Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы. фиторемедиация и искусственное формирование на загрязненных тяжелыми металлами почвах и грунтах устойчивых биоценозов 9
1.1 Рекультивация 9
1.2 Фиторемедиация и фитоэкстракция (фитомайнинг) 16
1.3 Устойчивость почвенных микроорганизмов и системы микроорганизм-растение к тяжелым металлам 19
1.4 Почвенные микроорганизмы и фитоэкстракция 27
2. Объекты и методы исследования 34
2.1. Объекты исследований 34
2.1.1. Характеристики растений, использованных при постановке опытов 40
2.2. Методы исследований 50
3. Экспериментальная часть. фитоэкстракция никеля и меди и респирометрические показатели состояния микробных сообществ в техногенных грунтах и почвах, загрязненных тяжелыми металлами 58
3.1. Результаты учета урожайности растений и фитоэкстракции тяжелых металлов по результатам опыта с почвой и техногенными грунтами, отобранными на территории ГМК «Норильский никель» 58
3.2. Результаты учета урожайности растений и фитоэкстракции тяжелых металлов по результатам опыта с техногенным грунтом из хвостохранилища №1 ГМК «Норильский никель» 67
3.3. Влияние инокуляции грибом Glomus intraradices на урожайность растений и фитоэкстракцию тяжелых металлов из искусственно загрязненной дерново-подзолистой почвы (вегетационный опыт №3) з
3.4 Оценка показателей микробиологической активности почв и грунтов, использованных в опытах 82
Выводы 92
Библиографический список 95
- Устойчивость почвенных микроорганизмов и системы микроорганизм-растение к тяжелым металлам
- Характеристики растений, использованных при постановке опытов
- Результаты учета урожайности растений и фитоэкстракции тяжелых металлов по результатам опыта с техногенным грунтом из хвостохранилища №1 ГМК «Норильский никель»
- Оценка показателей микробиологической активности почв и грунтов, использованных в опытах
Введение к работе
Актуальность темы. Загрязнение тяжелыми металлами природных экосистем является одним из наиболее опасных факторов их деградации, так как повышение концентраций металлов в почве приводит к их накоплению в дикорастущих и сельскохозяйственных растениях, что сопровождается загрязнением пищевых цепей (Левин, 1989; Пейве, 1961; Черных, Черных, 1995; Школьник, 1974; Singh, Prasad, 2011). Кроме того, высокие концентрации металлов делают почву непригодной для роста растений (Покровская, 1986). В некоторых районах России проблема загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами стоит особенно остро. Например, по данным ФГБУ «ВНИИ по проблемам гражданской обороны и чрезвычайных ситуаций» МЧС России, площадь, занимаемая в Норильском промышленном районе различными видами техногенных отходов общей массой более 1 млрд. т, составляет более 6000 га (Соколов, 2013).
При небольших (в 5-10 раз) превышениях фонового содержания тяжелых
металлов в почвах обычно не отмечается отчетливого изменения
микробиологической активности. Известно, что медь, цинк, кобальт, молибден, железо и некоторые другие элементы, относящиеся к тяжелым металлам, входят в состав ферментов и добавка их в среды в малых количествах стимулирует рост и метаболическую активность микроорганизмов (Евдокимова, 1995; Одум, 1986). При более высоких уровнях загрязнения тяжелыми металлами происходит снижение биологической активности, меняется видовая структура микробных сообществ (Добровольский, 2002). Антропогенное загрязнение почвы тяжелыми металлами способно влиять не только на почвенную микрофлору, но также и непосредственно на почвообразовательные процессы (Гришина, 1990; Гутиева, 1986). Растения играют значительную роль в формировании микробных сообществ и их функций, поэтому актуально изучение взаимодействия и совместного влияния растительного и микробного компонентов почвы в условиях сильного загрязнения почв тяжелыми металлами.
Фитоэкстракция – перспективный и экономически эффективный способ
извлечения тяжелых металлов (ТМ) из загрязненных ими почв с помощью
растений-гипераккумуляторов. При выращивании таких растений на
загрязненных почвах они накапливают в заметных количествах тяжелые металлы, извлекая их из почвы. Растения-гипераккумуляторы используются при фитомайнинге – способе добычи металлов из отвалов горных пород (Anderson и др., 1999; Boyd, 2004; Brooks и др., 1999; Brooks и др., 1998). Для фитомайнига используются надземные части растений, из которых посредством озоления выделяются добываемые металлы. Другой стороной фитоэкстракции является фиторемедиация – очистка почв от избыточного количества ТМ посредством
выращивания на таких почвах растений-гипераккумуляторов (Линдиман и др., 2008; Robinson и др., 2003).
