Экология/6. Экологический мониторинг

К.б.н. Мынбаева Б.Н.

Казахский национальный педагогический университет, Казахстан

Сравнение микробных и растительных тест-объектов, использованных в диагностике состояния почв г. Алматы

Вопросы воздействия разнообразных токсических веществ на живые организмы связаны с обеспечением безопасности человека. Многие организмы (бактерии, водоросли, грибы, растения и животные) рассматриваются в качестве модельных объектов для определения токсичности тех или иных загрязнителей. Токсичность почв, содержащих различные загрязнители, можно определять через использование тест-объектов различного происхождения [1, 2, 3, 4].

В течение длительного времени исследователи для определения повышенных уровней токсичных веществ использовали предельно допустимые концентрации (ПДК). Однако, первичные токсические эффекты, обнаруживаемые у живых тест-объектов, можно рассматривать как следствие загрязнения окружающей среды. Одним из распространенных методов является оперативная информация о содержании токсичных веществ в отдельных компонентах биоты.

В данной научной работе представлен сравнительный анализ трех растительных (плевел многолетний, горчица белая и рапс масличный) и микробных тестов (Azotobacter sp., Pseudomonas fluorescens и Pseudomonas cereus), чувствительных к ТМ [5] и характеризующих загрязнение почв г. Алматы.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Объектом исследований были выбраны образцы темно- и светло-каштановых почв г. Алматы, отобранные в течение 2007, 2008 и 2009 гг. и имевшие определенные географические, эдафические и физико-химические характеристики. Для модельных экспериментов были использованы варианты почвенных образцов: контроль – степная зона за городом (Cd – 0,14, Pb – 5,4, Cu – 0,8, Zn – 8,3 мг/кг), естественные урбаноземы с определенным содержанием ТМ (мг/кг) - Cd – 0,23, Pb – 10,6, Cu – 1,55, Zn – 20,0 [6]; 2-кратное содержание ТМ; 4-кратное содержание ТМ.

Семена тест-растения сначала выращивали в сосудах, объемом 500 мл, на дно которых укладывали вату (по 2 г), пропитанную 50 мл отстоянной водопроводной воды. На вату помещали одинаковые по размеру семена плевела многолетнего (2 г/сосуд), горчицы белой (3 г/сосуд) и рапса масличного (3 г/сосуд). Когда корни тест-растений хорошо прорастали через ватную подушку, проростки вместе с ватой помещали в трехкратной повторности на пробах почв: 1) контрольная почва; 2) урбаноземы; 3) внесение 5-7-дневного инокулята P. fluorescens в урбаноземы; 4) внесение 5-7-дневного инокулята P. cereus в урбаноземы. Через 10-12 дней изучали воздействие инокулятов на физиологические параметры роста и развития тест-растения. В каждом варианте было задействовано 25-30 проростков, что обеспечило статистическую обработку результатов экспериментов.

Взвешивание проростков тест-растений выполняли на электронных весах SPU 202. Проведена статистическая обработка данных по измерению и взвешиванию.

В модельных экспериментах инициацию развития и подсчет численности колоний Azotobacter выявляли на агаризованной безазотной среде Эшби с подсчетом колонийобразующих единиц (КОЕ/г абсолютно-сухой почвы) [7].

В модельных экспериментах для учета колоний P. fluorescens и P. cereus на поверхность стерильных агаризованных почвенных образцов в чашках Петри (почвенная суспензия: 10 мг с различным содержанием ТМ +10 мл агаризованного раствора МПА) наносили водную суспензию (0,25 мл) бактерий, которые выращивали 5-7 дней при 25±2°C для получения конечной концентрации 10⁸ клеток/мл. Продолжительность культивирования чашек Петри: 7-14 дней при температуре 25±2°C. На второй неделе после посева были получены оценимые результаты по бактериям [7].

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

В проведенных экспериментах было 42 пробы почвенных образцов, отобранных с глубины 0-10 см. Результаты и оценка токсичности урбаноземов в модельных экспериментах через использование значений острой токсичности (ЕС), показаны в таблице 1.

Таблица 1 – Сравнительная характеристика использованных тест-растений для выявления острой токсичности урбанизированных почв г. Алматы, загрязненных ТМ

Физиолого-экотоксикологический показатель	Показатель EC50
	Cd	Pb	Cu	Zn
плевел многолетний
длина стеблей	+
длина корней	+	+
вес корней		+
горчица белая
зеленая масса стеблей			+
масса корней			+
рапс масличный
нет показателя	-	-	-	-

Из данных таблицы 1 следует, что для определения острой токсичности почв, загрязненной Cd и Pb, лучше использовать в качестве тест-объекта плевел многолетний, причем следующие его физиологические параметры: длину стеблей и корней, а также вес корней, так как получены при измерении параметров довольно большие различия по отношению к концентрациям ТМ. Горчица белая может быть использована для выявления токсичности почв при загрязнении их Cu, оперируя следующими физиологическими показателями: вес или масса стеблей и корней, то есть токсичность Cu вызвала наиболее чувствительные реакции по этим параметрам. Рапс масличный лучше не использовать в качестве тест-объекта при изучении токсичности почв, так как были получены, в основном, значения токсичности почв ЕС₁₀ и ЕС₂₀, близкие к пороговой, то есть наблюдаемые изменения в проростках не показали ингибирующего воздействия ТМ, они имели низкий диапазон измерений.

Таким образом, острая токсичность ТМ может легко контролироваться со стороны снижения длины надземной и подземной частей проростков, а также зеленой массы плевела многолетнего. Полученные экотоксикологические различия по другим тест-растениям не могут быть отнесены к положительным.

Для учета колоний Azotobacter, P. fluorescens и P. cereus вносили по 0,25 мл бактериальной суспензии на поверхность твердых питательных сред с вариантами почв: 1) контроль – степная зона за городом, 2) урбаноземы с ранее определенными концентрациями подвижных ТМ (Cd, Pb, Cu, Zn); 3) 2-кратное увеличение всех концентраций ТМ; 4) 4-кратное увеличение ТМ. Режим выращивания: 28⁰С, 7-10 дней.

Результаты опыта (в 3 повторностях) представлены в таблице 2.

Таблица 2 – Чувствительность бактериальных тест-объектов к концентрации ТМ в почвенных образцах (КОЕ/г абс. сухой почвы)

№	Вариант	Количество КОЕ, млн./г почвы
		Azotobacter	P. fluorescens	P. cereus
1	контроль	157,3±2,1	8,26±0,8	6,35±0,5
2	урбаноземы	93,4±2,3	7,67±0,4	5,87±0,7
3	2-кратное увел. концентраций ТМ	49,8±2,4	5,78±0,8	5,33±0,5
4	4-кратное увел. концентраций ТМ	22,1±2,3	4,27±0,7	5,08±0,7

Количество колоний Azotobacter в урбаноземах уменьшилось в 1,7 раза по сравнению с контролем, при 2-кратном увеличении дозы ТМ в модельных экспериментах - в 3,2, при 4-кратном увеличении – в 7,1 раз. Количество бактерий P. fluorescens в естественных урбаноземах уменьшилось по сравнению с контролем в 1,1 раз, при увеличении концентрации ТМ в 2 раза – в 1,4, в 4 раза – в 1,95 раза. Количество бактерий P. cereus в естественных урбаноземах уменьшилось по сравнению с контролем в 1,1 раз, при увеличении концентрации ТМ в 2 раза – в 1,2, в 4 раза – в 1,3 раза.

Уменьшение количества КОЕ млн./г почвы исследуемых бактериальных тестов представлено на гистограмме 1: культура Azotobacter показала высокую чувствительность к ТМ - при 2-кратном увеличении содержания полиметаллов частота образования колоний уменьшилась в 3,2 раза, при 4-кратном - в 7,1 раз. На развитие тест-культур P. fluorescens и P. cereus, частоту их колоний увеличение концентраций ТМ также оказало токсическое влияние.

Гистограмма 1 – Уменьшение количества КОЕ бактериальных тестов (в %) при увеличении дозы ТМ

Результаты токсикологических тестов с бактериями очень хорошо коррелируют с результатами растительного биотестирования, так как они показали экотоксичность при предельно низком уровне загрязнения почвы или незначительном его увеличении. Среди трех использованных бактериальных тестов, микроорганизмы Azotobacter показали наибольшую чувствительность к вносимым в почву ТМ, самый высокий ингибирующий эффект наблюдался при максимальных дозах ТМ для обеих культур.

Таким образом, в биодиагностике загрязнения почв г. Алматы можно использовать растительный тест плевел многолетний и бактериальную культуру Azotobacter sp., для оценки экотоксикологического воздействия ТМ можно использовать показатели ЕС для тест-растения и количество КОЕ/г почвы для тест-бактерии.

Литература.

1. 1. Przybulewska K., Nowak A. Evaluation of sensitivity at different temperatures bacteria of the genus Azotobacter for the presence of soil contaminants. - Folia Univ. agr. stetin. - 2004. - No. 98. - P. 143-150.

2. Мынбаева Б.Н., Гайдобрусова М.Н. Биомониторинг почв г. Алматы при загрязнении их свинцом// Мат. ІI Междунар. научно-практ. конф. «Научная мысль информационного века». - Прага. - 2009. Т. 13. - С.40-45.

3. Безель В.С., Большаков В.Н., Воробейчик Е.Л. Популяционная экотоксикология. – М. – 1994. - 80 C.

4. Гительзон И.И., Родичева Э.К., Медведева С.Е. и др. Светящиеся бактерии. – Новосибирск. - 1984. - С.220-244.

5. Семенов А. М. Микробно-растительные взаимодействия //В кн. «Экология микроорганизмов» //Учебн. для студ. вузов. - М. - 2004.

6. Мынбаева Б.Н. с соавт. Биотестирование почв г. Алматы // Мат. междунар. конф., посвящ. 80-летию акад. Илялетдинова А.Н. – Алматы. - 2009. - С.176-180.

7. Нетрусов А.И., Егоров М.А., Захарчук Л.М. и др. Практикум по микробиологии. – М. - 2005. – 608 с.