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

  1. 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.
  2. Азоркин Ф. В. Укрепление кормовой базы животноводства на основе возделывания бобовых и бобово-злаковых травостоев // Кормопроизводство. – 2001. − №4. − С. 13–15.
  3. Алейникова Л. Д., Трепачев Е. П. Экологические последействия применения агрохимикатов: удобрения. – Пущино, 1982. − С 15–16.
  4. 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.
  5. 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