Наличие медно-колчеданных месторождений в рудных районах Башкирского Зауралья способствовало бурному развитию в регионе горнодобывающей промышленности, строительство предприятий в котором велось без должного учета экологических требований. В результате на фоновое загрязнение почв и вод тяжелыми металлами (ТМ) наложилось загрязнение этих сред техногенными эмиссиями с породных отвалов карьеров колчеданных руд.

В г. Сибай Республики Башкортостан техноэпицентром является Сибайский филиал Учалинского горно-обогатительного комбината (СФ УГОК), который занимается разработкой медно-колчеданного месторождения. Ингредиенты промышленных выбросов (ТМ, соединения серы) в составе газо-пыле-дымовых выбросов распространяются на десятки километров от промышленных предприятий, входящих в структуру СФ УГОК [Ильбулова, 2009]. Длительная продолжительность работы комбината (более полувека), повышенный геохимический фон обусловливают необходимость постоянного контроля состояния прилегающих почв.

Некоторые проблемы химической деградации почв Зауралья Республики Башкортостан в связи с распространением и накоплением ТМ нашли отражение в ряде работ [Кулагин, Шагиева, 2005; Сингизова, 2007; Ильбулова, 2009; Семенова, Ильбулова, 2011].

Однако исследование элементного состава почв не может дать необходимой информации о влиянии неблагоприятных факторов, связанных с хозяйственной деятельностью человека, на почвы и произрастающую на них растительность. Только использование живых организмов: растений и микроорганизмов, а также показателей их активности может дать необходимые оперативные данные о воздействии комплекса неблагоприятных факторов, которые включают в себя токсичные элементы, содержащиеся в почве.

Целью настоящей работы является исследование  микробиологической активности почв территорий,  сопредельных  с  отвалами Сибайского карьера.

Объекты и методы исследований

Работа проводилась в зоне расположения Сибайского медно-колчеданного карьера, окруженного отвалами вскрышных (горных) пород, и граничащего с жилыми поселками. Преобладающие ветры северо-западного и юго-западного направлений. Пробные площадки расположены на удалении 100, 500, 750 и 2000 м от отвалов в северном, восточном, южном и западном направлениях. За условный контроль принималась пробная площадка, расположенная в 15 км южнее Сибайского карьера в зоне, не подверженной техногенному воздействию. Почвенный покров всех пробных площадок представлен черноземом обыкновенным.

Загрязнение почвы оценивали по суммарному показателю Zc, (табл. 1), предложенному Ю. Э. Саэтом [Геохимия ..., 1990] и рассчитываемому по формуле:

где n - число определяемых ингредиентов;

Кс - коэффициент концентрации элемента, определяемый отношением его содержания в загрязненной почве к фоновому.

Для изучения почвенной микробиоты использовали образцы почвы,  отобранные из верхнего горизонта (А 1) с глубины 0-30 см. Отбор образцов проводили в вегетационный  период 2008-2011 гг. в трехкратной повторности. Выделение микроорганизмов из почв осуществляли методом посева почвенной суспензии на селективные среды: аммонификаторы - на мясопептонный агар (МПА), микроорганизмы, использующие минеральные формы азота, - на крахмало-аммиачный агар (КАА), педотрофные микроорганизмы - на почвенный агар (ПА), грибы - на агар Чапека. Коэффициент минерализации определяли как отношение численности микроорганизмов, выросших на крахмало-аммиачном агаре к численности микроорганизмов, выросших на мясопептонном агаре (КАА/МПА); коэффициент педотрофности - как отношение численности микроорганизмов, выросших на почвенном агаре, к численности микроорганизмов, выросших на мясопептонном агаре (ПА/МПА) [Енкина, Коробский, 1999]. Для характеристики сукцессии применили в совокупности метод посева на МПА и микроскопический метод прямого счета и вычислили коэффициент сукцессии по формуле: К=М/П, где М - численность бактерий, учитываемых прямым методом микроскопии; П - бактерии, учтенные на МПА [Звягинцев, 1976].

Полученные данные обрабатывались общепринятыми статистическими методами с применением программ Excel 7.0, и StatisticaforWindows (версия 6.0). Характер функциональных зависимостей исследовали методом регрессионного анализа при уровне значимости (Р>0.05).

Результаты

Одним из наиболее эффективно диагностирующих индикаторов загрязнения почв является количество населяющих ее почвенных микроорганизмов [Звягинев, 1976].  

Почвенная микрофлора - основной агент, осуществляющий круговорот биогенных элементов в почве, поэтому изменение численности и соотношения основных эколого-трофических групп почвенных микроорганизмов приводит к смене направленности биогеохимических процессов в почве и может вызвать разрушение органического вещества.

Под влиянием веществ антропогенного загрязнения может происходить изменение структуры и активности микрофлоры. Обладая значительной буферностью, почва до определенного предела загрязнения сохраняет свои биохимические свойства (зона гомеостаза), хотя изменения в структуре комплекса почвенных микроорганизмов уже можно обнаружить (зона стресса). При значительном уровне загрязнения (зона ингибирования) необратимо меняется комплекс почвенных микроорганизмов [Кураков и др., 1983]. Изменение структурной организации комплекса почвенных микроорганизмов вызывает нарушение их функционирования [Наплекова, 1978; Наплекова,  Булавко, 1983].

Убедительно показано, что в загрязненных ТМ почвах наблюдается снижение численности колониеобразующих единиц (КОЕ), биомассы, разнообразия микроорганизмов, подавление интенсивности разрушения растительных остатков и трансформации азота (азотфиксации, денитрификации, нитрификации, аммонификации), активности почвенных ферментов (каталазы, дегидрогеназы, уреазы, инвертазы, фосфатазы и др.) [Громов, Павленко, 1989].

Результаты количественного учёта физиологических групп микроорганизмов в почвах показали невысокую общую численность микроорганизмов, которая составила порядка 10^4-10⁵ КОЕ/г.

Результаты исследования структуры микробных сообществ в почвах, прилегающих к отвалам Сибайского карьера, показали, что по количественному соотношению доминировали аммонифицирующие микроорганизмы. Их численность в среднем, составляла 11,2 *10⁵ КОЕ/г почвы (от 3,1*105 до 48,3 *10⁵ КОЕ/г почвы), что было в 1,5 раза ниже по сравнению с контролем.

Численность микроорганизмов, выращенных на КАА, колебалась от 0,4 до 9,6*10⁵ КОЕ/г почвы. Среднее значение составляло 3,6*10⁵ КОЕ/г почвы, что в 2,8 раз ниже по сравнению  с контролем.

Количество почвенных грибов на агаре Чапека варьировало от 0,6 до 16,2 *10⁵ КОЕ/г почвы. Среднее значение составило 5,7*10⁵ КОЕ/г, что было в 1,6 раз ниже контроля.

В то же время количество педотрофов,  варьировавшее от 0,1 до 9,8*10⁵ КОЕ/габс. сухой почвы, в среднем, превышало контрольное значение в 6,2 раза.

На основании данных по содержанию ТМ, представленных ранее [Семенова, Ильбулова, 2011], был рассчитан суммарный показатель загрязнения Zc.

На рисунке 1 показано изменение численности эколого-трофических групп микробных сообществ в почвах, прилегающих к отвалам Сибайского карьера, при различных уровнях загрязнения ТМ. Численность аммонификаторов (рис. 1 А) и грибов (рис. 1 Г) снижалась с увеличением концентраций ТМ в почве.  Менее чувствительными к загрязнению почвы ТМ были микроорганизмы, использующие минеральные формы азота,  количество которых было максимальным при  Zc от 32 до 128 (рис. 1 Б). Количество педотрофных микроорганизмов возрастало с увеличением концентрации ТМ в почве (рис. 1 В).

Рис 1.  Изменение численности некоторых эколого-трофических групп микробных сообществ в почвах, прилегающих к отвалам Сибайского карьера, в градиенте загрязнения ТМ.

Таким образом, анализ количественного и качественного состава физиологических групп микроорганизмов в почвах, прилегающих к отвалам карьера, выявил характерные черты для данных участков: невысокая общая численность микроорганизмов, снижение численности аммонификаторов и почвенных микромицетов  и возрастание численности педотрофной микрофлоры при повышении степени загрязнения почв ТМ. Микробиологические методы, позволяющие фиксировать не наличие отдельных химических элементов, а интегральный отклик живых организмов на комплексное воздействие, при оценке влияния многокомпонентного источника загрязнений часто неизвестного состава, представляются надежными и оказываются более чувствительными в исследовании таких сложных техногенных объектов, как  отвалы медно-колчеданных карьеров. Биологические методы, примененные в данной работе, диагностируют эффект влияния породных отвалов карьера на неодинаковых расстояниях, что позволяет сравнивать их чувствительность к загрязнению почв ТМ. 

Рецензенты

Янтурин С. И., д.б.н., профессор, зав. кафедрой экологии Сибайского института Башгосуниверситета,  г. Сибай.

Мазгаров И. Р., д.б.н., профессор, зав. кафедрой физиологии человека и животных Сибайского института Башгосуниверситета, г. Сибай.