Scientific journal
International Journal of Applied and fundamental research
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,593

INFLUENCE OF CAESIUM AND THORIUM OVER MICROBOCENOSES OF SOILS OF YAKUTIA

Ivanova T.I. 1 Kuzmina N.P. 1 Sobakin P.I. 1
1 The Institute for Biological Problems of Cryolithozone of SD RAS
It is found that the effect of radioactive caesium 137Cs over soil microorganisms was different from the effect of radioactive thorium 32Th. The total abundance of microorganisms in the thorium-bearing placers of the Vasilievka River comprised billions of cells per a gram of soil and that is an order more than in soils of the unit “Kraton-3” where hundreds of millions of cells per a gram of soil were found. The qualitative content of microbocenoses changed in the thorium placers of the Vasilievka riv. where filamentous fungi were not detected. Conversely, filamentous fungi and cellulose-fermenting bacteria revealed resistance to high concentration of radiocaesium in the unit «Kraton-3»: 20 ths CFU/g of filamentous fungi and 7 ths CFU/g of cellulose-fermenting bacteria were found in the humus A horizon of sod-calcareous soil in section 1 with concentration of radiocaesium 29903 Bq/kg. The peak number of cellulose-fermenting microorganisms attained 1 mln CFU/g in section 2 at a depth of 2-10 cm with radiocaesium 5676 Bq/kg.
cryogenic soils
radioactivity
microorganisms
resistance

Радиоэкологические и микробиологические исследования проводили в двух основных зонах радиоактивных загрязнений Якутии. Первая из них находилась в верховьях р. Марха, где летом 1978 г. в нижней части водораздела произведен подземный ядерный взрыв в мирных целях плутониевого заряда под кодовым названием «Кратон-3».

В ходе радиоэкологических работ летом 2012 г. нами были заложены три почвенных разреза в начале «мертвого» леса, поперек оси радиоактивного следа, на расстоянии от устья скважины в пределах 200 м. Почвенный покров на этих участках представлен дерново-карбонатными типичными и дерново-карбонатными деструктивными почвами. Содержание 137Cs в изученных почвах составляет от 1,1 до 29903 Бк/кг воздушно-сухой массы. При этом концентрация его по глубине почвенного профиля уменьшается. Наиболее высокие концентрации 137Cs обнаруживаются на глубине 2-12 см (р. 1), 2-10 см (р. 2) и 2-6 см (р. 3). На этих глубинах концентрация 137Cs в верхних почвенных горизонтах в 2-230 раз превышает его уровень концентрации, обусловленный глобальными выпадениями в почвенном покрове в данном районе.

Вторая зона расположена в верхней части водораздела руч. Васильевка (Алданское нагорья). В этом районе в 1949-1953 гг. силами Дальстроя СССР велась добыча ториевого минерала (монацита) в россыпном месторождении. Почвенные разрезы заложены по преобладающему направлению ветра на расстоянии от отвала песков р. 1 – 25 м и р. 2 –85 м. В изученных почвенных разрезах концентрация 232Th изменяется от 34 до 1536 Бк/кг воздушно-сухой массы почвы. Наиболее высокие концентрации 232Th обнаруживаются в верхней части почвенных разрезов на глубины 7-14 см (р. 1) и 3-6 см (р. 2). В этой части почв концентрация 232Th превышает его фоновые значения в 1,6-34 раза.

Количество микроорганизмов населяющих мерзлотные дерново-карбонатные почвы объекта «Кратон-3», определенное методом посева на селективные питательные среды, колебалось от 3 тыс. до 542 млн. КОЕ/г почвы. В загрязненном р. 1 с гамма-фоном 170 мкР/ч численность аммонификаторов резко менялась по профилю, на глубине 20-30 см (2.4 Бк/кг) она составила 451 млн КОЕ/г, что в 4 раза превышает их численность в поверхностном слое 2-6 см (29903 Бк/кг) – 127 млн. КОЕ/г почвы. При сравнении загрязненного р. 1, с условно чистым р. 3 с концентрацией 137Cs – 1,1 Бк/кг обнаружено олигонитрофильных бактерий в 2 раза меньше, мицелиальных грибов – на 1 порядок, а актиномицетов уже на 2 порядка меньше.

Распределение актиномицетов по профилям исследованных почвенных разрезов сильно отличалось друг от друга. В р. 1 их было 8.25х107, на порядок больше – 1.92х108 появляется в р. 2 и максимальная численность актиномицетов 4.54х108 КОЕ/г почвы отмечена в чистом р. 3 (рис. 1). В исследуемых почвах зависимость численности микроорганизмов от влажности не выявлена, основным фактором, регулирующим численность микроорганизмов, явился радиоактивный цезий. С увеличением содержания цезия в почве наблюдается спад численности микроорганизмов на 1-2 порядка, зависимость строго отрицательная во всех исследованных почвах (рис. 1).

При этом мицелиальные грибы и целлюлозолитические бактерии показали устойчивость к повышенному содержанию радиоцезия: в гумусовом гор. А дерново-карбонатной почвы р.1 с содержанием радиоцезия 29903 Бк/кг мицелиальные грибы обнаружены в количестве 20 тыс., а целлюлозолитиков – 7 тыс. КОЕ/г. Во втором разрезе на глубине 2-10 см с концентрацией радиоцезия 5676 Бк/кг максимальная численность целлюлозолитиков составила 1 млн. КОЕ/г.

Такую устойчивость микроорганизмов к 137Cs можно объяснить тем, что этот радионуклид обладает уникальной химической природой. У радиоцезия длительный (около 30 лет) период полураспада, высокая растворимость в воде его солей, сходство с физико-химическими свойствами калия обусловливают высокую биодоступность цезия в течение многих десятилетий после выброса в природную среду [6]. В последнее время появились работы об аккумуляции ионов цезия актинобактериями рода Rhodococcus и использованием этих бактерий при разработке биотехнологического способа очистки промышленных вод, загрязненных радионуклидами и нефтепродуктами [5].

ivanova.tif

Рис. 1. Динамика численности микроорганизмов от содержания цезия (5) в дерново-карбонатных почвах «Кратон-3». Микроорганизмы: 1 – аммонификаторы, 2 – олигонитрофилы, 3 – актиномицеты, 4 – мицелиальные грибы

Количество микроорганизмов, населяющих типичные подбуры руч. Васильевка по данным посевов на плотные питательные среды, колебалось от 103 до 109 КОЕ/г почвы, т.е. составляло от тысячи до миллиарда клеток в 1 г АСВ почвы. Наибольшую численность в микробном пуле подбура составили олигонитрофильные микроорганизмы 4,67 млрд. КОЕ/г почвы, в гор. В р.2 удаленном на 85 м от отвала радиоактивных песков, содержание тория здесь было фоновым и составило 38 Бк/кг воздушно-сухой массы (рис. 2).

Другие исследованные нами физиологические группы микроорганизмов напротив показали свою прямую зависимость от концентрации тория. Чем выше содержание тория было обнаружено в подбуре, тем больше микроорганизмов фиксировали. Например, целлюлозолитические бактерии и актиномицеты, в количестве 34 тыс. и 2,89 млрд. КОЕ/г соответственно, обнаружены в том же условно «чистом» разрезе 2, но в верхнем горизонте А1А2 содержащем 232Th в количестве 60 Бк/кг воздушно-сухой массы, что в 1,6 раза превышает его фоновые значения (рис. 2).

Самым необычным оказалось распределение аммонификаторов, их наибольшая численность 666 млн. КОЕ/г обнаружена в верхней части почвенного р.1 на глубины 7-11 см. В этой части почвы концентрация 232Th составила 1535 Бк/кг воздушно-сухой массы, что превысила его фоновые значения в 34 раза. Распределение микроорганизмов по профилю исследованных почв показало прямую корреляцию с содержанием тория и не зависело от влажности данных почв (рис. 2).

Таким образом, показано, что почвенные микроорганизмы в исследуемых радиоактивных зонах Якутии, которые подверглись длительному воздействию радиации, характеризуются высокой устойчивостью к техногенному радиоактивному загрязнению, при этом, длительное воздействие радиоактивного цезия на почвенные микроорганизмы, отличалось от действия радиоактивного тория.

ivanova2.tif

Рис. 2. Зависимость численности микроорганизмов от содержания тория (4) в почвах руч. Васильевка, 2012. Микроорганизмы: 1 – аммонификаторы; 2 – олигонитрофилы; 3 – актиномицеты

Во-первых, общая численность микроорганизмов в ториевых россыпях руч. Васильевка составляла миллиарды клеток на 1 грамм почвы, что на порядок больше, чем в почвах объекта «Кратон-3», где обнаружены сотни миллионов клеток на 1 грамм почвы. Это может быть связано, как с разными типами мерзлотных почв в этих радиоактивных зонах, так и с действием исследованных радионуклидов. Радиоактивный цезий – один из главных компонентов техногенного радиоактивного загрязнения биосферы, его действие наиболее губительно на живые организмы. По сравнению с ним, торий – слаборадиоактивный химический элемент, его действие можно сравнить с действием малых доз радиации. Малые дозы ионизирующих излучений часто стимулируют развитие некоторых микроорганизмов, а с увеличением дозы начинает проявляться их специфический эффект, выражающийся, прежде всего в изменении общей численности почвенных микроорганизмов. Иногда при этом наблюдается не снижение, а возрастание численности микрофлоры как, например, по аналогии при загрязнении свинцом. Некоторыми исследователями это объясняется гибелью чувствительных микроорганизмов и активным развитием устойчивых форм, использующих энергетический потенциал погибших клеток [2, 4].

Во-вторых, изменился качественный состав микробоценозов, в ториевых россыпях р. Васильевка мицелиальные грибы не обнаружены. В-третьих, зависимость численности микроорганизмов от радиоцезия оказалась отрицательной, а от тория – положительной.

В ториевых россыпях руч. Васильевка в подбурах максимальная численность микроорганизмов (4,67 млрд. кл/г) оказалась равной численности микроорганизмов в палевых лесных почвах Центральной Якутии (3-8,5 млрд.кл/г) [3] и на порядок меньше, чем в почвах средней и южной тайги (28-50 млрд.кл/г) европейской территории России [1].