Дождевые черви — надёжный биоиндикатор загрязнения почвы тяжёлыми металлами
Почву по количеству находящихся в ней единиц живых организмов можно сравнить с крупным мегаполисом. И деятельность человека постоянно нарушает хрупкое равновесие этой экосистемы. Речь идёт не только о механическом повреждении, но и такой серьёзной проблеме, как загрязнение тяжёлыми металлами.
Во всём мире исследователи давно изучают масштабы и последствия этого влияния. Ряд подобных исследований проводится в стерильных лабораторных условиях, где почву искусственно насыщают металлами. Это можно сравнить с изучением болезни по учебнику, а не на реальном пациенту. В природных условиях металлы десятилетиями взаимодействуют с почвой, и эти процессы почти невозможно воссоздать в лаборатории. Именно поэтому так ценны результаты, полученные непосредственно на загрязнённых территориях. Одно из таких исследований провела международная группа учёных из чилийских университетов Тарапаки и Вальпараисо, Российского университета дружбы народов, Кольского научного центра РАН, Института экологии растений и животных УрО РАН и Института степи УрО РАН, на Каргалинском медном месторождении в Оренбургской области. Его результаты опубликованы в International Journal of Agriculture and Natural Resources.
Каргалинские медные рудники в определённом смысле особый объект. Его уникальность в редкой «чистоте» загрязнения. Обычно промышленные выбросы представляют собой целый коктейль из разных элементов: меди, свинца, цинка, мышьяка и других. Разделить их эффекты и понять, какой именно элемент вредит больше достаточно сложно. Но в Каргалах почва содержит аномально высокие концентрации практически одной только меди. Содержание других элементов остаётся на уровне фоновых значениях. Это делает локацию отличным природным полигоном для того, чтобы изучить токсилогические эффекты меди.
Территория Каргалинских рудников. Октябрьский район, Оренбургская область, Южный Урал, Россия. Вид с высоты на остатки древних выработок Караглинского рудника
При выборе объекта исследования специалисты обратили внимание на близлежащее чернозёмное поле, где подсолнухи росли неравномерно. Рядом со здоровыми особями виднелись чахлые, желтоватые растения. Эти признаки явно указывали на токсический стресс, источником которого, судя по всему, были близлежащие отвалы древних медных рудников, разрабатывавшихся ещё со времен бронзового века. Исследователи поставили задачу сравнить чувствительность к меди дождевых червей и почвенных микроорганизмов. И те, и другие являются важнейшими биоиндикаторами, по которым можно констатировать состояние здоровья экосистемы. Параллельно авторы проверяли, какой показатель лучше предсказывает степень токсичности: общее содержание меди в почве или количество биодоступной фракции. Это та медь, которая может быть усвоена живыми организмами.
В рамках исследования учёные собрали серию почвенных образцов вдоль градиента загрязнения от самых пострадавших участков у самых отвалов до зон, где растения выглядели практически здоровыми. Применение такого подхода позволило получить данные для всего диапазона концентраций меди. Для чистоты эксперимента были отобраны контрольные образцы с незагрязнённых участков. Это гарантировало, что основные свойства почвы, кроме концентрации меди, будут идентичны.
В лабораторных условиях дождевых червей вида Eisenia andrei помещали в колбы с отобранными образцами почвы. Экспериментаторы следили за несколькими параметрами, такими как выживаемость взрослых особей, способность к размножению и поведенческая реакция (стремление избежать контакта с загрязнённой почвой). В это же время другая группа исследователей анализировала реакцию почвенных микроорганизмов. Они изучили базальное дыхание, отражающее общую активность микробного сообщества, и дыхание, стимулированное внесением питательной среды.
Дождевой червь
В результате экспериментов, во-первых, выяснилось, что общее содержание меди в почве предсказывает токсичность для дождевых червей ничуть не хуже, чем измерение биодоступной фракции. Это означает, что в условиях реального долговременного загрязнения для оценки риска для червей достаточно измерить общую концентрацию металла, что проще и дешевле.
Во-вторых, дождевые черви продемонстрировали гораздо более высокую чувствительность к меди, чем микроорганизмы. Чтобы вызвать 25-процентное подавление жизненных функций у червей, требовалась концентрация меди в 480 миллиграммов на килограмм почвы. Для того чтобы добиться схожего эффекта на микробное сообщество, потребовалась концентрация в десять раз выше — 4570 миллиграммов. Та же картина наблюдалась и для концентрации, вызывающей 50-процентный эффект. Это говорит о том, что в экосистеме, страдающей от медного загрязнения, в первую очередь страдает именно мезофауна, представленная червями. Микробное сообщество при этом демонстрирует поразительную устойчивость и способность выживать в крайне неблагоприятных условиях. Более того, для микроорганизмов биодоступная фракция меди оказалась ненадёжным индикатором. Исследователям не удалось выявить статистически значимой связи между этим параметром и угнетением микробной активности. В то же время общее содержание меди хорошо предсказывало и их реакцию. Объяснение, вероятно, кроется в специфике самих почв. В отобранных образцах они щелочные и богатые органическим веществом, а в таких условиях медь обладает очень низкой растворимостью. Расчётный коэффициент распределения подтвердил, что медьсодержащие фазы в каргалинских почвах крайне плохо переходят в раствор. Именно этим, скорее всего, и объясняются столь высокие пороги токсичности для микробов по сравнению с другими исследованиями, где медь была более биодоступной.
Исследование наглядно показывает, что в условиях реального долговременного загрязнения дождевые черви выступают более надежными биоиндикаторами медного загрязнения, чем почвенные микроорганизмы. Оно подчеркивает критическую важность изучения именно полевых моделей загрязнения, а не лабораторных суррогатов. Каргалинское месторождение, как уникальный пример монометаллического загрязнения, открывает широкие возможности для дальнейшей работы. Ученые отмечают, что теперь необходимо изучить и другие участки этого объекта, но с иными почвенными условиями, чтобы понять, как такие свойства, как кислотность или содержание глины, влияют на проявление токсичности меди. Был сделан важный шаг на пути к более точной и реалистичной оценке экологических рисков, которые несёт загрязнение почвы тяжёлыми металлами.
Источник: пресс-слуба Минобрнауки России.
