Регистрация / Вход
Прислать материал

Биологические методы анализа в оценке состояния природных и трансформированных экосистем

Сведения об участнике
ФИО
Ашихмина Тамара Яковлевна
ФИО (на английском языке)
Ashikhmina T. Ya.
Название организации
ФГБOУ ВО Вятский государственный университет, ФГБУН Институт биологии Коми НЦ УрО РАН
Информация о докладе
Вид доклада
Устный доклад
Секция
Методология биодиагностики
Название доклада
Биологические методы анализа в оценке состояния природных и трансформированных экосистем
Соавторы доклада (ФИО, организация, город, страна)
Домрачева Л.И. Кондакова Л.В. лаборатория биомониторинга Института биологии Коми НЦ УрО РАН и ВятГУ, ФГБОУ ВО "Вятский государственный университет", ФГБОУ ВО "Вятская государственная сельскохозяйственная академия", г. Киров, РФ
Аннотация
Для оценки состояния природных и трансформированных экосистем разрабатываются и активно внедряются эффективные и приемлемые по исполнению в полевых и лабораторных условиях экспресс-методы биодиагностики. Поиск эффективных биоиндикаторов биологического мониторинга почв проводится по показателям: численность и биомасса, видовое разнообразие почвенных водорослей и цианобактерий; активность ферментов, групповой анализ альго-цианобактериальных комплексов, соотношение в популяциях микромицетов форм с окрашенным и бесцветным мицелием, позволяющих делать комплексную оценку состояния почвенной среды. Разработан метод биотестирования по дегидрогеназной активности цианобактерий тетразольно-топографическим методом, основанным на определении соотношения в популяции цианобактерий живых (с наличием формазана) и мёртвых (без фомазана) клеток. Разрабатывается метод количественного учёта формазана в клетках цианобактерий с помощью спектрофотомертии. Аттестована методика биоиндикации состояния почвы по соотношению в популяции микромицетов форм с окрашенным (меланизированным) и бесцветным мицелием. Создана система комплексного биотестирования загрязнённых сред с использованием в качестве тест-организма различных штаммов цианобактерий по следующим показателям: интенсивность биохемилюминесценции, перекисное окисление липидов, концентрация хлорофилла и феофитина, активность каталазы и дегидрогеназы, концентрация глутатиона.


Ключевые слова
Методы биоиндикации, биотестирования, почвенные и водные экосистемы, трансформированные экосистемы, адаптационные реакции, биосорбционная способность, водоросли, цианобактерии, микромицеты, поллютанты
Введение

Коллективом лаборатории биомониторинга Института биологии Коми НЦ УрО РАН и ВятГУ для оценки состояния природных и трансформированных экосистем на территории Кировской области разрабатываются и активно используются методы биоиндикации и биотестирования. Объектами исследования являются почвенные, водные экосистемы и растительность на территории в районе Кирово-Чепецкого промышленного комплекса, полигона захоронения пестицидов, территории в районе хранения и уничтожения химического оружия, а также урбанизированные территории. Мониторинговые исследования проводятся с целью оценки экологического состояния данных территорий, выявления адаптационных реакций микроорганизмов, их биосорбционной способности к различным поллютантам.

Первое  направление исследования связано с изучением роли и места водорослей, цианобактерий и микроскопических грибов в функционировании почвенных биоценозов  природных и техногенно-преобразованных территорий. Изучен вклад фототрофных микроорганизмов в создании первичной продукции, их роль в пищевых цепях почвенных беспозвоночных, ход аутогенных и сезонных сукцессий. Изучен характер адаптивных реакций альгомикологических комплексов на воздействие поллютантов различной химической природы, что позволяет использовать данные группы  микроорганизмов для биоиндикации  и биотестирования состояния почв. Детально изучены в качестве биоиндикаторов уникальные природные комплексы - биопленки с доминированием цианобактерий.

Второе направление связано с изучением роли цианобактерий, цианобактериальных биоплёнок  и растительно-цианобактериальных комплексов в становлении супрессивности почвы, обусловленной очисткой почвы от химического (тяжёлые металлы, пестициды, фосфорорганические соединения) и биологического (фитопатогены) загрязнения. Подобные биоремедиационные  способности цианобактерий базируются на их сорбционных, деструкционных возможностях, а также способности вырабатывать и выделять в окружающую среду широкий спектр биологически активных веществ антогонистической направленности.

 

 

 

 

Методы и материалы

Для оценки состояния антропогенно-нарушенных почв разрабатываются и активно используются методы биоиндикации по следующим организмам и параметрам их состояния:

1. Альгоиндикация, которая основана  на выявлении и сравнении видового состава альгофлоры фоновых и загрязнённых территорий. Критерием степени нарушения почвенных ценозов является уровень снижения видового разнообразия водорослей и цианобактерий.

2. Групповой анализ фототрофных сообществ "цветения" почвы, основанный на выявлении группового состава водорослей и цианобактерий, формирующих плёнки "цветения". Критерием неблагополучия биологического состояния почвы является монофикация сообществ с выпадением отдельных групп фототрофных микроорганизмов.

3.Характеристика альго-микологических комплексов на основе  определения количественных показателей (численность и биомасса клеток водорослей, длина мицелия и биомасса микромицетов) водорослей и микрогрибов. Критерием нарастающего биологического кризиса почвы является увеличение в структуре альго-грибной биомассы доли грибов.

4.Микологический анализ, основанный на оценке сравнительного вклада в структуру популяций грибов с окрашенным (меланинсодержащим) мицелием и бесцветным мицелием. Свидетельство надвигающегося кризиса - увеличение доли тёмноокрашенных микромицетов.

5. Сукцессионный анализ, который основан на изучении динамики развития наземных фототрофных микробных сообществ в моделируемых условиях. По характеру и уровню развития различных комплексов микроорганизмов позволяет оценить силу воздействия поллютантов при их различной концентрации.

6. Выявление специфических микробных комплексов. Индикация неблагополучного состояния почвы по развитию в ней комплексов организмов, усиливающих фактор химического прессинга.

7. Оценка состояния различных групп организмов непосредственно в реальной почвенной обстановке с использованием ГИС.  

Используются методы биотестирования:

1. Методика определения перекисного окисления липидов в культурах цианобактерий по цветной реакции тиобарбитуровой кислоты с малоновым диальдегидом.

2. Определение содержания хлорофилла а и феофитина по монохроматической методике на спектрофотометре Specol-1100 при двух длинах волн - 750 и 665 нм.

3. Определение интенсивности биохемилюминесценции почвенных цианобактерий в условиях загрязнения ТМ с помощью регистрации кинетической кривой спонктанной люминолнезависимой хемилюминесценции.

4. Тетразольно-топографический метод определения жизнеспособности клеток цианобактерий по показателю образования в живых клетках кристаллов формазана красного цвета из бесцветного 2,3,%-трифенилтетразолий хлорида.

5. Метод количественного определения формазана в культуре Nostoc linckia на приборе Specol-1100 с предварительным разрушением клеточной стенки цианобактерий.

Полученные результаты

В ходе исследований выявлено, что длительное воздействие поллютантов  на загрязнённых территориях приводит к стабилизации структурно-групповых особенностей альго-цианобактериальных группировок по таксономическому составу., что проявляется на уровне видового обилия водорослей и цианобактерий, своеобразия экологической структуры, представленной жизненными формами, количественного обилия фототрофов и микромицетов. В наиболее загрязнённых почвах в альго-цианобактериальном комплексе происходит перераспределение таксонов в пользу Cyanobacteria. При интенсивном загрязнении почвы соединениями свинца, мышьяка, МФК, пирофосфата натрия в микробных комплексах стремительно возрастает вклад микромицетов в сложение суммарной биомассы.

Анализ видового состава альгофлоры свидетельствует о том, что наиболее устойчивыми видами, толерантными к любым загрязняющим веществам в изученных экосистемах, являются Nostoc commune, N. linckia, N. muscorum, N. punctiforme, Trichromus variabilis, Phormidium autumnale, Ph. uncinatum, Ph. boryanum, Leptolyngbya foveolarum, L. fragile, Microcoleus vaginatus (Cyanophyta); Chlamydomonas gloegama, Chlorell vulgaris, Bracteacoccus minor, Stichococcus chodatii (Chlorophyta); Hantzschia amphioxys, Luticola mutica (Bacillariophyta). Данные виды могут служить биотехнологической основой создания микробных препаратов, предназначенных для биоремедиации загрязнённых территорий. Наряду с толерантными видами, в каждом педоценозе выявлены специфические виды. Максимальное представительство специфических видов из отдела Cyanophyta  характерно для почв объекта хранения и уничтожения химического оружия и почв территории  г. Кирова. Создание базы данных по специфическим видам служит основой определения пределов толерантности конкретных видов к конкретным поллютантам.

Реакция микрофототрофов на воздействие токсикантов в режиме "доза-эффект" в серии модельных лабораторных и полевых опытах показала, что при внесении в почву таких соединений, как хлорид мышьяка, МФК, пирофосфат натрия, азид натрия  происходит снижение доли эукариотных водорослей в структуре популяций микрофототрофов с одновременным возрастанием процентного содержания цианопрокариот. Данные результаты свидетельствуют о потенциальных возможностях цианобактерий в ремедиации загрязнённых почв.

Установлена экологическая роль природных биоплёнок с доминированием Nostoc commune. Выявлен видовой и групповой состав, количественные характеристики биоплёнок N. commune, взятых из различных техногенных экотопов. Основную структуру биоплёнок слагают водоросли и цианобактерии с общей численностью до 3 млрд. кл./г  и численностью сапротрофных микроорганизмов свыше 5 млн КОЕ/г. Выявлен высокий уровень биосорбции ТМ из почвенной и водной сред биоплёнками N. commune,  которые представляют собой длительно вегетирующие наземные многовидовые цианобактериальные сообщества, способные к самовосстановлению после механического разрушения, что свидетельствует об их высокой экологической пластичности в природе. Для оценки токсичности ТМ доказана возможность использования метода количественного определения формазана в клетках почвенных ЦБ N. linckia. Данные методики можно использовать для создания тест-системы на присутствие ионов меди и никеля.

Применение популяций ЦБ как биоремедиаторов, способных к детоксикации поллютантов, и биотесторов, высоко чувствительных к наличию загрязняющих веществ, определяется плотностью их популяций и степенью агрегированности клеток: в форме биоплёнок  цианобактерии - организмы-деструкторы и сорбенты поллютантов; культуры диффузные с малым титром - идеальные организмы для биотестирования. 

Разработанный тетразольно-топографический метод биотестирования среды с использованием различных штаммов ЦБ показал высокую чувствительность этих микроорганизмов к разнообразным поллютантам минерального и органического происхождения, их концентрации, возможность определять уровень загрязнения и степень токсичности по жизнеспособности клеток ЦБ.

Выявлены штаммы цианобактерий, используемые для подавления грибных инфекций  декоративных, злаковых, бобовых, овощных культур, а также сеянцев и саженцев сосны и ели. Доказана в полевых условиях  эффективность растительно-цианобактериального комплекса  горчица белая + Fischerella muscicola в очистке почвы от ионов меди.

 

 

Заключение

Комплексное изучение водорослей, цианобактерий и микроскопических грибов в почвах природных,  агрогенных,  урбанизированных и техногенно-преобразованных территорий позволяет уточнить роль  данных организмов в создании плодородия почв, устойчивости почвенных ценозов к действию стрессовых факторов, проводить диагностику экологического состояния почвы по характеру ответных реакций отдельных организмов и их комплексов. С этой целью проводится разработка новых методов биоиндикации и биотестирования в оценке состояния почвенной среды с использованием альгомикологических  и растительно-цианобактериальных комплексов. Природные свойства водорослей и микроскопических грибов к биосорбции и антогонистической активности позволяют выйти на путь их практического использования путём создания биопрепаратов способствующих очистке почв от различных видов загрязнения 

Цитируемая литература
1.Биоиндикаторы и биотестсистемы в оценке окружающей среды техногенных территорий /под общ. ред. Т.Я. Ашихминой и Н.М. Алалыкиной. - Киров: О-Краткое, 2008. - 336 с.
2. Особенности урбоэкосистем подзоны южной тайги Европейского Северо-Востока /под ре. Т.Я.Ашихминой, Л.И. Домрачевой. - Киров: Изд-во ВятГГУ, 2012. - 282 с.
3. Домрачева Л.И., Горностаева Е.А. Реакция альго-цианобактериальных комплексов на возрастающие концентрации ионов меди в почве под различными сельско-хозяйственными культурами /Ж. Теоретическая и прикладная экология, 2016, № 1, С- 38-43.
4. Фокина А.И., Ашихмина Т.Я., Домрачева Л.И., Горностаева Е.А., Огородникова С.Ю. Тяжёлые металлы как фактор изменения метаболизма у микроорганизмов (обзор) / Ж. Теоретическая и прикладная экология, 2015, № 2. С- 5-18.
5. Ефремова В.А., Кондакова Л.В. Эколого-таксономическая структара альгогруппировок почв г. Кирова / Ж. Теоретическая и прикладная экология. 2013, № 2, С- 61-67.
6. Домрачева Л.И., Ашихмина Т.Я., Кондакова Л.В., Дабах Е.В., Елькина Т.С. Сравнительный анализ специфики почвенных альгомикологических комплексов в зоне действия объекта хранения и уничтожения химического оружия "Марадыковский". 2012, № 4, С- 73-78.
7. Домрачева Л.И., Ашихмина Т.Я., Кондакова Л.В., Березин Г.И. Реакция почвенной микробиоты на действие пестицидов (обзор) /Ж. Теоретическая и прикладная экология. 2012, № 3, С- 4-18.
8. Горностаева Е.С., Злобин С.С., Сунцова Е.С., Елькина Т.С., Домрачева Л.И., Ашихмина Т.Я. Микробиологический статус почв в зоне действия Кирово-Чепецкого химического комбината /Ж. Теоретическая и прикладная экология. 2012, № 3, С- 90-95.
9. Кондакова Л.В. Сравнительный анализ альгофлоры почв экологически опасных объектов на территории Кировской области /Ж. Теоретическая и прикладная экология. 2011, № 3, С. - 52-58.
10. Домрачева Л.И. Использование организмов и биосистем в ремедиации территорий /Ж. Теоретическая и прикладная экология. 2009, № 4. С- 4-16.
11. Домрачева Л.И., Кондакова Л.В., Ашихмина Т.Я., Огородникова С.Ю., Олькова А.С., Фокина А.И. Применение тетразольно-топографического метода определения дегидрогеназной активности цианобактерий в загрязнённых средах. 2008, № 2, С- 23-28.
Благодарности
Оргкомитету форума "Биодиагностика 2016" за организацию и приглашение к участию в форуме.
Название, авторы, резюме (на английском языке)

Biological methods of analysis in the assessment of natural and transformed ecosystems.

Ashikhmina T.Ya., Domracheva L.I., Kondakova L.V.

To assess the status of natural and transformed ecosystems a wide range of rapid biodiagnostic methods effective and suitable for the implementation in the field and laboratory conditions is developed and actively implemented. The search for effective bioindicators of biological soil monitoring is carried out on indicators of: abundance and biomass, species diversity of soil algae and cyanobacteria; enzyme activity, group analysis of algo-cyanobacterial complexes, the ratio of forms with colored and colorless mycelium in populations of microfungi, allowing to make a comprehensive assessment of the condition of soil environment. It is developed a bioassay method for evaluation of dehydrogenase activity of cyanobacteria based on the determination of the ratio in the population of living cyanobacteria cells (with the presence of formazan) and the dead ones (without fomazan) with use of tetrazolium chloride. The method of quantitative accounting of formazan in cells of cyanobacteria using spectrophotometry is in progress. Method of bioindication of soil condition on ratio of forms with colored (melanized) and colorless mycelium in the population of microfungi is already certified. It is created a system of integrated bioassay of contaminated environment using as a test organisms of different strains of cyanobacteria on the following parameters: the intensity of bio-chemiluminescence, lipid peroxidation, chlorophyll and pheophytin concentration, the activity of catalase and dehydrogenase, glutathione concentration.