Бесплатный автореферат и диссертация по сельскому хозяйству на тему

Влияние компонентов ракетного топлива на почвенно-растительную систему

ВАК РФ 06.01.14, Агрофизика

Автореферат диссертации по теме "Влияние компонентов ракетного топлива на почвенно-растительную систему"

-у

На правах рукописи

ПАНОВА Гаянэ Геннадьевна

ВЛИЯНИЕ КОМПОНЕНТОВ РАКЕТНОГО ТОПЛИВА НА ПОЧВЕННО-РАСТИТЕЛЬНУЮ

СИСТЕМУ

06.01.14- агрофизика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Санкт-Петербург 1997

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Агрофизическом научно-исследовательском институте

Научный руководитель:

- академик Россельхозакадемии, доктор сельскохозяйственных наук профессор Е.И. Ермаков

Официальные оппоненты:

- доктор биологических наук Т.С. Зверева

- доктор биологических наук Ю.В. Круглое

Ведущая организация - Санкт-Петербургский государственный университет

Зашита диссертации состоится «•/<?» Сре£рСЦА/ 1998г. в ^часов на заседании диссертационного совета Д 020.^21.(И в Агрофизическом научно-исследовательском институте по адресу:

195220, г. Санкт-Петербург, Гражданский пр., 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Агрофизического научно-исследовательского института

Автореферат разослан ЛЬ^Ир-Ь 199? г.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направить по адресу:

195220, г. Санкт-Петербург, Гражданский пр., 14, АФИ

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук

М.В. Архипов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современные экологические проблемы приобрели глобальный характер по размерам за! рязнения регионов, по дхчьности переноса загрязнителей в атмосфере и по влиянию загрязнений на условия жизни и здоровье населения Земли. Высокая экологическая напряженность создалась к настоящему времени в регионах, эксплуатируемых военно-промышленным комплексом, поскольку в течение нескольких десятилетий его деятельность была закрытой и экологически нерегламентнрованной. В перечне загрязнителей, созданных и используемых военно-промышленным комплексом, значтельиую опасность для окружающей среды и человека представляют компоненты жидкого ракетного топлива, в том числе несимметричный диметапгидразнн. Несимметричный диметилгидразин - летучее токсичное высокореакционноспособное химическое вещество первого класса опасности, способное мигрировать почвенным и атмогенным путем на значительные расстояния (Большаков, 1983; Касимов с соавт., 1994).

Предлагаемые на сегодняшний день способы детоксикацни загрязненных почв экономически невыгодны, техноло! ичсски грудоемки, а главное - экологически небезвредны и неприемлемы для регионов, подвергшихся воздействию компонентов ракетного топлива. Наиболее перспею явным в этом отношении является разработанный в АФИ академиком РАС XII Е.И. Ермаковым с со грудниками метод бнореставрации за!рязиеннмх компонентами жидкого ракетного топлива почв с помощью растений и сопутствующей биоты.

Системные исследования иочвенно-растителыюго комплекса при во ¡действии несимметричного диметилгидразина до настоящего времени не проводились. В доступной литературе практически нет сведений о его влиянии на мик-робоценоз почв, на растения, не исследованы механизмы их взаимодействия; не оценена роль растений и микроорганизмов в детоксикацни поллютанта. Выяснение этих вопросов позволит сформировать и использовать на практике экологически гармоничные принципы биореставрации загрязненных компонентами ракетного топлива почв.

Цель н задачи исследования. Цель настоящей работы заключалась в исследовании влияния компонентов ракетного топлива на почвенно-растительную систему, выяснении закономерностей трансформации несимметричного диметилгидразина и продуктов его деструкции в почвах под воздействием биоты, обосновании и реализации экологически гармоничного метода фнтодетоксика-цин загрязненных территорий.

В соответствии с целью были определены следующие задачи исследования.

- изучить влияние несимметричного диметилгидразина на рост, развитие, продуктивность, системы внутренней регуляции растений в ряду последовательных вегетаций;

- исследовать эволюцию микробиотического комплекса почвенно-растителыюй системы при воздействии несимметричного диметилгидразина;

- изучить влияние несимметричного диметилгидразина на трансформацию органического вещества почв;

- выявить закономерности трансформации несимметричного диметилгидразина в почвенно-paci нтельной системе;

- оценить влияние температуры и интенсивности лучистого потока на процессы трансформации несимметричного диметилгидразина в почве под воздействием биоты.

Научная новизна работы состоит в исследовании закономерностей воздействия несимметричного диметилгидразина на почву, растения и сопутствующую микробиоту, а также в формировании банка знаний об эволюции поч-венно-растительной системы под воздействием этого химического токсиканта. Доказана ведущая роль высших растений и сопутствующей микробноты в деструкции несимметричного диметилгидразина и его производных в почве.

Практическая значимость работы заключается в обосновании и реализации метода бнореставрации загрязненных компонентами ракетного топлива почв с помощью растений и сопутствующей биоты на полигонах интенсивных исследований. Осуществлен прогноз длительности естественной деградации несимметричного диметилгидразина в почвах в зависимости от температуры и условий освещения растений. Разработаны основы метода бнореставрации загрязненных почв в природных условиях.

Апробация работы. Результаты работы доложены на семинаре «Обеспечение экологической безопасности вооружения, военной техники и военных объектов» в Экологическом центре МО РФ (Москва, 1995), на Международной научно-практической конференции «Экологические проблемы деятельности оборонной промышленности и вооруженных сил России» (Москва, 1995), на годичной сессии Ученого совета АФИ (1996), на научно-практической конференции «Экологические аспекты воздействия компонентов жидких ракетных топлив на окружающую среду» (С,- Петербург, 1996), на Всероссийской конференции «Управление продукционным процессом у растений в регулируемых условиях» (С.- Петербург, 1996).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 4 работы.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, заключения, выводов, списка литературы и 4 приложении; содержит 245 страниц машинописного текста, 27 рисунков, 45 таблиц. Библиографический список включает 185 источников.

ОБЪЕКТЫ » МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Мониторинг почвенно-растительнои системы при воздействии компонента ракетного топлива несимметричного диметилгидразина (НДМГ) проводился

на полтинах в условиях северо-таежпой лесной зоны (Архангельская область) на площадке 25 53ГИП космодрома «Плесецк» и в регулир)емых условиях лаборатории светофпзиологии и светокультуры растений ЛФИ По суш >пт полигоны являются физической моделью jko- или атрожосиоемы. обеспечивающей воспроизведение условий жизнеобеспечения растений в течение neoi раниченио долгого времени при минимальном возмущающем воздействии «экологических шумов». Описание полигонов и методика вегетационных опытов приведены к кашей публикации (Панова, 1996).

Обьскпами исследования служили компоненты почтзешю-раеппелыюй системы -.почвы, растения, микроорганизмы в почве и на корнях растений. В работе использованы созданная в АФИ модельная органо-мпнератьная почва на основе верхового торфа низкой степени разложения и минеральных компонентов (Пат. РФ №2067969, 1996. Паг. РФ №2073417, 1997; Пат РФ №2101898, 1998), дерново-подзолистая супесчаная почва (Ленинградская обл., нос Мень-ково) и подзолистая нллювиально-гумусовая (Архангельская обл., космодром «Плесецк»), представители культурных растений семейств бобом,¡\ (горок сортов Фитотрон !, Немчшювскин 96) и злаковых (ячмень сортов Пиркка. Белогор-ский) из коллекции ВИР и Меньковской опытной станции АФИ

На площадке 25 53ГИП проведено две сезонные Beretamui на модельной и подзолистой иллювиально-гумусовои почвах. На лабораторном полигоне (установка РОСТ-1) непрерывно реализовано семь вегетации на модельной почве и три ветегаиии на дерново-подзолистой супесчаной почве. Одна ueieiamri нр< ведена в вегетационно-климатических установках (ВКШ-73) на дернов» подзолистой супесчаной почве. Растения выращивали при естественной иевс ценности и температуре в условттях площадки 25 53ГИП, на лабораторном но шгоне в установке РОСТ-1 - при температуре 20-25"С, длительности световог тсриода М ч, уровне облученности в области ФАР 100±10 Вт/м\ относительно! важности воздуха 60-70%. влажности почвы 60% от полной нлагоемкости. В рех BKTU температурные режимы составляли соответственно 12+1, 22+1 и 12+1 / 27±ГС (день/ночь). При температурном режиме 22"С облученность рас-ений поддерживалась на уровнях 60+5, 90±5, 120±5 Вт/м2 в области ФАР, при 2 и 32"С - 90+5 Dt/m2. Другие характеристики условий выращивания растений BKI1I аналогичны таковым на установке РОСТ-1

Уровни однократного загрязнения модельной почвы НДМГ составляли .5 и 5,0 г/кг (лабораторный полигон), 10, 25 и 100 г/кг (площадка 25 53ГИП). ерново-подзолистой супесчаной почвы - 1,0 г/кг, подзолистой нллювиально-умусовой - 50 г/кг. Контролем служили Tie затрязненные НДМГ почвы.

На обоих полигонах исследовали процессы, протекающие в почвах под астениями и без них. Проводили фенологические наблюдения за ростом и раз-итием растений, отбирали пробы растительного материала и почв для ми (фонологических, химических и других анализов, оценивали основные показатели оста и продуктивности растений.

Реакцию гормональной системы растений на загрязнение НДМГ оценивали по содержанию в листьях гормонов - активатора роста индолил-3-уксусной кислоты (ИУК) и ингибитора роста абсцнзовой кислоты (АБК), которые определяли с помощью метода иммуиоферментпого анализа (Кудоярова с соавт., 1986; Катаева с соавт., 1990, Полевой, Полевой, 1992; Weiler et al., 1986). Изучали реакцию на НДМГ ферментов нероксидазы и нитратредуктазы в листьях, растений. Активность нитратредуктазы определяли по методу Е.И. Токарева (Токарев, Шумный, 1977), активность нероксидазы - с помощью колориметрического метода по А.Н. Бояркину (Методы..., 1987). Для исследования характера прохождения мейоза у ячменя двух сортов на загрязненных почвах и учета имеющихся при этом нарушений колосья растений фиксировали в фиксаторе Ньюкомера (Паушева, 1^75), пыльники окрашивали ацетокармином и просматривали их препараты под микроскопом.

Определение содержания НДМГ и продуктов его деструкции в почве и растениях проводили по методикам, разработанным и утвержденным в Институте биофизики МЗ России и РНЦ «Прикладная химия» (Метод ..., 1988; Проверка влияния..., 1994).

Анализ количества микроорганизмов различных физиологических и таксономических групп в почвах, на корнях растений проводили по общепринятым в микробиологии методикам путем высева на питательные среды. Общее количество бактерий определяли методом прямого счета на мембранных ультрафильтрах (Сынпор №8) после их окраски эритрозином (увеличение микроскопа 1300х). При этом дифференцировали бактерии по морфологическому составу, измеряли средние объемы бактериальных клеток, оценивали биомассу бактерий на единицу массы субстрата.

Количественный анализ фракционно-группового состава органическою вещества почвы проводили по методу В.В. Пономаревой и Т.А. Плотниковой (1980). С помощью метода электронного парамагнитного резонанса определяли содержание свободных радикалов в препаратах гуминовых кислот (ГК) и в ГК в почве (Чуков, 1993, 1996; Чуков с соавт., 1995). Выделение и исследование препаратов ГК осуществляли по методике, разработанной В.П. Цыпленковым и С.Н. Чуковым(1984).

Влажность почв определяли стандартным весовым методом, pH водной вытяжки почв измеряли потенциометричсским методом. Содержание азога в нитратной и аммонийной формах в почве определяли соответственно дисуль-фофеноловым методом и фотоколориметрическим по реакции с реактивом Несслсра (Практикум..., 1992).

Экспериментальные данные обработаны математически с применением дисперсионного и корреляционного анализа (Доспехов, 1985).

РЕЗУЛЬГАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

1. Влияние несимметричного диметилгидразнна на растения

Загрязнение почвы несимметричным днметипгидразином (НДМГ) оказываег влияние на растения, вызывая изменения на всех уровнях их организации в течение длительного времени. По степени нагрузки на растения1 и сопутствующую биоту концентрации НДМГ в почве можно отнести к низким - менее 0.1 г/кт, умеренным - 1,0. 2,5 и 5,0 г/кг, высоким - 10-50 г/кг и очень высоким - 100 г/кг почвы. При нижих уровнях содержания в почве НДМГ наблюдается стимуляция роста, развития, увеличение продуктивности растений, повышение их устойчивости к неблагоприятным факторам окружающей среды; при умеренных - кратковременное замедление роста и развития, снижение некоторых показателей продуктивности, в дальнейшем сменяющееся их повышением. При высоких уровнях загрязнения почвы отмечается значительное замедление развития и снижение большинства показателей роста и продуктивности растений. При максимальной концентрации НДМГ в почве растения погибают (рис. 1 н 2). Результат воздействия НДМГ в умеренных и высоких дозах на расте ния сходен с наблюдаемым при избытке азота в почве.

Нами выявлено, что стимуляция роста, развития, продуктивности растений по; действием НДМГ и продуктов его деструкции связана с изменениями на трофическом, гормональном, ферментативном уровнях регуляции растительного организма. Установлено, что с накоплением поллклшгга в растениях сопряжены увеличение содержания гормона индуктора роста ИУК, снижение содержания ингибитора рост; АБК, повышение активности окислительных ферментов в листьях. Подавление жизнедеятельности растений и гибель при высоких уровнях содержания НДМГ в почве обусловлены накоплением в них токсичных в больших количествах для растительного организма продуктов деструкции НДМГ - нитрозодимешламнна, аммиака, формаль-дегнда.

Проявляются видовые и сортовые различия между растениями по их отношению к поллютшпу на протяжении эволюции почвенно-растительной системы. В начале на загрязненных НДМГ почвах горох менее устойчив к поллютаиту, чем ячмень, но с течением времени довольно быстро адаптируется (рис. 1). Стимулирующее воздействие НДМГ на ячмень в отличие от гороха проявляется преимущественно в течение более длительного времени (рис.2). Отмеченные различия в реакции растении разных видов на НДМГ объясняются спецификой ах физиологии и стратегией в отношении азотсодержащих соединений, а также спецификой взаимоотношений с сопутствующей микробнотой.

Оценка воздействия НДМГ на растения вовлеченных в опыт видов и сортов позволяет сделать заключение о необходимости использования для эффективной фнто-детоксикации загрязненных почв в местах пролива жидких ракетных топлив набора растений, адаптированных к конкретным условиям среды и более устойчивых к избытку соединений азота в почве. По прошествии времени после загрязнения почвы целесообразно увеличивать разнообразие высеваемых растений за счет применения менее устойчивых к высоким дозам поллюгшпга, но эффективных в детоксикации почв видов и сортов.

Номер вегетации

Рис. I. Масса надземной части растений ячменя сорта Белогорский (Л) к города сорта Фитотрон I (Б) по окончании первой и второй сезонных вегетации на модельной ночие с различным исходным уровнем загрязнения НДМГ (площадка 25 53ГИИ)

1 - контроль, 3 - 25 г НДМГ/кг почвы,

2 - 10 г НДМГ/кг почвы, 4 - 100 г НДМГ/кг почвы

¡5

^ Номер вегетаиии

Рис.2. Масса надземной части и масса семян с растения в семи вегетациях ячменя сорта Белогорский (А) и гороха сорта Фитотрон I (Б) на модельной почве с различным исходным уровнем загрязнения НДМГ (лабораторный полигон)

1 - контроль, 2 - 2,5 г НДМГ/кг почвы, 3 - 5,0 г НДМГ/кг почвы

2. Влияние несимметричного диметилгндразипа на микробиотический комплекс почвенно-растительной системы

Проведенные микробиологические исследования показали, что ПДМГ вызывает значительные изменения в численности и групповом составе микроорганизмов. В начальные сроки воздействия иоллютанта направленность изменений определяется уровнем загрязнения почвы Численность микроор! анизмов различных физиологических И таксономических групп в почвах омюснгсльно контроля повышается при зафязнении их НДМГ в концентрациях 1,0; 2,5 и 5,0 г/кг и снижается с увеличением уровня загрязнения от 10 до 100 г/кг. Адаптация к высоким концентрациям НДМГ происходит быстро, и уже к концу первого вегетационного сезона (четыре месяца после введения в почву ПДМГ) наблюдается активизация деятельности микроорганизмов.

Увеличение численности микроорганизмов в загрязненных вариантах свидетельствует об активной трансформации НДМГ и использовании его в метаболизме биоты.

В сообществе микроорганизмов преобладают бактерии, и с увеличением степени загрязнения почв их доля возрастает Наряду с возрастанием численности увеличивается средний объем бактериальных клегок и, как следствие, биомасса бактерий (табл.1). В загрязненной почве сообщество микроорганизмов морфологически более разнообразно Отмечается увеличение числа палочковидных форм бактерий и появление палочек крупных размеров.

Таблица I.

Численность (Ы), средний объем бактериальных клеток (V) и биомасса (В) бактерий в модельной почве с различным исходным уровнем загрязнения НДМГ (конец первого вегетационного периода)

Исходный чровсиь N. чагрятсни*. млрд клегок /г с>.\ой г НДМГ/кг почвы | почвы V. в. мкм' мг/г с% \ой почвы

Площадка 25 53ГИП

0 12,4±2,5 0,034 0,42

10 19,5+4,7 0,060 1,1"

25 25,7±8,5 0,070 1,80

100 25,6±8,0 0,136 3,48

Лабораторный полигон

0 12,1±1,1 0,046 0,56

2,5 19,7±2,3 0,052 1,02

5,0 22,1+1,1 0,056 1,24

Исследование группового состава микроорганизмов в почвах на обоих полигонах показало, что с возрастанием степени загрязнения почвы НДМГ увеличивается и преобладает доля бактерий, использующих легкодоступные орга-

ническне и минеральные формы азота в своем метаболизме (микроорганизмы г-экологической стратегии) (табл. 2). В почве с НДМГ также высока численность олигонитрофильных бактерий, увеличивается количество денитрифицирующих и азотфиксирующих микроорганизмов. Последние, очевидно, переключаются на потребление связанных форм азота, так как фиксация молекулярного азота для них не является обязательным процессом.

Негативное влияние НДМГ на микробиоту в начальный период отражается на численности грибов, аэробных целлюлозоразлагающих бактерий, акгино-мицетов. Снижение численности грибов с увеличением дозы НДМГ в почве, очевидно, является результатом подщелачивания почвы и подавляющего воздействия возросшего числа бактерий. Уменьшение количества актиномицетов и низкая численность аэробных целлюлозоразлагающих бактерий объясняется избытком в почве легкодоступных источников углерода и азота и преимущественным развитием более конкурентноспособных в этих условиях бактерий г-экологической стратегии.

Растения способствуют увеличению численности групп микроорганизмов, осуществляющих трансформацию доступных органических азотсодержащих веществ. На начальных этапах развития почвенно-растительной системы численность микроорганизмов выше в почве под ячменем. Здесь отмечается максимальное увеличение в загрязненных вариантах численности доминирующей группы бактерий относительно контроля.

С течением времени в групповом составе микроорганизмов во всех вариантах опытов происходят изменения, соответствующие более поздним стадиям сукцессий микробного сообщества в ходе трансформации органического вещества. Уменьшается количество быстрорастущих микроорганизмов г-экологической стратегии и увеличивается численность микроорганизмов, способных существовать при дефиците доступных источников азота и углерода и/или осуществлять минерализацию высокомолекулярных органических соединений (актиномицеты, аэробные целлюлозоразлагающие микроорганизмы, бактерии, утилизирующие гумусовые соединения, олигонитрофильные микроорганизмы и другие) (табл. 2).

Динамика численности микроорганизмов на протяжении вегетаций имеет колебательный характер. К концу четвертой вегетации отмечаются общий спад биологической активности почв и минимальная разница между величинами численности доминирующих групп микроорганизмов. Стимулирующее воздействие НДМГ на доминирующие группы микроорганизмов наиболее заметно в варианте с исходным уровнем загрязнения 5,0 г/кг в почве под ячменем и без растений и при 2,5 г/кг в почве под горохом. Разница в численности этих микроорганизмов между контрольными и указанными загрязненными вариантами уменьшается в третьей - четвертой вегетациях и становится преимущественно недостоверной в пятой и шестой вегетациях. В почве под горохом с исходным

Таблица 2

Численность микроорганизмов в почвах с различным исходным уровнем загрязнения НДМГ по окончании вегетационных периодов (лабораторный полигон)

Но- Исходный Количество микроорганизмов, млн клеток / г сухой почвы

мер уровень за- Бактерии, ис- Бактерии, ис- Олиго- Азотфик- Автотрофные Денитри- Акти- Грибы

веге- грязнения. пользующие пользующие нитро- сирую- нитрифици- фици- номи-

та- г НДМГ/кг органические минеральные фильные щие бак- рующие бак- рующие цеты

ции почвы формы азота формы азота бактерии терии терии бактерии

Модельная почва

1 0 106,1 151,5 47,7 36,0 0,218 1,100 0,018 0,65

2,5 189,3 193,9 84,9 58,9 0,045 4,500 0,002 0.53

5,0 357,8 281,7 160.5 125,4 0,002 8,600 0 0,55

НСР 05 22,4 17,0 9,8 9,4 0,014 0,600 0,002 0,09

4 0 2,9 1,1 1,8 - 0,153 0 ~0Л08^ 0,230

2,5 4,4 2,0 2,8 - 0,073 0,065 0,244 0,209

5,0 6,2 1,8 3,0 - 0,026 0,068 0,153 0.199

НСР 05 0,7 0,3 0,4 - 0,009 0,006 0,023 0,031

7 0 2,6 8,2 5,7 1,9 0,403 0 2,11 0,097

2,5 4.9 12,8 16,4 3,2 0,016 0,068 2,23 0,288

5,0 10,0 16,0 19,1 7,3 0,002 0,258 2,94 0,619

НСР 05 0,9 0,9 1,3 0,6 0,023 ■ 0.010 0,40 0,038 ,

Дерново-подзолистая супесчаная почва

1 0 13,3 " 13,4 18,3 11,7 0,1100 0,046 0.2691 0,132

1,0 32,9 41,3 51.9 40.8 0,0003 0,346 0,102 0.080

НСР 05 4,4 4,8 4.9 3,8 0.0029 0,033 0,047 0.056

3 0 0,9 2,9 3,9 2.1 0.293 0,106 0,802 0,047

1,0 1.1 2,9 3.5 1,4 0,001 0 0.883 0.027

НСР 05 . 0,4 0,5 0,6 0.8 0,016 0,014 0.057 Г 0.008

загрязнением 5,0 г/кг численность микроорганизмов преимущественно ниже, чем в контроле, с первой по пятую вегетации и достоверно выше в седьмой вегетации. К седьмой вегетации в загрязненных вариантах отмечается активизация деятельности большинства групп микроорганизмов.

Установленное позволяет сделать предположение, что в загрязненной почве количество доступных для микроорганизмов форм органических и минеральных соединений (в том числе НДМГ и его производных) значительно снижается в третьей-шестой вегетациях и вновь увеличивается к седьмой вегетации, очевидно, вследствие высвобождения связанных остатков из почвенных комплексов в результате деятельности микроорганизмов, разлагающих сложные высокомолекулярные органические соединения. Численность этих микроорганизмов значительно возрастает с течением времени.

Анализ сроков смен доминирующих групп микроорганизмов в загрязненной модельной и дерново-подзолистой супесчаной почвах показывает, что более быстрые сукцессии в микробном сообществе происходят в естественной почве. Это коррелирует с данными по эффективности деструкции поллютанта и объясняется тем, что НДМГ в бедной органическим веществом дерново-подзолистой супесчаной почве аккумулируется в меньшей степени и является приоритетным доступным субстратом для микроорганизмов.

В качестве биоиндикаторов наличия в почве НДМГ в концентрациях, превышающих ПДК, можно рассматривать группу автотрофных нитрифицирующих бактерий (табл. 2). На протяжении семи вегетационных периодов в модельной почве и двух вегетаций на дерново-подзолистой супесчаной почве их численность в загрязненных вариантах ощутимо меньше, чем в контроле.

Сукцессии микроорганизмов на корнях растений в течение времени в целом сходны с таковыми в почве. Динамика численности микроорганизмов на корнях гороха и ячменя имеет разный характер и, вероятно, определяется в большей степени в первом случае процессами, протекающими в почве, во втором случае - состоянием растений.

Таким образом, анализируя численность и соотношение различных групп микроорганизмов, осуществляющих трансформацию азотсодержащих соединений, можно судить о глубине минерализации НДМГ и предполагать, в какой форме (свободная, закрепленная в составе почвенных комплексов) и в каком количестве ноллютант и подобные ему азотсодержащие органические соединения находятся в почвах. Так, нами установлено, что поллютант становится малодоступным для микробиоты при содержании его в почве в пределах 100 ПДК. В концентрациях свыше 1000 ПДК НДМГ является доступным источником энергии для микроорганизмов г-экологической стратегии, и наблюдается значительное увеличение их доли в общем числе учитываемых микроорганизмов.

3. Влияние НДМГ на трансформацию органического вещее >ва почв

На основании исследования изменений фракционно-групнового состава органического вещества почв под влиянием НДМГ установлено, что иоллютант способствует интенсификации процессов трансформации гумуса. На начальных этапах развития почвенно-растительной системы, судя по изменению содержания общего органического углерода, в модельной почве развиваются и преобладают процессы минерализации органического вещества. Минерализация усиливается с увеличением уровня загрязнения почвы НДМГ. При этом наблюдается фульватизация гумуса: уменьшается количество гуминовых кислот (ГК), увеличивается содержание фульвокислот (ФК) и соответственно уменьшается соотношение СГК/СФК. В составе гуминовых кислот относительно контроля снижается доля фракций, связанных в основном с кальцием (ГК2) и прочносвя-заиных с минеральной частью почвы (ГКЗ); отмечается тенденция увеличения доли «свободной» 1 фракции (ГК1). В группе фульвокислот увеличивается содержание 1 и 3 фракций (более наглядно в варианте с исходным загрязнением 2,5 г НДМГ/кг почвы). Возрастает биохимическая активность гумусовых веществ, о чем свидетельствует повышение содержания свободных радикалов в составе гуминовых кислот.

Таким образом, НДМГ при взаимодействии с органическим веществом почвы способствует повышению ею подвижности и биохимической акшвно-сти. Это обусловлено особенностями химического строения и свойствами пол-лютанта.

С течением времени в загрязненной почве интенсивность минерализации снижается и активизируются процессы гумификации, судя по изменению соотношения фракций и групп гумусовых кислот. Уменьшается разница между контрольными и загрязненными вариантами в фракционно-групповом составе органического вещества почв.

Отмечена тенденция углубления минерализации органического вещества в загрязненной почве под воздействием растений на начальных этапах развития почвенно-растительной системы.

4. Процессы трансформации несимметричного длметилгидразина в почве под воздействием биотического комплекса при различных температурных режимах и условиях освещения в фитотронах

Выявлено, что деструкция НДМГ под воздействием биоты наиболее интенсивно протекает в почве под растениями ячменя в условиях, оптимальных для их роста и развития - при температуре 22±ГС и уровне облученности в области ФАР 90±5 Вт/м\ наименее интенсивно - при температуре 12±Г'С и облученности 60±5 Вт/м2 ФАР.

Наличие НДМГ в почве при всех режимах температур и уровнях облученности оказывает одинаковое по конечному эффекту воздействие на жизнедея-

тельность растений, вызывая в их состоянии изменения, закономерные при введении в почву легкодоступных азотсодержащих соединений, - увеличение длительности вегетационного периода вследствие замедления наступления генеративного этапа развития, увеличение числа и размеров вегетативных органов, количества семян.

Установлено, что результат воздействия растений на деструкцию НДМГ в почве при различных температурных и световых условиях связан с регуляцией растениями численности микроорганизмов и группового состава микробного сообщества в почве и на корнях. Отрицательное влияние низких температур и интенсивности лучистого потока на эффективность деструкции НДМГ в почве под растениями подтверждает тот факт, что естественная биореставрация загрязненных почв в условиях Севера протекает медленнее, чем в более низких широтах. Для повышения эффективности фитодетоксикации почв необходимо подбирать растения, для жизнедеятельности которых температурные, световые и другие условия окружающей среды в конкретных регионах не являются стрессовыми.

5. Закономерности трансформации несимметричного диметилгидразнна в почвенно-растительной системе

Результаты исследований на протяжении четырех вегетационных периодов показали, что НДМГ и продукты его деструкции присутствуют в почвах и в выращиваемых, на них растениях. Динамика содержания поллютанта в почве и растениях в ряду последовательных вегетаций имеет вид экспоненциальной кривой (рис. 3). Деструкция НДМГ в почвенно-растительной системе максимальна на начальных этапах ее развития и значительно снижается с течением времени. В третьей - четвертой вегетациях содержание НДМГ в почве практически остается на одном уровне и несколько увеличивается относительно предыдущих вегетаций в корнях растений.

Проявляется действие защитных барьеров у растений против поступления НДМГ и продуктов его деструкции на границах почва-корень, корень-стебель, стебель-репродуктивные органы. Минимальное содержание НДМГ отмечается в репродуктивных органах растений. С повышением уровня загрязнения почвы эффективность функционирования защитных барьеров уменьшается.

Разнообразие превращений НДМГ максимально на начальных этапах взаимодействия с почвенно-растительной системой. Анализ характера трансформации НДМГ и изменения биологической активности почв на протяжении периода исследований позволяет отвести ведущую роль в деградации НДМГ микроорганизмам.

У а

•з

§

ВО

55

X

га 10 5 1.0

0.5

I

Т 1 г 'з 4 Номер Вегетации г 5, 8 н К число месяцев от момента загрязнения

Номер Вегетации

Рис.3. Динамика содержания НДМГ в загрязненной модельной почве (н--ходчь\н уровень - 5,0 г НДМГ/кг) (А) и в растениях (Б) на ней на протяжении четырех Дег^тцлио-н-ных периодов (лабораторный полигон)

1- модельная почва без растений, а - корни,

2- модельная почва под горохом, б - надземная часть раскнип,

3- модельная почва под ячменем, *Н - начало вегетационного опыта

4- растения гороха,

5- растения ячменя,

Органическое вещество почв способствует закреплению НДМГ, что согласуется с имеющимися в литературе данными по этому вопрос}' (Пронин, 1969; Рослик, Орлова, 1978, Бурак с соавт , 1996). Соответственно в модельной почве с более высоким содержанием органического вещества НДМГ обнаруживается в больших количествах и стабилизируется на более длительный период времени.

Растения способствуют более глубокому очищению почвы от НДМГ Наблюдаются видовые и сортовые различия в их влиянии на этот процесс Судя по динамике содержания НДМГ и продуктов его деструкции в модельной почве и растениях на протяжении четырех вегетации, более эффективна деградация поллютанта в системе почва - растення ячменя и заметнее на начальных этапах ее взаимодействия с ксенобиотиком. Очевидно, такой результат в значительной степени связан с деятельностью микроорганизмов, численность которых в первой вегетации в почве под ячменем выше, чем в почве под горохом н без растений. В растениях ячменя НДМГ и продукты его деструкции накапливаются в меньшем количестве, чем в растениях гороха. Всё это способствует формированию более высокой устойчивости ячменя к воздействию высоких доз поллютан-

та. Отмеченные различия между видами растений в отношении НДМГ связаны с особенностями их физиологии.

Выявленная в ходе исследований взаимосвязь изменения содержания НДМГ н активности определенных групп микроорганизмов позволила установить, что в шестой-седьмой вегетациях в загрязненных вариантах опыта происходит высвобождение остатков закрепленного в почвенных комплексах поллю-танта и его активная деструкция. Судя по изменению численности микроорганизмов относительно контроля, наиболее интенсивны процессы деструкции НДМГ под растениями. Это наглядно демонстрирует эффективность использования растений с сопутствующей бнотой для фитодетоксикации загрязненных НДМГ почв.

Нами экспериментально установлена перспективность применения некорневой обработки кремнийсодержащим хелатным микроудобрением (Ермаков, Медведева, 1980; Ермаков с соавт., 1992) растений для снижения в их органах содержания НДМГ и продуктов его деструкции.

Можно прогнозировать ускорение детокснкации почв путем введения в периоды снижения биологической активности и стабилизации в них загрязнителей легкодоступного субстрата, активизирующего деятельность почвенной мик-робиоты. Необходимо также подбирать и использовать виды и сорта растений, адаптированные к конкретным условиям среды, толерантные к избыточному содержанию соединений азота в почве и -эффективные в деструкции этого иоллютанта и его производных.

ВЫВОДЫ

1. На основе системного подхода впервые в регулируемых и естественных условиях на базе полигонов, обеспечивающих физическое моделирование экосистем, исследовано воздействие несимметричного диметилгидразина (НДМГ) на почвенно-растительную систему. Показано, что интенсивность детокснкации почв существенно возрастает под воздействием растений и сопутствующей микробиоты.

2. Комплексными исследованиями влияния НДМГ на биотический компонент в системе почва - растения установлено, что НДМГ является доступным для микроорганизмов и растений органическим соединением. Реакция биоты на поллютант зависит в значительной степени от уровня его содержания в почве и по последствиям сходна с таковой на введение в почву азотсодержащих соединений.

3. Выявлено, что однократное загрязнение почвы НДМГ влияет на растения и вызывает изменения на всех уровнях их организации. НДМГ в концентрации до 1,0 г/кг почвы оказывает стимулирующий эффект на рост, развитие, продуктивность растений; от 1,0 до 10 г/кг почвы вызывает снижение отдельных показателей роста и продуктивности, а также увеличение сроков развития. При содержании в почве поллютанта от 10 до 50 г/кг наблюдается заметное ухудше-

ние состояния рас гений, при 100 г/кг они погибают. Выявлены видовые и сортовые различия в реакции растений на ИДМГ.

4. Показано, что стимуляция роста, развития, продуктивности растений мод действием НДМГ и продуктов его деструкции связана с изменениями на трофическом, гормональном, ферментативном уровнях регуляции растительного организма. Установлено, что с накоплением поллютанта в растениях сопряжены увеличение содержания гормона индуктора роста ИУК. снижение содержания ингибитора роста ЛБК, повышение активности окислительных ферментов в листьях.

5. Впервые исследованы закономерности эволюции микробнотнческою комплекса почвенно-растнтельной системы под воздействием НДМГ. Установлено, что на начальных этапах в загрязненных почвах и на корнях растений увеличивается численность гетеротрофных бактерий r-экологической стратегии, использующих легкодоступные органические и минеральные формы азота. Подавляется деятельность грибов, автотрофных нитрифицирующих и аэробных целлюлозоразлагающих бактерии, актиноминетов. С течением времени п групповом составе микроорганизмов происходят изменения, аналогичные cvkhccch-ям микробного сообщества после утилизации пула поступившего в почву легкодоступного органического вещества.

6. Показана возможность использования группы автотрофных нтрифи-цпрующих бактерий в качестве биоиндикатора наличия в почвах НДМГ в количествах, превышающих ПДК для почв.

7. Установлено, что НДМГ интенсифицирует трансформацию органического вещества почв. На начальных этапах развития почвенно-растнтельной системы после воздействия ксенобиотика усиливается минерализация органического вещества, причем растения способствуют углублению кого процесса В составе органического вещества загрязненных почв увеличивается содержание фульвокислот и уменьшается содержание гуминовых кислот. Увеличивается подвижность гумуса, повышается его биохимическая активность. С течением времени указанные процессы затухают, снижается интенсивность минерализации органического вещества почв и активизируются процессы его гумификации.

8. Установлены закономерности деструкции НДМГ в почве и растениях на протяжении четырех вегетации. Показана ведущая роль высших растений в ускорении процесса распада НДМГ и его производных в почве. Биологическая активность загрязненной почвы под растениями и интенсивность деструкции в ней НДМГ выше, чем в почве без растений. Максимальная степень деструкции НДМГ на начальных этапах развития почвенно-растителыгой системы наблюдается в почве под ячменём. Выявлена видовая и сортовая дифференциация растений в накоплении и трансформации в них НДМГ.

9. Впервые в регулируемых условиях с использованием фитотронов исследовано влияние температуры и интенсивности лучистого потока на процес-

сы трансформации НДМГ в почве под действием растений ячменя и сопутствующей микробноты. Выявлено, что наиболее интенсивно деструкция поллю-танта протекает в почве под растениями в условиях, оптимальных для их роста и развития, - при температуре в пределах 22±Г'С и уровне облученности в пределах 90±5 Вт/м2 ФАР.

10. Установлено, что под действием корневых систем растений и сопутствующей биоты полного очищения почвы ог ноллютанта за период наших наблюдений не происходит. Часть НДМГ на уровне Г1ДК довольно прочно закрепляется в почве в малодоступной для растений н микроорганизмов форме Данное явление вызывает настоятельную потребность поиска путей опера жвного воздействия на почвенно-растительную систему для ускорения деградации пол-люганта и его производных в почве и растениях. Экспериментально усыновлена перспективность использования для этих целен некорневой обработки растений кремнийсодержащими хелатными микроудобрсниями.

11. Установленные нами закономерности на основании проведенных комплексных исследований по воздействию НДМГ и продуктов его деструкции на почвенно-растительную систему подтвердили перспективность применения в зонах экологического риска метода, базирующегося на разработанной концепции фитодетоксикации загрязненных химическими токсикантами почв. '

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Ермаков Е.И., Аникина J1.M., Орлова U.E., Панова Г Г. Влияние компонентов ракетного топлива на почвенно-растительную систему // Сб, тр. международной научно-практической конференции «Экологические проблемы деятельности оборонной промышленности и Вооруженных сил России» - М, 1995. -С.100-101.

2. Ермаков Е.И., Панова Г.Г., Петрова З.М. и др. Влияние несимметричного диметилгидразина на состояние почвенно-растительной системы // Материалы научно-практической конференции «Экологические аспекты воздействия компонентов жидких ракетных топлив на окружающую среду» / РНЦ «Прикладная химия». - Санкт-Петербург, 1996. - С.15-19.

3. Панова Г.Г. Влияние несимметричного диметилгидразина на микро-биотнческий комплекс в модельной почве и на корнях растений >/ Агрофизический НИИ. -С.-Пб., 1996.-21 с. - Деп. в НИИТЭИагропрома 11.05.96, №16641.

4. Панова Г.Г. Воздействие компонентов ракетного топлива на микробио-тическин комплекс почвенно-растительной системы в регулируемых условиях П Всероссийская конференция «Управление продукционным процессом растений в регулируемых условиях»: Тез. докл. - Санкт-Петербург, 1996. - С.119-120.