Изменение эколого-биологических свойств чернозема обыкновенного при загрязнении тяжелыми металлами второго класса опасности (Mo, Co, Cr, Ni)

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Изменение эколого-биологических свойств чернозема обыкновенного при загрязнении тяжелыми металлами второго класса опасности (Mo, Co, Cr, Ni)

03.00.16 - экология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Евреинова Алена Владимировна

Ростов-на-Дону 2006

Работа выполнена на кафедре экологии и природопользования Ростовского государственного университета

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук, доцент Колесников Сергей Ильич

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук Приваленко Валерий Владимирович

кандидат биологических наук, доцент Минкина Татьяна Михайловна

Ведущая организация: Донской государственный аграрный университет, п. Персиановский

Защита состоится 27 октября 2006 года в 14.30 на заседании диссертационного совета К 212.208.07 по биологическим наукам при Ростовском государственном университете по адресу: 344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Б. Садовая, 105, РГУ, 304 ауд. (E-mail: sk@bio.rsu.ru; факс: (8632)64-52-55).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ростовского государственного университета по адресу: 344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148.

Автореферат разослан «____» сентября 2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук, доцент О.Ф. Пелипенко

экологический чернозем металл тяжелый

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблема деградации почв в результате различных антропогенных воздействий с каждым годом приобретает все более острый характер. Существенный вклад в деградацию почвенного покрова во всем мире вносит загрязнение тяжелыми металлами. Тяжелые металлы (ТМ) относятся к приоритетным загрязняющим веществам. При этом разные ТМ представляют опасность для живых организмов, в том числе и для человека, в различной степени. Также различны экологические и экономические ущербы от загрязнения ими почв и сельскохозяйственной продукции.

Наибольшую опасность представляют ТМ первого класса опасности, такие как свинец, ртуть, кадмий, цинк. Соответственно последствия загрязнения почв этими элементами изучено более детально, в то время как воздействие на почвы и другие компоненты природной среды элементов, относящихся ко второму и третьему классам опасности, исследованы значительно в меньшей степени.

Цель и задачи исследования.

Главная цель работы -- исследовать влияние загрязнения тяжелыми металлами второго класса опасности (Mo, Co, Cr, Ni) на эколого-биологические свойства чернозема обыкновенного.

В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:

1.Установить закономерности изменения в условиях загрязнения основных экологических и биологических свойств почвы, таких как численность и активность микроорганизмов, ферментативная активность, фитотоксичность почв и т.д.

2.Исследовать влияние загрязнения на выполнение почвой экологических функций.

3.Провести анализ изменения свойств почвы в зависимости от следующих параметров загрязнения: природа элемента, концентрация его в почве, срок от момента загрязнения. Установить взаимосвязь между эколого-биологическими показателями и исследуемыми параметрами загрязнения.

4.Исследовать последствия экстремального загрязнения чернозема ТМ в концентрации 1000 ПДК.

5.Определить возможность и целесообразность использования тех или иных эколого-биологических показателей в целях мониторинга, диагностики, индикации и нормирования загрязнения почв и экосистем в целом исследованными ТМ.

6.Провести сравнительный анализ степени токсичности ТМ первого класса опасности (Cd, Hg, Pb, Zn), ТМ второго класса опасности (Cr, Ni, Co, Mo, Cu), и элементов-загрязнителей неметаллической природы, как первого (As, Se, F) так и второго (B) классов опасности (по результатам настоящего исследования и фондовым материалам).

7.Оценить действующие значения ПДК исследованных элементов в почве и возможность их использования применительно к черноземам обыкновенным. Дать рекомендации по совершенствованию значений ПДК и подходов к их разработке.

Объекты, материалы и методы исследований. В основу диссертации положены материалы, полученные лично автором или под его руководством в результате модельных исследований (2002-2006 гг.). В работе также использованы литературные и фондовые материалы по данной проблематике. Объектами исследования выступают почвы, микроорганизмы, растения, их свойства и взаимодействие с химическими веществами различной природы. Исследование является комплексным, на стыке экологии, почвоведения, биохимии, микробиологии, агрохимии, рационального природопользования и охраны окружающей среды. В исследовании использованы метод моделирования, лабораторно-аналитические методы, биометрические методы. Подробная характеристика объектов и методов исследования приведена ниже, в главах 2 и 3.

Личный вклад автора. Все исследования проведены лично автором или под его руководством. По результатам исследований автором или научным коллективом с участием автора опубликован ряд научных работ, где проанализирован полученный материал и представлены основные результаты диссертации.

Научная новизна работы. Установлены закономерности изменения микробиологических, биохимических, агрохимических, физико-химических и других показателей экологического состояния чернозема обыкновенного в условиях загрязнения ТМ второго класса опасности (молибденом, кобальтом, хромом, никелем). Выявлены основные закономерности изменения экологических функций почвы при загрязнении исследованными элементами. Проведен сравнительный анализ степени токсичности 13-ти химических элементов, различающихся по своей природе и относящихся к разным классам опасности. Определена возможность и целесообразность использования различных эколого-биологических показателей в целях мониторинга, диагностики и индикации загрязнения почв и экосистем в целом ТМ второго класса опасности. Даны рекомендации по совершенствованию действующих ПДК ТМ в почве.

Практическая значимость. Результаты проведенных исследований могут быть использованы и уже используются научными и природоохранными организациями при мониторинге и диагностике экологического состояния почв и их загрязнения различными химическими веществами, оценке воздействия на окружающую среду, экологическом нормировании загрязнения почв, оценке риска природных и антропогенных катастроф, проведении экологической экспертизы и т.д.

Материалы исследований используются при преподавании дисциплин по экологии, почвоведению, природопользованию и охране окружающей среды, экологической экспертизе, мониторингу и биоиндикации в Ростовском государственном университете и других вузах.

Настоящее исследование выполнено в соответствии с планом НИР кафедры экологии и природопользования РГУ и поддержано ФЦП «Интеграция» (проекты A0054, Б0103) и Федеральным агентством по науки и инновациям (грант МД-3944.2005.04).

