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

Ярославцев, Михаил Викторович

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Оценка устойчивости биологических свойств разных подтипов черноземов юга России к загрязнению Cr, Cu, Ni, Pb
ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Оценка устойчивости биологических свойств разных подтипов черноземов юга России к загрязнению Cr, Cu, Ni, Pb"

Ярославцев Михаил Викторович

ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ БИОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РАЗНЫХ ПОДТИПОВ ЧЕРНОЗЕМОВ ЮГА РОССИИ К ЗАГРЯЗНЕНИЮ Сг, Си, РЬ

03.02.08 - экология (биологические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 5 Ш

Ростов-на-Дону - 2012

005014169

Работа выполнена на кафедре экологии и природопользования Южного федерального университета

Научный руководитель: доктор сельскохозяйственных наук, профессор,

заведующий кафедрой экологии и природопользования Южного федерального университета Колесников Сергей Ильич

Официальные оппоненты: Емутлова Ольга Степановна,

доктор биологических наук, профессор,

профессор кафедры почвоведения и оценки земельных

ресурсов Южного федерального университета

Куринская Надежда Викторовна,

кандидат биологических наук, доцент,

доцент кафедры лесоводства и лесных мелиорации

Новочеркасской государственной мелиоративной академии

Ведущая организация: Ставропольский государственный аграрный

университет

Защита диссертации состоится 29 марта 2012 г. в 17.00 на заседании диссертационного совета Д 212.208.32 по биологическим наукам при Южном федеральном университете (344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Б.Садовая, 105, ЮФУ, ауд. 304, e-mail: denisova777@inbox.ru, факс: (863)263-87-23).

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

Автореферат разослан « » февраля 2012 г. и размещен в сети Интернет на сайте ЮФУ www.sfedu.ru и на сайте Минобрнауки России www.vak.ed.gov.ru

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук

Денисова Т.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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

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

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

Цель и задачи исследования. Цель работы — дать сравнительную оценку устойчивости биологических свойств разных типов и подтипов черноземов юга России к загрязнению Сг, Си, N1, РЬ (в модельном эксперименте).

Задачи исследования:

1.Установить закономерности воздействия загрязнения тяжелыми металлами (ТМ) на биологические свойства черноземов юга России, такие как ферментативная активность, обилие бактерий рода Аго^ЬаМег, фитотоксич-ность почв.

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

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

Основные положения, выносимые на защиту.

1.Загрязнение черноземов юга России Сг, Си, №, РЬ, как правило, ведет к ухудшению их биологических свойств: снижается активность каталазы и дегидрогеназы, целлюлозолитическая способность, обилие бактерий рода Аго^ЬаМег, ухудшаются показатели прорастания и начального роста растений. Степень ухудшения биологических свойств зависит природы элемента, содержания его в почве и генетических свойств чернозема, определяющих его устойчивость к загрязнению. По степени негативного воздействия на биологические свойства черноземов оксиды ТМ образуют следующий ряд: СгОз > СиО > РЬО >= №0. Как правило, наблюдается прямая зависимость между содержанием ТМ и степенью ухудшения исследуемых свойств почвы.

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

3.Использованные биологические показатели — активность каталазы и дегидрогеназы, целлюлозолитическая способность, обилие бактерий рода Аго1оЬасГег, длина корней редиса — подтвердили свою пригодность для мониторинга, диагностики и нормирования химического загрязнения почв.

поллютантов в регионе. Дана сравнительная оценка устойчивости к загрязнению ТМ широкого спектра черноземов юга России: обыкновенных и южных восточно-европейской фации, обыкновенных, южных, типичных, выщелоченных слитых, предгорных и горных южно-европейкой фации. Установлена возможность и целесообразность применения различных биологических показателен в целях мониторинга и диагностики загрязнения ТМ черноземов и наземных экосистем в целом юга России.

