Родовой состав и численность цианобактерий в антропогенно-преобразованных почвах г. Волгодонска

Аннотация. Статья посвящена вопросам определения родового состава и численности цианобактерий в почвах 4 функциональных зон г. Волгодонска Ростовской области. Определено наиболее вероятное число клеток каждого рода цианобактерий в свободной от видимых обрастаний почве. Обнаружено, что максимума численность цианобактерий достигает в почве промышленной зоны города.
Ключевые слова: почва, цианобактерии, роды, состав 

Введение
Развитие почвенных  цианобактерий и их роль в биогеоценозах зависит от особенностей климата, водного режима, почвы и растительности [1]. Установлено, что почвенные цианобактерии города отличаются от таких же микроорганизмов природных экосистем по родовому составу, доминирующим видам, биомассе и численности [2]. Даже при действии множества антропогенных и природных стресс-факторов, цианобактериальные сообщества имеют довольно высокое биоразнообразие и большую численность в условиях урбопочв. Почвенная альгофлора играет огромную роль в жизни почв, которая определяется главным образом особенностями микроводорослей как фотоавтотрофных организмов. Почвенные водоросли выступают накопителями первичного гумуса, подготавливают возможность поселения других растений. Поверхностные пленки водорослей имеют большое противоэрозионное значение и влияют на водный режим почвы. Альго-цианобактериальные сообщества широко используются как индикаторы состояния почв при экологическом мониторинге. Зная особенности реакции циано-альгофлоры можно оценивать возможные изменения окружающей среды, происходящие под влиянием антропогенных факторов [1]. В связи с этим, цель данной работы – изучить родовой состав цианобактериальных сообществ в пределах города Волгодонска, в четырех функциональных зонах: селитебной, парковой, промышленной и транспортной, сделать оценку влияния антропогенных и природных стресс-факторов, а именно длительной засухи июля-августа 2014 года.

Материалы и методы исследования
Отбор проб почвы производился в определенных точках четырех зон города: транспортной, селитебной, промышленной и парковой в августе 2014 года. Снимался верхний слой почвы (0-5 см). Пробы отбирались по методу конверта. Усредненные пробы почвы доставлялись в лабораторию для проведения необходимых исследований.

Ввиду низкой численности цианобактерий в свободной от обрастаний почве, производилась концентрация почвенной суспензии [3]. Сначала были приготовлены 4 колбы с 500 мл стерильной водопроводной воды. В них вносились навески из 50 г почвы, взятой в каждой из зон города. Почва при этом тщательно растиралась в фарфоровой ступке с небольшим количеством воды пестиком с резиновым наконечником до гомогенного состояния. Колбы помещались на шейкер, и встряхивались в течение 25 минут.

После взбалтывания, колбы оставляли на 3-4 минуты для осаждения тяжелых почвенных частиц. Клетки микроорганизмов при этом остаются во взвешенном состоянии. Далее, все содержимое колб, за исключением тяжелого осадка, переносили в стерильные колбы равного объема. К полученной суспензии добавляли 2 мл 10% FeCl₃ и 2 мл 10% Na₂CO₃ перемешивали и оставляли на 1 час при 4° С. Образующийся при этом коллоидный гидроксид железа сорбировал все взвешенные частицы, включая и клетки микроорганизмов, формируя на дне колб плотный осадок. После завершения коагуляции, супернатант колб осторожно сливался, а осадок, содержащий клетки микроорганизмов количественно переносился в центрифужные пробирки и центрифугировался 15 мин при 8000 об./с, после чего супернатант вновь удалялся.

Полученный осадок каждого образца разводился в маленьких стаканчиках в 25 мл стерильной водопроводной воды до гомогенного состояния. Таким образом, микроорганизмы, содержащиеся в 50 г почвы, оказывались сконцентрированы в 25 мл суспензии. Эта суспензия затем подвергалась серийным разведениям, и из каждого разведения производился посев в три параллельные пробирки со средой BG-11 [4]. Посевы инкубировали при естественном освещении и комнатной температуре в течение 30 суток.

После истечения срока инкубации пробирки анализировались на наличие цианобактериальных разрастаний. Подготавливались микропрепараты, и образцы из каждой пробирки микроскопировались под световым микроскопом. Производилось фотографирование образцов и родовая идентификация присутствующих в каждой пробирке цианобактерий по последнему изданию определителя Берджи [5]. Для каждого рода составлялась числовая характеристика и определялось наиболее вероятное число клеток в грамме почвы согласно таблицам Мак-Креди.

Результаты и обсуждение

Данные по численности цианобактерий в свободной от видимых цианобактериальных обрастаний почве приведены в таблице 1. 

Таблица 1

Наиболее вероятное число клеток цианобактерий в почве функциональных зон г. Волгодонска. 

Как видно из данных таблицы, цианобактерии в исследуемых почвах встречались в относительно небольшом числе, а в парковой зоне полностью отсутствовали. Эти результаты связаны прежде всего с тем, что нами рассматривалась городская почва, свободная от цианобактериальных обрастаний, что в условиях юга России является типичным для урболандшафтов случаем. Однако и в таких почвах цианобактерии сохраняют свою роль, уменьшая эрозию, и, при отсутствии устойчивого растительного покрова, являются зачастую важными продуцентами свежего органического вещества.

В ходе исследований было отмечено, что в почвах города в основном содержались рода цианобактерий, представители которых способны к образованию слизистых чехлов. Это связано с тем, что слизь играет огромную роль в поглощении и накоплении воды у микроорганизмов, что позволяет им выживать в засушливых местообитаниях [6]. Также полученные результаты о родовом составе согласуются с тем, что для аридных биогеоценозов наиболее характерны представители порядка Oscillatoriales [7].

Рисунок 1. Распределение родов почвенных цианобактерий по зонам города.

 А - транспортная зона Б - селитебная зона В – промышленная зона 

Как было обнаружено, в почвах города количественно преобладают безгетероцистные формы, так как воздействие городских поллютантов негативно влияет на чувствительность нитрогеназы азотфиксирующих цианобактерий, поэтому их размножение становится в данных условиях ограниченным [2]. Отсутствие гетероцистных форм говорит о том, что почва обеспечена соединениями азота [8].

В парковой зоне, где сбор производился в тени деревьев под лиственным опадом ни в одном из разведений цианобактерий не обнаружилось, из чего можно сделать вывод, что возможно засухоустойчивые роды также чувствительны к освещенности [6]. При этом зеленые и желто-зеленые водоросли обнаруживались в достаточном количестве.

В транспортной зоне резко доминировали представители р. Lyngbya, что может объясняться наличием у них более плотных чехлов, способствующих выживанию в крайне нарушенной и сильно загрязненной почве. Достаточно значительно представлены здесь и азотфиксирующие цианобактерии р. Nostoc. Возможно, данные цианобактерии лучше других приспособлены к высокой степени антропогенного воздействия, поскольку в г. Ростове-на-Дону, мегаполисе с более выраженным по сравнению с Волгодонском уровнем такого воздействия, также массово отмечались именно эти два рода [9].

 
Рисунок 2. Микрофотографии представителей цианобактерий, выявленных в почвах г. Волгодонска.
1 – Chlorogloeopsis,  2 – Nostoc, 3 – Oscillatoria, 4 – Leptolyngbya, 5 - Lyngbya 

В селитебной и промышленной зонах доминировали представители родаLeptolyngbya. Данные цианобактерии оказались наиболее широко представлены в исследуемых почвах, и обнаруживались во всех трех зонах, однако в транспортной зоне их численность составляла лишь 5% от общего числа. Данные цианобактерии даже в условиях водной культуры проявляли способность образовывать очень плотные, прочные пленки, что может отражать их потенциал в скреплении поверхностного слоя почвы. При этом в литературе показано, что данный род оказывается доминирующим в ненарушенных аридных биоценозах [10]. Среди цианобактерий, способных к образованию гетероцист, в селитебной зоне обнаруживался Chlorogloeopsisв числе 800 кл/г, а в промышленной данный род отсутствовал, но был выявлен Nostoc, хотя и в очень небольшом числе (60 кл./г). По-видимому, почвы промышленной зоны оказываются наиболее неблагополучными для азотфиксирующих видов в связи с загрязнением, либо наблюдается привнесение соединений азота с осадками из атмосферы, лишающее их конкурентного преимущества перед другими видами. В урбаноземах происходит аккумуляция нитратов за счет образования при строительстве больших количеств пыли, содержащей катионы Ca²⁺ и Mg²⁺и реагирующей с кислыми оксидами азота, а также с сернистым газом. Последние в больших количествах образуются при сжигании топлива на промышленных предприятиях и в двигателях автомобилей. Образующиеся нитраты и сульфаты поступают в городские почвы с атмосферными осадками [11]. Вместе с тем, именно в промышленной зоне выявлено наибольшее количество безгетероцистных цианобактерий родов Leptolyngbya, Lyngbya и Oscillatoria, для которыхизбыток соединений азота оказывается благоприятным фактором. 

Заключение
В исследуемых зонах города преобладают 5 родов цианобактерий. Доминируют нитчатые формы, не образующие гетероцист. Наиболее богатой по численности и биоразнообразию цианобактерий оказалась промышленная зона. В парковой зоне по ряду причин цианобактерии отсутствовали. Наблюдается значительная разница в составе и соотношении родов цианобактерий в микробном сообществе почв исследованных функциональных зон города. 

Ссылки на источники:

1. Неходимова, С. Л., Фомина Н.В. Цианобактериально-водорослевые ценозы в антропогенно-преобразованных почвах // Проблемы современной аграрной науки: Материалы международной заочной научной конференции (15 октября 2012 г.) / М-во сельского хоз-ва Российской Федерации, Красноярский гос. аграрный ун-т. - Красноярск : Изд-во Красноярского гос. аграрного ун-та, 2012. – 319 c.
2. Домрачева Л. И., Кондакова Л. В., Зыкова Ю. Н., Ефремова В. А. Цианобактерии городских почв // Принципы экологии. 2013. Т. 2. № 4. С. 10–27.
3. Вершигора А. Е.,  Григорьева Л. В., Ярошенко В. А. Санитарная микробиология  - Киев : Здоров'я, 1967. - 197 с
4. Stanier R. Y., Kunisawa, R., Mandel, M., Cohen-Bazire G. Purification and properties of unicellular blue-green algae (order Chroococcales) //Bact. Rev. – 1971. – V. 35. – Is. 2. – P. 171.
5. Castenholz R. W. Phylum BX. Cyanobacteria //Bergey’s Manual® of Systematic Bacteriology. – Springer New York, 2001. – P. 473-599.
6. Голлербах М.М., Штина Э.А. Почвенные водоросли.- Л.: Наука, 1969.- 228 с.
7. Штина, Э.А. Методы изучения почвенных водорослей / Э.А. Штина // Сб. статей «Микроорганизмы как компонент биогеоценоза». М.: Наука, 1984. С. 58-74
8. Кондакова Л.В. Альго-цианобактериальная флора и особенности ее развития в антропогенно нарушенных почвах (на примере почв подзоны южной тайги Европейской части России) // Автореферат дисс.докт. биол. наук, Сыктывкар, 2012. – 34 с.
9. Горовцов А.В. Характеристика ряда эколого-трофических групп в составе микробоценозов урбопочв г. Ростова-на-Дону и их чувствительность к антропогенной нагрузке. // Изв. вузов. Сев-Кавк. регион. Естеств. науки. 2013. -№ 3.– С. 53-57.
10. Alwathnani, H., & Johansen, J. R. (2011). Cyanobacteria in soils from a Mojave Desert ecosystem. Monographs of the Western North American Naturalist, 5(1), 71-89.
11. Pickett S.T.A., Cadenasso M.L., Grove J.M., Boone C. G., Groffman P. M., Irwin E., Kaushal S. S., Marshall V.,. McGrath B. P, Nilon C.H., Pouyat R.V., Szlavecz K., Troy A., Warren P., Urban ecological systems: Scientific foundations and a decade of progress // J. Env. Manag. - 2011. - V. 92, Is. 3. -  P. 331-362