ТЕМА 13. БІОЛОГІЧНІ ДЕГРАДАЦІЇ.

Значення мікроорганізмів ґрунту зумовлене їх високим біогеохімічним ефектом діяльності, який завжди тим вищий, чим більша швидкість розмноження організмів, чим коротший їх життєвий цикл і більша чисельність у біосфері (Ю. Одум, 1986). Маючи розміри в межах декількох мкм, мікроорганізми характери- зуються найбільшими швидкостями розмноження, високим енергетичним обміном. Вони є головними агентами трансформації різних хімічних речовин в біосфері.

Діяльність мікробіологічних процесів у ґрунтах можливо порівняти хіба що з фотосинтезом. Саме мікроорганізми здійснюють в ґрунті розкладання рослин- них і тваринних решток, перетворюючи їх у нові органічні речовини, які при взаємодії з мінеральними компонентами надають ґрунту всі його специфічні властивості. Ґрунтові мікроорганізми відіграють важливу роль у трансформації не лише сполук основних біогенних елементів (вуглецю, азоту, фосфору, сірки), але і сполук усіх хімічних елементів.

 Загальні і специфічні реакції ґрунтового мікробоценозу на антропогенну деградацію ґрунтів

Головним наслідком антропогенних деградацій ґрунту є зниження чисельності ґрунтових мікроорганізмів, скорочення видового різноманіття, зміна видового складу.

Мікроорганізми різняться за їх толерантністю до забруднюючих речовин. У ґрунтових грибів на забруднених ґрунтах спостерігається затримка та зменшення кількості проростків спор. У багатьох з них сповільнюється ріст колоній, накопичення біомаси, знижується здатність до розмноження. У всіх випадках зникають види, чутливі до забруднення. Наприклад, зникають олігонітрофільні і амоніфікуючі бактерії, актиноміцети. Більш стійкі целолітичні бактерії, пігментовані мікроорганізми. Серед останніх часто зустрічаються резистентні види мікроорганізмів – токсиноутворювачі, які негативно впливають на інші види орга- нізмів, у тому числі на рослини. Внаслідок цих процесів у забруднених ґрунтах змінюється структура мікробіологічного комплексу, показником якого є індекс різноманітності Шенона, який знижується у 1,5˗2 і більше разів.

Спостерігається спрощення структури мікробоценозу. Скорочується присутність або рідко виділяються чутливі види (часто ними виявляються гриби), далі починають вибувати види-домінанти. Спостерігається підвищення домінування невеликого числа толерантних видів. Збільшується уміст токсиноутворюючих, епіфітних і пігментованих видів. Можлива поява не типових для даних ґрунтів форм мікроорганізмів. Відмічається таке явище, як подібність видового складу мікроорганізмів у різних ґрунтах, схильних до однотипного забруднення. Це свідчить про можливість глибокого порушення стану ґрунтів і утворення на їх основі ґрунтів з нетиповими для даного ландшафту властивостями. Це небезпечне явище, оскільки такі зміни неминуче викличуть зміну умов для зростання рослин і життєдіяльності ґрунтової фауни. Не виключається з часом вплив цих явищ і на людину (наприклад, внаслідок розвитку в ґрунті патогенної мікрофлори).

При порушенні стану ґрунтів відбувається зміна показників ферментативної активності ґрунтів. Ферменти (ензими) - це речовини, які продукують мікроорганізми. Вони здатні багаторазово (на порядки) прискорювати хімічні реакції і забезпечувати більшість реакцій обміну речовин, характеризуючи потенційну біологічну активність ґрунтів. Всього виявляють в даний час до 1000 ферментів. Всі вони зустрічаються в ґрунті, але з діагностичною метою з них використовують лише 8˗9. Найбільш поширеним є визначення гідролаз (інвертаза, фосфатаза, уреаза, протеаза та ін) і оксидоредуктаз (каталаза, дегірогеназа, поліфенолоксидаза та ін.).

У деградованих ґрунтах найчастіше відзначається зниження вмісту присут- ності мікроорганізмів, що беруть участь в процесах азотфіксації.Тому чутливим показником забруднення ґрунтів є визначення ферментних процесів трансформації сполук азоту в ґрунті.

Спостерігаються також специфічні прояви впливу різних видів забруднюючих речовин на мікробоценоз. Наприклад, пестициди володіють виборчою токсичністю для мікроорганізмів, впливають на хід різних біохімічних реакцій. Так, хлороорганічні пестициди пригнічують активність фосфатази на 30-60%, найбільш активно пригнічують процеси нітрифікації (до 70%). Деякі з них пригнічують інтенсивність процесів розкладання органічних речовин, реакції циклу фосфору і сірки.

У забруднених металами ґрунтах знижується активність ферментів. Забруднення ґрунтів важкими металами порушує найважливіші властивості ґрунтів: їх дихання, амоніфікація, нітрифікацію. Під впливом металів знижується здатність ґрунтів фіксувати азот. Важкі метали можуть концентруватися як на поверхні клітин мікроорганізмів, так і всередині клітин. Мікроорганізми здатні переводити неорганічні сполуки металів в органічні і, навпаки, органічні в мінеральні. Перетворюючи в ґрунті органо-мінеральні сполуки з важкими токсичними металами, вони здатні переводити їх у більш рухомі сполуки, що може бути причиною їх вторинної мобілізації. Наприклад, продуктом мікробіологічної трансформації сполук ртуті і миш'яку у ґрунтах можуть бути більш токсичні, ніж вихідні їх сполук (метиловані сполуки ртуті і миш'яку). Можливе утворення і газоподібних сполук ртуті і миш'яку. З іншого боку, мікробіологічні процеси змінюють стан тих ґрунтових компонентів (гумусові речовини, несилікатні сполуки заліза і алюмінію), які відповідальні за фіксацію і утримування металів.

Специфічні умови для мікробоценозу створюються в ґрунтах, забруднених нафтою. Летючі вуглеводні нафти (толуол, бензол, ксилол) надають пряма токсична дія на ґрунтові мікроорганізми, але ефект їх відносно короткостроковий. Більш стійкі фракції нафти поставляють додаткове харчування для мікроорганізмів, здатних окислювати ці речовини. Це створює стимулюючі умови для таких організмів, вони активні в рості і в біохімічних процесах трансформації органічних речовин. На цьому засновані методи очищення ґрунтів, забруднених нафтою. Але при цьому послаблюється ферментативна активність багатьох інших видів мікроорганізмів, тому що важкі фракції нафти заповнюють пори ґрунту, що погіршує фізичні властивості ґрунтів, їх водно-повітряний режим. Багато мікроорганізмів страждають також від токсичної дії надлишку солей в нафтозабруднених ґрунтах, так як солоні пластові води супроводжують нафти.

Таким чином, стан мікроорганізмів у деградованих ґрунтах може служити індикатором ступеня їх забруднення. Але й мікроорганізми можуть включати ці речовини в цикли їх трансформації, що особливо важливо для ксенобіотиків, тобто речовин, невластивих природі (пестициди, детергенти). Враховуючи, що мікроорганізми здатні до відносно швидкої адоптації, то до тих пір, поки забрднений ґрунт буде залишатися ґрунтом, його мікробіота буде переробляти і трансформувати сполуки забруднюючих речовин, наближаючи стан ґрунтів до природного. У різних ґрунтах ефект деградації мікробіологічних процесів є різним. Величина зони гомеостазу ґрунтової мікробної біомаси може слугувати мірою її стійкості до конкретного виду антропогенної деградації ґрунтів. Наприклад, в чорноземах величина зони гомеостазу на порядок вище, ніж в дерново-підзолистому ґрунті.

Ґрунтовтома, токсикоз і виснаження ґрунтів

При тривалому беззмінному вирощуванні сільськогосподарських рослин (монокультура), у ґрунтах накопичуються метаболіти і токсини, що виділяють корені при вегетації рослин та мінералізації залишків після збирання врожаю. Відбувається перебудова мікробоценозу, внаслідок чого, формуються складні взаємовідносини між мікроорганізмами, ґрунтом та рослинами, де ґрунт стає по- середником між двома іншими компонентами в біоценозі.

При утворенні токсинів у ґрунті виникає явище токсикозу і як його окремий випадок – ґрунтовтома. Вона проявляється в різкому пригніченні рослин та зниженні їх врожайності. Широко відома льоновтома, конюшиновтома, втома ґрунтів під плодовими насадженнями тощо. Вирощування монокультури протягом 4-6 років сприяє накопиченню метаболітів та токсинів, що виділяються в ґрунт під час вегетації чи мінералізації пожнивних решток. Поступово в орному шарі починають домінувати однотипні групи мікроорганізмів та шкідників, що викликають хвороби, властиві даній культурі. Спроби здолати захворювання, шкідників та бур'яни за допомогою добрив і різноманітних біоцидів не тільки не сприяє зростанню врожаїв, але й отруює ґрунти, води, біопродукцію, комах, що запилюють рослини, птахів, тварин-геобіонтів і людину.

Явище ґрунтовтоми не спостерігається в природних біогеоценозах. Воно є типовою ознакою антропогенної трансформації ґрунтів. Втомлений ґрунт має ознаки глибоких патогенних змін. За даними міжнародної організації ФАО, що- річний недобір врожаю від ґрунтовтоми складає майже 25%.

Токсикоз ґрунтів – поняття більш широке, ніж ґрунтовтома, проявляється у пригніченні росту рослин на цілинних і окультуренних ґрунтах не тільки в монокультурі, а й у сівозмінах. Причиною токсикозу ґрунтів найчастіше виступає мікрофлора, яка виділяє фітотоксини. Серед відомих фітотоксинів найбільш не- гативно діють антибіотики (циклогексамід, азазерин, окситетрациклін, стрептоміцин, поліміксінова кислота та пеніцилін), алкалоїди та деякі гетероциклічні сполуки.

Загальновідома токсичність кумарину, який гальмує проростання насіння в нищівно малих концентраціях. Саме кумарин найчастіше використовують для порівняльного тестування інших фітотоксинів. Багаторічними дослідженнями М.С. Авдоніна встановлено, що тривале застосування азотних добрив окремо і разом з калійними на кислих дерново-підзолистих ґрунтах призводить до різкого погіршення їх родючості і зниження врожайності без помітної зміни агрохіміч- них властивостей. Це явище є прихованою негативною дією мінеральних добрив на кислих ґрунтах. Проте мікробіологічні дослідження показали, що при майже незмінних агрохімічних властивостях відбувається різка трансформація мікробоценозу, особливо грибів-мікроміцетів, в бік домінування токсиноутворюючих форм. Було доведено, що застосування як разових надлишкових доз добрив, так і тривале внесення добрив у малих концентраціях провокує токсикоз. Однак це явище не проявляється, коли мікробоценоз знаходиться в стані гомеостазу.

Інтенсивне сільськогосподарське виробництво виснажує ґрунти, особливо в умовах, коли польові сівозміни насичені вибагливими до родючості агроценозами. З біологічного кругообігу разом з фіто масою врожаю назавжди відчужується значна кількість біофільних елементів. Внесення добрив, на жаль, не може повністю компенсувати ці втрати. Одним зі шляхів вирішення цієї проблеми могло стати впровадження травопільної системи землеробства, яка дозволяла підтримувати і відтворювати родючість ґрунтів, а також сприяла вирішенню проблеми кормів у тваринництві. А саме травосіяння здатне нівелювати негативний баланс поживних речовин. Системи землеробства майбутнього обов'язково повинні стати природоохоронними, тобто основаними на раціональному комбінуванні безполицевого обробітку та травосіяння з введенням полівидових багатокомпонентних агроценозів. Механічний обробіток ґрунтів і застосування хімічних засобів регулювання шкідливих організмів (бур’янів, шкідників, хвороб) має бути мінімізований.