Impact of land use on microbial communities in Estonian soils

Abstract

The ability of microorganisms to fulfill various important functions in soil enables the successful application of these organisms in different fields of environmental technology. Since microorganisms play a crucial role in degradation processes they are also able to detoxify different pollutants (toxicants), contributing in this way to the soil quality maintenance. On the other hand, microbial activities are strongly dependent on the nutritional and other chemical and physical conditions of the soil and respond rapidly to the changes in soil properties caused by land management or climate. The impact of different land use practices on the microbial communities in Estonian pedogenic - arable soils and anthropomorphic materials - sand filters of horizontal subsurface flow constructed wetland, and materials from opencast oil-shale mining areas with different applications was studied using microbiological and biochemical parameters. The response of the microbial community to soil management was dependent on soil type and other site specific conditions like the amount and form of nutrients in the soil. In pedogenic soils microbial communities had a bigger capacity to sustain its functions in changing conditions compared to the young communities in anthropomorphic materials. Arable soils (disturbed pedogenic soils) had a smaller and less active microbial biomass compared to natural soils. The sand filters of horizontal subsurface flow constructed wetland and abandoned mining soils from the anthropomorphic material group were characterized by the smallest microbial biomass among the studied soil groups while anthropomorphic materials from reclaimed mining areas presented intermediate (transitional) microbial biomass and activity values. Arable soils with different applications had well stabilized, effectively functioning microbial communities that could be separated from each other by their biomass and different activity parameters. Agricultural management practices include a range of different activities that specifically affect microbial biomass and its activity in arable soils. Soil microbes adapt to the conditions (artificial introduction of nutrients, destruction of soil structure by cultivation etc.) created by particular agricultural management type. Changes in land use force soil microbes to restructure their communities according to the new conditions and these changes can be monitored by shifts in microbiological parameters. Short-term pretreated municipal wastewater application to the abandoned agricultural soils had a weak positive effect on microbial communities. The microbial biomass was small, inefficient and its functional diversity was low in the domestic wastewater purifying sand filters of horizontal subsurface flow constructed wetland. The biggest microbial metabolic quotient among the studied soil groups suggested the dependence of these constructed systems on allochthonous nutrients and environmental factors. Muld on keeruline ja kompleksne keskkond, milles mikroorganismid on olulised ainete ringluses osalejad, muutes orgaanilistesse ühenditesse seotud mineraalained teistele organismidele kättesaadavaks. Mulla mikroobid osalevad nii orgaanilise aine moodustamises (huumusaine, glomaliin) kui ka suuremate mullas sisalduvate orgaanilise aine molekulide lagundamises väiksemateks subühikuteks ning on võimelised lagundama ka erinevaid mürkaineid. Teisalt on mikroorganismid tundlikud mitmesugustele keskkonnas toimuvatele muutustele, mille tõttu peetakse neid organisme headeks indikaatoriteks ka muldade seires. Käesoleva töös uuriti erineva maakasutuse mõju haritavatele pedogeensete muldade ja antropomorfsete materjalide (nagu mahajäetud põlevkivikarjääride pinnas ning kunstliku horisontaalvoolulise märgala liivafiltrid) mikroobikooslusetele ning võrrelda vastavate muldade mikrobioloogilisi parameetreid loodulike pedogeensete muldade vastavate parameetritega. Mahajäetud põlevkivikarjääride pinnaste puhul analüüsiti eraldi erinevate puuliikidega taimestatud ja taimestamata pinnaseid. Haritavate muldade hulgas vaadeldi aktiivseks põllumajanduslikuks tootmiseks kasutatavaid muldi, põllumajanduslikust kasutusest välja jäänud muldi, erinevate puuliikidega taimestatud endiseid põllumuldi ja olmereovee järelpuhastuseks kasutatavaid nii taimestatud kui taimestamata endiseid põllumuldi. Maakasutuse mõju hindamiseks mulla mikroobikooslustele kasutati erinevaid mikrobioloogilisi ja biokeemilisi parameetreid. Maakasutuse mõju hindamiseks koostati erinevate uuringute keemiliste, biokeemiliste ning mikrobioloogiliste analüüside tulemustest andmebaas. Tulemuste analüüs näitas, et maakasutus mõjutas oluliselt mulla mikrobioloogilisi ja biokeemilisi omadusi. Mikroobikoosluse vastus maakasutuse muutusele sõltus oluliselt mullatüübist ja kasvukohale omastest tingimustest. Haritavate muldade mikroobide biomass oli tunduvalt väiksem ja aktiivsus madalam kui looduslikes muldades. Kõige väiksem mikroobide biomass oli kunstliku märgala liivafiltrites ja mahajäetud karjääride pinnastes. Rekultiveeritud põlevkivikarjääride pinnaste mikroobikoosluste vastavad väärtused jäid looduslike ja haritavate muldade vahele. Haritavatele muldadele olid iseloomulikud hästi kohastunud ja stabiilselt funktsioneerivad mikroobikooslused. Põllumajanduslik praktika koosneb reast üksikutest tegevustest (orgaaniliste ja/või anorgaaniliste väetistega väetamine, kündmine, viljavaheldus, pestitsiididega töötlemine jne.), mille mõju mulla mikroobikoosluse biomassile ja aktiivsusele oli spetsiifiline. Põllumajanduslikust kasutusest välja jäänud muldadele ja mahajäetud karjääride pinnastele oli iseloomulik väike mikroobne biomass ja madal aktiivsus. Nende pinnaste taimestamine erinevate puuliikidega põhjustas biomassi tunduva suurenemise ning mikroobsete protsesside aktiviseerumise tänu taimejuurte toetusele. Eelpuhastatud olmeheitveega kastmine mõjutas positiivselt haritavate muldade mikroobseid protsesse – suurendas mikroobikoosluse funktsionaalset ja liigilist mitmekesisust endistes põllumuldades. Olmeheitvee mõjul suurenes mulla kaaliumi kontsentratsioon ja tõusis mikroobikoosluse fosfataasne aktiivsus. Kunstliku märgala horisontaalsete liivafiltrite mikroobide biomassid olid oluliselt väiksemad pedogeensete muldade vastavate näitajatega võrreldes.