Микробные сообщества городских почв Норильской агломерации

Полный текст

Введение

Почвы Арктического региона, являющиеся важнейшим депо органического углерода, составляющего около половины мировых почвенных запасов [1, 2], становятся основным объектом изучения в условиях изменения климата и интенсивной урбанизации. Норильская агломерация — уникальный пример сочетания суровых климатических условий и высокой антропогенной нагрузки. На естественные лимитирующие факторы (близкое залегание к поверхности многолетней мерзлоты, сезонное переувлажнение, невысокое содержание органического вещества и макроэлементов) накладываются антропогенные процессы (загрязнение тяжелыми металлами, переуплотнение и запечатывание). В результате почвы Норильской агломерации отличаются очень высокой неоднородностью: от природных и квази-­природных почв фоновых территорий на границе селитебных зон до почвоподобных образований из техногенных отложений (шлам, гравий, строительный мусор), перекрытых завезенными грунтами различного происхождения, свой­ств и экологического качества.

Известно, что микробиом арктических почв очень своеобразен [3, 4]. Понимание его состава, структуры и стабильности необходимо для прогнозирования изменений в функционировании экосистем в условиях потепления Арктики. Ожидается, что повышение температуры и сопряженное с ним изменение растительного покрова приведут к изменению скорости минерализации органического вещества, его гумификации и фундаментальным изменениям в микробном сообществе [5—7]. Отдельный интерес представляют почвы арктических городов, где помимо климатического фактора и антропогенной нагрузки существенное влияние на функционирование почвенного микробного сообщества могут оказывать субстраты, используемые для создания почвенных конструкций, ассортимент растений, используемых в озеленении, и технологии ухода за зелеными насаждениями. Кроме того, эффект «теплового острова» может создавать благоприятные условия для выживания и развития микроорганизмов, реализуя специфические ниши, которые могут превратиться в своеобразные очаги биоразнообразия микроорганизмов [4, 8].

Существуют работы, посвященные изучению химических и микробиологических свой­ств почв арктических регионов, однако большинство из них сосредоточены на роли почв в секвестрации и стабилизации органического вещества [9—11].

Мы в своем исследовании сделали акцент на цели изучения функциональной структуры почвенных микробных сообществ городских экосистем арктического региона на примере Норильской агломерации, в т. ч. на оценке структуры культивируемого микробного сообщества для последующей анализа долевого участия патогенных микроорганизмов, что является очень важным для здоровья городского населения.

Материалы и методы исследования

Объекты исследований

Норильская агломерация — это система отдельно расположенных жилых районов: собственно Норильск, Оганер, Талнах, Кайеркан — характеризуется крайне суровым климатом субарктического типа. Особенностью зимы является сочетание низких температур и сильного шквального ветра. Период устойчивых морозов (до –56 °C) длится около 280 дней в году, при этом отмечается более 130 дней с метелями. Климатическая зима длится с начала второй декады сентября по первую декаду мая. Лето короткое (с конца июня по конец августа), прохладное (+10,7 °C) и пасмурное; климатическое лето наступает лишь в отдельные теплые годы [12].

С учетом естественной почвенной неоднородности Норильской агломерации исследования проводили в названных выше четырех районах (рис. 1). На территории каждого района были выделены городские и фоновые объекты.

Рис. 1. Схема расположения и площадь объектов исследования
Источник: выполнил Н.В. Салтан с использованием Google Map

Fig. 1. Location and area of research plots
Source: created by N.V. Saltan using Google Map

Норильск (69°20΄01΄΄ c. ш. 88°12΄49΄΄ в. д.), площадью 5,8 км², расположен на юге Таймырского полуострова, в 300 км к северу от Северного полярного круга в Арктической зоне Красноярского края (восточная Арктика), характеризуется развитым промышленным комплексом (предприятия цветной металлургии, горнодобывающей, топливно-­энергетической, газовой и других отраслей промышленности).

Кайеркан (69°21΄11΄΄ c. ш. 87°45΄22΄΄ в. д.), площадью 1,5 км², находится в 24 километрах к западу от центральной части. Входит в тройку самых загрязненных городов мира.

