Тема Применение микроорганизмов в индикации загрязнения окружающей среды

Тема: Применение микроорганизмов в индикации загрязнения окружающей среды Биологическая индикация загрязнений почвенной среды Для контроля за изменениями в почвах, которые возникают при антропогенном загрязнении используют следующие показатели: характеристики состояния почвенной биоты биологическую активность почв

направления исследований в оценке влияния техногенного загрязнения на почвы 1 - изучение показателей биологической активности почв в сочетании с агрохимическими характеристиками, что позволяет выявить механизмы и направленность процессов почвообразования; 2 – изучение влияния конкретных загрязнителей на показатели биологической активности почв; 3 – выявление тест- культур для обнаружения и оценки скорости деструкции химических загрязнителей; 4 - изучение вопросов биотрансформации органических соединений, неспецифических для природной среды и т. д.

Типы и характер загрязнения почв химическое загрязнение пестицидами, тяжелыми металлами, радионуклидами, нефтяными углеводородами, минеральными удобрениями; биологическое загрязнение объектами микробиологического производства белка и белкововитаминных концентратов (БВК), энтомопатогенными бактериями, которые используются для борьбы с вредителями леса.

Пестициды – химические соединения, применяемые в сельском хозяйстве для борьбы с сорняками насекомыми-вредителями, грызунами, фитопатогенными грибами - гербициды используют для борьбы с сорняками - инсектициды – для борьбы с насекомыми-вредителями - зооциды - для борьбы с грызунами - фунгициды – для борьбы с фитопатогенными грибами

Поступающие в почву пестициды адсорбируются глинистыми минералами, вступают в химические реакции, разлагаются или трансформируются микроорганизмами. Скорость и глубина проникновения пестицидов зависят как от их химических свойств, так и от особенностей почвы, в том числе от состава биоты. Одно из направлений в изучении взаимодействия пестицидов с почвенной биотой — исследование деградации и трансформации пестицидов чистыми культурами микроорганизмов.

Пути превращения пестицидов энзиматическое воздействие, которое ведет к полной потере токсических свойств препарата, к его инактивации и детоксикации; трансформация в токсические вещества — активация; трансформация в другие вещества с иным спектром ингибирующего действия; трансформация с образованием соединения-стимулятора.

Кометаболизм – повышение скорости минерализации пестицида, относящегося к группе так называемых «устойчивых» , при наличии в среде дополнительного соокисляемого субстрата Синтрофия – активация разложения пестицида при действии смешанной популяции микроорганизмов

Биондикация загрязнения почв пестицидами Многократное применение гербицидов, приводящее к накоплению препарата, или использование очень высоких доз может вызвать избирательно угнетение части биоты или отдельных биохимических процессов, которые могут являться индикаторами на данный вид загрязнения. Фунгициды подавляют сапротрофные почвенные микромицеты и другие микроорганизмы, вызывая эффект частичной стерилизации почвы. Гербициды триазинового ряда вызывают увеличение активности инвертазы и уреазы, слабое подавление протеазы, изменения активности фосфатазы (проявляющееся поразному в зависимости от почвы). Хлорорганические пестициды на 30— 60 % подавляют активность фосфатазы. Галогированные фенолы, нитрофенолы, хлориды, хлораты ингибируют нитрификацию.

Последствия применения пестицидов Все подвергнутые специальному изучению пестициды обнаружили мутагенную активность - способность изменять наследственность. В результате возникают устойчивые формы к пестицидам, что вызывает необходимость увеличения доз или расширения спектра применяемых ядохимикатов. Это приводит к многочисленным отрицательным последствиям в окружающей среде.

Загрязнение почв тяжелыми металлами Т я ж е л ы е м е т а л л ы рассеиваются в природе в результате производственной деятельности человека. Появляются «геохимические аномалии» , где происходит накопление в высоких концентрациях (иногда в 100 и 1000 раз выше природных) тех элементов, которые ранее обнаруживались в почвах в следовых количествах. Загрязнение почв происходит через атмосферу, воду и путем непосредственного поступления с отходами. Опасными загрязнителями почв являются ртутные соединения, свинец, кадмий, цинк, которые содержатся в промышленных отходах. Ртуть характеризуется значительной химической устойчивостью и свойством аккумулироваться в звеньях пищевой цепи. Повышенная концентрация тяжелых металлов в почвах отмечается вблизи крупных автотрасс, мест добычи или промышленных центров.

Биоиндикаторы загрязнения почв тяжелыми металлами Биоиндикаторами на загрязнение почв тяжелыми металлами могут быть и разные группы почвенных микроорганизмов, а также отдельные виды и биохимические процессы. Биоиндикаторные характеристики изменение структуры микробных сообществ уменьшение биоразнообразия почвенной биоты снижение общей численности микроорганизмов снижение активности биохимических процессов в почвах: нитрификации, аммонификации, азотфиксации, разложения клетчатки и др. Актиномицеты обладают высокой чувствительностью к загрязнению тяжелыми металлами. Проявление – снижение численности.

Загрязнение почв радиоактивными элементами Радиоактивные элементы, например 90 Sг, попадают в почву с осадками, образуемыми в результате ядерных испытаний, или с отходами атомных электростанций и предприятий по производству ядерного горючего и ядерного оружия. В местах естественных понижений 90 Sг может накапливаться в почве в результате поверхностного стока. Он поступает в растение и далее передается по пищевым цепям. Почвенные микроорганизмы способны аккумулировать радиоактивные элементы, что можно определить методами радиоавтографии. На этом принципе возможна разработка методов использования микробных популяций для выявления геохимических провинций с высоким содержанием указанных элементов в почвах.

Биоиндикаторы нефтяного загрязнения почв Загрязнение почв нефтью и продуктами ее переработки приводит к сдвигу в составе биоты. Почва обогащается микроорганизмами, способными разлагать углеводороды. Количественное определение содержания в почвах углеводородокислящих микроорганизмов было положено в основу метода биологической индикации на газовые и нефтяные месторождения.

Индикаторные характеристики нефтяного загрязнения почв Возрастает численность сапрофитов Возрастает численность грибов представителей родов Раесilomyces, Fusarium. Появляются темноокрашенные, т. е. меланиносодержащие грибы Возрастает численность сульфатвосстанавливающих бактерий и видовое разнообразие аэробных бацилл

Биоиндикаторы газообразных углеводородов почв Газообразные углеводороды, главным образом метан и пропан, поступают в почву из газоносных слоев и частично «прорываются» через микробный барьер в атмосферу. В верхних слоях почвы в аэробных условиях они окисляются почвенными микроорганизмами. При наличии в почвах пропана и метана возрастает численность пропанокисляющих и метанокисляющих бактерий. Газоиспользующие микроорганизмы — это в основном представители группы аэробных грамотрицательных бактерий родов Pseudomonas, Methylococcus, Methylobacter, Methylosinus и др.

Биологическое загрязнение почв чужеродными микроорганизмами Источники поступления - бытовые и сельскохозяйственные отходы и отбросы, а также аэрозоли микробиологических производств. С бытовыми отбросами в почву могут попадать потенциально опасные микроорганизмы — патогенные и токсикогенные, способные вызывать кишечные инфекции и пищевые отравления у человека, эпидемические заболевания у животных, токсикозы растений. В санитарно-эпидемиологических почвенных исследованиях определяют содержание в почвах: бактерии группы кишечной палочки (Esherichia coli) патогенные клостридии и бациллы —возбудители столбняка (Cl. tetani), сибирской язвы (Вас. anthracis), газовой гангрены (Сl. perfingens) и др.

Индикаторные характеристики микробных сообществ городских почв - увеличивается численность сапротрофных бактерий и разнообразие бактериальных и грибных комплексов, - отмечается специфический таксономический состав грибов и бактерий по сравнению с ненарушенными почвами той же природной зоны (например количество меланизированных, темноокрашенных грибов).

Состав почвенных грибов на городских территориях существенно отличается от характерного для зональных, дерново-подзолистых почв. Характерно частое выделение нетипичных для зональных почв грибов: представителей родов Aspergillus, Paecilomyces, Verticillium, наблюдается расширение видового спектра выделяемых из почв фитопатогенов рода Fusarium. В городских почвах совершенно не выделяется вид Mortierella ramanniana, являющийся индикаторным для подзолистых почв. В почвах города по сравнению с зональными увеличивается количество меланизированных, темноокрашенных грибов, содержание которых составило до 30 – 50 % в то время как в зональных почвах, оно не превышает 10 %

Индикаторные характеристики микробных сообществ в зонах транспортного загрязнения - Комплексы почвенных грибов отличаются по составу, видовой структуре и биоморфологической структуре грибной биомассы. - В краевой части придорожных зон уменьшается содержание мицелия в почвах, но увеличивается доля грибных спор. - В непосредственной близости с дорогой как в почвах, так и в воздухе четко выражено доминирование темно окрашенных меланинсодержащих грибов.

Индикаторные характеристики микробных сообществ в зонах промышленного загрязнения Изменяется ферментативная активность почв. Происходит как подавление, так и активация процессов биохимической трансформации органических веществ. Диоксид азота вызывает снижение активности дегидрогеназы, каталазы и инвертазы и возрастание активности нитратредуктазы Ионы тяжелых металлов ингибируют ферментативные реакции, образуя комплексы с ферментом путем присоединения к активной группе или путем реакции с комплексом «ферментсубстрат» . Фенольные соединения, содержащихся в промышленных выбросах, вызывают активизацию в почвах фенолоксидазы

Последовательность изменения микробной системы почв в градиенте концентрации загрязнителя сохранение стабильности сообщества (зона гомеостаза) перераспределение доминирующих популяций (зона стресса) преимущественное развитие устойчивых популяций (зона резистентности) полное подавление развития микроорганизмов (зона репрессии).

Устойчивость почвенной системы по отношению к загрязняющим агентам оценивается по величине зоны гомеостаза, которая для разных почв может варьировать в больших пределах. Таким образом, если за норму принять равновесное состояние биоты (в зоне гомеостаза), то степень повреждения оценивается по появлению изменений в сообществе на уровне последующих зон. Одна и та же доза загрязнителя может вызывать разной степени повреждения, поэтому при нормировании следует учитывать, что единого значения ПДК для различных почв быть не может.