Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Биологическая диагностика аэротехногенного загрязнения почв северотаежной подзоны Карелии

ВАК РФ 03.00.27, Почвоведение

Содержание диссертации, кандидата биологических наук, Медведева, Мария Владимировна

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Модификация аэрополлютантами почвенно-химических условий жизнедеятельности микробиоты.

1.2. Состояние микрофлоры антропогенно нарушенных почв.

Глава 2. ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА ИССЛЕДОВАНИЙ, ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

2.1. Климат, рельеф, растительность.

2. 2. Почвы.

2.3. Характеристика техногенного загрязнения.

2.4. Объекты исследований.

2.5. Методы.

Глава 3. ВЛИЯНИЕ ЭМИССИЙ КОСТОМУКШСКОГО ГОКА НА СРЕДУ ОБИТАНИЯ ПОЧВЕННОЙ МИКРОБИОТЫ

Глава 4. МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ЛЕСНЫХ ПОЧВ НА ФОНЕ АЭРОТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

4.1. Характер изменений численности микроорганизмов основных эко-лого-трофических групп.

4.2. Структура микробоценоза лесных почв, загрязненных аэрополлютантами ГОКа.

4.3. Трофические потребности микробного сообщества изучаемых почв.

Глава 5. ВЛИЯНИЕ ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА ХАРАКТЕР БИОХИМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ МИКРООРГАНИМОВ

5.1. Формирование ферментативной активности исследуемых почв

5.2. Действие аэрополлютантов на скорость деструкции клетчаткосо держащих материалов.

5.3. Актуальная протеолитическая активность лесных почв, загрязненных аэрополлютантами промузла.

Глава 6. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОНАГРУЗКИ НА ЛЕСНЫЕ ПОДСТИЖИ

6.1. Влияние солей никеля на биологическую активность.

6.2. Реакция микробного сообщества на воздействие хрома.

6.3. Численность и физиологическая активность целлюлозоразрушающих микроорганизмов.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Биологическая диагностика аэротехногенного загрязнения почв северотаежной подзоны Карелии"

Актуальность проблемы. Проблема аэротехногенного загрязнения лесных экосистем соединениями серы и тяжелыми металлами на сегодняшний день одна из наиболее значимых в сфере экологии. Высыхание лесов бореального пояса под воздействием аэротоксикантов отмечено во многих странах. Поступая в больших количествах с продуктами тех-ногенеза и распространяясь на значительные расстояния от источника загрязнения, данные вещества способны создавать очаги их высокой концентрации. Тем самым они представляют опасность для окружающих объектов природы и человека. Особенно это важно в отношении почв, которые способны к их аккумуляции, а затем постепенному высвобождению, что еще больше усиливает нагрузку на лесные сообщества.

Являясь частью лесных экосистем, почва может противостоять мощному давлению антропогенного пресса благодаря уникальным буферным свойствам. При этом "мобилизуется" весь защитный комплекс. Почвенной биоте принадлежит одна из главных ролей в этом процессе. "Чуткие индикаторы" аэротехногенного загрязнения почв - микроорганизмы - быстро реагируют на любые возмущения во внешней среде. Поэтому опережающий характер ответной реакции микробиоты, по сравнению с более консервативными, биохимическими параметрами почв, способствует поддержанию природного равновесия всей экосистемы. Однако при увеличении технонагрузки возможны необратимые деградационные изменения, нарушение состояния природного гомеостаза.

Современные методы биологической диагностики и индикации позволяют на ранних этапах выявить изменение состояния почвенной микробиоты, оценить степень загрязнения почв продуктами техногенеза, а также корректно спрогнозировать возможную трансформацию нарушенных участков.

В северотаежной подзоне Карелии техноэпицентром является Костомукшский ГОК, который занимается разработкой крупнейшего в республике железорудного месторождения. Ингредиенты промышленных выбросов (тяжелые металлы, соединения серы) в составе газо-пыле-дымовых выбросов распространяются на десятки километров от пром-предприятия. Продолжительность работы (с 1982 г.) комбината, региональные особенности средообразующих педофакторов обусловливают необходимость постоянного контроля состояния лесных почв. Продукты техногенеза прямо или опосредованно провоцируют структурно-функциональные изменения микробоценоза в условиях агрессивной среды. Наиболее точную, полную, быструю информацию о состоянии почв могут дать методы биологической диагностики, а данные модельных лабораторных и полевых (in situ) опытов, представляющие большой общебиологический и общетеоретический интерес, позволят лучше понять механизмы ответной реакции микробоценоза на антропогенную нагрузку в определенных биогеоклиматических условиях.

Цель исследований: Биологическая диагностика аэротехногенного загрязнения лесных почв северотаежной подзоны Карелии (на примере Костомукшского ГОКа).

Задачи исследований:

1) выявить характер и темп изменений структуры и состава микробоценоза изучаемых почв;

2) оценить возможность использования биохимических методов биодиагностики почв, подверженных воздействиям аэротоксикантов промпредприятия;

3) определить скорость минерализации растительных остатков и льняного полотна в исследуемых почвах;

4) изучить зависимость "расстояние - эффект" между структурно-функциональной организацией микробоценоза и уровнем содержания аэрополлютантов в почвах, расположенных на разном расстоянии от источника загрязнения;

5) определить зависимость "доза-эффект" в модельном лабораторном и опыте in situ с разными концентрациями солей тяжелых металлов;

Научная новизна работы. Исследования в этом районе и через 17 лет интоксикации лесных почв выполнены впервые. Выявлены региональные особенности микробоценозов лесных почв, находящихся в условиях техногенного загрязнения. Определены наиболее информативные биопоказатели для почв, подверженных воздействию аэрополлютантов промпредприятия. Отмеченное изменение активности ферментов азотного цикла и оксидо-редуктаз. позволило констатировать переход микробоценоза в новую адаптивную зону. Выявлено неодинаковое действие различных солей тяжелых металлов на численность и структуру комплекса целлюлозоразрушающих микроорганизмов и их физиологическую активность в изучаемых техногенно нарушенных почвах. В модельных опытах установлен порог чувствительности отдельных физиологических групп микроорганизмов на градиент концентрации тяжелых металлов. Обоснована необходимость использования методов биологической диагностики при составлении картосхем интенсивности загрязнения почв, находящихся в условиях повышенной экологической опасности для данной биогеоклима-тической зоны.

Практическая значимость. Рассматриваемые методы биологической диагностики рекомендуется использовать как наиболее информативные при оценке свойств почв, а также при долгосрочном прогнозе состояния почв под хвойными лесами, находящимися в условиях воздушного загрязнения.

Апробация. Основные положения диссертации представлены на конференции «Биоиндикация и оценка повреждений организмов и экосистем» (Петрозаводск, 1997, 1998),

Международной конференции «Биологические основы изучения, освоения и охраны животного и растительного мира, почвенного покрова Восточной Фенноскандии» (Петрозаводск, 1999), Всесоюзной конференции «Экологический мониторинг лесных экосистем» (Петрозаводск, 1999), Международной конференции «Коренные леса таежной зоны Европы: современное состояние и проблемы сохранения» (Петрозаводск, 1999), Международной конференции "Сохранение биоразнообразия Фенноскандии"(Петрозаводск, 2000), III съезда ДОП (суздаль, 2000), заседании кафедры географии почв факультета почвоведения МГУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ, а так же 3 находятся в печати в журналах "Почвоведение", "Лесное хозяйство" и "Лесоведение".

Структура и объем работы. Диссертация изложена на листах машинописного текста, включает 38 таблиц и 20 рисунков. Работа состоит из разделов: введение, 6 глав, заключения, выводов, списка литературы, включающего 240 отечественных и 134 иностранных работ.

Заключение Диссертация по теме "Почвоведение", Медведева, Мария Владимировна

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В зоне регулярного, хронического выпадения загрязнителей Костомукшского ГОКа в почвенном покрове накапливаются тяжелые металлы. При этом наибольшая концентрация загрязнителей наблюдается в верхнем органогенном горизонте - местообитании многочисленного микробного населения. В результате техногенного загрязнения почв происходят глубокие изменения в структуре и жизнедеятельности микробного сообщества. Однако микробоценоз не является пассивным объектом физико-химической "репрессии", реагируя на изменения условий ростом численности устойчивых к загрязнителям популяций, специфической ферментативной активностью и в ряде случаев ускорением минерализации субстрата.

Тем не менее имеются естественные границы устойчивости почвенной микробиоты. В модельных опытах удалось установить предельные значения некоторых загрязнений, при которых не восстанавливается природное равновесие и микробный комплекс остается деформированным, что отражается в его трофической структуре и в ферментативной активности почв.

Используемый в работе метод посева не позволяет оценить общую биомассу микробного комплекса, однако является наиболее адекватным для изучения трофической структуры. С помощьэ этого метода удалось проследить перестройку микробного комплекса в результате различных загрязнений и установить новую иерархию популяций.

Полученные результаты являются основанием для дальнейшего изучения реакции микробоценозов и ферментативной активности почв на загрязнение тяжелыми металлами и в перспективе разработки методической основы установления норм ПДК конкретных загрязнителей и их сочетаний, привязанных к определенным биогеоклиматическим условиям.