Биологическая активность почв антропогенно-измененных ландшафтов

На правах рукописи

РЕДЬКИНА ВЕРА ВЯЧЕСЛАВОВНА БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ПОЧВ АНТРОПОГЕННО-ИЗМЕНЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ 03.02.13 – почвоведение

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Санкт – Петербург – 2010 г.

Работа выполнена в Институте проблем промышленной экологии Севера Кольского научного центра Российской академии наук Научный руководитель доктор биологических наук, профессор Евдокимова Галина Андреевна Официальные оппоненты доктор сельскохозяйственных наук, профессор Попов Александр Иванович кандидат биологических наук Чугунова Марина Валентиновна Ведущая организация Полярно-альпийский ботанический сад-институт КНЦ РАН им. Н.А. Аврорина

Защита состоится 7 октября 2010 в 16-00 на заседании Совета Д 212.232.32 по защите докторских и кандидатских диссертаций при Санкт-Петербургском государственном университете в ауд. №1 кафедры ботаники СПбГУ по адресу: 199034, Санкт Петербург, Университетская наб., 7/9. Факс 8(812)3289703.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. М. Горького Санкт петербургского государственного университета.

Автореферат разослан «_» _2010 г.

Ученый секретарь совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.232.32, д.б.н. Никитина В.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы.

Мурманская область является одним из наиболее промышленно-развитых регионов Севера России. Функционирование горнодобывающего и горно-перерабатывающего производства привело к накоплению в окружающей среде большого количества отходов, в частности так называемых нефелиновых песков. Они представляют собой промышленные отходы апатитонефелиновых обогатительных фабрик ОАО «Апатит», находящихся вблизи городов Апатиты и Кировск, и состоят в основном из нефелина (более 50% массы) и сопутствующих ему минералов. Площадь нефелинсодержащих хвостохранилищ составляет в настоящее время около 3 тыс. га.

Открытые песчаные пространства действующих и отработанных хвостохранилищ представляют собой источник значительного запыления окружающих территорий, поскольку на них широко развиты эрозионные процессы. В 1996–1997 гг. в Мурманской области и на прилегающих территориях Финляндии и Норвегии ОАО «Центрально Кольской экспедицией» совместно с геологическими службами Норвегии и Финляндии были проведены полевые работы по опробованию мхов и почв на содержание элементов А1, La, Sr, Be, Th, U и Y (мультипликативный показатель), источником распространения которых является пыль как промышленного происхождения, так и природного (пыление нарушенных эрозией почв). Наиболее контрастная аномалия этих элементов картируется вокруг Кировска и Апатитов (Доклад государственного комитета…, 2000).

С другой стороны хвостохранилища могут рассматриваться как техногенные месторождения: отходы обогащения содержат не только недоизвлеченный апатит, но и являются сырьем для производства глинозема, из которого можно получать алюминий, поташ и соду. Поэтому нефелиновые пески должны быть сохранены до внедрения новых технологий их вторичной переработки.

Наиболее радикальным методом закрепления пылящих поверхностей является биологическая рекультивация (фитомелиорация) путем создания растительного покрова.

В результате на поверхности промышленных отвалов создается фитоценоз того или иного состава и зрелости, происходит активизация биологических, биохимических и химических процессов, и со временем образуется почва. В основе многих элементарных процессов почвообразования лежит биохимическая деятельность микроорганизмов. К таким процессам относятся: разложение растительного опада, образование гумусовых веществ, разложение гумуса, деструкция минералов почвообразующей породы и новообразование минералов (Аристовская, 1980). Поэтому исследование микробиологической активности нефелиновых песков, оказывающей решающее влияние на интенсивность и направленность процессов почвообразования, представляет фундаментальный интерес.

В сравнительном аспекте выполнено подобное исследование на приморской песчаной равнине в районе с. Кузомень (Терский берег Белого моря), где на площади около 2 тыс. га полностью разрушены растительный и почвенный покровы. Причина опустынивания этой территории связана с комплексом неблагоприятных факторов природного характера (вихревые потоки воздуха, ураганные ветры, легкость механического состава грунтов) и интенсивной антропогенной нагрузкой (выпас скота, пожары и рубки леса).

Целью работы явилось изучение биологической активности (микробиологической и ферментативной) новообразованных почв антропогенно-измененных ландшафтов.

Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:

1. Исследование динамики численности и биомассы бактерий, микроскопических грибов, эколого-трофической структуры сообществ в рекультивированных и не подвергнутых рекультивации песках.

2. Изучение таксономического разнообразие микроорганизмов, населяющих техногенные и природные пески.

3. Определение активности ферментов в новообразованных почвах антропогенно измененных ландшафтов.

4. Сравнительный анализ интенсивности протекания процессов почвообразования по показателям биологической активности на таких материнских породах, как нефелинсодержащие пески и природные морские пески.

5. Оценка изменения физико-химических свойств техногенных и природных песчаных субстратов под воздействием процессов первичного почвообразования.

Научная новизна Впервые детально изучены биологические процессы при первичном почвообразовании на нефелинсодержащих отходах обогащения апатит-нефелиновой руды и на природных песках морского происхождения по показателям биологической активности: численности жизнеспособных микроорганизмов различных трофических групп, общей численности бактерий, длине грибного мицелия, микробной биомассе и ферментативной активности.

Исследованы видовой состав и структура сообществ микроскопических грибов в нефелиновых и природных морских песках. Выделены доминирующие виды бактерий, проведена их идентификация методом сравнительного анализа нуклеотидных последовательностей генов, кодирующих 16S рРНК.

Дана сравнительная оценка техногенных и нарушенных природных ландшафтов с точки зрения их пригодности к рекультивации и эффективности рекультивационных работ.

Практическая значимость Выявлены наиболее чувствительные биологические показатели интенсивности почвообразовательных процессов на песчаных субстратах техногенного и природного происхождения. К ним относятся численность жизнеспособных клеток бактерий, активность ферментов инвертазы и уреазы.

