Оценка устойчивости биологических свойств разных подтипов черноземов юга России к загрязнению тяжелыми металлами

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

03.02.08 - экология (биологические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Оценка устойчивости биологических свойств разных подтипов черноземов юга России к загрязнению Cr, Cu, Ni, Pb

Ярославцев М.В.

Ростов-на-Дону - 2012

Работа выполнена на кафедре экологии и природопользования

Южного федерального университета

Научный руководитель:

доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующий кафедрой экологии и природопользования Южного федерального университета Колесников Сергей Ильич

Официальные оппоненты:

Безуглова Ольга Степановна, доктор биологических наук, профессор,

профессор кафедры почвоведения и оценки земельных ресурсов Южного федерального университета Куринская Надежда Викторовна, кандидат биологических наук, доцент, доцент кафедры лесоводства и лесных мелиораций Новочеркасской государственной мелиоративной академии

Ведущая организация:

Ставропольский государственный аграрный университетЗащита диссертации состоится 29 марта 2012 г. в 17.00 на заседании диссертационного совета Д 212.208.32 по биологическим наукам при Южном федеральном университете (344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Б.Садовая, 105

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южного федерального университета (344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148).

Автореферат разослан « » февраля 2012 г. и размещен в сети Интернет на сайте ЮФУ и на сайте Минобрнауки России

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук Денисова Т.В.

1. Общая характеристика работы

Актуальность исследования. Почвенный покров юга России характеризуется уникальным разнообразием черноземов. Здесь расположены черноземы обыкновенные и южные восточно-европейской фации Ростовской и Волгоградской областей, черноземы южные, обыкновенные, типичные, выщелоченные и оподзоленные Предкавказья, слитые черноземы предгорий Кавказа, каштановые черноземы Тамани, солонцеватые черноземы Центрального Предкавказья, предгорные черноземы Ставропольской возвышенности, горные черноземы Кавказа и др. (Черноземы СССР (Предкавказье и Кавказ), 1985; Вальков и др., 2008). Такое разнообразие связано со спецификой местного климата, обусловленной теневым эффектом Кавказских гор и близостью Азовского, Черного и Каспийского морей, и особенностями рельефа.

Вышеупомянутые черноземы юга России значительно различаются между собой по генетическим свойствам, а соответственно и по устойчивости к антропогенным воздействиям, в том числе к загрязнению тяжелыми металлами. Однако эти различия ранее изучены не были. В то же время знание этих особенностей очень важно, поскольку значительные территории, занимаемые на юге России черноземами, могут существенно различаться по устойчивости к загрязнению тяжелыми металлами, нефтью и нефтепродуктами, пестицидами и т.д. Это необходимо учитывать в сельскохозяйственной и природоохранной деятельности.

Главное внимание в исследовании уделено биологическим свойствам почв, поскольку они первыми реагируют на загрязнение и наиболее информативны при оценке устойчивости почв к антропогенным воздействиям.

Цель и задачи исследования. Цель работы -- дать сравнительную оценку устойчивости биологических свойств разных типов и подтипов черноземов юга России к загрязнению Cr, Cu, Ni, Pb (в модельном эксперименте).

Задачи исследования:

1.Установить закономерности воздействия загрязнения тяжелыми металлами (ТМ) на биологические свойства черноземов юга России, такие как ферментативная активность, обилие бактерий рода Azotobacter, фитотоксичность почв.

2.Провести сравнительную оценку устойчивости к загрязнению ТМ биологических свойств основных черноземов юга России: обыкновенных и южных восточно-европейской фации, обыкновенных, южных, типичных, выщелоченных слитых, предгорных и горных южно-европейкой фации.

3.Определить возможность и целесообразность использования различных биологических показателей в целях мониторинга и диагностики загрязнения ТМ черноземов юга России.

Основные положения, выносимые на защиту.

1.Загрязнение черноземов юга России Cr, Cu, Ni, Pb, как правило, ведет к ухудшению их биологических свойств: снижается активность каталазы и дегидрогеназы, целлюлозолитическая способность, обилие бактерий рода Azotobacter, ухудшаются показатели прорастания и начального роста растений. Степень ухудшения биологических свойств зависит природы элемента, содержания его в почве и генетических свойств чернозема, определяющих его устойчивость к загрязнению. По степени негативного воздействия на биологические свойства черноземов оксиды ТМ образуют следующий ряд: CrO3 > CuO > PbO >= NiO. Как правило, наблюдается прямая зависимость между содержанием ТМ и степенью ухудшения исследуемых свойств почвы.

2.По степени ухудшения биологических свойств при загрязнении ТМ черноземы юга России образуют следующую последовательность: Чо, Чо(с), Чо(п) > Чт(г) >= Чт(п/г) > Чт(п), Чю, Чю(к) > Чв(сл). Наибольшую устойчивость к загрязнению ТМ имеют черноземы обыкновенные, меньшую -- типичные, еще меньшую -- южные, наименьшую -- выщелоченные слитые. Такая последовательность определяется генетическими свойствами черноземов -- реакцией среды, содержанием органического вещества и др. Высокое содержание гумуса в большей степени определяет буферность почвы к загрязнению хромом, а высокие значения рН больше обеспечивают устойчивость к меди, никелю и свинцу.

