к.б.н. Есимов Б.К., к.б.н.Тапалова О.Б. магистр Майматаева А.Д., магистр Кауынбаева Э.

Казахский национальный педагогический университет имени Абая, Казахстан

Protozoa как биоиндикаторы почв, загрязненных тяжелыми металлами

В зонах, прилегающих к промышленным предприятиям, а также на территориях, расположенных вдоль автомобильных магистралей, с помощью методов биоиндикации, основанных на изменениях состава и соотношений почвенных простейших проанализированы диагностические показатели техногенного загрязнения. Проведена оценка воздействия антропогенных стрессоров на анатомо-морфологические структуры почвенных одноклеточных. Действие загрязнителей на динамику популяций и характер распространения простейших изучено путём качественной оценки определенных таксономических и физиологических групп и некоторых результатов их жизнедеятельности. Оба параметра в сочетании с фактором времени позволяют сделать выводы относительно интенсивности протекания микробиологических процессов в почве.

Главным источником загрязнения биогеоценозов Или-Балхашского региона тяжелыми металлами являются промышленные предприятия и автотранспорт. Особое индикационное значение загрязнения почвы пылью, содержащей тяжелые металлы, связано с высокой чувствительностью многих организмов к повышенному содержанию этих элементов. Это в особенности относится к группе организмов, которые потребляют тяжелые металлы вместе с питательными веществами непосредственно из почвы и включают их таким образом в свой обмен веществ.

Часто в качестве биотестов используются почвенные беспозвоночные, некоторые характеристики которых (численность, видовая принадлежность, ареал распространения и др.) позволяют судить в известном приближении о состоянии почв; более того, в ряде случаев биологические методы диагностики бывают удобнее и дешевле механических и химических исследований [1]. Одной из самых многочисленных и чувствительных к антропогенному воздействию почвенных беспозвоночных, населяющих естественные почвенные биоценозы являются Protozoa.

В наших исследованиях мы попытались использовать простейшие организмы в качестве биоиндикаторов состояния почвенной среды в исследуемом регионе. Научные исследования группы Protozoa проводились в российских институтах достаточно давно [2, 3], в Республике Казахстан мониторинговые исследования с использованием микрофауны проводили [4, 5], в основном, для степной и лесостепной зон Казахстана и в целях рекультивации антропогенных территорий [6, 7].

В настоящем исследовании нами изучалось экология почвенных простейших их количественные характеристики, сезонная динамика и выявление их биоиндикационных возможностей для почв региона, загрязненных ТМ.

Материалы и методы

Объектом исследований выбраны образцы темно - и светлокаштановых почв окрестностей поселка Қоргас Алматинской области, отобранные в разные периоды времени 2010 г и имевшие определенные географические, эдафические и физико-химические характеристики. Всего для исследований было отобрано 30 проб. Указанные сроки учёта выбраны в соответствии со стандартной методикой проведения количественного учёта, отработанной в лаборатории почвенной зоологии МГУ им Ломоносова [2]. Отбор проб почвы производился вдоль международной автомагистрали Алматы - Китай, контролем служили пробы почв, взятые в предгорьях Тышқан Тау (окрестности села Баскунчи), находящиеся в 25-30 км от автомагистрали. Урбанизированные почвенные образцы содержали кислоторастворимые формы ТМ (мг/кг):Cd - от 0,39 ± 0,03 до 0,67 ± 0,07; Pb – от 42,1 ± 2,5 до 63,8 ± 4,1; Cu от 36,4 ± 2,2 до 52,7 ± 3,3; Zn – от 59,2 ± 5,2 до 60,7 ± 6,1. Контрольные почвенные образцы содержали (мг/кг): Cd - 0,16 ± 0,02; Pb – 19,8 ± 1,6; Cu - 21,5 ± 1,9; Zn – 41,3 ± 4,2 [8].

Для модельных экспериментов были использованы варианты почвенных образцов: контроль, естественные урбаноземы, 2 – кратное содержание ТМ, 4 – кратное содержание ТМ (ацетаты) Cd и Pb, сульфаты Cu и Zn) в мг/кг. сухой почвы.

Методом предельных разведений навески почвы жидкой питательной средой (сенной настой с почвенной вытяжкой) определяли инфузорий и жгутиконосцев (в 1 г. сухой почвы): численность голых амёб определяли на агаризованной среде в чашках Петри с кольцами [9]. Исследование проводили в 3 повторностях. Отнесение обнаруженных видов к различным жизненным формам проведено по признакам, разработанными А.К. Лепинис и др. [10].

При изучении простейших устанавливались основные характеристики их фауны: численность и общее обилие, массовые (доминирующие и субдоминирующие) виды. Виды, составляющие более 10% от общего обилия, считали доминирующими, субдоминирующие составляли от 2 до 10%; малочисленные виды – менее 2% от общего обилия.

Результаты учёта количества простейших на твердых средах статистически оценивали по критерию Стьюдента.

Результаты и обсуждение

Общие данные по количественному и качественному составу микрофауны в изучаемых почвенных образцах представлены в таблице 1. Средняя численность инфузорий в контрольных образцах изменялась от 6,6 х 10³ ± 1,10 до 7,0 х 10³ ± 1,60 клеток/г. почвы в некоторой зависимости от низких концентрации ТМ (ниже ПДК), в урбаноземах достоверно снизилась от 3,5 х 10³ ± 0,97 до 4,5 х 10³ ± 1,38 клеток/г. почвы.

Другая группа подвижных форм простейших – жгутиконосцы – имела следующую численность; в контрольных образцах от 70,7 х 10³ ± 2,91 до 72,0 х 10³ ± 4,53 клеток/г. почвы, в урбаноземах снижение составило от 53,1 х 10³ ± 3,06 до 56,7 х 10³ ± 3,30 клеток/г. почвы.

Табл.1 – Численность простейших (тыс. клеток/г почвы) в почвенных образцах, отобранных в весенний период.

№	Объект	Контроль	Урбаноземы
1	Инфузории	6,8 ± 1,22	4 ± 1,1
2	Жгутиконосцы	71,5 ± 3,6	55,1 ± 3,1
3	Голые амёбы	24 ± 2,3	20,5 ± 2,03

Численность голых амёб составила от 23,2 х 10³ ± 2,25 до 24,4 х 10³ ± 2,21 в контрольных образцах, в урбаноземах – от 20,3 х 10³ ± 1,39 до 20,8 х 10³ ± 2,20 клеток/г. почвы.

Общая численность всех групп простейших достигла 102,3 х 10³ клеток/г почвы в контрольных образцах, в урбаноземах – 79,6 х 10³ клеток/г. почвы.

Гистограмма 1 – Обилие групп простейших в почвенных пробах региона (тыс. клеток/г. почвы.)

Доминирующей группой явились жгутиконосцы и голые амёбы (гистограмма 1): численность амёб от общего обилия составила 69,9 в контроле и 55,0% в урбаноземе; жгутиконосцев – 21,1 и 14,3% соответственно, инфузории отнесены к субдоминирующей группе (6,7 и 3,1%).

Гистограмма 2 – Снижение численности простейших в урбаноземах (%) под действием токсических ТМ

Согласно гистограммы 2 инфузории проявили наибольшую чувствительность к токсическим ТМ Их численность снизилась более чем на 40%, следующим объектом по чувствительности к ТМ были жгутиконосцы (снижение численности составило 23%), голые амёбы проявили слабую чувствительность к ТМ – 14,6%.

Таким образом, при биотестировании почвенных образцов, собранных вдоль автомагистралей, с применением различных групп простейших, наиболее чувствительным тест-объектом к ТМ оказались инфузории.

Для выявления влияния ТМ проведены модельные эксперименты с внесением определенных доз ТМ в культуры клеток, выявленных из почвенных образцов.Достоверное снижение численности инфузорий наблюдали в опыте при увеличении дозы Сd (естественные урбаноземы, 2 - кратное увеличение дозы Сd, 4 - кратное увеличение дозы Сd) на 35,7, 48,6 и 52,9% соответственно по сравнению с контролем. Реакция инфузорий на присутствие Pb в тех же вариантах опыта показала снижение численности на 47,0, 51,5 и 56,0% соответственно увеличению дозы этого металла. Cu вызвала снижение численности инфузорий на 21,1, 26,3 и 30,3% соответственно вариантам опыта. Увеличение дозы вносимого Zn вызвало незначительное ингибирование численности тест – объекта: на 3,9, 6,5 и 9,1% по сравнению с контролем (таблица 2). Таким образом, наибольшей токсичностью обладал Pb и ранжирование изучаемых ТМ по степени токсичности к инфузориям выглядело следующим образом:Pb > Cd > Cu > Zn.

Таблица 2. – Изменение численности простейших в зависимости от концентрации тяжелых металлов в различных вариантах почвенных образцов.

Вариант	Численность инфузорий, тыс. клеток/г
	Cd	Рb	Сu	Zn
контроль	7,0±1,6	6,6±1,1	7,6±1,5	7,7±1,2
урбаноземы	4,5 ±1,4	3,5±0,9	6,0±1,2	7,4±1,3
2-кратное увеличение ТМ	3,6±1,2	3,2±0,8	5,6±0,9	7,2±0,8
4-кратное увеличение ТМ	3,3±1,1	2,9±0,9	5,3±0,7	7,0±1,1
Вариант	Численность жгутиконосцев, тыс. клеток/г
	Cd	Рb	Сu	Zn
контроль	71,7±3,4	70,7±2,9	75,8±4,1	77,0±2,8
урбаноземы	55,1±3,2	53,1±3,1	67,1±4,2	72,5±3,5
2-кратное увеличение ТМ	52,9±3,1	43,8±3,0	59,9±4,1	68,4±3,6
4-кратное увеличение ТМ	50,6±3,5	37,8±2,8	56,4±4,0	64,3±3,1
Вариант	Численность голых амеб, тыс. клеток/г
	Cd	Рb	Сu	Zn
контроль	24,3±2,5	23,2±2,3	24,3±1,6	26,3±1,6
урбаноземы	20,8±2,2	20,3±2,5	21,6±1,7	23,4±1,1
2-кратное увеличение ТМ	19,0±2,2	18,3±1,5	19,3±1,0	20,9±1,6
4-кратное увеличение ТМ	16,7±2,0	16,9±2,1	17,8±1,	19,7±1,

Численность и обилие жгутиконосцев также зависело от содержания ТМ в почвенных образцах: Cd снижал эти показатели на 23,2, 26,2 и 29,4%; Pb – на 24,9, 38,1 и 46,5% соответственно увеличению дозы этого металла; Cu – 11,5, 21 и 25,6% соответственно; Zn – на 11,0, 20,5 и 16,5% соответственно увеличению дозы по сравнению с контролем (табл.2).

Небольшое снижение численности голых амеб наблюдали во всех вариантах модельного эксперимента: Cd снижал обилие амеб на 14,4, 21,8 и 31,3% соответственно увеличению дозы этого металла;

Pb - на 12,5, 21,1 и 27,2%; Cu – 11,1, 20,1 и 26,7% соответственно; Zn – на 14,1, 20,5 и 25,1% соответственно увеличению дозы по сравнению с контролем (табл. 2).

Установлено, что для инфузорий и жгутиконосцев наиболее токсичным металлом явился Pb, для голых амёб – Cd, Cu и Zn оказали меньшее ингибирующее воздействие на микрофауну почвенных образцов (снижение численности было в пределах от 3,9 до 30,3%).

Увеличение концентрации ТМ (в 2 и 4 раза) привело к снижению количества выживших простейших во всех вариантах опыта, но в разной степени.

Все группы простейших реагировали на ТМ в почвенных образцах, но наибольшую чувствительность проявили инфузории и жгутиконосцы в отношении Pb и Сd; динамика отмирания клеток голых амёб была выше в присутствии Сd.

Полученные результаты позволили сделать вывод о том, что выбранные виды одноклеточных организмов достаточно чувствительны к различным ТМ, и могут быть использованы в качестве тест-объектов для проведения биотестирования загрязнения почв.

Литература

1. Гельцер Ю.Г. Простейшие (Protozoa) как компонент почвенной биоты (систематика, экология) // Уч. пос. – М. – Из-во МГУ. – 1993. –175 С.

2. Гельцер Ю.Г. Методы изучения почвенных простейших // Почвенные простейшие Л.: 1980. С.154-164.

3. Гиляров М.С. Почвенные беспозвоночные как показатели почвенного режима и условий среды// В кн.: Биологические методы оценки природной среды М. – наука. – 1978. С.78-79.

4. Есимов Б.К. Влияние севооборота и некоторых удобрений на развитие простейших в почвах юго-востока Казахстана //Сб. научных трудов кафедры зоологии АГУ им Абая. Алматы.1999. С.140-146.

5. Есимов Б.К. Критерии устойчивости почвенных протозойных популяции в природных экосистемах // Журн. «Вестник ПГУ им. Торайгырова. Серия экологическая». Павлодар 2004. №2. С.154-160.

6. Есимов Б.К. Protozoa как индикатор антропогенного воздействия на почвенный покров // Мат. международной научно-практической конф. «Стратегия развития пищевой и легкой промышленности». Алматы. 2004. С.50-52.

7. Есимов Б.К. Геохимическая экология Protozoa, обитающих в почвах с разным уровнем содержания меди и цинка // Вестник КазНПУ им. Абая. Серия биологическая «Естественно- географические науки». Алматы. 2005.

8. Мынбаева Б.Н., Есимов Б.К. Биотестирование почв г. Алматы. // Мат-лы международ. конф., посвящ. 80-летию акад. Илялетдинова А.Н. – Алматы. – 2009. С. 176-180.

9. Николюк В.Ф., Гельцер Ю.Г. Почвенные простейшие СССР – Ташкент. – 1972. – С.310.

10. Лепинис А.К., Гельцер Ю.Г., Чибисова О.И., Гептнер В.А. Определитель Protozoa почв Европейской части СССР. – Вильнюс.- 1973. – С. 17