Основные защищаемые положения.

· Загрязнение ТМ второго класса опасности (Mo, Co, Cr, Ni), в подавляющем большинстве случаев, ведет к ухудшению эколого-биологических свойств чернозема обыкновенного. По степени ухудшения свойств чернозема обыкновенного исследованные элементы образуют следующий ряд: Cr>Co>=Ni>Mo (если за единицу содержания элемента в почве принять мг/кг или ПДК) или Cr>Ni>=Co>Mo (если за единицу содержания элемента в почве принять моль/кг).

· При загрязнении чернозема обыкновенного даже экстремальными количествами (1000 ПДК) любого из исследованных элементов в почве остаются жизнеспособными аммонифицирующие бактерии, сохраняется каталазная активность и мочевиноразлагающая способность.

· Загрязнение ТМ второго класса опасности (Mo, Co, Cr, Ni) приводит к нарушению экологических функций почвы. Полученные в исследовании количественные значения содержания ТМ в почве, вызывающие нарушение разных групп экологических функций, целесообразно использовать при экологическом нормировании, когда главной целью является сохранение экологических функций почвы.

· По влиянию на состояние почвы исследованные элементы не располагаются по классам опасности, разработанным применительно к здоровью людей. Поэтому по отношению к почвам целесообразно разработать собственные классы опасности. Для этого можно использовать полученный в настоящем исследовании ряд элементов, где единицей содержания элемента в почве является мг/кг.

· Необходима корректировка ПДК исследованных химических элементов для почв. Во-первых, уже при содержании в почве в количестве 1 ПДК наблюдается ухудшение состояния почвы и нарушение экологических функций. Во-вторых, при внесении в почву эквивалентных доз элементов, выраженных в ПДК, свойства почвы ухудшаются не в одинаковой степени.

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на Научно-практической конференции «Экология, почва, город» (Краснодар, 2003), на Международной научной конференции «Экология и биология почв» (Ростов-на-Дону, 2003, 2004, 2006), на Международной научной конференции «Современные проблемы загрязнения почв» (Москва, 2004), на Международной научной конференции «Черноземы центральной России: генезис, география, эволюция» (Воронеж, 2004), на IV международном съезде Докучаевского общества почвоведов (Новосибирск, 2004), на Научной конференции аспирантов и молодых ученых РГУ (Ростов-на-Дону, 2005), на XI Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2005» (Москва, 2005), на Научно-практической конференции «Экологические проблемы. Взгляд в будущее» (Ростов-на-Дону--Абрау-Дюрсо, 2005, 2006), на Межрегиональной научно-практической конференции «Экологические и социально-экономические аспекты развития предгорной зоны Северного Кавказа» (Белореченск, 2005, 2006), на Всероссийской научной конференции «Черноземы России: экологическое состояние и современные почвенные процессы» (Воронеж, 2006), на IV Международном симпозиуме «Степи северной Евразии» (Оренбург, 2006), на Международной научной конференции «Проблемы устойчивого функционирования водных и наземных экосистем» (Ростов-на-Дону, 2006).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 28 научных работ, объемом 5 п.л. Доля участия автора в публикациях составляет 30% (1,75 п.л.).

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 190 страницах печатного текста; состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы; содержит 41 таблицу и 87 рисунков. Список литературы включает 274 источника, из них 41 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ

В главе отмечена малая степень изученности экологических последствий загрязнения окружающей среды ТМ второго класса опасности. Охарактеризованы источники поступления исследованных элементов в окружающую среду, в том числе в почву, фоновое содержание и ПДК, поведение в почве, значение для живых организмов, последствия недостатка и избытка, механизмы устойчивости живых организмов к повышенным концентрациям элементов, методы охраны почв от загрязнения, санации и рекультивации загрязненных земель.

Представлен подробный литературный обзор влияния ТМ на микроорганизмы в условиях чистой культуры, общую численность и видовой состав микроорганизмов в почве, состояние почвенных микробоценозов, активность биохимических процессов в почве, органическое вещество почвы, химические, физико-химические и физические свойства почвы, фитотоксичность почвы.

Проанализировано значение факторов, от которых зависит степень воздействия ТМ на свойства почвы: природа элемента, его концентрация в почве, продолжительность загрязнения и др.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЙ -- ЧЕРНОЗЕМЫ ОБЫКНОВЕННЫЕ

В качестве объекта исследования использованы черноземы обыкновенные Приазовско-Предкавказской почвенной провинции (Ж2₃) карбонатных черноземов (североприазовских и предкавказских). Их основные массивы залегают на территории Северного Приазовья и Западного Предкавказья.

Черноземы занимают менее 7% территории России. В то же время эти территории составляют 50% пашни страны и здесь выращивается 2/3 сельскохозяйственной продукции. Естественно, что черноземы подвергаются жесточайшей антропогенной нагрузке. Снижение их плодородия крайне опасно для страны. Именно это определило выбор черноземов в качестве объекта в настоящем исследовании.

Отбор почвы для модельных исследований производился на территории опытно-полевого хозяйства ДонГАУ, п. Персиановский, Ростовская область. Почва для модельных экспериментов была отобрана из пахотного горизонта.

В главе описаны эколого-географические условия района исследований: геоморфология, почвообразующие породы, климат, растительность; география черноземов обыкновенных, генетические особенности, биологические и экологические свойства и особенности.

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Было исследовано загрязнение почвы ТМ II-го класса опасности (Mo, Co, Cr, Ni). Металлы вносили в почву в форме оксидов: CoO, Ni₂O₃, CrO₃, Mo₂O₃. В результате антропогенного загрязнения ТМ поступают в почву преимущественно в форме оксидов. Изучали действие разных концентраций загрязняющих веществ -- 1, 10, 100 и 1000 ПДК. Использовали ПДК, разработанные в Германии, так как в России ПДК валовых форм для Mo, Co и Ni не разработаны, а ПДК для Cr составляет 90 мг/кг почвы. Были использованы следующие значения ПДК ТМ в почве: Mo -- 10 мг/кг воздушно-сухой почвы, Со -- 50, Cr -- 100, Ni -- 100 (Касьяненко, 1992).

При проведении модельных опытов был использован метод вегетационных сосудов. Набивку сосудов и инкубирование почвы осуществляли в соответствии с общепринятыми методиками проведения вегетационных опытов (Агрохимические методы исследования почв, 1975). Модельные опыты были заложены в трехкратной повторности. Инкубирование проводили при температуре +20-22 ^оС и влажности почвы 60 % от наименьшей полевой влагоемкости. Полив осуществляли по мере необходимости. Образцы для лабораторно-аналитических исследований отбирали через 10, 30 и 90 дней после загрязнения.

В исследовании предпринята попытка проанализировать весь диапазон концентраций ТМ в почве, встречающийся в настоящее время в природе. Содержание ТМ в почве до 100, 1000 и даже более ПДК нередко встречается в районах предприятий металлургической, химической и топливной промышленности. Загрязнение почвы до 10 ПДК, помимо названных источников, обычно вызвано автотранспортом и/или в результате сельскохозяйственных мероприятий: минеральные удобрения, пестициды, протравители семян (Алексеев, 1987; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Приваленко и др., 1994).

Лабораторно-аналитические исследования выполнены на кафедре экологии и природопользования РГУ с использованием общепринятых в экологии, биологии и почвоведении методов. Численность аммонифицирующих бактерий и микроскопических грибов учитывали методом посева почвенной суспензии на плотные питательные среды. Использовали свежие образцы почв. Численность бактерий учитывали на МПА, численность грибов -- на кислой среде Чапека. Azotobacter учитывали методом комочков обрастания на среде Эшби. Активность каталазы и уреазы измеряли по методикам А.Ш.Галстяна (1978), инвертазы и дегидрогеназы -- по методам А.Ш.Галстяна в модификации Ф.Х.Хазиева (1990). «Дыхание» почв определяли по Макарову в модификации К.Ш.Казеева с соавт. (2003) с использованием в качестве поглотителя СО₂ 0,1 н. раствор NaOH. Целлюлозолитическую способность определяли по степени разложения хлопчатобумажного полотна, экспонированного в почве в течение 10 дней. С помощью экспресс-метода Т.В.Аристовской и М.В.Чугуновой (1989) измеряли скорость разложения в почве мочевины. О фитотоксичности почв судили по изменению показателей прорастания семян (всхожесть, энергия прорастания, дружность прорастания, скорость прорастания) и интенсивности начального роста проростков (длина корней, длина зеленых проростков). Содержание аммиачного азота определяли с использованием реактива Несслера, нитратного азота -- по методу Грандваль-Ляжу.

С целью выявления общих закономерностей воздействия того или иного негативного фактора, в частности загрязняющего вещества, на экологическое состояние почв С.И.Колесников, К.Ш.Казеев, В.Ф.Вальков (2000) рекомендуют использовать интегральный показатель биологического состояния почвы (ИПБС), который определяется на основе наиболее информативных показателей биологической активности почвы. В настоящем исследовании интегральный показатель был рассчитан по следующим показателям: численность аммонифицирующих бактерий, микроскопических грибов, бактерий р. Azotobacter, активность каталазы, инвертазы, целлюлозолитическая активность. Численность аммонифицирующих бактерий и микроскопических грибов характеризует состояние редуцентов в экосистеме. Бактерии р. Azotobacter традиционно используют как индикатор химического загрязнения почвы. Каталазная, инвертазная и целлюлозолитическая активность отражают интенсивность биологических процессов в почве. Каталаза характеризует протекание окислительно-восстановительных процессов, инвертаза -- гидролитических. При этом активность ферментов каталазы и инвертазы служит показателем потенциальной биологической активности почвы, а скорость разложения полотна характеризует актуальную активность. Таким образом, представленный набор показателей дает объективную и информативную картину о протекающих в почве биологических процессах и о ее экологическом состоянии.

Биологические свойства почвы характеризуются высокой степенью варьирования. В исследовании были определены показатели вариации, проведены корреляционный анализ и дисперсионный анализ с последующим определением наименьшей существенной разности (НСР).

ГЛАВА 4. ИЗМЕНЕНИЕ ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЧЕРНОЗЕМА ОБЫКНОВЕННОГО ПРИ ЗАГРЯЗНЕНИИ ХРОМОМ, НИКЕЛЕМ, КОБАЛЬТОМ, МОЛИБДЕНОМ

Поскольку на рисунках полученные результаты представлены в процентах от контроля (незагрязненной почвы) приводим значения исследованных показателей на контроле (через 10 суток от момента загрязнения) в абсолютных единицах измерения: численность аммонифицирующих бактерий -- 2,0 млн КОЕ/г почвы, микроскопических грибов -- 27 тыс. КОЕ/г, бактерий р. Azotobacter -- 86 %, активность каталазы -- 9,2 мл О₂ на 1 г почвы за 1 мин, активность инвертазы -- 46,2 мг глюкозы на 1 г почвы за 24 часа, целлюлозолитическая активность -- 89 % от исходной массы полотна через 10 дней, скорость разложение мочевины -- рН 8,8 через 24 часа, длина корней -- 45 мм на 5 сутки.

Численность аммонифицирующих бактерий. В результате проведенного исследования установлено, что загрязнение Mo, Co, Cr, Ni, как правило, ведет к снижению численности аммонифицирующих бактерий в черноземе обыкновенном (рис. 1А). Степень снижения численности зависит от природы элемента, его концентрации в почве и срока экспозиции.

По степени подавления численности аммонифицирующих бактерий чернозема обыкновенного исследованные элементы образуют следующий ряд: Cr > Ni > Co > Mo. Представленный ряд усреднен по срокам экспозиции и дозам загрязняющих веществ. Однако в зависимости от срока и дозы последовательность элементов может меняться.

Существенное влияние на численность бактерий оказывает концентрация загрязняющего вещества в почве. Зависимость снижения численности бактерий с увеличением дозы загрязняющего вещества ярче выражена при загрязнении хромом, кобальтом и никелем. В вариантах с молибденом, где численность бактерий снижалась в наименьшей степени, эта зависимость была менее выражена. Так загрязнение почвы 100 ПДК вызвало менее значительное снижение численности аммонифицирующих бактерий, по сравнению с дозами 1 и 10 ПДК.

Токсическое действие исследованных элементов достаточно сильно зависит от срока экспозиции. Для всех элементов характерно наибольшее снижение численности аммонифицирующих бактерий на 30-е сутки после загрязнения, после чего на 90-е сутки наблюдается некоторое восстановление их численности, особенно, в вариантах с 1 ПДК хрома, кобальта и никеля, вплоть до численности в незагрязненной контрольной почве.

Численность микроскопических грибов. Загрязнение чернозема обыкновенного Mo, Co, Cr, Ni в подавляющем большинстве случаев ведет к снижению численности микроскопических грибов (рис. 1Б). По степени подавления численности микромицетов в черноземе обыкновенном исследованные элементы образуют следующий ряд: Cr > Ni > Co = Mo. Аналогичная последовательность элементов получена и по воздействию на аммонифицирующие бактерии.

Наибольшее значение из параметров загрязнения оказывает концентрация загрязняющего вещества в почве. Практически во всех случаях с увеличением концентрации загрязняющего вещества в почве наблюдается снижение численности микроскопических грибов. Общей закономерностью является то, что подобная зависимость всегда четче проявляется на элементах, оказывающих более сильное негативное воздействие и в сроки наибольшего воздействия. Так и в данном случае, указанная закономерность ярче выражена при загрязнении наиболее токсичным элементом -- хромом и во второй и третий сроки от момента загрязнения, когда воздействие загрязнения наибольшее.



А
Б
В

Рис. 1. Влияние загрязнения Mo, Co, Cr, Ni на численность аммонифицирующих бактерий (А), микроскопических грибов (Б) и бактерий р. Azotobacter (В) в черноземе обыкновенном через 10 суток от момента загрязнения, % от контроля



Зависимость численности микроскопических грибов от срока экспозиции выражена не существенно. Несколько большее подавление микромицетов зарегистрировано на 30-е и 90-е сутки от момента загрязнения. Следует отметить, что в отличие от микроскопических грибов численность аммонифицирующих бактерий на 90-е сутки уже начинает восстанавливаться. Возможно, это объясняется большей толерантностью бактерий к ТМ, по сравнению с грибами.

Обилие бактерий рода Azotobaсter. При загрязнении чернозема обыкновенного хромом, кобальтом или никелем наблюдается подавление бактерий рода Azotobaсter, а загрязнение молибденом зачастую приводит к стимуляции этих бактерий (рис. 1В). Таким образом, по степени подавления развития бактерий рода Azotobaсter исследованные элементы образуют следующий ряд: Cr > Co > Ni > Mo. При загрязнении хромом в концентрации 100 ПДК происходит полное подавление развития бактерий рода Azotobaсter во все сроки экспозиции.

Какой-либо однозначной зависимости развития бактерий рода Azotobaсter от срока экспозиции ТМ в почве выявлено не было. При загрязнении молибденом и хромом наибольшая токсичность металлов проявлялась на 30-сутки от момента загрязнения, при загрязнении кобальтом -- на 90-е сутки, при загрязнении никелем -- на 10-е и 30-е сутки.

Зависимость развития бактерий рода Azotobaсter от дозы загрязняющего вещества ярко проявилась в вариантах с более токсичными металлами -- хромом и кобальтом. Более высокие концентрации этих элементов в почве вызывали более сильное снижение обилия исследованных бактерий. В вариантах с молибденом и никелем столь четкой зависимости не наблюдалось.

Таким образом, загрязнение ТМ второго класса опасности (Mo, Co, Cr, Ni), как правило, снижает численность аммонифицирующих бактерий, микроскопических грибов и обилие бактерий рода Azotobaсter в черноземе обыкновенном. Снижение численности микроорганизмов происходит вследствие способности исследованных элементов связываться с сульфгидрильными группами белков. Это приводит к нарушению проницаемости клеточных мембран и ингибированию ферментов, что нарушает обмен веществ (Громов, Павленко, 1989; Торшин и др., 1990).

Следует отметить, что ни в одном варианте проведенных опытов не было зафиксировано достоверного увеличения ни одной из исследованных групп микроорганизмов, в то время как многими исследователями наблюдался значительный рост их численности при загрязнении ТМ (Кобзев, 1980; Булавко, 1982; Загуральская, Зябченко, 1994; Колесников и др., 2000).

Активность каталазы. Загрязнение чернозема обыкновенного Cr, Co и Ni ингибирует активность каталазы, загрязнение Мо, напротив, стимулирует активность фермента. По степени влияния на активность каталазы в черноземе обыкновенном исследованные элементы образуют следующий ряд: Cr > Co > Ni > Mo (рис. 2А). Следует отметить, что точно такая же последовательность элементов получена при исследовании их влияния на целлюлозолитическую активность чернозема и скорость разложения в нем мочевины.

При загрязнении Cr и Co -- металлами, наиболее сильно снизившими активность каталазы, -- наблюдается тенденция к ее восстановлению со временем. При загрязнении Mo и Ni наиболее негативное воздействие зарегистрировано на 30- е сутки после загрязнения.

При загрязнении Cr и Co, как правило, наблюдается обратная зависимость между содержанием в почве металла и активностью каталазы: чем больше ТМ в почве, тем ниже каталазная активность.

Активность инвертазы. Загрязнение чернозема обыкновенного ТМ второго класса опасности практически не влияет на активность инвертазы (рис. 2Б). Достоверное снижение активности фермента зарегистрировано только при загрязнении никелем и хромом. Загрязнение молибденом и кобальтом не повлияло на активность инвертазы. Следовательно, по степени влияния на инвертазную активность чернозема обыкновенного исследованные элементы образуют следующий ряд: Ni >= Cr > Co >= Mo. Представленный ряд ТМ является обобщенным по срокам экспозиции и дозам загрязняющего элемента.

Между содержанием ТМ в почве и активность инвертазы отмечена незначительная обратная зависимость -- чем больше металла в почве, тем сильнее снижается активность в ней исследованного фермента. Связи между сроком экспозиции металла в почве и активность фермента не зафиксировано.

Таким образом, характерной особенность инвертазы является ее значительная устойчивость к загрязнению ТМ. Это во многом определяется тем, что инвертаза относится к гидролитическим ферментам, в то время как ТМ, проявляя переменную валентность, в большей степени изменяют активность окислительно-восстановительных ферментов, например каталазы и др.

Целлюлозолитическая активность. Загрязнение ТМ, как правило, ведет к снижению целлюлозолитической способности почв (рис. 2В). Из исследованных элементов наибольшее ингибирующее воздействие на разложение целлюлозы в почве оказал хром, менее сильное -- кобальт и никель, наименьшее -- молибден. По степени подавления целлюлозолитической активности чернозема исследованные элементы образуют следующий ряд: Cr > Co > Ni > Mo.

Существенное воздействие на скорость разложения в почве целлюлозы оказывает доза загрязняющего вещества. В большинстве случаев, чем выше концентрация ТМ в почве, тем сильнее снижается ее целлюлозолитическая способность. Однако эта закономерность наблюдается не всегда. Как уже было отмечено, наиболее сильное воздействие оказывают хром и кобальт. При их концентрации в почве 100 и 1000 ПДК происходит полное подавление целлюлозолитической способности чернозема. При загрязнении молибденом и никелем даже в концентрации 1000 ПДК этих элементов чернозем сохраняет способность к разрушению целлюлозы.

А
Б
В

Рис. 2. Влияние загрязнения Mo, Co, Cr, Ni на активность каталазы (А), инвертазы (Б) и целлюлозолитическую активность (В) чернозема обыкновенного через 10 суток от момента загрязнения, % от контроля



Большое значение из параметров загрязнения имеет срок от момента загрязнения. С течением времени токсическое воздействие ТМ усиливается, и проявляется в большей степени через 3 месяца после загрязнения, чем через 1 месяц. Это характерно для всех исследованных металлов.

Скорость разложения мочевины. Загрязнение чернозема обыкновенного исследованными элементами мало влияет на скорость разложения мочевины в почве. Загрязнение молибденом практически не оказало достоверного воздействия на исследуемый показатель. Зафиксирована только некоторая тенденция к увеличению скорости разложения мочевины при дозах молибдена от 1 до 100 ПДК, и некоторая тенденция снижения значений показателя при дозе 1000 ПДК. Загрязнение почвы кобальтом не оказало достоверного воздействия ни в одном варианте опыта. Загрязнение никелем только в отдельных случаях привело к достоверному изменению скорости разложения мочевины в почве. И только загрязнение чернозема хромом в количестве 100 и 1000 ПДК вызвало достоверное снижение скорости разложения мочевины.

По степени влияния на скорость разложения мочевины в черноземе обыкновенном исследованные элементы образуют следующий ряд: Cr > Co >= Ni >= Mo. Следует отметить, что только хром оказывает существенное снижение исследуемого показателя, и то лишь при очень высоких дозах загрязнения (100 и 1000 ПДК). Другие три элемента мало влияют на интенсивность разложения мочевины. Что касается влияния концентрации загрязняющего вещества на исследуемый показатель, то можно отметить лишь общую тенденцию, характерную для всех исследованных элементов: при загрязнении относительно малыми дозами (1 и 10 ПДК) возможно некоторое увеличение скорости разложения мочевины, при загрязнении очень высокими дозами (100 и 1000 ПДК) наблюдается снижение скорости разложения мочевины.

Срок экспозиции не оказал какого-либо однозначного воздействия на исследуемый показатель. Вновь можно отметить лишь некоторую тенденцию: увеличение скорости разложения мочевины чаше наблюдалось в первое время после загрязнения -- через 10 суток, а снижение значений показателя было ярче выражено через 30 и 90 суток.

Фитотоксичность. В настоящем исследовании при определении фитотоксических свойств почвы в качестве тест-объекта была использована озимая пшеница. Выбор этой культуры обусловлен тем, что пшеница широко возделывается на черноземах обыкновенных. В исследовании были определены показатели прорастания и интенсивность начального роста озимой пшеницы.

Было установлено, что в зависимости от своей природы, концентрации в почве и срока экспозиции ТМ оказывают как угнетающий, так и стимулирующий эффект на рост и развитие озимой пшеницы (рис. 3). При загрязнении кобальтом, хромом и никелем в большинстве случаев наблюдается подавление прорастания и начального развития озимой пшеницы. При этом степень угнетения растений, как правило, находится в прямой зависимости от концентрации этих элементов в почве. В то же время при загрязнении молибденом в количестве 1 ПДК, а в ряде случаев и 10 ПДК зафиксировано достоверное увеличение исследованных показателей. Таким образом, по степени токсичности исследованные элементы образуют следующий ряд: Cr > Ni > Co > Mo.

В исследовании зафиксирована тенденция усиления токсического действия с течением времени от момента загрязнения.

Загрязнение исследованными элементами в меньшей степени подавляет показатели прорастания -- всхожесть, энергию, скорость и дружность прорастания. В большей степени снижается показатель интенсивности начального роста растения -- длина корней.



Рис. 3. Влияние загрязнения Mo, Co, Cr, Ni на длину корней озимой пшеницы на 10 сутки от момента загрязнения, % от контроля

Загрязнение экстремальными количествами ТМ. При загрязнении почвы молибденом и никелем даже в количестве 1000 ПДК не наблюдалось полного подавления ни одного из анализируемых показателей биологического состояния почвы. В то же время, при загрязнении почвы хромом в количестве 1000 ПДК зафиксировано полное подавление микроскопических грибов, бактерий рода Azotobacter и целлюлозолитической способности почвы. Загрязнение чернозема 1000 ПДК кобальта приводит к полному подавлению его целлюлозолитической активности.

Таким образом, даже на фоне загрязнения чернозема обыкновенного экстремальными количествами исследованных элементов (1000 ПДК) в почве остаются жизнеспособными аммонифицирующие бактерии, сохраняется каталазная активность и мочевиноразлагающая способность.

Интегральный показатель биологического состояния почвы (ИПБС). Определение ИПБС (рис. 4) позволило выявить ряд общих закономерностей влияния ТМ на состояние чернозема в зависимости от параметров загрязнения.

Загрязнение ТМ второго класса опасности (Mo, Co, Cr, Ni), в подавляющем большинстве случаев, ведет к ухудшению эколого-биологических свойств чернозема обыкновенного. Степень снижения зависит от природы элемента, его концентрации в почве, формы химического соединения, срока экспозиции, генетических свойств почвы.

Из исследованных элементов наибольшее негативное воздействие на свойства чернозема обыкновенного (в исследованных концентрациях) оказывает хром, менее сильное -- никель и кобальт, наименьшее -- молибден. По степени ухудшения свойств чернозема обыкновенного исследованные элементы образуют следующий ряд: Cr > Ni > Co > Mo.

Существенное воздействие оказывает доза загрязняющего вещества. В большинстве случаев, чем выше концентрация металла в почве, тем сильнее ухудшается ее эколого-биологическое состояние. Снижение значений интегрального показателя, практически во всех случаях, находится в прямой зависимости от содержания загрязняющих веществ в почве.

Определенное значение из параметров загрязнения имеет время экспозиции. При загрязнении почвы кобальтом, никелем и хромом значения ИПБС со временем изменяются не существенно. При загрязнении кобальтом и никелем воздействие на ИПБС со временем несколько увеличивается, а при загрязнении хромом, наоборот, незначительно уменьшается. Хром, являясь наиболее токсичным элементом из исследованных, оказывает максимальное воздействие в первое время после загрязнения, а затем наблюдается некоторое восстановления свойств почвы. Молибден, наименее токсичный элемент, в первое время вообще не оказывает токсического воздействия.



А
Б
В

Рис. 4. Изменение интегрального показателя биологического состояния (ИПБС) чернозема обыкновенного при загрязнении ТМ второго класса опасности через 10 (А), 30 (Б) и 90 (В) суток от момента загрязнения, % от контроля

Оценка применимости различных биологических показателей в целях мониторинга, диагностики, индикации и нормирования загрязнения почв ТМ второго класса опасности. По тесноте корреляции между показателем и содержанием в почве загрязняющего вещества оценивали степень информативности показателя (табл. 1).

Таблица 1

Коэффициенты корреляции (r) между содержанием в почве ТМ и показателями биологической активности (=0,05)

№	Показатель	Mo	Co	Cr	Ni	Среднее значение
1.	Численность аммонифицирующих бактерий	0,29	-0,65	-0,69	-0,52	-0,39
2.	Численность микроскопических грибов	-0,59	-0,22	-0,76	-0,77	-0,59
3.	Численность бактерии р. Azotobacter	-0,47	-0,89	-0,73	-0,77	-0,72
4.	Активность каталазы	-0,06	-0,92	-0,75	-0,49	-0,56
5.	Активность инвертазы	-0,79	-0,82	-0,79	-0,69	-0,77
6.	Целлюлозолитическая активность	-0,95	-0,93	-0,81	-0,74	-0,86
7.	ИПБС	-0,65	-0,90	-0,79	-0,75	-0,77

Как видно из таблицы 1, все шесть показателей, выбранных для определения ИПБС, имеют коэффициенты корреляции больше 0,3 (за исключением двух показателей при загрязнении молибденом). Следовательно, эти показатели биологической активности находятся в тесной (>0,7) или средней (0,3-0,7) зависимости от содержания в почве ТМ и их целесообразно использовать для расчета ИПБС.

Полученные коэффициенты корреляции сильно зависят от природы элемента. Так кобальт, хром и никель, как правило, характеризуются более высокими коэффициентами корреляции по сравнению с молибденом. Это видно на примере слабой корреляции между содержанием в почве молибдена и такими показателями биологической активности как численность аммонифицирующих бактерий и активность каталазы. Это связано с неоднозначным воздействием молибдена на биологические показатели, их стимуляцией в ряде случаев.

В то же время, хром, самый токсичный элемент из исследованных, имеет самые «ровные», «стабильные» коэффициенты корреляции от -0,69 до -0,81. По-видимому, это связано со значительным стабильным снижением значений всех биологических показателей при загрязнении почвы этим высокотоксичным элементом.

Результаты настоящего исследования, литературные и фондовые материалы показали следующее. Численность аммонифицирующих бактерий и микроскопических грибов как показатели биологического состояния почвы отличаются следующими характеристиками: средняя информативность показателя (средняя корреляция между показателем и антропогенным фактором); высокая чувствительность показателя; средняя воспроизводимость результатов; значительное пространственное и временное варьирование показателя; значительная ошибка опыта; высокая трудоемкость и низкая скорость метода определения; широкая распространенность метода и т.д. Использование показателя общей численности аммонифицирующих бактерий в целях мониторинга состояния почв, загрязненных кобальтом, хромом или никелем, возможно и целесообразно, при условии соблюдения значительной повторности в исследованиях. Мониторинг загрязнения почв молибденом с использованием показателя численности аммонифицирующих бактерий нецелесообразен по причине слабой связи между содержанием в почве молибдена и численностью бактерий.

Использование показателя общей численности микроскопических грибов в целях мониторинга состояния почв, загрязненных ТМ второго класса опасности, в принципе возможно и целесообразно, но при условии соблюдения значительной повторности в исследования и использовании этого показателя в комплексе с другими, в первую очередь, биохимическим показателями.

Численность бактерий рода Azotobacter является хорошим диагностическим показателем, четко реагирующим на химическое загрязнение. Он отличается следующими характеристиками: высокая информативность показателя (высокая корреляция между показателем и антропогенным фактором); высокая чувствительность показателя; хорошая воспроизводимость результатов; незначительное пространственное и временное варьирование показателя; незначительная ошибка опыта; простота, небольшая трудоемкость и высокая скорость метода определения; широкая распространенность метода и т.д. Все вышеуказанное позволяет рекомендовать показатель численности бактерий рода Azotobacter к широкому применению при мониторинге почв, подверженных самому разнообразному химическому загрязнению.

Определение активности каталазы целесообразно при биомониторинге загрязнения почв исследованными ТМ (за исключением молибденового загрязнения).

Активность инвертазы в черноземе обыкновенном оказалась малочувствительной к загрязнению почвы ТМ второго класса опасности (Cr, Ni, Co, Mo). Исследователей не должны вводить в заблуждение высокие значения коэффициента корреляции инвертазной активности с дозами ТМ, поскольку изменения значений активности инвертазы, в большинстве случаев, являются статистически недостоверными. Значительная устойчивость инвертазы к загрязнению ТМ определяется тем, что инвертаза относится к гидролитическим ферментам, в то время как ТМ, проявляя переменную валентность, в большей степени изменяют активность окислительно-восстановительных ферментов. Таким образом, при проведении мониторинга, диагностики и индикации загрязнения черноземов ТМ второго класса опасности представляется не целесообразным использовать показатель активности инвертазы как малоинформативный.

Аппликационный метод определения степени разложения полотна в почве отличается значительным природным варьированием, ошибкой опыта и трудоемкостью. Поэтому его использование в целях мониторинга и диагностики загрязненных ТМ почв целесообразно в случае необходимости определения актуальной (полевой) биологической активности. При этом необходимо соблюдение высокой повторности опыта.

Показатель скорости разложения в почве мочевины является мало чувствительным к загрязнению почвы ТМ второго класса опасности, такими как никель, кобальт и молибден, но достаточно чувствителен к загрязнению хромом. Метод определения отличается простотой, не требует сложного оборудования и высокой квалификации специалистов. В то же время, показатель отличается значительными природным варьированием и ошибкой опыта, поэтому требует высокой повторности опыта.

Показатели фитотоксичности (в первую очередь, длину корней) целесообразно использовать при загрязнении почв хромом, кобальтом или никелем. При загрязнении молибденом часто наблюдается стимуляция и показатели фитотоксичности малоприменимы. Показатели прорастания (всхожесть и др.) возможно использовать при высокой степени загрязнения.

Влияние ТМ на экологические функции чернозема. Установлено, что загрязнение исследованными элементами приводит к нарушению выполняемых почвой экофункций. Наименее значительное нарушение экологических функций вызывает молибден, наибольшее -- хром.

С.И. Колесниковым с соавт. (2002) показано, что нарушение экологических функций почвы происходит в определенной очередности. По мере увеличения концентрации загрязняющего почву химического вещества срыв выполняемых ею биогеоценотических экофункций происходит в следующей последовательности: информационные биохимические, физико-химические, химические и целостные физические. Тот факт, что различные экологические функции почвы нарушаются при различной концентрации загрязняющего вещества в почве, может лежать в основе экологического нормирования загрязнения почв. В качестве критерия степени нарушения экологических функций почвы предлагается использовать интегральный показатель биологического состояния почвы. Установлено, что если значения ИПБС уменьшились менее чем на 5 %, то почва выполнят свои экологические функции нормально, при снижении значений ИПБС на 5-10% происходит нарушение информационных экофункций, на 10-25 % -- биохимических, физико-химических, химических и целостных, более чем на 25 % -- физических (Колесников и др., 2002).

По результатам настоящего исследования были определены уравнения регрессии, отражающие зависимость снижения значений ИПБС от содержания в почве загрязняющего вещества. По этим уравнениям были рассчитаны концентрации ТМ, при которых происходит нарушение тех или иных групп экологических функций почвы (табл. 2). Предложенный подход и полученные количественные значения содержания ТМ в почве, вызывающие нарушение разных групп экологических функций, представляется целесообразным использовать при экологическом нормировании, где главной целью должно быть сохранение экологических функций почвы. В таблице 2 предложена схема нормирования загрязнения почв ТМ второго класса опасности по степени нарушения экологических функций почв и адекватные способы санации почв.

Сравнительная оценка токсичности элементов разных классов опасности. Результаты исследований С.И. Колесникова (2000), А.А. Попович (2005) и настоящего исследования, проведенных в одной лаборатории по единой методологии, позволили дать сравнительную оценку токсического действия различных химических элементов на эколого-биологическое состояние чернозема. Было проведено ранжирование 13 химических элементов по степени негативного воздействия на почву. Исследованные элементы значительно отличаются по своим свойствам.



Таблица 2

Схема нормирования загрязнения почв¹ ТМ второго класса опасности по степени нарушения экофункций и необходимые ответные действия²

Почвы	Степень Снижения ИПБС3	Нарушаемые экологические функции4	Содержание в почве, мг/кг	Наиболее целесообразные ответные действия (способы санации почв)
			Mo	Co	Cr	Ni
Не загрязненные	< 5 %	-	< 18	< 19	< 70	< 50	Санация не требуется
Слабо-загрязненные	5-10 %	Информационные	18-400	18-36	70-90	50-100	Фиторемедиация, промывки
Средне-загрязненные	10-25 %	Химические, физико-химические, биохимические; целостные	> 400	36-250	90-170	100-700	Химическая мелиорация: внесение органических веществ, ионообменных смол, фосфорных удобрений, извести, цеолитов и т.д.
Сильно-загрязненные	> 25 %	Физические		> 250	> 170	> 700	Удаление загрязненного слоя почвы и замена его новым экологически и сельскохозяйственно полноценным

¹Разработано для черноземов.

²Для сельскохозяйственных земель.

³Определение интегрального показателя по С.И. Колесникову, К.Ш. Казееву, В.Ф. Валькову (2000).

⁴Классификация экологических функций по Г.В. Добровольскому и Е.Д. Никитину (1990).

При ранжировании элементов в качестве единицы измерения их содержания в почве были использованы ПДК, мг/кг, моль/кг (рис. 5).

Из сравнения построенных рядов токсичности можно сделать ряд выводов, которые свидетельствуют о необходимости корректировки и дальнейшего совершенствования ПДК химических элементов для почв.

1.Значения использованных в исследовании ПДК всех исследуемых элементов следует уменьшить, так как уже при содержании в почве в количестве 1 ПДК наблюдается ухудшение состояния почвы и нарушение экологических функций. И это на черноземах -- одних из самых устойчивых почв в мире. В то время как, согласно сути ПДК, в почве не должно происходить никаких негативных изменений при содержании в ней 1 ПДК загрязняющего вещества.

2.При внесении в почву эквивалентных доз элементов, выраженных в ПДК, снижение значений различных показателей должны быть также эквивалентны, то есть свойства почвы должны ухудшаться приблизительно в одинаковой степени. Этого не наблюдалось, следовательно, ПДК разных элементов требуют согласования между собой.

3.По влиянию на состояние почвы исследованные элементы не располагаются по классам опасности, разработанным применительно к здоровью людей. Поэтому по отношению к почвам необходимо разработать собственные классы опасности. Для этого можно использовать полученный в настоящем исследовании ряд элементов, где единицей содержания элемента в почве является мг/кг.



А
Б
В

Рис. 5. Ранжирование элементов по степени снижения значений ИПБС почвы: единица измерения содержания элемента в почве -- ПДК (А), мг/кг (Б), моль/кг (В)

ВЫВОДЫ

1. Загрязнение ТМ второго класса опасности (Mo, Co, Cr, Ni), в подавляющем большинстве случаев, ведет к ухудшению эколого-биологических свойств чернозема обыкновенного. Только в отдельных случаях зафиксировано достоверное увеличение активности ферментов, скорости разложения мочевины, стимуляция развития озимой пшеницы. Это наблюдалось в отдельные сроки, как правило, при загрязнении почвы 1 ПДК или реже 10 ПДК загрязняющего вещества, обычно, молибдена.

2. Из исследованных элементов наибольшее негативное воздействие на свойства чернозема обыкновенного (в исследованных концентрациях) оказывает хром, менее сильное -- кобальт и никель, наименьшее -- молибден. По степени ухудшения свойств чернозема обыкновенного исследованные элементы образуют следующий ряд: Cr>Co>=Ni>Mo (если за единицу содержания элемента в почве принять мг/кг или ПДК) или Cr>Ni>=Co>Mo (если за единицу содержания элемента в почве принять моль/кг).

3. В большинстве случаев отмечена прямая зависимость между концентрацией загрязняющего вещества и степенью ухудшения исследуемых свойств чернозема обыкновенного.

4. Большое значение из параметров загрязнения имеет срок от момента загрязнения. Для некоторых показателей, таких как, численность аммонифицирующих бактерий, численность бактерий рода Azotobaсter, каталазная активность, при загрязнении молибденом и хромом характерна тенденция к восстановлению со временем, вплоть до показателей незагрязненной почвы. Напротив увеличение со временем токсического эффекта от загрязнения ТМ зафиксировано при изучении целлюлозолитической активности и фитотоксичности почвы.

5. Загрязнение почвы экстремальными дозами исследуемых ТМ показало, что содержание молибдена и никеля даже в количестве 1000 ПДК не приводит к полному подавлению ни одного из анализируемых показателей биологического состояния почвы. В то же время, при загрязнении почвы 1000 ПДК хрома зафиксировано полное подавление микроскопических грибов, бактерий рода Azotobacter и целлюлозолитической способности почвы. Загрязнение чернозема 1000 ПДК кобальта вызывает полное подавление его целлюлозолитической активности.

6. По степени чувствительности (по степени снижения значений) к загрязнению ТМ второго класса опасности биологические показатели располагаются следующим образом: целлюлозолитическая способность >= численность аммонифицирующих бактерий > численность микроскопических грибов > численность бактерий р. Azotobacter > активность каталазы > фитотоксичность > активность инвертазы > скорость разложения мочевины.

7. По степени информативности (тесноте корреляции с концентрацией загрязняющего вещества в почве) при загрязнении ТМ второго класса опасности показатели располагаются следующим образом: целлюлозолитическая активность > активность инвертазы > численность бактерий р. Azotobacter > численность микроскопических грибов > активность каталазы > численность аммонифицирующих бактерий.

8. Загрязнение ТМ второго класса опасности (Mo, Co, Cr, Ni) приводит к нарушению экологических функций почвы. Полученные в исследовании количественные значения содержания ТМ в почве, вызывающие нарушение разных групп экологических функций, целесообразно использовать при экологическом нормировании, где главной целью является сохранение экологических функций почвы.

9. Сравнительная оценка 13 химических элементов (приоритетных загрязнителей) по степени их влияния на свойства чернозема обыкновенного (по результатам анализа фондового материала и настоящего исследования), показала, что по силе воздействия исследованные элементы располагаются следующим образом: Cr > B > Zn > Se > As > Co > F > Ni > Cu > Pb > Cd > Hg > Mo (если за единицу содержания элемента в почве принять ПДК), Se > Cr > Hg > Cd > As > Co > Cu > Ni > Pb > B > Mo > Zn > F (мг/кг) и Se > Hg > Cr > Cd > Pb > Cu > Ni > As > Co > Mo > Zn > B > F (моль/кг).

10. По влиянию на состояние почвы исследованные элементы не располагаются по классам опасности, разработанным применительно к здоровью людей. Поэтому по отношению к почвам целесообразно разработать собственные классы опасности. Для этого можно использовать полученный в настоящем исследовании ряд элементов, где единицей содержания элемента в почве является мг/кг.

11. Данное исследование подтвердило необходимость проведения корректировки ПДК химических элементов для почв. Во-первых, уже при содержании в почве в количестве 1 ПДК наблюдается ухудшение состояния почвы и нарушение экологических функций. И это на черноземах -- одних из самых устойчивых почв в мире. Во-вторых, при внесении в почву эквивалентных доз элементов, выраженных в ПДК, снижение значений различных показателей должны быть также эквивалентны, то есть свойства почвы должны ухудшаться приблизительно в одинаковой степени. Этого не наблюдалось, следовательно, ПДК разных элементов требуют согласования между собой.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

По теме опубликовано 28 научных работ: