Экологическая характеристика разных типов почв, загрязненных тяжелыми металлами, в процессе ремедиации с использованием комбинаций сорбентов

Трояновская, Екатерина Сергеевна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Экологическая характеристика разных типов почв, загрязненных тяжелыми металлами, в процессе ремедиации с использованием комбинаций сорбентов
ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Экологическая характеристика разных типов почв, загрязненных тяжелыми металлами, в процессе ремедиации с использованием комбинаций сорбентов"

На правах рукописи

Трояновская Екатерина Сергеевна

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЗНЫХ ТИПОВ ПОЧВ, ЗАГРЯЗНЕННЫХ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ, В ПРОЦЕССЕ РЕМЕДИАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМБИНАЦИЙ СОРБЕНТОВ

03.02.08 — экология (биология)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 2 ДЕК 2013

005543495

Ульяновск - 2013

005543495

Работа выполнена на кафедре экологии в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Научный руководитель: Тихомирова Елена Ивановна,

доктор биологических наук, профессор

Официальные оппоненты: Горбачев Владимир Николаевич,

доктор биологических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный университет», профессор кафедры биологии, экологии и природопользования

Дыганова Роза Яхиевна,

доктор биологических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Казанский государственный энергетический университет», заведующая кафедрой инженерной экологии и рационального природопользования

Ведущая организация: Федеральное государственное автономное

образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южный федеральный университет», г. Ростов-на-Дону

Защита состоится «25» декабря 2013 г. в 12.00 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.278.07 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Ульяновский государственный университет» по адресу: г. Ульяновск, ул. Набережная реки Свияги, д. 106, корп. 1, ауд. 703.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Ульяновского государственного университета, а с авторефератом - на сайте вуза -http://ppo.ulsu.ru и на сайте Высшей аттестационной комиссии при Министерстве образования и науки Российской Федерации - http://vak.ed.gov.ru

Отзывы на автореферат направлять по адресу: 432017, г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, д. 42, Ульяновский государственный университет, отдел послевузовского профессионального образования.

Автореферат разослан '3» ноября 2013 г

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Почвенный покров является саморегулирующейся биологической системой, важнейшей частью биосферы в целом (Галстян,1961; Звягинцев, 1978; Кауричев, 1979; Бабьева, 1989; Вальков, 1995; Саловарова, 1996; Вальков, 2004; Ананьева, 2007).

Воздействие человека на почву - составная часть общего влияния человеческого общества на земную кору и ее верхний слой, на природу в целом. В связи с ростом населения, особенно в развивающихся странах, деградацией почвенного покрова, его загрязнения, эрозии и так далее, а также вследствие отвода земель под застройку городов, поселков и промышленных предприятий, количество пашни на душу населения резко сокращается (Рева, 1978; Григорян, 1980; Муравьев, 1999; Герасимова, 2003).

Среди множества техногенных факторов, отрицательно воздействующих на почвенный покров, особое место занимает загрязнение почв тяжелыми металлами (ТМ), такими как цинк, свинец, кадмий (Беспамятнов, 1985; Алексеев, 1987; Александров, 1990; Орлов, 1991; Колесников , 2001; Казеев, 2003; Латышевская, 2010). В этой связи особенно остро стоит вопрос о способах очистки почв от ТМ.

Знание особенностей воздействия химических веществ на биологические процессы в почве и механизмов устойчивости почв и растений к загрязнению должно стать основой для разработки методов предотвращения негативных последствий загрязнения (Колесников, 2006).

В настоящее время хорошо изучены различные способы очистки воды, но вопрос ремедиации почвы до сих пор остается открытым. По вопросу санации почв, загрязненных ТМ, существует два основных подхода. Первый направлен на очищение почвы от ТМ. Очищение может производиться путем промывок, путем извлечения ТМ из почвы с помощью растений, путем удаления верхнего загрязненного слоя почвы и т.п. Второй подход основан на закреплении ТМ в почве, переводе их в нерастворимые в воде и недоступные живым организмам формы. Для этого предлагается внесение в почву органического вещества, фосфорных минеральных удобрений, ионообменных смол, природных цеолитов, бурого угля, известкование почвы и т.д. Однако любой способ закрепления ТМ в почве имеет свой срок действия. Рано или поздно часть ТМ снова начнет поступать в почвенный раствор, а оттуда - в живые организмы (Вальков, 2004).

В связи с вышесказанным представляло интерес провести исследования в лабораторных условиях по оценке эффективности сорбционной технологии ремедиации почв с использованием различных комбинаций природных сорбентов.

Цель исследований: оценка в лабораторных условиях экологического состояния разных типов почв, загрязненных тяжелыми металлами, в процессе ремедиации с использованием различных комбинаций сорбентов.

Задачи исследований:

1. Провести химико-аналитический контроль содержания ионов тяжелых металлов (гп2+, РЬ2+, Сс12+, М2+) в разных типах загрязненных почв (чернозем типичный, дерново-подзолистая и каштановая) в процессе ремедиации с использованием различных комбинаций сорбентов.

2. Оценить токсичность проб почв, загрязненных тяжелыми металлами, методами биотестирования на разных тест-объектах в процессе ремедиации с использованием различных комбинаций сорбентов.

3. Определить активность почвенного дыхания проб почв, загрязненных тяжелыми металлами, в процессе ремедиации с использованием различных комбинаций сорбентов.

4. Изучить качественный и количественный состав микроорганизмов проб почв, загрязненных тяжелыми металлами, в процессе ремедиации с использованием различных комбинаций сорбентов.

5. Провести сравнительный анализ эффективности сорбционной технологии ремедиации разных типов почв, загрязненных тяжелыми металлами, с использованием различных комбинаций сорбентов.

6. Разработать рекомендации для использования сорбционной технологии при очистке разных типов почв, загрязненных тяжелыми металлами.

Научная новизна работы

Впервые проведено комплексное исследование в лабораторных условиях эффективности использования сорбционной технологии для ремедиации разных типов почв и дана оценка их экологического состояния на основе химико-аналитического, экотоксикологического и микробиологического анализов. Установлено достоверное снижение концентраций ионов ТМ от исходных 100 ПДК до 1 и ниже в течение 30 суток в экспериментальных пробах почв при использовании комбинаций сорбентов: КАУ + клиноптилолит и КАУ + вермикулит. Выявлена взаимосвязь уровня токсичности проб почв для тест-объектов (Chlorella vulgaris Beijer и Daphnia magna Straus) с остаточным содержанием ионов ТМ. Показана высокая информативность определения активности почвенного дыхания как интегрального показателя для оценки экологического состояния почв в экспериментальных условиях в процессе ремедиации с использованием комбинаций сорбентов.

Выявлены закономерности изменения качественного и количественного состава микроорганизмов разных типов почв, загрязненных ТМ, в процессе ремедиации в зависимости от приоритетного загрязнителя и основных характеристик почв. Установлено резкое снижение микробного состава в пробах почв при одномоментном загрязнении 100 ПДК ТМ. Отмечены некоторое увеличение общей численности бактерий и флуктуационные изменения микробной системы, затрагивающие интенсивность микробиологических процессов, на 7-14-е сутки ремедиации. Восстановление численности гетеротрофных бактерий, дрожжеподобных грибов и актиномицетов в разных типах почв, загрязненных ТМ, происходило к 30-м суткам при использовании комбинаций сорбентов. Установлено, что большей эффективностью обладает комбинация сорбентов КАУ + клиноптилолит (соотношение 1 : 3).

Теоретическая и практическая значимость. Полученные данные вносят существенный вклад в разделы факториальной экологии, изучающие действие тяжелых металлов на биологические характеристики почв, и прикладной экологии, связанные с разработкой методических подходов к реабилитации загрязненных почв и оценкой эффективности сорбционной технологии. Результаты исследования могут быть использованы:

- в научных целях при мониторинге экологического состояния антропогенно нарушенных почв, экологическом прогнозировании последствий деятельности человека на агроценозы и урбаноземы определенных территорий;

- в практике при подборе сорбентов в зависимости от характера и степени загрязнения почв и при использовании сорбционной технологии.

Результаты исследований внедрены в учебный процесс кафедры «Экология» СГТУ имени Гагарина ЮЛ. при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Экология и рациональное природопользование», при чтении лекций и проведении практических занятий по дисциплинам: «Экологический мониторинг», «Прикладная экология», «Экотоксикология», «Экология микроорганизмов», «Почвоведение», при организации и проведении научно-исследовательских работ студентов, написании курсовых и дипломных работ. Результаты исследований внедрены также в учебный процесс кафедры «Микробиология и физиология растений» Саратовского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского по дисциплинам «Почвенная микробиология» и «Экология микроорганизмов».

Работа выполнена на базе Научно-образовательного центра «Промышленная экология» кафедры экологии СГТУ имени Гагарина Ю.А. в рамках НИР СГТУ 13 В «Разработка методов оценки и реабилитации загрязненных природных сред» (2009-2010 гг.) и ОКР «Почва» № госрегистрации 01200960905. Исследования поддержаны грантом Федеральной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (государственный контракт СГТУ-7, 2012-2013).

Основные положения, выносимые на защиту

1. Одномоментное загрязнение в лабораторных условиях разных типов почв: чернозема типичного, дерново-подзолистой и каштановой почв тяжелыми металлами в концентрации 100 ПДК приводит к однотипному резкому снижению их биологической активности, выраженным изменениям качественного и количественного состава микробиоценозов.

2. Токсичность загрязненных проб почв коррелирует с содержанием в них ионов тяжелых металлов и снижением активности почвенного дыхания.

3. Использование комбинаций сорбентов: КАУ + клиноптилолит и КАУ + вермикулит с различным содержанием компонентов сопровождается снижением концентраций ионов тяжелых металлов в экспериментально загрязненных почвах до 1 ПДК и ниже и полным восстановлением количества гетеротрофных бактерий в составе микробоценозов в течение 30 суток.

школе-конференции молодых ученых «Биология - наука XXI века» (Пущино, 2011); Всероссийской научно-практической конференции молодежи «Экология родного края: проблемы и пути их решения» (Киров, 2011), 4-6-й Всероссийских конференциях с международным участием «Экологические проблемы промышленных городов» (Саратов, 2011, 2013); Международной научно-практической конференции «Биотехнология: реальность и перспективы в сельском хозяйстве» (Саратов, 2013); Четвертом Международном экологическом конгрессе ЕЬР1Т-2013 (Тольятти, 2013); Шестой Международной научно-технической конференции (Тольятти, 2013); 1-м Кавказском экологическом форуме (Грозный, 2013) и Международном форуме «Евро-эко 2013» (Ганновер, Германия).

Личный вклад автора. Диссертант принимал непосредственное участие в проведении лабораторных химико-аналитических, экотоксикологических и микробиологических исследований. Обработка полученных данных, их интерпретация и оформление, а также разработка в итоге практических предложений осуществлены автором самостоятельно. Доля личного участия в публикациях составляет от 50 до 75%.

На основании материалов научного исследования были подготовлены проекты, с которыми автор участвовал в конкурсе «Лучший молодежный бизнес-проект СГТУ 2010» в рамках областной целевой программы «Развитие малого и среднего предпринимательства в Саратовской области» (проект поддержан грантом) и конкурсе «У.М.Н.И.К. - 2011» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 138 страницах. Состоит из введения, 6 глав, заключения и выводов, списка использованной литературы. Содержит 15 таблиц и 23 рисунка. Список литературы включает 176 наименований, из них 38 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, задачи, научная новизна и практическая значимость работы, приведены положения, выносимые на защиту, изложена структура диссертации.

ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Глава включает описание исследований отечественных и зарубежных научных школ, изучающих вопросы экологии почв. Почва описывается как часть наземного биогеоценоза и биосферы в целом; как природный буфер, контролирующий перенос химических элементов и соединений в атмосферу, гидросферу и живое вещество; как естественное природное тело; как среда обитания и субстрат для растений, животных и микроорганизмов; как природный резервуар большого числа микроорганизмов, в том числе и патогенных; как объект и средство сельскохозяйственного и промышленного производства; как объект окружающей среды, загрязненный различными химическими веществами (Звягинцев, 1978; Орлов и др., 1991; Вальков, 1995, 2002; Казеев и др., 2002; Ивлев,

2003; Ксенофонтова, 2004; Колесников и др., 2006; Решетов и др., 2008; Денисова, 2011; 8Ытре1а1., 1993).

Описываются ТМ, загрязняющие окружающую среду, характерные для них соединения и последствия такого воздействия (Беспамятное, 1985; Алексеев, 1987; Александров, 1990; Казеев, 2003; Колесников, 2001; Латышевская, 2010).

В главе приводится анализ публикаций, монографий, обзорных и оригинальных статей отечественных и зарубежных авторов, касающихся вопросов реабилитации загрязненных почв. Описаны технологии использования сорбентов для очистки загрязненных вод, и обосновано использование этих технологий с целью реабилитации почв, загрязненных тяжелыми металлами (Соколов, 1976; Беспамятное, 1985; Алексеев, 1987; РД 52.18.289-90; Григорьев Пат. 2069851, 1992; Байдина, 1994). Дана характеристика различных видов сорбентов. Обоснованы методические подходы к оценке в лабораторных условиях эффективности использования комбинаций сорбентов для реабилитации почв, загрязненных тяжелыми металлами.

ГЛАВА 2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования являлись разные типы почв, отобранные в соответствии с ГОСТ 28168-89. С паспортизированных полей с каждых 40 га методом маршрутных ходов отбирали на глубину пахотного слоя (до 35 см) смешанные пробы (каждая из 40 индивидуальных проб), которые помещали в чистые полипропиленовые мешки по 25-30 кг с соответствующей маркировкой.

Чернозем типичный отбирали в Балашовском районе, каштановую почву — в Питерском районе Саратовской области. Дерново-подзолистую почву получили с полей Одинцовского района Московской области.

На отобранные типы почв были оформлены агрохимические паспорта.

Испытания проводились в весенне-летний период в статических условиях. Средняя температура воздуха в период проведения испытаний составила 22-25°С, относительная влажность воздуха 30-45%. Для лабораторных исследований использовали метод вегетационных сосудов (Атлавините, 1976). Почву после просеивания помещали в пластиковые контейнеры. Для обеспечения 60% влажности проводили увлажнение почвы при равномерном поливе; количество воды рассчитывали с учетом влагопотребления конкретного типа почв. На каждый загрязнитель (ТМ) делали 9 закладок по 3 кг почвы каждого типа (Пч, Пк, Пд-п).

В качестве загрязнителей были использованы водорастворимые соли ТМ: сульфат никеля (№2804 х 7Н20), сульфат цинка (2п804), сульфат кадмия (ЗСсйОд х 8Н20) и ацетат свинца (РЬ(СН3СОО)2 х ЗН20). Количество солей ТМ ([С]) рассчитывали на количество почвы и вносили в виде раствора, равномерно выливая на поверхность почвы с последующим объемным рыхлением. Затем в течение семи суток почвы выдерживали при фиксированной температуре для обеспечения процесса «старения». После этого этапа вносили в сухом виде навески сорбентов в соответствующей расчетной дозе равномерно на всю поверхность почвы, после чего производили рыхление на всю глубину вегетационного сосуда. В течение всего периода лабораторных испытаний по мере необходимости (поддержание влажности на уровне 60%) проводили увлажнение почвы, рыхление осуществляли

один раз в неделю. В качестве контроля 1 использовали пробы исходных чистых почв; в качестве контроля 2 - пробы всех типов загрязненных почв без внесения сорбентов. Образцы почвы для лабораторно-аналитических исследований отбирали на 7, 14 и 30-е сутки от момента загрязнения. Лабораторно-аналитические исследования выполнены с использованием общепринятых в экологии, почвоведении и микробиологии методов.

Контроль остаточной концентрации ТМ в почве проводили в соответствии с методическими указаниями и РД (СанПиН 42-128-4433-87; ГОСТ 28168-89; РД 52.18.289-90; РД 52.18.156-99;), а также методом пламенной атомно-абсорбционной спектрофотометрии в соответствии с ПНД Ф 14.1:2.214-06. Исследование выполняли на атомно-абсорбционном спектрофотометре марки WFX-120. Водородный показатель определяли потенциометрическим методом при помощи рН-метра марки рН-150МП.

«Дыхание» почв определяли по Макарову в модификации Галстяна (1961) с использованием в качестве поглотителя С02 0,1 н. раствор NaOH. С помощью экспресс-метода Аристовской и Чугуновой (1989) измеряли скорость разложения в почве мочевины.

Биотестирование почвенных проб осуществляли по стандартным методикам с помощью тест-объектов, принадлежащих к разным систематическим группам: Chlorella vulgaris Beijer (ФР.1.39.2004.01143), Daphnia magna Straus (ПНД Ф 14.1:2:4.12-06 (ПНД ФТ 16.1:2:3:3.9-06)). Для получения сопоставимых результатов по итогам тестирования рассчитывали индекс токсичности оцениваемого фактора (ИТФ) (Кабиров, 1997).

Определяли численность в почве бактерий (в том числе актиномицетов и спорообразующих) и микромицетов методом посева почвенной суспензии на плотные питательные среды (Звягинцев, 1991). Проводили глубинный и поверхностный посевы. На мясопептонном агаре (МПА) и ГРМ-агаре выделяли бактерии, использующие органический азот; на крахмало-аммиачном агаре (КАА) — бактерии, использующие минеральный азот и актиномицеты; на среде Сабуро -актиномицеты; на кислой среде Чапека - микроскопические грибы. Численность спорообразующих бактерий учитывали на МПА из предварительно пастеризованной суспензии. Результаты оценивали по количеству колоние-образующих единиц (КОЕ) на чашках Петри и производили перерасчет на 1 г почвы. Все данные представлены в пересчете на массу абсолютно сухой почвы в 9-кратной повторности (3 навески каждого типа почвы на 3 чашки Петри каждой среды). Учитывали морфологию колоний выросших бактерий по общепринятым характеристикам. Из типичных колоний готовили мазки с окраской по общепринятым методикам (по Граму, Пешкову, Романовскому-Гимзе, Цилю-Нельсону, Гинсу-Бурри) с учетом тинкториальных свойств и морфологии клеток. Идентификацию микроорганизмов проводили с использованием стандартных методик и определителей (Гаузе и др., 1983; Берджи, 1997). Обработку полученных данных проводили по общепринятым методикам с использованием t-критерия Стьюдента (Зайцев, 1991). Также использовали приложения Excel и Word из пакета Microsoft Office 2007; Statistica 6.0.

ГЛАВА 3 ХИМИКО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ СОДЕРЖАНИЯ ИОНОВ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ПРОБАХ ПОЧВ В ПРОЦЕССЕ РЕМЕДИАЦИИ

В результате химико-аналитического контроля содержания ионов ТМ в контрольных пробах загрязненных почв выявили стабильно высокое присутствие их на протяжении 30 суток наблюдения. Сравнительный анализ динамики содержания ионов ТМ в экспериментальных пробах почв, содержащих различные композиции сорбентов, показал высокую эффективность их использования. Так, на 7-е сутки после внесения всех композиций сорбентов содержание ионов ТМ снижалось в среднем на 50%, через 14 суток - на 75-80%. К 30-м суткам в большинстве загрязненных проб почв отмечены остаточные количества ионов ТМ в пределах 1 ПДК и ниже. На рисунке 1 представлена динамика остаточного содержания в черноземе типичном ионов ТМ в процессе ремедиации по сорбционной технологии. Анализ содержания ТМ в пробах с использованием различных комбинаций сорбентов позволил установить, что для почв, загрязненных никелем, более эффективной оказалась композиция сорбентов КАУ+вермикулит, при загрязнении другими металлами - КАУ+ клиноптилолит.

мг/кг

гп*2 7 сутки гп*214 сутки 2пп 30 сутки

сроки исследования

250 200 150 100 50 0

гРГ

Нп

№*2 7 сутки N1 14 сутки №*2 30 сутки

сроки исследований

60 • 50 • 40 -30 -20 ■ 10 ■ 0 ■

гЬ

■Е

СсГ2 7 сутки СсГ214 сутки СЬ 30 сутки сроки исследования

РЬ 7 сутки РЬ 14 сутки РЬ 30 сутки сроки исследований

□ Контроль 2 □ КАУ+ЮЩВЕРМ1)

□ КАУ+КЛ2(ВЕРМ2) □ КАУ+КЛЗ(ВЕРМЗ)

Рисунок 1 - Динамика остаточного содержания ионов тяжелых металлов в пробах почвы чернозема обыкновенного в процессе ремедиации различными композициями сорбентов

ГЛАВА 4 ОЦЕНКА ТОКСИЧНОСТИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ПРОБ ПОЧВ В ПРОЦЕССЕ РЕМЕДИАЦИИ МЕТОДАМИ БИОТЕСТИРОВАНИЯ

Результаты оценки токсичности экспериментальных проб почв в процессе ремедиации методами биотестирования с использованием биотест-объектов: хлореллы (Chlorella vulgaris) и дафний (Daphnia magna) показали высокую токсичность контрольных зараженных проб почв до 30-х суток исследования.

Токсичность экспериментальных проб почв, содержащих различные композиции сорбентов, при учете результатов на дафниях (ориентировочный ответ по типу «да - нет»), сохранялась в большинстве проб на 7-е сутки ремедиации, на 14-е сутки - только в пробах всех типов почв, загрязненных кадмием, и в отдельных пробах чернозема типичного и каштановой почвы, загрязненных цинком и свинцом. На 30-е сутки все экспериментальные пробы почв были нетоксичными.

При учете результатов на хлорелле была определена степень токсичности каждой пробы почв в динамике ремедиации, что позволило рассчитать индексы токсичности. Анализ динамики токсичности проводили с учетом, что значения ИТФ в диапазоне 0,91-1,10 соответствуют норме. В работе для проведения сравнительного анализа индексов токсичности экспериментальных проб почв использовали методику расчёта индекса токсичности оцениваемого фактора (ИТФ) почвы по Кабирову с соавт. (1997). Для получения сопоставимых результатов по итогам тестирования рассчитывали индекс токсичности оцениваемого фактора или интегральный показатель токсичности среды (ИТФ), который определяли по формуле:

ИТФ=ТФ0/ТФК,

где ТФ0 - значение тест-функции в опыте, а ТФК - значение в контроле.

Для обобщения всех параметров, полученных в результате биотестирования, производили расчёт ИТФср - среднего значения величины ИТФ для каждого опыта по формуле:

ИТФср=ИТФ,+ИТФ2+..+ИТФп/п.

Затем сравнивали полученные результаты со шкалой токсичности: 6 -стимуляция: ИТФ>1,1; 5 - норма: ИТФ=0,91-1,10; 4 - низкая токсичность: ИТФ=0,71-0,90; 3 - средняя токсичность: ИТФ=0,5-0,7; 2 - высокая токсичность (LD50): ИТФ<0,5; 1 - сверхвысокая: ИТФ=0.

Динамика индексов токсичности проб каштановой почвы, загрязненной ТМ, в процессе ремедиации различными композициями сорбентов представлена на рисунке 2. Высокие значения индексов и сохранение токсичности в пробах этого типа почвы были связаны с исходными высокими значения pH, что могло негативно сказаться на культивировании такого тест-объекта, как хлорелла.

ГЛАВА 5 ОЦЕНКА АКТИВНОСТИ ПОЧВЕННОГО ДЫХАНИЯ ЗАГРЯЗНЕННЫХ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ ПОЧВ В ПРОЦЕССЕ РЕМЕДИАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СОРБЕНТОВ

В ходе исследования были проанализированы значения активности почвенного дыхания в пробах разных типов почв, загрязненных ТМ, в процессе ремедиации с помощью различных комбинаций сорбентов. Оценивали активность почвенного дыхания, как интегративного показателя биологической активности почв. Установлено существенное снижение почвенного дыхания в контрольных пробах всех типов почв, содержащих 100 ПДК ТМ, и повышение его активности в экспериментальных пробах почв в процессе ремедиации. На уровне почвенного

дыхания исходных незагрязненных проб почв (контроль 1) были значения в экспериментальных пробах чернозема и каштановой почвы с сорбентами уже к 14-м суткам, что можно объяснить высоким изначальным содержанием гумуса, стимулирующим физиологическую активность гетеротрофных бактерий. К 30-м суткам исследований во всех пробах почв с сорбентами восстанавливалась активность почвенного дыхания. Сравнительный анализ динамики активности почвенного дыхания представлен на рисунке 3.

ІИШ ^п*2 7 сутки гп+2 14 сутки /—л ИТФ 1 2 £=. й ум гп+2 30 сутки N¡^7 сутки №+2 14 сутки N¡^30 сутки ия сроки исследования

ИТФ 1,4 Уй 0--------.-^ГГ^ГІГІГЗ^ СсГ2 7 сутки СсІ+2 14 сутки сроки исследовани п тФ 1,4 1 УгШ ' РЬ*2 7 сутки РЬ 214 сутки РЬ*'30 сутки СсГ 30 сутки * сроки исследования

ИТФ 1.4, ш Zn*2 7 сутки 2л\*г 14 сроки ИССЛі — ^ ш сутки гп*2 30 сутки вдования "I А пии ЫГ2 7 сутки ЫГ2 14 сутки №*2 30 сутки сроки исследования

ИТФ 1 0,8:: г|~п 4 ° СсГ2 7 сутки СсГ2 14 с сроки иссле м утки СсГ2 30 сутки цования ИТФ 1,21 Шл, РЬ+2 7 сутки РЬ*214 сутки РЬ*2 30 сутки сроки исследования

□ Контроль 2 И КАУ+КЛ1(ВЕРМ1)

□ КАУ+КЛ2(ВЕРМ2) □ КАУ+КЛЗ(ВЕРМЗ)

Рисунок 2 - Динамика индексов токсичности проб почвы чернозема типичного (А) и каштановой почвы (Б), загрязненных тяжелыми металлами, в процессе ремедиации различными композициями сорбентов (норма - значения ИТФ в диапазоне 0,91-1,10)

ра 0,25 т

МММі:

гп I N1 І ссі | рь гп | N1 | Ссі | рь гп

Чернозем типичный Дерново-подзолистая

тЙ

Щ]

гп | N1 | сеі | РЬ

Дерново-подзолистая

гп | кн | ссі | РЬ

Каштановая

пробы почв

□ Контроль Ш1 К'лУ+КЛ 1 СЗМУ+КЛг СПКАУ+КЛЗ -«-Ч Контроль! -*-ДПКонтроль 1 —'«Контроль!

Рисунок 3 - Показатели активности почвенного дакания экспериментальных проб почв (чернозема типичного, дерново-подзолистой и каштановой почв) через 7 (А), 14 (Б) и 30 (В) суток процесса ремедиации с использованием композиций сорбентов

ГЛАВА 6 ИЗМЕНЕНИЯ МИКРОБОЦЕНОЗОВ ЗАГРЯЗНЕННЫХ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ ПОЧВ В ПРОЦЕССЕ РЕМЕДИАЦИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ КОМБИНАЦИЙ СОРБЕНТОВ

Количественный анализ микробного состава экспериментальных проб почв, загрязненных ТМ, в процессе ремедиации проводили по числу выросших колоний (КОЕ) на селективных средах при посеве почвенных взвесей,

В пробах почв чернозема типичного отмечено восстановление уровня численности гетеротрофных бактерий в экспериментально загрязненных пробах на 30-е сутки процесса ремедиации (рисунок 4), за исключением проб почв, загрязненных свинцом.

зутки . 7 сутки \ гп'2 \ о

8 ^- X

-♦-Контроль! -»-Контроль2 КАУ+КЛ1 -"-КАУ+КЛ2 -»-КАУ+КЛЗ Контроль 1 -»-Контроль2 КАУ+Вер 1 КАУ+Вер 2 -♦-КАУ+Вер3

140 т/ / 80 / 60 X -А & /¡¡и=--- 7 сутки Сс1+2 \\ ж 12оД 7суТОК РЬ+2

Контроль 1 Контроль 2 КАУ+Вер 1 КАУ+Вер 2 —«- КАУ+Вер 3 Контроль 1 -*- Контроль 2 КАУ+КЛ1 -и- КАУ+КЛ2 —КАУ+КЛЗ

Рисунок 4 - Численность гетеротрофных бактерий в пробах почв чернозема типичного, загрязненного тяжелыми металлами, в процессе ремедиации разными композициями сорбентов (учет роста на ГРМ-агаре, 107 КОЕ/г)

Динамика изменения содержания гетеротрофных бактерий в экспериментально загрязненных пробах почв в процессе ремедиации с использованием комбинаций сорбентов была сходной для каштановой и дерново-подзолистой почв - постепенное восстановление уровня их численности к концу срока наблюдения и более низкие значения на 14-е сутки по сравнению с показателями в пробах чернозема типичного.

