Биоиндикация загрязненных почв

- макрофауна (мегафауна) — почвенные  позвоночные и крупные формы  беспозвоночных.

Установлена обратная зависимость  между размерами животных и уровнем  их численности (М. С. Гиляров).

Разные размерные группы животных неодинаково используют почву как  среду обитания (М. С. Гиляров). Для  микроскопических организмов средой обитания оказывается не вся почва, а система  микрокапель, капилляров, гравитационной воды, скопления влаги на твердых  частицах и между частицами. Когда  в почве имеется капиллярная  и гравитационная вода, простейшие и коловратки плавают в ней. Животные сохраняют жизнеспособность даже в пленочной воде, находясь в неподвижном состоянии, но не прекращая питания микроорганизмами, детритом, оказавшимися в тех же водяных пленках. Обитатели пленочной воды почв входят также в состав фауны грунтов пресноводных водоемов (Д. А. Криволуцкий). Хотя в почве распределение влаги неравномерное, «прерывистое», но общая поверхность различных форм воды столь велика, что ее можно считать специфическим водоемом, а микроскопических обитателей — физиологически водной экологической группой. Существенное значение для этих организмов имеют особенности почвенной влаги: реакция (рН), химический и газовый состав, наличие почвенных коллоидов, состав водорастворимых солей, особенности органического вещества и порового пространства.

Для мелких членистоногих, называемых микроартроподами, среда обитания —  это система ходов и полостей между частицами почвы и их агрегатами, почвенные трещины, ходы более крупных животных и корней, заполненные влажным воздухом. Условия  жизни в почве этой группы животных М.С. Гиляров сравнивает с обитанием  в насыщенных влагой пещерах. Передвижение обитателей таких пустот не отличается от передвижения по поверхности твердого субстрата. Они могут переживать периоды затопления почвы в отдельных  пузырьках воздуха. Все сказанное  позволяет считать их физиологически строго наземной экологической группой. Наибольшее значение для этой категории  имеют степень порозности и влажности  среды, характер распределения органических остатков и гумуса и температурный  режим.

Для крупных животных — беспозвоночных и позвоночных — почва представляет среду обитания в целом. Она выступает  как рыхлый или плотный и даже твердый субстрат. Движение в плотных  слоях почвы встречает большое  сопротивление. Передвижение возможно либо по естественным скважинам для  животных с тонким змеевидным телом, либо раздвигая частицы почвы, либо копая и прогрызая ходы. При  этом животные всегда испытывают механическое воздействие ее твердой фазы и  химические воздействия почвенного раствора через покровы, особенно в  периоды переувлажнения или затопления почвы. Для крупных почвенных  животных имеет значение вся совокупность свойств почвы как единого  природного тела.

Почва — это слой наземных биогеоценозов, где происходит разложение, минерализация  и гумификация органического  вещества. В ней встречаются все  стадии разложения животных и растительных остатков: опавшие листья и начинающие гнить листья и корни растений, микроорганизмов. Все это резко  расширяет спектр пищевых ресурсов видов и создает возможность  одновременного сосуществования в  почве животных с различными пищевыми предпочтениями.

Не менее значительным фактором, определяющим видовое богатство  почвенной фауны и огромной ее биомассы по сравнению с обитателями  других ярусов биогеоценозов, считается  то, что животные используют дополнительный резерв белка — из микроорганизмов  почвы, а не только от высшей растительности. И здесь не столь важны общие  запасы органического вещества, сколько  большие ресурсы доступного белка (Д. А. Криволуцкий, А. Д. Покаржевский).

По степени связи с почвой различают три основные группы животных:

- геобионты - проводящие в почве  всю жизнь: дождевые черви,  некоторые виды многоножек, ногохвосток  и др;

- геофилы - у которых какая-то  часть цикла развития обязательно  проходит в почве: жужелицы, хрущи,  комары-долгоножки и др;

- геоксены - случайные обитатели  почвы, использующие почву лишь  в качестве временного убежища  или укрытия: развивающиеся вне  почвы пауки, вредная черепашка  и др.

Таким образом, широта условий жизни  в почве делает ее средой, переходной между водной и наземной. Животные заселили подстилку и минеральные  горизонты почвы благодаря специальным  адаптациям к различным ее фазам. Расхождение в образе жизни различных  размерных групп привело к  формированию различных экологических  групп — от физиологически водных до строго наземных. Разнообразие источников пищи также обусловило высокий уровень  численности, разнообразие видов и  экологических групп. Значение почвы  в эволюции животного мира заключается  в том, что почва рассматривается  как среда, через которую животные могли перейти от водного образа жизни к наземному (М. С. Гиляров).

