Біоіндикаційна оцінка токсичності ґрунтів територій прилеглих до відвалів гранітних кар'єрів

Evaluation of soil toxicity of the territories adjacent the dumps of the granite quarries has been carried with the “Growth test” methods. Correlation between the value of phytotoxic effect and the distance from the dump of quarry for wheat (Triticum L.) and for cress (Lepidium sativum L) was determined. It was established and substantiated that for obtaining complete and objective information about impact of dumps of quarries on the level of soil fertility and on the content of harmful substances in plants that are grown on this soils it is necessary to conduct elaborate study of means of influencing silicon compounds from dumps of quarries on agroecosystem “soil-plant”.

Key words: bioindication, soil, phytotoxic effect, spoil dump, granite quarry, Growth test, testing culture.

Постановка проблеми

Питання забезпечення екологічної безпеки в районах розробки корисних копалин від пилоутворюючої здатності накопичувачів гірських порід (відвалів і хвостосховищ) мають велике значення. Неконтрольований вплив гірського підприємства на довкілля призводить до погіршення умов життя населення та загального загострення екологічних проблем прилеглих територій [1].

Концентрація пилу, який переноситься з відвалів гірських порід на значну відстань, значно перевищує граничнодопустимі нормативи, що впливає як на стан навколишнього середовища регіону загалом, так і на рівень родючості ґрунтів, вміст шкідливих речовин в сільськогосподарських культурах, що вирощуються на них [2].

На сьогоднішній день контроль за станом довкілля у гірничопромислових районах України проводиться, як правило, лише за допомогою фізикохімічних аналізів, які визначають вміст окремих забруднювачів, що не завжди дає можливість якісно оцінити загальний вплив цих забруднювачів на живі організми, в тому числі людину. Враховуючи, що основним критерієм оцінювання забруднення природного середовища є не концентрація полютанта, а реакція-відповідь живого організму-індикатора на його токсичну дію, варто відзначити, що альтернативою при дослідженні стану ґрунтів прилеглих до кар'єрів територій є біологічні методи, зокрема біотестування [3]. Біотестування, що ґрунтується на вивченні зворотної реакції тест-організмів на сукупність негативного впливу токсичних сполук та інших факторів середовища, дає змогу визначити сумісну біологічну активність впливу фізико-хімічних факторів на природне середовище тестування.

Аналіз останніх досліджень та публікацій

Питанням оцінки забруднення ґрунтів гірничими підприємствами займалось багато провідних вчених, серед них Губачов О.І., Маячкіна Н.В., Чугунова М.В., Бешлей З.М., Бешлей С.В., Баранов В.І., Терек О.І., Миленька М.М. та інші.

На території України успішні біоіндикаційні дослідження проводили Горова А. І., Бесонова В. П., Коршиков І. І., Клименко О. М., Губачов О. І. та інші. Проте даних щодо дослідження впливу на ґрунти саме відвалів гранітних кар'єрів існує недостатньо.

Ціль роботи - оцінка фітотоксичності ґрунтів поблизу відвалів гранітних кар'єрів за допомогою ростового тесту з використанням рослинних тестоб'єктів.

Виклад основного матеріалу

Оцінку біотоксичності ґрунтів територій прилеглих до гранітного відвалу виконано за методикою «Ростовий тест», розробленою Горовою А.І [4]. Пророщування тесткультури проводилося у чашках Петрі. Для отримання більш повної та об'єктивної оцінки у якості тест-культури обрано комплекс біоіндикаційних рослин, а саме пшениці (Triticum L.) та крес-салату (Lepidium sativum L.). При виборі тест-організмів для дослідження впливу гранітних кар'єрів на ґрунти враховувались наявність чутливої тест-реакції до зміни концентрації забруднювачів присутніх у досліджуваних ґрунтах (Cr, U, Th, Zn, Si [5]), структурні та функціональні ознаки біоіндикаторів.

Для дослідження відібрано проби ґрунту прилеглих до Рокитнянського гранітного кар'єру територій у 4 точках на різній відстані до гранітного відвалу (відповідно 800 м, 500 м, 200 м, проба гірничої маси безпосередньо з відвалу). Спочатку досліджувані проби та контрольний зразок ґрунту були висушені до повітряно-сухого стану, просіяні й подрібнені. У кожну з чашок Петрі клали аркуш фільтрувального паперу, на який насипали і рівномірно розподіляли 1 г підготовленої маси, додавали 5-7 мл води і висівали по 30 насінин індикаторної рослини. Дослід тривав 96 годин за температури - 2428 ^оС. Результати пророщування крес-салату та пшениці наведено на рис. 1.

