Введение
Актуальность темы. Одна из актуальных проблем современной биологии - разработка подходов к сохранению и рациональному использованию биологического разнообразия в условиях усиления роли антропогенных факторов. Почвенные водоросли являются обязательным компонентом наземных экосистем. Они составляют активную автотрофную часть микробиоты, связанную сложными взаимодействиями, как со всеми ее гетеротрофными компонентами, так и с собственно почвой и высшими растениями, и принимают разнообразное участие в биологической жизни почв. Велика роль этих компонентов в накоплении и трансформации органического вещества, способствующего созданию почвенного плодородия. Вместе с тем, особенности ценозов водорослей служат дополнительной характеристикой почвы и дают возможность заметить начинающиеся изменения, в том числе антропогенные, т.е. могут быть использованы для биоиндикации (Кабиров, 1991; Штина и др., 1998; Зимонина, 1998; Дубовик, 2000; Киреева и др., 2003). В отличие от других представителей почвенных водорослей гетероцитные синезеленые водоросли способны фиксировать из атмосферы не только углерод, но и молекулярный азот, что определяет их важную роль4 в создании органического вещества (Вахрушев, 1974; Штина, Голлербах, 1976; Мишустин, 1974; Панкратова, 1987; Halperin et al., 1992; Evans, 1994; Гецен и др., 1994; Liengen, Olsen, 1997; Панкратова и др., 1998; Zaady et al., 1998; Патова и др., 2004). Несмотря на то, что почвенные водоросли на территории Республики Башкортостан были объектами интенсивного изучения, сведения о таксономическом составе синезеленых водорослей в антропогенно-нарушенных почвах остаются фрагментарными. Вместе с тем известно, что синезеленые водоросли как организмы -эксплеренты в сукцессионных процессах часто выполняют роль
пионеров (Шушуева, 1985; Кабиров, Шилова, 1993; Davey, Rothery, 1993; Штина и др., 1998; Пивоварова и др., 1998; Кабиров, 2005 и др.). Поэтому именно синезеленые водоросли, которые реагируют на широкий спектр антропогенных воздействий, могут использоваться как индикаторы степени нарушений и для оценивания процессов восстановления почвенной биоты.
Многие исследователи рассматривают вопросы взаимоотношений синезеленых водорослей с другими организмами в наземных экосистемах - растениями (Пивоварова, 1982; Enderlin, Meeks, 1983; Кузяхметов, 1989; Воронкова, 1997; Rai et al., 2000; Лобакова и др., 2003; Цавкелова, 2003), животными (Пивоварова, 1972; Некрасова, Домрачева, 1977; Штина, 1991), гетеротрофными микроорганизмами (Штина, 1991; Патова, 1993; Зенова и др., 1995; Звягинцев и др., 1999; Панкратова, 2000). Синезеленые водоросли в экосистемах могут выполнять роль первого звена пищевых цепей и кроме того выступают в роли ценообразователей. Поэтому одной из задач современных биоценотических исследований является выяснение механизмов поддержания равновесного состояния экосистем и особенностей пространственно-временной организации таких структур как консорции, где синезеленые водоросли выступают в роли активных детерминантов (Мазинг, 1966; Штина, Голербах, 1976; Селиванов, 1981; Пивоварова, 1988; Патова, 1993; Работнов, 1994; Rai et al., 2000). При этом очень важно выявить качественный и количественный состав консортов и специфику их взаимосвязей с детерминантом консорции.
Цель и задачи исследования. Целью исследований явилось изучение состава синезеленых водорослей (синезеленых водорослей) в антропогенно-нарушенных почвах различных районов Республики Башкортостан, а также выявление особенностей консортивных связей синезеленых водорослей с другими компонентами экосистем.
В связи с этим решались следующие задачи:
1. Определение видового состава синезеленых водорослей антропогенно-нарушенных почв Республики Башкортостан, проведение его таксономического и экологического анализа.
2. Выяснение особенностей влияния рекреационной нагрузки на представителей синезеленых водорослей и их консортивные связи в почвах особо охраняемых природных территорий (ООПТ).
3. Исследование влияния фактора водной эрозии на таксономический состав и экологическую структуру синезеленых водорослей и их консортивные связи в пахотных и целинных почвах.
4. Наблюдение за изменениями состава синезеленых водорослей и их консортивных связей в почвах, загрязненных нефтью.
5. Изучение консортивных связей Nostoc commune Vauch. sensu Elenk. с автотрофными (водорослями) и гетеротрофными микроорганизмами (бактериями и микромицетами) в антропогенно-нарушенных почвах.
Научная новизна. Впервые в результате исследований проведено изучение таксономической, экологической структуры и закономерностей развития синезеленых водорослей в антропогенно-нарушенных почвах различных районов Республики Башкортостан под влиянием рекреационной нагрузки, эрозионных процессов, нефтедобычи. Установлены видовой состав и трофические группы микроорганизмов, сопутствующие синезеленым водорослям в пленках «цветения» почвы. Исследована динамика автотрофных и гетеротрофных консортов Nostoc commune.
Практическая значимость работы. Данные о составе синезеленых водорослей и их консортивных связях в почвах, испытывающих влияние антропогенного пресса могут быть использованы при организации биологического мониторинга. На основе
8
выделенных из почв, загрязненных нефтью и изученных цианобактериальных сообществ можно создать биоценозы для очистки почв от углеводородных поллютантов. Материалы диссертации могут быть использованы в высшей школе при изучении курсов систематики низших растений, экологии, почвенной альгологии, микробиологии, биологии почв.
Апробация. Основные положения диссертации доложены: на XI Съезде Русского ботанического общества (Барнаул, 2003), на 7-ой Пущинской школе конференции молодых ученых (Пущино, 2003), на Региональной научно-практической конференции «Проблемы сохранения биоразнообразия на Южном Урале» (Уфа, 2004), на Всероссийской конференции молодых ученых и студентов «Актуальные проблемы экологии и охраны окружающей среды» (Уфа, 2004), на III Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы регионального экологического мониторинга» (Киров, 2004), на XII Молодежной научной конференции «Актуальные проблемы биологии и экологии», (Сыктывкар, 2005), на Международной научно-практической конференции «Нефтегазопереработка и нефтехимия 2005», (Уфа, 2005), на III Международной конференции «Актуальные проблемы альгологии» (Харькове, 2005), на II Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы геоэкологии Южного Урала», (Оренбург, 2005), на Международной конференции «Algae in terrestrial ecosystems» (Kaniv, Ukraine, 2005), на Международной конференции «Вопросы общей ботаники: традиции и перспективы» (Казань, 2006).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 21 печатные работы, из которых 3 в российских центральных (рецензируемых) журналах.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов, списка литературы (344 наименования, в том
числе 275 на русском, 69 на иностранных языках) и приложения. Текст диссертации изложен на 175 страницах, рисунков 17, таблиц 51.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность и благодарность научным руководителям доктору биологических наук, профессору И.Е. Дубовик и доктору биологических наук, профессору H.A. Киреевой за помощь, оказанную при выполнении данной работы. Искренне признательна д.б.н., профессору Р.Г. Минибаеву, д.б.н., профессору Б.М. Миркину, д.б.н., профессору Г.Г. Кузяхметову, к.б.н. М.Д. Бакаевой, сотрудникам, аспирантам, студентам кафедры ботаники, экологии, биохимии и биотехнологии за оказанную помощь в работе.
10
Глава 1 СИНЕЗЕЛЕНЫЕ ВОДОРОСЛИ (ЦИАНОБАКТЕРИИ) АНТРОПОГЕННО-НАРУШЕННЫХ ПОЧВ И ИХ КОНСОРТИВНЫЕ СВЯЗИ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) 1.1. Роль синезеленых водорослей в антропогенно-нарушенных почвах
В настоящее время большое внимание уделяется проблемам изменения окружающей среды под влиянием антропогенных факторов. Под антропогенными факторами понимаются любые воздействия на окружающую среду, связанные с планируемой и случайной, настоящей и прошлой деятельностью человека (Реймерс, 1992).
Почва - один из главных компонентов экосистемы, которая постоянно подвергается различным воздействиям. Эти воздействия приобретают все большее значение как в связи с усилением и повышением разнообразия влияния на почву в процессе ее использования, так и при, увеличении площадей, подверженных антропогенным изменениям (Вернадский, 1967; Артамонова, 2002; Ruchika et al., 2002; Деградация ..., 2002; Муха, Татаринова, 2003; Хазиев, 2004). В экологической литературе слабое воздействие принято называть нарушением, сильное стрессом (Barrett, Rosenberg, 1981; Wardle, Ghani, 1996). Исследования процессов почвообразования и деградации почвенного покрова на уровне физико-химических результатов во многом объяснили суть происходящих процессов. Однако сегодня получает распространение взгляда о том, что адекватное понимание функционирования почвы возможно лишь при
*
всестороннем учете жизнедеятельности почвенной биоты (Хан, 1969; Добровольский, 1996; 2003; Заварзин, 1997; Звягинцев и др., 1999; Ruchika et al., 2002; Хазиев, 2004; Полянская, Звягинцев, 2005 и др.). При этом очевидно, что необходимо изучать видовой состав микроорганизмов различных почв, испытывающих разное антропогенное воздействие и тем самым при различных агрохимических параметрах почв. Одной из главных причин устойчивости почвы к неблагоприятным воздействиям, по-
11
видимому, является наличие в ней «избыточных» микробной биомассы и избыточного же видового разнообразия микроорганизмов (Полянская, Звягинцев, 2005). Особенно перспективно сопоставление микробных комплексов в почвах антропогенных ландшафтов с их системами естественных почв природных биотопов. Подобное сопоставление позволяет рассмотреть вопрос о норме и нарушениях почвы. Возникает необходимость выявления возможности применения комплекса биологических показателей, основанных на исследованиях почвенной микробиоты (Яковлев, 2000).
Природные биоценозы включают в себя представителей различных трофических уровней, в том числе фотосинтетиков: высших растений, эукариотических водорослей. Именно в природных условиях, где отмечается превалирование автотрофных организмов, происходят процессы очистки воды и почвы, формируется благоприятный микроклимат, и создаются условия, необходимые для жизнеобеспечения человека (Одум, 1986), т.к. реализуется важнейшая закономерность функционирования биосферы - равновесия между интенсивностью продукционных и деструкционных процессов (Шварц, 1976; Одум, 1986). Поэтому в последние годы уделяется все большее внимание исследованию роли фототрофных микроорганизмов как факторов защиты окружающей среды от антропогенных загрязнений. Высокая устойчивость СЗВ к неблагоприятным условиям, их удивительная нетребовательность к субстратам определяют их огромную роль как пионеров жизни в экстремальных условиях (Гусев, 1968; Штина, Голлербах, 1976; Гусев, Никитина, 1979). СЗВ - это основные и постоянные обитатели скал, такыров, пустынь, голых пятен в тундре, арктических грунтов, площадь которых увеличивается в результате постепенного таяния ледников. Они являются первыми поселенцами на вулканических и антропогенных безжизненных субстратах (Штина и др.,
12
1978; Кабиров, 1991; Штина и др., 1992). Во всех этих случаях, как отмечает Э.А. Штина (1964), жизнедеятельность СЗВ ведет к изменению среды и дает начало формированию почвы и ее плодородия. СЗВ открывают автогенные сукцессии, соответствующие модели благоприятствования (Миркин, Наумова, 2003). Разумеется, в уже сформировавшихся почвах, роль СЗВ снижается. Однако наряду с другими организмами СЗВ и в этих условиях продуцируют дополнительные количества органического вещества (Штина, 1991).
СЗВ составляют постоянную и активную часть почвенной биоты, связанную сложными взаимодействиями со всеми ее компонентами, и принимают участие в различных процессах, происходящих в почвах (Голлербах, Штина, 1969; Андреюк и др., 1990). Эти организмы не только повышают плодородие почвы, но и являются его индикаторами, так как-, быстро реагируют на изменения физико-химических свойств почвы (Кузяхметов, 1981; Кабиров, 1995; Штина и др., 1998). Различные антропогенные факторы, изменяя среду обитания СЗВ, оказывают неоднозначное влияние на их развитие.
Во всех природно-климатических зонах основу автотрофной биоты почв составляют СЗВ. Они распространены в самых разных вариантах наземных фитоценозов, а в 50% из них входят в доминирующие комплексы водорослевых синузий (Сдобникова, 1956; Базова, 1978; Алексахина, Штина, 1984; Пивоварова, 1988; Кузяхметов, 1990; Штина, 1997; Артамонова, 2002; Шмелев, 2002; Roberts, 2002; Виноградова, 2005; Джумаева, 2005; Илюшенко, 2003; Рудакова, Патова, 2005; Хайбуллина, 2005 и др.). Наряду с представителями других отделов они образуют все основные экологические группы эдафофильных сообществ водорослей (Еленкин, 1936; Приходькова, 1987а; Davey, Rothery, 1993; Факторович, 1994; Патова, 1995; Sculberg, 1996; Eviatar, Wasser, 2000; Patova, Sivkov, 2002; Садогурская, 2005).
13
По ряду с севера на юг СЗВ в почвах от зон умеренного климата к экстремальным условиям пустынь, значение высших растений в почвообразовании постепенно падает. В качестве главного биологического фактора почвообразования выступают микроорганизмы в особенности СЗВ (Голлербах, 1953; Голлербах, Штина, 1969; Кузяхметов, 1991, 2000; Хазиев, 2004; Кабиров, 2005). Результаты исследований показывают, что СЗВ могут образовывать в пустынях почти чистые сообщества и быть эдификаторами (Новичкова-Иванова, 1980; Машарипов и др., 1987). Показано, что в холодно-сухих почвах плато Колорадо, где Microcoleus vaginatus покрывает до 70% площади, создавая 95% наземной биомассы и, образуя корочки, эта цианобактерия удерживает влагу и значительно улучшает водный режим (Belnap, Gardner, 1993; George et al., 2003). В условиях РБ максимальные значения биомассы степных и лесостепных почв связаны с макроскопическими разрастаниями СЗВ (виды родов Nostoc, Scytonema, Microcoleus, Symploca, Schizothrix, Phormidium), которые могут занимать до 30-50% поверхности почвы (Кузяхметов, 1991; 1998). Для зональных почв степи и лесостепи характерно постоянное присутствие Nostoc commune, который образует мощные разрастания на черноземах с изреженной растительностью при неумеренном выпасе (Кузяхметов, 1989). Первой стадией зарастания на нестабильных почвах являются именно СЗВ, обладающие способностью к фиксации азота и характеризующиеся высокой скоростью размножения (Гецен, 1985; Jonasson, 1986). Тем самым подготавливается субстрат для поселения высших растений и реализация модели благоприятствования (Русанова, 1993; Миркин, Наумова, 2003).
СЗВ, как и почвенные водоросли, создают органическое вещество, являясь первым звеном пищевых цепей (Пименова, Максимова, 1966; Мезенцева, 1992). Известно, что органические вещества влияют на водоудерживающую способность почв (Смагин и др., 2004). В отличие от
14
представителей других отделов гетероцитные СЗВ способны сочетать процесс оксигеннного фотосинтеза с фиксацией молекулярного азота (Штина, 1965; Штина и др, 1967; Панкратова, 1987, 1998; Штина, Голлербах, 1976; Гецен, Костяев, 1989; Halperin et al., 1992; Evans, 1994; Liengen, Olsen, 1997; Zaady et al., 1998; Tiwari, 2000; Давыдов, Егоров, 2003). За год количество накопленного водорослями азотфиксаторами азота в почвах бывшего СССР достигает приблизительно 0,5 млн. тонн (Мишустин, Панкратова, 1974). В настоящее время предлагается их использовать как перспективный композит для внесения в почву (Панкратова, 1994), в частности вместе с клубеньковыми бактериями (Ковина и др., 1994; Панкратова, 2000; Ковина, 2001). При этом перегрузка почвы доступным азотом, минеральными удобрениями влечет за собой подавление азотфиксирующих СЗВ (Штина и др., 1998). В качестве; биологического агента очистки стоков животноводческих комплексов используются штаммы СЗВ (Шаларь и др., 20056). В результате их применения содержание общего азота и фосфора в сточных водах снижается на 96-97%, а полученная биомасса может быть использована в качестве кормовой добавки птицам и животным.
Вся эволюция живых систем проходила в направлении повышения их автономности. В этом отношении большой автономности достигли СЗВ, обладающие значительным разнообразием физиологических процессов. Эти организмы чрезвычайно устойчивы к экстремальным ситуациям, связанным со световым (Shivaprakash et al., 2001; Капа et al., 2003; Фомишина, Лось, 2001) и температурным режимами (Сущик и др., 2003), избытком УФ (Степанова и др., 2001) и радиоактивностью (Кабиров, 1991). Наблюдения за клетками Nostoc sp., растущих при различном освещении позволило различить состав пигментов вегетативной клетки и гетероцистой. Различия их пигментного состава объяснялись комплементарной хроматической адаптацией (Капа et al., 2003), что
15
позволяет получать новую информацию, расширяющую наши представления о приспособлениях к различным воздействиям СЗВ. Отмечается их особая устойчивость к ультрафиолетовому облучению, что используется для получения бактериологически чистых культур СЗВ. После УФ облучения у СЗВ происходит даже стимуляция роста (Голлербах, Штина, 1976). СЗВ, особенно Nostocales, в отличие от других почвенных водорослей могут адаптироваться к сильно засоленной почве (Shigeo et al., 1998). В лабораторных условиях было показано, что СЗВ Anabaena flos-aque и Nostoc sp. имеют высокую толерантность к повышенному содержанию солей в среде (Marcin, Malgorzata, 2001). Имеющиеся в литературе данные свидетельствуют о высокой устойчивости СЗВ к радиоактивному загрязнению (Голлербах, Штина, 1969; Штина, Голлербах, 1976). Так, популяции СЗВ Microcoleus vaginatus были найдены через 3 месяца после ядерных испытаний на расстоянии 0,6 миль от эпицентра, через 10 месяцев на расстоянии 0,4 миль, в то время как водоросли появились лишь через 2 года в 0,6 миль от эпицентра (Shields, Drouet, 1962; Woodwell, 1970).
Известно, что СЗВ с успехом используют для диагностики состояния почв, загрязненных продуктами техногенеза (Штина, Голлербах, 1976; Слободина, 2000). Например, при подщелачивании, загрязнении органическими веществами в альгогруппировках преобладают СЗВ («цианофитизация» альгогруппировок) (Кабиров, Шилова, 1994). Имеются сведения об изменении морфологии клеток СЗВ при наличии в среде токсикантов: появление слизи или резкое увеличение слизистого чехла, возникающее в условиях повышенной концентрации меди (Кузяхметов, 1998), аномальное увеличение размеров клеток («гигантизм») в ответ на загрязнение нефтью (Штина, Некрасова, 1985), минимизация клеток в среде с высоким содержанием поверхностно-активных веществ (Кабиров и др, 2000). В ряде случаев размеры клеток могут оказаться индикаторами состояния особей (Кондратьева, 1974). На основе СЗВ конструируют биосенсоры для
16
мониторинга загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами (Прошкина, 1997; Патова, 2000; Javier et al.., 2002; Савельев, Селях, 2003). В экспериментах с мертвыми и растущими клетками Spirulina sp. доказано, что на различных уровнях поверхности СЗВ аккумулируется кадмий, поэтому данная ассоциация плотных биопленок успешно используется для очистки сточных вод (Costa, Franca, 2003). Некоторые виды СЗВ (роды Nostoc, Aphanothece, Cylindrospermum, Gloeotrichia) используют в целях снижения токсичности промышленных отходов (Fuller, Rogers, 1952; Кабиров, Шилова, 1994; Ласкавец, Доценко, 1987; Пивоварова, Шумлянская, 2005). Многие виды СЗВ протестированы на рост и толерантность к пестицидам (Балезина, 1972; Кучкарова, Покровская, 1977; Gangawane, Kulkran, 1979; Anand, Veerappan, 1980; Kajiyma et al., 1998; Дубовик, 2000; Tiwari et al., 2000; Kumar, Kumar, 2002). Показано также, что СЗВ способны не только к аккумуляции в клетках пестицидов, но и к их деградации. Так, СЗВ Anabaena variabilis и Phormidium foveolarum разлагают гербицид симазин. Кроме действия на рост, многие пестициды (гербициды) оказывают влияние на синтез хлорофилла и активность ряда ферментов СЗВ, в том числе участвующих в метаболизме азота (Kajiyma et al., 1998).
Большинство СЗВ имеют разнообразные морфологические и физиологические приспособления, обеспечивающие им существование при низкой влажности почвы и сохранение жизнеспособности при высыхании (Келлер, 1952; Болышев, 1968; Генкель, Пронина, 1972; Голлербах, Штина, 1976). Несмотря на то, что видовое богатство, частота встречаемости, удельный вес и систематическая структура Cyanophyta в образцах почв после их длительного хранения в воздушно-сухом состоянии заметно снижается, все же значительная часть видов (около 40%) выживает (Кондратьева, Кислова, 1995; Кислова, Кондратьева, 1995). Теплоустойчивость и устойчивость к экстремальным температурам СЗВ проверялась не раз специальными опытами (Голлербах, Штина, 1976; Reay
17
et al., 1999). Например, Nostoc commune выдерживал 4 часа при температуре 90°С, а другие виды ностока - 80°С в сухой среде (Голлербах, Штина, 1976). Изучение толерантности к стрессу замораживания у толерантных и чувствительных к высушиванию видов Nostoc commune и Synechocystis sp. показало, что водопотери клетками СЗВ были, не столь велики, как при воздушной сушке (Yufang et al., 2003). H.H. Сущик и др. (1999) обнаружили, что температура оказывает влияние и на состав внеклеточных свободных жирных кислот СЗВ Spirulina platensis.
Некоторые исследователи отмечали усиление развития СЗВ при увеличении рекреационной нагрузки, т.к. они предпочитают открытые, уплотненные участки почвы и щелочную реакцию среды (Суханова, 1996; Сугачкова, 2000; Илюшенко, 2003 и др.).
Одной из причин слабого развития водорослей и СЗВ в эродированных почвах является неблагоприятные условия существования и их смыв (Дубовик, 1998). Часто лимитирующим фактором является недостаток влаги (Заславский, 1983; Хазиев, 1997; Gogichaishill, 2003). В эродированной почве меняются условия новообразования гумуса, а средне- и сильносмытые черноземы лишаются условий для восстановления своего гумусного состояния из-за крайне незначительного поступления растительной массы, низкой ферментативной активности, сокращения периода биологической активности (Русанов, 1999, 2003; Горячева, 2002; Орлов, 2002). СЗВ, обладающие значительной массой (в особенности колониальные формы) и развивающиеся в большом количестве, могут рассматриваться как наиболее потенциальные гумусообразователи (Голлербах, Штина, 1976). Полисахаридные чехлы синезеленых склеивают частицы субстрата и после подсыхания в значительной степени противостоят размыванию (Штина, Голлербах, 1976; Панкратова, 1981; Штина, 1991; Belnap, Dale, 1998; Jastrow et al., 1998; Дубовик, 1995, 1998, 2004). Количество частиц размером более 0,25 мм |
