Распределение дождевых червей в антропогенно-нарушенных почвах

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники (ТУСУР)

Выпускная квалификационная работа

на тему: "Распределение дождевых червей в антропогенно-нарушенных почвах"

Томск - 2018

Оглавление

Введение

1. Анализ литературных данных по распределению дождевых червей в антропогенно-нарушенных почвах

1.1 Источники загрязнение почв тяжелыми металлами

1.2 Влияние тяжелых металлов на педобионтов и на дождевых червей

2. Объекты и методы исследования

2.1 Объекты исследования

2.2 Методика исследования

3. Результаты исследований

3.1 Анализ биомассы и численности дождевых червей

3.2 Анализ видового состава дождевых червей

Заключение

Список использованных источников и литературы

Приложение А. Виды дождевых червей

Введение

Актуальность. Поверхность большей части суши покрыта почвами. Свойства почв наряду с климатическими условиями определяют возможность заселения их той или иной растительностью, а последняя в свою очередь определяет характер населения животных, обитающих в почве и на ее поверхности в данном участке суши.

Плодородие почвы напрямую зависит от почвенной биоты (например, разложение биополимеров, необходимое для образования почвенного гумуса от которого, в значительной степени зависит плодородие почв). Влияние микроорганизмов и других живых организмов на улучшение почвы очень велико, например, дождевые черви принимают участие в образовании перегноя, который повышает плодородие почвы.

Актуальность этой работы заключается в том, что антропогенно-нарушенные почвы обладают высокой биохимической активностью, токсичностью, в результате чего являются опасными для здоровья человека и других живых организмов загрязняющими веществами. Поэтому оценка загрязнения почв тяжелыми металлами и влияние данного процесса распределению дождевых червей в почве является актуальной.

В настоящее время важной является проблема антропогенного нарушения почв, в процессе которого почты загрязняются металлами.

Тяжелые металлы, поступая из почвы в растения, передаваясь по цепям питания, оказывают токсическое действие на растения, животных и человека.

Наиболее токсичных элементов, прежде всего, следует назвать ртуть, свинец, свинцовая пыль, кадмий, ванадий, цинк, мышьяк, фтор, медь. Следует отметить усиление токсичности тяжелых металлов при их совместном воздействии на живые организмы в почве.

Источниками загрязнения почвы в городах являются также бытовые отходы, транспорт, выбросы теплоэлектростанций, промышленных предприятий, сточные воды, строительный мусор.

Роль для очистки антропогенно-нарушенных почв играет процесс распределения дождевых червей.

Дождевые черви - земляные черви, наиболее известная группа почвенных животных. Численность их во всех влажных биотопах умеренной полосы высокая, по биомассе они занимают одно из первых мест.

Дождевые черви играют большую роль в почве - кроме того, что они собирают гумус, так еще и берут активное участие в процессах, происходящих в почве. Здесь происходят процессы разложения и окисления под воздействием почвенных микробов, в ходе которых выделяются минеральные вещества, которыми питаются корни растений.

На педобионтов и на дождевых червей оказывают влияние антропогенно-нарушенные почвы, в том числе содержащиеся в них тяжелые металлы.

Тяжелые металлы могут вызывать изменения общей численности почвенных микроорганизмов.

Поведение тяжелых металлов, при передаче от почвенно-подстилочного субстрата к дождевым червям, зачастую, описывается аккумуляцией, то есть увеличением концентрации в тканях люмбрицид по сравнению со средой обитания.

Черви играют важную роль как звено в передаче тяжелых металлов от растений к животным, которые питаются ими.

Научная новизна

Впервые проведена оценка численности дождевых червей в антропогенно-нарушенных почвах в Кировском районе.

Объектом исследования являются почвы Кировского района города Томска.

В настоящее время в г. Томске действуют такие промышленные предприятия, как Томская ТЭЦ-3, Томская ГРЭС-2, ЗАО "Метанол" и ОАО "Томский нефтехимический завод", которые дают около 13,5 тыс. тонн выбросов в год, что составляло более половины всех выбросов загрязняющих веществ в Томске. Среди загрязняющих атмосферу предприятий отмечаются Томсклесдрев, Томсктеплосеть, Томск-авиа, Томь-Аппарель, спичфабрика "Сибирь", ТЗКМиИ, Горэнерго, ТЗРО.

В Кировском районе города Томска расположены Томский электротехнический завод, Томский радиотехнический завод, Томский завод светотехники, СибНефтеКарт.

Выбросы перечисленных предприятий оказывают влияние на почвенный покров и состав почв на территории города Томска.

Нами использовалась методика Чекановской. В период с 15.09.2017г. по 15.10.2017г. был осуществлен количественный и фаунистический сбор дождевых червей методом раскопки.

Цель и задачи. Целью данной бакалаврской работы явилось изучение численности, биомассы и видового состава дождевых червей в районах с различной антропогенной нагрузкой и изучить влияние антропогенно-нарушенных почв на распространение дождевых червей на территории г. Томска Кировского района.

Для достижения цели были поставлены задачи:

Для достижения поставленной цели должны быть решены следующие задачи:

1) Определить основные источники загрязнение почв тяжелыми металлами в Кировском районе г. Томске.

2) Рассмотреть особенности распределения дождевых червей в антропогенно-нарушенных почвах.

3) Изучить влияние содержания тяжелых металлов в почвах Кировском районе г. Томска на численность и видовой состав дождевых червей.

Практическая значимость. Практическая значимость заключается в использовании результатов исследования для улучшения свойств почвы, что соответственно повлияет в дальнейшем на состояние дождевых червей.

1. Анализ литературных данных по распределению дождевых червей в антропогенно-нарушенных почвах

1.1 Источники загрязнение почв тяжелыми металлами

Довольно распространено мнение, что дождевые черви якобы могут причинить какой-то вред растениям. По крайней мере, многие хозяева старательно выбирают из огородных гряд и уничтожают, не зная того, что их присутствие не может принести ничего, кроме пользы.

Однако роль дождевых червей - почвообразователей была впервые освещена научно и понята во всем ее значении Чарльзом Дарвином.

В результате своих замечательных исследований, посвященных этому вопросу, он пришел к выводу, что "вряд ли найдутся другие животные, которые играли бы столь большую роль в истории мира, как дождевые черви".

