Введение к работе
: г ;; . !
'Актуальность проблемы. Основными направлениями экономического и социального развития СССР, принятыми на ХХУП съезде КПСС, предусматривается целый комплекс мероприятий по охране окрукающей среды и рациональному использованию природных ресурсов. В число их входят вопросы повышения эффективности мер по защите биосферы, усилению контроля за состоянием природной среды и источниками загрязнения. В свете поставленных задач особую актуальность приобретают исследования в плане экологического монитсринга, основу которого составляет комплексная система наблюдений, оценки и прогноза изменений состояния природной среды под влиянием антропогенных воздействий. Воя программа экологического мониторинга направлена на принятие решений, регулирующих качество окрукающей природной среды. Существенным звеном экологического мониторинга является изучение антропогенного воздействия на биогу (Федоров, 1979;.
В качестве биологических систем мониторинга нами выбраны си-общества почвенных микроорганизмов и осуществляемые ими процессы. Почвенная микробиота - гот компонент экосистем, деятельность которого тесно связана с сохранением естественной способности природной среды к самоочищению. Основу естественного самоочищения во многих случаях составляют трофические связи и способность живого вещества экосистем трансформировать органические и неорганические соединения. Значительная роль в этих процессах принадлекит микроорганизмам, принимающим участие в разрушении широкого спектра природных и неприродных соединений. Занимая ключевые позиции в основных биогег.хиыичеоких циклах, микроорганизмы обеспечивают з определенной степени их замкнутость и способствуют возвращению веществ в биологические круговороты (Вернадский, 1978).
Многие исследователи отмечают уникальную функциональную стабильность микробного комплекса. Однако, практически никто не установил пределы его устойчивости, ато и определило необходимость постановки наблюдений в плана микробиологического мониторинга, в котором можно выделить два аспекта исследований: первое - выявление последствий антропогенного воздействия на микробный компонент экосистем; второе - биотесгирование природной среды по микробиологическим показателям.
Зопрос о возыокностях использования микроорганизмов как индикаторов состояния окружающей среды сложный, но перспективный.
В основе успешного его решения следует отметить специфические особенности микробных клеюк, позволяющие использовать их с целью биоиндикации окружающей ореды. Благодаря малым размерам,мик-роорганизиы имеют большую относительную поверхность контакта со средой обитания. Высокие скорости роста и размножения дают возможность в короткий срок проследить за действием любого антропогенного фактора на протяжении десятков и даке сотен поколений.
В наогоящее время достаточно хорошо разработан мониторинг водных экосистем по различный биологический покагатедяи, включая микробиологические (Абакумов, 1979; Израэль, Цыбэнь, 1981; Федоров, 1979). Исследования по микробиологическому мониторингу наземных экосистем практически отсутствуют. Лишь ряд авторов в той или иной мере касаются данного вопроса (Гузев, Левин, 1982; Гу-эев, І9В5; Кураков, 1983; Лєеин, 1984; Омаров, 1985).
Неразработаннооть микробиологического мониторинга наземных экосистем определяется рядом моментов, из числа которых выделяем следующие:
необходимость проведения длительных полевых наблюдений за тенденциями изменения микробных популяций под влиянием природных факторов и выявлении на их фоне антропогенных нагрузок;
сяокность определения границ естественного состояния микробных комплексов из-за большой их пространственной и временной вариабельности)
труднооть нормирования антропогенных нагрузок на этот компонент экосистем вследствие его значительной чувствительности к естественному фону;
необходимость учета адаптационных способностей микроорганизмов, затрудняющих выявление ответных реакций на антропогенное воздействие и взаимосвязи "доза-эффект".
Цепь и задачи исследования. Принимая ьо внимание сложность и нерешенность даниий проблемы, основной целью наших исследований явилась разработка и реализация микробиологического мониторинга в наземных экосистемах Сибири, входящих б зону воздействии территориально-промышленных комплексов.
Для достижения поставленной цели были определены следующие задачи:
-
Составление концептуальной схемы чинробиологического мониторинга состояния наемных экосистон.
-
Иаучение возможностей использования общепринятых и не-
традиционных методических подходов в микробиологической мониторинге.