Рисунок 1 Пророщування крес-салату та пшениці на 96 годину досліду (а, б, в - проби ґрунту на відстані відповідно 800 м, 500 м, 200м; г - проба гірничої маси безпосередньо з відвалу; д - контрольна проба ґрунту)

Після закінчення експерименту рослини обежину кореневої і стеблової систем. Результати вирежно виймали з чашок Петрі, вимірювали довмірювання ростових показників тест-рослин представлено на рис. 2.

Рисунок 2 Біопараметри (висотарослин, довжина кореневої системи) рослин тест-культур, пророщених на досліджуваних пробах ґрунту поблизу гранітного кар 'єру та на контрольному зразку ґрунту

З рисунку 2 видно, що тест-реакція крес-салату та пшениці на досліджувані проби ґрунту суттєво відрізняється.

Отримані експериментальні дані опрацьовано методом дисперсійного аналізу. По кожній досліджуваній пробі ґрунту обчислено середню довжину надземної та кореневої систем х - т, де т - помилка середнього арифметичного, яка визначається за формулою [7]:

де х - довжина надземної або кореневої системи ; х - середнє арифметичне довжини.

Розраховано достовірність різниці середніх арифметичних ґ:

З таблиці 1 видно, що для всіх проб ґрунту значення ІНл, (^=1,6449), отже отримані результати достовірно відрізняються від контрольного варіанту. Це свідчить про те, що на процеси росту рослин на досліджуваних пробах ґрунту дійсно впливає відстань до відвалу гранітного кар'єру.

Таблиця 1

Результати обробки експериментальних даних методом дисперсійного аналізу

За результатами проведених досліджень встановлено, що показник довжини підземної частини крес-салату коливається від 44.3 мм до 23.07 мм. При цьому, спостерігається збільшення пригнічення росту кореня зі зменшенням відстані до породного відвалу. Абсолютно протилежні закономірності виявлено для біопараметрів пшениці, де стимуляція росту кореня спостерігалася в зразках ґрунту приближених до відвалу. Так показник довжини кореня коливався від 27.333 мм у пробі №1 до 63 мм у пробі №4. Таким чином, дані табл. 1 свідчать про неоднозначний вплив гранітних відвалів на біопараметри різних видів рослин.

Для відносної оцінки фітотоксичності досліджуваних проб ґрунту для досліджуваних рослинних тест-систем розраховано фітотоксичний ефект:

де М₀ - значення біопараметра у посуді з контрольним ґрунтом; М_х - значення аналогічного біопараметра у посуді з досліджуваною пробою ґрунту.

Для оцінки фітотоксичності проб ґрунту використовується спеціальна шкала оцінки токсичного рівня (табл. 2) [8].

Таблиця 2

Шкала оцінки рівнів токсичності проб ґрунту

Результати розрахунку фітотоксичного ефекту об'єктів Triticum L. та Lepidium sativum L. Наведено досліджуваних проб ґрунту відносно контролю за в табл. 3. довжиною кореневої та стеблової систем тести«гаяній.

Дані табл. 3 свідчать, що проби №1, №2 та №3 (ґрунт на відстані 800 м, 500 м та 200 м від породного відвалу) мають середній ступінь токсичності для крес-салату. Проба №4 для крес-салату має пригнічуючий вплив, рівень ФЕ вище середнього.

Таблиця 3

Результати розрахунку фітотоксичного ефекту пшениці (Triticum L.) та крес-салату (Lepidium sativum L.)

Суперечливими є результати отримані для пшениці. В усіх досліджуваних пробах спостерігається відсутність токсичності для пшениці, що свідчить про стимулювання росту кореневої на надземної систем. Результати усередненого рівня фітотоксичності проб ґрунту наведено на рис. 3.

Рисунок 3 Результати розрахунку усередненого фітотоксичного ефекту ґрунту: проба №1 - 800 м; проба №2 - 500м; проба №3 - 200 м; проба №4 - гірнича маса безпосередньо з відвалу

Оскільки у результаті проведених досліджень для рослинних тест-систем крес-салату (Lepidium sativum L.) та пшениці (Triticum L.) отримано кардинально протилежні значення фітотоксичного ефекту, дослідним шляхом підтверджено необхідність подальшого детального вивчення агроекологічного зв'язку «ґрунт - рослина» для земель прилеглих до гранітних відвалів.

Для знаходження функціональної залежності між величинами фітотоксичного ефекту та відстані від території гранітного відвалу проведено апроксимацію даних отриманих в результаті проведення ростового тесту з використанням тест-об'єктів Lepidium sativum L. та Triticum L. Встановлено залежності, що описуються поліномом другого порядку:

Крес-салат (Lepidium sativum L.):

ґ = 0.0003 І² - 0.1409 І - 49.2106

де ґ - відносний фітотоксичний ефект, %; І - відстань,м. При цьому, коефіцієнт кореляції г=0.9573.

* Пшениця (Т гіїісит L.):

ґ = 0.0004 І² - 0.0171 1 - 8.6467

Коефіцієнт кореляції також близький до одиниці і складає г=0.9757.

Залежність між досліджуваними показниками наведено на рис.4.

відстань від гранітного відвалу, м Lepidium sativum L ¦ Triticum L

Рисунок 4 Залежність експериментально отриманої величини фітотоксичного ефекту (ФЕ) тест-культур Lepidium sativum L. та Triticum L. від відстані до гранітного відвалу

Аналізуючи встановлені залежності та беручи до уваги високі коефіцієнти кореляції в обох випадках, обґрунтовано тісний зв'язок між біопараметрами рослин та відстанню до гранітного відвалу, а отже і концентрацією пилу відвалів у ґрунтах. Невирішеним залишається визначення компоненту, зміна концентрації якого чинить стимуляцію росту в одних рослинах і пригнічує в інших.

Геохімічний аналіз [9] відвалу гранітного кар'єру показує високі концентрації 8і, 2п, Сг, и та ТЬ Доцільним є дослідження залежності реакціївідповіді рослинних біоіндикаторів від вмісту силіцію (кремнію) 8і, оскільки саме кремній у вигляді силікатів є основою гірської породи - граніту [10].

Установлено, що кремній чинить певний вплив на рослини і на родючість ґрунтів [11]. Імовірно, кремнезем є речовиною, що необхідна для енергетичного росту більшості рослин, тим не менше, він часто спричиняє побічні ефекти. На сьогоднішній день рухомий кремній у системі «ґрунт - рослина» є маловивченим [10].

Рослини поглинають кремній із ґрунту у вигляді іонів (8іОз^2-) та (8і04^4-), а також у вигляді власне монокремнієвих кислот (И28Ю3 та И48І04), які в результаті у клітинному соку перетворюються в кремнегель SiО₂ х пН₂О. Після цього відбувається його біохімічне зв'язування з полімерами клітини і акумуляція на поверхні клітинних стінок, в покривних тканинах або у вигляді фітолітів [12].

Важко підтвердити, що кремній суттєво впливає на ріст рослин. Проте відповідно до даних Релея [13], 8і є важливим елементом росту рослин і корисним для молодих рослин як поживна речовина.

У ґрунтах зазвичай велика частина кремнію перебуває у формі малорозчинних сполук, недоступних рослинам [14]. У роботі [15] показано, що ґрунтовий розчин містить кремній, в основному, у вигляді силікат-іонів мономерів та полімерів мета- та ортокремнієвої кислоти, а також у вигляді кремнійорганічних сполук. При цьому зниження вмісту вільної води в рідкій фазі ґрунту призводить до появи кремнієвих сполук в колоїдній формі у вигляді гідрогелю кремнієвої кислоти.

Проте існують рослини, які інтенсивно асимілюють Si з ґрунту, їх відносять до кремнієфілів. Вміст Si в їх листі може сягати до 2%, за середніх показників - 0.25%. Кремнезем, який розподіляється певним чином по структурі рослини відіграє важливу роль для міцності та захисту рослин.

Колектив вчених [16] вважає, що кремній не змінює функціональні можливості рослини, але сприяє розчиненню фосфатних сполук. Тобто розчинний силікат може викликати значне підвищення сухої маси рослини, якщо в системі відзначається недостача фосфору. Розвиток листя може гальмуватись при не достатку фосфату та прискорюватися при додаванні силікату.

Враховуючи підвищений вміст силіцію Si у відвалах гранітних кар'єрів, вищенаведені дані слугують основою для припущення того, що пшениця відноситься до рослин кремнієфілів, оскільки в даній роботі експериментально доведено, що збільшення в пробі грунту концентрації гранітної породи, яка включає кремнієві сполуки, призводить до покращення біологічних параметрів рослини. В той час, як крес-салат не здатний засвоювати характерні для розглянутих грунтів форми кремнієвих сполук і піддається впливу дефіциту інших поживних речовин у досліджуваних пробах.

Той факт, що вирощені в умовах одного експерименту на однакових пробах грунту та при ідентичних умовах різні тест-рослини виявили відмінні результати пояснюється припущенням про різну здатність біоіндикаторів пшениці та крес-салату поглинати та накопичувати хімічні речовини.

Висновки

1. Проведено оцінку фітотоксичності грунтів територій прилеглих до гранітного відвалу за методикою «Ростовий тест», де у якості тест-культур обрано пшеницю (Triticum L.) та крессалат (Lepidium sativum L.).

2. Отримані експериментальні дані опрацьовано за допомогою дисперсійного аналізу. Для всіх проб ґрунту 1>І8І, (М=1,64), що говорить про достовірність отриманих результатів.

3. Визначено фітотоксичний ефект для обраних тест-культур і встановлено його залежність від відстані до відвалу кар'єру, яка описується поліномом 2-го порядку.

4. Визначено та обґрунтовано, що для отримання більш повної та об'єктивної інформації про вплив відвалів гранітних кар'єрів на рівень родючості ґрунтів та вміст шкідливих речовин в рослинах, що вирощуються на них необхідним є детальне вивчення механізму впливу кремнієвих сполук гранітних відвалів на агроекологічну систему «ґрунт - рослина».

Використана література

1. Качурин Н. М. Геоэкологический мониторинг и оценка воздействия на окружающую среду горнопромышленого региона / Н. М. Качурин, Л. А. Белая, Т. В. Корчагина. // Экология горного производства. 2009. С. 33 - 37.

2. Максимова Н.М. Вплив відвалів гірничорудної промисловості на екологічну безпеку прилеглих територій: автореф. дис. на здобуття наук. ступеня канд. техн. наук: спец. 21.06.01 «Екологічна безпека» / Максимова Н.М. Дніпропетровськ, 2014. 23 с.

3. Биотестовый анализ - интегральный метод оценки качества объектов окружающей среды / А. Г.Бубнов, С. А. Буймова, А. А. Гущин, Т. В. Извекова. Иваново: ГОУ ВПО Иван. гос. хим.-технол. ун-т, 2007. 113 с.

4. Губачов О. І. Особливості використання рослин для біотестування грунтів з метою визначення рівня екологічної безпеки промислових територій / О. І. Губачов. // Науковий вісник КУЕІТУ. 2010. С. 164-171.

5. Азарова С. В. Опыт применения методов биотестирования для оценки токсичности отходов горнодобывающих предприятий / С. В. Азарова. // IX Международная биогеохимическая школа. С. 36-39.

6. Методичні рекомендації «Обстеження та районування території за ступенем впливу антропогенних чинників на стан об'єктів довкілля з використанням цитогенетичних методів» для студентів напряму підготовки 6.040106/ А.І. Горова, С.А. Риженко, Т.В. Скворцова та ін. Д.:НГУ,2007. 25с.

7. Тарасова В. В. Екологічна статистика / В. В. Тарасова. Київ: Центр навчальної літератури, 2008. 397 с.

8. Кулина С. А. Санітарно-гігієнічні показники Червоноградського гірничопромислового регіону як складова інтегральної оцінки якості стану довкілля / С. А. Кулина, А. В. Горова. // Вісник Львівського ун-ту імені Івана Франка. 2009. №50. С. 52-58.

9. Хохряков В.С. Открытая разработка месторождений полезных ископаемых / В.С. Хохряков. Москва: Недра, 1991. 332 с.

10. Оброблюваність природного каміння - об'єктивна основа його класифікації / В. В.Пегловський, В. І. Сидорко, В. Н. Ляхов, О. М. Поталико // Дослідження і розробки природного каміння / В.

11. Пегловський, В. І. Сидорко, В. Н. Ляхов, О. М. Поталико. Київ: Науково-технологічний алмазний концерн "АЛКОН" НАН України, 2010. (Хімічний склад природних каменів; кн. 2).

12. Матыченков В. В. Влияние кремниевых удобрений на растения и почву / В. В. Матыченков, Е. А. Бочарникова. // Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН. 2015. №7. С. 148-163.

13. Вагнер І. В. Вплив активних форм кремнію на біомасу сільськогосподарських культур під час їх вирощування на техногенно порушених грунтах Нікопольського марганцеворудного басейну / І. В. Вагнер, В. І. Чорна. // Biosystems Diversity. 2017. №25. С. 74-82.

14. Raleigh G. J. Plant Physiol / Raleigh., 1945. 828 с.

15. Пашкевич Е. Б. Роль кремния в питании растений и в защите сельськохозяйственных культур от фитопатогенов / Е. Б. Пашкевич, Е. П. Кирюшин. // Проблемы агрохимии и экологии. 2008. №2. 52-57.

16. Козлов А. В. Роль и значения кремния и кремнийсодержащих веществ в агроэкосистемах / А. В. Козлов, А. Х. Куликова, Е. А. Яшин. // Вестник Минского университета. 2015. №2. С. 3140.

17. Айлер Р. Химия кремнезема / Р. Айлер. Москва: Мир, 1982. 1106 с.

Размещено на Allbest.ru