При попадании нефти в почву микрофлора испытывает стресс, который вызывается высокой концентрацией углеводородов. Резко почти в 3 раза снижается количество микроорганизмов, усваивающих азот из органических азотсодержащих соединений. Вместе с этим появляются микроорганизмы, потребляющие минеральные формы азота, а это значит, что идет сильная иммобилизация (закрепление в микробной клетке) этих соединений. В этом случае микроорганизмы выступают как конкуренты культурных растений в потреблении азотной пищи.

Таблица15. Влияние нефти на численность микроорганизмов основных эколого-трофических групп (среднее за 3 года).

Зона устойчивости бактерий, утилизирующих минеральный азот, гораздо шире. О наличии их в составе популяций, устойчивых к более сильному загрязнению, свидетельствует увеличение их численности при уровнях нефти 20 литров на квадратный метр. Высокий процент олиготрофов в микробном комплексе (их на 37% больше, чем эвтрофных микроорганизмов) и достаточно высокие в абсолютном выражении показатели при уровнях загрязнения от 5 до 20 литров на квадратный метр, позволяют отнести их к наиболее устойчивой части микробного ценоза чернозема выщелоченного. Преобладание олиготрофов в почве указывает на неблагоприятный трофический режим.

Изучение нитрификационной способности чернозема при разном уровне загрязнения нефтью дает основание выявить потенциальные возможности почв к образованию одной из главных форм минерального азота - нитратной в обеспечении растений азотным питанием. Загрязнение нефтью вызывает ухудшение азотного режима, что обусловлено перестройкой в микробном ценозе почвы.

Поступление углеводородов вызывает кардинальную перестройку состава микробного сообщества, стимулируя развитие популяций, перерабатывающих этот субстрат и потребляющих значительное количество азота. По мнению Д.Г. Звягинцева и В.С. Гузева, депрессия нитрификационного процесса является своеобразным механизмом ауторегуляции биохимических процессов в условиях значительного расширения соотношения С:N, который заключается в направлении круговорота азота по более короткозамкнутому циклу.

Исследования показали, что при компостировании почвы при температуре 25^оС и 60% капиллярной влагоемкости и полном доступе воздуха, нитрификационная способность не только не увеличивалась, но даже снижалась с увеличением количества сырой нефти (табл. 16).

С увеличением количества нефти, попавшей в почву, содержание нитратного азота снижалось как до компостирования, так и после него. По сравнению с незагрязненной почвой нитрификационная способность снижалась на 26-130%.

Период наибольшего дефицита минерального азота частично совпадает с периодом максимального развития углеводородоокисляющих микроорганизмов. Возможно, что снижение нитрификации было вызвано не столько прямым токсическим действием углеводородов, сколько перестройкой трофических цепей, вследствие чего нитратный азот сразу же «перехватывается» микроорганизмами. Об этом свидетельствует количество их потребляющих минеральных форм азота.

деградация почва экосистема поллютант

Таблица 16. Содержание нитратного азота в зависимости от доз нефти (среднее за 3 года).

Важным показателем интенсивности трансформации углеродсодержащих соединений в почве является уровень выделения углекислого газа или «дыхание почвы».

Определение СО₂ проводили один раз за вегетацию зерновых культур, в период их выхода в трубку - начало колошения. Исследования показали, что при внесении нефти в почву разложение органических веществ несколько снижалось. Вместе с тем выявить влияние повышенных доз поллютанта на этот процесс не удалось. Если на контроле выделялось за трехчасовую экспозицию 585 мл/час СО_2, то при внесении нефти 5,10,20 л/м² соответственно 400, 430-450 мл /час СО_2.

Глава 5. Оценка применимости различных показателей биологического состояния в диагностике загрязнения объектов исследования

В настоящее время по многочисленному мнению как российских, так и зарубежных ученых можно говорить о появлении нового экологического фактора - загрязненного атмосферного воздуха, оказывающего значительное влияние на биосферу и на растения в частности (Rice, 1970; Помазкина и др., 1999; Протасов, 2001; Юфит, 2002; Добровольский, 2003, Николайченко, 2007). Под воздействием атмосферных загрязнений на листьях растений появляются различные повреждения, ухудшается рот растений (особенно древесных), снижается продуктивность сельскохозяйственных культур, в некоторых случаях происходит гибель естественных фитоценозов (Илькун, 1970; Эверт, 1970; Николаевский, 1979; Глазачев, 1980; Стрельцов А.Б., 1999; Черненькова Т.В., 2002; Банникова, Мамошина, 2005).