3. Исследование состояния микробных популяиий в естественных экосистемах, установление характера их взаимосвязей с факторами природной среды, а также диапазонов их естественной изменчивости.
і*. Выявление откликов микробных популяций на внесение в почву продуктов техногенезе и выбор наиболее индикационных показателей.
5. Изыскание путей практической реализации результатов, полученных при изучении реакций микроорганизмов на воздействие природных и антропогенных факторов.
Теоретическая значимость и научная новизна.
Впервые определены экопого-географические закономерности функционирования микробного компонента в почвах различных ландшафтов Сибири и установлены количественные зависимости его от основных экологических факторов. Эти исследования явились фундаментом для создания ряда методов и моделей, позволяющих существенно расширить и углубить наши знания об экологии микроорганизмов и возможностях использования их в решении прикладных задач мониторинга состояния окружающей среды данного региона.
Впервые в почвенно-минробиопогических исследованиях при изучении экологических взаимосвязей микроорганизмов применен географический подход комплексной ординаиии, наиболее полно выявляющий взаимосвязи между всеми компонентами природной среды и способствующий их систематизации. Этот подход позволил уточнить важную роль абиотических факторов в функционировании микробного компонента в специфических условиях Сибири. Установлено большое влияние гидротермических и геохимических характеристик природной среды не только на сезонные, но и не кратковременные изменения численности микробных популяиий.
Интенсивность природных флуктуации микроорганизмов впервые предложено оценивать коэффициентом флуктуации (ср), определяемым по частоте и амплитуде колебаний численности микроорганизмов.
Для характеристики микробного пула предложена методика расчета, основанная на соотношении статистически достоверных минимальных значений численности микроорганизмов к их средней арифметической за конкретный интервал времени (коэффициент микробного резерва).
Разработан метод определения вреиени генерации почвенных микроорганизмов и их продуктивности в иеибранных каиерах.
Впервые составлена комплексная схеиа изучения техногенного воздействия на микроорганизмы, объединяющая многолетние исследования в естественных экосистемах с цепью выявления изменения параметров микробных популяций при изменении фоновых характеристик природной среды, с активный моделированием различных, техногенных нагрузок в полевых и лабораторных экспериментах,как тактической основы для организации наблюдений в зонах высокого антропогенного воздействия.
На основании подробного и всестороннего изучения микробного комплекса, впервые определены пределы его естественного состояния в различных экосистеиах Сибири. В качестве меры естественной изменчивости микроорганизмов предложено использование амплитуды колебаний, как одной из виднейших реакций микроорганизмов на изменение окружающей среды.
Впервые предложена оценке микробиологических откликов и последствий техногенного воздействия путем их сопоставления с диапазонами природной вариабельности. На базе экспериментального моделирования ответных реакций иикроорганизиов на разные техногенные нагрузки впервые составлена система микробиологических показателей, пригодная для оценки состояния экосистем разного иерархического уровня и характеризующая основные этапы техногенного воздействия.
На основе вскрытых закономерностей развития микроорганизмов в природных экосистемах предложены новые способы экспресс--контроля за степенью изменения почвенной микробиоты под действием антропогенных нагрузок. Это использование экологических реакций интродуцированных микробных популяций в мембранных камерах, помещенных в почву нарушенных экосистем, учет откликов инициированного микробного coo6„jctb8 на двухслойном почвенном агаре с разным содержанием техногенных соединений.
Обоснована необходимость применения для микробиологической оценки техногенного воздействия функции желательности наблюдаемых нарушений. Произведена оценка состояния микроорганизмов в зоне активного техногенезе (КАТЗК), выявлены тенденции их возможных изменений при усилении техногенной нагрузки, проведено нормирование некоторых компонентов аэрозольных выбросов промышленных предприятий. На основании выполненных исследовании ножно
констатировать, что нами создана целостная сиотеыа оценки состояния микробного комплекса в естественных и нарушенных экосистемах, которая способствует развитию работ по антропогенной экологии микроорганизмов.
Практическая ценность и реализация основных потокений работы.
Разработанный автором метод неибранных камер, позволяющий наблюдать за соотояниеы микробных популяций, применен для классификации грибной популяции-продуцента биологически активных веществ в Сибироком институте физиологии и биохимии растений СО АН СССР.
Метод мембранных камер апробирован сотрудниками Иркутского ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательского противочумного института Сибири и Дальнего Востока для наблюдений за состоянием возбудителей сибирокой язвы в почвах степных экосистем юго-восточного Забайкалья.
Метод мембранных камер после некоторых модификаций широко используется сотрудниками Всесоюзного научно-исследовательского института сельскохозяйственной микробиологии для изучения поведения фитопзтогенных грибов непосредственно в почве.
Экспериментальные материалы диссертации в виде научных отчетов и рекомендаций переданы ряду заинтересованных организаций. Результаты изучения состаиа и деятельности микроорганизмов в почвах экосистем Минусинской котловины и юго-восточного Забайкалья, использованы Иркутским ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский противочумным институтом Сибири и Дальнего Востока для характеристики комплекса факторов, обусловливающих экологию микроба сибирской язвы.
Материалы исследования восстановительных микробных сукцессии в землях, нарушенных открытым способом добычи бурого угля, поступили в виде конкретных предложений в Отдел рекультивации управления угольного разреза "1І8заровский" Красноярскуго ль для использования при разработке мероприятий по рекультивации земель Назаровского угольного разреза.
Результаты анализа активности микробиологических процессов в почвах зоны промышленного освоения, а также материалы о тенденциях изменения биологической активности почв, нарушенных открытой добычей угля,, взяты Госкомитетом по гидрометеорологии и контролю природной среды для составления сводного отчета "Соврзиен-
нов состояние и прогнозирование изивнеыия в окружающей среде под влиянием промышленных предприятий КАТЭКа".
Все внедрения подтверждены документально.
Дпробапия работы. За период с 1967 по 1986 гг. по ыатериа-лаи диссертации сделаны следующие доклады и выступления: на конференции по вопросаы учета численности и биомассы почвенных микроорганизмов, Ленинград, 1969; семинар-конференции Обь-Иртышской экспедиции, Иркутск, 1969; семинар-конференпии "Топологические особенности тепла, влаги и вещество в геосистемах", Иркутск,1970; ІУ съезде Всесоюзного микробиологического общества, Минск, 1970; конференции "Топологические аспекты изучения поведения вещества в геосистемах", Иркутск, 1973; У совещании географов Сибири и Дальнего Востоке, Владивосток, 1973; рабочем совещании по проблеме "Экология почвенных микроорганизмов и микробиологические аспекты применения пестицидов в сельском хозяйстве", Москва, 1975; конференции "Микрофлора почв и водных бассейно: Сибири и Дальнего Востоке", Томск, 1976; Всесоюзном совещании "Проблемы и методы биологической диагностики и индикации почв", Москва, 1976; Меквуаовской конференции "Развитие и значение водорослей в почвах нечерноземной зоны", Киров, 1977; У рабочем совещании СЭВ по теме Ш.І "Разработка общей теории биогеоиеиологии", Шушенское, 1977; УІ совещании географов Сибири и Дальнего Востока, Иркутск, 1978; конференции "Микробиологические процессы в почвах и урожайность сельскохозяйственных культур", Каунас, 1978; XI Всесоюзной школе "Современные методы в экологии микроорганизмов", Пущино, 1973; ІУ совещании по прикладной географии, Иркутск, 1979; симпозиуме "Биодинамика почв", Таллин, 1979; УІ съезде Всесоюзного микробиологического общества, Рига, I98U; У съезде Всесоюзного общества почвоведов, 1981, Тбилиси; симпозиуме "Микроорганизмы как компонент биогеоценоза", Алма-Ата, 1982; УІ съезде Всесоюзного общества почвоведов, Ташкент, І985; УП съезде Всесоюзного общества микробиологов, Алма-Ата, 1985; УП Всесоюзном совещании географов Сибири и ДВ, Владивосток, 1986.
Публикации. Но теме диссертации опубликовано 71 научная работа. Основные положения диссертации освещены в 43 работах, в том числе 2 - в международных изданиях.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 285 страницах машинописного текста и состоит из 3-х частей, включающие введение, 7 глав, заключение, выводы, практические рекомендации