Оганер (69°21΄32΄΄ c. ш. 88°22΄10΄΄ в. д.) расположен в 8 км восточнее от центра Норильска, на левом берегу р. Норилки. Самое молодое жилое образование Норильской агломерации, небольшое по площади.

Талнах (69°30΄38΄΄ c. ш. 88°21΄48΄΄ в. д.) — район, находящийся в 25 км к северо-­востоку от центра Норильска, характеризуется самой благополучной экологической ситуацией. Площадь — 4 км².

Отбор образцов и подготовка почвы к анализу. Отбор проб для микробиологического анализа и подготовку почвы для лабораторных исследований проводили согласно ГОСТ 17.4.3.01–2017^[1]; ГОСТ 17.4.4.02–2017^[2]. Образцы отбирали из верхнего слоя 0–10 см, транспортировали в лабораторию и хранили в холодильнике при температуре +4 °C.

Определение микробной биомассы, микробного метаболического коэффициента. Углерод микробной биомассы С_мик определяли методом субстрат-­индуцированного дыхания, который заключается в измерении эмиссии СО₂, продуцируемого почвенными микроорганизмами в течение 3–5 часов после добавления в почву 0,1 мл раствора 5 % легкодоступного субстрата — глюкозы — по стандартной методике [13]. Базальное дыхание (БД) измеряли аналогичным методом, добавляя воду (0,1 мл/г почвы) и инкубируя образцы 24 часа. Измерение СО₂ проводили на газовом хроматографе Crystal‑5000.2. На основе базального дыхания и углерода микробной биомассы проводили расчет микробного метаболического коэффициента qCO₂.

Определение функционального разнообразия микробного сообщества. Физиологический профиль микробного сообщества почвы оценивали техникой MicroResp^TM [14, 15]. Анализировали отклик на 14 субстратов, относящихся к группам аминокислот (лейцин, глицин, аргинин, аминоуксусная и аспарагиновая), углеводов (глюкоза, фруктоза, галактоза), карбоновых (аскорбиновая, лимонная, уксусная) и фенольных (сиреневая, ванилиновая) кислот. Изменение окраски геля измеряли на микропланшетном ридере («Униплан», λ595 нм).

Определение численности культивируемых бактерий и микроскопических грибов. Численность сапротрофных бактерий определяли методом поверхностного посева на мясопептонный агар, численность олиготрофных бактерий — на слабоминерализованную среду Аристовской. Численность грибов определяли методом глубинного посева на среду Чапек-агар с добавлением молочной кислоты для подавления роста бактерий. Расчеты численности бактерий и грибов проводили на абсолютно сухую почву, прокаленную при 105 °C до постоянного веса. Выделение чистых культур микроорганизмов проводили из накопительных культур. Анализ видового разнообразия грибов выполняли на основе культурально-­морфологических признаков с использованием определителей [16, 17].

Определение численности условно патогенных микроорганизмов. Оценку санитарно-­гигиенического состояния почвы проводили на основе СанПиН 1.2.3685–21^[3]. Численность бактерий группы кишечной палочки (БГКП) определяли на среде Эндо, энтеробактерий — на специализированной лактозо-­пептонной среде и среде Кода. Условно патогенные виды грибов идентифицировали по определителям [18, 19] и на основе нормативного документа СП 1.3.2322–08^[4].

Результаты исследования и обсуждение

Микробная биомасса и активность

В городских почвах районов Норильской агломерации величина микробной биомассы изменялась от 107 до 159 мкг Сг^‑1 (рис. 2, а). Не выявлено существенной разницы между городскими почвами 4 изучаемых районов. Однако по сравнению с фоновой почвой микробная биомасса была существенно ниже: в Кайеркане и Талнахе в 4,5 и 6 раз соответственно, в центральном районе и Оганере приблизительно в 2 раза. В целом для городских почв Норильской агломерации характерны низкие значения микробной биомассы, по сравнению как с регионами, расположенными в средней полосе, например, Москва [20, 21], Курск [22], так и с северными городами, такими как Мурманск, Апатиты [23]. Низкие значения микробной биомассы можно объяснить слабо развитым растительным покровом в районах исследования, неблагоприятными физико-­химическими свой­ствами почвы (переуплотнение, низкое содержанием органического вещества, рН и пр.), а также высоким уровнем содержания загрязняющих веществ, в первую очередь тяжелых металлов.

Рис. 2. Микробная биомасса (а), базальное дыхание (б) и микробный метаболический коэффициент (в) в почвах районов Норильской агломерации по сравнению с фоновыми
Источник: выполнила М.В. Корнейкова с помощью Microsoft Excel

Fig. 2. Microbial biomass (a), basal respiration (b) and microbial metabolic quotient (c) in soils of the Norilsk agglomeration areas compared to background ones
Source: created by М.V. Korneykova using Microsoft Excel

Величина микробного дыхания в городских почвах изменялась от 0,28 до 0,64 и была ниже по сравнению с фоновой почвой во всех районах за исключением Оганера (см. рис. 2, б). В Талнахе отмечена наибольшая разница в значениях микробного дыхания между городскими и фоновыми почвами. В целом значения интенсивности микробного дыхания сопоставимы с таковыми для других северных городов [23]. Низкие значения содержания углерода микробной биомассы и достаточное микробное дыхание в почвах Норильской агломерации свидетельствуют о высокой активности почвенных микроорганизмов.

Значения микробного метаболического коэффициента (см. рис. 2, в), который является индикатором состояния почвенного микробного сообщества [24, 25], в городских почвах выше (от 2,4 до 5,3) по сравнению с фоновыми (от 1,2 до 3,4), что свидетельствует о неустойчивом состоянии почвенных микробных сообществ в условиях города. Ранее проведенные в других северных городах исследования выявили противоположные результаты и, например, в Апатитах и Мурманске значения микробного метаболического коэффициента были ниже, чем в фоне. Вероятно, мощная антропогенная нагрузка от близ расположенных промышленных предприятий и более суровый климат в Норильске неблагоприятно сказываются на почвенных микробных сообществах и затрудняют их развитие.

Функциональное разнообразие почвенных микробных сообществ

Функциональное разнообразие микробных сообществ определяется как «сумма экологических процессов и/или способности использовать различные субстраты, вырабатываемые организмами» [26]. Emmerling et al. отмечают, что если генетическое разнообразие микробных сообществ оценивает латентное разнообразие, которое может не проявляться, то функциональное разнообразие связано с фактической деятельностью микроорганизмов, являющейся результатом этого потенциала, так что «функциональное, а не таксономическое разнообразие может обеспечить более глубокое понимание роли микробов в экосистемах» [27].

Кайеркан

Городские почвы Кайеркана характеризовались небольшим разнообразием функциональных групп почвенного микробного сообщества (рис. 3, а). В основном это микроорганизмы, способные разлагать углеводы и карбоксильные кислоты. Тогда как функциональное разнообразие микробных сообществ в фоновых почвах было существенно богаче. Выявлены отклики на все группы тестируемых субстратов. Активность микроорганизмов, анализируемая по силе отклика (интенсивности окраски на тепловой диаграмме), также была существенно больше, чем на городских объектах Кайеркана.

Рис. 3. Тепловая диаграмма функционального разнообразия почвенных микробных сообществ в почвах Норильской агломерации в сравнении с фоновыми: а — Кайеркан; б — Талнах; в — Норильск; г — Оганер. Зеленая линия — фоновый участок
Источник: выполнила М.Н. Васильева с помощью R 4.3.3, R studio

Fig. 3. Heat map of the functional diversity of soil microbial communities in the soils of the Norilsk agglomeration in comparison with the background ones: а — Kayerkan; б — Talnakh; в — Norilsk; г — Oganer. The green line is the background area
Source: created by М.N. Vasileva using R 4.3.3, R studio

Талнах

В Талнахе, как и в Кайеркане, в городских почвах выявлено угнетение разнообразия микробных сообществ по сравнению с фоном, однако на разных объектах Талнаха результаты существенно различались. Так, один из участков города отличался очень низким разнообразием и слабым откликом, а на втором разнообразие групп было больше, и величина отклика на некоторые из субстратов (глюкоза и аскорбиновая кислота) были выше, чем в фоновой почве, что, вероятно, вызвано наличием доступных субстратов в городских почвах.

Норильск

Функциональный профиль микробного сообщества в городских почвах Норильска отличался от двух предыдущих. В городских почвах разнообразие было существенно выше (отмечался отклик на 3…13 субстратов на разных участках), чем в фоновой, где отмечен отклик только на 4 субстрата. Однако, несмотря на большое разнообразие функциональных групп почвенных микроорганизмов, активность последних была слабой. Только на одном из городских участков сила отклика была значимой, в основном на группу углеводов.

Оганер

В Оганере, так же, как и в Норильске, функциональное разнообразие и активность была выше в городе по сравнению с фоном (11 и 4 отклика на субстраты соответственно). Наиболее сильный отклик отмечен для группы карбоксильных кислот, на лейцин (группа аминокислот) и сиреневую кислоту, относящуюся к группе фенольных трудноразлагаемых соединений.

Функциональное разнообразие почвенных микробных сообществ в разных районах Норильской агломерации по-разному изменялось в сравнении с фоновой почвой. Можно предположить, что в Кайеркане причиной низкого разнообразия микробных сообществ в городе является очень скудный растительный покров из-за сильных ветров, а в Талнахе — самом чистом районе и, казалось бы, с ожидаемо высоким разнообразием — причиной может быть более богатый растительностью фоновый участок, расположенный в зоне северной тайги. В Норильске и Оганере выявлено увеличение разнообразия функциональных групп микробных сообществ по сравнению с фоном, что согласуется с другими исследованиями, проведенными в городах [28—31].

Численность культивируемых микроорганизмов

Среди культивируемых прокариот олиготрофные бактерии преобладали над сапротрофными на всех участках как в городских условиях, так и в фоновых почвах (таблица). Вероятно, это связано с климатическими особенностями района исследований. В работах других авторов уже отмечалась подобная тенденция [32, 33]. Средняя численность сапротрофных бактерий в городских почвах колебалась в пределах от 20,2 до 73,7 тыс. КОЕ/г почвы, олиготрофных — от 35,7 до 102,0 тыс КОЕ/г и существенно не отличалась от фоновых почв, где значения изменялись от 13,2 до 28,8 тыс. КОЕ/г почвы для сапротрофов и от 25,8 до 83,2 тыс. КОЕ/г почвы — для олиготрофов. Во всех районах Норильской агломерации численность обеих групп бактерий в городских почвах была выше, чем в фоновых примерно в 1,5 раза.

Численность бактерий и микроскопических грибов в городских почвах

Объект	Тип	Бактерии				Микромицеты, тыс. КОЕ/г
		Сапротрофные	Олиготрофные	БГКП	Энтеробактерии
		тыс. кл/г почвы		КОЕ/г почвы
Норильск	Город	20,2 ± 0,5	47,8 ± 5,2	30,7 ± 2,5	16,5 ± 3,5	0,14 ± 0,03
	Фон	13,2 ± 1,5	26,2 ± 2,2	0	0	0,05 ± 0,005
Кайеркан	Город	32,2 ± 1,3	48,7 ± 4,3	7,25 ± 1,2	0,4 ± 0,05	0,32 ± 0,1
	Фон	24,9 ± 10,0	25,8 ± 8,2	4,0 ± 0,3	0,5 ± 0,1	0,01 ± 0,002
Оганер	Город	22,0 ± 9,3	35,7 ± 7,5	5,4 ± 0,2	0,04 ± 0,01	0
	Фон	13,2 ± 1,5	26,2 ± 2,2	0	0	0,05 ± 0,005
Талнах	Город	18,6 ± 5,3	43,5 ± 4,9	0,4 ± 0,02	39,1 ± 13,1	1,3 ± 0,05
	Фон	28,8 ± 9,0	83,2 ± 12,2	0	7,7 ± 1,5	0,05 ± 0,005

Number of bacteria and microscopic fungi in urban soils

Object	Type	Bacteria				Microfungi, thous. CFU/g
		Saprotrophic	Oligotrophic	Coliform bacteria	Enterobacteria
		thous. cells/g of soil		CFU/g of soil
Norilsk	City	20.2 ± 0.5	47.8 ± 5.2	30.7 ± 2.5	16.5 ± 3.5	0.14 ± 0.03
	BG	13.2 ± 1.5	26.2 ± 2.2	0	0	0.05 ± 0.005
Kayerkan	City	32.2 ± 1.3	48.7 ± 4.3	7.25 ± 1.2	0.4 ± 0.05	0.32 ± 0.1
	BG	24.9 ± 10.0	25.8 ± 8.2	4.0 ± 0.3	0.5 ± 0.1	0.01 ± 0.002
Oganer	City	22.0 ± 9.3	35.7 ± 7.5	5.4 ± 0.2	0.04 ± 0.01	0
	BG	13.2 ± 1.5	26.2 ± 2.2	0	0	0.05 ± 0.005
Talnakh	City	18.6 ± 5.3	43.5 ± 4.9	0.4 ± 0.02	39.1 ± 13.1	1.3 ± 0.05
	BG	28.8 ± 9.0	83.2 ± 12.2	0	7.7 ± 1.5	0.05 ± 0.005

Note. BG — background.

Численность микроскопических грибов в почвах районов Норильской агломерации достаточно низкая и изменялась от 0,14 до 2,60 тыс. КОЕ/ г почвы, однако эти значения на 1–2 порядка превышали таковые в фоновой почве (0,01…0,05 тыс. КОЕ/г). Увеличение численности культивируемых бактерий и микроскопических грибов в городских почвах ранее отмечалось в работах других авторов, в т. ч. для северных городов [32, 33]. Вероятно, объекты зеленой инфраструктуры арктических городов формируют благоприятную нишу для развития почвенного микробного сообщества, как это ранее было показано по данным анализа микробного разнообразия и структуры микробного сообщества [34, 35].

Санитарно-­гигиеническое состояние городских почв

Оценка санитарно-­гигиенического состояния городских почв очень важна при проведении экологических исследований, так как наличие патогенных и условно патогенных для человека микроорганизмов может представлять потенциальную опасность для здоровья населения, в особенности для наиболее уязвимой ее части: детей дошкольного возраста, пожилых людей и людей с ослабленным иммунитетом.

По санитарно-­гигиеническому состоянию городские почвы Норильской агломерации относились к категории умеренно опасных, за исключением района Оганер (допустимо чистые), тогда как фоновые были допустимо чистыми или чистыми. В городских почвах отмечено существенное увеличение групп условно патогенных бактерий (энтеробактерий и БГКП) по сравнению с фоновыми. Так, численность БГКП в разных районах Норильской агломерации изменялась от 5,4 до 47,3 КОЕ/г почвы, энтеробактерий от 0,04 до 16,50 КОЕ/г почвы, тогда как в фоне БГКП достигали максимальных значений 4,0 КОЕ/г, энтеробактерии — 7,7 КОЕ/г. Часто в фоновых почвах полностью отсутствовали бактерии, относящиеся к патогенным, что свидетельствует об их чистоте. В то же время увеличение доли условно патогенных микроорганизмов, как бактерий, так и микроскопических грибов, в городских почвах ранее уже отмечен рядом исследований [36—39].

Заключение

Норильская агломерация является интересным примером арктической городской экосистемы, поскольку характеризуется выраженной пространственной неоднородностью за счет выделения отдельных районов разной степени благоустроенности, обеспеченности зелеными насаждениями и уровнем антропогенной нагрузки. Это позволило нам провести комплексную оценку почвенных микробиологических показателей в районах исследования и сравнить их с фоновыми аналогами.

Выявлено, что городские почвы Норильской агломерации характеризовались низкими значениями микробной биомассы как по сравнению с фоновыми объектами, так и по сравнению с другими городами, расположенными в арктической зоне. При этом микробные сообщества обладали достаточной активностью, о чем свидетельствуют сопоставимые с фоном и другими регионами значения показателя базального дыхания. Несмотря на низкие значения микробной биомассы в отдельных районах выявлено увеличение функционального разнообразия сообществ по сравнению с фоновыми почвами. В городских почвах, как правило, преобладали микроорганизмы, способные разлагать легкодоступные соединения — углеводы и карбоксильные кислоты, но в то же время доля микроорганизмов, утилизирующих трудноразлагаемые соединения, на некоторых участках достигала 20 %.

В городских почвах выявлено увеличение численности культивируемых сапротрофных, олиготрофных бактерий и микроскопических грибов по сравнению с фоновыми, хотя фактические значения численности анализируемых групп микроорганизмов низкие. Санитарно-­гигиеническое состояние городских почв агломерации оценено в большинстве случаев как умеренно опасное, отмечено увеличение численности групп БГКП, энтеробактерий и оппортунистических микромицетов, что характерно для городских экосистем.

В целом, городские почвы Норильской агломерации имеют низкие значения количественных показателей микробных сообществ (численность культивируемых микроорганизмов, микробная биомасса), вероятно, из-за сочетания сурового климата и мощной антропогенной нагрузки развитой промышленности. Однако городская зеленая инфраструктура может формировать ниши для развития микроорганизмов, о чем свидетельствует увеличение численности культивируемых групп бактерий и микроскопических грибов в городских почвах по сравнению с фоном, высокая активность микроорганизмов, увеличение функционального разнообразия в отдельных районах. Полученные результаты еще больше подчеркивают важность разработки концепций озеленения и благоустройства городов Арктики с учетом комплексного подхода: анализ климатических условий, физико-­химических свой­ств почв, подбор ассортимента растений и разработка технологий содержания и ухода за зелеными насаждениями.

 

_{¹ ГОСТ 17.4.3.01–2017. Почвы. Общие требования к отбору проб. М., 2018.}

_{² ГОСТ 17.4.4.02–2017. Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа. М., 2018.}

_{³ ГОСТ 17.4.4.02—2017. Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа. М., 2018.}

_{⁴ СП 1.3.2322–08. Безопасность работы с микроорганизмами III–IV групп патогенности (опасности) и возбудителями паразитарных болезней. М., 2021.}

Об авторах

Мария Владимировна Корнейкова

Российский университет дружбы народов

Автор, ответственный за переписку.
Email: korneykova.maria@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-6167-1567
SPIN-код: 8258-4976

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник центра «Смарт технологии устойчивого развития городской среды в условиях глобальных изменений», заместитель директора по научной работе Аграрно-технологического института

Российская Федерация, г. Москва, ул. Миклухо Маклая, д. 6

Наталья Владимировна Салтан

Федеральный исследовательский центр «Кольский научный центр» РАН

Email: saltan.natalya@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5905-9774
SPIN-код: 6405-0697

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории декоративного цветоводства и озеленения, Полярно-альпийский ботанический сад-институт им. Н.А. Аврорина

Российская Федерация, 184209, Мурманская область, г. Апатиты, мкрн. Академгородок, д. 18а

Екатерина Витальевна Козлова

Российский университет дружбы народов

Email: kozlova-ev@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0003-4325-6930
SPIN-код: 8210-3343

кандидат биологических наук, младший научный сотрудник центра «Смарт технологии устойчивого развития городской среды в условиях глобальных изменений» Аграрно-технологического института

Российская Федерация, г. Москва, ул. Миклухо Маклая, д. 6

Мария Николаевна Васильева

Российский университет дружбы народов

Email: vasilyeva-mn@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0002-3142-3781
SPIN-код: 9356-2089

лаборант-исследователь центра «Смарт технологии устойчивого развития городской среды» в условиях глобальных изменений Аграрно-технологического института

Российская Федерация, г. Москва, ул. Миклухо Маклая, д. 6

Полина Денисовна Давыдова

Российский университет дружбы народов

Email: davydova-pd@rudn.ru
ORCID iD: 0000-0002-3127-8334

лаборант центра «Смарт технологии устойчивого развития городской среды в условиях глобальных изменений» Аграрно-технологического института

Российская Федерация, г. Москва, ул. Миклухо Маклая, д. 6

Егор Дмитриевич Бережной

Российский университет дружбы народов

Email: berezhnoy_ed@pfur.ru
лаборант центра «Смарт технологии устойчивого развития городской среды в условиях глобальных изменений» Аграрно-технологического института Российская Федерация, г. Москва, ул. Миклухо Маклая, д. 6

Список литературы

Дополнительные файлы