Наиболее распространенный метод биоиндикации - анализ видимых повреждений (Меннинг У.Дж., 1985). Видимые микроскопические изменения листьев наиболее чувствительных древесных растений можно использовать для первоначальной оценки аэротехногенного загрязнения городов (Федорова, Никольская, 1997). Повреждаемость деревьев и кустарников может быть ответной реакцией на токсичность среды обитания.

Обследования состояния посадок древесных растений в промышленных районах г. Пензы и в рекреационной зоне (п. Ахуны) проводили с июня по сентябрь. Изучалось состояние древесных и кустарниковых пород: каштана конского (Aesuelus hippocastanum), березы повислой (Betula pendula), клена остролистного (Acer platanoides), липы мелколистной (Tilia cordata mill), тополя черного (Populus nigro), ели колючей (Picea pungens), рябины обыкновенной (Sorbus aucuparia L.), акации белой (Robinia preudacacia). Были исследованы морфолого-физиологические показатели: такие как поражение листьев; площадь поверхности листьев; показатели водного режима.

Наблюдения проведенные нами 2000-2006 гг. показали, что аэротехногенное загрязнение проявлялось в поражении листовых пластинок уже в начальный период вегетации растений (первая декада июня). Они выражались в появлении «медной росы» (у липы и клена), потере тургора, возникновении хлорозов, изменении окраски (пожелтение, побурение, побронзовение), появлении некрозов, искривления листовой пластинки и возникновении уродливых форм листьев (у каштана и рябины). Негативные изменения особенно отмечались в условиях сухого лета и привели к тому, что у некоторых пород деревьев (каштан конский, липа мелколистная, клен остролистный) уже в конце июля - начале августа листья имеют 50-60% хлоротично-некротической поверхности. Наиболее сильно хлорозы и некротические повреждения выражены у чувствительных пород - каштана конского и липы мелколистной, тогда как у тополя черного поражение листьев не превышало 10%, причем нижние ветви, обращенные к дороге, повреждаются сильнее верхних. Видимые повреждения обычно неспецифичны и могут указывать на различные факторы, которым подвергаются высшие растения.

Таким образом, видимые макроскопические изменения листьев наиболее чувствительных древесных растений можно использовать для первоначальной оценки загрязнения.

Сведения относительно использования содержания хлорофилла (и других пигментов) как биоиндикационных признаков в литературе противоречивы. Ряд ученых считает этот признак недостаточно информативным и специфическим, хотя первой стадией видимых хлорозов листьев как раз и является разрушение хлорофилла под влиянием неблагоприятных факторов (Miller, Parmeter, 1969; Halbwachs, 1970, 1971, Попова, 2007). В то же время другие исследования показали, что у чувствительных к загрязнению видов наблюдается до появления видимых изменений снижение содержания хлорофилла и это может служить достаточно надежным неспецифическим биоиндикационным признаком (Гремта, 1970; Илькун, 1970; Майдебура, 2006).

В связи с этим в качестве фитоиндикаторов, нами были использованы газочувствительные виды древесных растений - клен остролистный и ель обыкновенная.

Результаты исследования показали, что уровень содержания хлорофилла у древесных пород колебался в значительных пределах. Несмотря на то, что общая тенденция изменения содержания хлорофиллов под влиянием загрязнения атмосферы была схожа у исследуемых видов, отмечено, что содержание хлорофилла лиственных пород (клен остролистный) было несколько выше, чем у хвойных пород. Однако известно, что недостаток азота, железа и других элементов также быстро сказывается на окраске листьев и разрушении хлорофилла в них и очень часто используется для оценки низкого плодородия почв (Гремта, 1970; Илькун, 1970). Поэтому определение хлорофилла не может быть биоиндикационным признаком и этот показатель следует учитывать и использовать в сочетании с другими признаками.

Водный режим растений - один из информативных специфических показателей воздушной и почвенной среды. Нами был определен водный дефицит, относительный тургор, водоудерживающая способность и др. показатели водного режима. Результаты исследования показали, что в засушливый период, даже на контрольном участке (п. Ахуны) все показатели водного режима характеризовались значительной вариабельностью.

Считается, что одним из индикаторных показателей является площадь листьев и асимметрия листа. Исследовались образцы из зон с различной степенью загрязнения. Результаты морфометрических измерений показали среднее (каштан конский и береза) и сильное (липа и тополь черный) варьирование признака. Характерное некоторое увеличение средней площади листьев в промышленной зоне и ТЭЦ, по сравнению с контролем, возможно обусловлено действием невысоких концентраций загрязняющих веществ (окислов азота, серы и т.д.), а уменьшение, с увеличением транспортной нагрузки, что подтверждается корреляционным анализом. Следовательно, площадь листа не является достаточно информативным биоиндикационным признаком в связи с ее сильной изменчивостью.

Наиболее доступная и широко применяемая морфогенетическая мера нарушения стабильности развития - флуктуирующая асимметрия (ФА) как результат неспособности организма развиваться по точно определенным путям. Под флуктуирующей асимметрией понимают мелкие ненаправленные отклонения от симметричного состояния (Захаров, 1987; Егорова, 2006). Для оценки неблагополучия городской среды можно использовать флуктуирующую асимметрию тополя черного (Populus nigra) и березы повислой (Betula pendula).

Таблица 17. Флуктуирующая асимметрия листьев древесных растений в точках исследования

Результаты исследований ФА показали (табл. 17), достоверное превышение различия, между левой и правой сторонами листа, на объектах теплоэнергетики и автомагистрали, по сравнению с контролем и отмечалась у тополя, березы (в половине всех случаев). Поэтому именно эти древесные породы можно использовать с большей вероятностью для оценки неблагополучия городской среды, что согласуется с данными Никольской, Федоровой, Поршневой, 1987; Шунелько, 2000; Солдатовой, 2006.

Совместное действие нескольких загрязнителей воздуха (автотранспорт, промышленные предприятия) оказывает усиливающее негативное действие на растительность, в результате чего происходит снижение относительного жизненного состояния древостоя за счет увеличения пораженности листа и кроны, снижения облиственности кроны всех исследованных растений, что не может не сказаться на общей продуктивности растений. На основании полученных нами данных, уровень устойчивости исследованных видов древесных пород к загрязнению воздушной среды снижался в ряду: ель колючая - клен остролистный - липа мелколистная - рябина обыкновенная.

Диагностика повреждений (густоты кроны, наличие на стволе мертвых сучьев, степень повреждения листьев) и оценка их относительного состояния показали, что негативное влияние загрязнения на изучаемые виды увеличивалось в следующем ряду: лес - ТЭЦ - промышленный комплекс - автомагистраль. Уровень устойчивости, исследуемых видов пород к загрязнению, снижался в ряду: ель - клен - тополь - береза - акация - каштан - липа - рябина (рис. 5).

Рисунок 5. Диагностические признаки древостоя

В качестве растений биоиндикаторов могут быть рекомендованы - липа мелколистная и рябина обыкновенная (Шаркова, Надежкина, 2007).

Результаты оценки, применимости различных показателей биоиндикации, в диагностике загрязнения окружающей среды показали, что такие показатели, как: площадь листа (в связи с сильной ее изменчивостью), показатели водного режима (в связи со значительной вариабельнностью), содержание хлорофилла (т.к. недостаток N, Fe и др. элементов также сказывается на окраске листьев и содержании хлорофилла) - являются недостаточно информативными.

Анализ анатомо-морфологического состояния древесных пород, произрастающих в условиях различного загрязнения воздушного бассейна в черте города, дал возможность установить растения - биоиндикаторы (липа мелколистная, каштан конский, рябина обыкновенная) и для определения пригодности местообитания произрастающих пород деревьев. При оценке влияния загрязнения воздушного бассейна города, в качестве основного способа для фитомониторинга можно использовать тестовый показатель флуктуирующую асимметрию листовых пластинок.

Показателями биологической активности, применямыми в биоиндикации почв, могут служить количество микроорганизмов, активность ферментов азотного обмена и катализирующих окислительные процессы (оксидоредуктаз); выделение углекислоты, то есть «дыхание» почвы; скорость разложения клетчатки; способность почвы к аммонификации и накоплению нитратов.

Для биоиндикации антропогенного влияния вредных выбросов на почву были использованы микробиологические методы исследования. Известно, что комплекс почвенных микроорганизмов является наиболее мобильным показателем, чутко отражающим изменение окружающих условий, попадание в почву вредных ингредиентов.

Результаты исследований по изучению влияния загрязнения на эколого-трофические группы микроорганизмов почвы показали, что численность основных их групп: аммонификаторов, иммобилизаторов азота, олигонитрофилов, целлюлозоразрушающих, актиномицетов, была меньше, чем на контроле. Численность грибов значительно варьировала на контроле и в опытных образцах с объекта, но тенденции к ее снижению также просматривались.

Таким образом, развитие всех эколого-трофических групп почвенных микроорганизмов было угнетено. Наиболее чувствительна бактериальная микрофлора, степень ингибирования наибольшая особенно для группы олиготрофов. Мицелиальные формы почвенных микроорганизмов (грибы, актиномицеты) оказались более устойчивыми к воздействию вредных ингредиентов на почву, ингибирование их развитие наблюдали на прилегающей территории завода, котельной, автомобильной магистрали, где бактериальные формы снижали свою численность уже на порядок. Среди целлюлозоразрушающих микроорганизмов 90-95% составляли актиномицеты, но чувствительность этой группы была значительно выше, чем всего пула актиномицетов в почвы. Установлен новый факт достоверности снижения численности и биомассы микроорганизмов по мере возрастания степени загрязнения почвы выбросами.

Снижение абсолютной численности и изменение соотношения эколого-трофических групп почвенных микроорганизмов (бактериальных и мецелиальных форм) может быть эффективным индикатором техногенной нагрузки на почву

Для оценки антропогенного влияния на почву токсических веществ, оперативным и прогрессивным являются биохимические показатели, дающие сведения о динамике важнейших ферментативных процессов в почвах (Казеев, 2001; Колесников, 2004).

Некоторые показатели биологической активности при возникновении в почве стрессовой ситуации изменяются раньше, чем другие почвенные характеристики, например, агрохимические (Звягинцев, 1989, Лебедева, 1984). Ферментативная активность почвы является одним из таких показателей.

В рамках исследования проводилось изучение влияния мышьяка на инвертазную, уреазную, каталазную и протеазную активности серой лесной легкосуглинистой почвы. Выбор именно этого химического элемента для изучения обусловлен следующими соображениями: токсичность мышьяка хорошо известна. В организм человека он поступает с воздухом, водой и пищей. Его повышенное содержание может привести к таким заболеваниям как нарушение функций желудка, рак легких и кожи, невритам.

В результате проведенных исследований влияния прежнего уничтожения химического оружия (УХО) в пригородной зоне установлено, что техногенное загрязнение мышьяком подавляет ферментативную активность почвы. С увеличением степени загрязнения ее мышьяком резко снижается активность ферментов: уреазы, каталазы, инвертазы и протеазы (табл. 18).

Таблица 18. Ферментативная активность серой лесной легкосуглинистой почвы при загрязнении мышьяком (среднее за 4 года)

По степени устойчивости к загрязнению мышьяком почвенные ферменты располагаются следующим образом: уреаза > инвертаза > протеаза > каталаза.

Результаты наших исследований показали, что связь активности ферментов с количеством мышьяка в почве выражается следующими уравнениями регрессии:

Уреазная активность = 8,20 - 0,29As + 0,002 As^0,5 r² = 0,618

Инвертазная активность = 29,88 + 0,732 As - 9,63 As² r² = 0,623

Протеазная активность = 9,56 + 0,238 As - 3,165 As² r² = 0,770

Каталазная активность = 3,08 + 0,081 As - 1,069 As^0,5 r² = 0,561

Установленные связи позволяют использовать показатели ферментативной активности почв в качестве индикаторов загрязнения почв мышьяком.

Глава 6. Оценка приемов реабилитации техногенно-загрязненных почв

При техногенном воздействии, как было показано выше, наблюдается устойчивая тенденция к накоплению ТМ и мышьяка в серой лесной почве, поэтому одной из задач наших исследований был поиск приемов снижения подвижности их и поступления в растения, выращенные на почвах, испытывающих значительное загрязнение.

Поступая в почву в больших количествах ТМ, в первую очередь влияют на биологические свойства почвы, кроме того, способны изменять и более консервативные её признаки, такие как гумусное состояние, структуру, кислотность и др. В итоге всё это ведет к частичной, а в некоторых случаях и к полной утрате плодородных свойств почвы (Эрих, 1981; Смит, 1985; Марфенина, 1991; Орлов и др., 1991; Ильин, 1995; Колесников, Казеев, Вальков, 2000; Lester, 1985; Гармаш, Графская, 2002).

Большинство ТМ наиболее подвижны в кислой среде (рН < 5). Почвы лесостепи Приволжской возвышенности даже под целинной травянистой растительностью характеризуются значительной гидролитической кислотностью, достигающей 3-6 мг-экв/100 г. почвы (Кузнецов и др., 1966; Лебедева, Семина, 1974; Лобов и др., 1984; Надежкин, 1999).

Для реабилитации химически загрязнённых почв необходим комплекс мероприятий, включающий химическое связывание токсических веществ в недоступные для растений соединения, биогенное обогащение, агротехнические, мелиоративные и другие приёмы (Минеев, 1990; Фатеев, Самохвалов, Мирошниченко, 2000).

Значение известкования как способа мелиорации почв общеизвестно и хорошо изучено для дерново-подзолистых почв (Алямовский, 1941; Корнилов, 1955; Кедров-Зихман, Ярусов, 1955; Авдонин, 1969; Небольсин, 1983; Шильников, Лебедева, 1987; Аканова, 2003 и др.). Внесение минеральных и органических удобрений также ведут к ограничению подвижности загрязняющих веществ и следовательно к снижению токсичного действия их на растения (Ильин, Степанова, 1982; Зырин, 1985; Колесников, Казеев, Вальков 2000; Помазкина, Котова, Лубнина, Зорина, Лаврентьева, 2004).

6.1 Влияние приемов реабилитации на содержание поллютантов в серой лесной почве

Нами было изучено в качестве приема снижающего техногенное воздействие, - известкование, внесение вермикомпоста и минеральных удобрений.

Влияние изучаемых приемов на содержание тяжелых металлов характеризовалось тем, что под влиянием известкования доломитовой мукой по полной гидролитической кислотности существенно снизилось количество подвижных форм всех металлов и увеличилось мышьяка (таб. 20).

Так после уборки яровой пшеницы содержание Pb было на 21-29%, Cd на 22-36, Zn - на 26-34, Сu - на 41-50, Ni - на 31-34, Mn - на 24-25% ниже чем на контроле.

В последующем эта тенденция сохранялась и после уборки четвертой культуры севооборота (озимой ржи). Количество подвижных форм тяжелых металлов было даже ниже, чем после яровой пшеницы. Это обстоятельство свидетельствует о продолжительном мелиорирующем действии известкования на содержание тяжелых металлов в серой лесной почве.

Таблица 19. Содержание подвижных форм ТМ под влиянием доломитовой муки и минеральных удобрений в серой лесной почве, мг/кг почвы, слой 0 - 15 см

Действие доломитовой муки на подвижность мышьяка существенно отличалась. Так, после уборки яровой пшеницы количество подвижных форм As возрастало на 26-29%, после 4-ой культуры - на 30-65% по сравнению с контролем. То есть, нейтрализация кислотности вызывает увеличение подвижности данного элемента.

Минеральные удобрения в дозах N₃₀P₄₀K₄₀ не оказывали существенного влияния на количество Pb, Cd, Zn, Cu, Ni и Mn (табл. 21). Что касается мышьяка, то после уборки яровой пшеницы подвижность его по сравнению с неудобренным вариантом снижалась на 5-9%. Ежегодное в течение 4-х лет применение минеральных удобрений (N₁₅₀, P₁₈₀ K₂₀₀) в сумме за 4 года вызвало снижение содержания подвижного As на 8-21% к неудобренному фону.

Использование биогумуса в дозе 6 т/га под яровую пшеницу способствовало частичному закреплению тяжелых металлов в почве и переводу определенного их количества в труднодоступные формы. Так после уборки яровой пшеницы содержание Pb снижалось на 21%, Сd - 33, Zn - 24, Cu - 38-46%, Ni - 28-34 и Mn на 17-22% по сравнению с неудобренным вариантом. В последующем (через 3 года) положительное действие биогумуса на подвижность тяжелых металлов несколько снижалось.

Использование N₃₀ на фоне P₄₀K₄₀ не оказывало существенного влияния на содержание подвижных форм тяжелых металлов, но наметилась тенденция снижения подвижности мышьяка (табл. 18).

Таблица 20. Содержание подвижных форм ТМ под влиянием биогумуса и минеральных удобрений в серой лесной почве, мг/кг почвы, слой 0 - 15 см