Степень разработанности темы исследования
Исследованию фитоэкстракции тяжелых металлов, в том числе влиянию почвенной микрофлоры на этот процесс посвящено множество зарубежных исследований, большинство которых выполнено с конца 1980-х годов по настоящее время (Brooks и др., 1999; Brooks и др., 1998; Cunningham, Berti, Huang, 1995; Gadd, 1990; Garbaye, 1994; Jones, Hutchinson, 1988; Robinson и др., 2003; Ullah и др., 2015). В русскоязычных изданиях данная тема представлена в меньшей степени, в основном виде исследований отдельных процессов и явлений, связанных с фитоэкстракцией (Бричкова, 2003; Буравцев и др., 2005; Илялетдинов, 1984; Линдиман и др., 2008; Серегин, Кожевникова, 2008; Ягодин, Говорина, Виноградова, 1991).
Целью исследования было установление взаимосвязей состояния микробиоты загрязненных тяжелыми металлами почв и грунтов с внесением торфа и поглощением растениями тяжелых металлов.
Задачи исследования:
-
Выявить виды и сорта растений, способных к эффективной фитоэкстракции тяжелых металлов.
-
Оценить состояние микроорганизмов в почвах и техногенных грунтах с высоким уровнем загрязнения тяжелыми металлами с помощью интегральных показателей микробного дыхания.
-
Установить влияние микоризации растений на их биомассу и эффективность фитоэкстракции в условиях загрязнения субстрата тяжелыми металлами.
-
Определить влияние микоризации растений на активность микроорганизмов исследуемых субстратов.
Научная новизна
Проведено изучение возможности и эффективности фитоэкстракции металлов культурными растениями и оценка состояния микробных сообществ в техногенных грунтах с высокими уровнями содержания тяжелых металлов (никеля, меди), а также на искусственно загрязненной никелем и медью дерново-подзолистой почве. Исследования проводились на перечисленных субстратах в чистом виде, а также при внесении низинного торфа.
Исследовалось влияние микоризации растений (их способности к образованию симбиотических связей с грибом Glomus intraradices) на развитие данных растений и фитоэкстракцию в условиях загрязнения почв и грунтов тяжелыми металлами.
Теоретическая и практическая значимость
По результатам проведенных исследований установлена зависимость
микробного метаболического коэффициента от степени загрязненности субстрата
тяжелыми металлами, согласующаяся с общепризнанной концепцией микробного
метаболического коэффициента (Ананьева, 2003; Ананьева, Благодатская,
Демкина, 2002; Благодатская, Ананьева, 1996). Результаты, полученные в данной
работе, можно использовать при разработке практических рекомендаций по
вопросам ремедиации почв, загрязненных тяжелыми металлами. Кроме того, в
работе представлены растительные культуры, способные к эффективной
фитоэкстракции тяжелых металлов из содержащих их субстратов. Доказано
положительное влияние микоризации некоторых растений симбиотическим
грибом Glomus intraradices на эффективность фитоэкстракции тяжелых металлов
этими культурами. Выявлены растительные культуры, способные к
формированию на отвалах техногенных грунтов, содержащих большие количества тяжелых металлов, растительного покрова, способствующего закреплению отвалов.
Методология и методы диссертационного исследования
Исследование проводилось в условиях вегетационных опытов.
Характеристики исследуемых субстратов определялись общепринятыми
лабораторными методами. Содержание тяжелых металлов в субстратах и растениях определялось инструментальными методами. Микробиологические исследования проводились микроскопическими методами и методами посевов. Субстрат-индуцированное и базальное дыхание исследуемых субстратов и интенсивность азотфиксации определялось инструментальными методами в лабораторных условиях.
Основные положения, выносимые на защиту
-
На техногенных грунтах с очень высокими уровнями загрязнения никелем (от 115 до 480 ПДК (предельно допустимых концентраций) и медью (от 3 до 40 ПДК) большинство испытанных культур сильно угнетались. Внесение торфа (30% от объема грунта) с добавкой вермикомпоста (1% от объема грунта) способствовало достоверному увеличению надземной массы рапса ярового и горчицы белой. При этом увеличивалась микробная биомасса и резко снижался микробный метаболический коэффициент, что говорит о росте устойчивости биоценозов.