Глава 2. Трофическая структура почвенных  беспозвоночных

Комплекс почвенных беспозвоночных включает разные функционально-ценотические группы, различающиеся как по типу питания, так и по форме деятельности. По типу питания выделяются группы:

- фитофаги — животные, питающиеся  живыми растительными тканями;

- зоофаги — животные, питающиеся  другими животными. К ним относятся  хищники и паразиты;

- сапрофаги — животные, питающиеся  разлагающимися остатками организмов;

- миксофаги – формы со смешенным  питанием.

Наиболее характерной частью почвенного комплекса являются сапрофаги. На их долю приходится основная масса почвенных  животных. Биогеоценотическая роль сапрофильного  комплекса состоит как в непосредственном биохимическом и физическом возодействии на органические остатки, так и в  стимуляции деятельности сапрофитного комплекса (М. С. Гиляров, Ю. И. Чернов). На основе собственного материала и  данных мировой литературы Б. Р. Стригановой  проведен подробный анализ питания  сапрофагов и раскрыты основные особенности  детритных пищевых цепей в  почве. Комплекс почвообитающих сапрофагов неоднороден по характеру питания  входящих в его состав животных. В нем выделяются трофические  группировки: фитосапрофаги, микробофаги (микрофитофаги), детритофаги (Б. Р. Стриганова).

Фитосапрофаги утилизируют непосредственно  отмершие ткани сосудистых растений. Эти животные способны использовать клетчатку, сапробиотических нематод, гемицеллюлозы, пектины. Наиболее активными  разрушителями листового опада  являются диплоподы, мокрицы, наземные моллюски, некоторые виды дождевых червей и коллембол, личинки типулид  и бибионид. В переваривании грубой растительной пищи у этих форм активную роль играют кишечные симбионты —  бактерии, грибы и простейшие —  хотя они имеют собственный фермент  целлюлазу.

Микробофаги (микрофитофаги) — это  потребители бактериальных пленок, микромицетов, почвенных водорослей. К ним относятся многие виды панцирных  и тироглифодных клещей, энхитреид, нематод, коллембол, простейших. Животные отличаются наличием специальных энзимов, расщепляющих оболочки и включения  грибных клеток. В этой группе имеются  потребители почвенных водорослей — альгофаги, как разновидность  фитофагов. Но в основном потребление  водорослей комбинируется с бактерио- и микофагией. Совместная встречаемость  беспозвоночных и водорослевых группировок  имеет большое значение в формировании пионерных сообществ в развивающихся  почвах (И. В. Стебаев). При выветривании горных пород на рыхлых продуктах  их разрушения в первую очередь поселяются водоросли, лишайники и беспозвоночные — альгофаги (микроартроподы). Экскременты  животных составляют основу органической фракции первичных почв. Водоросли  благодаря водоудерживающей способности  создают среду, благоприятную для  поселения микроорганизмов (Э. А. Штина, М. М. Голлербах).

Детритофаги потребляют растительные и животные остатки, утратившие исходную структуру и перемешанные с почвой. Эта группа включает дождевых червей, энхитреид, орибатид, личинок некоторых  видов жуков и двукрылых, диплопод семейства полизониида, коллембол.

Среди беспозвоночных почвы, потребляющих энергию разлагающихся органических остатков, М. С. Гиляров выделил такие  экологические группы, как сапрофаги (детритофаги), микофаги, копрофаги. Копрофаги  — питаются собственными экскрементами  или других животных (жуки-навозники, личинки серых мясных мух). К сапрофагам в широком смысле слова относят  некрофагов — потребителей трупов животных (жуки-мертвоеды, личинки синих  и зеленых мясных мух, кожееды). В  почве много видов со смешанным  типом питания - миксофагов.

Детрит — это измельченные, сильно разложившиеся и гумифицированные остатки животных и растений с  населяющими их живыми микроорганизмами, часто перемешанные с частицами  почвы. Он представляет последнюю стадию трансформации органического материала. Пищевая цепь, начинающаяся с детрита, называется «детритная пищевая цепь».

Детритная пищевая цепь почвенного яруса экосистемы играет огромную роль в потоке энергии. Согласно многочисленным литературным данным доля потребляемой первичной продукции фитофагами изменяется в зависимости от биоклиматических условий в пределах 2—30% в различных  экосистемах. Таким образом, основная масса первичной продукции (98—70%) при отмирании растений поступает  в детритный цикл разложения и  наряду с продуктами метаболизма  и трупами фитофагов и хищников служит источником энергии и элементов  минерального питания животным-сапрофагам и микроорганизмам. Большое количество органического материла поставляют в почву и отмирающие корни  растений. Схема детритной пищевой  цепи на примере экосистемы широколиственного  леса приведена на рисунке 1.

Левый вертикальный ряд – это  органические остатки в почве  на разных стадиях разложения: опад; непереваренные остатки, прошедшие  ферментативную и микробиальную  обработку в кишечнике наземных и почвенных животных; детрит. В  среднем ряду – трофические группировки  организмов сапроблока: сапрофитная  микрофлора, первичные (фитосапрофаги) и вторичные разрушители (копрофаги  относятся к этому блоку).

Особенность почвенной пищевой  цепи заключается в том, что продукты биогенной переработки органических остатков одними формами служат пищей  для других групп. Хотя многие сапрофаги  являются полифагами, но обладают пищевой  специализацией в отношении степени  предварительного разрушения растительных остатков (механической и химической деструкции органического материала). Фитофаги же, в отличие от сапрофагов, специализированы к биохимическим  особенностям видов или групп  кормовых растений, у которых прижизненные выделения оказывают аттрактивное или репелентное влияние на животных (Б. Р. Стриганова).

Рисунок 1. Схема детритной пищевой  цепи в почве (по Б. Р. Стригановой, 1980)

Среди почвенных сапрофагов по их избирательности к разлагающимся  органическим остаткам немецкий ученый В. Дунгер выделил первичных и  вторичных разрушителей.

К первичным разрушителям он отнес  крупных почвенных и подстилочных беспозвоночных, питающихся отмершей растительностью, но не разложившейся, сохранившей тканевую структуру. Однако растительные остатки начинают перевариваться ими после выщелачивания полифенольных  соединений или предварительного разрушения. Животные размельчают и мацерируют частицы растительных тканей в ротовой  полости и кишечнике и разрушают  связи между отдельными клетками. Они могут быстро размельчать  и заглатывать мягкие ткани гниющей  древесины, особенно влажной. Совершая вертикальные миграции, беспозвоночные заносят органические остатки в  своих кишечниках в глубокие слои и выбрасывают их, формируя копрогенную  массу. Этим они стимулируют деятельность сапротрофных микроорганизмов. Существенно  то, что первичные разрушители  способны переваривать структурные  компоненты остатков высших растений — клетчатку, гемицеллюлозы и  пектины (Б. Р. Стриганова). Но сапрофитофаги  быстрее разрушают «хрупкие»  виды листвы нежели остатки с сильно кутикулизированными покровами (корни, кора, листва). К активным разрушителям растительных остатков относятся красные  дождевые черви, диплоподы, мокрицы, личинки  длинноусых двукрылых (типулиды, бибиониды, ликорииды), некоторые виды коллембол  и орибатид.

Доступность и глубина трансформации  растительных остатков зависит от механической прочности растительных тканей, содержания трудно разлагающихся веществ —  клетчатки, лигнина, пектина и ряда токсичных веществ, угнетающих деятельность микроорганизмов и животных, скорости их выщелачивания (дубильных веществ, танинов и пр.). Так, например, установлено, что буковый опад в широколиственном лесу разлагается очень медленно, слабо потребляется животными. Причиной этого явления оказалось то, что  выщелачивание полифенольных соединений из букового опада идет медленно, хотя содержание их не выше, чаи в других породах. В этих условиях первичными разрушителями являются почвенные грибы.

К вторичным разрушителям относятся  животные – потребители мертвых  растительных остатков, размельченных  в кишечнике первичных разрушителей, частично переваренных энзимами животных и микроорганизмов, и обогащенных  продуктами их обмена. Они усваивают  легкогидролизируемые продукты разложения растительных тканей. Эта категория  включает формы со смешанным питанием: сочетание таких пищевых режимов, как сапрофагия, микрофагия, хищничество  на мелких животных. Эти беспозвоночные участвуют в процессах деструкции, регулируя состав сапрофитной микрофлоры и способствуя смене грибной  фазы разложения микробиальной. Среди  почвенных микрофитофагов превалируют  потребители микромицетов (Б. Р. Стриганова).