Впоследствии сведения о дождевых червях были значительно углублены и расширены трудами таких ученых, как Н.А. Димо, М.С. Гиляров, Г.Н. Высоцкий. Для того, чтобы понять как следует процесс почвообразования и правильно оценить роль дождевых червей в этом процессе, нужно было бы учесть деятельность других животных и растительных организмов, связанных с почвой, а также рассмотреть и другие факторы почвообразования. Но сделать это мы не в состоянии, так как проблема почвообразования составляет основное содержание всего современного почвоведения - обширной науки, которая при решении этой проблемы пользуется данными смежных наук: геологии, бактериологии, ботаники и почвенной зоологии.

Тяжелые металлы относятся к приоритетным загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах. Накопление загрязняющих химических элементов в городских почвах в значительной степени связано с промышленными предприятиями их отходами, выбросами и сбросами.

Почва как среда, которая аккумулирует все загрязнения, представляется особенно важным объектом биомониторинга. Она сорбирует тяжелые металлы и радионуклиды и заслуженно называется "экологическим щитом биосферы".

Дождевые черви - земляные черви, наиболее известная группа почвенных животных. Численность их во всех влажных биотопах умеренной полосы высокая, по биомассе они занимают одно из первых мест.

Дождевые черви относятся к типу кольчатых червей. Черви живут в земле, в которой выкапывают длинные трубчатые ходы; ночью выходят на поверхность земли; они втаскивают в свои ходы различные органические остатки - частички листьев и других растительных частей. Питаются разлагающимися органическими веществами.

Испражнения дождевых червей, содержащие в себе много измельченных земляных частиц, откладываются ими на поверхности земли. Этим Д. черви способствуют увеличению пахотного слоя земли, в то же время как своими норами они разрыхляют почву, а втаскиванием растительных остатков увеличивают ее содержание органическими частями.

Значение дождевых червей в процессе образования почвы впервые было указано Дарвином. Оплодотворение происходит ночью, на поверхности земли, и совершается взаимно; обе особи плотно прилегают друг к другу, обернувшись противоположными концами, причем семя одной особи перетекает в семенные приемники другой; при этом обе особи связаны между собой кольцом, образуемым выделением особых желез так называемого пояска; по окончании акта кольцо сбрасывается. Дождевые черви употребляются как наживка при ужении рыбы.

К этому же семейству относится род Criodrilus, живущий в пресной воде Кулагин Н.И. Материалы по естественной истории дождевых червей / Н.И. Кулагин. - (Lumbricidae). - M., 1889.. Видовой состав семейств насчитает 6 видов Перель Т.О. Распространение и закономерности распределения дождевых червей фауны СССР / Т.О. Перель. - М.: Наука, 1979. - С. 90., преимущественно крупные виды, входящие состав группы "макрофауна". Ранее эта группа почвенных беспозвоночных, учитываемых методом ручной разборки, была объединена термином "мезофауна".

Дождевые черви играют большую роль в почве - кроме того, что они собирают гумус, так еще и берут активное участие в процессах, происходящих в почве. Дело в том, что в почве происходят процессы разложения и окисления под воздействием почвенных микробов, в ходе которых выделяются минеральные вещества, которыми питаются корни растений.

Все дождевые черви - представители почвенной фауны. Многие выходят на поверхность почвы только ночью. В сырую погоду и особенно после дождя, когда их норки заливаются водой, они и днем в массовом количестве выползают на поверхность.

Люмбрициды составляют три экологические группы: поверхностно живущие (подстилочные), почвенно-подстилочные и норники, прокладывающие глубокие ходы, которые они редко покидают.

Виды двух последних групп взаимно заменяют друг друга в зональных почвах: почвенно-подстилочные заходят далеко на север, населяя заболоченные почвы тайги, а норники обитают в районах со средиземноморским климатом. Дождевые черви, земляные черви, группа семейств малощетинковых червей, включающие преимущественно крупные почвенные виды.

Длина крупных тропических видов до 2,5 метров. Число сегментов тела от 80 до 450. На каждом сегменте от 8 до нескольких десяток щетинок, которые служат опорой при ползании.

Когда дождевой червь двигается, он выделяет слизь, облегчающее движение. Дышат черви всей поверхностью кожи. Кислород разносится с кровью по двум основным сосудам - спинному, брюшному, которые пронизывают тело, соединяясь в каждом сегменте кольцевыми сосудами. Органы чувств отсутствуют, но кожа богата чувствительными клетками. Имеется замкнутая и кровеносная система (кровь красная содержит гемоглобин).

Нервная система состоит из крупного надглоточного узла и более мелких узлов образующую брюшную нервную цепочку. Хорошо развита способность к регенерации (около 1500 видов в основном в тропиках; в РФ около 100 видов главным образом из семейства Ламбрицид). Живут в почве крупные виды, делают ходы, глубиной до 8 метров Мордкович В.Т. Беспозвоночные животные и диагностика элементарных почвенных процессов / В.Т. Мордкович // Почвоведение. - 1991. -№ 10. - С. 92-99..

Множество дождевых червей выходят на поверхность преимущественно ночью, днем после дождя (отсюда и название). Питаются разлагающимися органическими остатками. Гермафродиты. Коконы с яйцами откладывают в землю. Пронизывая почву ходами, дождевые черви рыхлят ее, способствуют аэрации и увлажнению на глубине, перемешивают почвенные слои, ускоряют разложение растительных остатков и таким образом повышают плодородие почв.

Численность дождевых червей особенно высока в зоне широколиственных и смешанных лесов и в лесостепи (свыше 300 экземпляров на 1 метр в квадрате на поверхности почвы).

Почва является индикатором общей техногенной обстановки. Загрязнения поступают в почву с атмосферными осадками, поверхностными отходами. Также они вносятся в почвенный слой почвенными породами и подземными водами.

Дождевые черви и другие организмы могут содействовать миграции тяжелых металлов механическим или биологическим путями, перемешивая почву или включая металлы в свои ткани.

Из всех видов миграции самая важная - миграция в жидкой фазе, потому что большинство металлов попадает в почву в растворимом виде или в виде водной суспензии и фактически все взаимодействия между тяжелыми металлами и жидкими составными частями почвы происходит на границе жидкой и твердой фаз.

Тяжелые металлы в почве через трофическую цепь поступают в растения, а затем потребляются животными и человеком. В круговороте тяжелых металлов участвуют различные биологические барьеры, вследствие чего происходит выборочное бионакопление, защищающее живые организмы от избытка этих элементов. Все же деятельность биологических барьеров ограничена, и чаще всего тяжелые металлы концентрируются в почве. Устойчивость почв к загрязнению ими различна в зависимости от буферности.

Почвы с высокой адсорбционной способностью соответственно и высоким содержанием глин, а также органического вещества могут удерживать эти элементы, особенно в верхних горизонтах. Это характерно для карбонатных почв и почв с нейтральной реакцией. В этих почвах количество токсических соединений, которые могут быть вымыты в грунтовые воды и поглощены растениями, значительно меньше, чем в песчаных кислых почвах.

Однако при этом существует большой риск в увеличении концентрации элементов до токсичной, что вызывает нарушение равновесия физических, химических и биологических процессов в почве. Тяжелые металлы, удерживаемые органической и коллоидной частями почвы, значительно ограничивают биологическую деятельность, ингибируют процессы иттрификации, которые имеют важное значение для плодородия почв.

Песчаные почвы, которые характеризуются низкой поглотительной способностью, как и кислые почвы очень слабо удерживают тяжелые металлы, за исключением молибдена и селена. Поэтому они легко адсорбируются растениями, причем некоторые из них даже в очень малых концентрациях обладают токсичным воздействием.

К группе тяжелых металлов относятся все цветные металлы с плотностью, превышающей плотность железа. Парадокс этих элементов состоит в том, что в определенных количествах они необходимы для обеспечения нормальной жизнедеятельности растений и организмов. Источники загрязнения тяжелыми металлами - это промышленные предприятия. Существует методика, по которой рассчитывается допустимая норма содержания металлов. При этом учитывается суммарная величина нескольких металлов Zc Гильденскиольд Р.С. Тяжёлые металлы в окружающей среде и их влияние на организм (обзор) / Р.С. Гильденскиольд, Ю.В. Новиков, Р.С. Хамидулин, Р.И. Анискина, И.Л. Винокур // Гигиена и санитария. - 1992. - № 5-6. - С. 6-9..

Выделяют 4 категории загрязнения земель металлами, которые учитываются в сельском хозяйстве:

1. допустимая;

2. умеренно опасная;

3. высоко-опасная; чрезвычайно опасная.

Очень важна охрана почв. Постоянный контроль и мониторинг не позволяет выращивать сельскохозяйственную продукцию и вести выпас скота на загрязненных землях.

Рассмотрим тяжелые металлы, загрязняющие почву. Существуют три класса опасности тяжелых металлов. Всемирная организация здравоохранения самыми опасными считает заражение свинцом, ртутью и кадмием. Но не менее вредна и высокая концентрация остальных элементов.

Содержание в почве свинца обычно колеблется от 0,1 до 20 мг/кг. Свинец отрицательно влияет на биологическую деятельность в почве, ингибирует активность ферментов уменьшением интенсивности выделения двуокиси углерода и численности микроорганизмов.

Содержание цинка в почве колеблется от 10 до 800 мг/кг, хотя чаще всего оно составляет 30-50 мг/кг. Накопление избыточного количества цинка отрицательно влияет на большинство почвенных процессов: вызывает изменение физических и физико-химических свойств почвы, снижает биологическую деятельность. Цинк подавляет жизнедеятельность микроорганизмов, вследствие чего нарушаются процессы образования органического вещества в почвах. Избыток цинка в почвенном покрове затрудняет ферментацию разложения целлюлозы, дыхания, действия уреазы Малевич И.И. К изучению и распространению дождевых червей (Lumbricidae, Oligochaeta) в СССР / И.И. Малевич // Учен. Зап. МГПИ им. Потемкина. - 1959. - Т. 104. - В. 8. - С. 299-321..

Тяжелые металлы, поступая из почвы в растения, передаваясь по цепям питания, оказывают токсическое действие на растения, животных и человека.

Среди наиболее токсичных элементов, прежде всего, следует назвать ртуть, которая представляет наибольшую опасность в форме сильнотоксичного соединения - метил-ртути. Ртуть попадает в атмосферу при сжигании каменного угля и при испарении вод из загрязненных водоемов.

С воздушными массами она может переноситься и откладываться на почвах в отдельных районах. Исследования показали, что ртуть хорошо сорбируется в верхних сантиметрах перегнойно-аккумулятивного горизонта разных типов почв суглинистого механического состава. Миграция ее по профилю и вымывание за пределы почвенного профиля в таких почвах незначительна. Однако в почвах легкого механического состава, кислых и обедненных гумусом процессы миграции ртути усиливаются. В таких почвах проявляется также процесс испарения органических соединений ртути, которые обладают свойствами летучести.

При внесении ртути на песчаную, глинистую и торфяную почвы из расчета 200 и 100 кг/га урожай на песчаной почве полностью погиб не зависимо от уровня известкования. На торфяной почве урожай понизился. На глинистой почве произошло снижение урожая только при низкой дозе извести.

Свинец также обладает способностью передаваться по цепям питания, накапливаясь в тканях растений, животных и человека. Доза свинца, равная 100 мг/кг сухого веса корма, считается летальной для животных.

Свинцовая пыль оседает на поверхности почв, адсорбируется органическими веществами, передвигается по профилю с почвенными растворами, но выносится за пределы почвенного профиля в небольших количествах.

Благодаря процессам миграции в условиях кислой среды образуются техногенные аномалии свинца в почвах протяженностью 100 м. Свинец из почв поступает в растения и накапливается в них. В зерне пшеницы и ячменя количество его в 5-8 раз превышает фоновое содержание, в ботве, картофеле - более чем в 20 раз, в клубнях - более чем в 26 раз.

Кадмий, подобно ванадию и цинку, аккумулируется гумусовой толще почв. Характер его распределения в почвенном профиле и ландшафте, видимо, имеет много общего с другими металлами, в частности с характером распределения свинца.

Однако, кадмий закрепляется в почвенном профиле менее прочно, чем свинец. Максимальная адсорбция кадмия свойственна нейтральным и щелочным почвам с высоким содержанием гумуса и высокой емкостью поглощения. Содержание его в подзолистых почвах может составлять от сотых долей до 1 мг/кг, в черноземах - до 15-30, а в красноземах - до 60 мг/кг.

Многие почвенные беспозвоночные концентрируют кадмий в своих организмах. Кадмий усваивается дождевыми червями, мокрицами и улитками в 10-15 раз активнее, чем свинец и цинк. Кадмий токсичен для сельскохозяйственных растений, и даже, если высокие концентрации кадмия не оказывают заметного влияния на урожай сельскохозяйственных культур, токсичность его сказывается на изменении качества продукции, так как в растениях происходит повышения содержания кадмия.

Мышьяк попадает в почву с продуктами сгорания угля, с отходами металлургической промышленности, с предприятий по производству удобрений. Наиболее прочно мышьяк удерживается в почвах, содержащих активные формы железа, алюминия, кальция. Токсичность мышьяка в почвах всем известна. Загрязнение почв мышьяком вызывает, например, гибель дождевых червей. Фоновое содержание мышьяка в почвах составляет сотые доли миллиграмма на килограмм почвы.

Фтор и его соединения находят широкое применение в атомной, нефтяной, химической и др. видах промышленности. Он попадает в почву с выбросами металлургических предприятий, в частности, алюминиевых заводов, а также как примесь при внесении суперфосфата и некоторых других инсектицидов.

Загрязняя почву, фтор вызывает снижение урожая не только благодаря прямому токсическому действию, но и изменяя соотношение питательных веществ в почве. Наибольшая адсорбция фтора происходит в почвах с хорошо развитым почвенным поглощающим комплексом. Растворимые фтористые соединения перемещаются по почвенному профилю с нисходящим током почвенных растворов и могут попадать в грунтовые воды. Загрязнение почвы фтористыми соединениями разрушает почвенную структуру и снижает водопроницаемость почв.

Цинк и медь менее токсичны, чем названные тяжелые металлы, но избыточное их количество в отходах металлургической промышленности загрязняет почву и угнетающе действует на рост микроорганизмов, понижает ферментативную активность почв, снижает урожай растений.

Следует отметить усиление токсичности тяжелых металлов при их совместном воздействии на живые организмы в почве. Совместное воздействие цинка и кадмия оказывает в несколько раз более сильное ингибирующее действие на микроорганизмы, чем при такой же концентрации каждого элемента в отдельности.

Поскольку тяжелые металлы и в продуктах сгорания топлива, и в выбросах металлургической промышленности встречаются обычно в различных сочетаниях, то действие их на природу, окружающую источники загрязнения, бывает более сильным, чем предполагаемое на основании концентрации отдельных элементов.

Основными источниками загрязнения почвы в городах являются бытовые отходы, транспорт, выбросы теплоэлектростанций, промышленных предприятий, сточные воды, строительный мусор.

Важную роль в загрязнении атмосферы играют выхлопные газы автомобилей, которые поступают в приземный слой воздуха и тем самым представляют большую опасность для состояния дождевых червей.

Автомобильный транспорт играет роль в загрязнении окружающей среды.

К основным токсичным выбросам автомобиля относятся: отработавшие газы, картерные газы и топливные испарения. Отработавшие газы, выбрасываемые двигателем, содержат окись углерода (СО), углеводороды (СХHY), окислы азота (NOX), альдегиды и сажу. Картерные газы - это смесь части отработавших газов, проникшей через неплотности поршневых колец в картер двигателя, с парами моторного масла. Топливные испарения поступают в окружающую среду из системы питания двигателя: стыков, шлангов и т.д. Известно, что сжигание 1 тонны топлива бензиновым двигателем автомобиля приводит к образованию в среднем 600 кг окиси углерода. В отличие от бензиновых двигателей, дизельные двигатели выбрасывают значительно больше дыма, состоящего в основном из несгоревшего углерода. Содержание СО в карбюраторных двигателях составляет 0,5-12,0 %, что составляет до 200 кг на 1000 л топлива, в дизельных двигателях соответственно - 0,01-0,5 % и на 1000 л топлива - до 25 кг. Окись углерода образуется на поверхности поршня и на стенке цилиндра, в котором активация не происходит вследствие интенсивного теплоотвода стенки, плохого распыления топлива и диссоциации СО 2 на СО и О 2 при высоких температурах.

ОАО "Томский инструмент" (IV класс опасности) - предприятие занимается изготовлением сверл, фрез, метчиков и другой продукции. Загрязнение почвенного покрова происходит металлоабразивной пылью, фенолом, вольфрамом, хромом, ванадием, железом, молибденом, никелем, медью и другими металлами.

ОАО "Томский электроламповый завод" (IV класс опасности) занимается изготовлением ламп. Предприятием выбрасывается в атмосферу 45 наименований загрязняющих веществ.

В процессе производства в почвы с выбросами попадают Hg, Pb, Zn, W, Mo, Cu, Cr, Ni, Mn, Ba, Si, Fe, Al и другие загрязняющие вещества. В почвах около ОАО "Томский электромеханический завод" относительно фоновых содержаний происходит накопление в основном Zn, Cu, Mo, Pb и W.

Таким образом, тяжелые металлы занимают отдельное место среди ксенобиотиков, так как обладают кумулятивным действием на живые организмы. Причем концентрация элементов возрастает по мере продвижения пищевой цепи к конечному потребителю. К тяжелым металлам с первым классом опасности по токсичности относятся следующие микроэлементы: Cd, Hg, Se, Pb, Zn.

Основной путь поступления тяжелых металлов в агроценозы Томской области наблюдается через атмосферные осадки посредством автотранспорта, наблюдается высокая доля свинца, цинка, меди.

Возможна естественная ремедиация почв, при этом она длится очень долгое время, если учесть, что выбросы в окружающую среду не прекращаются, то самоочищение агроценозов от тяжелых металлов становится практически невозможным.

Источниками загрязнение почв тяжелыми металлами являются также промышленные предприятия, расположенные в черте города Томска.

Среди почвенной мезофауны одну из главных ролей в процессах ремедиации почв отводят дождевым червям. Отмечается способность дождевых червей восстанавливать почву после загрязнений тяжелыми металлами.

1.2 Влияние тяжелых металлов на педобионтов и на дождевых червей

Тяжелые металлы могут вызывать изменения общей численности почвенных микроорганизмов. Во многих работах показано снижение количества прокариотных микроорганизмов в разных типах почв: подзолистой, торфянистой, дерново-подзолистой, черноземе выщелоченном, сероземе обыкновенном, черноземе типичном и других. Часто отмечается снижение численности олигонитрофильных и аммонифицирующих бактерий, коринеподобных и некоторых споровых бактерий, актиномицетов. Относительно более высокая устойчивость характерна для целлюлозолитических бактерий. Количество микроскопических грибов в загрязненных тяжелыми металлами почвах, наоборот, может возрастать.

Наиболее чувствительной группой по результатам лабораторных опытов в черноземе типичном оказались липомицеты, плотность популяции которых значительно снижалась уже при 5-ти кратном превышении фоновых концентраций тяжелых металлов. В торфяно-глеевой почве чувствительным организмом оказался Azotobacterchroococum, численность которого резко снижалась при 20-ти кратном превышении фоновой концентрации загрязнителей Резниченко И.С. Дождевые черви как фактор ремедиации почв от тяжелых металлов / И.С. Резниченко // Актуальные научные исследования в современном мире. -2017. - № 10-2 (30). - С. 148-150..

В дерново-подзолистой почве ни одна из изученных групп микроорганизмов не проявила сравнительно высоких индикационных свойств. В целом, 50 %-ное снижение численности всех трех изученных групп микроорганизмов достигается лишь при 100-ти кратном превышении фонового содержания тяжелых металлов в каждом из трех изученных типов почв.

Поведение тяжелых металлов, при передаче от почвенно-подстилочного субстрата к дождевым червям, зачастую, описывается аккумуляцией, то есть увеличением концентрации в тканях люмбрицид по сравнению со средой обитания. Также накопление тяжелых металлов может быть представлено индикацией - сохранением концентрации на том же уровне и элиминацией, когда наблюдается снижение концентрации тяжелых металлов Перель Т.С. Дождевые черви. Их экология и взаимоотношения с почвами и землепользованием / Т.С. Перель. - М. 2007..

При монозагрязнении тяжелых металлов наблюдались случаи аномальной аккумуляции кадмия, которые были описаны для дождевых червей, при этом авторы отмечали низкий уровень загрязнения почвы и подстилки Битюцкий Н.П., Кайдун П.Н. Влияние дождевых червей на подвижность микроэлементов в почве и их доступность растениями / Н.П. Битюцкий, П.Н. Кайдун // Почвоведение. - 2008. - № 12. - С. 1479-1486..

Многими авторами установлено, что важную роль в скорости накопления металла играют его особенности, форма его соединений, взаимодействие с другими элементами, величина концентрации.

Например, содержание физиологически необходимых металлов эффективно регулируется барьером на уровне желудочно-кишечного тракта, связыванием белками и экскрецией.

Во-вторых, поступление металлов контролируют эдафические факторы, такие как кислотность почвы, содержание в ней органического вещества, глинистых частиц, емкость катионного обмена Бутовский Р.О. Тяжелые металлы как техногенные химические загрязнители и их токсичность для почвенных беспозвоночных животных / Р.О. Бутовский // Агрохимия. - 2005. - № 4. - С. 73-91..

В-третьих, влияют особенности самих видов, их трофическая специализация и возраст.

Черви играют важную роль как звено в передаче тяжелых металлов от растений к животным, которые питаются ими. Так, для плотоядных мелких млекопитающих (кормовой базой которых являются преимущественно дождевые черви) показало большее накопление в организме хищников Cd, Pb. Причем отмечено, что черви, включенные в пищевую цепь, не принадлежат к определенному виду, но относятся к определенной экологической группе по типу вертикального распределения в субстрате.

Факторы, определяющие концентрацию тяжелых металлов в теле дождевых червей представлены на схеме (рисунок 1).

Рис. 1. Факторы, определяющие концентрацию тяжелых металлов в теле дождевых червей Герасимова М.И. Антропогенные почвы: генезис, география, рекультивация / М.И. Герасимова, М.Н. Строганова, Н.В. Можарова, Т.В. Прокофьева. - Смоленск: Ойкумена, 2003.

На основе литературных данных и результатов наших исследований можно предложить модель влияния дождевых червей на загрязненные почвы. Ее суть заключается в следующем:

- Проходя через кишечник дождевого червя, почва меняет ряд своих свойств (рН, состав сообществ бактерий, количество углерода в растворимой форме). дождевой червь почва антропогенная

- Изменение свойств почвы в свою очередь, влияют на поведение тяжелых металлов.

- Новый состав микробного сообщества увеличивает способность органических веществ связывать металлы.

- Изменение рН и количества водорастворимого углерода влияет на адсорбцию почвенными частицами металлов.

- Выделения слизи и мочи увеличивает адсорбцию металлов почвенными частицами.

- Некоторые тяжелые металлы аккумулируются внутри организма червя Герасимова М.И. Антропогенные почвы: генезис, география, рекультивация / М.И. Герасимова, М.Н. Строганова, Н.В. Можарова, Т.В. Прокофьева. - Смоленск: Ойкумена, 2003. .

Это указывает на огромную роль дождевых червей в обеспечении экологических функций почвы. С одной стороны, они связывают тяжелые металлы в почве, не допускают их высокой концентрации в одном месте, способствуют их рассеиванию по почвенному профилю и горизонтам, уменьшают концентрацию загрязнителя в корневом слое. Это снижает риск превращения самой почвы в источник загрязнения в урбоэкосистеме.

С другой стороны, часть тяжелых металлов благодаря деятельности дождевых червей могут стать доступными для растений и накапливаться в фитоценозах.

Вероятно, эти противоречивые влияния червей на поведение поллютантов можно использовать для разработки методов ремедиации, восстановления загрязненных почв. То есть, увеличив количество дождевых червей в почве и высадив растения с высокой аккумулятивной способностью можно экстрагировать существенную часть тяжелых металлов из почвы. На следующем этапе можно высадить растения для обеспечения эстетических и других функций зеленых насаждений.

Дождевые черви своей деятельностью и биоаккумулятивной способностью будут снижать концентрацию загрязнителя в корневом слое почвы Герасимова М.И. Антропогенные почвы: генезис, география, рекультивация / М.И. Герасимова, М.Н. Строганова, Н.В. Можарова, Т.В. Прокофьева. - Смоленск: Ойкумена, 2003. - 268 с..

Рассмотрим, например, восемь видов дождевых червей, среди которых доминирует эпигейный вид, эндемичный для Урала - P. diplotetratheca. Концентрации Cu, Zn и Cd в особях этого вида тождественны литературным данным по другим видам дождевых червей из загрязненных почв, тогда как концентрация Pb выше ожидаемой для имеющегося уровня загрязнения.

Поскольку концентрации тяжелых металлов, для данной территории, выше всего именно в дождевых червях, можно сделать вывод, что пищевые цепи с включением люмбрицид несут потенциальную угрозу при переходе на следующий трофический уровень.

Таблица 1. Содержание (мкг/г) тяжелых металлов в тканях дождевых червей на разном удалении от медеплавильного заводаБезель B.C. О возможности популяционных оценок токсического действия тяжёлых металлов / B.C. Безель // Проблемы экологического мониторинга и моделирования экосистем. Л: Гидрометеоиздат, 1982. - Т. 5. - С. 19-25.

Элемент	Расстояние до источника выбросов, км
	30 [n=55]	20 [n=47]	7 [n=38]	4-5 [n=57]
Cu	7,5±0,1 {9,9}	7,9±0,2 {17,4}	23,7±1,7 {44,2}***	28,5±1,9 {50,3}***
	(5,6-10,3)	(5,3-11,1)	(11,9-71,7)	(10,3-75,4)
Pb	9,2±0,7 {56,4}	14,1±1,5 {72,9}	112,5±13,6 {74,5}***	228,3±25,1 {83,0}***
	(1,0-26,7)	(3,1-62,6)	(18,3-359,5)	(8,6-1010,3)
Cd	16,8±0,7 {30,9}	21,3±0,9 {29,0}**	67,7±3,8 {34,6}***	91,9±4,8 {39,4}***
	(6,6-28,8)	(9,7-35,8)	(24,8-131,9)	(28,3-193,3)
Zn	299,6±10,1 {25,0}	356,8±14,8 {28,4}	617,8±36,3 {36,2}***	536,6±30,7 {43,2}***
	(143,6-439,6)	(193,6-705,9)	(230,2-1365,3)	(185,6-1152,4)

Примечание: среднее ± ошибка, в круглых скобках - минимальное и максимальное значение, в фигурных скобках - коэффициент вариации, учетная единица - особь. Уровень значимости различий с 30 км: * - p<0,05, ** - p<0,01, *** - p<0,001 (критерий Шеффе).

С целью упрощения интерпретации данных сравнительно воздействию поллютантов на среду, применялся индекс токсичности Кi, который был рассчитан для тяжелых металлов Cu, Cd, Zn, Pb Алешукин Л.В. К методике определения металлов в почвах вдоль автомагистралей / Л.В. Алешукин // Геохимия техногенного преобразования ландшафтов. - М.: Наука, 1978. - С. 44-46..

Как можно увидеть на рис. 2, индекс токсичности становится больше, чем меньше расстояние до медеплавильного завода, наибольший показатель индекса токсичности наблюдается у свинца и кадмия (p<0,05).

Рис. 2. Индекс токсичности в зависимости от расстояния от источника эмиссии

Как показано в таблице 2, для цинка, кадмия и меди характерно прямое накопление в тканях люмбрицид (Табл. 2).

Чем выше концентрация этих элементов в почве, тем больше содержание в тканях дождевых червей. Для накопления цинка показатель силы влияния оказался низким и не достоверным. Со снижением расстояния до точечного источника эмиссии, ANOVA показал уменьшение силы влияния концентрации поллютантов на накопление, возможно, данный факт свидетельствует о наличии барьера накопления тяжелых металлов, после которого следует массовая гибель дождевых червей.

Таблица 2. Зависимость накопления тяжелых металлов в тканях P. diplotetratheca от концентрации тяжелых металлов в почве

металл	?2x±m	F	k-n	Б
Cu	0,75±0,02	20.63	1; 62	0,05
Pb	0,35±0,07	14.25	1; 62	0,01
Cd	0,55±0,05	16.25	1; 46	0,05
Zn	0,33±0,25	(2.97)	1; 46	-

Примечание: показатель силы влияния ± ошибка, F - достоверность по Фишеру, в круглых скобках - показатель F<Fтаб, k-n - число степеней свободы, б - уровень значимости исследований.

Для аккумуляции кадмия, свинца и цинка наблюдается достоверная разница (р<0,05), которая зависит от возрастного состояния люмбрицид (Рис. 3). В ювенильных дождевых концентрация поллютантов меньше, чем в половозрелых, что объясняется меньшим временем пребывания неполовозрелых особей в загрязненной почве и подстилке и более быстрым, по сравнению с половозрелыми особями, обменом веществ. Разницы, зависящей от возрастного состояния дождевых червей, в аккумуляции меди установить не удалось.

Рис. 3. Аккумуляция тяжелых металлов в тканях P.diplotetratheca в зависимости от возрастного состояния

По первой главе можно сделать вывод о том, что городская почва является хорошим поглотительным барьером газовых примесей, в том числе поступающих от автотранспорта, заводов и т.д., она также регулирует газовый состав атмосферы путем выделения и поглощения газов (метан, аммиак, углекислый газ и др.).

Со временем она превращается в "депо" токсических соединений и одновременно становится одним из важнейших биогеохимических барьеров для большинства соединений на пути их перехода из атмосферы города в грунтовые воды и речную сеть. Но в некоторых случаях почва сама становится источником загрязнения. При максимальном химическом загрязнении она теряет способность к продуктивности и биологическому самоочищению, происходит потеря экологических функций и деградация урбосистемы. Изменяется состав, структура и численность микрофлоры и мезофауны.

Многие виды животных, живущих в почвенной среде, могут являться эффективным индикатором экологического состояния почвы. В исследованиях многих ученых установлено, что численность и видовой состав почвоообитающих животных могут служить диагностическим показателем степени оккультуренности почв.

Под влиянием антропогенных факторов использование пестицидов, нефтяного, промышленного и других форм загрязнения окружающей среды, видовое разнообразие и численность почвенной фауны снижается.

2. Объекты и методы исследования

2.1 Объекты исследования

Объектом исследования являются почвы Кировского района города Томска.

Томск расположен на границе Западно-Сибирской равнины и отрогов Кузнецкого Алатау на правом берегу реки Томи, в 50 км от места её впадения в Обь. Город расположен на краю таёжной природной зоны: к северу простираются труднопроходимые леса и болота, к югу - чередуются широколиственные и смешанные леса и лесостепи. По данным комитета по охране окружающей среды Томска и Томской области на 2007 год, атмосферный воздух загрязнён практически над всей территорией города.

В большей его части, расположенной вокруг городских лесов и вдалеке от промышленных предприятий, отмечается повышенный уровень загрязнения.

Четыре промышленных предприятия - Томская ТЭЦ-3, Томская ГРЭС-2, ЗАО "Метанол" и ОАО "Томский нефтехимический завод" - давали 13,5 тыс. тонн выбросов в год, что составляло более половины всех выбросов загрязняющих веществ в Томске. Среди загрязняющих атмосферу предприятий отмечаются Томсклесдрев, Томсктеплосеть, Томск-авиа, Томь-Аппарель, спичфабрика "Сибирь", ТЗКМиИ, Горэнерго, ТЗРО; ранее, до своего закрытия, в это число входил ШПЗ. Начиная с 2010 года в городе очищено несколько озёр и часть реки Ушайки.

В Кировском районе города Томска расположены Томский электротехнический завод, Томский радиотехнический завод, Томский завод светотехники, СибНефтеКарт.

Целью нашей работы стало изучение численности, биомассы и видового состава дождевых червей в районах с различной антропогенной нагрузкой на территории г. Томска Кировского района.

Для достижения цели были поставлены задачи:

1) Выявить изменение численности и биомассы дождевых червей в осенний период.

2) Исследовать видовой состав дождевых червей при различных антропогенных загрузках на почвы.

В соответствии с поставленной задачей была принята следующая программа исследования.

1.Заложить пробные площадки.

2.Произвести сбор экспериментального материала.

3.Обработать собранный материал:

а) произвести описание участков

б) определить численность и биомассу дождевых червей в почвах различных участков

в) определить видовой состав дождевых червей

г) определить возрастную структуру популяций дождевых червей

4. Обобщить и проанализировать полученные данные.

2.2 Методика исследования

Сбор материала проводился в период с 15.09 по 15.10.2017 г. Осуществлялся количественный и фаунистический сбор дождевых червей методом раскопки.

Для количественного сбора по методике Чекановской Чекановская О.В. Дождевые черви и почвообразование / О.В. Чекановская. - М. - Л, 2003. отмеряется площадка 100 м ² (10 на 10 м), в которой делается три прикопки размером 0,25 ^{м 2} (50 на 50 см). Все прикопки в исследуемых районах выкапываются на одну и ту же глубину-40-50 см.

Необходимые инструменты: пинцет, нож, совок, лопаты. Нами при сборе материала были заложены 4 площадки 10 на 10м в различных районах города Томска Кировского района: проспект Кирова, Лагерный сад (парк в Кировском районе), территории завода светотехники, территории завода радиотехники, а также в территории завода "Сибнефтекарт" - Так как выбранные площадки были однородны, то на них делалось по 3 прикопки по диагонали.

Собранных червей помещали в стеклянные банки с влажной землей, переносили в лабораторию и затем фиксировали в растворе формалина, постепенно увеличивая его концентрацию, предварительно усыпив в растворе хлороформа, так как мускулатура фиксированных в формалине червей сильно сокращена, что затрудняет дальнейшую идентификацию вида.

Перед фиксацией определяли живую массу и численность. Взвешивание производилось на электронных весах фирмы "Mettler" с точностью до второго знака после запятой. Перед взвешиванием дождевые черви промывались в воде и подсушивались на фильтровальной бумаге.

При идентификации вида использовались следующие определительные признаки:

1. Расположение щетинок:

- не сближены;

- слабо сближены попарно;

- сильно сближены попарно

2. Форма головной лопасти:

1. - пролобическая;

2. -эпилобическая открытая;

3. - эпилобическая закрытая;

4. - танилобическая.

3. Расположение пубертатных валиков и мужских половых отверстий.

3. Результаты исследований

3.1 Анализ биомассы и численности дождевых червей

Изучение дождевых червей в различных районах г. Томска проводилось в летне-осенний период 2017 г.

В ходе сбора материала для дальнейшего изучения видового разнообразия дождевых червей, определялась их средняя биомасса и численность в пересчёте на 1м ² в исследуемых районах с различной антропогенной нагрузкой.

Сбор экспериментального материала производился в следующих районах г. Томска: проспект Кирова, Лагерный сад (парк в Кировском районе), тер-и завода радиотехники, а также в территории завода "Сибнефтекарт". Полученные данные подверглись статистическому анализу, в ходе которого были вычислены следующие величины:

1. Среднеарифметическое значение показателя М по формуле

где V сумма биомассы или численности дождевых червей в отдельных прикопках, а n число прикопок.

2. Ошибка среднего арифметического m по формуле

где- квадратичное отклонение,

С - дисперсия, или сумма квадратов центральных отклонений, т.е. квадратов разности каждой датой и среднеарифметической по формуле:

Построим диаграммы численности и биомассы дождевых червей в различных районах г. Томска Кировского района (рис. 4, 5).

Рис. 4. Величина биомасса дождевых червей в исследуемых районах за 2017 год в городе Томске



Рис. 5. Численность дождевых червей в исследуемых районах за 2017 год в городе Томске

В ходе статистического анализа были вычислены - критерий достоверности разности между биомассой и численностью дождевых червей на участке с. Помары и в остальных исследуемых районах t_d, по формуле:

где М ₁ и М ₂ - сравниваемые средние величины, m₁ и m₂ - ошибки среднего арифметического.

Критерий достоверности сравнивается со стандартным значением критерия Стьюдента. В данном случае различия достоверны, если критерий достоверности больше чем 2,78 при уровне значимости Р = 0,05 и степени свободы

v =n₁+n₂-2.

Данные критерия достоверности разности величин биомассы и численности дождевых червей в почвах исследуемых районов размещены в таблице 3.

Таблица 3. Критерий достоверности разности величин биомассы и численности дождевых червей в исследуемых районах в 2017 году

Исследуемые районы	Проспект Кирова	Лагерный сад	Завод радиотехники	СибНефтеКарт
Критерий достоверности разности td по биомассе	1,7929	3,646	3,676	3,33
Критерий достоверности разности td по численности	2,18	5,11	5,21	4,07

Из таблицы видно, что различия по биомассе и численности дождевых червей достоверны.

Таким образом, из диаграммы и таблицы №2 видно, что максимальное количество дождевых червей в 2017 году наблюдалось в парке Ленинградский сад и в парке Кирова. Различия численности и биомассы дождевых червей в данных районах статистически не достоверны. Несколько ниже значения биомассы и численности дождевых червей в районах с более загрязненной почвой, завод радиотехники и СибНефтекарт.

Таким образом, исследования биомассы и численности дождевых червей в различных местах Кировского района города Томска, показали, что отклонения значений величин достаточно большое и связано с уровнем загрязнения почв как тяжелыми металлами, так и нефтепродуктами.

3.2 Анализ видового состава дождевых червей

При изучении видового разнообразия дождевых червей в г. Томске Кировского района было произведено частичное описание исследуемых участков.

В парке Лагерный сад лесопарковой зоне на исследуемый участке растительный покров представлен сосняком свежем с большой примесью рудеральной растительности. Почва дерново-подзолистая, с мощной лесной подстилкой, состоящей из полу разложившихся растительных остатков, супесчаная, свежая.

В 2017 году при сборе экспериментального материала были взяты пробы почвы на определение влажности, которая составила 11 %. Анализ возрастной структуры дождевых червей показал: половозрелых особей -25 % и неполовозрелых -25 %. На данном участке нами были обнаружены дождевые черви вида Lumbricus rubellus, Aporrektodea caliginosa caliginosa и Eisenia uralensis.

Проспект Кирова площадь участка составляет 100 м ^2,, растительный покров - одуванчикового разнотравно-злаковый, площадь проективного покрытия составляет 100 %, Почва участка дерново - подзолистая средне - суглинистая, свежая. Верхний горизонт имеет комковато-плоско-ореховатую структуру. В 2017 году при сборе экспериментального материала были взяты пробы почвы на определение влажности, которая составила 14 %.

На данном участке нами были обнаружены 4 вида дождевых червей:

Тип: Кольчатые черви - Annelida

Класс: Малощетинковые черви - Oligochaeta

Отряд: Lumbrricomorpha

Семейство Lumbricidae

Род Aporrectodea

Вид А. caliginosаcaliginosа,

А. roseа,

А. longа

Род Eisenia

Вид E. nordenskioldinordenskioldi

Наиболее встречаемым видом оказался А. caliginosаcaliginosа, встречаемость остальных видов единична.

Был проведен анализ возрастной структуры дождевых червей. В собранном материале половозрелых особей-13 %, неполовозрелых особей-87 %.

Идентификация видовой принадлежности неполовозрелых особей затруднена, поэтому их определение не производилось.

В промышленной зоне завода радиотехники города Томска исследуемый участок имеет растительный покров - злаково-разнотравный. Почва дерново-подзолистая, супесчаная, свежая. На этом участке нами были обнаружены следующие сильно пигментированные виды: Eisenia nordenskioldi и Lumbricus rubellus, а также Aporrektodea. caliginosа caliginosа.

Анализ возрастной структуры дождевых червей показал: половозрелых особей - 60 %; неполовозрелых особей - 40 %.

В промышленной зоне СибНефтеКарт исследуемый участок также составляет 100м ². Растительный покров представлен двумя сообществами:

Березняк разнотравно-злаковый Почва имеет лесную подстилку мощность менее 2 см. По механическому составу является супесчаной.;

2. Разнотравнозлаковый луг. Почва участка дерново-подзолистая супесчаная, свежая. В 2017 году при сборе экспериментального материала были взяты пробы почвы на определение влажности, которая составила 15 %. Идентификация видовой принадлежности дождевых червей из данного участка не производилась, так как анализ возрастной структуры показал отсутствие половозрелых особей.

Анализ возрастной структуры показал: половозрелых особей 38 %, неполовозрелых особей 62 %. Наиболее встречаемым видом оказался вид Eisenia uralensis Malevic.

Эвритопным видом является Aporrektodeacaliginosacaliginosa. Данный вид встречен на всех исследуемых участках в массовых количествах.

При изучении видового разнообразия дождевых червей в г. Томске Кировского района было произведено частичное описание исследуемых участков. Результаты представлены в таблице 2.

Таблица 4. Встречаемость видов дождевых червей в исследуемых районах

Виды дождевых червей	Лагерный сад	проспект Кирова	Завод радиотехники	СибНефтеКрат
Aporrectodea caliginosa caliginosa	22	11	3
Aporrectodea rosea	2	6		2
Aporrectodea longa		1
Eisenia uralensis	3			2
Eisenia nordensholdi		3	2
Lumbricus rubellus			2
Dendrobolius rubidus tenuis	1

По данным таблицы была построена диаграмма (рис. 6).

Рис. 6. Распределение видов дождевых червей в исследуемых районах

Из диаграммы видно, что в исследуемых районах с наибольшей биомассой дождевых червей (парк Лагерный сад, проспект Кирова), доминирующим видом является Apporectodea caliginosa caliginosa и отсутствует вид Lumbricus rubellus.

В местах с меньшей биомассой доминирующий вид выделить нельзя, т.к. все идентифицированные виды встречаются единично. Характерно, что в этих районах обнаружен вид Lumbricus rubellus (завод радиотехники), а в "СибНефтеКрат" вид Apporectodea caliginosa caliginosa вообще отсутствует.

По третьей главе можно сделать вывод о том, что в исследуемых районах с наибольшей биомассой дождевых червей (парк Лагерный сад, проспект Кирова), доминирующим видом является Apporectodea caliginosa caliginosa и отсутствует вид Lumbricus rubellus. Обнаружен вид Lumbricus rubellus (завод радиотехники), а в "СибНефтеКрат" вид Apporectodea caliginosa caliginosa вообще отсутствует.

Наиболее благоприятная почва для дождевых червей остается в двух исследуемых участках: в парке Лагерный сад и Проспекте Кирова, где было обнаружено наибольшее количество и видовое разнообразие дождевых червей.