів солей окремих металів найбільшу мутагенну дію на тест-культуру мав Pb2+, в присутності якого частота мутацій перевищувала спонтанний рівень у 2,1 рази. Мутагенна дія Cu2+, Zn2+ і Cd2+ була статистично недостовірною. Суміш досліджуваних важких металів мала сильніший мутагенний вплив на тест-мікроорганізм, ніж будь-який важкий метал окремо: частота мутацій перевищувала рівень спонтанних мутацій у 7,8 рази.
Забруднення грунту важкими металами в дозах від 1 до 20 ГДК призводило до збільшення його мутагенної активності в 2,29-5,10 рази порівняно зі спонтанним рівнем (рис.2).
При невисокій дозі забруднення (1 ГДК) всі досліджені меліоранти знешкоджували мутагенну дію важких металів.
При більш високих дозах забруднення ефективність меліорантів зменшувалась. Так, при дозі забруднення 10 ГДК мутагенність грунту знижувало до спонтанного рівня застосування біогумусу та сополімеру енпосану з поліакриламідом, а при 20 ГДК – застосування біогумусу і гіпсу з S.alboviridis 141.
РЕЗИСТЕНТНІСТЬ ГРУНТОВИХ МІКРООРГАНІЗМІВ ДО ЗАБРУДНЕННЯ ВАЖКИМИ МЕТАЛАМИ
Проведені дослідження показали, що в складі органотрофних мікроорганізмів забрудненого грунту значно зростає кількість резистентних мікроорганізмів, здатних витримувати високі концентрації металів у середовищі.
Так, в забрудненому грунті при дозі 1 ГДК кількість резистентних мікроорганізмів становила 64-94% від загальної чисельності органотрофів, в той час як у контрольному - 27-62%. При більш високих дозах забруднення грунту (10 і 20 ГДК) спостерігалась така ж закономірність у формуванні мікробної резистентності. Найбільш висока чисельність резистентних мікроорганізмів відмічається на 15-30-у добу після внесення металів у грунт - до 95% від загальної кількості мікроорганізмів.
Показано, що використання меліорантів на забруднених грунтах прискорювало розвиток резистентної до важких металів мікрофлори. Так, вже на 15-у добу досліду найбільша відносна кількість резистентних мікроорганізмів була виявлена при застосуванні біогумусу - 90%, в той час як в забрудненому грунті без меліорації вона дорівнювала 52,1%.
Для характеристики резистентності мікробних угруповань нами був використаний такий показник як співвідношення чисельності резистентних і чутливих мікроорганізмів. Це співвідношення в мікробних угрупованнях контрольного грунту коливалось від 3 до 5, а забрудненого - від 8 до 21.
Слід відмітити, що мікроорганізми зберігали резистентність до важких металів після тривалого зберігання і пересівів на середовища без металів.
Вивчення діапазону чутливості мікроорганізмів до важких металів показало, що резистентні культури витримували концентрацію важких металів у середовищі, еквівалентну 5-7 ГДК, поріг їх чутливості дорівнював 5 ГДК, а чутливі культури не росли при концентрації важких металів у середовищі, еквівалентній 1 ГДК, поріг їх чутливості становив 0,25 ГДК.
Чутливі до токсикантів штами мікроорганізмів можуть бути використані як індикатори на забруднення грунту важкими металами.
Проведені дослідження впливу важких металів на швидкість руху мікроорганізмів методом лазерної кореляційно-доплерівської спектрометрії показали, що реакція на внесення Pb2+, Cd2+, Zn2+, Cu2+ у чутливої до металів культури (Pseudomonas sp.19) була більш виразною, ніж у резистентної (Pseudomonas sp.33).
Встановлено, що на 20-40 хв. досліду дози важких металів, еквівалентні 1 ГДК не чинили значного токсичного впливу на швидкість руху мікроорганізму Pseudomonas sp.19; більш високі концентрації металів (3, 5 і 10 ГДК) призводили до стійкого зменшення швидкості її руху - на 25-36,5%. У резистентної культури Pseudomonas sp.33 під впливом важких металів швидкість руху після незначного зниження відновлювалась.
За негативним впливом на швидкість руху метали можна вишикувати у такий зростаючий ряд: Cu2+ ‹ Zn2+ ‹ Cd2+ ‹ Pb2+. Цей ряд відповідає визначеній нами токсичності металів по їх відношенню до грунтових мікроорганізмів.
Результати проведених досліджень показали, що для вивчення впливу важких металів на мікроорганізми грунту можливе використання такого показнику як швидкість руху чутливої культури, що визначається методом лазерної кореляційно-доплерівської спектрометрії. Відібрана чутлива культура (Pseudomonas sp.19), яка може бути використана як тест-об’єкт для експрес-оцінки стану грунтів, забруднених важкими металами.
ГОМЕОСТАЗ МІКРОБНИХ УГРУПОВАНЬ ГРУНТУ, ЗАБРУДНЕНОГО ВАЖКИМИ МЕТАЛАМИ
Важливою характеристикою мікробного угруповання є його гомеостаз, тобто здатність мікробного ценозу підтримувати свої кількісні характеристики при дії на нього несприятливих факторів. Дані щодо динаміки чисельності мікроорганізмів у забрудненому грунті свідчать, що в першу-другу добу після внесення важких металів спостерігається зменшення чисельності мікроорганізмів, а з часом їх кількість відновлюється.
Досліджені нами різні групи мікроорганізмів (органотрофні, амілолітичні, ЕПС-синтезуючі бактерії, мікроміцети, стрептоміцети) відрізнялися кількісними характеристиками гомеостазу. Так, високу здатність до виживання (92-94% від контролю) проявляли амілолітичні, органотрофні бактерії, стрептоміцети при забрудненні Sr і Cu в дозах від 2 до 4 ГДК (рис.3).
Найбільший негативний вплив на чисельність досліджених мікроорганізмів мало внесення в грунт іонів Hg2+. При дозі забруднення цим металом 2 ГДК виживання мікроорганізмів коливалось від 55 до 79%, а при 4 ГДК не перевищувало 33-62%.
Стійкість мікробного угруповання грунту до забруднення важкими металами можна охарактеризувати тривалістю періоду відновлення кількості мікроорганізмів. При внесенні в грунт окремих металів у випробуваних нами дозах чисельність мікроорганізмів більшості вивчених груп відновлювалась.
Найкоротшим був період відновлення кількості мікроміцетів - він складав 13-58 діб. Можливо, коротким періодом відновлення чисельності і пояснюється поширене серед дослідників твердження про більш високу стійкість мікроміцетів до забруднення важкими металами. У стрептоміцетів, органотрофних, амілолітичних і ЕПС-синтезуючих бактерій період відновлення був більш тривалим і складав 35-200 діб. Слід звернути увагу на те, що при забрудненні Pb2+ і Hg2+ в дозі 4 ГДК, а також сумішшю металів у цій же дозі чисельність зазначених вище мікроорганізмів не відновлювалась протягом усього періоду спостережень. Отримані дані вказують на те, що при таких дозах забруднення гомеостаз мікробного угруповання порушується.
На підставі проведених досліджень для проблемно орієнтованого моніторингу грунтів, забруднених важкими металами, можна запропонувати систему індикаційних показників, зображену в табл.1.
Таблиця 1
Система мікробіологічних показників для проблемно орієнтованого мікробіологічного моніторингу грунтів, забруднених важкими металами
ДИНАМІКА ВМІСТУ РУХОМИХ ФОРМ ВАЖКИХ МЕТАЛІВ У ГРУНТІ ПРИ ЗАСТОСУВАННІ МЕЛІОРАНТІВ
Для комплексної оцінки ефективності дії меліорантів одночасно з індикаційними показниками вивчали вміст рухомих форм важких металів. Фоновий вміст рухомих форм важких металів у темно-сірому опідзоленому грунті становив: міді - 0,61; кадмію – 3,58; свинцю – 1,40; цинку – 29,86 мг/кг грунту.
Аналіз динаміки вмісту рухомих форм важких металів у забрудненому грунті показав, що з часом концентрація їх поступово знижується, що є свідченням природної здатності грунтів до відновлення.
Так, при дозі забруднення 1 ГДК (кожного металу в суміші) кількість рухомих форм важких металів у грунті на 60-ту добу зменшилась : Cu2+ – на 83, Cd2+ – на 24, Zn2+ - на 38% порівняно з концентрацією їх в перші строки (рис.4).
Таку ж закономірність спостерігали і при дозі забруднення 20 ГДК.
Застосування меліорантів сприяло значному зменшенню вмісту рухомих форм важких металів у забрудненому грунті. При низьких дозах забруднення (1 ГДК) всі застосовані меліоранти - цеоліт білий, цеоліт зелений, вермікуліт, біогумус, культура S.alboviridis 141 - зменшували вміст рухомого Pb2+ у грунті на 87-96% порівняно з його кількістю у забрудненому грунті без меліорантів. При використанні цеоліту зеленого і культури S.alboviridis 141 концентрація рухомих форм металів зменшувалась (відповідно): Cu2+ – на 10 і 36,7; Cd 2+– на 31,9 і 62,3; Zn2+ – на 13,45 і 32,7% . Внаслідок цього на меліорованих ділянках вміст металів не перевищував показники контрольного грунту.
При більш високих дозах забруднення (10 і 20 ГДК) жоден з меліорантів не знижував вміст важких металів до рівня незабрудненого контролю.
При 10 ГДК застосовані меліоранти зменшували вміст Pb2+ на 44-63%, а при дозі забруднення 20 ГДК різниця вмісту рухомих форм важких металів у забрудненому грунті з меліорантами і без них була несуттєвою. Як було відмічено, при високих дозах забруднення порушується гомеостаз мікробних угруповань. Можливо, що це порушення є однією з важливих причин зменшення ефективності дії меліорантів.
На базі розробленої нами системи індикаційних показників була оцінена ефективність меліорантів (табл.2).
Таблиця 2
Меліоранти, що знешкоджували негативний вплив важких металів
За результатами комплексної оцінки найбільш перспективними для реабілітації грунтів, забруднених важкими металами є такі меліоранти: цеоліт білий, цеоліт зелений, вермікуліт, біогумус, культура Streptomyces alboviridis 141 (при низьких рівнях забруднення) і біогумус, гіпс з культурою S.alboviridis 141 (при високих рівнях забруднення). Ці меліоранти можуть бути запропоновані виробництву як основа заходів для оздоровлення грунтів, забруднених важкими металами.
ВИСНОВКИ
- В процесі 3-річного моніторингу темно-сірого опідзоленого грунту Київської області, забрудненого важкими металами, вперше застосований ієрархічний підхід, який базується на вивченні різних рівнів організації мікробної системи грунту - доклітинного, клітинного, популяційного, ценотичного.
- Виявлено, що аскорбатоксидазна активність грунту є чутливим індикатором на доклітинному рівні організації мікробної системи грунту. В умовах забруднення важкими металами при дозі 20 ГДК ферментативна активність грунту пригнічується на 40%.
- Забруднення важкими металами в дозах від 1 до 20 ГДК у 2-5 разів підвищує мутагенний вплив грунту на тест-культуру Salmonella typhimurium TA 100. Використання меліорантів з високою сорбційною здатністю - біогумусу, колоїдного сополімеру і гіпсу з культурою Streptomyces alboviridis 141 знижує мутагенний вплив важких металів до спонтанного рівня.
- В складі органотрофних бактерій забрудненого грунту зростає чисельність мікроорганізмів, стійких до високих доз (5-7 ГДК) важких металів. Внесення в забруднений грунт біогумусу сприяє підвищенню резистентності мікробних угруповань.
- Вперше вивчено вплив важких металів на швидкість руху мікроорганізмів методом лазерної кореляційно-доплерівської спектрометрії. Показано, що швидкість руху чутливої до важких металів культури Pseudomonas sp.19 в присутності іонів Cu2+, Zn2+, Cd2+, Pb2+ зменшується на 25-36,5%. Цей показник можна використовувати для експрес-оцінки стану забруднення грунтів.
- Досліджено вплив важких металів на показники гомеостазу мікробних угруповань: виживання, чутливість до токсикантів, швидкість і період відновлення чисельності окремих систематичних і еколого-трофічних груп мікроорганізмів. При забрудненні грунту сумішшю важких металів в дозі 4 ГДК гомеостаз мікробних угруповань порушується незворотньо.