3.Использованные биологические показатели -- активность каталазы и дегидрогеназы, целлюлозолитическая способность, обилие бактерий рода Azotobacter, длина корней редиса -- подтвердили свою пригодность для мониторинга, диагностики и нормирования химического загрязнения почв.

Научная новизна работы. Впервые для огромного разнообразия черноземов юга России установлены закономерности изменения основных биологических свойств, таких как активность ферментов, обилие бактерий рода Azotobacter, фитотоксичность под влиянием загрязнения ТМ, приоритетных поллютантов в регионе. Дана сравнительная оценка устойчивости к загрязнению ТМ широкого спектра черноземов юга России: обыкновенных и южных восточно-европейской фации, обыкновенных, южных, типичных, выщелоченных слитых, предгорных и горных южно-европейкой фации. Установлена возможность и целесообразность применения различных биологических показателей в целях мониторинга и диагностики загрязнения ТМ черноземов и наземных экосистем в целом юга России.

Практическая значимость. Результаты исследования могут быть использованы: 1) в учебном процессе при преподавании дисциплин в области экологии, почвоведения, природопользования, охраны природы и т.д.; 2) в научных целях при биомониторинге и биодиагностике состояния почв и экосистем, загрязненных ТМ; при создании экологических карт устойчивости почв и экосистем юга России к загрязнению ТМ; 3) в природоохранных мероприятиях при оценке воздействия на окружающую среду; разработке региональных ПДК ТМ в почве; определении предельно допустимой антропогенной нагрузки на территорию; экологическом прогнозировании последствий деятельности человека на данной территории; определении степени ответственности предприятий при нерациональном природопользовании; оценке риска катастроф; проведении экологической экспертизы, сертификации, паспортизации территории или хозяйственного объекта и т.д.

Личный вклад автора. Тема, цель, задачи, объекты, методы и план исследования определены автором совместно с научным руководителем. Полевые исследования и отбор почв для модельных экспериментов осуществлены в ходе проведения комплексных экспедиций. Лабораторные модельные опыты и анализы проведены лично автором или под его руководством. Анализ и обобщение полученных результатов, формулировка выводов и основных защищаемых положений сделаны лично автором при направляющем и корректирующем участии научного руководителя. По результатам исследований автором или научным коллективом с участием автора опубликован ряд научных работ объемом 5,4 п.л. и долей участия автора - 75 %.

Апробация работы. Результаты исследования были представлены на II Международной научной конференции «Актуальные проблемы биологии, нанотехнологий и медицины» (Ростов-на-Дону, 2008); III Международной конференции «Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и сопредельных странах» (Белгород, 2008); Научной конференции аспирантов и молодых ученых РГУ (Ростов-на-Дону, 2008, 2009, 2010); III Всероссийской научно-практическая конференция «Экологические проблемы природных и урбанизированных территорий» (Астрахань, 2009); III Международной конференции «Горные экосистемы и их компоненты» (Нальчик. 2009); Международной научно-практической конференции «Геоэкология и рациональное природопользование: от науки к практике» (Белгород, 2009); II Всероссийской конференции «Биогеография почв» (Москва, 2009); Международной конференции «Экокультура и фитобиотехнологии улучшения качества жизни на Каспии» (Астрахань, 2010); Научной конференции «Актуальные проблемы экологии и биологии почв» (Ростов-на-Дону, 2010); Научной конференции «Актуальные проблемы экологии и природопользования» (Ростов-на-Дону, 2011); Всероссийской научной конференции «Модернизация науки и образования». Секция 1: «Биологические науки». (Махачкала, 2011).

Результаты исследования внедрены в Южном федеральном университете в научную деятельность (использованы в научных отчетах по грантам и госконтрактам) и в учебный процесс (при преподавании дисциплин «Экология», «Экологический мониторинг», «Экология почв»).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 научных работ, объемом 5,4 п.л., из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК. Доля участия автора в публикациях -- 75 %.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 139 страницах. Состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы. Содержит 30 таблиц и 65 рисунков. Список литературы включает 194 источник, из них 28 на иностранных языках.

Конкурсная поддержка исследования. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ (гранты 07-04-00690-а, 07-04-10132-к, 08-04-10080-к), ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (государственные контракты П169, П1298, П322), Президента РФ (гранты МД-3155.2007.4, НШ-5316.2010.4).

Благодарности. Автор глубоко признателен за помощь в работе своему научному руководителю -- заведующему кафедрой экологии и природопользования ЮФУ, д.с.-х.н., профессору С.И. Колесникову и всем сотрудникам кафедры.

2. Содержание работы

ГЛАВА 1. Экологические последствия загрязнения почв тяжелыми металлами

В главе представлен анализ проблемы загрязнения почв ТМ: фоновое и предельно допустимое содержание в почве, источники загрязнения, поведение и трансформация в почве, значение для живых организмов, последствия избытка и недостатка, проблемы нормирования, способы санации и рекультивации загрязненных земель.

Представлен подробный обзор влияния ТМ на морфологические, химические, физико-химические, физические и биологические свойства почвы: количественный и качественный состав микрофлоры, состояние комплекса почвенных микроорганизмов, ферментативная активность почв, рост и развитие растений.

