БОБОВЫЕ ТРАВЫ – БИОИНДИКАТОРЫ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ
Реферат. Известно большое число примеров прямых антропогенных, а также опосредованных человеком воздействий окружающей среды на почву, способствующих ее загрязнению. Одним из основных источников загрязнения почв на территории Южной Осетии является хвостохранилище бывшего предприятия горнорудной промышленности в г. Квайса, что становится главной экологической проблемой уникального Кударского ущелья. Для снижения затрат на химические анализы по выявлению наиболее активных загрязняющих веществ, применены биологические индикаторы, которые позволяют оценить степень загрязнения почв. В качестве биологических индикаторов использованы бобовые траваы. Бобовые травы благодаря имеющимся клубеньковым бактериям на корнях растений улучшают плодородие почвы, обогащают ее биологическим азотом. Вместе с тем, клубеньковые бактерии являются биоиндикаторами, отрицательно реагируя на токсичность почвы. С целью изучения жизнедеятельности клубеньковых бактерий бобовых трав проводили исследования в естественных фитоценозах и на пахотных землях. На корнях бобовых трав в корнеобитаемом слое почвы определяли количество клубеньков и их окраску. На искусственно зараженной различными токсикантами из хвостохранилища г. Квайса почве выявлено, что окраска леггемоглобином клубеньков снижается. При отсутствии розовой или красной окраски у 80% оцениваемых клубеньков заключают как экологическое бедствие. При окраске менее 50% у изучаемых растений констатируют факт об удовлетворительном состоянии исследуемой территории. Предлагаемые нами методы биоиндикации увеличивают точность оценки загрязненной территории и упрощают определение ее токсичности по методу биотестирования клубеньковых бактерий непосредственно в полевых условиях.
Ключевые слова: биоиндикация, загрязненные почвы, бобовые травы, клубеньковые бактерии, предельно допустимые концентрации.
Загрязнение почв вызывается различными по масштабу и по территории размаху явлениями, поэтому при их определении и оценке с помощью биоиндикаторов используют различные предпосылки и соответственно различные способы. В экосистемах с повышенной антропогенной нагрузкой оно может принять более широкие масштабы. Это относится к большей части почв, возникающих в процессе рекультивации бывших горных разработок, на месте поселений или промышленных предприятий.
Изменение почвенных параметров, касается, прежде всего: сложения и структуры почвы, например ее порозности и плотности горизонтов, что может привезти к уменьшению вентиляции и дренажа.
На уровне фитоценозов это сказывается в затруднении прорастания семян и проникновения корней в почву с последующим замедлением роста корней и побегов [1].
По современным оценкам количество загрязняющих окружающую среду веществ увеличиваются в среднем ежегодно на 4 %. Это происходит в результате того, что многие организмы недостаточно адаптированы к ним. Возрастающее распространение техногенных химических соединений в окружающей среде сделало первостепенной задачей выявления наиболее активных загрязняющих веществ. Для ее решения необходимо выявить простые методы, позволяющие оценить токсичность в условиях обитания и снизить затраты на химические анализы [2, 3, 4].
Сущность биологизации земледелия состоит в обогащении почвы органическим веществом и укреплении энергетики почвенного покрова, вовлечении ресурсов биологического азота бобовых растений посредством симбиотической азотфиксации его из атмосферы и усиления конкурентоспособности полевых культур по отношению к сорному компоненту. Биологизация процессов в земледелии предусматривает освоение севооборотов путем насыщения многолетними бобовыми травами для сохранения и повышения плодородия почвы и использование бактериальных и органических удобрений. При этом возрастает роль культуры, влияющей на процессы мобилизации азота и органического вещества почвы, как наиболее чувствительного к различным внешним воздействиям [5 ].
Биологическими индикаторами могут служить и клубеньковые бактерии бобовых культур, которые под воздействием токсичности почвы могут снизить свою активность.
В биологической фиксации азота косвенную, но очень важную роль играет сама корневая система, по которой в клубеньки поступают энергетический материал, вода и элементы минерального питания. Часть корневой системы с расположенными на ней клубеньками называют симбиотическим аппаратом.
Период от начала образования клубеньков до их полного лизиса называется продолжительностью общего симбиоза, а период функционирования клубеньков с леггемоглобином – продолжительностью активного симбиоза [5].
Биологическая фиксация азота воздуха в определенной степени решает проблему охраны окружающей среды, предотвращая загрязнение грунтовых вод и водоемов окислами азота. Дело в том, что обеспечить высокую белковую продуктивность культур, не способных к симбиотической азотфиксации, можно лишь применением больших норм минерального азота.
Часть этого азота в виде окислов попадает в грунтовые воды и водоемы. В ряде случаев концентрация их превышает предельно допустимые нормы [3].
Фиксация азота воздуха обеспечивает главное условие энергосберегающих технологий в растениеводстве – экономию ископаемой энергии на единицу продукции и снижение ее себестоимости. Известно, что фиксация азота воздуха весьма энергоемкий процесс.
Затраты на производство белка, полученного с участием симбиотически фиксированного азота, меньше на величину стоимости азотных удобрений и их применение.
Посевы бобовых культур, активно фиксирующих азот воздуха, решают проблему сохранения и даже расширенного воспроизводства естественного плодородия почвы. Высокоурожайные плантации чистых посевов клевера лугового и люцерны на Северном Кавказе оставляют в почве с корневыми и пожнивными остатками 80–100кг на 1 га, т.е. больше. чем посевы выносят его из почвы за вегетацию. Этого азота достаточно для получения суммарной прибавки урожая зерна 15–20 ц/га зерновых культур за время последействия органических остатков (за 2–3 года).
Клубеньки бобовых культур – это сложная азотфиксирующая система, включающая гипертрофированную ткань корня с бактериальными клетками, содержащую леггемоглобин и ферментативный комплекс как продукт симбиоза.
В биологической фиксации азота косвенную, но очень важную роль играет сама корневая система, по которой в клубеньки поступает энергетический материал, вода и элементы минерального питания. Часть корневой системы с расположенными на ней клубеньками называют симбиотическим аппаратом.
Поскольку фиксация азота происходит в клубеньках, то наиболее эффективно оценить этот процесс можно по развитию и активности симбиотического аппарата.
Известно, что масса клубеньков зависит от фазы развития растений и условий их выращивания. Формирование и активность симбиотического аппарата находятся в прямой зависимости от ряда факторов окружающей среды, в том числе от наличия влаги в почве.
Симбиотическая и фотосинтетическая деятельность растений взаимосвязаны между собой. Отток к корням продуктов синтеза надземной части растений способствует лучшему проникновению корневой системы в слои почвы. В свою очередь растение подпитывается
ресурсами земли и, тем самым, наращивает надземную массу.
Несмотря на высокую ценность бобовых трав, роль биологического азота как фактора повышения плодородия почвы, урожайности, экономичности культур и охраны биосферы еще недостаточно оценена.
Поскольку фиксация азота происходит в клубеньках, то наиболее эффективно оценить этот процесс можно по развитию и активности симбиотического аппарата.
Для исследования жизнедеятельности клубеньковых бактерий бобовых трав проводили исследования в естественных фитоценозах и на пахотных землях. Количество клубеньков и их окраску определяли в 0–20 см слое почвы на корнях бобовых трав.
На искусственно зараженных участках (свинцом, мышьяком, ртутью, фтором, цинком и кобальтом) изучали количество клубеньков и их окраску леггемоглобином. Отсутствие окраски более 80% у исследуемых растений оценивали как экологическое бедствие. При окраске в розовый или красный цвет не менее 50% у изучаемых растений заключали об удовлетворительном состоянии территории.
Отсутствие окраски указывает на загрязнение не только почвы, но и воздуха, которым дышат клубеньковые бактерии, фиксируя молекулярный азот.
При биоиндикации учитывали показатели химического состава почвы в корнеобитаемом слое и максимальное формирование количества азотфиксирующих клубеньков. Одновременно сравнивали и предельно допустимые концентрации (ПДК) тяжелых металлов при оптимальной влажности почвы.
Наличие клубеньков розового или красного цвета (в зависимости от вида бобовых трав) свидетельствует о высокой активности азотфиксации.
Если клубеньки мелкие и имеют зеленый или бурый цвет, заключают о загрязненности исследуемого участка. Такая окраска свидетельствует об отсутствии в клубеньках пигмента леггемоглобина, обусловливающего розовую или красную окраску.
В отличие от известных методов, когда осуществляют химический состав почвы, в предлагаемом нами методе можно определить токсичность почвы путем окраски клубеньковых бактерий, расположенных на корневой системе бобовых трав. Причем, такую диагностику можно осуществлять в течение всей вегетации: с момента отрастания бобовых трав, весной и до фазы цветения.
При наличии в почве избыточного количества свинца, кадмия, стронция, радионуклидов, нефтепродуктов и других токсикантов нарушается кислотный режим раствора в корнеобитаемом слое, что приводит к снижению леггемоглобина и азотфиксирующему действию клубеньков, а, следовательно, к исчезновению окраски.
Результаты опытов показали, что экологическое бедствие наступает при окрашивании азотфиксирующих клубеньков в пределах 8–15% и содержании в почве свинца, превышающее ПДК в 1,2–1,5 раза. Значительные снижение активности клубеньков наблюдалось при увеличении концентрации ртути в 1,1 раза (Табл. 1).
Таблица 1. − Влияние токсичности почвы на азотфиксирующую способность бобовых трав
Токсиканты почвы |
Предельно допустимые концентрации (ПДК), мг/кг |
Содержание показателей на участках, мг/кг |
Общее количество клубеньков в выборке, шт. |
Количество, окрашенных пигментом, шт. |
% окрашенных клубеньков |
Категория опасности |
Свинец |
32,0 |
48,0 |
826 |
118 |
14,3 |
3 |
Мышьяк |
20 +1,0 |
25 + 8 |
612 |
85 |
13,9 |
3 |
Свинец + ртуть |
2,0 |
2,5 |
1835 |
150 |
8,5 |
3 |
Фтор |
10,0 |
18,0 |
2130 |
862 |
40,4 |
2 |
Цинк + кобальт |
23,0 + 5,0 |
37 + 8 |
1385 |
726 |
52,4 |
1 |
Разработанные нами методы позволяют повысить точность оценки загрязненной территории и упростить определение ее токсичности по методу биотестирования клубеньковых бактерий непосредственно в полевых условиях без дополнительных затрат на химические анализы.
Следовательно, клубеньковые бактерии бобовых трав могут служить биоиндикаторами при оценке токсичности почв определенной территории.
ЛИТЕРАТУРА
- Бекузарова С. А. Экологические аспекты ремедиации почв / Бекузарова С. А. Ханиева И. М. Качмазов Д. Г. // Коллективная монография «Экологические аспекты жизнедеятельности человека, животных и растений». − Москва- Белгород: Белгород, 2017. − С.7–28.
- Азоркин Ф. В. Укрепление кормовой базы животноводства на основе возделывания бобовых и бобово-злаковых травостоев // Кормопроизводство. – 2001. − №4. − С. 13–15.
- Алейникова Л. Д., Трепачев Е. П. Экологические последействия применения агрохимикатов: удобрения. – Пущино, 1982. − С 15–16.
- Андреев Н. Г., Кобозев И. В., Максимов В. И. Формирование корневой системы люцернового и люцерно-злакового травостоя и потребление ими элементов питания // Известия ТСХА. − 1979. −Вып.5. − С.51–59.
- Веденяпина Н. С., Бредихина Н. А. Экология клубеньковых бактерий и эффективность нитрагина // Тр. Волгоградского СХИ. − Волгоград, 1974. – Т.54. – С. 146–152.
Метки: Общая биология