- На базі розробленої нами системи індикаційних показників проведена комплексна оцінка меліорантів з метою їх використання для реабілітації грунтів, забруднених важкими металами. При низьких рівнях забруднення (1 ГДК) ефективними є цеоліт білий, цеоліт зелений, вермікуліт, біогумус, культура Streptomyces alboviridis 141, а при високих рівнях забруднення (10-20 ГДК) перспективне застосування біогумусу і гіпсу з культурою Streptomyces alboviridis 141.
Список опублікованих праць.
- Іутинська Г.О., Петруша З.В.* Резистентність грунтових мікроорганізмів до забруднення важкими металами // Мікробіологічний журнал – 1999. - №5. – С.72-77.
- Андреюк Е.И., Иутинская Г.А., Петруша З.В.* Гомеостаз микробных сообществ почв, загрязненных тяжелыми металлами // Мікробіологічний журнал – 1999. - №6. – С.15-21.
- Іутинська Г.О, Петруша З.В.,* Сіра Л.І. Вплив міді на мікрофлору темно-сірого опідзоленого грунту і розробка способів його оздоровлення //Бюлетень Інституту сільськогосподарської мікробіології. – 1999. - №4. – С.11-14.
- Іутинська Г.О., Петруша З.В.* Вплив суміші важких металів на мікрофлору темно-сірого опідзоленого грунту //Бюлетень Інституту сільськогосподарської мікробіології. – 1999. - №5. – С.14-17.
- Іутинська Г.О., Петруша З.В.* , Васильєва Т.В., Сопліна О.М. Токсичність і мутагенність важких металів - забруднювачів грунту // Современные проблемы токсикологии. – 2000.- №2. – С.53-56.
- Петруша З.В.* Ефективність меліорантів, що відновлюють біологічні функції грунтів, забруднених важкими металами // Науковий вісник ВДУ –1999. - №4. – С.142-144.
- Иутинская Г.А., Антипчук А.Ф., Валагурова Е.В., Козырицкая В.Е., Петруша З.В.* Структура микробиологического мониторинга почв как составной части биологического мониторинга // Технические и системные средства экологического мониторинга почв. – Киев, 1998. – С. 63-68.
- Петруша З.В.,* Краснобрижа О.М., Антипчук А.Ф., Іутинська Г.О. Біоіндикація забруднених важкими металами грунтів та заходи їх оздоровлення. – Екологічність продукції АПК: економіка та технологія. – Суми:”Козацький вал”, 1999. – С.206-209.
- Иутинская Г.А., Антипчук А.Ф., Валагурова Е.В., Козырицкая В.Е, Петруша З.В.* Использование микроорганизмов как биотестов на загрязнение почв тяжелыми металлами // Материалы Междунар. конф. «Проблемы микробиологии и биотехнологии». – Минск: "Микробио". – 1998. – С.170-172.
- Іутинська Г.О., Антипчук А.Ф., Валагурова Е.В., Козырицкая В.Е., Петруша З.В.* Відновлення біологічних функцій грунтів, забруднених важкими металами // Агрохімія і грунтознавство: Спец. випуск до V з’їзду УТГА (Рівне, 6-10 липня 1998 р.). – Харків: УААН, 1998. - С.93-95.
*Прізвище Петруша змінено на Макарчук.
Макарчук З.В. Мікрофлора забруднених важкими металами грунтів, їх індикація та шляхи оздоровлення. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за спеціальністю 03.00.07-мікробіологія. - Інститут мікробіології і вірусології ім. Д.К.Заболотного НАН України, м.Київ, 2000.
Дисертацію присвячено вивченню впливу важких металів на мікрофлору темно-сірого опідзоленого грунту. Вперше застосований системний підхід для вивчення впливу важких металів на різні ієрархічні рівні мікробної системи грунту: доклітинний, клітинний, популяційний, ценотичний. Вивчені токсичність і мутагенна активність грунту, забрудненого важкими металами, та запропоновані нові заходи для їх зменшення. Для вивчення впливу важких металів на мікробні популяції грунту вперше використаний метод лазерної кореляційно-доплерівської спектрометрії. Розраховані показники, які характеризують резистентність і гомеостаз мікробних угруповань в грунті, забрудненому важкими металами.
На основі вивчення мікрофлори і динаміки рухомих форм важких металів при застосуванні неорганічних, органічних, біологічних і комбінованих меліорантів розроблені заходи для реабілітації забруднених грунтів.
Ключові слова: грунт, важкі метали, мікрофлора, меліоранти
| 
