Влияние сочетанного химического и электромагнитного загрязнения на биологические свойства почв

Мазанко, Мария Сергеевна

Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему
Влияние сочетанного химического и электромагнитного загрязнения на биологические свойства почв
ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Влияние сочетанного химического и электромагнитного загрязнения на биологические свойства почв"

На правах рукописи

МАЗАНКО МАРИЯ СЕРГЕЕВНА

ВЛИЯНИЕ СОЧЕТАІШОГО ХИМИЧЕСКОГО II ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВ

03.02.08 - экология (биологические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

28 НОЯ 2013

Ростов-на-Дону - 2013

005540384

Работа выполнена на кафедре экологии и природопользования ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет»

доктор сельскохозяйственных наук, профессор Колесников Сергей Ильич

Мннкина Татьяна Михаиловна,

доктор биологических наук, профессор, профессор кафедры почвоведения и оценки земельных ресурсов Южного федерального университета

Жаркова Мария Геннадьевна,

кандидат биологических наук, старший преподаватель кафедры безопасности жизнедеятельности и защиты окружающей среды Донского государственного

технического университета

ФГБУН Институт биологии Уфимского научного центра РАН

Защита диссертации состоится 20 декабря 2013 года в 15.00 на заседании диссертационного совета Д 212.208.32 по биологическим наукам, созданного на базе Южного федерального университета (344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Большая 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, ул. Пушкинская, 148).

Автореферат разослан «_» ноября 2013 г. и размещен в сети Интернет

на сайте ЮФУ www.sfcdn.ru и на сайте Минобрнауки России www.vak.ed.gov.ru

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

Т.В. Денисова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Загрязнение почв в настоящее время становится одной из наиболее острых экологических проблем.

Тяжелые металлы, накапливающиеся в почве, способны привести к изменению как биологических, так и физических почвенных свойств. К тому же, связываясь с почвенными компонентами, они способны надолго оставаться в почве. Исследованию их влияния на почву посвящено значительное количество работ (Звягинцев, 1987; Левин и др., 1989; Ильин В .Б., 1991; Колесников и др., 2000, 2002, 2006).

Нефтяное загрязнение так же отрицательно влияет на почвенные свойства, снижает численность микроорганизмов и активность ферментов, нарушает структуру и аэрацию почвы. Влияние нефти на почвенные свойства является одним из приоритетных направлений исследований (Пиковский, 1993; Трофимов и др., 2000; Киреева и др., 1998, 2002; Назаров и др., 2010; Колесников, 2006).

Электромагнитные поля оказывают воздействие на все уровни организации жизни, их действие связано с работой многих механизмов, в основе которых лежит процесс поглощения и преобразования энергии излучения. В связи с тем, что количество источников электромагнитных полей постоянно возрастает, вопросы электромагнитного загрязнения становятся всё более актуальными (Олешко и др., 1980; Бинги, 2002, 2006; Григорьев и др., 2003; Денисова и др., 2009, 2011).

2002; Сердюченко и др., 2009; Карагайчева, 2009, 2010; 2012). А исследований, посвященных влиянию сочетанного загрязнения на почвенные свойства, практически нет (Вызовская, 2007; Паникова и др., 2010).

Цель работы - установить закономерности изменения биологических свойств почв под влиянием сочетанного воздействия химическими загрязнителями и электромагнитными полями различной природы.

Задачи исследования:

1. Установить закономерности воздействия сочетанного загрязнения на биологические свойства почв юга России, такие как обилие различных экологических групп почвенных бактерий и микромицетов, почвенная микробная биомасса, ферментативная активность, фитотоксичность почв.

2. Исследовать изменения свойств почв в зависимости от природы загрязняющих веществ (свинец, нефть), их концентрации в почве, уровня и частоты воздействия электромагнитных полей (поля промышленной частоты 50 Гц и СВЧ-излучения).

3. Определить вклад каждого из факторов в изменение биологических свойств почвы.

4. Ранжировать показатели биологической активности по чувствительности к сочетанному воздействию.

5. Оценить устойчивость к сочетанному загрязнению различных почв юга России: черноземов обыкновенных карбонатных, бурых лесных почв, серопесков.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Сочетанное химическое и электромагнитное воздействие, как правило, вызывает снижение значений биологических показателей, однако в отдельных случаях наблюдается стимулирующий эффект.

2. В большинстве случаев химические и электромагнитные факторы действуют синергетически, однако в некоторых случаях проявлялся антагонистический эффект.

3. Эффект от сочетанного загрязнения зависит не только от воздействия факторов по отдельности, но и от их взаимодействия. Основной вклад вносило химическое загрязнение (40-84%), меньший вклад (15-38%) оказывало взаимодействие загрязняющих факторов, вклад электромагнитного воздействия был незначительным (10-28%) или статистически недостоверным.

4. Наиболее чувствительными к сочетанному загрязнению являются аммонифицирующие и амилолитические бактерии, почвенные микромицеты, фермент каталаза.

5. По степени устойчивости к сочетанному загрязнению почвы юга России образуют следующий ряд: черноземы обыкновенные = бурые лесные почвы > серопески.

Научная новизна. Впервые проведено комплексное исследование почв, подвергшихся сочетанному загрязнению нефтью и СВЧ-излучением, нефтью и переменным магнитным полем, свинцом и СВЧ-излучением, свинцом и переменным магнитным полем. Установлены закономерности влияния сочетанного загрязнения на различные биологические почвенные показатели. Изучены закономерности изменения биологических показателей в зависимости от дозы каждого из факторов. Проведено сопоставление изменения биологических свойств в зависимости от типа почвы. Дана оценка влияния взаимодействия загрязняющих факторов между собой на биологические свойства почв.

Практическая значимость. Результаты исследования могут быть использованы при мониторинге и диагностике состояния загрязненных почв, при оценке воздействия на окружающую среду, оценке риска природных и антропогенных катастроф, разработке нормативов влияния электромагнитного поля (ЭМИ) на почвы, разработке региональных нормативов содержания свинца и нефти в почвах, а также в других производственных и природоохранных мероприятиях. Результаты исследования используются в учебном процессе при преподавании экологии, почвоведения, природопользования и охраны окружающей среды, экологической

экспертизы, экологического мониторинга и биоиндикации в Южном федеральном университете и могут быть использованы в учебном процессе в других ВУЗах.

Личный вклад автора. Тема, цель, задачи, объекты, методы и план исследования определены автором совместно с научным руководителем. 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 3,85 п.л. и долей участия автора - 85 %.

Апробация работы. Результаты исследования докладывались на Международной экологической конференции «Экология России и сопредельных территорий» (Новосибирск, 2010), IV Международной Научно-практической конференции «Актуальные проблемы биологии, нанотехнологий и медицины» (Ростов-на-Дону, 2011), научной конференции «Неделя науки-2011» (Ростов-на-Дону, 2011), научной конференции «Неделя науки-2012» (Ростов-на-Дону, 2012), XIX Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2012» (Москва, 2012), Международной конференции «Биология - наука XXI века» (Москва, 2012), Всероссийской с международным участием научной конференции «Почвы России: современное состояние, перспективы изучения и использования» (Петрозаводск - Москва, 2012), Пятой Международной научно-практической конференции «Музей-заповедник: экология и культура» (Станица Вёщенская, 2012), научной конференции сотрудников, студентов и аспирантов кафедры экологии и природопользования Южного федерального университета «Актуальные вопросы экологии и природопользования» (Ростов-на-Дону-2012), научной конференции «Неделя науки 2013» (Ростов-на-Дону, 2013), XIX Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2013» (Москва, 2013).

