Материал: Іутинська Г.О. Ґрунтова мікробіологія

кими рівнями: позаклітинний, клітинний, популяційний, ценотичний. Ця концепція розроблялася на прикладі мікробіологічного моніторингу ґру­ нтів, забруднених іонами важких металів.

На позаклітинному рівні біологічної системи ґрунту досить цінну інформацію отримують, досліджуючи активність ряду ферментів. Так. активність гідролаз і оксидоредуктаз може бути показником біологічного стану ґрунту, коли необхідно оцінити вплив різних чинників: обробітку ґрунту, доз і видів добрив, отрутохімікатів, ступеню ерозії ґрунту, ґрунтовтомлення та інше. На позаклітинному рівні біологічної системи за умов д ії важких металів особливо чутливими до д ії важких металів є оксидоредуктази. Показана можливість використання аскорбатоксидазної активності як показника, що характеризує вплив важких металів на біо­ логічну систему ґрунту на позаклітинному рівні її організації.

На клітинному рівні негативний вплив забруднень проявляється в мутагенній д ії на генетичний апарат мікробної клітини. Поява мутантних штамів маже призвести до непередбачуваних екологічних наслідків, то­ му доцільно у екологічному моніторингу ґрунтів проводити вивчення му­ тагенного впливу забруднень на генетичний апарат клітин тест-мікро- організмів або мікробне угруповання в цілому.

Дослідження на популяційному рівні полягають у вивченні поведін­ ки окремих популяцій мікроорганізмів. Це дає можливість виявити чут­ ливі до антропогенного чинника форми, які можна використати як біоін­ дикатори на його присутність.

Вивчення особливостей росту окремих культур азотфіксуючих мік­ роорганізмів за присутності Іонів важких металів показало, що у моніто­ рингу ґрунтів можна використовувати чутливі штами АгоіоЬа<$вг сіїгоососсит як тест-культури на забруднення Сгі2*, Си2*, РЬг+ і ггі2*. Окремі штами цього виду втрачають здатність до росту вже при низьких дозах забруднення - 1 ГДК. Виділено рад штамів стрептоміцетів, чутливих до важких металів: & \/егзірвііів (секція Сіпвгеив /серія Асіїготодепез), З-дпввовШив (А/ЬосоЬгаШ$) та 5мгісіодепе$ (Сіпвгвив/СЬгувотвііив). Ці штами можна використовувати як тест-культури на забруднення іонами окремих металів, а також їх сумішшю.

На цвнотичному рівні моніторингових досліджень ґрунту важливо отримати дані про чисельність мікроорганізмів окремих екологотрофічних або таксономічних груп та їх співвідношення у складі мікро­ бного ценозу. Визначають флуктуації їх чисельності, розраховують по­ казники стійкості і гомеостазу. Характер того чи Іншого процесу у ґрунті з’ясовують за коефіцієнтами оліготрофності мікробного ценозу, мінера- лізації-Імобілізації азоту, індексу аеробності та ін.

На ценотичному рівні одним із важливих показників у моніторингу забруднених ґрунтів є рослинно-мікробні взаємодії, які можна охаракте­

269

ризувати ефективністю бобоео-ризо&ального симбіозу. На прикладі

ИШгоЫит Івдитіпозашт і Я.;аропІсит показано, що важкі метали нега­ тивно впливають на нодуляційну активність бульбочкових бактерій. За високих рівнів забруднення припиняється формування бульбочок і га­ льмується азотфіксуюча активність.

Таким чином, на підставі проведених досліджень для мікробного моніторингу ґрунтів, забруднених важкими металами, запропонована система біодіагностичних показників, яка представлена у таблиці 13.1.2

Таблиця 13.1

Система показників для мікробіологічного моніторингу грунтів, забруднених важкими металами (за К.І. Андрвюк, Г.О. Іутинською, А.Ф. Антипчук та ін., 2001 р.)

2 етап. Розробка математичних моделей динаміки біоіндикаційних показників

Для використання результатів мікробіологічних спостережень у ді­ ючій системі екологічного моніторингу фунтів із комп’ютерною мережею обробки даних необхідно проводити їх формалізацію шляхом побудови математичних моделей.

Як приклад можна навести досвід побудови лінійних моделей ди­ наміки чисельності органотрофних мікроорганізмів у ф унті, забрудне­ ному міддю і ртуттю. Побудова моделей проведена в інтерактивній сис­ темі АСТРІД методом групового урахування аргументів. Система АСТР1Д розроблена А.Г. Івахненко у Міжнародному науково-навчаль­ ному центрі ЮНЕСКО/ МП1 інформаційних технологій і систем НАН І МОІН України.

270

Вхідними даними для побудови моделей є незалежні змінні: конце­ нтрація рухомих форм важких металів, середньодекадні значення тем­ ператури, вологості ґрунту і повітря, чисельність мікроорганізмів у ґрунті контрольної незабрудненої ділянки. Вихідними (залежними) змінними е дані про чисельність мікроорганізмів еколого-трофічних груп у забруд­ неному важкими металами ґрунті.

Для побудови моделі динаміки чисельності органотрофних мікроор­ ганізмів формується такий список вхідних змінних:

Х 1 - чисельність мікроорганізмів на контрольній ділянці (мпн. в 1 г сухого ґрунту);

Х2 - концентрація міді (мг/кг ґрунту); ХЗ - концентрація стронцію (мг/кг ґрунту); Х4 - концентрація кадмію (мг/кг ґрунту); Х5 - концентрація ртуті (мг/кг ґрунту);

Х6 - концентрація свинцю (мг/кг ґрунту); Х7 - число діб від дати забруднення;

Хв - середня температура повітря поточної декади (°С); Х9 - середня температура повітря попередньої декади (°С); Х10 —середня вологість повітря поточної декади (%); Х11 - середня вологість повітря попередньої декади (%); Х 1 2 - коефіцієнт вологості ґрунту.

Як видно з наведеного переліку, до змінних внесені дані вологості та температури повітря попередніх декад з огляду на певну інерційнісгь біологічних процесів.

На базі динаміки цих змінних будуються лінійні моделі динаміки чи­ сельності мікроорганізмів у ґрунті залежно від екологічних факторів і дози забруднення.

Модель динаміки чисельності органотрофів у ґрунті, забрудненому міддю, має виглад:

Υ = 105 + 1,138Х1 - 0,0539Ха - 2,002Хз - 1.019Х,-0,0545Хе -

-0,046Х7+ 0,287Хд - 62,003Хіа

зтакими показниками ЇЇ якості: СКП = 1,431 (середньоквадратична по­

хибка моделі), Я = 3,505 (максимальна абсолютна похибка моделі), ^ = 2 4 ,6 8 % (відношення максимальної похибки до варіювання вели­ чини, яка моделюється).

Як бачимо, істотно впливали на чисельність органотрофів у забруд­ неному фунті всі змінні вмісту важких металів, окрім Х5 (концентрація ртуті), неінформативними були також змінні Х8, Х10 та X11, що харак­ теризують температуру і вологість повітря.

На рис.13.1 представлені експериментальна крива і графічний ви­ гляд моделі, які узагальнюють результати 4-річних спостережень за мік-

271

робіотою фунту. У кожномі році виборку складали дані по 3-х строках відборів зразків. Тобто за 4 роки було проведено 12 етапів спостере­ жень, які в моделі вишикувані в зростаючому порядку - від 1-го до 12-го. Наведені на рисунку дані ілюструють відповідність експериментальних спостережень теоретично розрахованим показникам.

Звбруанеіня ртуттю в дозі 2 ГДК Забруднення ріугпо в дозі 4 ГДК

Етиліспостережень

рптражо—ні замодедно

в — ДиіС Ю Т ф в В Ш

—4 а- Давіслостсреасм

Рис. 13.1.Динаміка чисельностіорганогетеротрофних мікроорганізміву фунт, забрудненомуважкимиметалами

(за Г.О. Іутинською, 2005р.)

272

Аналіз цих графіків показує, що в більшості випадків екпериментальні і розраховані за моделлю дані співпадають. Проте є випадки їх роз­ ходження, наприклад, у ґрунті, забрудненому міддю дозою 2 ГДК на 4-му етапі спостережень, а також у ґрунті, забрудненому дозою 4 ГДК на 5-му етапі спостережень. Такі розходження можна пояснити просторовою неоднорідністю ґрунту, наявністю кореневих залишок, іншими мікропокапьними умовами, які могли викликати коливання чисельності мікроор­ ганізмів, не передбачені моделлю. Незважаючи на ці розходження, мо­ дель адекватно відображає динаміку чисельності мікроорганізмів, про що свідчать результати “екзаменаційної* перевірки. Для цього на графік на­ носили три останні точки, які згідно з моделлю прогнозували очікувану кількість мікроорганізмів при визначеному вмісті важких металів у ґрунті.

Отримані впродовж наступних досліджень експериментальні дані майже повністю збіглися з прогнозованими. Статистичні показники якос­ ті моделі також свідчать про те, що експериментальні й розраховані дані збігаються на 75,3%.

Чисельність органотрофів у ґрунті, забрудненому ртуттю, опису­ ється рівнянням з такими характеристиками якості: СКП = 1,469, И = 3,369, 24,96%, тобто співпадала з даними експериментальних спостережень на 75,04%. Модель має вигляд:

У = 17,852 + 0.872Х, + 22,989Хг + 0,154Хз + 1,162X4- 34.492Х. + + 0,153Хв-0,096Х 11.

Якість моделі ілюструє рис. 13.1, з якого видно, що за дози забруд­ нення ртуттю 2 ГДК модель адекватно описує динаміку чисельності мік­ роорганізмів, про що свідчить збіг трьох останніх “екзаменаційних” то­ чок, розрахованих згідно з моделлю і даними спостережень.

За більшої дозі забруднення (4 ГДК) спостерігається відхилення експериментальних даних від тих, що розраховані за отриманою мо­ деллю. Таке відхилення можна пояснити тим, що за високої дози забру­ днення ртуттю, яка є більш токсичною для мікроорганізмів, ніж мідь, втрачається стабільність угруповання органогетеротрофів. Вони чутли­ во реагують не тільки на ті фактори, що передбачені моделлю, але й на ті, що не були враховані при математичному моделюванні. Отже, за ви­ соких доз забруднення потрібно розширювати кількість змінних або бу­ дувати нелінійну модель.

Спільне використання моделей динаміки чисельності мікроорганіз­ мів у контрольному і забрудненому ґрунтах дозволяє вирішити задачу відновлення відсутніх або втрачених даних. Наприклад, можна віднови­ ти подекадну динаміку чисельності мікроорганізмів протягом усього пе­ ріоду проведення моніторингу. Можливість цього забезпечена тим, що, по-перше, моделі достатньо точно відповідають експерименту, особли-

273