Роль трофо-метаболічної діяльності ссавців-фітофагів у відновленні біологічної активності забруднених важкими металами ґрунтів
Т.А. Замєсова, С.М. Кірієнко
Дніпропетровський національний університет, Дніпропетровськ, Україна
На сьогодні діяльність людини має великий вплив на ґрунт, один із компонентів біосфери. Про стан цього компонента та ґрунтові процеси можна судити за біологічною активністю. Біологічна активність визначається інтегрованою проявою мікробіологічної та ферментативної активності, сумарним накопиченням вільних амінокислот, ґрунтовим ”диханням”, впливом педозооти та рослинності. За цих умов біологічна активність є найважливішим показником ґрунтоутворення і є сумою біологічних процесів, які обумовлюють рівень родючості ґрунту (Мишустин, 1975; Звягинцев, 1976). Будучи складовою частиною біологічної активності, ферментативна активність являє собою поліфункціональну характеристику, яка залежить від властивостей ґрунту, різноманітних факторів та відмінностей самих ферментів. За рахунок ферментативної активності відбувається процес перетворення сполук, що важко засвоюються, у легкодоступні хімічні речовини. Визначною в утворенні ферментів та інтенсифікації ферментативної активності ґрунту є діяльність мікроорганізмів (Галстян, 1974; Мишустин, 1976; Аристовская, 1980; Калакуцкий, Агре, 1977). Важливими факторами рівня ферментативної активності є фізичний стан та гідротермічний режим ґрунтів (Хабиров, 1979). Зв’язок ферментативної активності з фізичними факторами ґрунту значною мірою пояснюються позитивним впливом функціональної діяльності ссавців (Булахов, 1973; Пахомов, 1998).
Трофо-метаболічна діяльність (ТМД) ссавців є тим фактором, що веде до змін певних властивостей ґрунтів. За рахунок неї збільшується їх біологічна активність, що є важливим екологічним фактором. ТМД сприяє утворенню захисних механізмів ґрунтів. Ми провели експеримент по виявленню впливу трофо-метаболічної діяльності ссавців-фітофагів на протеолітичну активність та дихання ґрунтів заплавної діброви в умовах забруднення Cd та Ni. Протеолітична активність ґрунту (ПАГ) визначалась аплікаційним методом (Востров, Петрова, 1961). Ступінь ПАГ встановлювався у відсотковому відношенні до інтенсивності руйнування ґрунтовими мікроорганізмами желатинового шару на фотопластинах, які поміщались у ґрунт. Фотопластини закладалися на чистих (контрольних) та забруднених Cd та Ni ділянках при трьох рівнях ГДК (гранична допустима концентрація). Водночас була визначена величина ґрунтового дихання за адсорбційно-польовою методикою Карпочевського (Звягинцев та ін, 1980), що була удосконалена О.Є. Пахомовим (1998). Експерименти проводились через 1, 3 та 12 місяців після забруднення.
Внесення полютантів до ґрунту різко знижує його протеолітичну активність. Так, Cd спричиняє зменшення ПАГ порівняно з чистим контролем в 1,20 разів (ГДК 1), в 1,57 разів (ГДК 5) та в 1,55 рази (ГДК 10). Надходження екскреторного опаду ссавців не лише знижує інгібіторний вплив важких металів на протеолітичну активність, але і значною мірою її відновлює. Так, під екскреціями лося з різними значеннями ГДК ПАГ достатньо висока. Вона в середньому в 1.4 разів перевищує активність у чистому ґрунті і це говорить про те, що завдяки екскреціям лося ґрунтоутворювальні процеси відновлюються. На ділянці з ГДК 1 протеолітична активність ґрунту під екскреціями лося відновлюється на 104,0%, з ГДК 5 – на 164,4% та з ГДК 10 – на 158,6%. Якщо розглядати це відновлення за ґрунтовими горизонтами, то при ГДК 1 воно найбільше на горизонті 0-10 см, менше на горизонті 10-20 см і ще найменше на горизонті 20-30 см. Для ГДК 5 та 10 характерно, що найбільша протеолітична активність на горизонті 0-10 см, а найменша – на горизонті 10-20 см. Такий результат дії екскрецій пояснюється тим, що екскреції як продукти розпаду органічної речовини можуть активно реагувати з іонами важких металів, зв’язуючи їх у складні комплекси, більшою частиною нерозчинні. Крім цього самі мікроорганізми, відновлюючи свою чисельність, накопичують важкі метали на своїй поверхні та усередині клітини, вилучаючи тим самим їх із навколишнього середовища (Diels at all., 2000). Через три місяці впливу полютанту ПАГ порівняно з чистим контролем зменшується в 1,28, 1,46 та 1,32 разів при ГДК 1, 5 та 10 відповідно. При всіх рівнях ГДК найбільша інгібіторна дія полютанта на протеолітичну активність ґрунту на горизонті 0-10 см, а найменша – на горизонті 20-30 см при ГДК 1 та 10 і на горизонті 10-20 см при ГДК 5. Внесення в забруднений ґрунт екскрецій лося спричиняє збільшення ПАГ в 1,03 та 2,54 рази при ГДК 1 та 5 відповідно, а при ГДК 10 вона не змінюється. Відновлення протеолітичної активності ґрунту під екскреціями лося в середньому становить 114,6%. Під екскреціями косулі вона порівняно з забрудненим контролем збільшується в 1,31, 3,61 та 3,65 разів при ГДК 1, 5 та 10, а під екскреціями зайця – в 3,86 та 5,13 раза при ГДК 5 та 10 відповідно. А відновлення протеолітичної активності в середньому під екскреціями зайця та косулі становить 240,6% та 208,1% відповідно.
Через 12 місяців експозиції полютанта протеолітична активність ґрунту відновлюється під екскреціями лося на 618,5%, 383,5% та 802,4%, зайця на 702,8%, 663,3% та 619,1%, косулі на 138,6%, 222,2% та 799,0% при ГДК 1, 5 та 10 відповідно. Під екскреціями лося найбільша ПАГ при ГДК 1 на горизонті 10-20 см, а при ГДК 5 та 10 на горизонті 0-10 см. Під екскреціями зайця й косулі вона найбільша при всіх рівнях забруднення на середньому горизонті за винятком ділянки під екскреціями косулі, де вона найбільша на нижньому горизонті.
У випадку забруднення Ni через 1 місяць протеолітична активність зменшується в 2.93, 3.21 та 5.03 раза, щодо чистого контролю при ГДК 1, 5 та 10 відповідно.
За цих умов присутність екскрецій лося в середньому збільшує ПАГ в 1,55 рази. Але при забруднені Ni екскреції лося не так ефективно сприяють відновленню протеолітичної активності, як при забруднені Cd, однак тенденція до того, що найбільша активність на верхньому ґрунтовому горизонті в даному випадку зберігається. Через три місяці дії Ni протеолітична активність порівняно з чистим контролем зменшується в 1,24, 1,64 та 2,73 рази при ГДК 1, 5 та 10 відповідно. У даному випадку збільшення активності спостерігається лише під екскреціями зайця в 1,23 рази, а екскреції лося та косулі не достатньо впливоють, щоб спостерігалося збільшення протеолітичної активності. Через 12 місяців експозиції полютанта ми бачимо, що під екскреціями лося ПАГ відносно чистого контролю відновлюється на 257,9% при ГДК1, на 114,9% при ГДК 10, однак при ГДК 5 ефекту відновлення не спостерігається. Під екскреціями косулі вона відновлюється на 135.9%, 281,3% та 798,6% при ГДК 1, 5 та 10 відповідно. Під екскреціями зайця також спостерігається значне відновлення протеолітичної активності і складає 246,3%, 770,3% та 108,1% при ГДК 1, 5 та 10 відповідно. В умовах забруднення Ni з ГДК 1 для всіх екскрецій характерно те, що найбільша ПАГ на горизонті 20-30 см. При ГДК 5 найбільша активність під екскреціями лося на горизонті 10-20 см, зайця – 20-30 см, косулі –
0-10 см. А при ГДК 10 вона найбільша під екскреціями лося та косулі на горизонті 20-30 см, а зайця – на горизонті 10-20 см.
Відносно ґрунтового дихання можна відзначити, що екскреторна діяльність фітофагів є потужним середовищеутворювальним фактором, який має позитивний вплив на вміст ґрунтового метаболізму навіть за умов забруднення едафотопа сполуками важких металів. Так, при забруднені Cd інтенсивність виділення ґрунтом СО2 (при всіх рівнях забруднення) є значно вищою під екскреціями лося (в 1,56 рази) відносно контролю (чистий ґрунт під екскреціями). А під екскреціями косулі та зайця величина ґрунтового дихання зберігається на рівні контролю. Через три місяці екскреторна діяльність фітофагів зменшує свій позитивний вплив на рівень виділення ґрунтом СО2. Так, величина ґрунтового дихання сягає або контрольних значень, або спостерігається незначне її зменшення. На 12 місяць дії полютанта спостерігається відновлення метаболічних функцій ґрунту – наприклад, при ГДК 5 відзначається перевищення контрольних значень в 1,2 рази під екскреціями лося, тоді як екскреторна діяльність косулі та зайця на 12 місяць уже не має стабілізуючого впливу.
Щодо Cd, Ni є більш стійким металом до впливу екскрецій фітофагів. Так, при забрудненні Ni через 1 місяць ґрунтове дихання під екскреціями лося зменшується до 70%, зайця – 80%, а під екскреціями косулі воно збільшується в 1,88 рази (при ГДК 5). На 3 місяць дії полютанта інтенсивність ґрунтового дихання під екскреціями лося підвищується в 1,3 рази (ГДК 1), а під екскреціями косулі та зайця вона зменшується до 80%. Через 12 місяців позитивний вплив екскреторної діяльності лося та зайця не може суттєво впливати на такий сильний забруднювач, як Ni. А екскреції косулі мають позитивний вплив саме на цей час (підвищення рівня ґрунтового дихання складає 1,1 рази).
Таким чином, ми бачимо, що екскреції ссавців-фітофагів порізному впливають на відновлення протеолітичної активності ґрунтів залежно від полютанту. Так, при забруднені Ni найбільш суттєвий вплив на її відновлення чинять екскреції зайця, а при забруднені Cd – косулі. Стосовно ґрунтового дихання, найбільший позитивний вплив мають екскреції лося при забрудненні Cd. Екскреторна діяльність косулі має тривалий позитивний вплив на такий полютант, як Ni, навіть при ГДК 10 спостерігається підвищення рівня ґрунтового дихання в 1,67 рази. Загальним для всіх екскрецій є те, що вони зв’язують метали в комплекси з великою молекулярною масою, які не можуть поступати до рослин. Збільшення кількості органічної речовини лише на 5-6% сприяє очищенню ґрунту від техногенного забруднення. Наявні в екскреціях водорозчинні органічні речовини, а також ті, що знову створюються при їх розкладанні, збільшують міграційні можливості металів шляхом утворення низькомолекулярних комплексів, сприяючи їх вилуджуванню із верхніх горизонтів у нижні. У міру більш глибокої трансформації органічних добрив утворюються з металами важкорозчинні органоічно-мінеральні комплекси і починає виявлятися іммобілізуюча дія органічної речовини. Показана роль екскреторної діяльності ссавців має велике значення в утворенні механізму гомеостазу едафотопу, що загально позначається на екологічній стійкості всієї системи.
Zoocenosis — 2001
Структура і функціональна роль тваринного населення в природних та трансформованих екосистемах: Тези I міжнародної конференції, 17-20 вересня 2001. – Дніпропетровськ: ДНУ, 2001. – С. 146-149.