На основании полученных результатов можно сделать выводы об эффективности проводимой биологической рекультивации техногенных и природных песков и рассмотреть необходимость принятия дополнительных мер по ее интенсификации.

Защищаемые положения 1. Нерекультивированные песчаные пространства хвостохранилищ обогатительных фабрик и природных морских песков характеризуются очень слабой интенсивностью микробиологических и биохимических процессов и, следовательно, практически полным отсутствием очевидных почвообразовательных процессов.

2. Фитомелиорация техногенных и природных песков способствует значительному росту их биологической активности. Наиболее значимыми показателями интенсивности почвообразовательного процесса в песчаном субстрате являются численность жизнеспособных бактерий и активность ферментов инвертазы и уреазы.

3. Нефелинсодержащие отходы обогащения более пригодны для рекультивации, чем природные морские пески, благодаря большим запасам биогенных элементов, входящих в их состав и обладающих высокой подвижностью. Первичная почва, сформировавшиеся на нефелиновых песках, характеризуется большей мощностью органогенного горизонта, имеет более высокие показатели численности и биомассы микроорганизмов и ферментативной активности, чем почва, сформировавшаяся на песках морского происхождения.

Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены и получили положительную оценку:

– на конференциях Международного статуса – «Экологические функции лесных почв в естественных и антропогенно – нарушенных ландшафтах» (Петрозаводск, 6– сентября 2005 г.);

«Современные экологические проблемы Севера (к 100-летию со дня рождения О.И. Семенова-Тян-Шанского)» (Апатиты, 10–12 октября 2006 г.);

«Современные проблемы загрязнения почв» (Москва, 28 мая – 1 июня 2007 г.);

«Микроорганизмы и биосфера» (Москва, 19–20 ноября 2007 г.).

– на Всероссийских конференциях – «Экотоксикология: современные биоаналитические системы, методы и технологии» (Пущино, 28 октября – 3 ноября г.);

X Докучаевские молодежные чтения «Почвы и техногенез» (Санкт-Петербург, 1– марта 2007 г.);

XI Докучаевские молодежные чтения «Почва как носитель плодородия» (Санкт-Петербург, 26 февраля – 1 марта 2008 г.);

«Экологические проблемы северных регионов и пути их решения» (Апатиты, 14–16 октября 2008 г.).

– на региональных конференциях – «Состояние и перспективы развития промышленного комплекса на Кольском Севере (экологические, технологические и экономические аспекты)» (Апатиты, 21–24 ноября, 2005 г.);

«Сбалансированное природопользование. Глубокая переработка минеральных ресурсов» (Апатиты, 6– ноября 2007 г.);

XI научная конференция ББС МГУ, посвященная 70-летию биостанции (ББС МГУ, 8–10 августа 2008 г.).

Работа выполнена в рамках темы НИР: «Микробиологические процессы в системе добычи и переработки апатит-нефелиновых руд и хранения производственных отходов», № гос. регистрации 0120.0501085 (2005–2007 гг.). Исследования поддержаны Программой фундаментальных исследований Президиума РАН «Биоразнообразие и динамика генофондов» и Программой фундаментальных исследований Отделения наук о Земле ОНЗ–9.

По теме диссертационной работы опубликовано 18 печатных работ, в том числе статьи в рецензируемых центральных журналах из списка ВАК и 1 монография.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 129 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, главы по факторам почвообразования, пяти экспериментальных глав, выводов. Работа иллюстрирована рисунками и 49 таблицами. Список литературы включает 165 источников, в том числе 11 – на иностранных языках.

Благодарности. Выражаю глубокую благодарность Г.А. Евдокимовой за постоянную помощь, идеи и консультации по теме диссертации и организацию полевых исследований;

В.Н. Переверзеву, А.А. Похилько, И.В. Зенковой за предоставленные данные и консультации;

Н.П. Мозговой, М.В. Корнейковой, Т.А. Агеевой, М.В.

Пуговкиной за помощь в аналитической работе.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Обзор литературы по теме исследования Проанализированы различные подходы к классификации антропогенно измененных ландшафтов и почв, перечислены и охарактеризованы их основные типы.

Рассмотрены основные стадии развития почв и биоценозов в техногенных ландшафтах в условиях самовосстанавления. Проанализированы литературные данные, характеризующие особенности рекультивации техногенных субстратов Севера. Дано описание горнопромышленнего комплекса Мурманской области – одного из основных источников нарушения природных экосистем. В качестве примера антропогенно измененных ландшафтов подробно охарактеризованы нефелиновые пески (техногенный ландшафт) и природные пески морского генезиса в районе села Кузомень, появившиеся в результате нерационального ведения хозяйства (кузоменские пески).

Показана ведущая роль микроорганизмов во многих почвообразовательных процессах, в том числе и на рекультивируемых субстратах. При этом микробная деятельность рассматривается как одна из составляющих биологической активности наряду с почвенной фауной, активностью ферментов и некоторыми другими параметрами.

2. Факторы почвообразования Дана характеристика основных факторов, определяющих направление и интенсивность почвообразования на антропогенно-измененных ландшафтах Кольского Севера – нефелиновых и кузоменских песках, – климатических условия, рельеф, почвообразующие породы, растительность. Описаны основные типы почв Кольского полуострова.

3. Объекты и методы исследования Объектом исследований явилась биологическая активность новообразованных почв антропогенно-измененных ландшафтов – нефелиновых и кузоменских песков.

Исследовали законсервированное 40 лет назад хвостохранилище апатитонефелиновой фабрики АНОФ–1, занимающее площадь 120 га, расположенное у подножия горы Вудъяврчорр на берегу реки Белой, на расстоянии 4 км от г. Кировска, и действующее хвостохранилище фабрики АНОФ–2 площадью 1652.8 га, занимающее часть акватории оз. Имандра.

После вывода из эксплуатации хвостохранилища фабрики АНОФ–1 (в 1964 г.) была произведена его рекультивация с засыпкой поверхности слоем торфа, выполнены посадки трав, хвойных и лиственных пород деревьев. Современный растительный покров представлен березняками лишайниково-разнотравными и лишайниково травянисто-моховыми. На открытых местах располагаются участки луговых растений.

Отмечается хорошее состояние посадок сосен.

Закрепление пылящих поверхностей действующего хвостохранилища фабрики АНОФ–2 проводится биолого-химическим методом – посев многолетних трав (в частности волоснеца песчаного – Leymus arenarius (L) Hochst.) с последующим созданием полимерного покрытия (латекс, битумная эмульсия). В результате на этом хвостохранилище образуется злаково-разнотравное луговое сообщество.

Для анализа были взяты образцы нефелиновые песков из действующего хвостохранилища:

– свеженамытый песок;

– песок, не покрытый растительностью (в дальнейшем «чистый» песок), складированный 10, 20 и 30 лет назад;

– песок под злаками, складированный 10, 20 и 30 лет назад;

Образцы песков из хвостохранилища, закрепленного 40 лет назад, под различными растительными группировками: мхами, лишайниками, кустарничками (вороника, брусника), разнотравьем с доминированием клевера.

Кузоменские пески подвергались лесной фитомелиорации. В качестве лесообразующей культуры была выбрана сосна обыкновенная лапландская (Pinus sylvestris ssp. lapponica (Fr. ex Hartm.) E. Holmb.). В итоге было создано более 50 га защитных сосновых насаждений. На этих участках уже появляются типичные лесные почвопокровные растения: вороника, брусника, толокнянка, лишайники, мхи.

Образцы кузоменских песков:

– ровные пески (покрыты плитками песчаника);

– пески под посадками сосен 1985–1986 гг. с различной глубины: горизонт О (0–0. см);

минеральная часть: 0.5–10 см, 10–20 см, 20–30 см.

Отбор образцов проводили ежемесячно с мая по октябрь в 2005–2007 гг. в трехкратной повторности. Выполнен анализ 126 образцов нефелиновых песков и образцов кузоменских песков.

Для микробиологического анализа пробы отбирали стерильно. Численность сапротрофных аэробных бактерий, использующих азот органических соединений, определяли на мясо-пептонном агаре (МПА), грибов – на сусло-агаре с добавлением молочной кислоты для угнетения конкурирующей бактериальной биоты. Бактерии, потребляющие минеральные формы азота, и актиномицеты учитывали на крахмало аммиачном агаре (КАА). Олиготрофные бактерии определяли на слабоминерализованной среде Аристовской. Принадлежность бактерий к грамотрицательным или грамположительным определяли экспресс-методом с 3% КОН.

Были выделены чистые культуры бактерий и грибов. Идентификация доминирующих бактерий проведена в Центре «Биотехнология» РАН (г. Москва) на основании сравнительного анализа первичных последовательностей генов 16S рРНК. С помощью соответствующих программ последовательности были выровнены с соответствующими последовательностями ближайших видов бактерий и построены бескорневые филогенетические деревья.

Идентификацию грибов выполняли по определителям (Raper, Thom, 1965;

Rifai, 1969;

Ellis, 1989;

Егорова, 1986;

Klich, 2002;

Domsh et al., 2007).

Для характеристики структуры комплексов микроскопических грибов использовали показатели пространственной и временной частоты встречаемости вида;

для оценки степени сходства / различия комплексов грибов изучаемых участков – коэффициент Сёренсена;

для оценки видового разнообразия комплексов грибов – индекс Шеннона. При расчете доминирования и выравненности видов в комплексе грибов использовали соответственно индексы Симпсона и Пиелу.

Численность и биомассу бактерий, длину грибного мицелия и его биомассу (без массы грибных спор) определяли прямым методом люминесцентной микроскопии с использованием темноокрашенных поликарбонатных мембранных фильтров Nuclepore Black с диаметром пор 0.2 мкм для бактерий и 0.8 мкм для грибов.

Активность ферментов определяли в воздушно-сухих образцах в 3 повторностях.

Определение активности инвертазы проводили по методу Хоффмана и Паллауфа (Hoffman, Pallauf, 1965), фосфатазы – по методу Е.К. Дубовенко (1964), каталазы – по методу Штефаника и Думитру (Stefanic, Dumitru, 1970), уреазы – по И.Н. Ромейко и С.М. Малинской в модификации Щербаковой (1983).

4. Химические и физико-химические свойства нефелиновых и кузоменских песков Основные физико-химические и химические свойства исходных нефелиновых и кузоменских песков обобщены в табл.1.

Таблица Некоторые свойства техногенных и природных песков как объектов экологического исследования (по Медведеву, 1964;

Переверзеву и др., 2007) Показатель Нефелиновые пески Кузоменские пески Происхождение Продукт переработки Природный материал полезных ископаемых Гранулометрический состав, Преобладают песчаные частицы при сравнительно % небольшом участии высокодисперсных фракций Минералогический состав Нефелин (57.2%) и Светлые минералы: кварц, сопутствующие ему полевые шпаты. Цветные минералы: апатит, эгирин, минералы: амфиболиты и авгит, сфен и др. пироксены.

Влажность в период 0.7–16.7 % 0.1–8.8 % наблюдений pН водн 7.3–8.1 6.1–6. Органический углерод 0.18–0.34% Не обнаружен Валовой химический состав, % на прокаленную навеску:

SiO2 41.5 78. CaO 4.3 1. MgO 0.8 0. P2O5 2.2 0. K2O 6.5 2. Al2O3 22.5 9. Fe2O3 5.5 1. Оба объекта представляют собой массивы, сложенные минеральными материалами, в гранулометрическом составе которых преобладают песчаные частицы при сравнительно небольшом участии высокодисперсных фракций. Кузоменские пески являются природным материалом, минералогический и химический состав их аналогичен составу зональных почв. В них присутствует не только кварц, но и некоторые темноцветные минералы, устойчивые к воздействию выветривания. Отходы обогатительных производств являются продуктом переработки полезных ископаемых и состоят в основном из нефелина, достаточно неустойчивого к гипергенному воздействию, с примесью некоторых других минералов. При этом по содержанию макро- и микроэлементов нефелиновые пески значительно богаче ледниковых и морских песчаных пород, содержание кремнезема в отходах обогащения также довольно высокое – до 42% (Переверзев и др., 2007). В элювии терских красноцветных песчаников содержание кремнезема достигает почти 80%, в то время как содержание большинства макроэлементов (кроме калия) значительно более низкое по сравнению с другими породами (Переверзев, 2004). Естественно предположить, что условия для развития биоты в столь отличающихся по физическим свойствам и химическому составу песках, будут различными.

В процессе хранения нерекультивированных хвостов обогащения апатит нефелиновых руд в них сокращается количество тонкодисперсных частиц (Макаров и др., 2006). Под посевом многолетних трав с увеличением «возраста» песка напротив наблюдается рост содержания тонкодисперсных фракций, происходит формирование почвенных агрегатов (Волкова, 2008).

Чистый нефелиновый песок, не затронутый процессами почвообразования, содержит определенное количество органического углерода (0.18–0.34%), попавшего в субстрат в виде флотореагентов, используемых при обогащении апатит-нефелиновых руд. Органическое вещество может сохраняться в техногенном субстрате длительное время. Так, в 30-летнем чистом песке обнаруживается до 0.2% углерода. Под влиянием растительного покрова происходит биогенное накопление органического углерода в форме гумусовых веществ. Под злаковой парцеллой его содержание возросло до 0.5%, а в 40-летних песках под разнотравьем – до 8-12%.

Исходные нефелиновые пески имели слабощелочную реакцию как водной (рН 7.7), так и солевой (рН 7.5) суспензий. На законсервированном 40 лет назад хвостохранилище произошло подкисление среды в верхнем слое новообразованных почв: значения рН водной суспензии составляли 6.6–6.7, а солевой – 5.5–5.9.

Исходные пески у р. Варзуга имели слабокислую реакцию среды (рН 6.1). В новообразованной почве под молодыми соснами произошло заметное подкисление субстрата. В подстилке актуальная кислотность возросла до значений рН 5.0, обменная – до 3.9.

Таким образом, хвосты апатит-нефелиновой флотации обогатительных фабрик и кузоменские пески можно отнести к породам, пригодным для рекультивации, но требующим агрофизического и агрохимического улучшения.

5. Биологическая активность нефелиновых песков Численность, биомасса и трофическое разнообразие микроорганизмов в нефелиновых песках Выходящие с фабрики хвосты обогащения нестерильны, в одном грамме субстрата обнаружены десятки миллионов клеток хемоорганотрофных бактерий и всего несколько десятков колониеобразующих единиц (КОЕ) микромицетов (Гершенкоп и др., 2005).

В хвостохранилище со свеженамытыми песками количество сапротрофных бактерий и бактерий, утилизирующих минеральные формы азота, снизилось в 14 и раз соответственно по сравнению с исходными хвостами обогащения. C дальнейшим увеличением срока хранения хвостов апатитовой флотации, не подвергнутых рекультивации, наблюдается обеднение бактериального ценоза (рис.2).

млн.

7 кл/г Свеженамытый Чистый Под злаками Чистый Под злаками Чистый Под злаками 0 10 лет 20 лет 30 лет Сапротрофные Использующие минеральный азот Олиготрофные Рис.2. Численность бактерий в незакрепленных нефелиновых песках разного срока складирования и в песках под злаками.

На фоне общей низкой численности микроорганизмов в 30-летних песках в бактериальном сообществе преобладали олиготрофы, имеющие низкую специфичность к субстратам и способные к экономному расходованию эндо- и экзосубстратов.

В песках под злаковой растительностью заселенность бактериями и микроскопическими грибами выше, по сравнению с чистыми песками. При этом бактериальная численность с течением времени достоверно не менялась и колебалась в пределах 3.1–5.8 млн. кл/г для различных трофических групп, в то время как число грибов возросло в 30-летних песках в 2 раза по сравнению с более «молодыми» песками и достигло 3.8 тыс. КОЕ/г.

В песках, закрепленных более 40 лет назад, численность всех групп изучаемых микроорганизмов была в несколько раз выше, чем в 10–30-летних песках. Количество бактерий было больше под разнотравьем с преобладанием клевера, т.к. бобовые растения стимулируют развитие микроорганизмов (Красильников, 1958). Максимальное число микромицетов наблюдалось под лишайниковой группировкой.

Общая численность бактерий в чистом песке колебалась в пределах 0.34–0.60 млрд.

кл/г (табл.2). Длина грибного мицелия изменялась от 12 до 43 м/г. Различия между бактериальной и грибной биомассой статистически не достоверны. «Возраст» нерекультивированного песка практически не оказывал влияния на общую микробную биомассу.

Таблица Общая численность бактерий, длина грибного мицелия и их биомасса в нефелиновых песках Биомасса, 10–6 г/г Общая Длина Образец, «Возраст» численность грибного растительная песка, Бактери бактерий, мицелия, грибная общая группировка годы альная 109 кл/г м/г 0 0.60 ± 0.04 12 ± 5 24 ± 2 13 ± 6 10 0.53 ± 0.06 32 ± 2 21 ± 3 35 ± 2 Чистый песок 20 0.34 ± 0.11 43 ± 13 14 ± 4 47 ± 15 30 0.59 ± 0.10 26 ± 5 24 ± 4 29 ± 5 10 1.47 ± 1.06 59 ± 8 59 ± 42 64 ± 9 Злаковая 20 2.23 ± 1.84 62 ± 8 89 ± 73 69 ± 8 30 2.02 ± 1.40 112 ± 35 81 ± 56 124 ± 39 Моховая 40 7.22 ± 0.37 710 ± 145 289 ± 15 781 ± 160 Лишайниковая 40 5.79 ± 0.64 1156 ± 192 232 ± 25 1272 ± 211 Разнотравная 40 6.20 ± 0.27 1064 ± 74 248 ± 11 1170 ± 81 Кустарничковая 40 2.62 ± 1.64 434 ± 159 105 ± 66 478 ± 175 В рекультивированных нефелиновых песках фабрики АНОФ–1 под различными растительными парцеллами биомасса бактерий колебалась в пределах 0.11–0.29 мг/г, а грибная – 0.48–1.27 мг/г. Эти величины вполне сопоставимы с таковыми в почвах таежных лесов Кольского п-ва (Евдокимова, Мозгова, 2001). При этом грибная биомасса в 40-летних песках превышала бактериальную в 3–5.5 раза, что характерно для органогенных горизонтов зоны еловых лесов Кольского Севера.

Обилие микромицетов было несколько выше в песке под лишайниками и разнотравьем, а обилие бактерий – под моховым покровом. Под кустарничковой группировкой наблюдались самые низкие значения бактериальной и грибной биомассы.

Ферментативная активность в нефелиновых песках В чистых песках активность исследованных ферментов очень низкая (рис.3). Это связано с неблагоприятными физико-химическими свойствами нефелиновых песков – ярко выраженный промывной режим, незначительное содержание илистых частиц, дефицит органики, а также с низкой численностью микроорганизмов и беспозвоночных животных и полным отсутствием растительности.

N, мг/г 20 15 1, 10 5 0, 0 Свеженамытый Чистый Под злаками Чистый Под злаками Чистый Под злаками 0 10 лет 20 лет 30 лет Инвертаза, мг глюкозы/г Каталаза, мг перекиси/5г Фосфатаза, мг фенолфталеина/10 г Уреаза Рис.3. Активность ферментов в нефелиновых песках хвостохранилища АНОФ–2, закрепленного химико-биологическим методом.

Под злаковым покровом ферментативная активность нефелиновых песков заметно возросла. При этом, чем больше срок их хранения, тем выше активность ферментов.

Максимальные значения активности исследуемых ферментов отмечены в песках, закрепленных в 60-х гг. с применением торфа (табл.3).

Таблица Активность ферментов в нефелиновых песках, закрепленных 40 лет назад Образец, Инвертаза, Каталаза, Фосфатаза, мг Уреаза, растительная мг глюкозы/г мг Н2О2/5 г фенолфталеина/10 г мг N/г группировка Моховая 24.40 ± 3.96 88.79 ± 5.66 13.47 ± 0.48 1.30 ± 0. Лишайниковая 14.00 ± 1.52 61.87 ± 4.81 12.67 ± 1.18 0.64 ± 0. Разнотравная 17.81 ± 1.88 86.00 ± 5.19 18.33 ± 1.46 1.43 ± 0. Кустарничковая 25.08 ± 4.60 74.97 ± 6.74 11.17 ± 0.96 0.81 ± 0. Согласно шкалам, разработанным Д.Г. Звягинцевым (1978), чистый песок всех сроков хранения по содержанию в нем микроорганизмов и активности ферментов аналогичен очень бедным и бедным почвам.

Первичные почвы под злаками обеднены микроорганизмами. Показатели ферментативной активности в них низкие, за исключением активности инвертазы, соответствующей средней обогащенности почвы этим ферментом.

Пески фабрики АНОФ–1, складированные 40 лет назад, по большинству микробиологических параметров соответствуют богатым почвам, имеют среднюю обогащенность такими ферментами как инвертаза и уреаза и очень бедны по содержанию каталазы и фосфатазы.

Связь обилия беспозвоночных с биологической активностью песков Зоологический анализ нефелинсодержащих песков, складированных на хвостохранилищах 10–40 лет назад, показал, что первыми из беспозвоночных заселяют техногенный субстрат и являются в нем абсолютными доминантами микроартроподы – ногохвостки (Collembola) и клещи (Acarina) (Евдокимова и др., 2007). Они составляют 96–100% от общей численности беспозвоночных. Доля мезофауны (энхитреиды, насекомые, многоножки, пауки, моллюски и др.) в зооценозе была менее 4%.

Была установлена высокая степень корреляции численности беспозвоночных в песках разного срока складирования с их ферментативной и микробиологической активностью. Для панцирных клещей и мезофауны зависимости от этих факторов были сходными: тесными оказались корреляционные связи с численностью микромицетов (r = 0.92 и 0.82 соответственно), сапротрофных бактерий (r по 0.77) и активностью всех исследованных ферментов (r 0.83–0.92 для орибатид и 0.74–0.81 для мезофауны).

Тесная зависимость численности панцирных клещей с обилием исследованных групп микроорганизмов, особенно с мицелиальными грибами, соответствует трофической принадлежности орибатид к группе микробофагов (Криволуцкий, 1995;

Стриганова, 1980). С другой стороны, рост обилия микромицетов может быть следствием высокой численности беспозвоночных, поскольку эти грибы активно заселяют экскременты животных (Стриганова, 2006).

Тесная связь численности беспозвоночных с активностью ферментов косвенно указывает на значительный вклад фауны (в частности, клещей-орибатид, достигающих здесь высокого обилия) в ферментный пул песков, наряду с растительным и микробным компонентами.

Таксономическое разнообразие микроорганизмов нефелиновых песков В прокариотном сообществе нефелиновых песков среди сапротрофов доминируют грамположительные бактерии. Прокариотный комплекс новообразованных почв на нефелинсодержащих промышленных отходах представлен в табл.4.

Таблица Прокариотный комплекс нефелинсодержащих песков разного «возраста» (% от доли сапротрофного бактериального блока), % Общее число Образец, сапротрофных Arthro- Chryseo- Rhodo- Micro- Strepto растительная Bacillus бактерий, bacter bacterium coccus coccus myces группировка млн/г Чистый песок 1.0 59.6 0.2 12.0 46.8 3.7 0. Злаковая (10–30 лет) 4.5 63.8 0.9 0 32.8 8.4 1. Моховая (10–30 лет) 2.2 69.9 0 0 31.7 4.8 0. Моховая (40 лет) 5.5 20.1 0.8 0 0 25.8 7. Лишайниковая (40лет) 6.2 18.0 1.0 0 0 25.8 2. Разнотравная (40лет) 10.4 10.0 0.8 0 0 13.5 3. Кустарничковая (40лет) 5.3 10.8 2.4 0 3.4 17.6 2. В его состав входят в основном актинобактерии родов Arthrobacter, Rhodococcus, Micrococcus и Streptomyces, Актинобактерии характеризуются неспецифичностью к источникам питания и способны существовать в олиготрофных средах продолжительное время.

В состав прокариотного комплекса чистого нерекультивированного песка и песка до 30-летнего «возраста», заросшего злаками и мхами, входят в основном актинобактерии родов Arthrobacter и Micrococcus, часто образующие на питательных средах ассоциативные колонии (поэтому их доля в общем комплексе сапротрофных бактерий могла превысить 100%). Доля бацилл в них крайне незначительна. В рекультивированном 40 лет назад хвостохранилище доля актинобактерий снижается, а доля грамотрицательных бактерий возрастает.

В песках хвостохранилища, рекультивированного более 40 лет назад, выявлено видов микроскопических грибов, в свеженамытых песках – всего 12. В комплексе микромицетов доминировали по разнообразию грибы рода Penicillium. Вид Trichoderma viride численно доминировал в рекультивированных песках, но являлся случайным видом в незакрепленных. В свеженамытых песках доминирующие виды отсутствовали, к часто встречающимся видам отнесен Penicillium thomii.

В нефелиновых песках, подверженных рекультивации 40 лет назад, в группу часто встречающихся видов входили: Mortierella longicollis, Phoma eupyrena, Penicillium daleae.

6. Биологическая активность кузоменских песков Численность, биомасса и трофическое разнообразие микроорганизмов в кузоменских песках Численность жизнеспособных микроорганизмов в чистом природном песке в районе села Кузомень очень низкая. Количество бактерий основных трофических групп достигало лишь нескольких тысяч клеток в 1г песчаного субстрата, а микроскопических грибов – десятков КОЕ. В прокариотном сообществе преобладали бактерии, использующие минеральные формы азота, что объясняется практически полным отсутствием органики в коренном песке у реки Варзуга. Большая часть этой группы представлена коринеформными бактериями, относящимися к классу Actinobacteria.

Общее количество бактерий по методу прямого счета составляло в чистом песке 0.24109 клеток в 1 г, биомасса – 0.035 мг/г, включая биомассу бактерий актиномицетной линии (табл.5).

Таблица Общая численность бактерий, длина мицелия грибов и актиномицетов и их биомасса в кузоменских песках Биомасса, 10–6 г/г Общая Длина Длина Образец, численность мицелия грибного Бактерии Актино глубина, см бактерий, актино- мицелия, Грибы Общая мицеты 106 кл/г мицетов, м/г м/г Песок у 240 ± 0 124 10 ± 1 10 ± 0 25 11 ± 1 р. Варзуга О 680 ± 20 11 494 ± 62 27 ± 1 2 543 ± 68 (0–0.5) Посадки 0.5–10 150 ± 0 – 122 ± 8 6±0 – 134 ± 9 сосен 10–20 250 ± 26 – 78 ± 7 10 ± 1 – 86 ± 8 20–30 283 ± 30 – 38 ± 7 11 ± 1 – 41 ± 8 Длина мицелия актиномицетов составляла значительную величину – 124 м/г и превышала длину грибного мицелия в 12.5 раз, что совершенно не характерно для типичных подзолов Кольского полуострова. Биомасса актинобактерий была больше грибной в 2.5 раза.

В песках под сосновыми насаждениями численность микроорганизмов в органогенном горизонте увеличилась на 1–2 порядка. Наиболее заметно возросло обилие олиготрофных бактерий – в 127 раз. Здесь же отмечен существенный рост грибной и бактериальной биомассы – в 50 и 3 раза соответственно. Численность (до 0. тыс.кл/г) и биомасса (до 0.002 мг/г) нейтрофильных бактерий актиномицетной линии напротив резко упали, что объясняется заметным подкислением новообразованных почв по сравнению с исходными песками.

Вниз по профилю численность микроорганизмов постепенно снижалась (рис.5).

При этом численность бактерий различных трофических групп в самом нижнем горизонте уменьшилась по сравнению с органогенным горизонтом в 4–11 раз.

Численность грибного населения, более чувствительного к ухудшению аэрации, снизилась на 2 порядка до уровня численности микромицетов в чистом песке.

а б 0 1 2 3 4 5 0 200 400 600 тыс.

тыс.

кл/г кл/г О О 0.5-10 см 0.5-10 см 10-20 см 10-20 см Сапротрофные 20-30 см 20-30 см Использующие минеральный азот Олиготрофные Рис.5. Численность микроорганизмов в кузоменских песках под посадками сосен.

а – бактерии;

б – грибы.

Таксономическое разнообразие микроорганизмов в кузоменских песках В сообществе бактерий-сапротрофов кузоменских песков преобладали грамотрицательные неспорообразующие бактерии. В незакрепленных песках в районе с.

Кузомень по численности и биомассе доминировали представители класса Actinobacteria.

Нами выявлено в песках природного происхождения 13 видов микромицетов, относящихся к 6 родам, 3 порядкам, 2 классам и 2 отделам. Наиболее широко в комплексе микромицетов кузоменских песков были представлены грибы рода Penicillium (8 видов). Они составляли более 50% всего видового разнообразия выделенных грибов. Trichoderma viride доминировал в рекультивированном песчаном субстрате, но являлся случайным видом в незакрепленных песках. В группу часто встречающихся видов входил гриб Penicillium janthinellum. Остальные виды отнесены к редким или случайным.

Ферментативная активность в кузоменских песках Нерекультивированные кузоменские пески имеют очень низкие показатели ферментативной активности, близкие к нулевым значениям. Это связано как с биологическими факторами – отсутствие растительного покрова, слабая заселенность субстрата микроорганизмами и почвенными беспозвоночными, так и с физико химическими свойствами песка – низкой влажностью, обедненностью макро– и микроэлементами, практически полным отсутствием органического вещества.

В органогенном горизонте первичных почв под посадками сосен активность всех исследуемых ферментов заметно возросла. Наиболее чувствительными показателями изменений, вызванных первичными почвообразовательными процессами, оказались инвертаза и уреаза. Однако активность этих ферментов снижается более чем на порядок уже в минеральном подподстилочном горизонте (рис. 6а, г), а на глубине 10–20 см достигает значений, характерных для нерекультивированного песчаного субстрата.

Самые незначительные внутрипрофильные изменения ферментативной активности отмечены для каталазы.

0 2 4 6 8 10 0 1 2 3 4 5 O O 0.5-10 см 0.5-10 см 10-20 см 10-20 см 20-30 см 20-30 см а б 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0, 0 10 20 30 40 O O 0.5-10 см 0.5-10 см 10-20 см 10-20 см 20-30 см 20-30 см г в Рис.6. Активность ферментов в кузоменских песках: а – инвертаза, мг глюкозы/г;

б – фосфатаза, мг фенолфталеина/10 г;

в – каталаза, мг перекиси/5г;

г – уреаза, мг NH4/г.

По большинству параметров, характеризующих биологическую активность, кузоменские пески, как чистые, так и рекультивированные, соответствуют очень бедным и бедным почвам с минимальной микробиологической и ферментативной активностью. Единственный показатель, выбивающийся из общей тенденции, – длина гиф грибов (а, следовательно, и их биомасса), которая в подстилке достигает значений, аналогичных таковым в богатых почвах.

7. Сравнительный анализ показателей биологической активности нефелиновых и кузоменских песков Чистые нефелиновые и кузоменские пески обеднены микроорганизмами и имеют низкий пул ферментов. В рекультивированном субстрате происходит активизация биологических и биохимических процессов. Первичные почвы на нефелиновых песках, подвергнутых рекультивации, по показателям биологической активности аналогичны богатым почвам или почвам со средней обогащенностью.

Почва, формирующаяся на кузоменских песках под сосновыми насаждениями, значительно беднее по всем микробиологическим и биохимическим параметрам, кроме биомассы микромицетов, и характеризуется низким видовым разнообразием микроорганизмов. Существенным отличием природных песков от техногенных является преобладание в них грамотрицательных неспорообразующих бактерий, в то время как в нефелиновых песках доминируют грамположительные бактерии. Высокие значения коэффициента зрелости и минерализации в кузоменских песках характеризуют их как более стабильную, «устоявшуюся» систему, в которой биологические, биохимические и минерализационные процессы протекают медленнее.

ВЫВОДЫ 1. Отходы производства обогатительных предприятий и природные морские пески можно отнести к породам, пригодным для рекультивации, но требующим агрофизического и агрохимического улучшения. Оба объекта характеризуются неблагоприятными для развития растительности водно-физическими свойствами. При этом по содержанию макро- и микроэлементов, нефелиновые пески значительно богаче ледниковых и морских песчаных пород.

2. При длительном хранении нефелиновых песков, не подвергнутых рекультивации, в них значительно уменьшается число жизнеспособных клеток бактерий. Общая бактериальная численность и активность ферментов десятилетиями сохраняются практически на одном уровне. Количество грибов и их биомасса постепенно возрастают. В целом чистый песок техногенного происхождения характеризуется очень низкой интенсивностью биологических, а, следовательно, и почвообразовательных процессов.

3. В нефелиновых песках, рекультивированных методом посева многолетних трав с применением полимерного покрытия, значения большинства рассматриваемых показателей биологической активности в несколько раз выше, а численность жизнеспособных бактерий на 2 порядка больше, чем в нерекультивированном субстрате. С увеличением срока хранения покрытых злаковой растительностью песков количественные характеристики микробного сообщества и значения ферментативной активности в них существенно не изменялись.

4. Самая высокая биологическая активность отмечена в песках, закрепленных в 60-х гг.

прошлого столетия с применением торфа. В целом пески, рекультивированные более 40 лет назад, соответствуют почвам с высокой обогащенностью микроорганизмами и средним уровнем инвертазной и уреазной активности.

5. В прокариотном комплексе нефелиновых песков преобладают грамположительные бактерии. Доминирующими являются актинобактерии, приспособленные к жизни в олиготрофных средах. В комплексе микромицетов наиболее широко представлены грибы рода Penicillium. Вид Trichoderma viride может быть биоиндикатором глубины процесса рекультивации: он доминировал в рекультивированном субстрате, но являлся случайным видом в исходных песках.

6. В чистых кузоменских песках наблюдалась очень низкая численность жизнеспособных микроорганизмов – в 1г субстрата обнаружено лишь несколько тысяч клеток бактерий и до десятка колониеобразующих единиц микроскопических грибов. В прокариотном сообществе преобладали микроорганизмы, использующие минеральный азот. Биомасса актинобактерий превышала грибную в 2.5 раза.

Активность ферментов практически не выявлялась используемыми методами анализа.

7. В органогенном горизонте первичных почв под сосновыми насаждениями значения параметров биологической активности были существенно выше, чем в чистых песках.

Наиболее чувствительным показателем процессов первичного почвообразования явилась численность жизнеспособных микробов – она возросла на 1–2 порядка. Вниз по профилю микробиологическая и биохимическая активность постепенно снижалась.

8. Среди сапротрофных бактерий кузоменских песков преобладали грамотрицательные неспорообразующие формы. Большая часть бактерий, использующих минеральный азот, представлена коринеформными бактериями, относящимися к классу Actinobacteria. Грибное население не отличалось широким видовым разнообразием.

Большая часть микромицетов – представители рода Penicillium. Вид Trichoderma viride доминировал в рекультивированном песке, но являлся случайным видом в чистом (как и в нефелиновых песках).