ГЛАВА 2. Черноземы юга России

В качестве объектов исследования были использованы черноземы обыкновенные и южные восточно-европейской фации Ростовской и Волгоградской областей, черноземы обыкновенные Северного Приазовья, черноземы обыкновенные и типичные равнин Предкавказья, слитые черноземы предгорий Западного Кавказа, каштановые черноземы Тамани, предгорные черноземы Ставропольской возвышенности, горные черноземы Центрального Кавказа.

Названия, места отбора для модельных опытов и свойства использованных черноземов представлены в табл. 1. Использовали почву из пахотного слоя. Именно в верхнем слое почвы накапливается основное количество загрязняющих веществ.

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Была проведена серия модельных экспериментов. Исследовали Cr, Cu, Ni, Pb, так как именно этими металлами в значительной степени загрязнены почвы юга России (Шеуджен, 2003; Дьяченко, 2004).

Таблица 1 Генетические и биологические характеристики исследованных черноземов

№	Почва	Условное обозначение почвы	Место отбора	Содержание гумуса, %	рН	Грануло-метрический состав	Активность каталазы, мл О2/г почвы за 1 мин	Активность дегидрогеназы, мг ТФФ/10 г почвы за 24 часа	Обилие бактерий рода Azotobacter, % обрастания
	Черноземы обыкновенные	Чо	Волгоградская область, Нехаевский район, п. Динамо	5,1	8,1	Тяжело-суглинистый	7,3	17,3	100
	Черноземы южные	Чю	Ростовская область, Каменский район, г. Каменск-Шахтинский	4,0	7,9	Тяжело-суглинистый	6,3	14,7	88
	Черноземы обыкновенные (североприазовские)	Чо(с)	Ростовская область, Октябрьский район, п. Персиановский	4,0	7,6	Тяжело-суглинистый	8,4	17,5	100
	Черноземы обыкновенные (предкавказские)	Чо(п)	Краснодарский край, Кущевский район, ст. Кущевская	4,6	7,9	Тяжело-суглинистый	8,8	17,1	100
	Черноземы типичные (предкавказские)	Чт(п)	Краснодарский край, Усть-Лабинский район, г. Усть-Лабинск	3,5	6,9	Тяжело-суглинистый	4,4	14,8	100
	Черноземы выщелоченные слитые	Чв(сл)	Республика Адыгея, Красногвардейский район, с. Белое	5,1	6,3	Глинистый	8,2	13,6	94
	Черноземы южные (каштановые)	Чю(к)	Краснодарский край, Анапский район, п. Джигинка	3,2	7,7	Тяжело-суглинистый	3,3	16,6	86
	Черноземы типичные (предгорные)	Чт(п/г)	Ставропольский край, Шпаковский район, с. Московское	3,3	8,3	Тяжело-суглинистый	5,2	14,3	100
	Черноземы типичные (горные)	Чт(г)	Ставропольский край, Предгорный район, г. Кисловодск	5,3	6,8	Тяжело-суглинистый	7,7	15,2	91

Кроме того, выбранные ТМ интересны для сравнения -- их ПДК составляют 100 мг/кг почвы. Использованы значения ПДК, разработанные в Германии (Химическое загрязнение почв …, 1991, Касьяненко, 1992). С одной стороны ПДК в почве валового содержания Cu и Ni в России отсутствуют. Кроме того, «российская» ПДК Pb зачастую не может быть использована, так как ее значение часто меньше фонового содержания Pb во многих почвах (Колесников и др., 2000).

Изучали действие разных количеств ТМ в почве: 1, 10, 100 ПДК (100, 1000 и 10000 мг/кг соответственно).

ТМ вносили в почву в форме оксидов: CrO3, CuO, NiO, PbO, так как их значительная доля поступает в почву именно в этой форме (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989), а также использование оксидов ТМ позволяет исключить воздействие на свойства почвы сопутствующих анионов, как это происходит при внесении солей металлов.

Почву инкубировали в вегетационных сосудах в трехкратной повторности при комнатной температуре -- 20-22С и оптимальном увлажнении -- 60% от наименьшей влагоемкости в течение 30 суток. Этот срок является наиболее информативным при оценке химического воздействия на почву (Колесников и др., 2006).

Лабораторно-аналитические исследования были выполнены с использованием общепринятых методов (Методы почвенной микробиологии и биохимии, 1991 и др.; Казеев и др., 2003). Измеряли активность каталазы и дегидрогеназы, целлюлозолитическую способность почв, обилие бактерий рода Azotobacter, фитотоксические свойства почв и другие показатели. Активность каталазы определяли по методике Галстяна. Активность дегидрогеназы измеряли по методике Галстяна в модификации Хазиева. Целлюлозолитическую способность устанавливали по степени разложения хлопчатобумажного полотна. Обилие бактерий рода Azotobacter учитывали методом комочков обрастания на среде Эшби. Фитотоксичность почв оценивали по изменению показателей прорастания семян редиса (всхожесть) и интенсивности начального роста проростков (длина корней).

При биомониторинге и биодиагностике загрязнения почв целесообразно применение комплексного подхода и определение интегрального показателя биологического состояния (ИПБС) почвы на основе наиболее информативных показателей (Колесников и др., 2006). В настоящем исследовании ИПБС был рассчитан по следующим показателям: активности каталазы и дегидрогеназы, целлюлозолитической активности, обилию бактерий рода Azotobacter, длине корней редиса (фитотоксичности). Активность каталазы, дегидрогеназы характеризуют потенциальную биологическую активность почвы, а целлюлозолитическая способность -- актуальную. Каталаза и дегидрогеназа принадлежат к окислительно-восстановительным ферментам, которые наиболее чувствительны к химическому загрязнению. Бактерии рода Azotobacter традиционно и успешно используют как индикатор загрязнения почвы ТМ. Длина корней редиса отражает фитотоксические свойства химически загрязненной почвы. Представленный набор показателей дает информативную картину протекающих в почве биологических процессов и ее экологического состояния. Для расчета ИПБС значение каждого из пяти указанных выше показателей на контроле (в незагрязненной почве) принимали за 100% и по отношению к нему выражали в процентах значения в остальных вариантах опыта (в загрязненной почве). Затем определяли среднее значение пяти выбранных показателей для каждого варианта опыта. Использованная методика позволяет интегрировать относительные значения разных показателей, абсолютные значения которых не могут быть объединены в единый показатель, так как имеют разные единицы измерения.

Результаты исследования были подвергнуты дисперсионному анализу с последующим определением наименьшей существенной разности (НСР) и корреляционному анализу. Для расчетов использовали компьютерную программу Statistica 6.0.

ГЛАВА 4. Устойчивость черноземов юга России к загрязнению тяжелыми металлами

В качестве примера в таблице 2 представлены результаты влияния загрязнения ТМ на биологические свойства чернозема обыкновенного. Данные о влиянии загрязнения на другие 8 черноземов юга России содержатся в диссертационной работе.

В результате исследований установлено, что загрязнение черноземов юга России оксидами Cr, Cu, Ni, Pb, как правило, ведет к ухудшению их биологических свойств. Снижается активность каталазы и дегидрогеназы, целлюлозолитическая способность, обилие бактерий рода Azotobacter, ухудшаются показатели прорастания и начального роста растений.

Таблица 2 Влияние загрязнения ТМ на биологические свойства чернозема обыкновенного

Элемент	Доза загрязняющего вещества
	Контроль	1 ПДК	10 ПДК	100 ПДК	НСР05
Активность каталазы, мл О2 на 1 г почвы за 1 мин
Cr	7,3	6,2	5,7	3,7	0,9
Cu	7,3	6,5	6,5	6,1	0,6
Ni	7,3	6,5	6,5	6,2	0,6
Pb	7,3	6,5	6,8	5,0	0,6
НСР05		0,5	0,7	0,6
Активность дегидрогеназы, мг ТФФ на 10 г почвы за 24 часа
Cr	17,3	12,5	9,5	7,3	2,7
Cu	17,3	12,8	6,8	8,9	1,5
Ni	17,3	16,9	14,9	15,0	2,2
Pb	17,3	17,2	13,2	11,9	2,0
НСР05		1,5	1,5	1,3
Целлюлозолитическая активность, % от контроля
Cr	100	41	33	21	6
Cu	100	98	55	43	5
Ni	100	99	79	65	6
Pb	100	98	88	83	7
НСР05		8	8	6
Обилие бактерий рода Azotobacter, % комочков обрастания
Cr	100	90	74	49	10
Cu	100	97	98	56	6
Ni	100	100	100	100	7
Pb	100	100	91	68	6
НСР05		8	10	11
Длина корней редиса (фитотоксичность), % от контроля
Cr	100	88	57	44	9
Cu	100	99	98	93	7
Ni	100	98	94	92	7
Pb	100	97	95	94	7
НСР05		8	9	10
ИПБС, % от контроля
Cr	100	75	59	41
Cu	100	91	76	65
Ni	100	97	90	86
Pb	100	97	85	71

В результате исследований установлено, что загрязнение черноземов юга России оксидами Cr, Cu, Ni, Pb, как правило, ведет к ухудшению их биологических свойств. Снижается каталазная, дегидрогеназная и целлюлозолитическая активность, обилие бактерий рода Azotobacter, ухудшаются показатели прорастания и интенсивности начального роста растений.

Степень ухудшения биологических свойств зависит природы элемента, содержания его в почве и генетических свойств чернозема, определяющих его устойчивость к загрязнению.

Наибольшее негативное воздействие на биологические свойства черноземов оказал оксид хрома. Оксиды меди, свинца и никеля проявили меньшее токсическое воздействие.

В большинстве случаев для всех исследованных ТМ зарегистрирована прямая зависимость между содержанием в почве загрязняющего вещества и степенью снижения биологических показателей.

Механизм негативного воздействия ТМ на биологические свойства почв заключаются в следующем: ТМ связываются с сульфгидрильными группами белков, в результате чего, во-первых, подавляется синтез белков, в том числе и ферментов, во-вторых, нарушается проницаемость биологических мембран. Оба процесса приводят к нарушению обмена веществ (Торшин и др., 1990).