При исследовании проб почв на наличие дрожжеподобных грибов было отмечено достаточно высокое их содержание в изначально отобранных пробах (контроль 1). Динамика изменений содержания дрожжеподобных грибов в разных типах загрязненных почв была сходной. В таблице приведены данные по изменению содержания дрожжеподобных грибов в процессе ремедиации разными композициями сорбентов в экспериментальных пробах дерново-подзолистой почвы.

Таблица - Численность дрожжеподобных грибов в пробах дерново-подзолистой почвы в процессе ремедиации разными композициями сорбентов (учет на среде Сабуро, 10 КОЕ/г)

№ Металл Сорбент Сроки исследования

7 суток 14 суток 30 суток

1 Хп КАУ+КЛ1 68,76+8,12 94,54+10,34 189,92+14,68

2 гп КАУ+КЛ2 72,46+8,98 114,78+12,34 206,72+15,24

3 гп КАУ+КЛЗ 92,44+14,52 151,84+21,57 278,16+17,10

4 гп Контроль 2 38,46±6,78 40,14+7,68 46,78+8,76

5 N1 КАУ+Вер 3 64,56+6,62 102,32+9,76 165,44+12,32

6 № КАУ+Вер 2 60,94± 10,91 92,38+8,54 138,92+13,24

7 № КАУ+Вер 1 59,14±9,86 84,34+8,52 118,74+10,72

8 № Контроль 2 38,96±5,52 44,76+4,62 51,17+7,43

9 РЬ КАУ+КЛ1 71,14+8,26 112,02+5,53 198,72+16,78

10 РЬ КАУ+КЛ2 78,66+9,94 136,84+12,52 202,34+10,86

11 РЬ КАУ+КЛЗ 82,05+6,53 144,32+13,57 207,22+10,26

12 РЬ Контроль 2 41,06+1,04 46,84+3,38 54,68+6,76

13 Сё КАУ+Вер 3 63,28+7,54 86,72+13,15 208,56+34

14 Сё КАУ+Вер 2 65,89+9,82 94,56+10,42 192,34+13,25

15 Сё КАУ+Вер 1 58,46+7,78 92,16+6,76 218,01+5,69

16 Сё Контроль 2 43,55+4,67 49,64 62,43+6,72

17 - Контроль 1 240,86+17,83

Отмечено, что после внесения в почву 100 ПДК тяжелых металлов происходило резкое снижение количества дрожжеподобных грибов. Однако, далее в процессе ремедиации с использованием различных комбинаций сорбентов, их содержание постепенно восстановилось. В пробах почв при загрязнении цинком и применении комбинаций сорбентов количество дрожжеподобных грибов даже увеличилось. В пробах загрязненной почвы без внесения сорбентов (контроль 2) было отмечено незначительное увеличение количества микроорганизмов к концу срока наблюдения.

Аналогичная ситуация отмечена и для актиномицетов в загрязненных экспериментальных пробах почв в процессе ремедиации с использованием комбинаций сорбентов. На 7-е сутки численность микроорганизмов этой физиологической группы была в пределах значений К2, на 14-е сутки отмечено достоверное превышение этих показателей. На 30-е сутки ремедиации число актиномицетов было равным или превышало значения К1. Полученные результаты представлены на рисунке 5 на примере проб каштановой почвы.

о гп2" □ г\и2* в ее!2" а рь2+

Рисунок 5 - Численность актиномицетов в пробах каштановых почв, загрязненных тяжелыми металлами, в процессе ремедиации разными композициями сорбентов (учет роста на ГРМ-агаре, 107 КОЕ/г)

Были изучены культурально-морфологические особенности выросших колоний бактерий, актиномицетов, дрожжеподобных и плесневых грибов; морфология и тинкториальные свойства клеток из этих колоний при окраске мазков по общепринятым методикам. Это позволило сделать заключение о присутствии в микробном составе исследуемых проб почвы грамположительных и грамотрицательных бактерий, спорообразующих форм, пигментообразующих микроорганизмов и определить видовую принадлежность доминирующих форм.

Результаты исследований микробного состава экспериментальных проб почв в процессе ремедиации показали изменения количественного содержания микробов разных таксономических групп: резкое снижение микробного состава в контрольных пробах загрязненных почв и постепенное восстановление к 30-м суткам (концу срока исследований). Отмечены некоторое снижение общей численности микробов и флуктуационные изменения микробной системы,

затрагивающие интенсивность микробиологических процессов в экспериментальных пробах почв, содержащих комбинации сорбентов, на 7-14-е сутки исследований.

Сравнительный анализ динамики содержания разных таксономических групп микроорганизмов в процессе ремедиации показал полное восстановление количественного содержания гетеротрофных бактерий во всех экспериментальных пробах почв к 30-м суткам и выраженную стимуляцию роста актиномицетов на фоне пониженного содержания дрожжеподобных грибов.

Корреляционный анализ эффективности использования различных композиций сорбентов для ремедиации экспериментальных проб почв, содержащих тяжелые металлы, проведенный по показателям остаточного содержания металлов в пробах почв, остаточной токсичности, микробного баланса и динамики ремедиации, показал перспективность дальнейших испытаний в условиях полевого исследования следующих комбинаций сорбентов: КАУ + клиноптилолит 3 для всех типов почв, зараженных цинком и свинцом; КАУ + вермикулит 2 - для каштановых почв, зараженных никелем.

На основании полученных результатов были разработаны рекомендации по использованию комбинаций сорбентов для разных типов почв и вида загрязнителя.

Рекомендации по внедрению

Для всех типов почв, содержащих большие количества (в пределах 100 ПДК и выше) цинка и свинца, рекомендуется использовать для сорбционной технологии ремедиации композицию сорбентов КАУ+ клиноптилолит 3, при условии характеристик почвы, соответствующих влагоемкости 60% и рН в пределах 6,5 - 7,2.

Для каштановых почв, зараженных никелем, при значениях рН выше 7,2-7,4 рекомендовано использование комбинации сорбентов КАУ+вермикулит 2.

ВЫВОДЫ

1. Оценка в лабораторных условиях экологического состояния разных типов почв: чернозема типичного, дерново-подзолистой и каштановой почв, загрязненных тяжелыми металлами в концентрации 100 ПДК, на основе химико-аналитических, экотоксикологических и микробиологических исследований показала однотипное резкое снижение биологической активности почв, качественного и количественного состава микробиоценоза.

2. Выявлена взаимосвязь уровня токсичности проб почв для тест-объектов (хлореллы и дафний) с остаточным содержанием ионов тяжелых металлов.

3. Установлено достоверное снижение концентраций ионов тяжелых металлов от исходных 100 ПДК до 1 и ниже в течение 30 суток в экспериментальных пробах почв при использовании комбинаций сорбентов: КАУ + клиноптилолит и КАУ + вермикулит.

4. Показана высокая информативность определения активности почвенного дыхания как интегрального показателя для оценки экологического состояния почв в экспериментальных условиях в процессе ремедиации с использованием комбинаций сорбентов.

5. Выявлены закономерности изменения качественного и количественного состава микроорганизмов экспериментальных проб почв в процессе ремедиации в зависимости от приоритетного загрязнителя и основных характеристик почв.

6. Доказана эффективность использования комбинации сорбентов КАУ + клиноптилолит 2 для изученных типов почв, загрязненных 100 ПДК тяжелых металлов, и КАУ + вермикулит 2 - для каштановых почв, зараженных никелем, при значениях рН выше 7,2-7,4.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в журналах, рекомендованных ВАК РФ:

1. Трояновская, Е.С. Оценка состояния почв городских территорий методом комплексного биотестирования / Е.С. Трояновская, О.В. Абросимова, Е.И. Тихомирова И Теоретическая и прикладная экология. - 2011. - №2 - С. 32-36.

2. Трояновская, Е.С. Оценка экологического состояния почвенного покрова г. Саратова / О.В. Абросимова, Е.С. Трояновская, М.Ю. Меркулова, Е.И. Тихомирова // Поволжский экологический журнал. - 2012. - №4. - С. 376-384.

3. Трояновская, Е.С. Оценка эффективности комбинированной сорбционной технологии ремедиации разных типов почв, загрязненных тяжелыми металлами / Е.И.Тихомирова, Е.С. Трояновская, Н.В. Веденеева и др. //Фундаментальные исследования.-2013. -№ 11.-4.2.-С. 137-142.

Публикации в других изданиях:

4. Трояновская, Е.С. Токсикологические исследования почв на дафниях / Е.С. Трояновская, Т.И. Кашина // Экология России и сопредельных территорий: тез. докл. XV Междунар. экологической студенческой конф. - Новосибирск: РИЦ НГУ, 2010.-С. 94.

5. Трояновская, Е.С. Биоиндикация почв г. Саратова с помощью комплекса тест-объектов / Е.С. Трояновская, Ю.В. Юдина, В.В. Кулезнева // Экология: синтез естественно-научного, технического и гуманитарного знания: материалы Всерос. науч.-практ. конф. - Саратов: СГТУ, 2010. - С. 185-186.

6. Трояновская, Е.С. Определение степени токсичности почв г. Саратова с помощью тест-объекта Daphnia magna Straus / Е.С. Трояновская, Т.И. Кашина // Экология: синтез естественно-научного, технического и гуманитарного знания: материалы Всерос. науч.-практ. конф. - Саратов: СГТУ, 2010. - С. 144-146.

7. Трояновская, Е.С. Оценка токсичности почв города Саратова с использованием комплекса биотест-объектов / Е.С. Трояновская, Т.И. Кашина, Е.И. Тихомирова и др. // Вавиловские чтения - 2010: материалы Междунар. науч.-практ. конф.: в 3 т. - Саратов: КУБиК, 2010. - Т.1. - С. 267.

8. Трояновская, Е.С. Сравнительный анализ оценки токсичности почв г. Саратова с использованием разных биотест-объектов / Е.С. Трояновская, Ю.В Юдина, О.В. Абросимова, Е.И. Тихомирова // Экологические проблемы промышленных городов: сб. науч. тр. 4-й Всерос. конф. с междунар. участием: в 2 ч,- Саратов: СГТУ, 2011. - Ч. I. - С. 151-154.

9. Трояновская, Е.С. Комплексное биотестирование почв города Саратова / Е.С.Трояновская, Ю.В. Юдина, О.В. Абросимова //Биология - наука XXI века: сб. тез. 15-й Междунар. Пущинской школы-конф. молодых ученых. - Пущино: Пущинск. науч. центр РАН, 2011. - С. 228.

10. Трояновская, Е.С. Оценка токсичности почв г. Саратова с использованием разных тест-реакций дафний / Е.С. Трояновская, Т.И. Кашина, В.В. Кулезнева // Студент и научно-технический прогресс. Биология: материалы XLIX Междунар. науч. студенческой конф. - Новосибирск: РИЦ НГУ, 2011. - С. 80.

11. Трояновская, Е.С. Оценка токсичности разных типов почв, загрязненных тяжелыми металлами, в процессе ремедиации / Е.С. Трояновская, Е.И. Тихомирова, О.В. Абросимова и др. // Экология: синтез естественно-научного, технического и гуманитарного знания: материалы II Всерос. науч.-практ. форума. - Саратов: СГТУ, 2011.-С. 115-119.

12. Трояновская, Е.С. Влияние сорбентов на содержание тяжелых металлов в разных типах почв в процессе ремедиации / О.В. Абросимова, Е.С. Трояновская, Е.И. Тихомирова и др. // Экология: синтез естественно-научного, технического и гуманитарного знания: материалы II Всерос. науч.-практ. форума. - Саратов: СГТУ, 2011.-С. 124-128.

13. Трояновская, Е.С. Мониторинг урбаноземов по показателям биологической активности / О.В. Абросимова, М.Ю. Меркулова, Е.И. Тихомирова, Е.С. Трояновская // Экология: синтез естественно-научного, технического и гуманитарного знания: сб. науч. тр. по материалам II Всерос. науч.-практ. форума. - Саратов: СГТУ, 2012. - С. 32-38.

14. Трояновская, Е.С. Сравнительный анализ токсичности разных типов почв, загрязненных тяжелыми металлами, в процессе ремедиации с использованием комбинаций сорбентов / Е.С. Трояновская, Е.И. Тихомирова, Н.В. Веденеева и др. // Экология: синтез естественно-научного, технического и гуманитарного знания: материалы III Всерос. науч.-практ. форума. - Саратов: СГТУ, 2012.-С. 148-149.

15. Трояновская, Е.С. Использование комбинаций сорбентов в технологии ремедиации разных типов почв, загрязненных тяжелыми металлами / Е.И. Тихомирова, Е.С. Трояновская, Н.В. Веденеева, С.Э. Третьякова // Биотехнология: реальность и перспективы в сельском хозяйстве: материалы Междунар. науч.-практ. конф. - Саратов: КУБиК, 2013. - С. 271-272.

16. Трояновская, Е.С. Изменения микробоценоза каштановых почв при сорбционной технологии очистки загрязнений тяжелыми металлами / Е.С. Трояновская, Е.И.Тихомирова, О.В. Абросимова // Сб. материалов I Кавказского экологического форума. - Грозный, 2013. - С. 112-114.

17. Troyanovskaya, E.S. Efficiency of sorption technology FOR cleaning soilS contaminated with heavy metals / E.I. Tikhomirova, E.S. Troyanovskaya,O.V. Abrosimova // Ökologishe, Technjlogishe und Rechtliche Aspekte der Lebensversorgung: Das Internationale Symposium "Euro-Eco-2013". - Hannover, 2013. P. 24-25.

Благодарности.

Выражаю глубокую признательность за всестороннюю помощь при выполнении и подготовке диссертационной работы своему научному руководителю - заведующей кафедрой экологии Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А., доктору биологических наук, профессору Е.И. Тихомировой.

Выражаю благодарность сотрудникам кафедры экологии Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. за всестороннюю практическую помощь в проведении исследований на базе научной биологической лаборатории и НОЦ «Промышленная экология», искреннюю поддержку и доброе отношение.

Особая признательность руководству ОАО НИИТОНХиБТ в лице

B.В. Олискевича и Н.В. Талаловской, руководителю отдела биотехнологии

C.Э. Третьяковой за предоставленную возможность участия в выполнении ОКР «Почва».

Трояновская Екатерина Сергеевна

Автореферат

Подписано в печать 21.11.2013 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ 44

ООО «Издательский Дом «Райт-Экспо»

41003!, Саратов, Волжская ул., 28 Отпечатано в ООО «ИД «Райт-Экспо» 410031, Саратов, Волжская ул., 28, тел. (8452) 90-24-90

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Трояновская, Екатерина Сергеевна, Саратов

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

На правах рукописи

04201453891 Трояновская Екатерина Сергеевна

Специальность 03.02.08 - Экология (биология)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель -доктор биологических наук, профессор Тихомирова Е.И.

Саратов 2013

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 5

Глава 1. Обзор литературы 11

1.1 Характеристика почвы как экосистемы 11

1.2 Характеристика основных типов почв 16

1.2.1 Характеристика черноземных почв 16

1.2.2 Характеристика дерново-подзолистых почв 18

1.2.3 Характеристика каштановых почв 20

1.2.4 Характеристика почв Саратовской области 22

1.3 Загрязнение почв тяжелыми металлами 24

1.4 Сорбционные методы очистки почв 31

1.5 Методы мониторинга биологической активности почв 40

1.5.1 Микробиологическая активность почв 4 0

1.5.2 Биохимическая активность почв 45 Глава 2. Материалы и методы 5 1

2.1 Объекты исследования 51

2.1.1. Почва 51

2.1.2. Тяжелые металлы 5 2

2.1.3. Сорбенты и их композиции 5 3

2.2 Алгоритм проведения исследований 54

2.3 Методы исследований 61

2.3.1 Методы химико-аналитического контроля содержания ТМ в 61 экспериментальных пробах почв

2.3.2 Оценка токсичности экспериментальных проб почв методами 64

биотестирования

2.3.3 Методика определения почвенного дыхания 72

2.3.4 Методы исследования микробного состава проб почв 74

2.3.5 Методы статистической обработки результатов 77

Глава 3 Химико-аналитический контроль содержания тяжелых металлов в 78 экспериментальных пробах почв в процессе ремедиации

3.1 Сравнительный анализ динамики содержания тяжелых металлов в 78 экспериментальных пробах почв

3.2 Сравнительный анализ сорбционной емкости композиций сорбентов 8 4 Глава 4 Оценка токсичности экспериментальных проб почв в процессе 88 ремедиации методами биотестирования

Глава 5 Оценка активности почвенного дыхания загрязненных тяжелыми 9 8 металлами почв в процессе ремедиации с использованием сорбентов Глава 6 Изменения микробоценозов загрязненных тяжелыми металлами 102 почв в процессе ремедиации с использованием комбинаций сорбентов Заключение 115

Выводы 118

Список используемых источников литературы 119

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

Верм - вермикулит

ГРМ - панкреатический гидролизат рыбной муки, питательная среда

ДВ - действующее вещество

ИТФ - индекс токсичности оцениваемого фактора

КАУ - косточковый активированный уголь

КВ - культиватор

КВМ - многоюоветный культиватор водорослей

КЛ - клиноптилолит

КОЕ - колониеобразующие единицы

ПВ - полная влагоемкость

ПДК - предельно-допустимая концентрация

Пд - дерново-подзолистая почва

Пк - каштановая почва

Пч - черноземная почва

ТМ - тяжелые металлы

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Почвенный покров является саморегулирующейся биологической системой, важнейшей частью биосферы в целом (Галстян, 1961; Звягинцев, 1978; Кауричев и др. 1979; Бабьева, Зенова, 1989; Вальков, 1995; Саловарова, Трифонова, 1996; Вальков, Казеев, Колесников, 2004; Ананьева, Кононцева, Довбыш, 2007).

Воздействие человека на почву - составная часть общего влияния человеческого общества на земную кору и ее верхний слой, на природу в целом. В связи с ростом населения, особенно в развивающихся странах, деградацией почвенного покрова, его загрязнения, эрозии и так далее, а также вследствие отвода земель под застройку городов, поселков и промышленных предприятий, количество пашни на душу населения резко сокращается (Рева, Филатова, 1978; Григорян, 1980; Герасимова и др., 2003).

Среди множества техногенных факторов, отрицательно воздействующих на почвенный покров, особое место занимает загрязнение почв тяжелыми металлами (ТМ), такими как цинк, свинец, кадмий (Беспамятное, Кротов, 1985; Алексеев, 1987; Александров, Емельянов, 1990; Орлов и др., 1991; Колесников, Казеев, Вальков, 2001; Казеев, Колесников, Вальков, 2003; Латышевская, Филатов, Васильков, 2010). В этой связи особенно остро стоит вопрос о способах очистки почв от ТМ.

удаления верхнего загрязненного слоя почвы и т.п. Второй подход основан на закреплении ТМ в почве, переводе их в нерастворимые в воде и недоступные живым организмам формы. Для этого предлагается внесение в почву органического вещества, фосфорных минеральных удобрений, ионообменных смол, природных цеолитов, бурого угля, известкование почвы и т.д. Однако любой способ закрепления ТМ в почве имеет свой срок действия. Рано или поздно часть ТМ снова начнет поступать в почвенный раствор, а оттуда в живые организмы (Вальков и др., 2004).

Задачи исследований:

1. Провести химико-аналитический контроль содержания ионов

'У | 'У | г\ | |

тяжелых металлов (2хГ, РЬ , Сс1 , N1 ) в процессе сорбционной очистки разных типов загрязненных почв (чернозем типичный, дерново-подзолистые, каштановые) с использованием различных комбинаций сорбентов.

Научная новизна работы

Впервые проведено комплексное исследование в лабораторных условиях эффективности использования сорбционной технологии для ремедиации разных типов почв и дана оценка их экологического состояния на основе химико-аналитического, экотоксикологического и микробиологического анализа. Установлено достоверное снижение концентраций ионов тяжелых металлов от исходных 100 ПДК до 1 и ниже в течение 30 суток в экспериментальных пробах почв при использовании комбинаций сорбентов: КАУ + клиноптилолит и КАУ + вермикулит. Выявлена взаимосвязь уровня токсичности проб почв для тест-объектов (хлореллы и дафний) с остаточным содержанием ионов тяжелых металлов. Показана высокая информативность определения активности почвенного дыхания как интегрального показателя для оценки экологического состояния почв в экспериментальных условиях в процессе ремедиации с использованием комбинаций сорбентов.

Выявлены закономерности изменения качественного и количественного состава микроорганизмов загрязненных тяжелыми металлами проб почв в процессе ремедиации в зависимости от приоритетного загрязнителя и основных характеристик почв. Установлено резкое снижение микробного состава в контрольных пробах загрязненных почв. Отмечено некоторое увеличение общей численности бактерий и флуктуационные изменения микробной системы, затрагивающие интенсивность микробиологических

процессов на 7 - 14 сутки ремедиации. Восстановление численности гетеротрофных бактерий, дрожжеподобных грибов и актиномицетов в разных типах почв, загрязненных тяжелыми металлами, происходило к 30-м суткам при использовании комбинаций сорбентов. Установлено, что большей эффективностью обладает комбинация сорбентов КАУ + клиноптилолит (соотношение 1 : 3).

- в практике при подборе сорбентов в зависимости от характера и степени загрязнения почв и при использовании сорбционной технологии;

Результаты исследований внедрены в учебный процесс кафедры «Экология» СГТУ имени Гагарина Ю.А. при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Экология и рациональное природопользование», при чтении лекций и проведении практических занятий по дисциплинам: «Экологический мониторинг», «Прикладная экология», «Экотоксикология», «Экология микроорганизмов», «Почвоведение», при организации и проведении научно-исследовательских работ студентов, написании курсовых и дипломных работ. Результаты исследований внедрены также в учебный процесс кафедры «Микробиология и физиология растений» Саратовского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского» по дисциплинам «Почвенная микробиология» и «Экология микроорганизмов»,

Работа выполнена на кафедре экологии Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. в период с 2009 по 2012 гг. в рамках НИР СГТУ 13 В «Разработка методов оценки и реабилитации загрязненных природных сред» (2009-2010 гг.) и ОКР «Почва» № госрегистрации 01200960905. Исследования поддержаны грантом Федеральной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (государственный контракт СГТУ-7, 2012-2013).

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на конференциях различного уровня: Международной конференции «Антропогенная трансформация природной среды» (Пермь, 2010); Международной экологической студенческой конференции «Экология России и сопредельных территорий» (Новосибирск, 2010); Международной научно-практической конференции «Вавиловские чтения 2010» (Саратов, 2010); 1-3 Всероссийских научно-практических форумах «Экология: синтез естественнонаучного, технического и гуманитарного знания» (Саратов, 2010-2012); Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2011); Международной Пущинской школе-конференции молодых ученых «Биология - наука XXI века» (Пущино, 2011); Всероссийской научно-практической конференции молодежи «Экология родного края: проблемы и пути их решения» (Киров, 2011), 5-6 Всероссийских конференциях с международным участием «Экологические проблемы промышленных городов» (Саратов, 2011, 2013); Международной научно-практической конференции «Биотехнология: реальность и перспективы в сельском хозяйстве» (Саратов, 2013); Четвертом Международном экологическом конгрессе ЕЬРГГ-2013 (Тольятти, 2013), Шестой международной научно-технической конференции (Тольятти, 2013), Первом Кавказском экологическом форуме (Грозный, 2013).

Личный вклад автора. Диссертант принимал непосредственное участие в проведении лабораторных экотоксикологических, химико-аналитических и микробиологических исследований. Обработка полученных

данных, их интерпретация и оформление, а также разработка в итоге практических предложений осуществлены автором самостоятельно. Доля личного участия в публикациях составляет от 50 до 75%.

На основании материалов научного исследования были подготовлены проекты для участия в конкурсе «Лучший молодежный бизнес-проект СГТУ 2010» в рамках областной целевой программы «Развитие малого и среднего предпринимательства в Саратовской области» (проект поддержан грантом) и конкурсе «У.М.Н.И.К. - 2011» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе три статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Одномоментное загрязнение в лабораторных условиях разных типов почв: чернозема типичного, дерново-подзолистой и каштановой почвы тяжелыми металлами в концентрации 100 ПДК приводит к однотипному резкому снижению их биологической активности, выраженным изменениям качественного и количественного состава микробиоценозов.

ГЛАВА 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Характеристика почвы как экосистемы

Почва является сложной биологической системой, находящейся в динамическом равновесии. Нарушение этого равновесия зачастую связано с промышленной деятельностью человека (Звягинцев, 1978; Орлов и др., 1991; Вальков, 1995; Вальков, Колесников, Казеев, 2002; Ивлев, Дербенцева 2003; Казеев, Колесников, Вальков, 2003; Ксенофонтова, 2009; Колесников, Казеев, Вальков, 2006; Решетов, Белов, Корсак, 2008; Денисова, 2011; 8Ытр е1 а1., 1993). Почва, в отличие от других компонентов природной среды, не только геохимически аккумулирует компоненты загрязнений, но и выступает как природный буфер, контролирующий перенос химических элементов и соединений в атмосферу, гидросферу и живое вещество.

Особое свойство почвенного покрова - его плодородие, под которым понимается совокупность свойств почвы, обеспечивающих урожай сельскохозяйственных культур. Естественное плодородие почвы связано с запасом питательных веществ в ней и ее водным, воздушным и тепловым режимами. Почва обеспечивает потребность растений в водном и азотном питании, являясь важнейшим агентом их фотосинтезирующей деятельности.

Почвенный покров принадлежит к саморегулирующейся биологической системе, являющейся важнейшей частью биосферы в целом. Живые организмы, растения и животные, населяющие Землю, фиксируют солнечную энергию в форме фито - и зоомассы. Продуктивность наземных экосистем зависит от теплового и водного балансов земной поверхности, которые определяют многообразие форм обмена энергией и веществом в пределах географической оболочки планеты (Бабьева, Левин, Решетов, 1980; Вельков, 1995; Вальков, 2004).

Среди множества техногенных факторов, отрицательно воздействующих, на почвенный покров особое место занимает загрязнение почв тяжелыми металлами (ТМ), такими как цинк, никель, свинец, кадмий. Остро стоит вопрос о способах очистки почв от ТМ (Беспамятнов, Кротов, 1985; Алексеев, 1987; СанПиН 42-128-4433-87; Александров, 1990; РД 52.18.289-90; ГН 1.1.725-98; Казеев, 2003; Колесников, 2001; ГН 2.1.7.204106; ГН 2.1.7.2042-06; ГН 2.1.7.2511-09; Латышевская, 2010; Ыашкоопв, 2002).

Загрязнение почвы проявляется в двух формах:

- физической, при которой изменение почвы связано с различными, прежде всего механически действующими, агентами, способными через влияние на ризосферу привести к существенным нагрузкам на соответствующие экосистемы;

- химической, когда изменение химического состава почвы возникает под прямым или косвенным воздействием промышленного, сельскохозяйственного, коммунального факторов землепользования и вызывает снижение качества почвы, увеличивая возможную опасность для здоровья населения.

Причинами физических нагрузок на почву являются повышенное давление на поверхность почвы (транспорт, вытаптывание), особые агротехнические мероприятия и процессы, связанные с перемещением почвы. Они приводят к изменениям почвенных параметров, касающихся, прежде всего, сложения и структуры почвы, например порозности и плотно

Информация о работе

Трояновская, Екатерина Сергеевна
кандидата биологических наук
Саратов, 2013
ВАК 03.02.08

Диссертация

Экологическая характеристика разных типов почв, загрязненных тяжелыми металлами, в процессе ремедиации с использованием комбинаций сорбентов - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы