Введение к работе
Актуальность работы. Урбанизированные территории являются специфическим образованием, формирующимся под воздействием населенных мест, градообразующих предприятий, транспортных сооружений. К концу XXI века ожидается вовлечение в урбанизацию до 20 % всей жизнепригодной территории суши. Исторический процесс повышения роли городов в жизни общества предопределил их воздействие на окружающую среду не только в пределах занимаемой площади, но и на значительном удалении от нее. По этой причине почвенный покров городских и пригородных зон обречен на существенные изменения структуры, функций: биоэкологической, азотно-белковой, биогеохими-ческой, санитаршэй [Ковда,1989], свойств: ценогенетичес-ких, литогенетических, палингенетическнх [Карпачевский, 1993]. Следы былого развития почвенного покрова встречаются часто, но его реконструкция осложняется антропогенной эволюцией почв [Гаджиев, 1982].
Почвенный покров Сибирского Федерального округа, особенно в юго-восточной части Западной Сибири, испытывает в последнее столетие мощное воздействие тепло-энергетических центров (Кузбасса, КАТЭКа), градообразующих предприятий (г. г. Новосибирска, Томска, Кемерово, Новокузнецка), пригородного характера сельского хозяйства, прежде всего в ситуациях внедрения интенсивных агротехнологий. Фонд природных (фоновых) почв сокращается, ежегодно пополняясь широким спектром антропогенно измененных и нарушенных. Такое разнообразие почв как жизнепригодных сред обитания микроорганизмов не может не отражаться на специфике экологических взаимоотношений между микроорганизмами, их адаптациях, почвообразовательной и самоочищающей деятельности. Это означает, что микроорганизмы оказываются вовлеченными в антропогенные трансформации почв. Нередко нагрузки, которым подвержена микробиота, выходят за пределы ее толерантности, что таит опасность потери видового разнообразия, формирования биологических условий среды, неблагоприятных для человека [Марфенина, 1999]. В этой связи, диагностика микробиологического состояния почв промышленно развитых территорий Сибири вызвана необходимостью решения почвенно-экологических и санитарно-микробиологических вопросов, выработки принципов экологически безопасного городского и пригородного землепользования. В качестве эталонного представителя урбанизированной территории Западной Сибири рассмотрен г. Новосибирск.
Цель работы и основные задачи: установить закономерности изменения микробиологического состояния трансформированных почв и оценить негативные последствия различных типов антропогенного воздействия на почвенную микробиоту.
Достижение поставленной цели достигалось решением задач:
- выявить особенности структурно-функциональных изменений, адаптации и экологических взаимоотношений почвенной
микробиоты при различных типах антропогенного воздействия (агрогенного, техногенного, урбаногенного);
показать участие микроорганизмов в начальных процессах восстановления биогенного почвообразования в техноземах (эмбриоземах, органоземах, урбаноземах);
дать характеристику микробиологического загрязнения снега и почв урбанизированной территории;
определить индикаторные микроорганизмы на урбанизацию почвенной среды обитания;
представить дифференцированную схему микробиологического состояния почв городских и пригородных территорий. -Объект-и .методы исследований ..Представлен спектром естественных (фоновых) и антропогенно преобразованных почв, а также нарушенных земель, расположенных в пределах Новосибирской, Кемеровской, Томской областей и Красноярского края. Набор типов антропогенного воздействия характерен для регионального землепользования.
Использованы прямые методы количественного учета почвенных водорослей, цианобактерий и гиф грибов с предварительным определением статистически достоверного объема выборки образцов и навесок, а также культуральные методы учета микроорганизмов, основанные на засеве почвенной суспензии на питательные среды. Санитарно - микробиологическая экспертиза почв, снега и талых вод выполнена в соответствии с нормативными требованиями по схеме полного санитарно - бактериологического анализа с привлечением рекомендаций экологической оценки состояния городских почв. Выбранные методы относятся к традиционно используемым в почвенной и санитарной микробиологии, они практически и экономически реализуемы, предполагают сопоставимость данных разной степени давности.
Место проведения работы. Диссертационная работа выполнена в Институте почвоведения и агрохимии СО РАН в соответствии с плановыми НИР Института. Авторские материалы многолетних (с 1976 по 2000 г.г.) исследований базируются на полевых и лабораторных анализах, обобщении опубликованных работ по изучаемой тематике. : Защищаемые положения.
1. : Аграгенные и подобные им трансформации фоновых комплексов
почвенных микроорганизмоа проявляются не столько в изменении, их
состава, сколько в изменениях экологических взаимоотношений и при
способлений морфолого-физиологического характера.
-
Урбаногенные и техногенные трансформации фоновых комплексов почвенных микроорганизмов в зависимости от характера и степени воздействия приводят к формированию новых комплексов, коренным образом отличающихся от исходных спецификой функциональной адаптации и трофической специализации.
-
Самовосстановление сообществ почвенных микроорганизмов реализуется посредством заполнения вновь формирующихся экологических
4 і.
ниш, либо посредством прохождения сукцессии, начиная с инициальной стадии. Полнота регенерации определяется общей лочвенно-биоклиматической обстановкой, складывающейся в посттрансформационную фазу развития почв.
Научная ценность работы. Впервые для сибирского региона представлены материалы по микробиологическому состоянию почв, вовлеченных в городское и пригородное землепользование. Разработана концепция антропогенной экологии почвенной микробиоты, согласно которой трансформации почвенной среды обитания обусловливают изменение экологических взаимоотношений и адаптивных способов микроорганизмов. Показана пространственная дифференциация микробиологического статуса почв в рекреационной, .транспортной, селитебной, резервной зонах города. Установлено, что трансформация природной среды обитания микрорганизмов в почвах города сопровождается проявлением набора адаптивных признаков урбаногенного характера.
Впервые для почв урбанизированных территорий Сибири представлены сведения о механизмах формирования в почвах токсигенного микробного пула, позволяющие оценить потенциальную патогенную опасность для человека, животных и растений. Продемонстрировано микробиологическое загрязнение снега в городе и за его пределами по розе ветров. Выявлено негативное влияние автомобильных эмиссий и промышленных техногенных выбросов на микробиологические свойства почв.
Продемонстрированы особенности формирования биогенных
свойств на разных сукцессионно-возрастных стадиях техноземов. Пока
зано, что структурно - функциональная организация микробо- и альго-
ценозов в условиях пригородного агрогенного использования диагно
стирует признаки выпаханности, эродированности, ирригационной и па
стбищной деградации почв. Установлено негативное воздействие на
микробиологические свойства почв пирогенных, рекреационных, лёсо-
хозяйственных, техногенных нагрузок. V.'
Полученные данные расширяют представления о влиянии антропогенных факторов и их комбинаций на экологию исследуемого региона, отражая ранние и поздние проявления антропогенных нагрузок. '''і
Практическая ценность работы. Многолетние наблюдения за систематическим и физиологическим разнообразием микробиоты и ее активности в почвах различных сельскохозяйственных угодий, техногенных полигонов золото-, угледобычи, хвостохранилищах, массивов складирования осадков городских сточных вод, а также функциональных зон города, характеризуют изменения микробиологического состояния почв в условиях современного землепользования. Полученные материалы являются основой для разработки научных подходов агротехнических, фито- и гидромелиоративных приемов повышения микробиологической активности почв и снижения патогенной опасности до предельно допустимых норм.
Санитарно-микробиологическая оценка почвенного покрова город-
ских и пригородных зон свидетельствует об антропогенных нарушениях биологических механизмов самоочищения, в том числе фоновых почв, что представляет интерес для служб санитарного надзора. Диагностика содержания почвенных и санитарно-показательных микроорганизмов фактически отражает экологическое состояние водосборной площади реки Оби, ее основных притоков (Томи, Ини), малых водотоков последних, а также береговой зоны Новосибирского водохранилища, и служит фундаментальной основой для корректировки природоохранных мероприятий. Результаты исследований микробиоты почв городских и пригородных территорий могут быть рекомендованы для разработки критериев оценки антропогенной экологии почв при градоустройстве.
Выявленные резистентные виды микроорганизмов к техногенному загрязнению можно использовать в целях биотехнологии.
Реализация работы. Работа выполнена в рамках Государственных заданий следующих программ: Программа ГКНТ "Биологический азот" Л"» 214 от 21.05.84; Программа ГКНТ "Черноземы Сибири при орошении" № 158 от 16.04.84; Программа ГКНТ "Режимы функционирования экосистем при различной антропогенной нагрузке" № 530 от 20.12.86. С 1990 по 1997 г.г. работа проведена в соответствии с заданиями "Экологическая программа Новосибирского научного центра", "Комплексное обследование почв по трансекте радиактивных выбросов с Семипалатинского полигона", "Оценка современного состояния почв и почвенного покрова бассейна реки Томи в связи с созданием Крапивинского водохранилища", "Биологические ресурсы". В 1993-1995 г.г. работа выполнена в рамках проекта РФФИ ( грант 93-04-20169), ГКНТ России "Биологическое разнообразие". С 1998 г. работа включена в программу ООБ РАН, направление 03 "Проблемы изучения, охраны и рационального использования растительного мира" (Раздел 2, задание 12) и направление 10 " Проблемы почвоведения" (Раздел 8, задание 02).
Апробация работы. Полученные материалы и основные положения диссертации докладывались и обсуждались на Международных конгрессах и симпозиумах, Союзных, Всероссийских, Российских и региональных совещаниях. Материалы представлены и обсуждены на VI делегатском съезде Всесоюзного общества почвоведов (Тбилиси, 1981), III Всесоюзной конференции "Микроорганизмы в сельском хозяйстве" (Москва, 1986), III Всесоюзном симпозиуме "Биодинамика почв" (Таллин, 1988), V Уральском совещании "Проблемы рекультивации нарушенных земель" (Свердловск, 1988), Всесоюзном совещании "Антропогенная и естественная эволюция почв и почвенного покрова" (Москва. 1989), II Всероссийской конференции "Эколого-экономические основы безопасной жизнедеятельности" (Новосибирск, 1993), I Международном симпозиуме "Protection and Development of Mountain Environment" (Понте-Легно, Италия, 1994), II съезде общества почвоведов (Санкт-Петербург, 1996). VIII Международном конгрессе по бактериологии и прикладной микробиологии (Иерусалим, 1996), Региональной научно-практической
конференции "О создании единой региональной системы мониторинга окружающей природной среды и здоровья населения Сибири" (Новосибирск. 1996), Международной конференции "Проблемы антропогенного почвообразования" (Москва, 1997). Всероссийской конференции "Антропогенная деградация почвенного покрова и меры ее предупреждения" (Москва, 1998), Всекузбасской образовательной выставке-ярмарке "Современное образование-99" (Новокузнецк, 1999), Международном симпозиуме "Russian-Korean International Symposium on Science and Technology-Korus 99"(Novosibirsk,1999), Международной научной конференции "Современные проблемы почвоведения в Сибири" (Томск, 2000), Международной конференции "Биоразнообразие и динамика экосистем Северной ^враз_ии"(Новосибирск,2000), Международной конференции "Soils of Urban, Industrial, Traffic and Mining Areas"(Essen,2000), Международном съезде почвоведов РАН (Суздаль, 2000).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 54 работы в отечественных и международных изданиях. Автор является соавтором 4 коллективных монографий и 1 аналитического обзора.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав и общих выводов; изложена на 359 страницах в печатном виде с использованием компьютерного набора и оформления материалов: шрифт машинопись, редактор Word for Windows. Работа включает 14 рисунков и 65 таблиц. Список литературы содержит 380 отечественных и 41 иностранных источника.