Microbiological monitoring of anthropogenically transformed soils

Full Text

Устойчивость почв к широкому спектру техногенных загрязнителей определяется многими факторами (гранулометрический состав, структурное состояние, рН среды, буферность и т.д.), поэтому существующие методы и приемы мониторинга почв отличаются большим разнообразием [1–4]. При этом состояние почв традиционно оценивается как по физическим и химическим, так и биологическим показателям, среди которых альгологические, бактериологические и др. [5–12].

Техногенные загрязнители подвергаются в почве разнообразным и многоступенчатым процессам биологической трансформации с участием микроорганизмов. При этом одни химические соединения легко разрушаются, другие, например, лигнин, поступающий в природные экосистемы при естественной гибели растений в очень больших количествах, является главным источником медленно распадающегося органического вещества [13]. Но наиболее опасным является лигнин, загрязняющий окружающую среду как бытовой отход, предприятий целлюлозно-бумажной промышленности.

Мероприятия по мониторингу территории, загрязненной захороненными в ней промышленными отходами, кроме прочих включают проведение санитарно-микробиологических исследований, целью которых является определение способности почвы к самоочищению при участии микроорганизмов. В этом случае, экспресс-методом оценки степени загрязнения субстрата является интегральный показатель – ОМЧ/г почвы [14, 15].

Исследования проводились в картах-накопителях шлам-лигнина (№ 1, № 4, № 5, № 6) Байкальского целлюлозно-бумажного комбината (Иркутская область). Объектом исследования был частично рекультивированный шлам-лигнин, являющийся бытовым отходом технологического цикла производства и скопившийся в картах за многолетнюю работу предприятия. На сегодняшний день, после закрытия БЦБК в 2013 году, рекультивация карт-накопителей является одной из первоочередных задач ФЦП «Охрана озера Байкал и социально-экономическое развитие Байкальской природной территории на 2012–2020 годы». А пока эта проблема не решена, мониторинг за состоянием антропогенно преобразованных субстратов – это один из способов контроля экологического состояния окружающей природной среды.

Солзанский участок карт-накопителей шлам-лигнина располагается юго-восточнее пос. Солзан в междуречье р. Бол. Осиновка – руч. Банный в пределах комплекса озерных террас оз. Байкал [16].

Пробы грунта отбирались в трех горизонтах (поверхностный, средний и придонный) в одной усредненной точке. Всего было отобрано 44 почвенных образца, подверженных в лабораторных условиях микробиологическому анализу. Изучение состояния грунта было произведено согласно общепринятой методике микробиологического исследования почв [17, 18], в том числе с определением микробной обсемененности (ОМЧ/г почвы). Для некоторых показателей рассчитано среднее арифметическое значение и ошибка среднего арифметического. В задачи исследования входила характеристика состояния шлам-лигнина в картах накопителях.

Определение уровня микробной обсемененности шлам-лигнина карты-накопителя № 1. Отличительной особенностью карты является то, что кроме шлам-лигнина, в соответствие с планом рекультивации в нее осуществлялся сброс строительного мусора и твердых бытовых отходов Байкальского ЦБК.

Верхняя часть карты, примерно до 1,7 м, была заполнена водой, в которой на поверхности обнаруживались фрагменты смешанного мусора и отдельно плавающие небольшие конгломераты лигнина. Органолептически фиксировался неприятный запах. На расстоянии 3 метров, от поверхности воды определялась неуплотненная, жидкая масса лигнина с различными примесями органического и неорганического характера.

Данные, характеризующие концентрацию микроорганизмов в микробиоценозе шлам-лигнина в карте № 1, представлены в таблице 1.

Соотношение бактериальной микрофлоры к эукариотическим грибам составляет 4:1. В микробиоценозе преобладает прокариотическая микрофлора. В ее составе выделяются как аэробные, так и анаэробные формы. Дифференцирования факультативных микроорганизмов среди анаэробов не проводилось. Как видно из таблицы, доминирует аэробная микрофлора.

Полученные экспериментальные данные указывают на то, что в процессах биодеградации лигнина участвуют микроорганизмы разных систематических групп. Оценивая качество грунта в шламонакопителе № 1, по показателю ОМЧ следует охарактеризовать его как сильно загрязненный [9].

Таблица 1 – Концентрация микроорганизмов в карте-накопителе № 1

Определение уровня микробной обсемененности шлам-лигнина карты накопителя № 4. Согласно плану рекультивации, с 1995 года в карту № 4, проводилось перекачивание золы с ТЭЦ в виде суспензии из карты накопителя № 11. Суспензия золы – это смесь летучей золы с так называемым «черным шламом зеленого щелока», который представляет собой осадок, образующийся при взаимодействии растворенного сплава содорегенерационных котлов с окисью кальция, имеющего щелочную реакцию рН среды равную 11. Данное техническое решение основано на том, что при смешивании шлам-лигнина с золой значительно возрастает скорость его осаждения. На момент исследования сброс золы с карты накопителя № 11 был прекращен. При заборе проб грунта в карте № 4, было отмечено ее интенсивное зарастание рогозом широколистным. Вода на поверхности составляла не более 0,4 м. Лигнин уплотнен до 3,5 м. Граница раздела зола-лигнин проходила на глубине 2,0 м.

Грунт отличается высокой величиной ОМЧ, которая в поверхностном слое достигает (87,3±22,4)×10⁸ КОЕ/г, характерно разнообразие микробных форм (таблица 2). Величина 5:1 характеризует соотношение в микробиоценозе поверхностного грунта аэробных и анаэробных микроорганизмов. Бактериальная микрофлора встречается в два раза чаще, чем грибная. Количественные показатели ОМЧ достоверно отличаются в разных точках забора лигнина. Более выражен микробный пейзаж в центральной части карты, как по количественным, так и по качественным характеристикам.

На глубине двух метров от поверхности микробный пейзаж аэробной и анаэробной микрофлоры соответствует величине 2:1, а бактериальная микрофлора встречается чаще, чем грибная в 2,7 раза. По уровню микробной обсемененности грунт на глубине 2–2,5 м от поверхности следует отнести к высоко загрязненным, где средняя величина ОМЧ составляет (19,0±1,8)×10⁸ КОЕ/г (табл. 2). Наибольшая концентрация микроорганизмов сосредоточена в зоне выхода карты-накопителя, тогда как минимальный уровень показателя ОМЧ характеризует точку забора пробы в зоне входа в карту-накопитель. Различаются точки и по содержанию в них разных групп микроорганизмов.

В придонном слое карты-накопителе № 4 степень обсеменения микроорганизмами шлам-лигнина отличается в разных точках забора, находящегося на одном и том же уровне горизонта. Микробный пейзаж более выражен в зоне входа в карту-накопитель. Соотношение аэробной и анаэробной микрофлоры на карту составляет 1:1, тогда как бактериальная флора доминирует над грибами почти в два раза.

Таблица 2 – Концентрация микроорганизмов в карте-накопителе № 4

Таким образом, установлено, что микробный пейзаж грунта карты-накопителя № 4 очень вариабелен, а по уровню обсемененности относится к высоко загрязненным субстратам. С одной стороны, он изменяется в зависимости от глубины забранного грунта в карте-накопителе. Так, величина показателя ОМЧ на поверхностном слое в 46 раз выше, чем на глубине 2,0–2,5 м и в 800,0 раз в придонном слое. С другой стороны, эти изменения определяются и местом забора пробы, хотя их различия не столь значимы. Так, аэробная микрофлора, во всех точках преобладает над анаэробной, также как бактерии над грибами.

Изучение санитарно-микробиологического состояния в карте накопителе шлам-лигнина № 5. Согласно плану рекультивации, в карту № 5, также проводилось перекачивание золы с ТЭЦ в виде водной суспензии из карты № 11. На момент исследования вода покрывала поверхность карты на глубину 1,7 м, отмечен процесс зарастания.

Горизонт золы небольшой и составлял всего лишь 0,7 м. Лигнин определялся на уровне до 4,0 м. В поверхностном слое прокариотические микроорганизмы доминируют над эукариотическими. Соотношение аэробов к анаэробам составляет 1:16. Вместе с тем, отмечаются незначительные отличия в микробиоценозе шлам-лигнина, отобранного в разных точках по величине показателя ОМЧ (таблица 3). Концентрация микроорганизмов в центральной части карты доминирует по отношению к точкам входа и выхода. В поверхностном слое грунта процессы биодеградации идут более интенсивно.

Аэробные микроорганизмы на порядок чаще встречаются, чем анаэробные. Аналогичная зависимость прослеживается по отношению бактериальной микрофлоры к грибам. В целом уровень микробного обсеменения шлам-лигнина в среднем слое глубиной 2–2,5 м по точкам отличается незначительно (табл. 3). Показатель ОМЧ составляет (5,6±0,4)×10⁷ КОЕ/г.

Таблица 3 – Концентрация микроорганизмов в карте-накопителе № 5

Характеризуя придонный слой карты видно, что в зависимости от анализируемой точки, концентрация микроорганизмов изменяется незначительно. Наиболее выражен микробный фон в точке выхода из карты-накопителя, тогда как в точке ее входа и центральной части, величина ОМЧ ниже и отличается от нее всего лишь в 1,3–1,5 раза. Средняя величина ОМЧ на карту-накопитель составляет (0,29±0,03)·10⁷ КОЕ/г. В микробиоценозе прокариотическая и эукариотическая микрофлора соотносятся 1:1. Доминирует анаэробная микрофлора.

Полученные экспериментальные данные указывает на то, что в процессе биодеградации лигнина участвуют микроорганизмы разных систематических групп. Оценивая качество грунта в шламонакопителе № 5, по показателю ОМЧ следует охарактеризовать его как высоко загрязненный.

Определение уровня микробной обсемененности шлам-лигнина карты накопителя № 6. Карта накопитель № 6 принята в эксплуатацию в 1966 году, и после ее заполнения, в 1976 году, выведена из эксплуатации. Намытый в ней объем шлам-лигнина составляет 328 тысяч м³. Зольного сброса в карту не проводили. Лигнин уплотнен до 2,5–3,0 м, и представляет собой однородную массу, которая хорошо отделяется от почвенного бура при заборе образцов. Микробный пейзаж грунта аналогичен таковому в карте-накопителе № 1. Концентрация прокариот в микробиоценозе грунта в среднем в два раза выше по сравнению с эукариотами. Наиболее значимы эти различия в верхнем горизонте (3:1), тогда как в нижнем слое грунта этот показатель отличается незначительно (таблица 4). Количественные показатели аэробные микроорганизмов превышают концентрацию анаэробных в среднем в 3,6 раза. В нижнем горизонте грунта анаэробы значительно доминируют над аэробами, что объясняется низкой концентрацией кислорода в среде.

Таблица 4 – Концентрация микроорганизмов в карте-накопителе № 6

Уровень микробной обсемененности грунта карты-накопителя № 6 высокий, микроорганизмы распределены неравномерно и в более глубоких слоях их число резко снижается, а процессы деструкции лигнина идут крайне медленно.

В целом микробиологический мониторинг антропогенно преобразованных почв, формирующихся в картах накопителях шлам-лигнина в процессе его рекультивации показал, высокое загрязнение по значению ОМЧ. Наибольший показатель микробного числа наблюдается в карте № 4. Микробный пейзаж менее выражен в карте № 6. Незначительно от него отличается количественное содержание микроорганизмов в шлам-лигнине карты-накопителя № 1.

Выраженные количественные различия показателя ОМЧ, являются, прежде всего, результатом неравнозначной доступности огромной массы органического вещества для использования в биосинтетических процессах микробной флорой.

Лимитирующее действие на развитие микробной популяции оказывает значение рН-среды. В щелочной среде развитие микрофлоры выражено значительно сильнее, чем в условиях кислой среды. Именно благодаря присутствию золы в картах № 4 и № 5 были созданы оптимальные условия для развития микробного сообщества.

Превалирование, аэробов над анаэробами, дает основание утверждать, что в глубинных слоях биодеструкция лигнина идет крайне медленно. Наиболее обильна микрофлора на глубине до 1,5 м. В этом слое протекают основные биохимические процессы превращения органических веществ, обусловленные жизнедеятельностью разнообразных групп микроорганизмов, последовательно сменяющих друг друга. В более глубоких слоях, микрофлора становится скудной, и уже на глубине 3-х метров, микроорганизмы обнаруживаются в небольших количествах.

Было установлено, что практически во всех исследуемых вариантах прокариоты лидируют над эукариотами, хотя их соотношение в разных экологических нишах различаются. Так, если в карте-накопителе № 4 в среднем оно составляет 2:1, то в других картах это соотношение увеличивается и составляет 3:1 или 4:1. Это подтверждает, что первой в деструктивные процессы вступает бактериальная микрофлора, а затем постепенно происходит ее вытеснение грибами.

Под действием абиогенных факторов и благодаря активной деятельности микроорганизмов из органических веществ, образовавшихся при деструкции лигнина, постепенно формирует гумусовый слой почв. Происходит процесс самоочищения и биологической рекультивации, обеспечивающий стабильное, устойчивое состояние почвы, показателем которого является почвенное микробное сообщество [19].

Таким образом, методы микробиологической экспертизы при мониторинге антропогенных нарушений позволяют оценить экологическое состояние почвы и относятся к экспрессным методам анализа [20].

About the authors

Elena Vasil'evna Simonova

Author for correspondence.
Email: evsimonova@yandex.ru

doctor of biological sciences, professor of the Chair of Microbiology, Virology and Immunology

Evgenija Nikolaevna Maksimova

Email: evgen_max@list.ru

candidate of biological sciences, associate professor of the Chair of Natural Sciences

References

Supplementary files