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

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

2009, 2010); III Всероссийской научно-практическая конференция «Экологические проблемы природных и урбанизированных территорий» (Астрахань, 2009); III Международной конференции «Горные экосистемы и их компоненты» (Нальчик. 2009); Международной научно-практической конференции «Геоэкология и рациональное природопользование: от науки к практике» (Белгород, 2009); II Всероссийской конференции «Биогеография почв» (Москва, 2009); Международной конференции «Экокультура и фитобиотехноло-гии улучшения качества жизни на Каспии» (Астрахань, 2010); Научной конференции «Актуальные проблемы экологии и биологии почв» (Ростов-на-Дону, 2010); Научной конференции «Актуальные проблемы экологии и природопользования» (Ростов-на-Дону, 2011); Всероссийской научной конференции «Модернизация науки и образования». Секция 1: «Биологические науки». (Махачкала, 2011).

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

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

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

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

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

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

ГЛАВА 1. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ

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

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

ГЛАВА 2. ЧЕРНОЗЕМЫ ЮГА РОССИИ

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

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

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Была проведена серия модельных экспериментов. Исследовали Сг, Си, РЬ, так как именно этими металлами в значительной степени загрязнены почвы юга России (Шеуджен, 2003; Дьяченко, 2004).

Таблица 1

Генетические и биологические характеристики исследованных черноземов

№ Почва Условное обозначение почвы Место отбора Содержание гумуса, % рн Гранулометрический состав Активность каталазы, мл 02/г почвы за 1 мин Активность дегидрогеназы, мг ТФФЛО г почвы за 24 часа Обилие бактерий рода АюҐоЬасґс'Г, % обрастания

1. Черноземы обыкновенные Чо Волгоградская область, Неха-евский район, п. Динамо 5,1 8,1 Тяжело-суглинистый 7,3 17,3 100

2. Черноземы южные Чю Ростовская область, Каменский район, г. Каменск-Шахтинский 4,0 7,9 Тяжелосуглинистый 6,3 14,7 88

3. Черноземы обыкновенные (североприазовские) Чо(с) Ростовская область, Октябрьский район, п. Персиановский 4,0 7,6 Тяжелосуглинистый 8,4 17,5 100

4. Черноземы обыкновенные (предкав-казские) Чо(п) Краснодарский край, Кущев-ский район, ст. Кущевская 4,6 7,9 Тяжелосуглинистый 8,8 17,1 100

5. Черноземы типичные (предкавказ-ские) Чт(п) Краснодарский край, Усть-Лабинский район, г. Усть-Лабинск 3,5 6,9 Тяжелосуглинистый 4,4 14,8 100

6. Черноземы выщелоченные слитые Чв(сл) Республика Адыгея, Красногвардейский район, с. Белое 5,1 6,3 Глинистый 8,2 13,6 94

7. Черноземы южные (каштановые) Чю(к) Краснодарский край, Анапский район, п. Джигинка 3,2 7,7 Тяжелосуглинистый 3,3 16,6 86

8. Черноземы типичные (предгорные) Чт(п/г) Ставропольский край, Шпа-ковский район, с. Московское 3,3 8,3 Тяжелосуглинистый 5,2 14,3 100

9. Черноземы типичные (горные) Чт(г) Ставропольский край, Предгорный район, г. Кисловодск 5,3 6,8 Тяжело-суглинистый 7,7 15,2 91

Кроме того, выбранные ТМ интересны для сравнения — их ПДК составляют 100 мг/кг почвы. Использованы значения ПДК, разработанные в Германии (Химическое загрязнение почв ..., 1991, Касьяненко, 1992). С одной стороны ПДК в почве валового содержания Си и № в России отсутствуют. Кроме того, «российская» ПДК РЬ зачастую не может быть использована, так как ее значение часто меньше фонового содержания РЬ во многих почвах (Колесников и др., 2000).

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

ТМ вносили в почву в форме оксидов: СгО,, СиО, N¡0, РЬО, так как их значительная доля поступает в почву именно в этой форме (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989), а также использование оксидов ТМ позволяет исключить воздействие на свойства почвы сопутствующих анионов, как это происходит при внесении солей металлов.

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

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

При биомониторинге и биодиагностике загрязнения почв целесообразно применение комплексного подхода и определение интегрального показателя биологического состояния (ИПБС) почвы на основе наиболее информативных показателей (Колесников и др., 2006). В настоящем исследовании ИПБС был рассчитан по следующим показателям: активности каталазы и де-

гидрогеназы, целлюлозолитической активности, обилию бактерий рода АгоюЬааег, длине корней редиса (фитотоксичности). Активность каталазы, дегидрогеназы характеризуют потенциальную биологическую активность почвы, а целлюлозолитическая способность — актуальную. Каталаза и де-гидрогеназа принадлежат к окислительно-восстановительным ферментам, которые наиболее чувствительны к химическому загрязнению. Бактерии рода Лго/оЬасгег традиционно и успешно используют как индикатор загрязнения почвы ТМ. Длина корней редиса отражает фитотоксические свойства химически загрязненной почвы. Представленный набор показателей дает информативную картину протекающих в почве биологических процессов и ее экологического состояния.

Для расчета ИПБС значение каждого из пяти указанных выше показателей на контроле (в незагрязненной почве) принимали за 100% и по отношению к нему выражали в процентах значения в остальных вариантах опыта (в загрязненной почве). Затем определяли среднее значение пяти выбранных показателей для каждого варианта опыта. Использованная методика позволяет интегрировать относительные значения разных показателей, абсолютные значения которых не могут быть объединены в единый показатель, так как имеют разные единицы измерения.

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

ГЛАВА 4. УСТОЙЧИВОСТЬ ЧЕРНОЗЕМОВ ЮГА РОССИИ К ЗАГРЯЗНЕНИЮ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ

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

В результате исследований установлено, что загрязнение черноземов юга России оксидами Сг, Си, К}, РЬ, как правило, ведет к ухудшению их биологических свойств. Снижается активность каталазы и дегидрогеназы, цел-

люлозолитімеская способность, обилие бактерий рода АгоЮЬасІег, ухудшаются показатели прорастания н начального роста растений.

Таблица 2

Влияние загрязнения ТМ на биологические свойства

чернозема обыкновенного

Элемент Доза загрязняющего вещества

Контроль 1 ПДК 10 ПДК 100 ПДК НСР05

Активность каталазы, мл О: на 1 г почвы за 1 мин

Сг 7,3 6,2 5,7 3,7 0,9

Си 7,3 6,5 6,5 6,1 0,6

№ 7,3 6,5 6,5 6,2 0,6

РЬ 7,3 6,5 6,8 5,0 0,6

НСР05 0,5 0,7 0,6

Активность дегндрогеназы, мг ТФФ на 10 г почвы за 24 часа

Сг 17,3 12,5 9,5 7,3 2,7

Си 17,3 12,8 6,8 8,9 1,5

№ 17,3 16,9 14,9 15,0 2,2

РЬ 17,3 17,2 13,2 11,9 2,0

НСРК 1,5 1,5 1,3

Целлюлозолитнческая активность, % от контроля

Сг 100 41 33 21 6

Си 100 98 55 43 5

N1 100 99 79 65 6

РЬ 100 98 88 83 7

НСРо 5 8 8 6

Обилие бактерий рода АхіїоЬасІег, % комочков обрастания

Сг 100 90 74 49 10

Си 100 97 98 56 6

№ 100 100 100 100 7

РЬ 100 100 91 68 6

НСРо 5 8 10 И

Длина корней редиса (фитотокснчность), % от контроля

Сг 100 88 57 44 9

Си 100 99 98 93 7

N1 100 98 94 92 7

РЬ 100 97 95 94 7

НСР05 8 9 10

ИПБС, % от контроля

Сг 100 75 59 41

Си 100 91 76 65

№ 100 97 90 86

РЬ 100 97 85 71

В результате исследований установлено, что загрязнение черноземов юга России оксидами Сг, Си, N1, РЬ, как правило, ведет к ухудшению их биологических свойств. Снижается каталазная, дегидрогеназная и целлюлозоли-тическая активность, обилие бактерий рода Лго/оЬясґег, ухудшаются показатели прорастания и интенсивности начального роста растений.

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

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

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

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

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

По отношению к черноземам обыкновенным Чо: СгОз > СиО > РЬО > N¡0; черноземам южным Чю: СгОз > СиО >= №0 > РЬО; черноземам обыкновенным (североприазовским) Чо(с): СгОз > СиО, РЬО > N¡0; черноземам обыкновенным (предкавказским) Чо(п): СгОз > СиО, РЬО = №0; черноземам типичным (предкавказским) Чт(п): СгОз > СиО > №0 > РЬО; черноземам выщелоченным слитым Чв(сл): Сг03 > РЬО >= СиО >= N¡0; черноземам южным (каштановым) Чю(к): Сг03 > СиО >= №0 >= РЬО; черноземам типичным (предгорным) Чт(п/г): СЮ3 > СиО > РЬО >= N¡0; черноземам типичным (горным) Чт(г): Сг03 > СиО >= РЬО >= N¡0.

По отношению к черноземам юга России (в целом) оксиды ТМ образуют следующую последовательность: Сг03 > СиО > РЬО >= N¡0.

Схожая закономерность была получена ранее в исследованиях, проведенными по той же методике, с другими почвами юга России: серыми и бурыми лесными, каштановыми, бурыми полупустынными, субальпийскими, дерново-карбонатными, песчаными и др. (Тлехас, Колесников, 2008; Спивакова, Колесников, 2010). Однако такая последовательность ТМ по их эколо-

гической опасности для почв не всегда совпадает с ранее полученными данными на других типах почв (ГОСТ 17.4.1.02—83; Crommentuijn, Polder Van de Plassche, 1997). Возможно, более высокая токсичность хрома на черноземах связана с тем, что в окислительных условиях хром более подвижен (Za-chara, Ainsworth, Cowan, Resch, 1989), а невысокая токсичность свинца обусловлена более высоким содержанием в черноземах гуминовых кислот, которые сильнее связывают свинец, чем например медь (Manceau, Marcus, Tamura, 2002). Однако этот вопрос требует дальнейших специальных исследований.

ГЛАВА 5. СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ БИОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЧЕРНОЗЕМОВ ЮГА РОССИИ К ЗАГРЯЗНЕНИЮ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ

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

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

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

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

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

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

Чо Чю Чо(с) Чо(п) Чт(п) Чв(сл) Чю(к) Чт(п/г) Чт(г; в 1 П^К И10ПДК В100ПД<

Чю Чо(с) □ 1 пдк

Чо(п) Чт(п) ЕЮ пдк

Чв(сл) Чю(к) Чт(п/г) н 100 пдк

Чт(г)

Чо Чю Чс(с) Чо(п) Чт(п) Чв(сп) Чю(к) Чт(п/г) Чт(г) □ 1 пдк в ю пдк вю: пдк

Рис. 1. Изменение ИПБС (% от контроля) черноземов юга России при загрязнении: А - хромом; Б - медью; В - никелем; Г — свинцом. Условные обозначения: Чо - черноземы обыкновенные; Чю - черноземы южные; Чо(с) - черноземы обыкновенные (североприазовские); Чо(п) - черноземы обыкновенные (предкавказские); Чт(п) - черноземы типичные (предкавказские); Чв(сл) - черноземы выщелоченные слитые; Чю(к) - черноземы южные (каштановые); Чт(п/г) — черноземы типичные (предгорные); Чт(г') - черноземы типичные (горные).

Таблица 3

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

№ Почва Сг Си № РЬ Среднее значение

1. Черноземы обыкновенные 69 83 93 88 83

2. Черноземы южные 53 79 81 86 75

3. Черноземы обыкновенные (североприазовские) 73 84 89 84 83

4. Черноземы обыкновенные (предкавказские) 69 87 87 87 83

5. Черноземы типичные (предкавказские) 50 78 83 87 75

6. Черноземы выщелоченные слитые 58 75 76 74 70

7. Черноземы южные (каштановые) 48 82 83 85 75

8. Черноземы типичные (предгорные) 50 81 93 92 79

9. Черноземы типичные (горные) 62 84 88 87 80

Среднее значение 59 81 86 85

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

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

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

Наиболее низким значением рН (6,3) из исследованных черноземов обладают черноземы выщелоченные слитые. Вследствие этого, даже несмотря на высокое содержание гумуса (5,1%), они проявили наименьшую устойчивость к загрязнению ТМ.

Это же касается и черноземов горных — на фоне высокого содержания гумуса (5,3%), они имеют невысокие значения реакции среды (рН=6,8). Поэтому они не столь устойчивы как другие черноземы, менее гумусированные, но более «щелочные».

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

Таблица 4

Коэффициенты корреляции (г) ИПБС почвы с содержанием в почве гумуса

и ее кислотностью при загрязнении разными металлами (а=0,05)

№ Свойства почвы Сг Си N1 РЬ

1. Содержание гумуса 0,63 0,14 -0,08 -0,38

2, Актуальная кислотность (рН) 0,08 0,52 0,68 0,73

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

ГЛАВА 6. ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ПРИ МОНИТОРИНГЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ЧЕРНОЗЕМОВ ЮГА РОССИИ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ

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

Таблица 5

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

№ Показатель Сг Си № РЬ Среднее значение

1. Активность каталазы -0,86 -0,79 -0,84 -0,87 -0,84

2. Активность дегидрогеназы -0,71 -0,70 -0,77 -0,77 -0,74

3. Целлюлозолитическая активность -0,62 -0.77 -0,87 -0,85 -0,78

4. Обилие бактерий рода АююЬаМег -0,83 -0,83 -0,75 -0,82 -0,81

5. Длина корней редиса (фитотоксичность) -0,74 -0,82 -0,62 -0,74 -0,73

6. ИПБС -0,75 -0,79 -0,84 -0.87 -0,81

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

При загрязнении Сг: активность каталазы > обилие бактерий рода А:о1оЪас1ег > длина корней (фитотоксичность) >= активность дегидро-геназы > целлюлозолитическая способность.

При загрязнении Си: обилие бактерий рода Л~о1оЬас1ег >= длина корней (фитотоксичность) >= активность каталазы >= целлюлозолити-ческая способность > активность дегидрогеназы.

Прн загрязнении N1: целлюлозолитическая способность > активность каталазы > активность дегидрогеназы >= обилие бактерий рода АШоЬас1ег > длина корней (фитотоксичность).

При загрязнении РЬ: активность каталазы >= целлюлозолитическая способность > обилие бактерий рода А2о1оЪаМег > активность дегидрогеназы > длина корней (фитотоксичность).

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

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

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

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

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

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

По отношению к загрязнению Сг: целлюлозолитическая способность > активность дегидрогеназы >= длина корней (фитотоксичность) > обилие бактерий рода АгоюЬас^ег > активность каталазы.

Таблица 6

Степень снижения биологических показателей, % от контроля

(средние значения для всех черноземов и доз ТМ)

№ Показатель Сг Си № РЬ Среднее значение

1. Активность каталазы 72 84 88 89 83

2. Активность дегидрогеназы 50 70 82 77 70

3. Целлюлозолитическая активность 28 63 72 72 59

4. Обилие бактерий рода А:оЮЬас1ег 66 86 86 85 81

5. Длина корней редиса (фитотоксичность) 53 88 88 85 79

6. ИПБС 54 78 83 82 74

По отношению к загрязнению Си: целлюлозолитическая способность > активность дегидрогеназы > активность каталазы >= обилие бактерий рода А:о1оЪас1ег >= длина корней (фитотоксичность).

По отношению к загрязнению №: целлюлозолитическая способность

> активность дегидрогеназы > обилие бактерий рода А'оюЬааег > активность каталазы = длина корней (фитотоксичность).

По отношению к загрязнению РЬ: целлюлозолитическая способность

> активность дегидрогеназы > обилие бактерий рода А2о1оЬас1ег = длина корней (фитотоксичность) > активность катачазы.

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

Таким образом, более чувствительными из исследованных биологических показателей при загрязнении почв ТМ являются целлюлозолитиче-

екая активность почвы и активность дегидрогеназы. Менее чувствительными являются показатели активности каталазы, обилия бактерий рода Azotobacter и длины корней (фитотоксичности).

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

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

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

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

ВЫВОДЫ

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

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

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

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

5. По степени чувствительности (по степени снижения значений) к загрязнению ТМ исследованные биологические показатели располагаются следующим образом: целлюлозолитическая способность > активность дегидрогеназы > длина корней (фитотоксичность) >= обилие бактерий рода Аю1оЬас(ег >= активность каталазы.

6. Все использованные в работе биологические показатели (активность каталазы и дегидрогеназы, целлюлозолитическая способность, обилие бактерий рода Аго1оЬасгег, длина корней редиса) подтвердили свое соответствие необходимым требованиям, предъявляемым к показателям, используемым для мониторинга, диагностики и нормирования химического загрязнения почв. Они отличаются высокими информативностью и чувствительностью, достаточной воспроизводимостью, допустимым варьированием, широкой распространенностью методов, небольшой ошибкой опыта, простотой, малой трудоемкостью, высокой скоростью определения и т.д.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:

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

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

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

Статьи и тезисы в других изданиях:

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

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

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

7. Колесников С.И., Ярославцев М.В., Жаркова М.Г. Устойчивость биологических свойств разных типов почв при химическом загрязнении //

Материалы II Всероссийской конференции «Биогеография почв». Москва. 2009. С. 119-120.

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

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

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

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

12.Шабанова A.A., Ярославцев М.В., Нпкитенко К.С., Спивакова H.A., Колесников С.И. Влияние тяжелых металлов и нефти на активность ката-лазы чернозема обыкновенного Волгоградской области // Материалы научной конференции «Актуальные проблемы экологии и природопользования». Ростов-на-Дону. 2011. С. 151-152.

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

14Лрославцев М.В., Колесников С.И. Влияние загрязнения тяжелыми металлами на биологические свойства горных черноземов юга России // Материалы Всероссийской научной конференции «Модернизация науки и

образования». Секция 1: «Биологические науки». Махачкала. 2011. С. 154155.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ИПБС — интегральный показатель биологического состояния почвы

НСР — наименьшая существенная разность

ПДК — предельно допустимая концентрация

ТМ — тяжелые металлы

ТФФ — трифенилформазан

Чв(сл) — черноземы выщелоченные слитые

Чо — черноземы обыкновенные

Чо(п) — черноземы обыкновенные (предкавказские)

Чо(с) — черноземы обыкновенные (североприазовские)

Чт(г) — черноземы типичные (горные)

Чт(п) — черноземы типичные (предкавказские)

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

Чю — черноземы южные

Чю(к) — черноземы южные (каштановые)

Подписано в печать 20.02.2012 г. Формат 60x84 '/,6. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. ),0. Тираж 100 экз. Заказ.№ 2215.

Отпечатано в типографии ЮФУ. 344090, г. Ростов-на-Дону, пр. Стачки, 200/1.Тел. (863) 247-80-51.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Ярославцев, Михаил Викторович, Ростов-на-Дону

61 12-3/765

ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЯРОСЛАВЦЕВ МИХАИЛ ВИКТОРОВИЧ

ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ БИОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ РАЗНЫХ ПОДТИПОВ ЧЕРНОЗЕМОВ ЮГА РОССИИ К ЗАГРЯЗНЕНИЮ Сг, Си, N1, РЬ

диссертация

на соискание ученой степени кандидата биологических наук

03.02.08 — экология (биологические науки)

Научный руководитель:

д.с.-х.н., профессор Колесников С.И.

Ростов-на-Дону - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

введение.............................................................................................................5

глава 1. экологические последствия загрязнения почв тяжелыми металлами..........................................................................10

1.1. источники загрязнения и поведение тяжелых металлов в почве... 10

1.2. Влияние загрязнения тяжелыми металлами на свойства почвы и

живые организмы............................................................................................. 15

глава 2. черноземы юга россии.....................................................22

2.1. Условия почвовобразования..................................................................22

2.2. Место черноземов в почвенном покрове Юга России......................26

2.3. Закономерности географического распространения черноземов на юге Росии..........................................................................................................30

2.4. Экологические и почвенно-генетические особенности фаций

черноземов........................................................................................................31

2.5. Классификация и диагностика черноземов........................................36

2.6. Черноземы южно-европейской фации..................................................43

2.7. Черноземы восточно-европейской фации...........................................46

2.8. Черноземы горные.....................................................................................47

глава 3. методика и методы исследований.........................50

3.1. Методика проведения модельных исследований..............................50

3.2. Лабораторно-аналитические методы определения свойств почв .. 54

3.3. Статистическая обработка результатов..............................................57

глава 4. устойчивость черноземов юга россии к загрязнению тяжелыми металлами.........................................59

4.1. Устойчивость к загрязнению тяжелыми металлами чернозема обыкновенного.................................................................................................59

4.2. Устойчивость к загрязнению тяжелыми металлами чернозема южного...............................................................................................................64

4.3. Устойчивость к загрязнению тяжелыми металлами чернозема

обыкновенного (североприазовского)........................................................68

4.4. Устойчивость к загрязнению тяжелыми металлами чернозема

обыкновенного (предкавказского)..............................................................73

4.5. Устойчивость к загрязнению тяжелыми металлами чернозема типичного (предкавказского).......................................................................77

4.6. Устойчивость к загрязнению тяжелыми металлами чернозема выщелоченного слитого................................................................................81

4.7. устойчивость к загрязнению тяжелыми металлами чернозема южного (каштанового)..................................................................................85

4.8. устойчивость к загрязнению тяжелыми металлами чернозема типичного (предгорного)................................................................................89

4.9. устойчивость к загрязнению тяжелыми металлами чернозема типичного (горного)........................................................................................93

4.10. Влияние загрязнения тяжелыми металлами на интегральный

показатель биологического состояния черноземов................................97

глава 5. сравнительная оценка устойчивости биологических свойств черноземов юга россии к загрязнению тяжелыми металлами.......................................104

глава 6. оценка возможности применения биологических показателей при мониторинге загрязнения черноземов юга россии тяжелыми металлами...................................................................................................114

6.1. Оценка информативности показателей.............................................114

6.2. Оценка чувствительности показателей.............................................116

6.3. Общая оценка..........................................................................................117

выводы

литература

ВВЕДЕНИЕ

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

Цель и задачи исследования. Цель работы — дать сравнительную оценку устойчивости биологических свойств разных типов и подтипов чер-

ноземов юга России к загрязнению Сг, Си, N1, РЬ (в модельном эксперименте).

Задачи исследования:

Основные положения, выносимые на защиту.

1 .Загрязнение черноземов юга России Сг, Си, N1, РЬ, как правило, ведет к ухудшению их биологических свойств: снижается активность каталазы и дегидрогеназы, целлюлозолитическая способность, обилие бактерий рода Аго(оЪас!ег, ухудшаются показатели прорастания и начального роста растений. Степень ухудшения биологических свойств зависит от природы элемента, содержания его в почве и генетических свойств чернозема, определяющих его устойчивость к загрязнению. По степени негативного воздействия на биологические свойства черноземов оксиды ТМ образуют следующий ряд: Сг03 > СиО > РЪО >= N10. Как правило, наблюдается прямая зависимость между содержанием ТМ и степенью ухудшения исследуемых свойств почвы.

личные, еще меньшую — южные, наименьшую — выщелоченные слитые. Такая последовательность определяется эколого-генетическими свойствами черноземов — реакцией среды, содержанием органического вещества и др. Высокое содержание гумуса в большей степени определяет буферность почвы к загрязнению хромом, а высокие значения рН больше обеспечивают устойчивость к меди, никелю и свинцу.

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

Объекты и методы исследований представлены ниже, в главах 2 и 3.

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

тональных ПДК ТМ в почве; определении предельно допустимой антропогенной нагрузки на территорию; экологическом прогнозировании последствий деятельности человека на данной территории; определении степени ответственности предприятий при нерациональном природопользовании; оценке риска катастроф; проведении экологической экспертизы, сертификации, паспортизации территории или хозяйственного объекта и т.д.

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

гии улучшения качества жизни на Каспии» (Астрахань, 2010); Научной конференции «Актуальные проблемы экологии и биологии почв» (Ростов-на-Дону, 2010); Научной конференции «Актуальные проблемы экологии и природопользования» (Ростов-на-Дону, 2011); Всероссийской научной конференции «Модернизация науки и образования». Секция 1: «Биологические науки». (Махачкала, 2011).

ГЛАВА 1. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ

1.1. ИСТОЧНИКИ ЗАГРЯЗНЕНИЯ И ПОВЕДЕНИЕ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В ПОЧВЕ

Термин «тяжелые металлы» (ТМ) характеризует широкую группу загрязняющих веществ. В различных научных работах авторы по-разному трактуют значение этого понятия. Соответственно в широких пределах изменяется количество элементов, относимых к этой группе. В качестве критериев принадлежности используются различные характеристики: атомная масса, плотность, токсичность, распространенность в природной среде, степень вовлеченности в природные и техногенные циклы.

В работах, посвященных проблемам загрязнения окружающей природной среды и экологического мониторинга, к тяжелым металлам относят свыше 40 элементов таблицы Д.И. Менделеева с атомной массой более 50 атомных единиц массы: V, Сг, Мп, Бе, Со, Си, Ъп, Мо, Сё, Бп, Яg, РЬ, В1 и др. (Ильин, 1991; Орлов и др., 1991).

Однако, сложившееся понятие «тяжелые металлы» не является строгим, так как к ним часто относят неметаллы, например, Ав, 8е, а иногда Ве и другие элементы, атомная масса которых меньше 50 атомных единиц массы.

Таким образом, в научной литературе нет общепринятого термина для обозначения такой группы элементов-неметаллов как Ая, Бе, ¥, В, Ве и другие. Их называют «продукты техногенеза», «тяжелые металлы», «микроэлементы» и т.д. Однако ни один из этих терминов не является безукоризненным и точно отражающим их особенности (Колесников и др., 2006).

^ Т

Многие тяжелые темаллы являются микроэлементами незаменимыми для живых организмов, так как входят в состав ферментов (Островская,

1987). В то же время, биологическая роль таких элементов как свинец, ртуть, висмут к настоящему времени не ясна. При этом избыточное содержание тяжелых металлов в различных объектах оружающей среды оказывает токсическое действие на живые организмы.

В настоящей работе основное внимание уделено хрому, йеди, никелю и свинцу, так как именно они являются приоритетными загрязняющими веществами естественных экосистем на юге России (Дьяченко, 2004).

В таблице 1 представлены кларк, норма содержания и ПДК в почве хрома, меди, никеля и свинца.

Таблица 1

Кларк, пределы колебаний содержания и ПДК элементов в почве (мг/кг почвы)

Элемент Кларк Пределы колебаний Концентрация в незагрязненной почве ПДК Россия ПДК Германия

валовое содержание валовое содержание валовое содержание валовое содержание подвижные формы валовое содержание

(по Торшину с соавт., 1990) (по Касьяненко, 1992) (по Беспамятнову, Кро-тову,1985; Лозановской с соавт., 1998 и др.) (по Касьяненко, 1992)

Сг 70 5-1500 1-100 90 6 100

Си 30 2-250 2-100 - 3 100

Ni 50 2-750 1-100 - 4 100

Pb 35 2-300 1-100 32 6 100

В почве тяжелые металлы подвергаются окислению, их растворимость возрастает. Растворимые соединения подвергаются всем типам миграции и загрязняют воду, воздух, продукты питания (Торшин и др., 1990; Соколов, Черников, 1999; Перязева, 2001).

Источники загрязнения почвы тяжелыми металлами делят на природные и техногенные (табл. 2). Природные источники — выветривание горных пород и минералов, эрозионные процессы, вулканическая деятельность. Техногенные источники — добыча и переработка полезных ископаемых, влияние автотранспорта и сельского хозяйства, сжигание топлива и др. (Бондарев, 1976; Алексеев, 1987; Ильин, 1991; Орлов и др., 1991; Бирагова, 2003).

Помимо загрязнения через атмосферу сельскохозяйственные земли, загрязняются тяжелыми металлами еще и при применении пестицидов, минеральных и органических удобрений, использовании сточных вод, известковании, гипсовании и т.д. (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Торшин и др., 1990).

В последнее время, особое внимание ученые уделяют городским почвам, которые в значительной степени подвержены загрязнению тяжелыми металлами (Приваленко, 1993; Ларина и др., 1996; Ладонина и др., 1999; Ильин и др., 2000 и др.; Кадацкий и др., 2001; Ильин, 2002; Хамитова, �

Информация о работе

Ярославцев, Михаил Викторович
кандидата биологических наук
Ростов-на-Дону, 2012
ВАК 03.02.08

Диссертация

Оценка устойчивости биологических свойств разных подтипов черноземов юга России к загрязнению Cr, Cu, Ni, Pb - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы