ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ БИОЛОГИЧЕСКОЙ ИНДИКАЦИИ И ДИАГНОСТИКИ ПОЧВ

В основе принципа биологической диагностики почв лежит представление о том, что почва как среда обитания составляет единую систему с населяющими ее популяциями разных организмов. В зависимости от сочетания природных факторов, определяющих почвообразовательный процесс, почвы различаются по составу биоты, направленности физиологических и биохимических превращений и содержанию тех химических веществ, которые являются продуктами превращений.

Ботанические методы фитоиндикации и диагностики почв входят в отдельный раздел геоботаники — индикационной геоботаники. При описании почв используют, как правило, характеристику растительного покрова (фитоценоза). Методы фитоиндикации применяют при картировании и бонитировке почв, определении их свойств и процессов, в них протекающих. Например, при анализе состава и структуры растительных сообществ, распространения растений-индикаторов или определения индикаторных признаков у отдельных видов растений можно установить тип почвы, степень ее гидроморфизма, развитие процессов заболачивания, засоления и др. Среди растений имеются индикаторы механического, минералогического и химического состава почв, степени ее обогашенности питательными элементами, кислотности или щелочности, глубины протаивания мерзлотных почв или уровня подземных вод.

Микробиологическая, физиологическая и биохимическая характеристика почв — наиболее сложные разделы почвенной биодиагностики. Микроорганизмы являются очень чуткими биоиндикаторами, резко реагирующими на изменения среды. Отсюда - необычайная динамичность микробиологических показателей. Индикаторным микроорганизмом на влажные и нейтральные почвы, богатые элементами питания, является Azotobacter chroococcum/d на подзолообразование — Cryptococcus pod-zolicus. Широкое распространение получил тест на численность Escherichia coli как показатель санитарного состояния почв. Гораздо более точную для биодиагностику почв можно провести при комплексном подходе и характеризации биологической активности почв в различных проявлениях.

Показатели биологической активности почв очень многообразны. Различают актуальную, реальную, полевую биологическую активность почв и потенциальную активность, которая определяется в искусственных лабораторных условиях. Последняя, хотя и характеризует определенный тип почв и ее состояние, но ничего не говорит о реальном развитии в почве микроорганизмов и скорости вызывающих ими процессов.

К характеристике реальной биологической активности прежде всего следует отнести газовый анализ, проводимый непосредственно в полевых условиях. К нему относится определение дыхания почвы, интенсивности азогфиксации и денитрификации (образование окиси и закиси азота), образования и потребления метана, водорода, угарного газа и др.

Актуальную биологическую активность почв характеризует метод реплик, при использовании которого в почву помешается целлюлозное полотно (обычно льняная ткань) и количественно определяется степень ее разложения. Кроме того, определяют количество накопившихся на ткани свободных аминокислот и белков. Определения актуальной биологической активности почв показывают, что разные типы почвы и разные ее состояния дают показатели, различающиеся иногда в десятки и сотни раз. Однако все эти показатели сильно зависят от гидротермических условий, и поэтому эти определения необходимо проводить в разные периоды времени.

Гораздо проще получать характеристику потенциальной биологической активности почв, так как эти определения проводятся в лаборатории в строго контролируемых условиях. При этом определяется прямыми микроскопическими методами численность и биомасса бактерий, актиномицетов и грибов, численность микроорганизмов методом посева, газовые анализы почвенных образцов, ферментативная активность почв и т.д. Все эти характеристики являются потенциальными, так как неизвестно, сколько и каких микроорганизмов находилось в реальной почве в активном, а сколько в пассивном состоянии. Особенно информативной характеристика потенциальной биологической активности почвы получается при исследовании всего почвенного профиля с учетом специфики различных почвенных горизонтов.

Показатели, характеризующие состояние почвенной биоты и биологическую активность почв, используют для контроля за теми изменениями в почвах, которые происходят при внесении в них разного рода посторонних веществ, чаще всего антропогенного происхождения.

Для получения объективных характеристик происходящих при этом изменений проводят параллельное исследование контрольных образцов чистой почвы. Различают следующие типы химических загрязнений: нефтепродуктами (углеводородами), тяжелыми металлами, радионуклидами, пестицидами, избыточными или загрязненными минеральными удобрениями, искусственными полимерами, отходами химических производств, в том числе и отравляющими газами, а также мутагенами посторонними микроорганизмами, например, из сточных вод или микробиологических производств.

Пестициды являются новым экологическим фактором, появившимся в природе в связи с широким применением веществ для борьбы с сорняками (гербициды), насекомыми-вредителями (инсектициды), грызунами (зооциды), фитопатогенными грибами (фунгициды) и препаратами, вызывающими гибель листьев (дефолиантами). Мировой ассортимент пестицидов насчитывает тысячи препаратов на основе нескольких сотен химических веществ, и он непрерывно растет. Все без исключения пестициды относятся к ядам широкого действия. Они попадают в почву при непосредственном внесении или же с протравленными семенами, отмирающими сорняками и трупами насекомых, а из почвы попадают в сельскохозяйственные растения, пищевые продукты и природные воды. Постоянно расширяется список запрещенных к использованию пестицидов. Наблюдается такая закономерность: чем дольше используется пестицид, тем больше обнаруживается его вредное действие и тем больше его шанс попасть в список запрещенных. Особенно вредны так называемые персистентные пестициды, которые не разлагаются или слабо разлагаются почвенными микроорганизмами и накапливаются в почве и живых организмах. Первый хлорорганический инсектицид ДДТ был признан абсолютно безопасным в тех малых дозах, в которых он применялся первое время, и за его разработку была дана Нобелевская премия. Однако позже выяснилось, что он почти не разрушается в окружающей среде и активно аккумулируется организмами в пищевых цепях. Его концентрация при этом возрастает в тысячи раз, и он становится резко токсичным. Например, птицы начинают нести яйца без скорлупы. Применение ДДТ было запрещено, но в Средней Азии еще долго применяли этот инсектицид, в результате чего почвы оказались сильно загрязненными. Помимо всего прочего появились расы насекомых, устойчивые к этому веществу.

Пестицид в малых концентрациях должен уничтожать вредный организм, оказывая на другие организмы лишь слабое действие. Он должен в короткие сроки и полностью разлагаться микроорганизмами и не накапливаться в окружающей среде. Если речь идет о почве, то для того, чтобы в этом убедиться, в почвенные образцы нужно внести пестицид, меченый по всем входящим в него элементам, проинкубировать этот образец и проследить за тем, что внесенное вещество полностью разлагается за несколько месяцев. Только в этом случае с микробиологической точки зрения пестицид можно рекомендовать к применению. Ранее применяли другой подход: изучали трансформацию и разложение пестицида набором чистых культур микроорганизмов. Пути трансформации и разложения пестицидов микроорганизмами оказались весьма многообразными. После долгих поисков удалось найти микроорганизм, который разрушает ДДТ, но заставить его «работать» в почве не удалось.

В природной среде, в почве, существенную роль в разложении пестицидов микроорганизмами играют такие явления, как кометаболизм и синтрофия. В первом случае скорость минерализации пестицидов, относящихся к группе персистентных, повышается при наличии в среде дополнительного соокисляемого субстрата, а во втором случае на пестицид действует комплекс культур микроорганизмов, и его разложение проходит более успешно, чем в условиях чистых культур.

В процессе самоочищения почвы от пестицидов участвуют не только микроорганизмы, но и другие почвенные животные, такие как дождевые черви или кроты и землеройки. Перемешивая почву, они способствуют перемещению загрязненной почвы верхнего горизонта в глубокие слои. Специфическая микрофлора пищеварительного тракта этих животных способствует деградации пестицидов.

Особую тему для изучения составила проблема влияния пестицидов на биологическую активность почв. Несмотря на то что действие разных пестицидов было специфично, в общем был сделан вывод, что производственные дозы обычно не оказывают существенного действия на биологическую активность почвы. Исключение составляют фунгициды, которые, подавляя фитопатогены, одновременно ведут к подавлению сапротрофных грибов. Если пестициды вносятся многократно или в больших количествах, то они существенно влияют на биологическую активность почвы и приводят к перестройкам в микробоценозах.

Тяжелые металлы являются опасными загрязнителями почв, понижающими их биологическую активность, снижающими продуктивность и ухудшающими качество сельскохозяйственной продукции. Многие тяжелые металлы являются микроэлементами, необходимыми для нормального роста организмов, и в малых дозах они необходимы для работы многих ферментов. Однако сверхвысокие концентрации этих веществ, а также тяжелых металлов, не являющихся микроэлементами, приводят к негативным последствиям. Тяжелые металлы могут сильно понижать биологическую активность почв. Прежде всего они понижают ферментативную активность почв, снижают уровень азотфиксации и дыхания почв, а также ведут к перестройкам в микробных сообществах, приводя к доминированию резистентных видов.

Загрязнение почв нефтью и продуктами ее переработки. В каждой почве содержатся микроорганизмы, способные утилизировать любые углеводороды. В естественных почвах нет проблемы накопления углеводородов. Однако в XXI веке она очень остро встала в связи с колоссальным загрязнением почв углеводородами в местах их добычи, около нефтепроводов, нефтехранилищ, железных и шоссейных дорог, бензоколонок, сельскоугодий и др.

Загрязнение почв нефтью приобрело катастрофические размеры. Иногда полностью теряется плодородие почв, и растения на таких загрязненных участках расти не могут. Восстановление почв возможно только при умеренном загрязнении и в условиях благоприятного гидротермического режима. Существует фитомелиорация, когда на загрязненных территориях высаживаются растения, устойчивые к нефтепродуктам, и микробиологическая мелиорация, когда стимулируется развитие углеводородокисляющих микроорганизмов.

Загрязнение почв избыточными и несбалансированными количествами минеральных удобрений. Минеральные удобрения в высоких дозах в определенных условиях вызывают отрицательный эффект. При больших концентрациях внесенных в почву минеральных азотных удобрений развиваются процессы денитрификации и нитрификации. Нитраты вымываются в подземные воды, превращаются в закись азота или в газообразный азот и уходят в атмосферу. Разрушается естественный микробиоценоз, и развивается большое количество токсинообразо-вателей, подавляющих рост растений. Под влиянием повышенных доз минерального азота, вносимого в почву, происходит микробное разрушение гумуса и деградация почвы с потерей ею структурности, снижением емкости поглощения катионов и т.д. При усиленной нитрификации происходит подкисление среды, повышается подвижность тяжелых металлов, содержание нитратов в растениях (особенно в огурцах, арбузах и дынях). По цепям питания вредные вещества передаются человеку. Образующаяся закись азота обладает парниковым эффектом и является одним из факторов разрушения озонового экрана в атмосфере, играющего защитную роль в предохранении живых существ на Земле от жесткого ультрафиолетового облучения.

Таким образом, негативные последствия применения высоких доз азотных удобрений охватывают широкую область биосферы и не ограничиваются только почвой. Удобрения превращаются в фактор загрязнения и гидросферы за счет вымывания нитратов в водоемы, и атмосферы из-за образования токсичных газообразных продуктов.

Микробные загрязнения почв происходят в результате попадания в почву бытовых и сельскохозяйственных отходов и отбросов, сточных вод, а также аэрозолей микробиологических производств. С отходами в почву попадают опасные микроорганизмы - патогенные, условно-патогенные и токсинообразователи. В почве очень хорошо сохраняются патогенные спороносные бактерии, такие как возбудитель столбняка сибирской язвы газовой гангрены.

Нарушение экологической среды под влиянием разного рода токсикантов - одна из важнейших проблем современности, поэтому разработка принципов и методов ранней диагностики повреждения почвенной биоты под воздействием пестицидов, тяжелых металлов, нефтепродуктов, минеральных удобрений и других загрязнителей представляет собой насущную задачу биологии почв.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

• 1. Автомобильные дороги в экологических системах (проблемы взаимодействия) / Д.Н. Кавтарадзе, Л.Ф. Николаева, Е.Б. Поршнева, Н.Б. Флорова. - М.: ЧеРо, 1999. - 240 с.
• 2. Акулов К.И. и др. Коммунальная гигиена. М.: МЕДИЦИНА, 1986.
• 3. ГОСТ 17.4.3.01.-83 «Почвы. Общие требования к отбору проб».
• 4. ГОСТ 28168-89 «Почвы. Отбор проб»
• 5. Ермохин. Ю.И. Агроэкологическая оценка действия кадмия, никеля, цинка в системе почва-растение-животное: Монография / Ю.И. Ермохин, А.В. Синдирева, Н.К. Трубина - Омск: Изд-во ОмГАУ, 2000. - 118 с
• 6. Медицинская микробиология, ч. 93. // Ьйр:// vwv. hotelugor.ru / теФст8кауа-гшкгоЫо1о§1уа / 93 /
• 7. Орлов Д.С., Химия и охрана почв / Соросовский образовательный журнал, №3, 1996.
• 8. Приказ Минэкологии и природных ресурсов РТ от 22.07.2009 № 786, зарегистрированный Минюстом РТ от 10.09.2009 № 600.
• 9. Крошечкына И.Ю. Применение бактериальных препаратов для биорекультивации нарушенных почв территорий зоны железнодорожного транспорта / Научно технический журнал «Наука и техника транспорта» № 1. - М.: МНИТ РОАТ, 2011. - с. 27-30