Effects of selected environmental pollutants on soil microbial community in laboratory and field studies

RNDr. Jitka Černohlávková, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Půdní mikroorganismy hrají důležitou roli v procesech přeměny a rozkladu organické hmoty v půdě, toku živin a energie v terestrických ekosystémech. Znečištění životního prostředí, aplikace pesticidů a kontaminace půd dalšími polutanty může negativně ovlivnit půdní mikroorganismy, což může vést k celkovému poklesu půdní kvality i ztrátě samotných funkcí půdy. Předmětem této disertační práce bylo studovat vliv vybraných polutantů životního prostředí na půdní mikroorganismy a vztahy mezi půdní kontaminací a mikrobiálními aktivitami jak v laboratorních tak terénních studiích. Pozornost byla zaměřena hlavně na posouzení celkové půdní mikrobiální biomasy, respirační aktivity a parametrů mineralizace dusíku (amonifikace, nitrifikace). Vysoká prostorová variabilita půdního prostředí často komplikuje jeho výzkum a správnou interpretaci výsledků. V rámci této disertační práce byla hodnocena prostorová variabilita mikrobiálních parametrů na lokalitě a vliv dalšího zpracování, podmínek a délky uchování vzorků. Výsledky se do jisté míry lišily podle typu půdy. Největší variabilita byla způsobena různými podmínkami skladování půdy (zmrazením a vysušením vzorků). Jako nejvhodnější způsob skladování, který způsoboval pouze malé změny v mikrobiálním společenstvu i po 8 týdnech, se ukázalo skladování půdy ve 4°C. Vliv vybraných polutantů na půdní mikrobiální společenstvo byl hodnocen v laboratorních testech toxicity podle standardních postupů. Testy mají charakter laboratorní inkubace přirozené půdy po aplikaci testovanou látkou. Během disertační práce byl otestován vliv dvou perzistentních organických polutantů (POPs) - chlorovaného parafínu a toxafenu - a dvou fungicidů. Výsledky ukázaly, že testované POPs byly pro hodnocené mikrobiální parametry velmi málo toxické i v nejvyšších testovaných koncentracích (tisíce ppm). Fungicidy naopak způsobily významnou, i když pouze krátkodobou, inhibici amonifikace a nitrifikace. V terénních studiích byl zájem soustředěn na posouzení vztahu mezi stavem mikrobiálních společenstev, reálnými přírodními podmínkami a antropogenní kontaminací půd. Bioindikační potenciál půdních mikroorganismů byl zkoumán na souboru nivních půd Zlínského kraje, které se vyznačovaly gradientem antropogenního znečištění. I přes značnou kontaminaci některých lokalit byla mikrobiální společenstva spíše ovlivněna variabilitou fyzikálně-chemických půdních vlastností, která zastínila možný negativní vliv polutantů. Další práce se týkala hodnocení vlivu aplikace chemického posypu silnic v zimním období na vlastnosti a mikrobiální společenstva půd v blízkosti silnic. Zde byly zjištěny významné změny ve fyzikálně-chemických vlastnostech půdy (nárůst pH), nárůst koncentrace sodíku v blízkosti půd.

Abstract:

Soil microoranisms play significant role in transformation and decomposition of organic matter, food, nutrient and energy cycling in terrestrial ecosystems. Fertility, stability and production potential of soil are also very dependent on microbial activities. These processes and whole microbial communities could be negatively affected by environmental pollution, application of pesticides and contamination of soil by other chemicals. The object of this work was to study effects of environmental pollutants on soil microorganisms and relationship between soil contamination and microbial activities under laboratory conditions as well as in field studies. The interest was focused on assessing soil microbial biomass, respiration activities and nitrogen mineralization. Soil sampling, manipulation and storage are essential steps that affect results of the analysis. In our study, we assessed spatial variability of microbial properties at sampling sites and effects of various storage conditions on soil microorganisms. According to the results, included in this work, variability and effects differ according to soil type. The most changes in microbial communities were induced by storage conditions (drying and freezing of soil). Storage at 4°C appeared most appropriate with only minor changes up to 8 weeks of storage. The impact of selected chemicals on microbial properties was evaluated in laboratory tests according to standard procedures that consist of laboratory incubation of a natural soil spiked with the tested chemical. In the tests performed during this work, effects of two persistent organic pollutants (POPs) – chlorinated paraffins and toxaphene – and two fungicides were assessed. Results showed that toxicity of both POPs to microbial parameters assessed was very low even at the highest tested concentration (thousand of ppm). The fungicides revealed significant adverse effect on nitrogen transformation, however, this was rather short-term. In field studies we were interested in evaluating relationship between microbial parameters, soil properties and anthropogenic contamination. The bioindication potential of soil microorganisms was assessed in fluvisols in the small river basin with high environmental load in Zlín region. Despite significant soil contamination at some sites results indicated that microbial parameters were more influenced by physical-chemical soil properties, which masked the possible effects of contamination. Application of road de-icing salt and its impact on soil properties near the road was the object of the next study. The research showed on significant change in physical-chemical properties, such us pH and base saturation, due to sodium ions accumulation. Microbial parameters also indicated stress environmental condition and higher energy requirement of soil microorganisms.

Keywords

půdní ekotoxikologie, mikroorganismy, variabilita mikrobiálních parametrů, laboratorní testy, perzistentní organické polutanty, pesticidy, kontaminace půd, bioindikace

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 15. 4. 2009

Thesis defence

• Date of defence: 22. 4. 2009
• Supervisor: prof. RNDr. Ivan Holoubek, CSc.
• Reader: doc. Ing. Lubomír Růžek, CSc., Mgr. Stanislav Malý, Ph.D., Ing. Jaroslav Záhora, CSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Chemistry (4-years) / Environmental Chemistry