Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экологическая оценка городских почв с применением "Триадного" подхода

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Экологическая оценка городских почв с применением "Триадного" подхода"

/!а правах рукописи

Пукальчнк Мария Алексеевна

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ГОРОДСКИХ ПОЧВ С ПРИМЕНЕНИЕМ «ТРИАДНОГО» ПОДХОДА (НА ПРИМЕРЕ г. КИРОВА)

Специальность: 03.02.08- жология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических паук

1 ' МОЯ 2013

005538305

Мое к на 2013

005538305

Работа выполнена на кафедре земельных рееуреов п оценки почв факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова.

Научным руководитель:

доктор биологических наук Терехова Вера Александровна

Официальные оппоненты:

доктор биологических наук Пулгаков Николаи Гурьевич

Московский государственный университет

имени М.В. Ломоносова,

биологичсскни факультет,

ведущий научный сотрудник

доктор биологических наук, профессор, Васенек Иван Иванович

Российским государственный аграрный университет - МС'ХА имени К.А. Тимирязева, заведующий кафедрой жологии

Ведущая организации: Федеральное государственное

автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южный федеральный университет"

Защита состой гея «26» ноября 2013 года в 15 час. 30 мин. в аудитории М-2 на заседании Диссертационного совета Д 501.001.57 при МГУ имени М.В. Ломоносова по адресу 119991, Москва, Ленинские горы, МГУ имени М.В. Ломоносова, дом 1, стр. 12, факультет почвоведения.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова.

Ав торефера т разослан «25» октября 2013 года.

Ученый секретарь .

диссертационного совета Алла Сергеевна Никифорова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Состояние городской среды - одна из наиболее острых проблем экологии. Прогрессирующее ухудшение условий жизни в городах обусловлено выбросами большого количества загрязняющих веществ, разными видами физических воздействий, нарушением целостности почвенного покрова в урбоэкосистемах, что влияет на способность городских почв выполнять экологические функции (Добровольский, Никитин, 1986; «Почва. Город. Экология.», 1997; Строганова и др., 2001; «Экологические функции городских почв», 2004 и др.). Источниками экологических проблем в крупных городах являются многообразные виды хозяйственной деятельности, среди которых неизбежно важное место занимает транспорт.

В последние два десятилетия в нашей стране уделяется большое внимание разработке подходов к оценке экологического состояния почв, основанной на диагностике изменений их биогенных и абиогенных компонентов (Виноградов, 1993; Опекунов, 2006; Терехова, 2010; Левин, 2013 и др.). Одной из проблем на этом пути остается поиск наилучших способов интегрирования данных экологического мониторинга (Воробейчик и др., 1994; Булгаков и др., 2002 и др.). Предложено немало вариаций расчета индексов состояния почв, значения которых сопоставляются затем с уровнями техногенной нагрузки и/или категориями качества окружающей природной среды (Сает, 1990; Казеев и др., 2003; Яковлев, Макаров, 2006; Попутникова, Терехова, 2010 и др.). В мировой литературе как надежный прием характеристики экологического риска при загрязнении природных сред отмечается «Триадный» подход (TRIAD approach), основанный на методологии междисциплинарного уровня и учитывающий данные химических, биоиндикационных и токсикологических исследований (Chapman et al., 2002; Rutgers et al., 2005; Dagnino et al., 2008; Semenzin et al., 2008; Ribe et al., 2012). Опыта его применения для оценки почв, тем более при исследовании урбоэкосистем России, явно недостаточно.

Проблема экологической оценки загрязненных почв связана с поиском эффективных способов восстановления их качества. Особое внимание при этом уделяется ремедиации с применением гуминовых веществ - продуктов «зеленой химии». Повышенный интерес к гуминовым препаратам способствует совершенствованию традиционных технологий их производства, расширению сырьевой базы, а также внедрению инноваций в этой отрасли. В частности, новые продукты создаются на основе ускоренной гумификации лигнинсодержащего сырья (лигногумат) (Koivula, 2004; Иванова, 2009), а также путем увеличения количества реакционных центров за счет включения в гуминовую матрицу наноразмерных частиц металлов (наномагнетитогумат) (Ponder et al., 2000; Жоробекова, Кыдралиева, 2010; Perminova, 2012). Необходимость проверки ремедиационной активности и экобезопасности подобных гуминовых препаратов представляется актуальной.

Цель работы заключалась в экологической оценке урбаноземов г. Кирова на основе «Триадного» подхода и установлении целесообразности использования некоторых гуминовых препаратов для их ремедиации .

Задачи:

1. Оценить экологическое состояние городских почв, испытывающих воздействие транспортной нагрузки, с использованием химического, токсикологического и биоиндикационного методов анализа.

2. Изучить биологические эффекты двух новых гуминовых препаратов как агентов ремедиации почв.

3. Охарактеризовать качество загрязненных почв до и после применения исследуемых гуминовых препаратов на основе «Триадного» подхода (по данным химических, биоиндикационных и токсикологических анализов).

Научная новизна. На основе «Триадного» подхода к экологической оценке при обобщении данных химического, токсикологического и биоиндикационного мониторинга городских почв получены интегральные индексы экологического состояния, которые характеризуют участки урбаноземов, в разной степени подверженные влиянию автотранспорта.

При изучении структуры микробиотических сообществ почв, в том числе, с применением липидных маркеров (методом ГХ-МС) получены данные, демонстрирующие индикационную значимость меланизированных форм почвенных микромицетов как в условиях техногенного стресса, так и при оценке ремедиационных эффектов гуматов.

Выявлены особенности действия гуминовых препаратов (лигногумата и наномагнетитогумата) на живые организмы и экологическое качество образцов урбаноземов. Показано, что их положительный эффект не связан с иммобилизацией исследованных тяжелых металлов, а обусловлен другими свойствами.

Впервые исследована экологическая безопасность инновационного гуминового препарата, содержащего инженерные наноматериалы (частицы магнетита). В вегетационном эксперименте установлены безопасные концентрации и концентрации, вызывающие заметную трансформацию структурно-функциональных особенностей почвенной микробиоты и угнетение роста высших растений.

Практическая значимость. Полученные результаты и «Триадный» подход могут быть использованы для оценки и прогнозирования экологической обстановки городской среды на локальном и региональном уровнях, а также для решения прикладных задач: архитектурно-планировочных и рекреационных на территории города. В работе представлены рекомендации по управлению качеством городских почв в зависимости от их экологического состояния.

Результаты работы полезны для разработкие систем контроля и оценки экобезопасности гуминовых препаратов при проведении ремедиационных работ. Отдельные положения и выводы могут быть включены в образовательные программы для студентов экологических специальностей ВУЗов.

Участие в проектах. Исследования проводились при поддержке РФФИ (грант №10-04-90758-моб_ст), Программа фундаментальных исследований Президиума РАН «Живая природа: современное состояние и проблемы развития», ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» ГК № 02.740.11.0693.

Апробация. Результаты исследования представлены и обсуждены на конференциях «Экологическое нормирование, сертификация и паспортизация почв как научная основа рационального землепользования» (Москва, 2010), Europe 21st Annual Meeting Society of Environmental Toxicology and Chemistry (SETAC), (Milan, 2011), «Биологический мониторинг природно-техногенных систем» (Киров, 2011), Europe 22st Annual Meeting Society of Environmental Toxicology and Chemistry (SETAC), (Berlin, 2012), «Natural and engineered nanoparticles in clean water and soil technologies» (HIT) (Москва, 2012), «Биодиагностика в экологической оценке почв и сопредельных сред» (Москва, 2013), а также на заседаниях кафедры земельных ресурсов и оценки почв факультета почвоведения МГУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК.

Личный вклад автора. Все этапы работы были проведены лично автором или при его непосредственном участии: отбор и анализ образцов почв, постановка вегетационного эксперимента, обработка полученных результатов.

Структура и объем работы. Диссертация включает введение, обзор литературы, экспериментальную часть, выводы и заключение. Материалы диссертации изложены на 148 страницах машинописного текста, содержат 25 рисунков, 15 таблиц. Список литературы включает 259 источников, из них 92 зарубежные.

Благодарности. Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю д.б.н. Тереховой В.А. за ценные советы и рекомендации на всех этапах исследования, д.т.н. Т.Я. Ашихминой - за формирование интереса к экологическим проблемам города Кирова. Особую благодарность автор выражает сотрудникам ЛЭТАП и кафедры земельных ресурсов и оценки почв факультета почвоведения МГУ, лично зав. каф., проф. Яковлеву A.C., д.х.н. Кыдралиевой К.А., а также д.б.н. Верховцевой Н.В., к.б.н. Якименко О.С., к.б.н. Семеновой Т.А., к.б.н. Рахлеевой A.A. за помощь в организации исследования, проведении анализов и обсуждение результатов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. «Современные подходы к экологической оценке и ремедиации почв при антропогенном загрязнении» посвящена проблемам оценки антропогенного загрязнения городских почв (Vink, 1983; Строганова, 2007; Добровольский, 2012). Проведен анализ роли химических, физических и биотических показателей в оценке качества почв (Криволуцкий и др., 1976; Ильин, 1992; Воробейчик и др., 1994; Казеев и др., 2003; Терехова, 2007, 2011; Boluda et al., 2011). Рассмотрены различные методы интеграции данных экологического мониторинга (Воробейчик, 1994; Булгаков, 1992; Максимов и др., 2000; Левич, 2013). Сделан акцент на возможности и перспективах применения «Триадного» подхода (метода Триад) для оценки экологического состояния

почв (Long, 1985; Rutgers et al., 2005; Dagnino et al., 2008; Semenzin et al., 2008; Ribc et al, 2012).

Приводятся сведения об основных подходах к восстановлению (ремедиации) почвенного покрова урбоэкосистем и опыте применения гуминовых препаратов (Buchwalter et al., 1995; Haynes et al., 2001; Гапоненко, 2004; Степанов и др., 2012 и др.). Как пример инновационных разработок при создании современных ремедиационных препаратов описываются способы модификации гуминовых препаратов с включением, в частности, инженерных наночастиц, с целью получения ремедиантов повышенной эффективности (Ponder et al., 2000; Жоробекова и др., 2010; Юрищева и др., 2011). Отмечаются их достоинства при очистке водных сред и слабая изученность эффектов в загрязненных почвах.

Глава 2. Материалы и методы исследования

Согласно данным Росприроднадзора (региональный доклад «О состоянии окружающей среды...», 2010г.) г. Киров относится к разряду неблагополучных территорий России. К источникам экологических проблем в городе, наряду с химической и металлургической промышленностью, относится транспорт.

Образцы городских почв. Исследования проводили на образцах урбаноземов, испытывающих аэротехногенную нагрузку от оживленной автотрассы в индустриальном районе Октябрьский г. Кирова. Пробы отбирали в мае 2010 и 2011 гг. с пробных площадок, площадью 10 м2, расположенных по предполагаемому градиенту уменьшения техногенной нагрузки. Всего исследовано пять площадок со сходной травянисто-кустарничковой растительностью, отобранные на расстоянии 5; 30; 50 и 150 и 200 м из верхних горизонтов (IVAi) с глубины 0-20 см (пробные площадки №№ 1, 2, 3, 4 и 5, соответственно). Исследованные урбаноземы г. Кирова формировались на основе дерново-подзолистых почв. Условным «фоном» считали площадку в юго-западной части города на территории лесопарковой зоны, наименее подверженной воздействию техногенной нагрузки.

Гуминовые препараты (ГП), использованные в работе:

Гуминовый препарат 1 - «Лигногумат К» (НПО «РЭТ», Россия) получен в ходе искусственной гумификации лигносульфоната. Он содержит небольшое количество (масс. %) - N - 0,37; S ~ 4,0; С-35,0; К - 3,0; Р -0,1. Для его состава характерно преобладание фульвокислот и веществ кислоторастворимых фракций над гуминовыми кислотами: 90 и 10%, соответственно.

Гуминовый препарат 2 - «Наномагнетитогумат» (Институт ОАО «Биохиммаш», Россия) получен в ходе механохимического синтеза. Содержание гуминовых кислот, связанных с наночастицами магнетита, не более 10 масс. % от общего количества. В элементном составе этого препарата - N - 2,8; С - 33,8; Н - 2,6; Fe - 15,3; К - 14,0 (масс. %). Повышенное содержание азота связано с содержанием остаточного количества NH4C1, использованного в процессе синтеза магнетита. Высокое содержание калия в этом препарате обусловлено использованием в процессе его синтеза гуматов калия (содержание калия в исходном гуминовом препарате - 23%).

Содержание тяжелых металлов (Pb, Cd, Ni, Cr) в обоих гуминовых препаратах составляло следовые количества.

Ремедиационную активность гуминовых препаратов оценивали после внесения указанных препаратов в концентрациях 0,0025, 0,01 и 1 (масс. %) в образцы урбаноземов отобранных с пробной площадки №1.

Методы. Камеральную обработку образцов почв проводили с использованием химических, биоиндикационных и токсикологических методов.

Химические исследования включали определение валовых форм тяжелых металлов (TM) Pb2+, Ni2+, Cr34 , Cd методом атомно-абсорбционной спектроскопии согласно стандартным методикам (ПНД Ф 16.1:2:2.2.63-09, процедура извлечения валовых форм элементов соответствовала ПНД Ф 16.1:2.2:2.3:3.36-02). Основные агрохимические показатели оценивали общепринятыми в почвоведении методами.

Биотестирование проводили в условиях краткосрочных экспериментов с использованием тест-систем и организмов разных трофических уровней по стандартному набору тест-параметров.

Продуценты: длина корней высших растений (Si пар is alba), 96 ч и изменение прироста численности клеток микроводоросли (Scenedesmus quadricauda), 72 ч.

Консумепты: изменение выживаемости ракообразных (Daphnia magna), 96 ч; изменение выживаемости простейших (Paramecium caudatum), 24 ч.

Редуценты: изменение интенсивности биолюминесценции бактерий (Escherichia coli), 30 мин.

Биоиндикационные исследования урбаноземов охватывали две основные группы почвообитающих микроорганизмов:

• микромицетный комплекс почв: методом посева почвенной суспензии на среду Чапека (Методы..., 1982). Синэкологический анализ проводили по общей численности колониеобразующих единиц (КОЕ), числу видов, доле устойчивых к неблагоприятным факторам темнопигментированных видов грибов, индексам разнообразия (по Шеннону);

• бактериальный комплекс почв: методом газовой хроматографии - масс,-спектрометрии (ГХ-МС) по химическим компонентам жирно-кислотного состава клеточных стенок (Bobbie et al., 1980; Верховцева и др., 2008). Анализ проводили по числу видов бактерий, актиномицетов и актинобактерий, соотношению филогенетических типов прокариот в сообществе, показателям биоразнообразия (по Шеннону), доле анаэробных и факультативно анаэробных бактерий в сообществе.

Оценка ремедиационной активности гуминовых препаратов в вегетационном экспер1тенте. Исследования проводили на образцах урбаноземов, отобранных на двух участках территории города Кирова: на условно чистой фоновой и с пробной площадки №1 в промышленном районе, где по результатам комплексных исследований 2010/2011 гг. отмечалось повышенное содержание ряда тяжелых металлов, почвы проявляли экотоксичные свойства. Гуминовые препараты вносили в сухом виде в образцы почв в трех концентрациях 0,0025, 0,01 и 1 (масс. %). Смеси тщательно перемешивали и помещали в вегетационные сосуды (пластиковые емкости, рассчитанные на 500 г

воздушно-сухой почвы). Повторность каждого варианта - трехкратная. Длительность эксперимента 56 сут.

После внесения гуматов и заполнения сосудов почвой, в каждый сосуд высевали смеси газонных трав СГТ «Универсал» (Россия), в составе которой присутствовали следующие виды: овсяница луговая - 30%, овсяница красная - 35%, райграс многолетний - 15%, овсяно-райграсный гибрид - 20%. Полив соответствовал среднемесячной норме осадков за июнь/июль для г. Кирова.

По окончании эксперимента обработка образцов почв проводилась с использованием химических, биоиндикационных и токсикологических методов.

Химические показатели: валовые и подвижные формы Pb2+, Ni2+, Cr3+, Cd2+, основные агрохимические показатели с использованием общепринятых в почвоведении методов химико-аналитическом центре факультета почвоведения МГУ им М.В.Ломоносова.

Токсикологические показатели оценивали в стандартных тест-системах. В длительном «хроническом» эксперименте оценивали прирост биомассы газонных трав (СГТ «Универсал», 56 сут). В краткосрочных экспериментах исследовали водные вытяжки из образцов почв по реакциям организмов разной таксономической и трофической принадлежности (водоросли Scenedesmus quadricauda, ракообразные Daphnia magna и бактерии Escherichia coli) согласно процедурам, прописанным в стандартизованных методиках.

Биоидикациоипыми методами оценивали структурно-функциональные показатели почв после обработки гуминовыми препаратами:

• интенсивность почвенного дыхания по величине субстрат-индуцированного дыхания обогащенной глюкозой почвы и интенсивности базального дыхания, без добавления глюкозы; на основе полученных данных рассчитывали значения микробной биомасс.ы и микробный метаболический коэффициент (Anderson et al., 1993);

• структуру почвенных микромицетов: методом посева почвенной суспензии на агаризованную среду Чапека, синэкологический анализ проводили по общей численности колониеобразующих единиц, доле устойчивых к неблагоприятным факторам темнопигментированных видов грибов;

• активность фермента уреазы определяли колориметрическим методом, основанным на измерении количества аммиака, образующегося при гидролизе мочевины, с реактивом Несслера;

• активность фермента каталазы определяли газометрическим методом, основанным на изменении скорости распада перекиси водорода по объему выделившегося кислорода.

Статистическую обработку полученных данных проводили с использованием программ MS Excel 2003 и Statistica 6.0.

«Триадный» подход в оценке экологического состояния почв. Полученный экспериментальный материал (содержание загрязняющих веществ, показатели токсичности для биотестов и биоиндикационные показатели) был сгруппирован по пробным площадкам и подвергнут математической обработке. Расчет индексов

состояния (ИСХ> ИСТ и ИС6) проводили в несколько этапов путем сравнения полученных значений в пробе с данными ПДК или данными фоновых значений по каждому показателю и выбора вида функции перевода к нормированной шкале значений индексов состояния (от 0 до 1) (Бетепгш е1 а1., 2007; Оа§шпо е1 а1., 2008).

Расчет индекса состояния почв по химическим показателям. Результаты, полученные для испытуемых образцов, сравнивали с ПДК. Для перехода к шкале, нормированной от 0 до 1, применяли функции вида (1):

0,50, если С(<ПДК

ПДК

( с.-ПДК

0.50+ --—-

^100ПДК-ПДК|

1, если ЮОПДКсС;

0,50, если ПДК<С, <100ПДК

,(1)

где ИСх; -преобразованное значение, индекс состояния почв по концентрации {-го химического показателя, Сг концентрация ¡-го химического показателя в пробе; ПДК-предельно допустимая концентрация ¡-го химического показателя в фоне. В случае, если ПДК для ¡-го химического показателя не установлен (содержание элементов питания растений в почвах, Сорг) расчеты ведут относительно значений в фоновом образце.

Индекс состояния почв по химическим данным (ИСх) рассчитывали по формуле:

IX

ИСх = —-

(2)

где п - количество исследованных показателей.

Расчет индекса состояния почв по токсикологическим показателям. Значения тест-функций ¡-й тест-системы (биотеста) сравнивали со значениями, полученными для фонового образца:

|Т| -Тфон|. Тфон!

(3)

где - степень отклонения значения тест-функции ¡-го биотеста в пробе от фона; -значение тест-функции ¡-го биотеста в пробе, Тфон, - значение в фоновом образце.

Для перехода к шкале, которая нормирована от 0 до 1 были применены функции вида (4):

0, если < 0,20 П, -0,20

' <=»/•» ГТТЛ II /I I ^ I II Ч I I Л1 I

(4)

ИС^ =

0,80-0,20 1, если ГН > 0,80

, если 0,20 < П1 <0,80

Аналогичным образом с использованием формулы (3) и функций (4) проводили оценку биоиндикационных показателей. Индекс состояния по токсикологическим и биоиндикационным параметрам рассчитывали путем нахождения среднего арифметического из ИСт; и ИСб, (формула 2).

При расчете интегрального индекса состояния по триаде показателей -химическим, токсикологическим и биоиндикационным (ИСХ, ИСТ и ИСб, соответственно) воспользовались «весовыми коэффициентами», равными 1,5 и 2,0:

ИСх +1,5 х ИСт + 2,0 х ИСб

(5)

ИС = -

1,0 + 1,5 + 2,0

>

Предложение А. Дагнино и соавторов (2008) о присвоении «весовых коэффициентов» в данном случае оправдано, поскольку именно биотические (токсикологические и биоиндикационные) показатели являются наиболее информативными с точки зрения поддержания устойчивого состояния экосистем и выполнения почвами экологических функций, в частности, такой как среда обитания для живых организмов (ТегекЬоуа, 2011).

В соответствии с отечественным опытом нормирования, диапазон значений индекса состояния разделен на пять категорий (Воробейчик, 1994), которые характеризуют степень антропогенной нагрузки на почвы и экологическое состояние почв (Яковлев, Макаров, 2006).

Таблица 1. Соответствие интегрального индекса состояния (ИС), определенного на основе «Триадного» подхода, категориям качества почв, состояния и нагрузки

Значение ИС

Категория качества почв

Степень нагрузки

Состояние почвы

ИС=0

0< ИС <0,30 0,30<ИС<0,50 0,50<ИС<0,79 0,79<ИС<1

допустимая

III

IV

V

средняя

Очень высокая

фоновое

слабо нарушенное нарушенное сильно нарушенное необратимо нарушенное

При этом полярные значения (от 0 до 1) соответствуют градациям «хорошо» и «плохо», а промежуточные могут быть интерпретированы в данных терминах, по принципу: чем больше индекс - тем больше отличие от фона и тем большую нагрузку испытывают почвы.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Глава 3. Экологическая оценка урбаноземов

3.1 Содержание тяжелых металлов в исследуемых образцах. Согласно проведенным исследованиям почвы имеют слабощелочную реакцию почвенного раствора (рНН2о Для почв составляет от 7,51 до 8,06). Реакция контрольной почвы близка к нейтральной (7,40), в то время как для естественных серых дерново-подзолистых почв рН составляет 4-5,5. В исследуемых почвах влажность составляла от 43 до 48%, при фоновых значениях 57%, что значительно ниже оптимальной для развития микроорганизмов .

Содержание органического углерода (Сорг) увеличивалось от 3,50 до 4,69 %, по мере приближения к автотрассе, что было вызвано, по-видимому, внесением торфянистых почвогрунтов. В фоновых образцах Сорг 3,42 %. Почвы характеризовались высокой обогащенностью подвижными формами фосфора (Р2О5 от 268 до 345мг/кг почвы) и обменного калия (К20 от 167 до 250 мг/кг почвы).

Важным фактором, влияющим на экологическое состояние почв, является загрязнение тяжелыми металлами. Уровень содержания тяжелых металлов варьировал в зависимости от расстояния и вида экотоксиканта (табл. 2).

Таблица 2. Загрязнение тяжелыми металлами почв г. Кирова на разноудаленных от автотрассы площадках (2010-2011 гг)

Тяжелые металлы мг/кг Суммарный

№пробной Расстояние от (валовые формы) показатель

площадки автотрассы, м РЬ Ni Сг Cd загрязнения (1с)

1 5 422±39 118±23 278±31 3,2±0,3 18,86±4,15

2 30 94±10 16±6 60±2 1,8±0,2 3,33±1,14

3 50 130±29 101±6 240±28 4,1 ±0,1 14,23±2,27

4 150 269±28 67±10 226±25 2,0±0,4 10,67±1,70

5 200 297±48 86±9 326±40 0,5±0,2 10,59±2,86

6 >2000 75±14 29±5 59±4 0,5±0,4 -

Среднее содержание Сс1 на пробных площадках №№ 1-4 превышает региональное фоновое значение (0,66-1,11 мг/кг)1 более чем в два раза. В фоновых почвах и почвах пробной площадки №5 отмечено минимальное количество кадмия.

Среднее содержание N1 в исследуемых почвах составляет 69,5 мг/кг при его региональном фоновом значении 40 мг/кг. Превышение регионального фона отмечено в почвах четырех пробных площадок из шести.

Анализ определения свинца в почвах показал, что его содержание во всех исследованных точках превышает его региональное фоновое значение - 43 мг/кг. В образцах, отобранных в непосредственной близости от автотрассы, среднее содержание

' Региональные фоновые значения валовых форм тяжелых металлов для Кировской области приведены по Шиховой, 2005

свинца превышает региональное фоновое значение более чем в 9 раз.

Среднее содержание Cr в исследуемых почвах составляет 226 мг/кг при его содержании в фоновых образцах 59 мг/кг и региональном фоновом значении от 71 до 171 мг/кг. Превышение регионального фона отмечено в почвах четырех пробных площадок из шести.

Для оценки уровня химического загрязнения почв рассчитывали суммарный показатель загрязнения (Zc) по Саету. Проведенный анализ суммарного загрязнения почв, отражающий эффект воздействия группы элементов, показал, практически все образцы характеризуются допустимой степенью загрязнения (Zc<16). Образец с площадки № 1 расположенной наиболее близко к автомагистрали (на расстоянии 5 м) в 2010 г. характеризовался умеренно опасным уровнем загрязнения, а в 2011 г. суммарный уровень загрязнения тяжелыми металлами в этой точке несколько снизился.

Таким образом, проведенные исследования показали, что в урбаноземах г. Кирова изменяется pH среды в сторону подщелачивания, происходит накопление тяжелых металлов Pb, Cd, Ni и Cr, которые выявлены в количестве, превышающем их фоновое значение в большей части пробных площадок. В исследованных почвах сложились неодинаковые условия как для развития микробиоты, так и для проявления токсических свойств.

3.2 Токсикологическая характеристика почв. При оценке токсичности городских почв, проводили сравнительное изучение влияния водных вытяжек из образцов на тест-функции стандартизированных тест-культур: дафний (D. magna), • инфузорий (P. caudatum), горчицы (S. alba), одноклеточных водорослей (S. quadricauda) и бактерий (E.coli). Почвы, отобранные с пробной площадки №1, оказывали наибольшее влияние на все использованные тест-системы: наблюдалось подавление тест-функций более чем на 50% относительно контроля, что свидетельствует о токсичности образцов (табл.3).

Таблица 3. Влияние водных вытяжек из почвенных образцов на тест-функции биотестов (2010-2011 гг) _

Значение тест-функции, % к фоновому образцу

№ Расстояние от S.alba, S.quadricauda D. magna, Р.caudatum Е. coli

пробной автотрассы, м длина прирост кол-во кол-во биолюминесцен

площадки корней численности выживших выживших

1 5 33,32±14,37 41,98±7,59 30,21±9,65 46,21±3,3 51,56±9,75

2 30 77,98±17,67 77,99± 12,78 47,98±9,90 20,02±3,1 79,78±3,81

3 50 60,45± 17,47 54,33±7,57 33,85±11,09 26,61±2,43 67,88±11,48

4 150 87,85±19,64 53,16±9,45 33,35±10,00 29,80±2,95 71,14±7,87

5 200 86,48± 11,60 42,83±6,53 30,05±9,80 15,77±3,60 67,15±4,03

6 >2000 100±14,10 100±4,39 100±2,24 100±3,3 100±7,13

*жирным шрифтом выделены варианты, характеризующиеся как токсичные

Образцы, отобранные с других площадок, вызывали подавление тест-функций как минимум в двух биотестах, что позволяет относить их к разряду небезопасных. Отклонения от контроля наблюдались в пределах 12-80%. Среди продуцентов прирост численности клеток микроводоросли сценедесмус (S. quadricauda) сокращался в среднем на 37%, а длина корней S. alba снижалась на 46%. Для консументов снижалась выживаемость ракообразных (D. magna) на 65% и простейших (P. caudatum) на 72% . Интенсивность люминесценции Е. coli, снижалась в среднем на 33%. Почвы, отобранные с фоновой площадки не оказывали токсического воздействия на тест-системы.

Исследованные почвы обладали различными показателями токсичности для стандартизованных тест-систем. Увеличение суммарного уровня загрязнения Zc в почвах в большинстве случаев коррелировало с уменьшением значений исследуемых тест-параметров (выживаемость, прирост популяций и т.д.).

3.3 Биоиндикационная характеристика почв. Биоразнообразие микроорганизмов в исследованных урбаноземах представлено микромицетами, бактериями, актиномицетами и актинобактериями.

3.3.1 Общая численность и структурные особенности сообщества микромицетов. Анализ содержания грибов в почвенных образцах, отобранных в летний засушливый период, показал сравнительно невысокие показатели общей численности микромицетов практически во всех вариантах (от 22х 106 до 25,7x10 КОЕ/г почвы). При изучении структуры сообществ микромицетов, способных расти на питательной среде, выявлен 21 вид микромицетов. Доминировали по частоте встречаемости стерильные формы грибов (частота встречаемости 100 %), широко представлены темноокрашенные виды микромицетов.

Полученные данные свидетельствуют об изменениях структурных характеристик микромицетного сообщества почв в условиях техногенного стресса, выражающихся в значительном увеличении доли меланизированных форм микромицетов в сообществах (рис. 1).

5

3 4 5 g № пробной площадки

(50м) (150м) (200м) ( >2км) (расстояние от автотрассы)

Рис.1- Соотношение меланизированных (1) и апигментных (2) форм микромицетов

Сравнение микромицетного комплекса исследуемых почв показало, что по мере приближения к источнику загрязнения наблюдается достоверное увеличение численности и снижение видового разнообразия микромицетов, а доминантами становятся резистентные виды, представленные преимущественно меланизированными формами.

3.3.2 Общая численность и структурные особенности бактериального сообщества. На основании исследования образцов почв методом ГХ-МС выявили, что филогенетическое разнообразие прокариот было представлено 5 основными типам (рис. 2).

филогенетические типы прокариот:

■Н РИЗМЮиТЕБ

— АСТИМОВАСТЕтА —I ВАСТЕРЮЮЕТЕЭ шшт СН1_АМУР1АЕ

— !>КО1К:ВМ;ТЕК А

№ пробной площадки

(5м) (30м) (50м) (150м) (200м) (>2км) (расстояние от автотрассы)

Рис. 2- Доля филогенетических типов прокариот в бактериальном комплексе почв

Выявлено, что техногенное воздействие проявляется в трансформации структуры бактериального сообщества, а именно: увеличивается доля бактерий типа Proteobacteria и Bacteroidetes, снижается численность представителей типа Firmicutes - главных агентов бактериальной деструкции. Видовое разнообразие бактерий в почве фонового участка намного беднее загрязненных: 23 вида из 17 родов в сравнении с 50 видами из 35 родов для площадки № 2. В образцах, отличающихся наибольшим уровнем загрязнения, выявлена группа аллергенных бактерий Micrococcus sp.

Актиномицеты и актинобактерии исследованных почв были представлены 5 родами: Rhodococcus, Pseudonocardia, Streptomyces, Nocardia, Actinomadura. В фоновой почве суммарное содержание актинобактерий и актиномицетов в составе сообщества микроорганизмов было наиболее высоким по сравнению с загрязненными участками (13,3% в фоновой и 2,5-8% на загрязненных площадках). Снижение численности актиномицетов в загрязненных почвах обусловлено их высокой чувствительностью к тяжелым металлам, концентрация которых там довольно высока. Кроме того, известно, что актиномицеты лучше развиваются в почвах, имеющих нейтральную реакцию, богатых органическими веществами, с хорошими физико-химическими свойствами

(Звягинцев, Зенова 2001). В большей степени этим характеристикам соответствует фоновая почва.

3.4 Комплексная экологическая оценка состояния почв с использованием «Триадного» подхода. Проведенные химический, токсикологический и биоиндикационный анализы показали, что в исследованных урбаноземах наблюдается повышенное содержание ряда тяжелых металлов, трансформация микробного и бактериального комплексов почв. Почвы на большинстве пробных площадок характеризуются как токсичные.

В целях интеграции данных воспользовались методом Триад. Интегральные характеристики состояния почв по всем исследованным площадкам (индекс состояния почв - ИС), полученные на основе индексов состояния почв по химическим, токсикологическим и биоиндикационным данным (ИСХ, ИСТ и ИСб соответственно) согласно формулам (1-4), приведены в таблице 4.

Таблица 4. Экологическая оценка урбаноземов с применением «Триадного» подхода

№ пробной Расстояние от Величина

тлг- тЖГ-* тяг- „р Состояние почвы

площадки автотрассы, м ИСх ИСб ИСт ИС

1 5 6/47 0^51 0/47 0^48 нарушенное

2 30 0,33 0,21 0,33 0,29 слабо нарушенное

3 50 0,37 0,17 0,28 0,26 слабо нарушенное

4 150 0,38 0,19 0,32 0,29 слабо нарушенное

5 200 0,38 0,11 0,25 0,23 слабо нарушенное

Сопоставляя полученные значения ИС с категориями качества почв (табл. 1) можно заключить, что почвы лишь на одной пробной площадке (№1) характеризуются нарушенным состоянием. Остальные площадки на большем удалении от автотрассы характеризуются как слабо нарушенные.

Глава 4. Оценка гуминовых препаратов как ремеднантов городских почв В результате экспериментальной оценки городских почв была установлена наиболее загрязненная площадка № 1 в 1,5 м от автотрассы. Урбаноземы, отобранные с этой площадки обрабатывали гуминовыми препаратами, эффект которых оценивали по результатам химических, токсикологических и биоиндикационных исследований. Контрольным почвенным образцом (далее - Контроль) служил образец урбанозема, не обработанный гуминовыми препаратами. В качестве природных референтных образцов использовались фоновые почвы с пробной площадки №6 (далее - Фон). Экспозиция экспериментальных сосудов с растениями - 56 сут.

4.1. Влияние гуминовых препаратов на содержание тяжелых металлов и биогенных элементов. Перед закладкой опыта по результатам химического анализа образцы урбанозема имели следующие характеристики: валовое содержание тяжелых металлов С<1 - 4,61±1,02 мг/кг, № - 97,23±24,25 мг/кг, РЬ - 249,11±38,70 мг/кг, Сг -296,21±52,11 мг/кг. Содержание подвижных форм тяжелых металлов: Сс1 - 0,58±0,10 мг/кг, N1 - 1,02±0,22 мг/кг, РЬ - И,69±2,81 мг/кг, Сг - 5,32±0,58 мг/кг.

Гуминовые препараты не повлияли на валовое содержание тяжелых металлов, но несколько снизили концентрацию подвижных форм свинца на 32-43% относительно необработанного гуминовыми препаратами образца - контроля (при внесении препаратов 0,01 и 1 масс.%). Результаты исследований свидетельствуют, что гуминовые препараты в определенных концентрациях способствовали повышению содержания гумуса, азота и фосфора в образцах урбанозема (табл.5).

Внесение гуминовых препаратов в концентрациях 0,01 и 1 (масс.%) вызвало некоторое увеличение содержания гумуса. Внесение наномагнетитогумата повышало содержание общего азота более чем в 1,5 раза (по сравнению с контролем) во всех вариантах. Лигногумат (0,01 и 1,0 масс.%) способствовал обогащению почвы подвижными формами фосфора по сравнению с необработанным образцом урбанозема.

Таблица 5. Содержание элементов питания растений в почвах после обработки ГП

Доза внесения .. ГП,% рНка р2о5 мг/100 г С гумус» % N общ* мг/кг

Фон

0 6,20 28,52±4,11 2,92±0,51 141,10±25,17

Урбанозем (контроль) 0 7,50 19,23±3,86 3,89±0.82 98,53±39,71

Урбанозем, обработанный наномагнетитогуматом 0,0025 7,50 19,09±3,82 3,90±0,28 |221,80±64,36

0,01 7,80 19,51 ±3,90 3,95±0,45 |222,60±52,18 ..

1 8,10 19,81±3,96 |6,77±0,43 Т225,30±71,11

Урбанозем, обработанный лигногуматом

0,0025 7,60 37,97±7,59 4,11 ±0,58 74,39±34,82

0,01 7,60 |41,02±8,20 4,72±0,44 70,02±34,01

1 7,80 |44,18±8,84 Т6,74±0,02 69,67±33,93

| - значение достоверно увеличилось по сравнению с контролем (урбанозем без ГП)

4.2. Влияние гуминовых препаратов (ГП) на токсикологические показатели

В условиях вегетационного эксперимента с высшими тест-растениями оценивали прирост биомассы наземной части газонных трав (рис.3). Прирост биомассы в контрольном образце урбанозема (без ГП) характеризовался меньшими значениями, чем в фоновых образцах

Внесение 1,0 % лигногумата вызвало прирост биомассы (более 142% от фона). Выявлена тенденция замедления роста растений в урбаноземах, обработанных наномагнетитогуматом, с увеличением концентрации наномагнетитогумата в почве. В вариантах с внесением 0,01 и 1,0 % наномагнетитогумата значения сухой биомассы снизились более чем на 50% относительно контрольных и фоновых образцов. При этом наблюдались морфологические изменения листовых пластин, некроз листьев. Прирост биомассы в контрольном образце (без ГП) характеризовался меньшими значениями, по сравнению с фоновыми почвами (прирост снижался на 28%). В варианте с внесением лигногумата отмечаются самые высокие показатели прироста биомассы надземной части растений относительно контроля и фонового образца.

I ■

I

1

Концентрация гуминового

О О 0,0025 0,01 1 0,0025 0,01

Фон Контроль урбанозем, обработанный Урбанозем, обработанный препарата,% наномагнетитогуматом лигногуматом

Рис. 3 - Влияние ГП на сухую биомассу газонных трав по результатам вегетационного эксперимента

В исследовании действия гуминовых препаратов на токсикологические характеристики почв помимо газонных трав были использованы стандартные лабораторные биотесты. Батарея биотестов включала представителей трех видов - S. auadricauda. D. mama. Е. coli. Обработка гуминовыми ппепапатами оказала заметное

160 140

g 120 о ■в-

100 80

Ш 60

40 20 0

S. quadricauda (прирост клеток)

D.magna (выживаемость особей)

E.coli (биолюминесценция)

ár

Е

Концентрация гуминового

0 0 0,0025 0,01 1 0,0025 0,01 1

Фон Контроль Урбанозем, обработанный Урбанозем, обработанный препарата,0/» наномагнетитогуматом лигногуматом

Рис. 4 - Значения тест-функций биотестов при исследовании водных вытяжек из образцов почв, обработанных гуминовыми препаратами

Контрольный образец (урбанозем, не обработанный ГП) был токсичным для всех трех тест-систем, ингибирование тест-функций биотестов достигало 48-70% по сравнению с фоновым образцом. При внесении обоих гуминовых препаратов токсический эффект почв снимался. Это характерно было для всех концентраций. 4.3. Влияние гуминовых препаратов на биоиндикационные показатели Проведенные исследования показали, что внесение малых доз гуминовых препаратов (0,025 и 0,01%) оказало стимулирующее действие на развитие микробной биомассы, снижало показатели базального дыхания, и как следствие, наблюдалось уменьшение микробного метаболического коэффициента (табл. 6). В литературе отмечается, что высокие значения микробного метаболического коэффициента свидетельствуют о стрессе почвенного сообщества, сопровождающегося большой скоростью отмирания микроорганизмов и активной потерей углерода почвой. Снижение коэффициента может свидетельствовать об улучшении качества почв как среды обитания почвенных микроорганизмов.

Таблица 6. Влияние гуминовых препаратов на интенсивность почвенного дыхания и экофизиологические параметры образцов урбаноземов

Экофизиологические параметры

ЭМИССИЯ (по Апёегеоп е1 а1., 1993)

Доза внесения гп, % субстрат" индуцированное, микробный

базальное, микробная метаболический

мкмольСОг- биомасс.а, коэффициент,

мкмольСОг/ г ч С/г сут мкгС/г почвы мкгСОг-С/мгСмик/ч

Фон

0 0,054±0,005 0,058±0,005 45,89±1,73 5,24±0,63

Урбанозем (контроль)

0 0,047±0,001 0,076±0,005 42,33±1,09 7,05±0,54

Урбанозем, обработанный наномагнетитогуматом

0,0025 ТО,051 ±0,002 | 0,060±0,004 Т45,89±1,73 |5,09±0,70

0,01 |0,050±0,008 4 0,063±0,008 44,91 ±7,81 5,45±1,34

1 Т0,050±0,002 1 0,060±0,006 45,13±2,33 5,21±1,88

Урбанозем, обработанный лигногуматом

0,0025 |0,063±0,003 4 0,069±0,001 Т57,17±1,56 |4,67±0,24

0,01 |0,054±0,003 0,073±0,001 Т48,6б±3,31 5,81±0,62

1 0,046±0,001 0,070±0,001 42,07±2,67 5,21±1,43

значение достоверно снизилось по сравнению с контролем (образец, не обработанный ГП); значение достоверно увеличилось по сравнению с контролем (образец, не обработанный ГП)

Гуминовые препараты оказали заметное влияние на биохимические показатели почв: активности ферментов уреазы и каталазы (рис. 5). Наибольшее влияние на уреазную активность оказывало внесение наномагнетитогумата в концентрациях 0,0025

и 0,01 (масс%). В этих вариантах уреазная активность превышает контроль, что можно объяснить избыточным содержанием общего азота в почве.

Выявлена тенденция снижения активности каталазы в почве при внесении наномагнетитогумата по сравнению с фоновыми и контрольными образцами. Присутствие в препарате высокоактивных наночастиц магнетита в макролигандах гуминовых кислот могло способствовать образованию разнолигандных координационных узлов с участием гуминовых кислот и фермента каталазы (в активный центр которого входит трехвалентное железо). Образующиеся при этом фермент-ингибиторные комплексы могут характеризоваться более высокой устойчивостью и подавлять активности ферментов (Кыдралиева, 1992).

Внесение лигногумата не оказало значимого воздействия на активность уреазы, однако способствовало росту активности каталазы, причем наиболее заметно это при

о

Фон

О

уреаза, мг МН3/10 г почвы каталаза, мл 02/мин/г почвы

Й

0,0025 0,01 1 0,0025 0,01 1

Контроль Урбанозем,обработанный Урбанозем, обработанный препарата,%

Концентрация гуминового

наномагнетитогуматом

лигногуматом

Рис. 5 - Влияние гуминовых препаратов на активность ферментов в образцах почв

Интересный, на наш взгляд, результат применения гуминовых препаратов заключался в перестройке сообщества почвенных микромицетов, а именно в снижении доли темноокрашенных микромицетов в сообществе в вариантах с внесением 0,01 и 1,0 % гуминовых препаратов (рис 6).

60 г

0 О 0,0025 0,01 1 0,0025 0,01 1

Фон Контроль Урбанозем, обработанный Урбанозем, обработанный

Концентрация гуминового препарата,%

наномагнетитогуматом

лигногуматом

Рис. 6-Влияние гуминовых препаратов на долю темноокрашенных микромицетов

4.4. Комплексная экологическая оценка состояния почв с использованием «Триадного» подхода

Результаты вегетационного эксперимента свидетельствуют, что внесение гуминовых препаратов оказывает влияние на подвижность некоторых тяжелых металлов, содержание элементов питания растений, проявление фито- и экотоксичных свойств, структурные и физиологические показатели функционирования почвенного биоценоза. Наблюдаемые эффекты зависели как от концентрации, так и от природы гуминового препарата. В целях интеграции данных о влиянии гуминовых препаратов на урбаноземы, с помощью «Триадного» подхода рассчитали индексы состояния почвенных образцов после обработки гуминовыми препаратами по химическим, биоиндикационным и токсикологическим показателям (ИСХ, ИС6, ИСТ), а также интегральный индекс состояния почв (ИС). Результаты расчетов приведены в табл.7.

Обобщая полученные данные по влиянию гуминовых препаратов на состояние почвенной микробиоты, рост растений и реакции биотестов, можно отметить, что положительное действие наиболее выражено при концентрациях ГП (масс. %) 0,0025 и 0,01. При внесении этих концентраций показатели ИС6 и ИСТ заметно снизились относительно контроля и приблизились к фоновым значениям.

Поскольку ГП не оказали значимого влияния на содержание подвижных форм ТМ (свинец, хром, кадмий, никель), то вероятно это может свидетельствовать о том, что основным фактором, определяющим ремедиационный эффект наномагнетитогумата и лигногумата является собственная биологическая активность, а не их способность связывать загрязняющие вещества.

Таблица 7. Результаты оценки экологического состояния почв после обработки гуминовыми препаратами с использованием «Триадного» подхода_

Доза внесения ГП, % ^^ Величина ИСб ИСт ИС Состояние почвы

Урбанозем (контроль)

0 0,52 0,30 0,74 0,49 нарушенное

Урбанозем, обработанный наномагнетитогуматом

0,0025 0,53 0,20 0,13 0,25 слабо нарушенное

0,01 0,53 0,28 0,07 0,26 слабо нарушенное

1 0,53 0,30 0,17 0,32 нарушенное

Урбанозем, обработанный лигногуматом

0,0025 0,52 0,16 0,22 0,26 слабо нарушенное

0,01 0,52 0,14 0,14 0,22 слабо нарушенное

1 0,52 0,18 0,30 0,31 нарушенное

Таким образом, сопоставив полученные методом TRIAD результаты оценки химических, биологических и токсикологических свойств почвенных образцов (интегральные индексы) со шкалой оценки качества почв можно говорить о том, что экологическое состояние почв после обработки образцов невысокими концентрациями гуминовых препаратов изменилось: почвы из категории «нарушенных» перешли в категорию «слабо нарушенных».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Существующие подходы к экологической оценке почв основаны большей частью на результатах аналитического контроля химических веществ в окружающей среде. В значительной степени это обусловлено сложностью анализа состояния биоты и формализации данных, получаемых разными методами. Вместе с тем, очевидно, что химические методы выявляют присутствие потенциально опасных веществ в почвах, но не характеризуют их биодоступность, которая угрожает целостности экосистемы (Левич, 1994; Воробейчик и др., 1994; Cairns, 2005; Терехова, 2011 и др.).

В отличие от почв, находящихся под воздействием точечных источников эмиссии поллютантов, в урбаноземах малых городов обычно не выявляются «катастрофические» уровни загрязнения. Очевидно, что негативные эффекты в городских почвах должны изучаться на уровне биотических компонентов экосистем.

В работе продемонстрирована возможность использования «Триадного» подхода, распространенного в мировой литературе для оценки экологического состояния почв. На примере ряда урбаноземов г. Кирова, отличающихся «невысоким» и «допустимым» уровнями загрязнения, были выявлены возможных негативных эффектов токсикантов на основных уровнях биологической организации - от организма до уровня популяции и сообщества. Рассчитанные на основании полученных экспериментальных данных (химии, биотестирования, биоиндикации) индексы экологического состояния почв позволили выделить расположенные вблизи автотрассы площадки как испытывающие существенную нагрузку.

Результаты работы и применение метода Триад могут быть полезны при принятии практических решений о способах обращения с городскими почвами, оценке результатов почвовосстановительных работ. Сопоставляя интегральные индексы состояния почв, рассчитанные с помощью триады данных, и пятибалльную шкалу оценки экологического качества (табл. 1), можно заключить, что когда значения ИС находятся в диапазоне от 0 до 0,30 отн.ед (I и II категории качества), то такие почвы относятся к категориям «чистых» и «слабо нарушенных». Такие почвы в должной степени выполняют экологические функции.

Если же почвам присвоена III или IV категории качества, а ИС в диапазоне от

0.30.до 0,79 отн.ед, то они обладают потенциалом к самовосстановлению. Однако рекомендуется проведение работ по санации (рекультивации) для восстановления их качества до уровня I или II категорий.

Когда интегральный индекс состояния превышает 0,79 отн.ед (V категория качества), экологическое состояние почв следует признать «катастрофическим» и необратимо нарушенным, к указанным почвам следует применять особые меры по консервации.

Повышенный интерес к инновационным разработкам в сферах «зеленой химии» и нанотехнологий стимулировал исследования новых препаратов, которые проведены в рамках ГК №02.740.11.0693 «Разработка нанотехнологий для ремедиации и экотоксикологической оценки химических и радиохимических загрязнений природных сред» ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России, 20092013». В ходе проделанной работы удалось выявить эффективные концентрации, повышающие качество почв согласно предложенному индексу состояния, рассчитанному на основе обобщения данных химии, биоиндикации и токсикологии. Наряду с этим, результаты свидетельствуют, что необходим всесторонний и многоуровневый (от организмов до сообществ) биологический контроль экологической безопасности внедряемых гуминовых препаратов. Особенно это касается инновационных продуктов, содержащих инженерные наноматериалы.

ВЫВОДЫ

1. Проведена оценка урбаноземов на некоторых участках г. Кирова по содержанию в них ряда тяжелых металлов, биоиндикационным и токсикологическим показателям. На основе «Триадного» подхода по данным химических, экологических исследований и биотестирования образцов урбаноземов рассчитаны индексы состояния почв (ИС) и выявлены участки, характеризующиеся различной степенью нарушенности.

2. Оценка экологического состояния урбаноземов методами химического анализа показала, что на площадках, подверженных преимущественному воздействию автотранспорта, изменяется рН среды в сторону подщелачивания, происходит накопление тяжелых металлов РЬ, Сс1, № и Сг , которые на большей части пробных площадок содержатся в количествах, превышающих их фоновое значение.

Методами биотестирования покачано, что в отлично от фоминых участков, загрязненные почиы характеризуются жотокснчностыо но меньшей мерс и двух тес'1-системах.

По данным биомнднкационных исследовании установлено, что структурно-функциональная организация сообщества почвенных микроорганизмов в условиях загрязнения существенно трансформируется: увеличивается доля мелами зпрованных форм мпкромицетов, изменяется структура филогенетического разнообразия прокариот, снижается доля актмнобактернн и актппомицетон.

С помощью «Триадпого» подхода продемонстрировано, что урбаноземы г. Кирова, испытывающие транспортную нагрузку, характеризуются «слабо нарушенным» состоянием (HC для пробных площадок Л!'№:2-5 определен в диапазоне 0,23-0,29 отн.ед.), состояние почв пробной площадки (№1), наиболее близко распложенной к автотрассе, характеризуется как «нарушенное» (ИС 0,48 отн.ед). Г1о результатам химического, биопидпкаппонного и токсикологического исследовании установлено, что гумнновыс препараты - лигпогумат и наномагнетптотумаг в концентрациях 0,0025 и 0,01 масс.% положительно воздействуют на качество почвенных образцов: состояние почв которые характеризовалось как «нарушенные» (ИС 0,49 отн.ед) после обработки гумнновымп препаратами перешли в категорию «слабо нарушенных» (ИС 0,22-0,26 отн.ед).

СПИСОК ОИУНЛШСОКЛННМХ РЛЬОТ

В журналах, рекомендованных ВАК

1 Пукальчнк М.А.. Терехова В.А. Экотокспкологическая оценка юродских почв п детоксицирующего эффекта нанокомпозмцнониого нре1П1рата//Вестпик МГУ. Серил 17:Почвоведение. 2012. №4. С. 26-31.

2 Юрищева A.A., Тимофеев М.А., Пукальчнк М.А.. Рахлссва A.A., Кыдралнева К.А., Маторин Д.И., Терехова В.А. Напокомпози тныи сорбент для очистки природных сред и его экотокспкологическая оценка//Экодогня и промышленность России. 2011.№ 9. С.50-53.

3 Терехова В.А., Кыдралиева К.А., Рахлеева A.A., Пукальчнк М.А.. Тимофеев М.А., Юрищева A.A. Оценка биобезоиаености гуминовых кислот как компонентов наногибридного де токсиканта в стандартных тест-системах //Токсикологический вестник. 2012.№2. С.35-40.

4 Каниськин М.А., Изосимов A.A., Терехова В.А., Якименко О.С., Пукальчнк М.А. Влияние гуминовых препаратов на бноактивность ночвогрунта с фосфогннеом// Теоретическая и прикладная экология. 2011. № I. С.87-95.

В других журналах, материалах и тезисах конференции

5 Пукальчнк М.А.. Терехова В.А., Ашихмииа Т.Я. Оценка качества урбаноземов г. Кирова методами биоиндикацпп п бнотеетировапия//Экологическое нормирование, сертификация и паспортизация почв как научно-инновационная

основа рационального землепользования: тез. докл. междунар. конф. М.:МАКС Пресс. 2010. С. 141-144.

6 Пукальчик М.Л.. Изоеимов А.А. Экотоксикологичсекая опенка почвогрунта после обработки промышленными гуматами//«Биол отчески и мониторинг природно-техногеиных систем» Всерос. науч-практ. конф. с междунар. участием.42- Киров :Лобань, 201 I. С . 284-285.

7 Pukalcliik М.А., Terckhova V.A., Popuinikova Т.О., Vavilova V.M., Kaniskin M.A. The inlegralion of chemical., ccoloxicological and ccological data obtained from an extended study carried out in an industrialized area// Europe 21 st Annual Meeting oflhc Soeicly of Environmental Toxicology and Chemistry (SETAC2011), 14-17 May, 2011, Milan, Italy. Book of Abstracts, 201 I. P 161.

8 Бел и к А.А, Пукальчик M.A. Влияние современных детоксикантов на почвенные микромицеты// «Почва как природная биогсомсмбрана» Международная научная конференции XV Докучасвские молодежные чтения - СПб.: ВВМ, 2012. С159-160.

9 Pukalcliik М.А.. Terckhova V.A.. l/osimov A.A.. Yakimcnko O.S., Kydralicva К.А. Influence of Ihimic-based Sorbcnts on Bioavailability of Lead in Soil// Europe 22st Annual Meeting of the Society of Environmental Toxicology and Chemistry (SETAC 2012). 20-24 May. 2012, Berlin, Germany. Book of Abstracts. 2012, P 183.

10 Pukalcliik M.A.. Terckhova V.. Yakimcnko O., Akulova M„ Kydralicva K„ Poloslin R. Modeling remediation of urban chemical polluted soil using two types of luimic-bascd sorbcnts// Second International Conlcrcncc of CIS IHSS on Humie Innovative Technologies «Natural and engineered nanoparticlcs in clean water and soil technologies». Moscow. 2012. P.45.

1 I Пукальчик M.A., Семенова Т.А., Терехова В.А. Влияние транспортном нагрузки на микобноту городских почв // Международная конференция "Биодиагностика в экологическом оценке почв и сопредельных срсд". Москва, 2013 Р.44.

Подписано в печать 22.10.2013 Формат А5 Бумага офсетная. Печать цифровая. Тираж 130 экз. Заказ № 2290 Отдел полиграфии Научной библиотеки МГУ имени М.В. Ломоносова 1 19192 Москва. Ломоносовским проспект, 27

- /,'

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Пукальчик, Мария Алексеевна, Москва

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени М.В. ЛОМОНОСОВА ФАКУЛЬТЕТ ПОЧВОВЕДЕНИЯ

На правах рукописи

04201364927

Пукальчик Мария Алексеевна

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ГОРОДСКИХ ПОЧВ С ПРИМЕНЕНИЕМ «ТРИАДНОГО» ПОДХОДА (НА ПРИМЕРЕ г. КИРОВА)

Специальность: 03.02.08 - экология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель:

доктор биологических наук, Терехова Вера Александровна

Москва 2013

ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ..................................................................................4

ВВЕДЕНИЕ...................................................................................................................5

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ОЦЕНКЕ И РЕМЕДИАЦИИ ПОЧВ ПРИ АНТРОПОГЕННОМ ЗАГРЯЗНЕНИИ..........................................................................................................11

1.1. Некоторые особенности техногенного загрязнения городских почв.........................................................................................................................11

1.2. Биоиндикация и биотестирование в оценке почв.......................................19

1.3. Подходы к интегральной оценке экологического состояния почв...........27

1.3. Гуминовые препараты как ремедианты загрязненных почв.....................35

ГЛАВА 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.................................43

2.1. Материалы исследования..............................................................................43

2.1.1. Почвенные образцы...................................................................................43

2.1.2. Гуминовые препараты...............................................................................46

2.2. Методы исследования....................................................................................48

2.2.1. Химический анализ....................................................................................48

2.2.2. Биотестирование........................................................................................49

2.2.3. Биондикационный анализ.........................................................................51

2.3. Изучение ремедиационного эффекта гуминовых препаратов..................52

2.4. «Триадный» подход. Расчет индексов состояния.......................................57

ГЛАВА 3. ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ГОРОДСКИХ ПОЧВ С ПРИМЕНЕНИЕМ «ТРИАДНОГО» ПОДХОДА (НА ПРИМЕРЕ Г. КИРОВА)....................................................................................................................61

3.1. Содержание тяжелых металлов в исследуемых образцах.........................61

3.2. Биотестирование водных вытяжек урбаноземов........................................66

3.3. Структурно — функциональные особенности почвенной биоты урбаноземов...........................................................................................................69

3.3.1. Общая численность и структурные особенности сообщества микромицетов.......................................................................................................69

3.3.2. Общая численность и структурные особенности бактериального сообщества............................................................................................................76

3.4. Комплексная экологическая оценка состояния почв с использованием «Триадного» подхода...............................................................85

ГЛАВА 4. ОЦЕНКА ГУМИНОВЫХ ПРЕПАРАТОВ КАК РЕМЕДИАНТОВ ГОРОДСКИХ ПОЧВ..................................................................88

4.2. Влияние гуминовых препаратов на токсикологические показатели

почв.........................................................................................................................96

4.3. Влияние гуминовых препаратов на структурно-функциональные показатели почвенной биоты...............................................................................99

4.4. Оценка ремедиационного действия гуминовых препаратов с использованием «Триадного» подхода.............................................................108

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................113

ВЫВОДЫ..................................................................................................................115

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................117

ПРИЛОЖЕНИЕ Б.....................................................................................................154

Термины и определения

БИОИНДИКАЦИЯ - оценка качества среды обитания и ее отдельных

характеристик по состоянию ее биоты в природных условиях БИОТЕСТ, или тест-организм - чувствительны й организм, исп ользуемый

при оценке токсичности методом биотестирования БИОТЕСТИРОВАНИЕ - лабораторный метод оценки качества объектов окружающей среды по определенным поддающимся учету характеристикам живых организмов в стандартных условиях ГУМИНОВЫЕ ПРЕПАРАТЫ - препараты, которые по своим химическим

свойствам могут быть отнесены к классу гуминовых веществ. МИКРОМИЦЕТЫ, или микроскопические грибы - формальное объединение большой группы видов гетеротрофных эукариотических организмов, представляющих царство Mycota, не образующих крупных плодовых тел

РЕМЕДИАЦИЯ ПОЧВ - это восстановление и очистка почв, загрязненных и истощенных техногенными загрязнителями, такими как пестициды, нефтепродукты, тяжелые металлы и др . ТЕСТ-КУЛЬТУРА - лабораторная популяция особей, как правило, одного вида живых организмов (тест-организмов), искусственно поддерживаемая (культивируемая) на питательной среде в стандартных условиях и используемая при оценке токсичности при биотестировании. Например, монокультура Paramecium candatum Ehrenberg

ТЕСТ-ОБЪЕКТ - образцы природных и техногенных сред и объектов,

которые исследуются методом биотестирования ТЕСТ-СИСТЕМА - пространственно ограниченная среда, которая включает чувствительные организмы (тест-организмы) или их элементы и образцы исследуемых объектов (тест-объекты) ТЕСТ-ФУНКЦИЯ - ответная реакция тест-организмов (или их элементов) на воздействие исследуемого объекта (тест-объекта), выбранная для анализа в определенной тест-системе ГОРОДСКИЕ ПОЧВЫ - покрывающие территорию города естественные, измененные, а также искусственно созданные почвы мощностью в пределах одного метра.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Состояние городской среды -одна из наиболее острых проблем экологии. Прогрессирующее ухудшение условий жизни в городах обусловлено выбросами большого количества загрязняющих веществ, разными видами физических воздействий, нарушением целостности почвенного покрова в урбоэкосистемах, что влияет на способность городских почв выполнять экологические функции (Добровольский, Никитин, 1986; «Экологические функции городских почв», 2004 и др.). Источниками экологических проблем в крупных городах являются многообразные виды хозяйственной деятельности, среди которых неизбежно важное место занимает транспорт.

В последние два десятилетия в нашей стране уделяется большое внимание разработке подходов к оценке экологического состояния почв, основанной на диагностике изменений биогенных и абиогенных компонентов почв (Виноградов и др., 1993; Опекунов, 2006; Терехова, 2010; Левич, 2013 и др.). Одной из проблем на этом пути остается поиск наилучших способов интегрирования данных экологического мониторинга (Воробейчик и др., 1994; Булгаков и др., 2002 и др.). Предложено немало вариаций расчета индексов состояния почв, значения которых сопоставляются затем с уровнями техногенной нагрузки и/или категориями качества окружающей природной среды (Сает, 1990; Казеев и др., 2003; Яковлев, Макаров, 2006; Попутникова, Терехова, 2010 и др.). В мировой литературе как надежный прием характеристики экологического риска при загрязнении природных сред отмечается «Триадный» подход (TRIAD approach), основанный на методологии междисциплинарного уровня и учитывающий данные химических, биоиндикационных и токсикологических исследований (Chapman et al., 2002; Rutgers et al., 2005; Dagnino et al., 2008; Semenzin et al., 2008; Ribe et al., 2012). Опыта его применения для оценки почв, тем более при исследовании урбоэкосистем России, явно недостаточно.

Проблема экологической оценки загрязненных почв связана со способами восстановления их качества, в числе которых особое внимание уделяется применению в качестве ремедиантов продуктов «зеленой химии». Повышенный интерес к гуминовым препаратам способствует совершенствованию традиционных технологий их производства, расширению сырьевой базы, а также внедрению инноваций в этой отрасли, в частности, при создании новых препаратов на основе ускоренной гумификации лигнинсодержащего сырья (Koivula, 2004; Иванова, 2009) и увеличения количества реакционных центров за счет включения в гуминовую матрицу наноразмерных атомов металлов, или их оксидов (Ponder et al., 2000; Жоробекова, Кыдралиева, 2010). Актуальность и целесообразность проверки ремедиационной активности и эко-безопасности гуминовых препаратов с использованием биотического подхода не вызывает сомнений.

Степень разработанности темы. В отечественной литературе проблемы экологического состояния городских территорий (урбоэкология) активно развиваются с 70-х годов прошлого столетия. В связи с непрерывно увеличивающейся численностью населения, проживающих на территории городских поселений, проблемы оценки качества окружающей среды выходят на первый план. Почвы являются основной депонирующей средой в городских экосистемах. Через почвы проходит поток вещества и энергии, и во многом от качества почв зависит состояние воздушной и водных компонентов природных сред.

Анализ монографической и периодической литературы по проблематике диссертации показал, что в целом научные публикации по вопросам оценки городских почв весьма разнообразны по подходам и методам исследования и охватывают широкий круг проблем.

Их можно сгруппировать по тематической направленности следующим образом:

- специализированные проблемы функционирования и трансформации городских почв исследованы в трудах Т.В. Прокофьевой, М.И. Строгановой, Ю.Н. Водяницкого, Г.В. Мотузовой, A.B. Смагина и др.;

- работы, посвященные научному обоснованию концепции устойчивого развития почв в свете выполнения ими экологических функций посвящены фундаментальные научные работы Г.В. Добровольского, Е.Д. Никитина и др.

Традиционно экологическая оценка почв рассматривается как способ изучения содержания загрязняющих веществ, отдельных биоиндикационных показателей в почвах и сопредельных средах. В то же время недостаточно внимания уделяется комплексным оценкам состояния, в которых изучают состояние системы на различных уровнях организации: от организмов до сообществ. Разрознены работы по оценке различных мелиорантов в целях восстановления качества почв.

Неразработанность подходов к оценке качества городских почв, нерешенность проблемы поддержания их в устойчивом состоянии, определили актуальность темы исследования.

Цель работы заключалась в экологической оценке урбаноземов г. Кирова на основе «Триадного» подхода и установлении целесообразности использования некоторых гуминовых препаратов для их ремедиации .

Задачи:

1. Оценить экологическое состояние городских почв, испытывающих воздействие транспортной нагрузки, с использованием методов химического, токсикологического и биоиндикационного анализа.

2. Изучить биологические эффекты двух новых гуминовых препаратов как агентов ремедиации почв.

3. Охарактеризовать качество загрязненных почв до и после применения исследуемых гуминовых препаратов на основе «Триадного» подхода (по данным химических, биоиндикационных и токсикологических анализов).

Научная новизна

На основе «Триадного» подхода к экологической оценке при обобщении данных химического, токсикологического и биоиндикационного мониторинга городских почв получены интегральные индексы экологического состояния, которые характеризуют участки урбаноземов, в разной степени подверженные влиянию автотранспорта.

При изучении структуры микробиотических сообществ почв, в том числе, с применением липидных маркеров (методом ГХ-МС) получены данные, демонстрирующие индикационную значимость меланизированных форм почвенных микромицетов как в условиях техногенного стресса, так и при оценке ремедиационных эффектов гуматов.

Выявлены особенности действия гуминовых препаратов (лигногумата и наномагнетитогумата) на живые организмы и экологическое качество образцов урбаноземов. Показано, что их положительный эффект не связан с иммобилизацией исследованных тяжелых металлов, а обусловлен другими свойствами.

Впервые исследована экологическая безопасность инновационного гуминового препарата, содержащего инженерные наноматериалы (частицы магнетита). В вегетационном эксперименте установлены безопасные концентрации и концентрации, вызывающие заметную трансформацию структурно-функциональных особенностей почвенной микробиоты и угнетение роста высших растений.

Практическая значимость

Полученные результаты и «Триадный» подход могут быть использованы для оценки и прогнозирования экологической обстановки

городской среды на локальном и региональном уровнях, а также для решения прикладных задач: архитектурно-планировочных и рекреационных на территории города. В работе представлены рекомендации по управлению качеством городских почв в зависимости от их экологического состояния.

Результаты работы полезны для разработкие систем контроля и оценки экобезопасности гуминовых препаратов при проведении ремедиационных работ. Отдельные положения и выводы могут быть включены в образовательные программы для студентов экологических специальностей ВУЗов.

Степень достоверности и апробация результатов исследования. Все

этапы работы были проведены лично автором или при его непосредственном участии: отбор и анализ образцов почв, постановка вегетационного эксперимента, обработка полученных результатов. Результаты исследования представлены и обсуждены на конференциях: «Экологическое нормирование, сертификация и паспортизация почв как научная основа рационального землепользования» (Москва, 2010); Europe 21st Annual Meeting Society of Environmental Toxicology and Chemistry (SETAC), (Milan, 2011); «Биологический мониторинг природно-техногенных систем» (Киров, 2011); Europe 22st Annual Meeting Society of Environmental Toxicology and Chemistry (SETAC), (Berlin, 2012); «Natural and en gineered nan oparticles i n clean water and soil technologies» (HTT) (Москва, 2012); «Биодиагностика в экологической оценке почв и сопредельных сред» (Москва, 2013); а также на заседаниях кафедры земельных ресурсов и оценки почв факультета почвоведения МГУ.

На разных этапах исследования работы проводились при поддержке РФФИ (грант №10-04-90758-моб_ст), Программы фундаментальных исследований Президиума РАН «Живая природа: современное состояние и проблемы развития», ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» ГК № 02.740.11.0693.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК.

ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ

ОЦЕНКЕ И РЕМЕДИАЦИИ ПОЧВ ПРИ АНТРОПОГЕННОМ

ЗАГРЯЗНЕНИИ

1.1. Некоторые особенности техногенного загрязнения городских почв.

На современном этапе развития экологического почвоведения исследованию урбаноземов в Российской Федерации, как и во многих странах мира, уделяется большое внимание. Довольно глубоко разработаны основные теоретические аспекты экологии городских почв, их генезиса, вопросы классификации, экологические функции и их роль в урбоэкосистемах. Проведены и проводятся полномасштабные исследования современного состояния почвенного покрова многих крупных городов России. Особые свойства городских почв подробно рассмотрены в целом ряде работ (Баширова, 1975; Никодемус, Раманн, 1984; Добровольский, Никитин, 1986; Обухов и др., 1989; Burghardt, 1994; Добровольский, 1997, 1999; Craul, 1999; Прокофьева и др., 2004; Раппопорт и др., 2004 и др.).

Значительная часть выбросов токсических веществ в городскую среду сосредоточена на поверхности почвы, что ведет к изменению химических и физико-химических свойств субстрата. Среди основных тенденций изменения почвенного покрова городских территорий отмечается осолонцевание (Азовцева, 2004; Smagin et al., 2006), повышение щелочности почвенного раствора (Обухов, Лепнева, 1989; Blume, 1989; Hollis, 1991), протекание процессов физической эрозии (Смагин, 2010) и аккумуляция различных веществ органической и неорганической природы.

До недавнего времени важнейшими загрязнителями считались главным образом пыль, угарный и углекислый газы, окислы серы, азота, углеводороды, соединения фосфора, калия, синтетические органические

вещества, радиоактивные изотопы. Тяжелые металлы и их соединения не считались приоритетными загрязнителями. Однако, начиная с 1960-х годов, интерес к этому виду поллютантов окружающей среды заметно повысился («Почвы и техногенные поверхностные образования в городских ландшафтах», 2012).

Как отмечается в многочисленных работах по экологии тяжелых металлов, все они обладают одним общим свойством - они могут быть биологически активными. Накопление тяжелых металлов в верхних горизонтах почвы приводит к тому, что они длительное время оказывают токсические эффекты на все группы организмов, населяющих почву и произрастающих на ее поверхности. Вследствие этого, попадая в результате антропогенной деятельности в окружающую среду, они включаются в той или иной степени в биологический круговорот, и при определенных биогеохимических условиях и концентрациях начинают оказывать токсическое действие на живые организмы (Beyer et al., 1985; Никаноров, Жулидов, 1991; Grant, 1992; Ильин и др., 2000 и др.; Герасимов и др., 2003; Колесников др., 2006