ВЛИЯНИЕ ОТДЕЛЬНЫХ АНТРОПОГЕННЫХ ФАКТОРОВ НА СООБЩЕСТВА ПОЧВЕННЫХ МИКРОСКОПИЧЕСКИХ ГРИБОВ

' Начиная с 70-х годов, большое внимание преимущественно в европейских странах было уделено изучению микологических свойств почв промышленных районов, особенно металлургических предприятий.

• наличием обширных зон промышленного и транспортного загрязнения тяжелыми металлами, применением фунгицидов, содержащих металлы, нарушением свойств и функций почвенной микобиоты под влиянием тяжелых металлов, поступлением и трансформацией тяжелых металлов в плодовых телах грибов, реакцией микоризных грибов на загрязнение.

Возможность грибов выживать в присутствии тяжелых металлов зависит от набора биохимических особенностей, физиологических и генетических адаптаций грибов и, наконец, природных изменений соединений металлов [Gadd, 1993]. По отношению к тяжелым металлам грибы могут обладать свойствами резистентности или толерантности. Биологические механизмы, дающие возможность сохранения грибов в присутствии тяжелых металлов, включают внутриклеточную аккумуляцию, комплексообразование, трансформацию металлов путем окисления, восстановления, метилирования и т.п., биосорбцию клеточными стенками, пигментами или экстрацеллюлярными полисахаридами, снижение транспорта или проницаемости, внутриклеточное распределение и финальное осаждение и/или отчуждение [Gadd, 1992].

Основные полученные результаты почвенно-биологических исследований были изложены в ряде обзоров, среди которых данные анализа микобиоты наиболее полно представлены в двух обзорах [Baath, 1989; Wainwright, Gadd, 1997].

Из всего разнообразия исследований, в которых рассматривали влияние различных загрязнителей на почвенную микобиоту, изучению воздействия тяжелых металлов было посвящено наибольшее число работ. Но при этом основные усилия были направлены на оценку изменения численности и биомассы почвенных грибов, хотя эти показатели, как правило, не давали возможности однозначных выводов. В природных условиях эффект тяжелых металлов на численность грибов был связан с видом металла, характером сообществ микроорганизмов, разнообразием экологических факторов. Изменение общей численности при подсчете на питательных средах, было отмечено для почв, загрязненных Си, Cd, Pb, As, Zn [Bewley, Stotzky, 1983; Babich, Stotzky, 1985].

Состав и структура сообществ микроскопических грибов были изучены в меньшем числе исследований, но их результаты часто носили более определенный характер, и при оценке изменений групп и видов грибов можно было получить большую информацию. Было установлено, что токсичные металлы могут влиять на грибные популяции и сообщества, снижая обилие и разнообразие видов, отбирая устойчивые популяции. При высоких уровнях загрязнения отмечается снижение разнообразия грибных сообществ. Например, такой эффект наблюдался при загрязнении альфегумусовых подзолов медью (10000 мкг/г поч- вы)- В то же время отличия в составе грибов проявлялись уже при дозе Си ЮОО мкг/г почвы. Часто в верхних горизонтах загрязненных тяжелыми металлами кислых почв в северных широтах (в Скандинавии) наблюдалось уменьшение выделения типичных для зональных почв видов родов Penicillium, Oidiodendron, Mortierella [Nordgren et al., 1985 и др.]. Напротив, иногда удавалось определить группу видов, присутствие которых увеличивалось вблизи источника загрязнения - Р brevicompactum, р miczynskii, Paecilomyces farinosus, Beauveria bassiana, ряд видов Verticillium, темноокрашенные дрожжи.

Следует отметить, что токсичность тяжелых металлов для видов почвенных грибов может существенно различаться в зависимости от pH почв, содержания органических веществ, соединений, в которых поступает или трансформируется загрязнитель и т.д. А суммарный результат всей реакции микробных комплексов при загрязнении - определяться взаимодействием этих элементов с почвой, их действием на микроорганизмы и на конкурентные взаимоотношения микробов между собой [Левин и др., 1989].

Известно, что промышленное загрязнение оказывает наиболее сильное воздействие на северные экосистемы. В России на севере Европейской части промышленное загрязнение особенно сильно проявляется на Кольском полуострове, где расположены крупнейшие медно-никелевые комбинаты «Североникель»» и «Печенга-Никель», основными выбросами которых являются диоксид серы, соединения меди и никеля. Их длительное и интенсивнее воздействие привело к образованию вблизи комбинатов зон различной степени деградации почвенно-растительного покрова.

Наиболее детальные и многолетние исследования проведены в зоне эмиссии комбината «Североникель», который функционирует с 1938 года. Сравнительный анализ микобиоты проводится по градиенту загрязнения - от участков фоновых незагрязненных почв до территорий, на которых в результате длительного аэротехногенного загрязнения растительный покров деградирован и представляет собой техногенное редколесье. По результатам многолетнего микробиологического мониторинга в зоне воздействия комбината было показано снижение численности сахаролитических грибов в сильно загрязненных (1 км от источника и промплощадка) тяжелыми металлами почвах [Евдокимова, 1995]. На родовом уровне существенных изменений грибных сообществ установлено не было. При более детальном описании видового состава, однако, отмечали изменение сообществ починных грибов, которое в первую очередь выявлялось на участках, прилегающих к комбинату.

А.              fumigatus. В то время как для фоновых почв были характерны виды Р commune, Mortierella isabellina [Lebedeva, 1993].

В исследованиях последних лет было подтверждено, что на фоне измененных химических свойств верхнего почвенного горизонта загрязненных альфегумусовых подзолов существенно изменяется и его микобиота. В загрязненной почве как следствие длительного загрязнения диоксидом серы, снижается величина pH. В результате загрязнения происходит существенное (в 30-90 раз по сравнению с фоном) увеличение содержания подвижных соединений Си и Ni. Наряду с этим наблюдается снижение содержания почвенного органического вещества и выщелачивание из профиля питательных элементов. Подобная деградация почвенных свойств ведет к изменению микробиологических показателей в загрязненных почвах. Так, содержание грибного мицелия при учете набором методов в органогенном горизонте этих сильно загрязненных почв - ниже, чем в фоновой почве (табл. 3). Аналогичные данные по снижению содержания грибного мицелия при загрязнении были получены для этих почв и другими авторами [Евдокимова, 1995; Полянская и др., 2001].

Таблица 3

Некоторые химические и микологические свойства органогенного горизонта загрязненных и фоновых альфегумусовых подзолов [по Беспалова и др., 2002]

Ряд изменений также отмечено и в видовой структуре сообществ микроскопических грибов (табл.

Таблица 4

Встречаемость (%) микроскопических грибов в органогенном горизонте загрязненных аэротехногенными выбросами и фоновых альфегумусовых подзолах

В сильно аэротехногенно загрязненных альфегумусовых подзолах района комбината «Печенга-Никель» наблюдалась тенденция обеднения видового богатства комплексов микроскопических грибов по сравнению с фоновыми почвами. В загрязненных почвах при выделении на питательных средах наблюдалось некоторое снижение присутствия темно- окрашенных грибов, что подтверждалось и данными прямого учета биомассы грибного мицелия. В ряде случаев нами отмечено выделение из загрязненных почв видов рода Aspergillus, нетипичного для этой почвенной зоны, что совпадает с результатами других исследователей [Lebedeva,: 1993]. Увеличение представителей Aspergillus, особенно A. niger, на загрязненной территории мы отмечали не только в почвах, но и в приземных слоях воздуха.

Более полные представления о видовом составе и структуре комплексов микроскопических грибов с учетом конкретных почвенно-экологических условий могут быть получены при изучении грибных сукцессий, вызванных, например, простым увлажнением почвы. Такой проведенный нами анализ хотя и не обнаружил различий в видовом разнообразии грибных сообществ фоновых и загрязненных почв района комбината «Североникель», но одновременно выявил некоторые отличия в составе грибов в почвах на этих участках по мере протекания сукцессии. Например, в зоне техногенного редколесья не выделены такие типичные для зональных почв виды как Penicillium thomii и Trichoderma hamatum. В процессе сукцессии в этих почвах наблюдалось увеличение, встречаемости и обилия нетипичного для этой зоны вида Р. funiculosum. Интересно отметить, что вид Р spinulosum был выделен нами преимущественно из загрязненных почв. Это соответствует данным других' исследований, в которых отмечался относительно высокий уровень; встречаемости Р spinulosum в районах старых медеплавильных фабрик Швеции [Arnebrandt et al., 1987].

Изменение видового состава в исследованном районе может определяться характером изменения свойств почв при аэротехногенном загрязнении, рассмотренным выше, когда наряду с высоким уровнем загрязнения тяжелыми металлами происходит подкисление в органогенных горизонтах. Кроме того, возможна и непосредственная стимуляция роста некоторых видов грибов при загрязнении тяжелыми металлами, завися-, щая от металла, его формы и концентрации, что, например, было показано для A. niger [Евдокимова и др., 1984].

В другом арктическом регионе в районе выбросов Норильского металлургического комбината, где отмечается высокий уровень загрязнения почв, изменения комплексов микроскопических грибов достаточно резко выражены. С увеличением содержания тяжелых металлов (Си, Ni) индекс видового разнообразия в торфяно-перегнойных мерзлотных почвах снижается от Н=3,1 до 2,5. При этом состав комплексов в загрязненных почвах по сравнению с фоновыми изменяется весьма существенно. Более 50% видов, выделенных из контрольных почв, не были отмечены в почвах с высоким уровнем загрязнения.

Хотя влияние промышленного загрязнения тяжелыми металлами на почвенную микобиоту должно быть больше выражено для бедных почв Севера, однако оно отмечается и в почвах южных регионов. Так, в сероземных почвах Средней Азии в зоне промышленных хвос- тохранилищ при загрязнении Си и Zn (в 5-8 раз выше фонового) выделялось меньшее богатство видов грибов. В наиболее загрязненных вариантах отмечено доминирование Р funiculosum, не типичного для контроля и, напротив, отсутствие характерного для незагрязненных почв К bucharicum [Лебедева, Канивец, 1991]. В зоне воздействия одного из наиболее старых полиметаллических предприятий на территории бывшего СССР (г. Чимкент, Казахстан) на участках наиболее высокого уровня загрязнения, где концентрации тяжелых металлов (Cd, Pb, Zn) в сероземных почвах превышали фон в 50-200 раз, нами было обнаружено уменьшение видового богатства и разнообразия сообществ грибов, изменение их видового состава. Так, индекс разнообразия Шеннона в контрольной и переходной зоне составил Н=3,3-3,4, а в зоне наибольшего загрязнения всего Н=2,5. В зоне загрязнения отчетливо (в 3 раза) снижалось общее число выделяемых видов рода Penicillium. Наиболее выраженным доминантом по встречаемости и обилию становился Р purpurogenum. В загрязненных почвах доминировали также A. cremeus, A. niger.

Следует, однако, отметить, что изменение видовой структуры и состава комплексов почвенных микроскопических грибов в полевых условиях даже при высоком уровне загрязнения тяжелыми металлами проявляется не всегда четко. Более отчетливо эти тенденции могут быть выявлены в модельных опытах. В серии микрополевых и лабораторных экспериментов с возрастающими дозами загрязнения Cd, Pb, Hg, в также смесью металлов Zn+Cd+Pb нами отмечалось более выраженное, чем в полевых условиях, воздействие загрязнителей на комплекс почвенных грибов. Тяжелые металлы вызывали существенное изменение видовой структуры, и чем выше были их дозы, тем сильнее снижалось видовое богатство и разнообразие комплексов (табл. 5). Напротив, значения показателя Симпсона, отражающего изменение представленности массовых (часто встречающихся) видов, в загрязненных почвах

увеличивались. Эти изменения происходили за счет уменьшения числа редко встречающихся грибов, а в сильно загрязненных почвах иногда сохранялось лишь несколько видов с высокой частотой встречаемости. Что хорошо демонстрируется методом рангового распределения (рис. 2), который более детально, чем расчетные индексы, может демонстрировать перестройку структуры сообществ.

Таблица 5

Изменение показателей структуры комплексов микроскопических грибов

при загрязнении почв тяжелыми металлами

Кривые рангового распределения наглядно отражали эту закономерность для всех исследованных почв и тяжелых металлов. Немаловажно, что грибные комплексы в большей степени изменялись в бедных дерново- подзолистых, чем в плодородных черноземных почвах.

В дерново-подзолистых же почвах происходит как бы перерождение грибных сообществ, и наиболее обильными при загрязнении могут оказаться или редко встречающиеся, или вовсе нетипичные для зональных почв виды. Так, при высоком уровне загрязнения в дерново-подзолистых почвах доминирующими могут стать представители рода Aspergillus, наиболее часто А. riiger, A. ustus (рис. 11).

Под воздействием тяжелых металлов может существенно изменяться не только структура, но и видовой состав комплексов почвенных грибов. Исключение составляют черноземы, в которых даже при высоких дозах загрязнения виды грибов, характерные для зональных почв, обычно сохраняются и доминируют (рис. 12).

Один из подходов изучения влияния тяжелых металлов в разных соединениях и дозах - метод инициированного микробного сообщества - ИМС [Гузев и др., 1985]. Метод предполагает определение состава

alt="" />

/gt;Wc. 11. Изменение комплекса микроскопических грибов в дерново-подзолистой почве при внесении высоких доз (50 мг/кг почвы) ртути.

/ - Fusarium verticilloides, 2 - Penicillium thomii, 3 -R martensii,

4-Stemphylium botryosum, 5 - Micromucor ramannianus, 6-R decumbens,

7 - Scopulariopsis brevicaidis, 8 - Trichoderma viride, 9 - Mucor plumbeus,

10 -Penicillium sp., 11 -Aspergillus ustus, 12-A. niger; а -контроль, б-опыт.

^1{С-12- Изменение комплекса микроскопических грибов в черноземе при внесении высоких доз (ЗОООмг/кг почвы) свинца

1 - Chaetomium spirale, 2 - Penicillium janczewskii, 3 - Penicillium sp.,

4- Talaromyces flavus, 5 - Trichoderma koningii, 6 - Myrothecium verrucaria,

^ - Cladosporium herbarum, 8 - Mycelia sterilia (темноокрашенный),

^ Aspa-giHus ustus, 10-P funicirfosum, 11 -P. purpurogenum,

~~ Mucor circinelloides, 13 — Fusarium javanicum; a - контроль, б— опыт.

микробных комплексов, развитие которых инициировано добавлением органического субстрата на поверхности почвенной пластины. Этим методом преимущественно для комплекса микроорганизмов, разлагающих крахмал (в котором преобладали грибы), исследовалось воздействие различных поллютантов. Авторы установили четыре зоны, отражающие общую закономерность в реакциях микробной системы на загрязнение. Это зона гомеостаза, в которой структура и состав амилолитического сообщества стабильны и практически неотличимы от этих же показателей в контрольной почве. Зона стресса - когда состав сообщества остается постоянным, а структура изменяется. Зона резистентности, в которой происходит снижение разнообразия микробного сообщества. И зона репрессии - с полным подавлением роста и развития микроорганизмов в почве. Авторы считают возможным по величине зоны гомеостаза, определяемой по изменению состава ИМС, перераспределению доминирующих видов, использовать этот метод для индикации средних уровней загрязнения тяжелыми металлами [Левин и др., 1989].

Например, согласно этому методу, наиболее устойчивыми к высокому уровню загрязнения Си, Zn в сероземах были Aspergillus fumigatus, Monilia geophila, Stachybotrys alternans [Лебедева, Канивец, 1991]. При больших концентрациях Pb в дерново-подзолистой почве снижается присутствие типичных для контроля грибов Coniothyrium fuckeli, Chaetomium globosum, и появляются виды, не выделенные из незагрязненных почв - Aspergillus flavus, Penicillium notatum. Присутствие последних возрастает при увеличении концентрации загрязнителя [Левин и др., 1989]. Как наиболее резистентные к меди и никелю в альфегумусовых подзолах методом ИМС были выявлены некоторые виды рода Trichoderma, а также Р simplicissimum, Paecilomyces farinosus [Евдокимова, 1995].

Загрязнение тяжелыми металлами может оказывать существенное влияние на грибы филлопланы растений и таким образом оказывать влияние на грибные сукцессии в опаде. Например, численность Aureobasidium pullulans коррелировала с уровнем загрязнения медью от промышленных и транспортных источников. Этот микромицет в загрязненных условиях становился доминирующим, а его доля могла составлять более 90% от всех грибов филлопланы растения [Mowll, Gadd, 1985].

Воздействие металлов проявляется не только на уровне сообществ и популяций, а может вызывать множественные аномалии развития и у отдельных грибных организмов - появление уродливых конидиеносцев, вздутых гиф и т.д. [Жданова, Васильевская, 1982 и др.].

Определение устойчивости отдельных видов почвенных грибов к загрязнению тяжелыми металлами - специальное направление микологических исследований. Это направление развивается как в целях поиска биоиндикаторов загрязнения, так и организмов, способных проводить

В целом, обычно виды, которые реагируют на загрязнение тяжелыми металлами, отчетливо в посевах не выявляются. По нашим данным только Micromucor ramannianus можно считать наиболее чувствительным к этому загрязнению видом в некоторых подзолистых почвах.

Наиболее четко можно установить виды, выдерживающие высокие концентрации тяжелых металлов. В наших экспериментах часто и в модельных, и в полевых опытах в разных типах почв были обильно представлены при высоком уровне загрязнения тяжелыми металлами (Си, Pb, Cd, Zn) грибы рода Penicillium сер. Р funiculosum - Р funiculosum, Р purpurogenum, что подтверждается и данными других исследователей [Левин и др., 1989; Лебедева, Канивец, 1991 и др.]. При загрязнении дерново-подзолистых почв Cd, как правило, увеличивалась встречаемость вида Paecilomyces lilacinus, который выдерживает высокие концентрации этого элемента и на питательных средах [Tatsuyama et al., 1975].

Однако не стоит предполагать, что резистентность грибов жестко связана с условиями их обитания. Грибы, которые устойчивы к высоким концентрациям тяжелых металлов, могут быть изолированы и из загрязненных, и из фоновых почв. Изучение резистентности грибов из загрязненных и «чистых» лесных почв подтвердило, что хотя грибы, выделяемые из загрязненных почв, часто были более устойчивы к тяжелым металлам, например, меди, тем не менее, выраженных различий в устойчивости изолятов из длительно или недавно загрязненных почв не отмечалось [Amebrandt et al., 1987]. Одновременно следует отметить, что реакция на загрязнение металлами может быть специфической для отдельных штаммов грибов одного вида.

Важной проблемой загрязнения тяжелыми металлами является и возможность их накопления в плодовых телах грибов. Хорошо известно, что повышенные концентрации токсичных металлов и радионуклидов могут содержаться в плодовых телах грибов, собранных на загрязненных территориях. Этот феномен важен с одной стороны для возможного использо

вания грибов как биоиндикаторов загрязнения металлами, но с другой - очень важна оценка возможных токсических эффектов при потреблении человеком съедобных дикорастущих грибов. Физиологические особенности аккумуляции металлов плодовыми телами до сих пор не совсем ясны, но, тем не менее, это свойство грибов может иметь очень^важное экотоксикологическое значение. Установлено, что в целом уровень накопления, например, Pb, Cd, Zn, Hg в грибах на городских и индустриальных территориях выше, чем обнаруживаемый для сельских мест. Хотя имеются весьма существенные различия для разных видов грибов и типа металла. Например, Cd накапливается в плодовых телах макромицетов в достаточно большом количестве до 5 и даже до 40 мг/кг сухого веса гриба. Laccaria amethystine накапливала мышьяк в концентрации 100-200 мг/кг сухого веса [Byrne et al., 1991]. При исследовании накопления в шампиньонах 110Ag и 203Hg было установлено, что отношение концентрации металла в плодовом теле грибов к концентрации в грунте составляло 40 и соответственно. При этом наибольшие уровни накопления Ag и Hg составляли до 165 и 75 мг/кг сухого веса гриба [Byrne, Tusek-Znidaric, 1990]. Известно, что могут иметься и широкие различия уровня накопления, зависящие от вида гриба и места произрастания его плодового тела.

Активное накопление тяжелых металлов (более чем в 100 раз по сравнению с содержанием в почве) может происходить не только в плодовых телах, но и в ризоморфах грибов, что было показано, например, для видов рода Armillaria. Концентрации Al, Zn, Си и Pb в ризоморфах составляли 3440, 1930, 15 и 680 мг/кг сухого веса, соответственно. Причем металлы преимущественно накапливались на поверхности мицелия. Высказывается предположение, что формирование такой содержащей металлы «оболочки» ризоморф способствует их сохранению и длительности существования [Rizzo et al., 1992].

Известно, что тяжелые металлы могут влиять и на плодообразование у грибов, и при этом может наблюдаться ряд нежелательных эффектов для лесных экосистем. Под влиянием прямого и опосредованного воздействия загрязнения атмосферы в некоторых районах Центральной Европы наблюдалось уменьшение числа плодовых тел микоризных грибов, одновременно как другой негативный микологический эффект отмечалось увеличение поражения деревьев древоразрушающими грибами [Fellner, 1993].

Суммируя вышеизложенное, можно сказать, что тяжелые металлы могут оказывать весьма значительное воздействие на микобиоту и ее свойства. Для сообществ почвенных грибов как негативные тенденции при высоком уровне загрязнения тяжелыми металлами наблюдались снижение видового разнообразия, «концентрация доминирования» отдельных видов. Одновременно может происходить существенное изменение видового состава, и могут развиваться виды, нетипичные для зональных почв.

С одной стороны это ведет к потере специфической структуры и разнообразия природных сообществ, а с другой дает возможность развития видов обладающих свойствами, неблагоприятными для других организмов. Такие изменения в наибольшей степени могут проявляться в более бедных природных условиях, например, для сообществ микроскопических грибов в бедных дерново-подзолистых почвах.