Участие водорослей в рекультивации отвалов

УДК 582.323 / .275.-152

Н.А. Малахова , Н.П. Миронычева-Токарева

УЧАСТИЕ ВОДОРОСЛЕЙ В РЕКУЛЬТИВАЦИИ ОТВАЛОВ

Появление и развитие водорослей в субстратах отвалов представляет первоначальный этап формирования альгогруппировок. Этот факт подтверждается и в пионерном освоении грунтов техногенных отвалов. При этом сформированные альгогрупппировки играют важнейшую функциональную роль.

Novosibirsk state agrarian university, Novosibirsk

PARTICIPATION OF ALGE IN RECULTIVATION OF COAL MINE SPOIL

Appearance and development of algae in substrata of dumps represents a pristine stage of formation algal communities. This fact proves to be true and in pioneer development of soils of technogenic dumps. Thus generated algalgroups play the major functional role.

Природный ландшафт является естественно-историческим образованием, сформированным совокупным и одновременным действием факторов географической среды. В противовес этому техногенный ландшафт -антропогенное производное с предельной степенью нарушенности взаимосвязей этих факторов (Реймерс, 1990). Наиболее характерными представителями таких ландшафтов можно считать отвально-карьерные системы, сформировавшиеся при разработке полезных ископаемых и, в частности, при открытой разработке каменного угля. На первом этапе его формирования создаётся каркасная основа. В ходе рекультивационных мероприятий она трансформируется в карьерно-отвальную систему.

Среди ведущих механизмов трансформации техногенных отвалов в естественные являются биологические процессы, сопровождающие становление и развитие биоценозов. Основные их участники - первоначально поселяющиеся в субстратах отвалов организмы. Среди них особое внимание заслуживают водоросли. Эта группа растений благодаря способности к фотосинтезу играет значительную роль в накоплении органического вещества, являясь звеном продуцентов в круговороте, связывающего почвогрунты с литосферой и биосферой Земли. Они способны вступать во взаимодействие со всеми компонентами биогеоценозов и тем самым выполнять значимую роль в их функционировании.

Развитие водорослей на субстратах идёт по модели стимулирования (Миркин и др., 2002). При этом поселяющиеся виды улучшают условия обитания для новых. На поверхность субстрата в процессе водно-ветровой эрозии заносятся различные водоросли, часть из которых погибает, другая

остаётся в неактивном состоянии и только некоторые, способные вегетировать в данных условиях, начинают развиваться. В процессе жизнедеятельности клетки водорослей выделяют одни вещества, в том числе и химически активные (кислоты, щелочи, ферменты) и поглощают другие (Голлербах, Штина, 1969). За счёт указанных процессов около клеток возникают зоны с ослабленной токсичностью субстрата. В таких зонах поселяются бактерии, микроскопические грибы, простейшие, которые вместе с водорослями образуют своеобразный "сгусток жизни" на поверхности токсичного безжизненного субстрата. Функционирование приводит к расширению его площади, заселению новых видов водорослей, увеличению видового разнообразия альгогруппировок.

Среди пионеров в освоении вновь образовавшихся поверхностей отвалов рассматривается группа синезелёных водорослей, представленная видами сем. Chroococcaceae р.р. (Gloeothece, Gloeocapsa), сем. Oscillatoriaceae (рода Phormidium, Microcoleus, Plectonema) и пор. Nostocales (род Nostoc) (Штина и др., 1985). По данным K. Starmach (1966), Nostoc commune, в отличие от N. microscopicum, развивается уже на выветренных камнях. В некоторых случаях первоначальное заселение субстрата синезелёными водорослями происходит лишь на отдельных участках, а пионерами освоения выступают мелкие диатомовые и зелёные водоросли, легко заносимые ветром (Дорохова, 1989).

Ведущее положение в видовом составе альгогруппировок техногенных отвалов, образовавшихся в результате добычи угля, занимают виды синезелёных водорослей (Тарчевский, Штина, 1967; Шушуева, 1977, 1985). Зелёные водоросли по числу видов, так же как и синезелёные, весьма разнообразны. Основными причинами их видового богатства являются слабощелочная и щелочная реакция среды, слабая обеспеченность субстратов азотом, а в степной зоне и недостаток влаги. Флора жёлтозелёных водорослей небогатая и пополняется медленно: вплоть до 10-15-летнего возраста

обнаруживаются лишь убиквисты. Водоросли данной группы появляются на сравнительно старых участках отвалов в разнотравно-злаковых и злаковых растительных ассоциациях (Штина, 1985).

При отсутствии в техногенных отвалах скрепляющего материала (гумуса, окислов железа) биологическое закрепление водорослями следует

рассматривать как начальный этап формирования противоэрозионного барьера (Трофимов, Клевенская, 1989). Нитчатые талломы и пустые влагалища оплетают и скрепляют частицы субстрата механическим путём, а слизистые влагалища чехлов, оболочек клеток их склеивают. Длина нитей синезелёных водорослей в 1 г почвогрунтов достигала на бестранспортных отвалах 23 м, на автомобильных - 3,5 м; число колоний ностока соответственно 91 тыс. и 30 1 тыс. (Неганова, 1975). В почвах степной зоны длина трихома Microcoleus vaginatus в 2-3 раза выше (Пивоварова, 1974), нежели в отвальных субстратах.

Отмечается участие водорослей в круговоротах углерода и азота отвальных пород. По данным И.Л. Клевенской с соавторами (1985), биомасса водорослей в отвальных субстратах в 30 раз превысила таковую в зональных почвах.

Дефицит азота на начальных этапах освоения субстрата отвалов

компенсировался развитием Microcoleus vaginatus и Chlorhormidium montanum. Эти виды водорослей способны аккумулировать азот из рассеянного состояния в воздухе и внутри грунтов отвалов за счёт деятельности олигонитрофильных бактерий, находящиеся в слизистых чехлах этих водорослей (Шушуева, 1977). По данным экспериментальных исследований в дерновинках Chlorhormidium montanum содержание азота колебалось от 2,29 до 2,38 %, что равноценно содержанию этого элемента у бобовых растений на отвалах и во много раз превышает содержание у злаков и разнотравья (Паринкина, 1990). По азотфиксации синезелёные водоросли не отличались от штаммов почвенных водорослей (Трофимов, Клевенская, 1989). Количество накопленного азота в условиях культуры за 45 дней составило от 28,7 до 62,3 мг N/г сухого вещества (Штина, 1985).

Водоросли играют немаловажную роль в перераспределении микроэлементов почвогрунтов: в их талломах по сравнению с образцами субстратов отвалов содержалось меди, марганца и цинка в 15-50 раз, а кобальта и молибдена в 3-4 раза больше (Шушуева, 1977). Помимо всего этого представители рода Chlorhormidium отдела зелёных водорослей способны выделять белок, хорошо усвояемый рядом беспозвоночных, тем самым, создавая зоны повышенной активности микробного пула (Некрасова, 1977).

Наблюдения за развитием альгологической компоненты в нарушенных экосистемах показали, что водоросли занимают ведущее положение в возврате органического вещества и химических элементов в почву (Артамонова, 1985). При этом резко возрастает функциональная нагрузка диатомовых водорослей, обусловленная повышенным содержанием воды и силикатных форм Fe2O3 и Al2O3. Богатые жирами и высоким содержанием углерода они становятся центрами биологической активности. В восстановлении биогенного кремнезёма грунтов отвалов участвуют: Hantzschia amphioxys, Pinnularia borealis, Navicula mutica и другие виды (Шушуева, 1977). Численность живых клеток диатомовых водорослей в различные годы наблюдений достигала по ежемесячным определениям 569 тыс. кл./см2, пустых панцирей - также иногда до 569 тыс. кл./см2. Поглощение кремния происходит в виде раствора силикатной взвеси на клеточной мембране, а затем переводится в нерастворимую форму (Cameron, Blank, 1966). При этом установлено, что минимальное количество биогенного кремнезёма, поступившего в грунты после гибели диатомовых водорослей, составило 47,3-1 200,9 кг/га с максимумом на поверхности почвы без подстилки и травы. При этом общее биомассовое значение водорослей в грунтах отвалов, подверженных рекультивации, может варьировать от 3,06 до 32,2 г/м2 в исследованном слое 0-1 см сырого веса (Шушуева, 1977).

Таким образом, появление и развитие водорослей в субстратах отвалов представляет первоначальный этап формирования альгогруппировок. Этот факт подтверждается и в пионерном освоении грунтов техногенных отвалов. При этом сформированные альгогрупппировки играют важнейшую функциональную роль.

© Н.А. Малахова, Н.П. Миронычева-Токарева, 2010