9. Первичными признаками формирования новообразованных почв на нефелиновых и кузменских песках является образование маломощной подстилки, аккумуляция гумуса в подподстилочном минеральном горизонте, изменение реакции среды, возрастание бактериальной и грибной биомассы и активности инвертазы и уреазы.

Список опубликованных работ по теме диссертации Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Евдокимова Г.А. Калмыкова В.В. (Редькина В.В.) Биологическая активность рекультивированных промышленных отвалов в условиях северной тайги // Агрохимия.

2008. № 1. С. 63–67.

2. Евдокимова Г.А., Корнейкова М.В., Лебедева Е.В., Калмыкова В.В. Микромицеты в песках природного и техногенного генезиса // Микология и фитопатология. 2009. Том 43.

Вып.2. с.84-92.

3. Зенкова И.В., Калмыкова В.В., Лисковая А.А. Пионерная фауна нефелинсодержащих отвалов как показатель процессов первичного почвообразования // Почвоведение. 2009. № 8. С. 1-8.

4. Евдокимова Г.А., Калмыкова В.В. Прокариотный комплекс новообразованных почв на нефелинсодержащих промышленных отходах//Почвоведение. 2010. №6. С.721-727.

Монография 5. Евдокимова Г.А., Переверзев В.Н., Зенкова И.В., Корнейкова М.В., Редькина В.В.

Эволюция техногенных ландшафтов (на примере отходов апатитовой промышленности).

2010. Апатиты: Изд. Кольского научного центра. 146 с. ISBN 978-5-91137-127-2.

Публикации в других изданиях 6. Калмыкова В.В. Микробиологическая оценка нефелиновых песков // Состояние и перспективы развития промышленного комплекса на Кольском Севере (экологические, технологические и экономические аспекты): Сб. статей III Школы молодых ученых и специалистов. Апатиты, 21–24 ноября 2005 г. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2007. С. 41–45.

7. Калмыкова В.В. Микробиологическая оценка естественных и антропогенных песков Кольского Севера // Экология и биология почв: проблемы диагностики и индикации: Сб.

матер. межд. науч. конф. Ростов-на-Дону. Ростов н/Д: Ростиздат, 2006. С. 237–242.

8. Калмыкова В.В. Ферментативная активность биоты нефелиновых песков // Современные экологические проблемы Севера (к 100-летию со дня рождения О.И. Семе-нова-Тян Шанского) / Матер. межд. конф. Апатиты, 10–12 октября 2006 г. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 2006. Ч. I. С. 73–75.

9. Калмыкова В.В. Ферментативная активность биоты нефелиновых песков как показатель эффективности их рекультивации // Экотоксикология – современные биоаналитические системы, методы и технологии: Сб. статей школы-конференции молодых ученых. Пущино, 28 октября – 3 ноября 2006 г. Пущино: Изд-во ИБФМ РАН, 2006. C. 42–43.

10. Евдокимова Г.А., Зенкова И.В., Калмыкова В.В. Пионерные комплексы микроорганизмов и беспозвоночных животных нефелиновых песков и их ферментативная активность // Современные проблемы загрязнения почв: Сб. матер. II межд. науч. конф.

Москва, МГУ, 28 мая – 1 июня 2007 г. М.: МГУ, 2007. Т. 2. С. 276–280.

11. Евдокимова Г.А., Похилько А.А., Калмыкова В.В. Формирование биогеоценозов на закрепленных промышленных отвалах в условиях северной тайги // Экологические функции лесных почв в естественных и антропогенно нарушенных ландшафтах: Тез. докл.

межд. науч. конф. Петрозаводск, 6–10 сентября 2005 г. Петрозаводск, 2005. С. 282–283.

12. Evdokimova G.A., Pohilko A.A., Kalmykova V.V. The formation of biogeocenosis on the fixed slag-heaps in northern taiga // Ecological functions of forest soils in natural and human disturbed landscapes. Proced. of the Intern. conf., Petrozavodsk, 6–10 September 2005.

Petrozavodsk. 2005. P. 284.

13. Калмыкова В.В. Биологическая активность нефелиновых песков при их рекультивации // Почвы и техногенез: Тез. докл. юбилейной всероссийской конф. X Докучаевские молодежные чтения. Санкт-Петербург, 1–3 марта 2007. Санкт-Петербург: СбГУ, 2007. С.

59–60.

14. Калмыкова В.В. Биологическая активность новообразованных почв на нефелиновых песках// Микроорганизмы и биосфера: Тез. докл. межд. науч. конф. Москва, 19–20 ноября 2007. М.: МАКС Пресс, 2007. С. 51.

15. Калмыкова В.В. Биологическая активность кузоменских песков Мурманской области // Матер. межд. науч.-практич. конф. «Плодородие почв – уникальный природный ресурс – в нем будущее России» и всероссийской науч. конф. XI Докучаевские молодежные чтения «Почва как носитель плодородия. Санкт-Петербург, 26 февраля–1 марта 2008 г. Санкт Петербург: СбГУ, 2008. С. 180–181.

16. Калмыкова В.В. Биологическая активность отвалов апатитовой промышленности Мурманской области // Сохраним почвы Росси: Матер. V Всероссийского съезда почвоведов имени В.В. Докучаева. Ростов-на-Дону, 18–23 августа 2008 г. Ростов-на-Дону:

Ростиздат, 2008. С. 437.

17. Евдокимова Г.А., Калмыкова В.В. Биологические процессы при рекультивации промышленных отходов и природных песков//Матер. науч. конф., посвященной 70-летию Беломорской биологической станции МГУ, 8–11 августа 2008 г.: Сб. статей. М.: Изд. «Гриф и К», 2008. С. 336–341.

18. Калмыкова В.В. Биологическая активность почв антропогенно измененных ландшафтов//Матер. Всерос. науч. конф. с международным участием «Экологические проблемы северных регионов и пути их решения», 13–17 октября 2008 г. Апатиты: Изд-во Кольского научного центра РАН, 2008. С. 89–94.