-
При выращивании на данных грунтах наилучшую фиторемедиационную способность (наибольшее накопление металлов в надземной части) проявили растения овсяницы красной сорта «Сигма» (более 750 мг никеля и почти 600 мг меди на 1 кг сухой массы) и растения рапса ярового сорта «Подмосковный» (более 620 мг/кг никеля и почти 840 мг/кг меди).
-
В исследованных техногенных грунтах не было обнаружено микоризных образований, искусственная микоризация растений грибом Glomus intraradices также не привела к развитию микоризы, очевидно, развитие микоризных образований подавлялось при очень высоких уровнях загрязнения тяжелыми металлами.
-
На дерново-подзолистой почве, искусственно загрязненной никелем и медью до уровней в 10 ПДК каждого элемента, микоризация растений грибом Glomus intraradices прошла успешно и способствовала достоверному росту урожайности зеленой массы таких растений как клевер ползучий, люцерна изменчивая, подорожник большой. При этом существенно увеличивалась также эффективность фитоэкстракции никеля и меди этими растениями.
Степень достоверности результатов
Все варианты поставленных вегетационных опытов были заложены в 4-х кратной повторности. Определение респирометрических показателей почвенной микрофлоры также проводилось в 4-х кратной повторности. Статистическая обработка данных производилась с помощью программ Microsoft Excel 2010 и СХSTAT, использовался критерий Стьюдента для 95% уровня значимости.
Апробация работы
Результаты исследований были представлены на XXI Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2014» (Москва, 2014) (Трибис, 2014); Международной научной конференции молодых ученых и специалистов, посвященной созданию единого аграрного вуза в Москве «Российский государственный аграрный университет – МСХА имени К.А. Тимирязева» (Москва, 2014); XXII Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2015» (Москва, 2015) (Трибис, 2015).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендуемых ВАК РФ (Трибис, 2014; Трибис, 2015; Трибис, Селицкая, Борисов, 2014; Трибис, Селицкая, Борисов, 2015).
Структура и объем работы
Устойчивость почвенных микроорганизмов и системы микроорганизм-растение к тяжелым металлам
Одной из актуальных проблем современного природопользования является большое количество земель, нарушенных горными разработками. Помимо отчуждения или даже уничтожения огромных массивов хозяйственно значимых земель при этом еще нарушаются функциональные связи компонентов экосистем. Происходит нарушение геохимических потоков [191]. Токсичные элементы и соединения попадают в миграционные циклы, в частности, в биологический круговорот [9, 103]. Также в рекультивации могут нуждаться загрязненные тяжелыми металлами агроландшафты [8, 10].
Рекультивация рассматривает вопросы, находящиеся на стыке многих наук – почвоведения, ботаники, микробиологии, агрохимии, экологии, геологии, горного дела. В задачу рекультивации входит восстановление земель, пострадавших от антропогенных процессов, в частности, при добыче полезных ископаемых, строительстве и другой хозяйственной деятельности [7].
Нарушенные земли на севере России представляют особый интерес в качестве объектов рекультивации. Несколько десятков лет происходит интенсивное промышленное освоение северных регионов. При этом происходит сильное возрастание нагрузки на крайне уязвимые экосистемы. В ряде случаев это воздействие стало выше допустимого, что может привести к необратимым последствиям. Легко уязвимые природные комплексы имеют крайне низкие темпы естественного восстановления. Поэтому необходимо в зависимости от сложившихся условий принимать комплексные меры содействия восстановлению нарушенных экосистем. Выделяется несколько фаз рекультивации земель, нарушенных горнодобывающей промышленностью [16]. В инициальную фазу производится подготовка субстрата - машинное формирование аккумулятивных и денудационных форм неорельефа. Это необходимо для скорейшего развития компонентов биоты на последующих этапах. Далее выделяют посттехногенную фазу, характеризующуюся развитием моделирования поверхности неорельефа гипергенными процессами и четко выраженной асимметрией в размещении компонентов биоты в зависимости от экспозиции склоновых элементов рельефа.