Исследованные оксиды ТМ образуют следующие ряды по степени негативного воздействия на биологические свойства черноземов Юга России (ряды усреднены по дозам ТМ).

По отношению к черноземам обыкновенным Чо: CrO3 > CuO > PbO > NiO; черноземам южным Чю: CrO3 > CuO >= NiO > PbO; черноземам обыкновенным (североприазовским) Чо(с): CrO3 > CuO, PbO > NiO; черноземам обыкновенным (предкавказским) Чо(п): CrO3 > CuO, PbO = NiO; черноземам типичным (предкавказским) Чт(п): CrO3 > CuO > NiO > PbO; черноземам выщелоченным слитым Чв(сл): CrO3 > PbO >= CuO >= NiO; черноземам южным (каштановым) Чю(к): CrO3 > CuO >= NiO >= PbO; черноземам типичным (предгорным) Чт(п/г): CrO3 > CuO > PbO >= NiO; черноземам типичным (горным) Чт(г): CrO3 > CuO >= PbO >= NiO.

По отношению к черноземам юга России (в целом) оксиды ТМ образуют следующую последовательность: CrO3 > CuO > PbO >= NiO.

Схожая закономерность была получена ранее в исследованиях, проведенными по той же методике, с другими почвами юга России: серыми и бурыми лесными, каштановыми, бурыми полупустынными, субальпийскими, дерново-карбонатными, песчаными и др. (Тлехас, Колесников, 2008; Спивакова, Колесников, 2010). Однако такая последовательность ТМ по их экологической опасности для почв не всегда совпадает с ранее полученными данными на других типах почв (ГОСТ 17.4.1.02--83; Crommentuijn, Polder Van de Plassche, 1997). Возможно, более высокая токсичность хрома на черноземах связана с тем, что в окислительных условиях хром более подвижен (Zachara, Ainsworth, Cowan, Resch, 1989), а невысокая токсичность свинца обусловлена более высоким содержанием в черноземах гуминовых кислот, которые сильнее связывают свинец, чем например медь (Mаnceau, Marcus, Tamura, 2002). Однако этот вопрос требует дальнейших специальных исследований.

Глава 5. Сравнительная оценка устойчивости биологических свойств черноземов юга России к загрязнению тяжелыми металлами

Результаты сравнительной оценки устойчивости биологических свойств черноземов юга России к загрязнению ТМ представлены в табл. 3 и на рис. 1. загрязнение металл чернозем фитотоксичность

Черноземы юга России образуют следующие ряды по степени ухудшения биологических свойств при загрязнении разными ТМ (ряды усреднены по дозам загрязняющего вещества).

По степени ухудшения биологических свойств при загрязнении хромом: Чо(с) > Чо, Чо(п) > Чт(г) > Чв(сл) > Чю > Чт(п/г), Чт(п) > Чю(к); при загрязнении медью: Чо(п) >= Чо(с), Чт(г) >= Чо >= Чю(к) >= Чт(п/г) > Чю >= Чт(п) >= Чв(сл); при загрязнении никелем: Чо, Чт(п/г) > Чо(с) >= Чт(г) >= Чо(п) > Чт(п), Чю(к) >= Чю > Чв(сл); при загрязнении свинцом: Чт(п/г) > Чо >= Чо(п), Чт(п), Чт(г) >= Чю >= Чю(к) >= Чо(с) > Чв(сл).

По степени ухудшения биологических свойств при загрязнении ТМ (в среднем) черноземы юга России образуют следующую последовательность: Чо, Чо(с), Чо(п) > Чт(г) >= Чт(п/г) > Чт(п), Чю, Чю(к) > Чв(сл).

Таким образом, наибольшую буферную способность к загрязнению ТМ проявляют черноземы обыкновенные, меньшую -- типичные, еще меньшую -- южные, и наименьшую -- выщелоченные слитые.

В целом такая последовательность устойчивости черноземов определяется их генетическими свойствами (табл. 1).



Рис. 1. Изменение ИПБС (% от контроля) черноземов юга России при загрязнении: А - хромом; Б - медью; В - никелем; Г - свинцом.

Условные обозначения: Чо - черноземы обыкновенные; Чю - черноземы южные; Чо(с) - черноземы обыкновенные (североприазовские); Чо(п) - черноземы обыкновенные (предкавказские); Чт(п) - черноземы типичные (предкавказские); Чв(сл) - черноземы выщелоченные слитые; Чю(к) - черноземы южные (каштановые); Чт(п/г) - черноземы типичные (предгорные); Чт(г) - черноземы типичные (горные).

Таблица 3 Степень снижения ИПБС черноземов при загрязнении ТМ (значения усреднены по дозам), % от контроля

№	Почва	Cr	Cu	Ni	Pb	Среднее значение
1.	Черноземы обыкновенные	69	83	93	88	83
2.	Черноземы южные	53	79	81	86	75
3.	Черноземы обыкновенные (североприазовские)	73	84	89	84	83
4.	Черноземы обыкновенные (предкавказские)	69	87	87	87	83
5.	Черноземы типичные (предкавказские)	50	78	83	87	75
6.	Черноземы выщелоченные слитые	58	75	76	74	70
7.	Черноземы южные (каштановые)	48	82	83	85	75
8.	Черноземы типичные (предгорные)	50	81	93	92	79
9.	Черноземы типичные (горные)	62	84	88	87	80
	Среднее значение	59	81	86	85

Устойчивость почв к загрязнению ТМ зависит, прежде всего, от гранулометрического состава, кислотности почв и содержания гумуса. Именно эти факторы определяют подвижность ТМ в почве, соответственно, и степень влияния на биологические свойства почвы.

По гранулометрическому составу все исследованные черноземы практически не отличаются друг от друга. Соответственно буферность зависела от комбинации двух других параметров -- кислотности почвы и содержания в ней гумуса. Чем выше значение рН и больше гумуса, тем устойчивее почва к загрязнению ТМ.

Так черноземы обыкновенные обладают и высоким содержанием гумуса, и высокими значениями рН, что обусловливает их большую буферность к загрязнению, чем черноземов южных и типичных.

Наиболее низким значением рН (6,3) из исследованных черноземов обладают черноземы выщелоченные слитые. Вследствие этого, даже несмотря на высокое содержание гумуса (5,1%), они проявили наименьшую устойчивость к загрязнению ТМ. Это же касается и черноземов горных -- на фоне высокого содержания гумуса (5,3%), они имеют невысокие значения реакции среды (рН=6,8). Поэтому они не столь устойчивы как другие черноземы, менее гумусированные, но более «щелочные».

Как видно из таблицы 4, высокое содержание гумуса определяет высокую буферность почвы к загрязнению хромом, а высокие значения рН обеспечивают устойчивость к меди, никелю и свинцу.

Таблица 4 Коэффициенты корреляции (r) ИПБС почвы с содержанием в почве гумуса и ее кислотностью при загрязнении разными металлами (=0,05)

№	Свойства почвы	Cr	Cu	Ni	Pb
1.	Содержание гумуса	0,63	0,14	-0,08	-0,38
2.	Актуальная кислотность (рН)	0,08	0,52	0,68	0,73

Поэтому высокогумусные горные и слитые черноземы более устойчивы к загрязнению хромом, но малоустойчивы к меди, никелю и свинцу, так как имеют невысокие значения рН.

ГЛАВА 6. Оценка возможности применения биологических показателей при мониторинге загрязнения черноземов юга России тяжелыми металлами

Оценка информативности показателей. Степень информативности показателя оценивали по тесноте корреляции между показателем и содержанием в почве тяжелого металла (табл. 5).

Таблица 5 Коэффициенты корреляции (r) между содержанием в почве ТМ и биологическими показателями (=0,05) (средние значения для всех исследованных черноземов)

№	Показатель	Cr	Cu	Ni	Pb	Среднее значение
1.	Активность каталазы	-0,86	-0,79	-0,84	-0,87	-0,84
2.	Активность дегидрогеназы	-0,71	-0,70	-0,77	-0,77	-0,74
3.	Целлюлозолитическая активность	-0,62	-0,77	-0,87	-0,85	-0,78
4.	Обилие бактерий рода Azotobacter	-0,83	-0,83	-0,75	-0,82	-0,81
5.	Длина корней редиса (фитотоксичность)	-0,74	-0,82	-0,62	-0,74	-0,73
6.	ИПБС	-0,75	-0,79	-0,84	-0,87	-0,81

По степени информативности (по тесноте корреляции между показателем и содержанием в почве загрязняющего вещества) исследованные биологические показатели располагаются нижеуказанным образом.

При загрязнении Cr: активность каталазы > обилие бактерий рода Azotobacter > длина корней (фитотоксичность) >= активность дегидрогеназы > целлюлозолитическая способность.

При загрязнении Cu: обилие бактерий рода Azotobacter >= длина корней (фитотоксичность) >= активность каталазы >= целлюлозолитическая способность > активность дегидрогеназы.

При загрязнении Ni: целлюлозолитическая способность > активность каталазы > активность дегидрогеназы >= обилие бактерий рода Azotobacter > длина корней (фитотоксичность).

При загрязнении Pb: активность каталазы >= целлюлозолитическая способность > обилие бактерий рода Azotobacter > активность дегидрогеназы > длина корней (фитотоксичность).

При загрязнении ТМ в целом (в среднем): активность каталазы > обилие бактерий рода Azotobacter > целлюлозолитическая способность > активность дегидрогеназы >= длина корней (фитотоксичность).

Таким образом, наиболее информативным показателем из исследованных при загрязнении черноземов юга России ТМ является активность каталазы. Наименее информативными -- показатели активности дегидрогеназы и длины корней (фитотоксичности).

Все пять показателей, использованных для определения ИПБС, в подавляющем большинстве случаев имеют коэффициенты корреляции больше 0,7. Следовательно, эти показатели биологические показатели находятся в тесной зависимости от содержания в почве ТМ и их целесообразно использовать для нахождения ИПБС почвы.

Установленные коэффициенты корреляции зависят от природы элемента, при этом наиболее высокие коэффициенты корреляции (в среднем по пяти показателям) имеет свинец (-0,81), затем следуют медь (-0,78), никель (-0,77) и хром (-0,75).

Оценка чувствительности показателей. О степени чувствительности показателя судили по степени снижения его значений в вариантах с загрязнением по сравнению с контролем (табл. 6).

По степени чувствительности (по степени снижения значений) к загрязнению ТМ исследованные биологические показатели располагаются нижеследующем образом.

По отношению к загрязнению Cr: целлюлозолитическая способность > активность дегидрогеназы >= длина корней (фитотоксичность) > обилие бактерий рода Azotobacter > активность каталазы.

Таблица 6 Степень снижения биологических показателей, % от контроля (средние значения для всех черноземов и доз ТМ)

№	Показатель	Cr	Cu	Ni	Pb	Среднее значение
1.	Активность каталазы	72	84	88	89	83
2.	Активность дегидрогеназы	50	70	82	77	70
3.	Целлюлозолитическая активность	28	63	72	72	59
4.	Обилие бактерий рода Azotobacter	66	86	86	85	81
5.	Длина корней редиса (фитотоксичность)	53	88	88	85	79
6.	ИПБС	54	78	83	82	74

По отношению к загрязнению Cu: целлюлозолитическая способность > активность дегидрогеназы > активность каталазы >= обилие бактерий рода Azotobacter >= длина корней (фитотоксичность).

По отношению к загрязнению Ni: целлюлозолитическая способность > активность дегидрогеназы > обилие бактерий рода Azotobacter > активность каталазы = длина корней (фитотоксичность).

По отношению к загрязнению Pb: целлюлозолитическая способность > активность дегидрогеназы > обилие бактерий рода Azotobacter = длина корней (фитотоксичность) > активность каталазы.

По отношению к загрязнению ТМ в целом (в среднем): целлюлозолитическая способность > активность дегидрогеназы > длина корней (фитотоксичность) >= обилие бактерий рода Azotobacter >= активность каталазы.

Таким образом, более чувствительными из исследованных биологических показателей при загрязнении почв ТМ являются целлюлозолитическая активность почвы и активность дегидрогеназы. Менее чувствительными являются показатели активности каталазы, обилия бактерий рода Azotobacter и длины корней (фитотоксичности).

Интересно, что активность каталазы одновременно является и наиболее информативным, и наиболее чувствительным показателем.

Результаты оценки чувствительности и информативности биологических показателей при загрязнении почвы ТМ в основном совпадают c закономерностями, установленными другими исследователями ранее (Звягинцев, 1978; Колесников и др., 2000, 2006; Попович, 2006; Тлехас, 2008; Жаркова, 2009).

Таким образом, все использованные в работе биологические показатели подтвердили свое соответствие требованиям, предъявляемым к показателям, используемым для мониторинга, диагностики и нормирования химического загрязнения почв.

Они отличаются высокими информативностью и чувствительностью, достаточной воспроизводимостью, допустимым варьированием, небольшой ошибкой опыта, широкой распространенностью методов, простотой, малой трудоемкостью и высокой скоростью методов определения и т.д.

Выводы

1. Загрязнение черноземов юга России оксидами Cr, Cu, Ni, Pb, как правило, ведет к ухудшению их биологических свойств: снижаются активность каталазы, активность дегидрогеназы, целлюлозоразрушающая способность, обилие бактерий рода Azotobacter, ухудшаются показатели прорастания и начального роста растений.

2. Степень ухудшения биологических свойств зависит от природы элемента, содержания его в почве и генетических свойств чернозема, определяющих его устойчивость к загрязнению. По степени негативного воздействия на биологические свойства черноземов оксиды ТМ образуют следующий ряд: CrO3 > CuO > PbO >= NiO. Как правило, наблюдается прямая зависимость между содержанием ТМ и степенью ухудшения исследуемых свойств почвы.

3. По степени ухудшения биологических свойств при загрязнении ТМ черноземы юга России образуют следующую последовательность: Чо, Чо(с), Чо(п) > Чт(г) >= Чт(п/г) > Чт(п), Чю, Чю(к) > Чв(сл). Наибольшую устойчивость к загрязнению ТМ имеют черноземы обыкновенные, меньшую -- типичные, еще меньшую -- южные, наименьшую -- выщелоченные слитые. Такая последовательность определяется генетическими свойствами исследованных черноземов -- реакцией среды и содержанием органического вещества. Высокое содержание гумуса в большей степени определяет буферность почвы к загрязнению хромом, а высокие значения рН больше обеспечивают устойчивость к меди, никелю и свинцу.

4. По степени информативности (по тесноте корреляции между показателем и содержанием в почве ТМ) исследованные биологические показатели образуют следующий ряд: активность каталазы > обилие бактерий рода Azotobacter > целлюлозолитическая способность > активность дегидрогеназы >= длина корней (фитотоксичность).

5. По степени чувствительности (по степени снижения значений) к загрязнению ТМ исследованные биологические показатели располагаются следующим образом: целлюлозолитическая способность > активность дегидрогеназы > длина корней (фитотоксичность) >= обилие бактерий рода Azotobacter >= активность каталазы.

6. Все использованные в работе биологические показатели (активность каталазы и дегидрогеназы, целлюлозолитическая способность, обилие бактерий рода Azotobacter, длина корней редиса) подтвердили свое соответствие необходимым требованиям, предъявляемым к показателям, используемым для мониторинга, диагностики и нормирования химического загрязнения почв. Они отличаются высокими информативностью и чувствительностью, достаточной воспроизводимостью, допустимым варьированием, широкой распространенностью методов, небольшой ошибкой опыта, простотой, малой трудоемкостью, высокой скоростью определения и т.д.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:

Ярославцев М.В., Колесников С.И. Оценка устойчивости черноземов юга России к загрязнению тяжелыми металлами по биологическим показателям // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2011. № 4. С. 83-86.

Ярославцев М.В., Колесников С.И. Устойчивость черноземов южных (каштановых) к загрязнению тяжелыми металлами // Научная мысль Кавказа. 2011. № 2. С. 130-133.

Ярославцев М.В., Колесников С.И. Биодиагностика устойчивости черноземов юга России к загрязнению тяжелыми металлами // Юг России: экология, развитие. 2011. № 2. С. 16-20.

Статьи и тезисы в других изданиях:

Ярославцев М.В., Колесников С.И. Влияние загрязнения тяжелыми металлами на ферментативную активность чернозема обыкновенного // Материалы III Международной конференции «Проблемы природопользования и экологическая ситуация в Европейской России и сопредельных странах». Белгород. 2008. С. 274-275.

Ярославцев М.В., Тлехас З.Р., Колесников С.И. Изменение биологических свойств горно-луговых почв Адыгеи при химическом загрязнении // III Всероссийская научно-практическая конференция «Экологические проблемы природных и урбанизированных территорий». Астрахань. 2009. С. 321-323. (30 % 0,3 п.л.).

Колесников С.И., Тлехас З.Р., Ярославцев М.В. Оценка устойчивости предгорных и горных почв Северного Кавказа к химическому загрязнению по биологическим показателям // Материалы III Международной конференции «Горные экосистемы и их компоненты». Нальчик. 2009. С. 33-38.

Колесников С.И., Ярославцев М.В., Жаркова М.Г. Устойчивость биологических свойств разных типов почв при химическом загрязнении // Материалы II Всероссийской конференции «Биогеография почв». Москва. 2009. С. 119-120.

Ярославцев М.В., Жаркова М.Г., Хачкинаева Г.К., Колесников С.И. Оценка устойчивости горно-луговых почв Северной Осетии при загрязнении тяжелыми металлами и нефтью по биологическим показателям // Материалы Международной научно-практической конференции «Геоэкология и рациональное природопользование: от науки к практике». Белгород. 2009. С. 298-299.

Ярославцев М.В., Колесников С.И. Биодиагностика экологического состояния почв юга России, загрязненных тяжелыми металлами // Материалы Международной конференции «Экокультура и фитобиотехнологии улучшения качества жизни на Каспии». Астрахань. 2010. С. 267-270.

Ярославцев М.В., Колесников С.И. Сравнительная оценка устойчивости биологических свойств разных типов и подтипов черноземов юга России к загрязнению Cr, Cu, Ni, Pb // Актуальные проблемы экологии и биологии почв. Ростов-на-Дону. 2010. С. 119-129.

Ярославцев М.В., Колесников С.И. Оценка возможности применения биологических показателей при мониторинге загрязнения черноземов юга России тяжелыми металлами // Актуальные проблемы экологии и биологии почв. Ростов-на-Дону. 2010. С. 130-136.

Шабанова А.А., Ярославцев М.В., Никитенко К.С., Спивакова Н.А., Колесников С.И. Влияние тяжелых металлов и нефти на активность каталазы чернозема обыкновенного Волгоградской области // Материалы научной конференции «Актуальные проблемы экологии и природопользования». Ростов-на-Дону. 2011. С. 151-152.

Ярославцев М.В., Колесников С.И. Оценка устойчивости черноземов обыкновенных североприазовских к загрязнению Cr, Cu, Ni, Pb // Материалы научной конференции «Актуальные проблемы экологии и природопользования». Ростов-на-Дону. 2011. С. 153-157.

Ярославцев М.В., Колесников С.И. Влияние загрязнения тяжелыми металлами на биологические свойства горных черноземов юга России // Материалы Всероссийской научной конференции «Модернизация науки и образования». Секция 1: «Биологические науки». Махачкала. 2011. С. 154-155.

Список сокращений

ИПБС -- интегральный показатель биологического состояния почвы

НСР -- наименьшая существенная разность

ПДК -- предельно допустимая концентрация

ТМ -- тяжелые металлы

ТФФ -- трифенилформазан

Чв(сл) -- черноземы выщелоченные слитые

Чо -- черноземы обыкновенные

Чо(п) -- черноземы обыкновенные (предкавказские)

Чо(с) -- черноземы обыкновенные (североприазовские)

Чт(г) -- черноземы типичные (горные)

Чт(п) -- черноземы типичные (предкавказские)

Чт(п/г) -- черноземы типичные (предгорные)

Чю -- черноземы южные

Чю(к) -- черноземы южные (каштановые)

Размещено на Allbest.ru

...