Материал: Іутинська Г.О. Ґрунтова мікробіологія

Застосування в сільському господарстві мінеральних і органічних добрив та різних хімічних засобів захисту рослин призводить до накопи­ чення у ґрунті таких металів, як кадмій, мідь, свинець, нікель, цинк, ко­ бальт і хром. Джерелом забруднення, з яким в орний шар ґрунту потра­ пляє до 50% загальної кількості важких металів, є фосфорні добрива.

Сільськогосподарські землі забруднюються також стічними водами. В їх осаді може міститись велика кількість важких металів, мг/кг: кадмію 13-90, міді 200-1600, нікелю 58-365, свинцю 73-610, хрому 320-2800, цинку 1400-4000, марганцю 200-500. Тривале застосування стічних вод для зрошення сільськогосподарських угідь призводить до значного збі­ льшення валового вмісту важких металів, зокрема, їх доступних форм.

Потрапляючи у ґрунт, важкі метали розподіляються по шарах від­ повідно їх міграційної здатності. В основному вони акумулюються у вер­ хньому гумусвмісному шарі. У ґрунті важкі метали вступають у різні реа­ кції: окиспювально-відновлювапьні, комплексоутворювальні, розчинен­ ня та ін. Завдяки їм метали у ґрунті зв'язуються або переходять в об­ мінну (рухому, водорозчинну) форму. Все це впливає на рівень їх ток­ сичності по відношенню до ґрунтових організмів і рослин. Іони важких металів можуть вступати у взаємодію з фосфатами, карбонатами й ін­ шими солями, адсорбуватись на поверхні глини, гідроксидів заліза, мар­ ганцю.

Важливу роль у міграції і трансформації важких металів відіграють ґрунтові мікроорганізми завдяки їхній здатності до деструкції рослинних і тваринних залишків. При цьому утворюються органічні сполуки, я» ак­ тивно реагують із металами. Продукти гуміфікації - фульвокиспоти, гу­ мінові кислоти - мають у своєму складі багато функціональних груп: ка­ рбоксильні, карбонільні, фенольні, гідроксильні, при взаємодії з якими формуються нерозчинні у воді металорганічні комплекси, нетоксичні для фунтових організмів і рослин.

Як бачимо, у ґрунтах діють механізми трансформації металів, зв’язування їх у малорухомі і незасвійні живими організмами форми. Існують і протилежні механізми переходу зв'язаних форм у рухомі. На­ приклад. при зміні рН ґрунтового розчину від лужного до кислого підви­ щується рухомість важких металів. Загальний (валовий) вміст важких металів у ґрунті відображає сумарну кількість металу в усіх його фор­ мах. Існує позитивна кореляція між валовим вмістом важких металів і вмістом їх рухомих форм.

Прийняті в Україні нормативи гранично допустимих концентрацій важких металів у ґрунтах і рослинах представлені в таблиці 12.3.

239

Таблиця 12.3

Валовий фоновий вміст і ГДК важких металів у фунтах, мг у 1 ке фунту

Залежно від ступеня забруднення ґрунтів важкими металами виді­ ляють п’ять типів екологічних ситуацій, які можуть складатися на землях будь-якого призначення: сприятливу, задовільну, передкризову, кризову і катастрофічну (таблиця 12.4). Відповідно до зазначених вище екологі­ чних ситуацій змінюється і реакція ґрунтів на забруднення. У передкри­ зовій ситуації відбуваються негативні зміни фізичних, хімічних і біологіч­ них властивостей ґрунтів: різко зменшується агрегованісгь фунтової маси і її пористість; зростає рухомість глинистої фракції; зменшується вміст обмінних форм кальцію і магнію; руйнуються карбонати, гідрокси­ ди заліза і гіпсу; змінюється кількісний склад гумусу - підвищується ру­ хомість гумінових кислот, знижується їх оптична густина, істотного при­ гнічення зазнає фунтова біота.

Таблиця 12.4

Нормативи оцінок забруднення фунтів важкими металами

240

Забруднення ґрунтів важкими металами може охоплювати велику площу або бути локальним. Перше характерне для орних ґрунтів і спри­ чинене використанням агрохімікатів, що містять домішки важких мета­ лів. При локальному забрудненні найбільш високий рівень накопичення важких металів у ґрунті відмічають поблизу джерела забруднення, а з віддаленням від нього рівень забруднення зменшується.

При попаданні у ґрунт важкі метали включаються у фізико-хімічні процеси, швидкість протікання яких зумовлюється комплексом абіотич­ них і біотичних факторів. До перших відносяться температура, воло­ гість, випаровування, міграція, гідроліз, сорбційно-десорбційні відносини з ґрунтом та інші.

Відомо, що мікробні угруповання мають потенційну здатність до саморегуляції і пристосування до змін навколишнього середовища. Резистентність (толерантність) визначається як здатність мікроор­ ганізмів рости за несприятливих умов, а чутливість - як пригнічення або загибель мікроорганізмів навіть при низьких дозах несприятливого фактору.

Резистентність мікроорганізмів до важких металів проявляється у здатності рости при високих граничних концентраціях полютантів. При поступовому збільшенні концентрації важких металів може відбуватися адаптація мікроорганізмів. На теперішній час можна виділити декілька типів взаємодії мікроорганізмів із важкими металами, які зумовлюють резистентність: обмеження поглинання елементів із середовища кліти­ нами мікроорганізмів, відновлення елементів, відкладення елементів всередині клітини у нешкідливій формі, метилювання металів, виклю­ чення з метаболізму клітини ланки, яка чутлива до даного металу.

У бактеріальному угрупованні, яке піддається впливу будь-якого одного металу, наприклад міді, збільшується резистентність саме до міді, але не до кадмію, нікелю чи іншого металу. За присутності суміші металів виникає резистентність мікробних угруповань до всіх цих мета­ лів. Зі збільшенням толерантності мікроорганізмів до важких металів негативний вплив останніх на мікробні угруповання зменшується, що підтверджується збільшенням біомаси бактерій. Розвиток резистентнос­ ті до металів дозволяє мікробним угрупованням зберегти їх функції.

Важливим механізмом пристосування мікробних ценозів до неспри­ ятливих факторів є принцип взаємозаміни: якщо одна популяція бакте­ рій гине, то інша, менш чутлива до цього фактору, може виконувати ЇЇ функції. Високі концентрації важких металів відіграють роль селективно­ го фактору, внаслідок дії якого в угрупованнях переважають мікроорга­ нізми, стійкі (резистентні) до цього забруднення (рис. 12.5).

241

нонірогь

10ГДК

20 фК

Рас. 12,5. Вплив важких металів на вмістрезистентних мікроорганізмів

вугрупованніхемоорганогвтеротрофів

В.Н. Гуэев і співроб. в лабораторних експериментах, що моделюва­ ли забруднення фунтів важкими металами (Сг/, РЬ}, показали, що мік­ робне угруповання має 4-етапну реакцію на зростаючий градієнт конце­ нтрації забруднень: зони гомеостазу, стресу, резистентності та репресії:

1) зона гомеостазу мікробного уфуповання існує за таких концент­ рацій полютанту, коли склад і кількісне співвідношення видів в угрупо­ ванні залишаються без змін; можливе незначне зростання загальної мікробної біомаси, що свідчить про стимулюючий вплив низьких концен­ трацій забруднюючої речовини;

2)зона стресу спостерігається за таких концентрацій діючого аген­ ту, що викликають значні зміни в кількісному співвідношенні мікробних популяцій в угрупованні, проте якісний склад угруповання змінюється несуттєво;

3)зона резистентності формується за концентрацій забруднень, які викликають різке зменшення видового різноманіття, коли виживають тільки резистентні популяції;

4)зона репресії викликається такими концентраціями важких ме­ талів, що спричиняють повне пригнічення росту і розвитку мікроорганіз­ мів у ґрунті, тобто унеможливлюють функціонування угруповання.

Отже, мікробним угрупованням ґрунту властива здатність проти­ стояти впливу факторів середовища або повертатися у вихідний стан

242

після відхилень. Завдяки стійкості мікробні угруповання підтримують свій гом еостаз - внутрішню динамічну рівновагу, здатність відновлюва­ ти чисельність і співвідношення компонентів їх структури, регенерувати матеріальні і енергетичні запаси. Гомеостаз забезпечує надійність функціо­ нування мікробної системи за дії несприятливих факторів.

Проведені Г.О. Іутинською зі співавт. дослідження показали, що вплив забруднення на динаміку чисельності хемоорганогетеротрофних мікроорганізмів проявляється у пригніченні їх розвитку у лершу-другу добу після попадання металу у ґрунт та у поступовому відновленні кіль­ кості мікроорганізмів у наступні строки експозиції (рис. 12.6).

Ступінь пригнічення і швидкість відновлення чисельності мікроорга­ нізмів значною мірою залежать від виду І дози забруднення. У дослідах з модельним забрудненням ґрунту солями міді і ртуті у дозах 2 і 4 ҐДК було показазано, що при збільшенні вмісту токсиканту в ґрунті зменшу­ ється виживання мікроорганізмів та подовжується період відновлення їх чисельності. За умов забруднення ртуттю чисельність мікроорганізмів не відновлюється протягом всього періоду спостережень (більш як 150 діб), що вказує на порушення механізмів резистентності і гомеостазу мікробних угруповань. Забруднення ґрунту сумішшю солей важних ме­ талів має більший негативний вплив на ґрунтові мікроорганізми у порів­ нянні з окремими металами, взятими у таких же концентраціях.

Вивчення гомеостазу мікробних угруповань ґрунтів, забруднених важкими металами, дає можливість визначити допустимі дози забруд­ нення, при яких ще не порушуються можливості мікробного угруповання відновлювати свою чисельність і функції.

Поступове збільшення чисельності мікроорганізмів у забрудненому ґрунті можна пояснити, по-перше, зменшенням токсичності важких ме­ талів внаслідок їх зв’язування ґрунтовим поглинаючим комплексом і ча­ сткового вимивання рухомих форм полютантів. По-друге, в структурі мікробних угруповань відбулися якісні зміни видового складу з переваж­ ним розвитком мікроорганізмів, резистентних до високих концентрацій токсикантів.

При вивченні резистентності до іонів важких металів мікроорганіз­ мів різних груп встановлено, що прокаріоти (бактерії, актиноміцети) є більш чутливими до забруднення, порівняно з еукаріотами (мікроскопіч­ ними грибами). Серед еубактерій азотфіксуючі виявляють більшу чут­ ливість до важких металів у порівнянні з хемоорганогетеротрофними, целюлозоруйнівними або нітрифікуючими.

243