В фазу оптимизации происходит относительная стабилизация всех биогеоценотических процессов. Для рекультивации необходимо произвести не только подготовку (как правило, выполаживание или террасирование) форм техногенного рельефа, но также нанести на техногенный грунт слой потенциально плодородных грунтов. В целях снижения интенсивности процессов эрозии – вымывания и перераспределения мелкозема из слоя насыпного грунта производится отсыпка снизу вверх материала уменьшающейся крупности: валунный – крупногалечный – галечно-гравийный с песчаным заполнителем (русловая фация аллювия) – пойменная фация аллювия. При этом в процессе укладки этих материалов для повышения устойчивости мелкозема к фильтрующимся водным потокам проводится уплотнение [23, 52]. Первый этап рекультивации необходимо выполнять непосредственно перед этапом посадки или посева растительного материала, чтобы предотвратить дальнейшее развитие процессов эрозии. Работы по укладке и доставке потенциально плодородного грунта до места проведения рекультивационных работ сильно увеличивают продолжительность мероприятий, необходимых для завершения создания условий для развития растительности на нарушенных землях. Кроме того, необходимость работы с привозным грунтом сильно увеличивает стоимость рекультивационных работ в целом. В связи с этим стоит отметить необходимость и особую важность исследований, направленных на изучение возможностей рекультивации техногенных грунтов без использования привозных грунтов.
В нескольких опытах по ускоренной рекультивации нарушенных земель [33], которые проводились в различных угольных регионах, не использовался привозной грунт. Породы, на которых проводились исследования, отличались недостатком питательных веществ, избыточным содержанием железа и алюминия, значительной кислотностью, и, как следствие этих факторов – низкой биологической активностью. В породах отсутствовал азот и гумус. Рекультивация проводилась в два этапа. На первом этапе производилась техническая подготовка рекультивируемых площадей – выполаживание поверхности и удаление крупных кусков породы с поверхности, известкование токсичных грунтов, рыхление на глубину 15-20 см. На втором этапе – биологическом – производилось внесение на подготовленную поверхность рекультивируемых площадей бытового осадка с иловых площадок очистных сооружений, который содержал в своем составе биогенные элементы. Бытовой осадок вносился из расчета от 30 т/га. Также на втором этапе вносился гуминовый препарат, полученный из угольных отходов, содержащих ограническое вещество, с помощью культур почвенных микроорганизмов. Затем производился посев смесей семян районированных растений, таких как костер безостый (Bromus inermis), виды донника (Melilotus), овсяницы (Festuca) и др. [12, 13]. Вместе с посевом семян растений производилось внесение в рекультивируемые почвогрунты бактериальных препаратов, содержащих комплекс почвенных микроорганизмов. Препараты вносились в сухом виде путем предпосевной обработки (бактеризации) семян растений. Результаты опытов показали, что в вариантах с с инокуляцией почвогрунтов активной микрофлорой биогенность породы значительно возросла по сравнению с контрольным вариантом. Увеличилось содержание полезной сапрофитной микрофлоры, участвующей в превращениях азота, фосфора и калия. Также агрохимические свойства почвогрунтов значительно улучшились: снизилась кислотность, увеличилось количество доступных форм калия и фосфора. Авторы отмечают формирование на токсичных отвалах угольных шахт формирование первичных почвенных образований. Также в работе указано, что способ ускоренной рекультивации техногенно нарушенных земель с использованием культур почвенных микроорганизмов предоставляет возможность исключить нанесение слоя потенциально плодородного привозного грунта на поверхность рекультивируемых земель.
Характеристики растений, использованных при постановке опытов
Сведения о растениях взяты из [38, 66]. «Alyssum L. - Алиссум. Семейство Brassicaceae. Корни мочковатые, корневая система компактная. Полукустарничек. Стебли полуодревесневающие, почти лежащие, сильноветвящиеся. Листья мелкие, ланцетной формы, опушенные, серо-зеленого цвета. Цветы алиссума мелкие, собраны в густые соцветия кистевидной формы. Плод – стручочек. Семена алиссума очень мелкие, плоские. … Алиссум – очень холодостойкое растение. Холодоустойчив, некоторые виды зимуют, не теряя листву. Алиссум хорошо переносит засуху, сухой воздух. Хорошо растет на нейтральной, легкой, плодородной, хорошо дренированной почве.
A. montanum или A. gmelinii - Алиссум горный или алиссум Гмелина. Многолетник. Высота 10-20 см. Стебли образуют стелющийся куст. Окраска цветков светло-желтая. Цветет в апреле-мае. A. obovatum (C. A. Mey.) Turcz. - Алиссум обратнояйцевидный. Многолетник. Листья мелкие, сероватые, от обратнояйцевидной до клиновидной формы, более менее быстро суженные в короткий черешок. Цветки желтые, в сжатых кистях, щитковидно собранных на верхушке стебля, при плодах кисти удлиняются до 6 см. Цветет в июне – июле. Стручочки округлые или эллиптические, густо опушенные, двусемянные, до 5 мм длиной.
Avena sativa L. - Овес посевной. Семейство Poaceae Barnhart, род Avena L., вид Avena sativa L. Стебли прямостоячие или вначале лежачие, круглые, голые, гладкие, толщиной около 3-6 мм, высотой от 30см до 2 м, с 3-4 голыми или опушенными узлами. Листья ланцетно-заостренные, шероховатые, зеленые или сизые, часто с восковым налетом, различной длины (20-45 см) и ширины (8-30 мм), голые или по краям с ресничками, иногда листовая пластинка опушенная. Влагалища нижних листьев в различной степени опушенные или голые. Язычок конусовидный, длиной 3-5 мм, или усеченный, реже совсем отсутствует. Соцветие - метелка раскидистая, полусжатая или сжатая (одногривая). Колоски 2-4-хцветковые, у голозерных - многоцветковые. Верхний цветок обычно недоразвит. Колосковых чешуй две, верхняя немного длиннее нижней. По консистенции и форме они перепончатые, широколанцетные, заостренные, длиной около 25-30 мм, с 9-11 жилками; у пленчатых форм по размерам превышают цветки. У голозерных форм колосковые и цветковые чешуи перепончатые. Внутренняя цветковая чешуя короче наружной. Окраска цветковых чешуй у пленчатых форм овса - белая, желтая, серая или коричневая; у голозерных - соломенного цвета или беловатая. Нижняя цветковая чешуя ланцетная или яйцевидно-ланцетная, длиной около 20-25 мм, опушенная или голая, гладкая или шероховатая, с 7-9 жилками, на верхушке двузубчатая, у остистых форм на спинке с остью. Все цветки в колоске без сочленений и отделяются только обламыванием, образуя почти горизонтальную площадку излома. Междоузлия оси обламываются вверху, и стерженек второго цветка остается при нижнем цветке. Пленочки косоланцетные. Тычинок три. Завязь по всей поверхности густоволосистая. Пестик имеет два перистых рыльца. Зерновка пленчатая (плотно охваченная цветковыми пленками, но не сросшаяся с ними) или голая (свободно лежащая между цветковыми чешуями), покрытая по всей поверхности прижатыми волосками, длиной 8-11 мм, имеет ясно выраженную продольную бороздку. Состоит из плодовой оболочки, семенной оболочки, алейронового слоя клеток, эндосперма и зародыша. Под плодовой оболочкой располагается семенная оболочка, развившаяся из двух оболочек семяпочки. Зародыш сильно сжат со спинки и состоит из почечки, длинной семядоли, отделенной своей верхушкой от околоплодника, и вдающегося в эндосперм щитка. Зародыш занимает в зерновке небольшое место, основную массу ее составляет эндосперм. При прорастании семени щиток доставляет зародышу питательные вещества из эндосперма. В клетках алейронового слоя содержатся белки и жиры. Вся остальная часть эндосперма занята клетками, заполненными крахмальными зернами, в промежутках между которыми распределены белковые вещества. … Овес - растение умеренного климата. Сумма активных температур в течение вегетационного периода для раннеспелых сортов составляет 1300 С, для позднеспелых - 1550 С. Семена начинают прорастать при температуре почвы 1-2 С, а с повышением ее до 3-4 С период прорастания значительно сокращается. В фазе кущения, когда идет образование вторичных побегов и корней, для молодых растений наиболее благоприятна умеренная температура. Формирование генеративных органов, цветение и плодоношение овса начинаются при температуре 10-12 С, наиболее интенсивно они протекают при температуре 16-22 С. … Растения устойчивы к временному понижению температуры. Всходы переносят осенние заморозки 3-4 С. По мере дальнейшего роста и развития устойчивость к низким температурам снижается, и в период цветения заморозки 2 С оказываются губительными. Овес - влаголюбивое растение. При прорастании и во время роста он требует влаги значительно больше, чем другие хлебные злаки. Дефицит почвенной влаги за 10-15 дней до выметывания метелок, когда начинается развитие генеративных органов, приводит к резкому снижению урожайности. На севере из-за дождливой погоды осенью у овса сильно затягивается вегетационный период, и он часто не вызревает до наступления заморозков.
Овес переносит повышенную кислотность почвы, хорошо растет на супесчаных, суглинистых, глинистых и торфяных почвах, отзывчив на удобрения. Из всех элементов питания наибольшее значение для овса имеет азот. Чаще всего недостаток азота наблюдается ранней весной, когда нитраты вымываются в более глубокие слои почвенного горизонта, а микробиологические процессы, в результате которых они образуются, протекают слабо из-за низких температур. Применение азотных удобрений резко повышает урожайность, улучшает качество зерна, способствует накоплению белка в зерне. Применение фосфорных удобрений повышает урожайность овса во всех зонах России. Калийные удобрения в большинстве случаев эффективны только при одновременном внесении азотных и фосфорных удобрений. Овес - самоопылитель, но многие его сорта склонны к перекрестному опылению.
Результаты учета урожайности растений и фитоэкстракции тяжелых металлов по результатам опыта с техногенным грунтом из хвостохранилища №1 ГМК «Норильский никель»
Как видно из данных таблицы 3.9, в вариантах с такими культурами как рапс сорта Quantum и горчица сорта Луговская внесение органических удобрений заметно способствовало повышению содержания железа в надземной части, содержание остальных исследованных металлов в надземных и подземных частях данных культур при внесении торфа изменялось незначительно или несколько снижалось. В вариантах с овсяницей красной, внесение органических удобрений почти не влияло на накопление тяжелых металлов в корнях, но способствовало существенному снижению содержания тяжелых металлов в надземных частях растений. Рапс сорта Подмосковный противоположным образом реагировал на внесение органических удобрений, и развил большую биомассу в варианте с добавлением органических удобрений. В этом варианте содержание никеля, меди и кобальта в надземных частях растений было в разы выше, чем при внесении только минеральных удобрений. По-видимому, органические удобрения оказывали противоположное действие как на распределение тяжелых металлов по растению, так и на биомассу растения в случаях с овсяницей красной и рапсом сорта Подмосковный.
При микроскопировании корней исследуемых растений не было обнаружено микоризных образований, что может быть связано как с отсутствием в сравнительно молодом микробном сообществе исследуемого грунта естественных грибных симбионтов, так и с неблагоприятной реакцией, засолением грунта, высоким содержанием тяжелых металлов, препятствующих развитию микоризы. В исследуемом грунте содержание подвижных форм меди превышает ПДК более чем в 14 раз, никеля – в 115 раз.
Заключение по разделу 3.2 - результаты вегетационного опыта с техногенным грунтом из хвостохранилища ГМК «Норильский никель» В результате проведения вегетационного опыта №2 с техногенным грунтом из хвостохранилища ГМК «Норильский никель» установлено, что при внесении торфа и вермикомпоста достоверно увеличивалась масса надземной части Рапса ярового Quantum и горчицы белой Луговской, увеличение массы надземной части рапса ярового Подмосковный проявилось в виде тенденции (было недостоверным). При этом, внесение торфа и вермикомпоста привело к достоверному снижению массы надземной части и корней овсяницы красной.
В вариантах с овсяницей красной, внесение торфа с вермикомпостом почти не влияло на накопление тяжелых металлов в корнях, но способствовало существенному снижению содержания тяжелых металлов в надземных частях растений. Рапс сорта Подмосковный противоположным образом реагировал на внесение органических удобрений, и развил большую биомассу в варианте с добавлением органических удобрений. В этом варианте содержание никеля, меди и кобальта в надземных частях растений было в разы выше, чем при внесении только минеральных удобрений.
Среди изученных в опыте растений наилучшую фиторемедиационную способность (наибольшее накопление тяжелых металлов в надземной части растений) проявили растения овсяницы красной, поглощавшие в варианте без внесения торфа и вермикомпоста более 750 мг никеля и почти 600 мг меди на 1 кг сухой массы, а также растения рапса сорта «Подмосковный», которые накапливали в варианте с внесением торфа с вермикомпостом более 620 мг/кг никеля и почти 840 мг/кг меди.
Растения овсяницы красной отличались также очень высоким уровнем накопления тяжелых металлов в корнях, например содержание никеля в варианте с внесением торфа с вермикомпостом достигало в корнях овсяницы почти 1200 мг/кг, а содержание меди более чем 2000 мг/кг.
На корнях всех исследуемых растений не было обнаружено микоризных образований, что может быть связано как с отсутствием в сравнительно молодом микробном сообществе исследуемого грунта естественных грибных симбионтов, так и с неблагоприятной реакцией, засолением грунта, высоким содержанием тяжелых металлов, препятствующих развитию микоризы. 3.3. Влияние инокуляции грибом Glomus intraradices на урожайность растений и фитоэкстракцию тяжелых металлов из искусственно загрязненной дерново-подзолистой почвы (вегетационный опыт №3)
В проведенных нами вегетационных опытах №1 и №2 инокуляция растений грибом Glomus intraradices не привела к формированию микоризных образований. По нашим предположениям, одной из причин этого были сверхвысокие концентрации тяжелых металлов в почвах и техногенных грунтах, используемых для закладки данных опытов. В связи с этим, в опыте №3 проводилось изучение влияния микоризации растений на фитоэкстракцию в условиях искусственного загрязнения дерново-подзолистой почвы тяжелыми металлами в более низких концентрациях, с десятикратным превышением ПДК никеля и меди (40 мг/кг никеля и 30 мг/кг меди).
В этом опыте микроскопирование корней растений выявило наличие микоризных образований на корнях растений в вариантах, в которые вносилась культура микоризообразующего гриба Glomus intraradices (рис. 1 и 2).
В таблицах 3.10 и 3.11 представлены результаты учета биомассы надземной части и биомассы корней растений по вариантам вегетационного опыта.
Из данных таблицы 3.9 видно, что в варианте с загрязнением тяжелыми металлами произошло резкое достоверное снижение величины биомассы надземной части (примерно в 2,5 раза) и биомассы корней (почти в 1,5 раза) растений клевера ползучего. Также достоверно, хотя и в меньшей степени снижалась биомасса растений клевера ползучего в результате его микоризации. При этом, в варианте с внесением тяжелых металлов микоризация растений клевера ползучего способствовала достоверному увеличению биомассы надземной части растений. В этом варианте отдельные растения клевера ползучего набирали наибольшую в данном опыте биомассу надземной части (см. таблицу 3.11). Фотографии растений представлены в приложении.
Оценка показателей микробиологической активности почв и грунтов, использованных в опытах
Обнаружены различия во влиянии инокуляции на микробную биомассу почвы под различными растениями. Среди остальных выделяется клевер ползучий, инокуляция которого привела к снижению микробной биомассы в почве под растениями. Эта закономерность прослеживается как в вариантах с внесением тяжелых металлов в почву, так и без их внесения. Также заметно снижение микробной биомассы почти на порядок в почве без добавления никеля и меди под подорожником большим при его инокуляции, но в вариантах с добавлением тяжелых металлов результаты противоположные – микробная биомасса при инокуляции увеличивалась. При этом как в вариантах с добавлением ТМ, так и без них микробный метаболический коэффициент при инокуляции не превысил 0,1, что свидетельствует о высокой стабильности микробного ценоза исследуемой почвы. Эти изменения в микробной биомассе могут быть связаны с пульсационным характером колебаний численности микроорганизмов под воздействием различных факторов, таких как фотосинтетическая активность растений [46]. Кроме этого, различное воздействие инокуляции на количество микробной биомассы при внесении в почву тяжелых металлов и без их внесения может объясняться изменениями в структуре микробного сообщества под влиянием тяжелых металлов. При этом в почве без добавления никеля и меди внесение культуры микоризообразующего гриба Glomus intraradices само по себе может являться стрессором для сформировавшегося на исследуемой почве микробного сообщества, приводящим к снижению общей микробной биомассы. При добавлении в исследуемую почву тяжелых металлов подавление развития одних видов микроорганизмов приводит к значительному росту популяций других микроорганизмов, более устойчивых к воздействию тяжелых металлов, например, нативного грибного компонента почвенной микробиоты. Известно, что почвенные грибы устойчивы к большим количествам тяжелых металлов, попадающим в почву [37, 40]. В свою очередь, почвенные грибы при образовании симбиотических связей с растениями синтезируют фитогормоны, которые, как отмечают исследователи, оказывают разнонаправленное влияние на накопление тяжелых металлов в растениях [65, 145, 192]. Кроме почвенных микромицетов, на растительный компонент биоценоза посредством регуляторов роста влияют и некоторые бактерии, обитающие в ризосфере растений [26]. Помимо этого, существует концепция «бактерий-помощников» («МНВ» - Mycorrhization Helper Bacteria), способствующих образованию симбиотических связей между растениями и почвенными грибами [121]. К таким бактериям относят Paenibacillus sp., Burkholderia sp. [81] Эти бактерии, развиваясь в непосредственной близости от грибного компонента симбиоза, за счет выделяемых метаболитов стимулируют его рост [118, 153].
Заключение по разделу 3.4 - показатели микробиологической активности почв и грунтов, использованных в опытах
В опытах с грунтами, отобранными на территории ГМК «Норильский никель», для вариантов без внесения торфа отмечалась заметно более высокая (в разы) микробная биомасса под растениями алиссума горного, вико-овсяной смеси, горчицы белой и овсяницы красной по сравнению с остальными растениями, испытанными в данных опытах. В обоих этих опытах внесение торфа в грунты с очень высокими уровнями загрязнения тяжелыми металлами, особенно никелем и медью, способствовало существенному росту микробной биомассы и снижению микробного метаболического коэффициента, то есть увеличивалась устойчивость микробного сообщества. При этом различия в величине микробной биомассы под разными культурами сглаживались.
В опыте с техногенным грунтом (№2) только под овсяницей красной были обнаружены активные азотфиксаторы, что свидетельствует о видоспецифичности ассоциативных связей между небобовыми растениями и азотфиксирующими микроорганизмами в условиях субстрата с невысоким содержанием азота и другими неблагоприятными для растений и микроорганизмов свойствами [49, 57, 164]. На основании полученных данных можно рекомендовать овсяницу красную в качестве пионерной культуры при осуществлении фиторемедиации.
В опыте с дерново-подзолистой почвой, искусственно загрязненной никелем и медью, кроме воздействия высокого содержания тяжелых металлов исследовалось также влияние инокуляция растений микоризообразующим грибом Glomus intraradices на состояние микробного сообщества в почве.
В варианте с дерново-подзолистой почвой, незагрязненной тяжелыми металлами действие инокуляции грибом Glomus intraradices оказалось разнонаправленным – инокуляция клевера ползучего, подорожника большого и люцерны изменчивой привела к снижению микробной биомассы в почве под этими культурами, а инокуляция растений люцерны хмелевидной и обоих исследованных сортов овсяницы красной – к увеличению микробной биомассы. В варианте с загрязнением почвы никелем и медью инокуляция растений привела к статистически значимому снижению микробной биомассы под растениями клевера ползучего. Под культурами подорожника большого и овсяницы красной сорта Сигма величина микробной биомассы менялась от применения инокуляции несущественно, а под культурами люцерны изменчивой, люцерны хмелевидной и овсяницы красной сорта Юлишка отмечено значительное увеличение микробной биомассы.
В проведенных нами опытах установлено положительное стабилизирующее влияние внесения торфа и вермикомпоста на почвенные микроорганизмы. Устойчивые микробные сообщества, формирующиеся в поверхностном слое техногенных грунтов или загрязненной тяжелыми металлами почве, будут способствовать ускоренному формированию устойчивого биоценоза на отвалах. Как правило, территории, занимаемые отвалами, лишены плодородного почвенного слоя. Его формирование естественным путем – довольно длительный процесс, который может занять десятилетия. Но искусственное создание на отвалах условий для формирования устойчивых биоценозов может исключить условия для пылеобразования, поможет удерживать на поверхности отвалов влагу, уменьшит негативное влияние горных работ на прилегающую местность. Кроме того, внесение торфа и его смешивание с верхним слоем загрязненной почвы или грунта позволит рассчитывать на скорейшее формирование устойчивых к постоянному загрязнению биоценозов вдоль автомагистралей, негативное влияние которых на прилегающую территорию состоит в загрязнении ее тяжелыми металлами и другими токсичными соединениями.