Публикации. Основные положения диссертационной работы изложены в 26 публикациях, из них 5 работ в изданиях из перечня ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, б глав, выводов и списка литературы. Работа изложена на 177 страницах машинописного текста, содержит 10 таблиц, 32 рисунка. Список использованной литературы включает 369 источников, в том числе 77 на иностранных языках.

приоритетным направлениям научно-технологического комплекса России» на 2007-2013 годы (государственный контракт 14.515.11.0055), Президента РФ (грант НШ-5316.2010.4), в рамках реализации Программы развития Южного федерального университета.

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, д.б.н., профессору Денисовой Т.В. и всем сотрудникам кафедры экологии и природопользования, а также сотрудникам кафедры микробиологии за содействие в организации экспериментов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ГЛАВА 1. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ВЛИЯНИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ, НЕФТИ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА ПОЧВУ

И ЕЕ СВОЙСТВА

В 4-х подглавах представлен обзор отечественной и зарубежной литературы по проблеме. Дана характеристика экологических последствий загрязнения почв нефтью, тяжелыми металлами и электромагнитными полями. Представлен обзор сочетанного химического и электромагнитного воздействия на биологические объекты и почву. Освещены проблемы нормирования химического и электромагнитного загрязнения в России и в мире.

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Объектами исследования были зональные (чернозем обыкновенный и бурая лесная почва) и интразонапьные (серопески) почвы юга России (табл. 1).

Почву для модельных экспериментов отбирали из верхнего слоя 0-20 см.

Таблица 1

Характеристика мест отбора почв

Название почвы Место отбора Угодье рН Содержание гумуса, %

Чернозем обыкновенный г. Ростов-на-Дону, Ботанический сад ЮФУ пашня 7,7 4,9

Бурая лесная почва Республика Адыгея, п. Никель грабово-буковый лес 5,4 4,4

Серопески Ростовская область, Каменский р-н разнотравно-злаковая степь на песках 7,4 1,3

* по Вальков и др., 2008

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Методика модельных опытов

В работе проведено комплексное исследование влияния сочетанного воздействия химических и электромагнитных факторов на биологические свойства почв в условиях модельного эксперимента. Для решения

поставленных задач был поставлен ряд модельных экспериментов. Исследования проводили в 2010-2013 гг. на кафедре экологии и природопользования Южного федерального университета.

Нами было выбрано 2 направления исследований:

1. Изучение сочетанного влияния переменного магнитного поля и нефти, переменного магнитного поля и свинца. В почву вносили нефть в количестве 2, 5 и 10% от массы почвы. Затем образцы подвергали воздействию ПеМП индукцией 300, 1500 и 3000 мкТл промышленной частоты 50Гц в соленоидах. В качестве объекта исследований использовали чернозем обыкновенный.

В почву вносили оксид свинца в количестве 100, 500, 1000, 1500, 2000 мг свинца на кг почвы. Тяжелые металлы вносили в почву в форме оксидов, поскольку 70-90% загрязнения почв происходит именно этой формой ТМ. Далее почву подвергали воздействию ПеМП индукцией 300, 1500 и 3000 мкТл в тех же установках. В качестве объектов исследования были взяты чернозем обыкновенный, бурая лесная почва и серопески.

2. Изучение сочетанного влияния СВЧ-излучения и свинца, СВЧ-излучения и нефти. В почву вносили оксид свинца в количестве 1000 мг/кг. Затем образцы помещались в микроволновую печь и в течение 1 минуты подвергались воздействию СВЧ-излучения мощностью 450 и 800 Вт. В другом варианте опыта вместо тяжелых металлов изучали действие нефти в дозе 5 %. В качестве объекта исследований использовали чернозем обыкновенный.

Почву высушивали до воздушно-сухого состояния, помещали в стеклянные сосуды, загрязняли свинцом и нефтью, увлажняли до 60% от общей влагоемкости и подвергали действию СВЧ-излучения и ПеМП.

Для всех вариантов опыта контролем служил незагрязненный образец. Во всех опытах присутствовали варианты только химического загрязнения и только электромагнитного воздействия.

Почву инкубировали 10 суток. Через указанный срок всю массу почвы извлекали из вегетационного сосуда и перемешивали, тем самым получали «средний образец», из которого отбирали пробы на определение исследуемых показателей.

При постановке модельных экспериментов использовали 3 оригинальные установки (соленоиды), разработанные и сконструированные радиоинженером, мастером-радиоконструктором СССР Денисовым В.М.

3.2. Методы определения биологических свойств почвы.

Лабораторно-аналитические исследования выполнены с использованием методов, общепринятых в биологии, почвоведении и экологии (Галстян, 1974, 1978; Хазиев, 1990; Методы почвенной микробиологии и биохимии, 1991; Казеев, Колесников, 2012).

Численность бактерий и микроскопических грибов учитывали методом посева почвенной суспензии на плотные питательные среды. Аммонифицирующие бактерии выделяли на МПА (мясо-пептонный агар)

Численность спорообразующих бактерий учитывали так же глубинно на МПА из предварительно пастеризованной суспензии. Численность грамотрицательных бактерий определяли глубинно на среде МПА с добавлением бриллиантового зеленого. Численность грибов учитывали на подкисленной среде Чапека. Численность амилолитических бактерий учитывали поверхностным посевом на КАА (крахмало-аммиачном агаре), так же учитывали численность актиномицетов.

О ферментативной активности почвы судили по активности каталазы и дегидрогеназы, которую определяли по Галстяну (1978). По рекомендации А.Ш. Галстяна (1978) активность почвенных ферментов изучали при естественной рН почвы.

Для определения фитотоксичности почвы использовали изменение показателей интенсивности начального роста: длина корней, длина побегов, (Бабьева, Зенова, 1989; Казеев, Колесников, 2012). В качестве тест-объектов использовали редис (ДарИапий ,чаИ\'их).

Для определения биомассы почвенных микроорганизмов пользовались регидротационным методом определения почвенной биомассы (Казеев, Колесников, 2012).

3.3. Статистическая обработка результатов

Статистическая обработка данных была произведена с использованием статистического пакета 81а11зйса 6.0 для ПК. Рассчитывали основные показатели вариационной статистики: среднее ± среднего (М±т), стандартное отклонение (.?), коэффициент вариации (СУ). Для оценки достоверности влияния загрязнения на показатели биологической активности почвы использовали дисперсионный анализ. Двухфакторный дисперсионный анализ использовали для оценки вклада каждого из факторов и их взаимодействия в наблюдаемый эффект воздействия.

ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ СОЧЕТАННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НЕФТЬЮ И

СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЕМ, СВИНЦОМ И СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЕМ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЧЕРНОЗЕМА ОБЫКНОВЕННОГО

Внесение свинца в почву оказывало подавляющее действие на почвенные микроорганизмы (до 26%), нефти — стимулирующее (до 82%). Стимулирующее действие нефти объясняется тем, что многие почвенные микроорганизмы способны использовать нефть в качестве субстрата.

СВЧ-излучение само по себе могло подавлять почвенную микрофлору (до 36%) или увеличивать её численность (до 39%).

При сочетанном загрязнении СВЧ-излучение оказывало как антагонистическое, так и синергетическое действие с химическими загрязнителями.

Без РЬ010ОО мг/кг Нефть 5% с„„ вь-,.п. , ,, . ...

___ ^ Без РЬ010ОО мг/кг Нефть 5%

хим.загрязнения

н хим.загрязнения

□ Без СВЧ ■ +СВЧ 450Вт □ +СВЧ800Вт □ Без СВЧ в +СВЧ450Вт Н +СВЧ800Вт

Рис.1 Влияние сочетанного загрязнения свинцом и СВЧ-излучением и нефтью

и СВЧ-излучением на численность аммонифицирующих бактерий (А), амилолитических (Б), нефтеокисляющих (В) и почвенных миромицетов (Г), %

от контроля.

Без РЬ01000 мг/кг Нефть 5%

хим.загрязнения □ Без СВЧ ■ + СВЧ 450Вт И + СВЧ 800Вт

(В)

Без РЬ0 1000 мг/кг Нефть. 5%

хим.загрязнения

□ Без СВЧ ■ + СВЧ 450Вт □ + СВЧ 800Вт

При этом часто СВЧ-излучение мощностью 450 и 800 Вт могло оказывать разнонаправленное действие, как, например, на численность аммонифицирующих, спорообразующих, грамотрицательных,

амилолитических бактерий, обилие млкромицетов. Это связано с тем, что помимо теплового эффекта СВЧ-излучение оказывает нетепловое воздействие на биологический объект, для которого мишенями могут являться отдельные структуры или молекулы клетки. Для СВЧ-излучения мощностью 450 и 800 Вт в клетках могут быть отличающиеся мишени.

Вклад взаимодействия СВЧ-излучения и свинцового загрязнения в изменение численности аммонифицирующих бактерий - 20%, спорообразующих - 44%, амилолитических - 55%, актиномицетов - 27%, нефтеокисляющих - 19%.

Вклад взаимодействия СВЧ-излучения и нефтяного загрязнения в изменение численности аммонифицирующих бактерий - 32%, спорообразующих - 25%, грамотрицательных - 21%, амилолитических - 27%, актиномицетов - 12%, нефтеокисляющих - 29%, микромицетов 40%.

Без РЬ01000 мг/кг Нефть 5%

хим.загрязнения

□ Без СВЧ И +СВЧ 450Вт ЕЗ +СВЧ 800Вт

Рис.2 Влияние сочетанного загрязнения свинцом и СВЧ-излучением и нефтью и СВЧ-излучением на активность каталазы (А), дегидрогеназы (Б) и длину корней редиса (В), % от контроля

Взаимодействие СВЧ-излучения и свинца, а также СВЧ-излучения и нефти наибольший вклад оказывало на численность аммонифицирующих, амилолитических бактерий, значительным вклад был в изменение численности нефтеокисляющих бактерий и активность микромицетов. В большинстве случаев вклад воздействия химического загрязнителя и СВЧ-излучения оказался равнозначен.

Внесение свинца и нефти в почву вызывало снижение активности ферментов (28-55%) и усиливало фитотоксичность почвы (20-55%). СВЧ-излучение так же в большинстве случаев снижало активность ферментов и длину корней тест-организма (23-36%).

При сочетанном загрязнении СВЧ-излучение на активность ферментов и фитотоксичность не оказывало такого же значительного влияния, как на микрофлору. Вклад взаимодействия факторов в изменение показателей активности ферментов и фитотоксичности в целом оказался ниже, чем в изменение численности микроорганизмов, значительный вклад внесло действие химических загрязнителей. Это связано с тем, что у сложно организованных микроорганизмов больше мишеней для нетеплового действия СВЧ-излучения, чем у отдельных молекул-ферментов или молекул-ксенобиотиков.

Вклад взаимодействия СВЧ-излучения и свинцового загрязнения в изменение активности каталазы составил 21%, дегидрогеназы - 57%, фитотоксичности - 44%.

Вклад взаимодействия СВЧ-излучения и нефтяного загрязнения в изменение активности каталазы составил 13%, дегидрогеназы - 33%.

ГЛАВА 5. ВЛИЯНИЕ СОЧЕТАННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НЕФТЬЮ И ПЕРЕМЕННЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЧЕРНОЗЕМА ОБЫКНОВЕННОГО

Внесение нефти в малых дозах (2-5% от массы почвы) приводило к увеличению численности почвенных микроорганизмов (до 35%), дальнейшее увеличение количества нефти, напротив, вызывало снижение численности (на 20-55%). Это согласуется с литературными данными и объясняется тем, что многие бактерии способны использовать нефть как питательный субстрат. При увеличении количества нефти начинают проявляться её токсические свойства, и количество микроорганизмов падает.

(А) (Б)

Без нефти 2% нефти 5% нефти 10% нефти И Без ПеМП ■ + 300 мкТл □ +1500 мкТл Р + 3000 мкТл

Без нефти 2% нефти 5% нефти 10% нефти □ Без ПеМП ■ + 300 мкТл □ + 1500 мкТл В + 3000 мкТл

(Г)

Рис.3 Влияние сочетаиного загрязнения нефтью и переменным магнитным полем на численность аммонифицирующих (А), спорообразующих (Б), амилолитических (В) и нефтеокисляющих (Г) бактерий, % от контроля

Без нефти 2% нефти 5% нефти 10% нефти □ Без ПеМП ■ + 300 мкТл О + 1500 мкТл В + 3000 мкТл

Без нефти 2% нефти 5% нефти 10% нефти И Без ПеМП В + 300 мкТл □ + 1500 мкТл В + 3000 мкТл

Без нефти 2% нефти 5% нефти 10% нефти ИБезПеМП И+ЗООмкТл а+1500мкТл □ + 3000 мкТл

Рис.4 Влияние сочетанного загрязнения нефтью и переменным магнитным полем на активность каталазы (А), дегидрогеназы (Б) и длину корней редиса

(В), % от контроля

Без нефти 2% нефти 5% неф™ 10% нефти Без нефти 2% нефти 5% нефти 10% нефти

ИБезПеМП ■ + 300 мкТл а+1500мкТл В + 3000 мкТл □ Без ЛеМП 1+ЗООмкТл □+1500 мкТл п + 3000 мкТл

Переменное магнитное поле индукцией 300 и 1500 мкТл не оказывало влияния на почвенные микроорганизмы, за исключением микромицетов, индукцией 3000 мкТл - могло приводить к снижению показателей. На почвенные микромицеты переменное магнитное поле оказало стимулирующее воздействие.

Переменное магнитное поле индукцией 300 и 1500 мкТл проявляло синергетический эффект со стимулирующим действием нефти. Это можно объяснить тем, что переменное магнитное поле способно влиять на состояние клеточной мембраны, что делает её более проницаемой для крупных молекул. Это облегчает ассимиляцию клетками сложных нефтяных углеводородов.

Согласно двухфакторному дисперсионному анализу, вклад взаимодействия нефтяного загрязнения и переменного магнитного поля в изменение численности аммонифицирующих бактерий составил 23%, грамотрицательных бактерий - 38%, нефтеокисляющих бактерий 25%, амилолитических бактерий 26%.

Основной же вклад в изменение численности почвенных микроорганизмов внесло нефтяное загрязнение (52-74%), вклад переменного магнитного поля оказался незначительным или недостоверным.

Наиболее чувствительными к сочетанному воздействию оказались аммонифицирующие и амилолитические бактерии.

Нефть вызывала снижение активности почвенных ферментов на 15-47% и увеличение фитотоксичности на 20-39%, что согласуется с литературными данными. Переменное магнитное поле усиливало фитотоксическое действие почвы на длину корней и проростков редиса, как самостоятельно, так и при сочетанном загрязнении с нефтью. При этом оно не оказывало значительного действия на почвенные ферменты.

Переменное магнитное поле индукцией 300 мкТл проявляло антагонистическое действие к токсическому действию свинца на активность каталазы, при других уровнях индукции такого воздействия не наблюдалось.

Вклад взаимодействия нефтяного загрязнения и переменного магнитного поля в изменение активности каталазы составил 12%, фитотоксичности 11%. Основной вклад в изменение активности ферментов и фитотоксичности почвы оказало нефтяное загрязнение (62-84%).

ГЛАВА 6. ВЛИЯННЕ СОЧЕТАННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ СВИНЦОМ И ПЕРЕМЕННЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЧЕРНОЗЕМА ОБЫКНОВЕННОГО, БУРОЙ ЛЕСНОЙ ПОЧВЫ И СЕРОПЕСКОВ

6.1. Влияние на биологически свойства чернозема обыкновенного

Внесение свинца в чернозем обыкновенный в дозах 100-500 мг/кг почвы либо не оказывало воздействия на почвенные микроорганизмы, либо вызывало увеличение их численности (до 47%). Это так называемый «эффект малых доз», описанный в литературе. Дальнейшее увеличение концентрации свинца приводило к снижению численности (до 58%).

Переменное магнитное поле вызывало разнонаправленное действие на численность почвенной микрофлоры чернозема, зависящее от конкретной группы микроорганизмов.

Переменное магнитное поле индукцией 300 и 1500 мкТл вызывало увеличение численности микроорганизмов чернозема по сравнению с отдельно свинцовым загрязнением, либо не оказывало значительного действия. Такие различия во влиянии переменного магнитного поля происходят из-за разницы в а биохимических процессах и молекулярном строении различных групп микроорганизмов, а, следовательно, и в разнице мишеней для переменного магнитного поля.

Переменное магнитное поле индукцией 3000 мкТл при сочетанном загрязнении оказывало угнетающее действие на все группы микроорганизмов чернозема.

Рис 5. Влияние сочетанного загрязнения свинцом и переменным магнитным полем на численность аммонифицирующих бактерий (А), актиномицетов (Б), нефтеокисляющих бактерий (В) и обилие почвенных микромицетов (Г) чернозема обыкновенного, % от контроля

Переменное магнитное поле с высоким уровнем индукции приводит к нарушению проницаемости мембран клеток, что влечет усиленное поступление в клетку свинца.

Согласно двухф актор ному дисперсионному анализу основной вклад в изменение численности микроорганизмов внесло свинцовое загрязнение (4075%), вклады переменного магнитного поля и взаимодействия факторов были равнозначны.

Вклад взаимодействия свинца и переменного магнитного поля в изменение числа аммонифицирующих бактерий - 17%, спорообразующих - 23%, грамотрицательных - 14%, нефтеокисляющих - 15%, амилолитических - 20%, обилия микромицетов - 20%.

Свинцовое загрязнение снижало активность почвенных ферментов (2240%) и количество почвенной микробной биомассы (17-38%). Переменное магнитное поле, как и в предыдущем случае, не оказало влияния на активность почвенных ферментов, однако привело к усилению фитотоксичности почв (на 25%) и снижению количества почвенной микробной биомассы (на 29%).

Рис. 6 Влияние сочетанного загрязнения свинцом и переменным магнитным полем на активность каталазы (А), дегидрогеназы (Б), длину корней редиса (В) и биомассу (Г) чернозема обыкновенного, % от контроля

□ Без ПеМП у ПеМП 300 мкТл ■ ПеМП 1500 мкТл И ПеМП 3000 мкТл

При сочетанном загрязнении переменное магнитное поле со свинцовым загрязнением синергетическое действие оказали на активность дегидрогеназы, однако на активность каталазы эти факторы действовали антагонистически.

При сочетанном действии свинцового загрязнения и переменного магнитного поля индукцией 300 и 1500 мкТл количество почвенной микробной биомассы было выше аналогичных значений при отдельном загрязнении свинцом. Можно предположить, что переменное магнитное поле оказывает также протекторное действие по отношению к свинцовому загрязнению по отношению к почвенным микроорганизмам в целом. Следует отметить, что та же тенденция была отмечена и для почвенных микромицетов.

Вклад взаимодействия свинца и переменного магнитного поля в изменение активности каталазы чернозема составил 22%, активности дегидрогеназы - 15%, фитотоксичности - 21%, биомассы - 27%. Основной вклад в изменение показателей вносило загрязнение свинцом (43-68%).

Наиболее чувствительными к сочетанному загрязнению переменным полем и свинцом оказались спорообразующие бактерии, почвенные микромицеты и микробная биомасса.

6.2 Влияние на биологические свойства бурой лесной почвы

В отличие чернозема обыкновенного, внесение свинца в любых дозах вызывало снижение численности почвенных микроорганизмов бурой лесной почвы на 20-67%, за исключением численности аммонифицирующих бактерий, численность которых при дозах свинца 100-500 мг/кг увеличивалась на 28-48%.

Переменное магнитное поле так же, как и в случае с черноземом, вызывало снижение или увеличение численности микроорганизмов в зависимости от конкретной группы.

В отличие от предыдущего случая, свинцовое загрязнение, сочетанное с переменным магнитным полем индукцией 300 мкТл не вызывало серьёзных отличий от отдельно свинцового загрязнения, но при индукции 1500 мкТл увеличение численности микроорганизмов было зафиксировано.

Как и в предыдущем случае, переменное магнитное поле индукцией 3000 мкТл при сочетанном загрязнении вызывало снижение численности микроорганизмов бурой лесной почвы по сравнению с отдельно свинцовым загрязнением.

Без РЬ +РЫ00 + РЬ 500 мг/кг мг/кг □ Без ЛеМП В ПеМП 300 мкТл

ПеМП 1500 мкТл ГЭ ПеМП 3000 мкТл

+ РМОО + РЬ 500 + РЫООО +РМ500 + РЬ 2000 мг/кг мг/кг мг/кг мг/кг мг/кг

□ Без ПеМП В ПеМП 300 мкТл Ш ПеМП 1500 мкТл □ ПеМП 3000 мкТл

О Без ПеМП □ ПеМП ЗСЮ мкТл ■ ПеМП 1500 мкТл Н ПеМП 3000 мкТл

Р Без ПеМП ОПеМПЗООмкТл Я ПеМП 1500 мкТл □ ПеМП 3000 мкТл

Рис. 7 Влияние сочетанного загрязнения свинцом и переменным магнитным

полем на численность спорообразующих (А), амилолитических (Б), нефтеокисляющих бактерий (В) и обилие почвенных микромицетов (Г) бурой лесной почвы, % от контроля

Рис. 8 Влияние сочетанного загрязнения свинцом и переменным магнитным полем на активность каталазы (А), дегидрогеназы (Б), длину корней редиса (В) и биомассу (Г) бурой лесной почвы, % от контроля

Вклад взаимодействия свинца и переменного магнитного поля в изменение численности аммонифицирующих бактерий - 24%, спорообразующих - 12%, грамотрицательных - 19%, нефтеокисляющих - 10%, амилолитических - 24%, обилия микромицетов - 24%. Наибольший вклад в изменение численности микроорганизмов, как и в предыдущем случае, внесло свинцовое загрязнение 40-86%.

Наиболее чувствительными к сочетанному загрязнению оказались аммонифицирующие бактерии и микромицеты.

Свинцовое загрязнение снижало активность почвенных ферментов на 2030%, приводило к уменьшению длины корней проростков редиса на 21-33%. Количество почвенной микробной биомассы с увеличением концентрации свинца в почве сначала возросло на 24%, а затем снизилось на 20-27%.

Переменное магнитное поле не оказало влияния на активность ферментов бурой лесной почвы так же, как и в предыдущих вариантах опыта. Однако оно вызвало снижение количества почвенной биомассы на 36%.

При сочетанном загрязнении переменное магнитное поле оказывало антагонистический эффект со свинцовым загрязнением на активность каталазы.

При сочетаниом загрязнении переменное магнитное поле индукцией 300 и 1500 мкТл приводило к увеличению длины корней тест-организма относительно свинцового загрязнения, а 3000 мкТл - приводило к снижению.

Количество общей микробной биомассы бурых лесных почв снижалось относительно свинцового загрязнения при сочетанном воздействии с переменным магнитным полем индукцией 300 мкТл.

Вклад взаимодействия свинца и переменного магнитного поля в изменение активности каталазы бурой лесной почвы составил - 17%, биомассы - 25%. Вклад свинцового загрязнения составил 50-70%.

В целом устойчивость чернозема обыкновенного и бурой лесной почвы к сочетанному загрязнению оказалась сходной.

6.3 Влияние на биологические свойства серопесков

На микроорганизмы серопесков свинцовое загрязнение оказало сходное действие с действием на микроорганизмы остальных типов почв. При концентрациях свинца 100-500 мг/кг почвы отмечалось увеличение численности микроорганизмов до 45%, в дальнейшем наблюдалось снижение численности на 20-50%.

(А) (Б)

Рис. 9 Влияние сочетанного загрязнения свинцом и переменным магнитным полем на численность спорообразующих бактерий (А), актиномицетов (Б), нефтеокисляющих бактерий (В) и обилие почвенных микромицетов (Г) серопесков, % от контроля

Без РЬ РЫ00 РЬ500 РЫООО РЫ500 РЬ2000 мг/кг мг/кг мг/кг мг/кг мг/кг □ Без ПеМП О ПеМП 300 мкТл в ПеМП 1500 мкТл и ПеМП 3000 мкТл

(А)

(Б)

1 □ ПеМП 300 мкТл ■ ПеМП 1500 мкТл БЗ ПеМП 3000 мкТл

Без РЬ РЫОО РЬ 500 РЫООО РЬ1500 РЬ 2000 мг/кг мг/кг мг/кг мг/кг мг/кг □ Без ПеМП О ПеМП 300 мкТл В ПеМП 1500 мкТл Н ПеМП 3000 мкТл

(В)

Без РЬ РЫОО РЬ 500 РЫООО РЫ500 РЬ2000 мг/кг мг/кг мг/кг мг/кг мг/кг а Без ПеМП ППеМПЗООшТл я ПеМП 1500 мкТл □ ПеМП 3000 мкТл

Рис. 10 Влияние сочетанного загрязнения свинцом и переменным магнитным полем на активность каталазы (А), дегидрогеназы (Б), длину корней редиса (В) серопесков, % от контроля

Переменное магнитное поле оказывало разнонаправленное действие на разные группы микроорганизмов, как и в предыдущих случаях.

Сочетанное загрязнение снижало показатели численности всех групп микроорганизмов сильнее, чем свинцовое загрязнение отдельно. Это можно связать с меньшим разнообразием и устойчивостью микробных сообществ серопесков.

Вклад взаимодействия свинца и переменного магнитного поля в изменение числа аммонифицирующих бактерий - 27%, спорообразующих -15%, грамотрицательных - 31%, нефтеокисляющих - 10%, амилолитических -29%, актиномицетов - 21%, обилия микромицетов - 29%. Основной вклад внесло свинцовое загрязнение - 35-74%.

Наиболее чувствительными были грамотрицательные бактерии и почвенные микромицеты.

Свинцовое загрязнение снижало активность почвенных ферментов на 1043%. Так же отмечалось снижение длины корней тест-организма на 10-21%. Переменное магнитное поле не оказало достоверного воздействия на активность ферментов и фитотоксичность.

При сочетаином загрязнении серопесков переменное магнитное поле в зависимости от степени индукции оказывало как антагонистическое, так и синергетическое действие с токсическим действием свинца.

Вклад взаимодействия свинца и переменного магнитного поля в изменение активности каталазы серопесков составил 27%, активности дегидрогеназы - 22%. Основной вклад внесло свинцовое загрязнение - 59-66%.

В целом серопески оказались менее устойчивы к сочетанному загрязнению, чем чернозем обыкновенный и бурые лесные почвы.

ВЫВОДЫ

1. Сочетанное химическое и электромагнитное воздействие, как правило, вызывало снижение значений биологических показателей, таких как численность аммонифицирующих, грамотрицательных, спорообразующих, нефтеокисляющих, амилолитических бактерий, актиномицетов, обилие почвенных микромицетов, общая микробная биомасса, активность ферментов: каталазы и дегидрогеназы и фитотоксичность. В то же время, в отдельных случаях сочетанного загрязнения при малых дозах химических загрязнителей (концентрации свинца 100-500 мг/кг и концентрации нефти 2% от массы почвы) в сочетании с переменным магнитным полем 300-1500 мкТл наблюдался стимулирующий эффект.

2. В большинстве случаев действие химических и электромагнитных факторов было синергетическим, однако в некоторых случаях (при мощности СВЧ-излучения 850 Вт, индукции магнитного поля 300 мкТл) наблюдалось антагонистическое действие электромагнитного и химического загрязнения.

3. Доля совместного действия факторов при сочетанном воздействии свинца и СВЧ-излучения (в среднем 33%) выше, чем для воздействия нефти и СВЧ-излучения (в среднем 25%).

4. Вклад переменного магнитного поля в изменение биологических свойств почвы при сочетанном загрязнении выше (19-44%), чем вклад СВЧ-излучения в тех же условиях (0-25%).

5. При сочетанном загрязнении переменным магнитным полем и химическим загрязнителем основной вклад в изменения свойств вносил именно фактор химического загрязнения (до 83%).

6. Биологические показатели отличались разной степенью чувствительности к сочетанному загрязнению, среди наиболее чувствительных можно выделить активность каталазы, численность аммонифицирующих и амилолитических бактерий, почвенных микромицетов.

7. Чернозем обыкновенный и бурая лесная почва имеют сходную устойчивость к сочетанному загрязнению, устойчивость серопесков ниже.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Мазанко М.С., Колесников С.И., Денисова Т.В., Казеев К.Ш., Даденко Е.В., Кузнецова Ю.С., Кузина A.A. Изменение численности микроорганизмов серопесков под влиянием сочетанного загрязнения свинцом и переменным магнитным полем // Политематический сетевой электронный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ). 2012. № 08(82). http://ei.kubagro.ru/2012/08/pdf/74.pdf

2. Мазанко М.С., Денисова Т.В., Тащиев С.С., Колесников С.И. Влияние сочетанного воздействия СВЧ-излучения, загрязнения свинцом и нефтью на биологические свойства чернозема обыкновенного // Политематический сетевой электронный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ). 2012. № 07(81). 1471. http://ei.kubagro.ru/2012/07/pdf/18.pdf.

3. Мазанко М.С., Акименко Ю.В, Денисова Т.В., Колесников С.И. Устойчивость аммонифицирующих бактерий различных типов почв юга России к сочетанному загрязнению свинцом и переменным магнитным полем // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2013. - Т. 15, № 3 (5) - С.1359-1363.

4. Мазанко М.С., Колесников С.И., Денисова Т.В., Кузина A.A., Вернигорова H.A., Капралова O.A., Бабаян К.С., Лаптинова A.C. Устойчивость чернозема к сочетанному загрязнению нефтью и электромагнитным полем // Политематический сетевой электронный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ). 2013. № 07(91). http://ei.kiibagro.ru/2013/07/pdf/129.pdf

5. Мазанко М.С., Денисова Т.В., Колесников С.И., Вернигорова H.A., Чернокалова Е.В., Никитенко К.А., Бубнова A.A. Устойчивость чернозема обыкновенного к сочетанному загрязнению свинцом и электромагнитным полем // Инженерный вестник дона. 2013. № 3. http://ivdon.rn/magazine/archive/n3v2013/1792

Статьи и тезисы в других изданиях:

6. Мазанко М.С., Крапивина А.Ю., Капралова O.A. Возможность использования активности каталазы при мониторинге воздействия переменного магнитного поля и химического загрязнения на почву / Мат-лы Междунар. экологической конф. «Экология России и сопредельных территорий». Новосибирск. 2010. С. 35.

7. Мазанко М.С., Колесников С.И., Денисова Т.В. Влияние сочетанного воздействия СВЧ-излучения и химического загрязнения на активности дегидрогеназы почвы // Актуальные проблемы биологии, нанотехнологий и медицины: Мат-лы IV Междунар. Науч.-практ. Конф., Ростов-на-Дону, 2225 сентября 2011г. Ростов н/д: Изд-во СКНЦ ВШ ЮФУ, 2011. С. 217.

8. Мазанко М.С., Крапивина А.Ю., Денисова Т.В. Сочетанное воздействие загрязнения нефтью, свинцом и низкочастотным магнитным полем на микрофлору чернозема обыкновенного / «Актуальные вопросы экологии и природопользования» Мат-лы научной конф. «Неделя науки-2011». Отв. Ред. К.Ш. Казеев. Ростов н/Д: ЗАО «Ростиздат», 2011. С.65-67.

9. Крапивина А.Ю., Мазанко М.С., Козина A.A., Денисова Т.В. Комплексное влияние СВЧ-излучения, загрязнения нефтью и свинцом на активность ферментов чернозема обыкновенного /Актуальные вопросы экологии и природопользования / Материалы научной конференции, Ростов н/Д: ЗАО «Ростиздат», 2011, С. 45-48.

Ю.Кузина A.A., Мазанко М.С., Денисова Т.В. Сочетанное влияние переменного магнитного поля и загрязнения свинцом на микрофлору серопесков / Материалы научной конференции «Неделя науки 2012». Ростов н/Д: ЗАО «Ростиздат», 2012. С. 67-71.

11 .Мазанко М.С. Влияние сочетанного воздействия загрязнения свинцом и переменным магнитным полем на активность дегидрогеназы серопесков / Ломоносов 2012: XIX Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых: Секция «Почвоведение»; 9-13 апреля 2012 г. Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова, ф-т почвоведения: Тезисы докладов. М.: МАКС Пресс, 2012. С. 19-20.

12.Мазанко М.С., Бабаян К.С., Денисова Т.В., Колесников С.И. Влияние сочетанного химического и свч-загрязнения на целлюлозолитические бактерии чернозема обыкновенного /Актуальные вопросы экологии и природопользования / Материалы научной конференции, Ростов н/Д: ЗАО «Ростиздат», 2011, с. 58-60.

13.Мазанко М.С., Бабаян К.С., Денисова Т.В., Колесников С.И. Влияние сочетанного загрязнения свинцом и переменным магнитным полем на нефтеокисляющие бактерии серопесков / Материалы научной конференции «Неделя науки 2012». Ростов н/Д: ЗАО «Ростиздат», 2012. С. 75-77.

14.Мазанко М.С., Колесников С.И., Денисова Т.В. Влияние сочетанного загрязнения свинцом и переменным магнитным полем на аммонифицирующие грамотрицательные бактерии серопесков / Материалы научной конференции «Неделя науки 2012». Ростов н/Д: ЗАО «Ростиздат», 2012. С. 78-80.

15.Мазанко М.С., Крапивина А.Ю., Колесников С.И., Денисова Т.В. Влияние сочетанного химического и СВЧ-загрязнения на численность грибов чернозема обыкновенного /Актуальные вопросы экологии и природопользования / Материалы научной конференции, Ростов н/Д: ЗАО «Ростиздат», 2011, с. 61-63.

16.Мазанко М.С., Кузина A.A., Колесников С.И., Денисова Т.В. Влияние сочетанного химического и СВЧ-излучения на нефтеокисляющие бактерии чернозема обыкновенного /Актуальные вопросы экологии и природопользования / Материалы научной конференции, Ростов н/Д: ЗАО «Ростиздат», 2011, с. 64-66.

17.Мазанко М.С., Кузина A.A., Колесников С.И., Денисова Т.В.Влияние сочетанного загрязнения свинцом и переменным магнитным полем на аммонифицирующие спорообразующие бактерии серопесков / Материалы научной конференции «Неделя науки 2012». Ростов н/Д: ЗАО «Ростиздат», 2012. С. 81-83.

18.Мазанко М.С., Денисова Т.В., Колесников С.И. Влияние загрязнения свинцом и переменным магнитным полем на почвенные актиномицеты / «Биология - наука XXI века» Материалы Международной конференции. Москва, 24 мая 2012 г. / Ред. Р.Г. Василов. - М. МАКС Пресс, 2012. С. 516517.

19.Мазанко М.С., Колесников С.И., Денисова Т.В. Влияние сочетанного химического и СВЧ-загрязнения на амилолитические бактерии чернозема обыкновенного // Материалы докладов VI съезда Общества почвоведов им.

B.В. Докучаева. Всероссийская с международным участием научная конференция «Почвы России: современное состояние, перспективы изучения и использования» (Петрозаводск - Москва, 13 - 18 августа 2012 г.). Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2012. Кн 1. — С. 54-56.

20.Мазанко М.С., Колесников С.И., Денисова Т.В. Влияние сочетанного загрязнения свинцом и переменным магнитным полем на активность каталазы серопесков / «Музей-заповедник: экология и культура». Сборник материалов Пятой Международной научно-практической конференции. (Станица Вёшенская, сентябрь 2012 г.). С. 63-64.

21.Мазанко М.С., Кузина A.A., Денисова Т.В., Колесников С.И. Изменение ферментативной активности бурой лесной почвы под воздействием сочетанного загрязнения свинцом и переменным магнитным полем. / Материалы научной конференции сотрудников, студентов и аспирантов кафедры экологии и природопользования Южного федерального университета «Актуальные вопросы экологии и природопользования». Ростов н/Д: Издательство Южного федерального университета, 2012. 85-88.

22.Мазанко М.С., Кузина A.A., Лаптинова A.C., Денисова T.B., Колесников

C.И. Изменение численность аммонифицирующих бактерий бурой лесной почвы под воздействием сочетанного загрязнения свинцом и переменным магнитным полем. // Материалы научной конференции сотрудников, студентов и аспирантов кафедры экологии и природопользования Южного федерального университета «Актуальные вопросы экологии и природопользования». Ростов н/Д: Издательство Южного федерального университета, 2012. С. 89-95.

23.Мазанко М.С., Трушков A.B., Бабаян К.С., Денисова Т.В., Колесников С.И. Изменение численности амилолитических бактерий бурой лесной почвы под воздействием сочетанного загрязнения свинцом и переменным магнитным полем. // Материалы научной конференции сотрудников, студентов и аспирантов кафедры экологии и природопользования Южного федерального университета «Актуальные вопросы экологии и

природопользования». Ростов н/Д: Издательство Южного федерального университета, 2012. С. 96-99.

24.Мазанко М.С., Колесников С.И., Денисова Т.В. Влияние сочетанного загрязнения свинцом и переменным магнитным полем на численность почвенных микроорганизмов серопесков // Живые и биокосные системы. Электронное периодическое издание. 2012. № 4. http://jbks.ru

25.Мазанко М.С., Колесников С.И., Денисова Т.В. Влияние сочетанного загрязнения нефтью и переменным магнитным полем на активность ферментов чернозема обыкновенного / Проблемы природоохранной организации ландшафтов [Текст]: материалы межд. науч.-практ.конф., поев. 100-летию выпуска первого мелиоратора в России (24-25 апреля 2013 г.) / Ред. кол.: С.С.Таран (отв.ред.) и др.; НГМА. - Новочеркасск, 2013. - Часть 2.-С. 12-16.

26.Мазанко М.С. Изменение активности каталазы чернозема обыкновенного под влиянием сочетанного загрязнения нефтью и переменным магнитным полем / Ломоносов 2013: XX Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых: Секция «Биология»; 8-12 апреля 2012 г. Москва, МГУ им. М.В. Ломоносова, ф-т почвоведения: Тезисы докладов. М.: МАКС Пресс, 2012. С. 283-284.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

ПДК — предельно допустимая концентрация ПеМП - переменное магнитное поле СВЧ-излучение - излучение сверхвысокой частоты ЭМИ - электромагнитные поля

Печать цифровая. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Формат 60x84/16. Объем 1.0 уч.-изд.-л. Заказ № 3203. Тираж 100 экз. Отпечатано в КМЦ «КОПИЦЕНТР» 344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Суворова, 19, тел. 247-34-88

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Мазанко, Мария Сергеевна, Ростов-на-Дону

04201455353

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ЮЖНЫЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

На правах рукописи

МАЗАНКО МАРИЯ СЕРГЕЕВНА

ВЛИЯНИЕ СОЧЕТАННОГО ХИМИЧЕСКОГО И ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ

СВОЙСТВА ПОЧВ

03.02.08 — экология (биологические науки)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: д.с.-х.н., профессор Колесников С.И.

Ростов-на-Дону -2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ....................................................................................................................................4

ГЛАВА 1. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ, НЕФТЬЮ, ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ПОЛЯМИ, А ТАКЖЕ ИХ СОВМЕСТНОЕ ВЛИЯНИЕ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВЫ.........................9

1.1. Экологические последствия загрязнения почв тяжелыми металлами..............................9

1.1.1. Тяжелые металлы почве......................................................................................................9

1.1.2. Влияние тяжелых металлов на живые организмы и свойства почвы..........................14

1.2. Экологические последствия загрязнения почв нефтью....................................................21

1.2.1. Нефть в почве.....................................................................................................................21

1.2.2. Влияние загрязнения нефтью на свойства почвы и живые организмы.......................27

1.3. Экологические последствия электромагнитного воздействия на почву.........................34

1.3.1. Электромагнитные излучения в природной среде.........................................................34

1.3.2. Механизмы биологического действия электромагнитного излучения. Влияние электромагнитных полей неионизирующей природы на свойства почв...............................36

1.4. Экологические последствия сочетанного загрязнения.....................................................43

1.4.1. Сочетанное действие ионов различных тяжёлых металлов..........................................43

1.4.2. Сочетанное действие тяжёлых металлов и других факторов окружающей среды.....46

1.4.3. Сочетанное действие тяжёлых металлов и электромагнитных полей.........................48

1.4.4. Сочетанное действие электромагнитных полей разной интенсивности......................51

ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ................................................................................53

2.1. Черноземы обыкновенные...................................................................................................53

2.2 Бурые лесные почвы..............................................................................................................56

2.3. Серопески..............................................................................................................................59

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ......................................................61

3.1. Методика модельных исследований...................................................................................61

3.2. Описание установок, использованных в эксперименте....................................................64

3.3 Методы определения биологических свойств почвы........................................................66

3.4 Статистическая обработка результатов...............................................................................67

ГЛАВА 4. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ СОЧЕТАННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ СВИНЦОМ, НЕФТЬЮ И СВЧ-ИЗЛУЧЕНИЕМ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЧЕРНОЗЕМА ОБЫКНОВЕННОГО...................................................................................................................68

4.1 Влияние на ферментативную активность...........................................................................71

4.2. Влияние на почвенную микрофлору..................................................................................73

4.3 Влияние на фитотоксические свойства почвы...................................................................83

ГЛАВА 5. ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ СОЧЕТАННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НЕФТЬЮ И ПЕРЕМЕННЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЧЕРНОЗЕМА ОБЫКНОВЕННОГО..........................................................................................86

5.1 Влияние на ферментативную активность...........................................................................90

5.2 Влияние на почвенную микрофлору...................................................................................93

5.3 Влияние на фитотоксические свойства почвы.................................................................104

ГЛАВА 6. ВЛИЯНИЕ СОЧЕТАННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ СВИНЦОМ И ПЕРЕМЕННЫМ МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЧЕРНОЗЕМА ОБЫКНОВЕННОГО, БУРОЙ ЛЕСНОЙ ПОЧВЫ И СЕРОПЕСКОВ..................................107

6.1 Влияние на ферментативную активность.........................................................................115

6.2 Влияние на почвенную микрофлору.................................................................................119

4.3 Влияние на фитотоксические свойства почвы.................................................................133

ВЫВОДЫ...................................................................................................................................138

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..................................................................140

ВВЕДЕНИЕ

Несмотря на то, что в литературе существует большое количество работ, посвященных вышеперечисленным загрязнителям, работ, посвященных их сочетанному влиянию на биологические объекты, значительно меньше (Жвирбилис, 1999; Бошазипёагап, А)та1, 2010; С)1хн^, 1999; Нецепск за. а1., 2002; Сердюченко и др., 2009; Карагайчева, 2009, 2010; 2012). А исследований, посвященных влиянию сочетанного загрязнения на почвенные свойства, практически нет (Вызовская, 2007; Паникова и др., 2010).

Задачи исследования:

3. Определить вклад каждого из факторов в изменение биологических свойств почвы.

4. Ранжировать показатели биологической активности по чувствительности к сочетанному воздействию.

Основные положения, выносимые на защиту:

электромагнитного воздействия был незначительным (10-28%) или статистически недостоверным.

Апробация работы. Результаты исследования докладывались на Международной экологической конференции «Экология России и сопредельных территорий» (Новосибирск, 2010), IV Международной Научно-практической конференции «Актуальные проблемы биологии, нанотехнологий и медицины» (Ростов-на-Дону, 2011), научной конференции «Неделя науки-2011» (Ростов-на-Дону, 2011), научной конференции «Неделя науки-2012» (Ростов-на-Дону, 2012), XIX Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2012» (Москва, 2012), Международной конференции «Биология - наука XXI века» (Москва, 2012), Всероссийской с международным участием научной конференции «Почвы России: современное состояние, перспективы изучения и использования» (Петрозаводск - Москва, 2012), Пятой Международной научно-практической конференции «Музей-заповедник: экология и культура» (Станица Вёшенская, 2012), научной конференции сотрудников, студентов и аспирантов кафедры экологии и природопользования Южного федерального университета «Актуальные вопросы экологии и природопользования» (Ростов-на-Дону-2012), научной конференции «Неделя науки 2013» (Ростов-на-Дону, 2013), XIX Международной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2013» (Москва, 2013).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, _ глав и выводов. Работа изложена на 177 страницах машинописного текста, содержит 10 таблиц, 31 рисунка, списка литературы. Список использованной литературы включает 369 источников, в том числе 77 на иностранных языках.

Конкурсная поддержка исследования. Исследование выполнено при финансовой поддержке ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (государственные контракты П169, П1298, П322, 16.740.11.0528, 14.740.11.1029, соглашения 14.А18.21.0187, 14.А18.21.1269, 5.5160.2011), ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям научно-технологического комплекса России» на 2007-2013 годы (государственный контракт 14.515.11.0055), Президента РФ (грант НШ-5316.2010.4), в рамках реализации Программы развития Южного федерального университета.

ГЛАВА 1. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ, НЕФТЬЮ, ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ПОЛЯМИ, А ТАКЖЕ ИХ СОВМЕСТНОЕ ВЛИЯНИЕ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВЫ

1.1. Экологические последствия загрязнения почв тяжелыми металлами

1.1.1. Тяжелые металлы почве

К тяжелым металлам (ТМ) относят более 40 химических элементов периодической системы Д.И. Менделеева, масса атомов которых составляет свыше 50-ти атомных единиц массы (а. е. м.) (Орлов и др., 1991; Ильин, 2000; Агроэкологическая характеристика.. .2002).

Определению ТМ соответствует большое количество химических элементов. Но чаще всего ТМ всего рассматривается не с химической, а с природоохранной и медицинской точек зрения (ОиГАдз, 2003). Соединения этих элементов не являются химическими веществами которые можно поставить в один ряд, а потому следует сузить рамки веществ, называемых «тяжелыми металлами». По мнению Н.Ф. Реймерса (1990) от тяжелых необходимо отличать благородные и редкие металлы, и потому к ТМ относятся только РЬ, Си, Сё, N1, 2п, Со, БЬ, 8п, Н§, Вь

К тяжелым металлам так же могут относить и неметаллические элементы, например, Аб, 8е, и даже элементы, масса которых ниже 50 а. е. м., такие, как Б, Ве и др.

Некоторые из ТМ являются микроэлементами, которые необходимы для нормального функционирования живых организмов, которые входят в состав ферментов, и потому являются биорегуляторами многих биологических процессов. При этом если ТМ находятся в избытке, они могут оказывать токсическое действие на живые организмы (Кадацкий, 2001; Бирагова, 2003; КлаБшиПег, 1998, Рустембекова, Барабошкина, 2006).

В почву тяжелые металлы могут поступать из природных и техногенных источников. Из природных источников ТМ поступают в почву в процессе выветривания горнах пород, эрозии и вулканической деятельности.

К примеру, свинец содержится в мантии, базальтах и гранитах, и, потому ТМ могут поступать в почву уже при формировании почвенного покрова из материнской породы (КовдаВ.А., 1985, Ильин В.Б., 1991; Богдановский Г.А., 1994, Белоголова, 2009, Степанок, 1998). Тем же путём ТМ способны перемещаться в осадочные горные породы, так что в зависимости от гранулометрического состава концентрация металлов может серьёзно различаться. Так, в песчаных и супесчаных породах содержится низкая концентрация ТМ, а в суглинистых и глинистых — повышенное (Ковда В.А., 1985, Ильин В.Б., 1991, 2002).

Источников техногенного загрязнения намного больше, многие области человеческой деятельности, такие области, как добыча и переработка полезных ископаемых, влияние автотранспорта, сжигание топлива, сельского хозяйства и др. способны вносить значительный вклад в загрязнение окружающей среды (Ильин, 1991; Орлов и др., 1991; Прохорова, 1998; Луканин, 2001; Бирагова, 2003, Большаков, 1993, Байдина, 1995). Например, свинец может поступать в почву из таких источников, как карьеры и шахты по добыче полиметаллических руд, электростанции, сжигающие уголь, предприятия цветной и черной металлургии, мусоросжигающие заводы, автотранспорт, металлообрабатывающие предприятия (Ильин, 1991, Дмитриев, 1989, Прохорова, 1998, Обухов, 1988; Луканин, 2001, Воробьев, 2003).

В сельскохозяйственные земли тяжелые металлы способны попадать при применении пестицидов, минеральных и органических удобрений, использовании сточных вод, известковании (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Торшин и др., 1990; Минееев, 1981, 2009; Потатуева, 2002, Кураков и д.р., 2006).

Следует отметить урбаноземы, которые, значительно больше, чем остальной почвенный покров, подвергаются антропогенному прессу, а потому в них намного выше содержание тяжелых металлов, а так же шире спектр. На данный момент их исследованию уделяется значительное

внимание (Приваленко, 1993; Ларина и др., 1996; Ладонина и др., 1999; Ильин и др., 2000, 2002; Кадацкий и др., 2001; Хамитова, Степанова, 2004; Соколов, Черников, 1999).

В почву тяжелые металлы попадают в различных формах: окси�

Информация о работе

Мазанко, Мария Сергеевна
кандидата биологических наук
Ростов-на-Дону, 2013
ВАК 03.02.08

Диссертация

Влияние сочетанного химического и электромагнитного загрязнения на биологические свойства почв - тема диссертации по биологии, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы