CC BY
195
ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2013 БИОЛОГИЯ Вып. 3
УДК 632.122.631.445
ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОЧВ ТАЕЖНО-ЛЕСНОЙ ЗОНЫ С ПОМОЩЬЮ ФИТОТЕСТИРОВАНИЯ
В. И. Каменщикова
Естественнонаучный институт Пермского государственного национального исследовательского университета, 614990, г. Пермь, Генкеля, 4; zhal73@mail/ru; (342)2396213
Изучено действие различных концентраций нефти и тяжелых металлов на начальные этапы развития проростков пшеницы, выращиваемых на дерново-подзолистой и дерново-бурой почве таежно-лесной зоны. Выявлены различия токсического действия поллютантов на высоту проростков и длину корневой системы, их вес. Установлены токсичные концентрации свинца по показателям высоты, биомассы растений и интегральному индексу токсичности.
Ключевые слова: нефть; соли свинца; фитотоксичность; почва.
Введение
Одна из актуальных проблем современного природопользования и охраны окружающей среды - экологическое нормирование доступных уровней воздействия техногенных выбросов на природную среду. Ключевым показателем экологического состояния окружающей среды, по мнению ряда исследователей [Добровольский, 2004; Колесников, Попович, Евреинова, 2006], является состояние почвенного покрова. В связи с широким научным признанием за почвенным покровом Земли функции важнейшего планетарного узла экологических связей в последние годы все большее внимание уделяется изучению вопросов оценки экологического состояния почв, определения для них допустимой антропогенной нагрузки, способов реставрации техногенно-измененных почв. По мнению С.А. Балюк с соавторами [Балюк, Мирошниченко, Фатеева, 2008], «экологические нормативы должны быть ориентированы не столько на уровень загрязнения почв, сколько на реакцию биологических систем». Подобного мнения придерживаются и другие исследователи [Булгаков, 2002; Колесников, Попович, Евреинова, 2006; Попович, Азнау-рьян, Колесников, 2006; Арышева, Анисимова, Санжарова, 2013].
Многочисленные исследования, проводимые сотрудниками ЕНИ при ПГНИУ, показали высокую чувствительность почвенных микроорганизмов к поллютантам как минеральной, так и органической природы [Каменщикова В.И. и др., 2006 и др.]. Реакцию микроорганизмов на тяжелометалль-ное, нефтяное загрязнение хорошо диагностируют
показатели численности и биохимической активности микроорганизмов, а также показатели роста и развития растений.
Наибольшей степенью чувствительности к техногенному загрязнению у растений обладает корневая система. По данным С.И. Колесникова [2008], показатели длины корней коррелируют с содержанием загрязняющих веществ (ТМ) в почве. Представляло интерес проследить данную закономерность на почвах таежно-лесной зоны при загрязнении их поллютантами минеральной и органической природы, выявить чувствительность к поллютантам других частей растений.
Объект и методы исследования
Объектами исследований явились зональные дерново-подзолистые и дерново-бурые почвы, формирующиеся на красноцветных глинах. Химическая характеристика исследуемых почв модельного опыта 1 приведена в табл. 1.
Схема модельного опыта для дерново-подзолистой и дерново-бурой почвы следующая:
1. Контроль;
2. Почва + свинец 200 мг/кг, цинк 100 мг/кг, медь 55 мг/кг;
3. Почва + нефть в концентрации 14.25% веса почвы;
4. Почва + нефть в концентрации 14.25% веса почвы + ТМ в заданных концентрациях.
В качестве тест-объекта использованы семена пшеницы, как наиболее распространенной сельскохозяйственной культуры Предуралья. Модельный опыт проводили в трехкратной повторности. Воз-
© Каменщикова В. И., 2013
действие загрязняющих веществ оценивали по изменению длины и массы надземной и подземной части пшеницы, выращиваемой на увлажненной почве после месячного её компостирования. При этом учитывался индекс токсичности (ИТ) по формуле
100 - (б/а, %), где а - показатели в контроле, принятые за 100, б -показатели, полученные в вариантах с загрязнением почв.
Таблица 1
Содержание гумуса и механический состав исследуемых почв
№ образца Гумус, % рН Н2О рН КС1 Содержание частиц (мм), % в 100 г почвы
1-0.25 0.25-0.05 0.01-0.005 0.001 0.01
1 3.18 4.70 3.55 0.00 11.6 11.5 22.8 46.9
2 5.82 6.42 5.32 0.30 15.2 29.1 33.1 55.4
Примечание. № 1 - дерново-подзолистая почва (глубина отбора образца 0-15 см), № 2 - дерново-бурая почва (2-25
см).
Наряду с опытом 1, были заложены модельные опыты с дозами наиболее токсичного поллютанта из тяжелых металлов: солями уксуснокислого и азотнокислого свинца, часто встречающегося в почвах Пермского края и г. Перми. В задачи исследований входило изучить допустимую нагрузку ТМ загрязнения для почв различного химизма и выяснить способы снижения подвижности свинца в системе почва - растение при внесении дополнительных источников питания. Схема опыта будет изложена в следующем разделе. Параллельно были проведены на дерново-подзолистой почве модельные опыты с дозами нефти.
мере влияло на прирост биомассы растений (табл. 2).
Таблица 2
Влияние концентрации нефти в почве на развитие растений
ИТ Концентрация нефти, %
0.25 1.5 4.0 10 20 30
высоты надз. части 6.0 9.6 - 6.9 11.5 -
веса 1 растения 15 40.9 - 29.0 45.0 -
Наблюдения за ростом и развитием растений в модельном опыте 1 показали неоднозначное влияние нефтяного и ТМ загрязнения на прирост надземной фитомассы в различных по генезису почвах (табл. 3). ТМ в допустимых концентрациях [Предельно допустимые..., 2006] стимулировали развитие растений, оказывая положительное влияние на прирост надземной части растений, но незначительно ингибировали развитие корневой системы.
Таблица 3
Фитотоксичность почв при разных видах загрязнения
Результаты исследования
В ранее проводимых нами опытах на дерновоподзолистой почве с дозами нефти было установлено ингибирование развития растений при содержании нефти 1.5% веса почвы, что отчетливо проявлялось в снижении высоты растений и в большей
Вариант опыта Длина надземной части, см ИТ длины надземной части Длина корней, см ИТ длины корней Сухой вес надз. части, г ИТ веса надз. части Сухой вес корней, г ИТ веса корней средний из показателей
Дерново-подзолистая почва
Контроль 21.48 0 8.91 0 0.20 0 0.130 0
ТМ 23.37 +* 11.94 +* 0.225 + 0.125 3.8-0.1
Нефть 10.17 52.05 3.05 65.76 0.100 45 0.120 7.6-42.61
Нефть+ТМ 11.67 45.67 2.41 72.95 0.160 20 0.130 0-34.65
Дерново-бурая почва
Контроль 15.25 0 8.87 0 0.160 0 0.170 0
ТМ 16.99 +* 9.92 + 0.180 + 0.150 11.77-2.94
Нефть 18.05 +* 4.14 53.72 0.180 + 0.090 47.05-25.16
Нефть+ТМ 16.05 +* 4.65 47.57 0.170 + 0.140 17.64-16.25
Нефтяное загрязнение в большей мере, чем ТМ-загрязнение угнетало ростовые процессы как надземной, так и, в большей степени, подземной части растений. При этом степень ингибирования растений была максимально высокой в дерновоподзолистой почве, что проявлялось также в снижении веса растений. В дерново-бурой почве, обладающей более высоким естественным плодоро-
дием, токсичность нефтяного загрязнения проявлялась только в действии на корневую систему.
Совместное действие поллютантов (нефть + ТМ) в дерново-бурой почве в меньшей мере угнетало развитие растений, чем действие одной нефти, и действие их было менее выражено, чем в дерново-подзолистой почве, о чем наглядно свидетельствуют средние показатели ИТ. Следователь-
но, допустимый уровень загрязнения определяется типовой принадлежностью почвы, её плодородием, биохимической активностью микроорганизмов, а также во многом зависит от чувствительности растения к загрязняющему веществу.
В целом показатели энергии роста и длины надземной и корневой частей растений более объективно отражают уровень загрязнения и допустимую нагрузку на почву, чем биомасса растения и могут наряду с другими показателями служить индикаторами экологического состояния почв.
В модельных опытах с дозами азотнокислого свинца нами выявлена обратная зависимость между длиной корней и дозой загрязняющей соли (табл. 4). Надземная часть растений слабо реагировала на присутствие азотнокислого свинца. При этом содержание свинца после месячного компостирования дерново-подзолистой суглинистой почвы с поллютантом существенно повышалось в биомассе растений уже при дозе свинца в почве, равной 200 мг/кг.
Таблица 4
Влияние тяжелометалльного загрязнения на фитотоксичность дерново-подзолистой почвы
Варианты опыта Длина, см ИТ, % для корней Содержание свинца в растит. биомассе, мг/кг
надземн. части корней
Контроль 22.66 10.54 7.0
Почва +РЬ 200 мг/кг 22.19 9.73 7.69 82
Почва +РЬ 400 мг/кг 24.29 8.82 16.32 92
Почва +РЬ 600 мг/кг 23.72 7.92 24.86 233
Zn 100 мг/кг + Си 55 мг/кг 22.84 10.15 3.76 14
Zn 100 мг/кг + Си55 мг/кг + РЬ 200 мг/кг 23.36 9.54 9.49 59
Zn 100 мг/кг + Си 55 мг/кг + РЬ 400 мг/кг 22.68 9.03 14.33 119
Zn 100 мг/кг + Си 55 м/кг + РЬ 600 мг/кг 21.82 7.72 26.67 128
Zn + Си + кора 20.33 9.10 13.67 9
Zn + Си + РЬ 400 + кора 21.71 7.36 30.18 46
Zn + Си + РЬ 600 + кора 23.72 7.48 29.04 243
Примечание. Допустимая доза свинца в растении - 10-20 мг/кг сухого вещества.
Цинк и медь, внесенные в допустимых концентрациях (сернокислый цинк - 100 мг/кг, сернокислая медь - 55 мг/кг) как сопутствующие загрязнители, не оказывали существенного ингибирующего действия на развитие растений, но усилили подвижность свинца в системе почва - растение, увеличив в 2 раза содержание свинца в биомассе растений.
Негативное действие свинца на развитие корневой системы на фоне сопутствующих загрязнителей (солей цинка и меди) усиливалось, ИТ был выше, чем при монозагрязнении почвы свинцом. Однако подвижность свинца в системе почва - растение при этом существенно снизилась. В варианте с высокой дозой свинца + медь и цинк содержание свинца в растительной биомассе было почти в 2 раза ниже, чем при монозагрязнении почвы свинцом.
Внесение коры, как адсорбента ТМ, не оказало существенного действия на ростовые процессы пшеницы, но при дозе свинца в 400 мг/кг снижало содержание свинца в растительной биомассе в 13 раз. Подвижность свинца в системе почва - растение при дозе свинцового загрязнения в 600 мг/кг не снималась внесением коры. Возможно, это обусловлено слишком незначительным периодом пребывания коры в почве.
Из табл. 4 отчетливо видно, что азотнокислый свинец, подкисляя почвенный раствор, не оказывает ингибирующего действия на прирост надземной
массы, а даже способствует усилению роста, что, вероятно, связано с содержанием азота в соли, стимулирующего ростовые процессы. При высокой дозе азотнокислого свинца в растительной биомассе было выявлено очень высокое его содержание, что обусловлено, вероятно, подкислением почвенного раствора и усилением подвижности свинца в системе почва - растение. Минимальный индекс токсичности (ниже 10%) по отношению к чувствительному органу растений - корневой системе нами выявлен в вариантах с цинково-медным и цинково-медно-свинцовым загрязнениями при низкой дозе свинца в почве (200 мг/кг). Кора блокирует подвижность свинца в системе почва - растение при низких концентрациях свинца в почве. Концентрации свинца в почве, близкая к 200 мг/кг, может быть признана слаботоксичной и при внесении адсорбентов, минимизации кислотности, может считаться весьма допустимой для дерново-подзолистых почв Пермского края.
Низкая чувствительность надземной части пшеницы к свинцовой соли, содержащей азот, обусловили постановку модельного опыта, исключающего положительное действие азота. В опыте был использован уксуснокислый свинец в концентрациях, превышающих 200 мг/кг. Опыт заложен на дерново-бурой почве двух экосистем: под лесом и почве агроценоза по схеме: контроль;
РЬ 400;
РЬ 600;
^Оз-фон; фон + РЬ400; фон + РЬ 600; фон + МЭ + РЬ 400.
Цель исследований - выяснить способность минеральных удобрений снизить токсичность свинца в отношении микроорганизмов и растений на однотипных почвах, но обладающих различным плодородием.
В дерново-бурой почве токсичность уксуснокислого свинца отчетливо проявлялась на развитии надземной части растений, усиливаясь с увеличени-
ем дозы загрязняющей соли. В силу большей поглотительной способности этих почв токсичность пол-лютанта была менее выражена, чем в дерново-подзолистой почве. При этом в почве агроценоза токсичность свинца проявлялась как на развитии надземной части, так и корневой системы.
Минеральные удобрения снижали токсическое действие уксуснокислого свинца, что отчетливо проявилось на развитии надземной части растения. Негативное действие минеральных удобрений проявилось на корневой системе в распаханной почве и усилилось в варианте: свинец + минеральное удобрение (табл. 5.).
Таблица 5
Влияние уксуснокислого свинца на начальные этапы роста и развития пшеницы в дерново-бурой
почве различных экосистем
Варианты опыта Лес Агроценоз
Н надземной ИТ проростков Нкорня ИТ, средний Н надзем. ИТ проростков Нкорня ИТ корня, средний
Контроль 20.5 - 11.7 17.2 11.4
РЬ 400 19.4 5.37 12.9 +/2.68 18.6 + 11.4 0
РЬ600 16.8 18.1 13.1 +/9.05 15.6 9.4 9.2 19.3/14.35
КЫ03-фон 20.6 + 18.8 + 17.2 - 9.5 16.7/8.35
Фон + РЬ 400 19.4 5.37 10.7 8.65/7.0 16.9 1.8 11.4 0/0.9
Фон + РЬ 600 19.2 6.4 10.2 12.9/9.6 17.1 - 8.6 24.6/12.3
Фон + МЭ 19.8 3.4 12.2 +/1.7 17.9 + 10.3 10/5.15
Фон + МЭ + РЬ 400 16.6 19.1 13.3 +/9.6 15.7 8.8 8.0 29.1/19.0
Примечание. + - положительный эффект, в числителе - показатель ИТ надземной части растения, в знаменателе -ИТ корня.
Микроэлементы (медь и цинк), внесенные в микродозах по фону минеральных удобрений, не оказали существенного положительного влияния на начальные этапы развития растений, усугубляя негативное действие уксуснокислого свинца.
Рассматривая реакцию проростков пшеницы на начальных этапах их развития, можно отметить, что отклонения в росте и развитии корневой и надземной части растений от контроля до 5% - можно принять за несущественные, они находятся в пределах ошибки опыта, 5-10% отклонения от контроля следует принять как слабую токсичность среды, 10-15% - средняя токсичность среды для развития растений, 15-20% - сильная токсичность среды, свыше 20% - очень сильная токсичность среды для развития растений, которая может привести к их гибели.
По степени чувствительности к ТМ-загрязне-нию почвы, биохимическая активность микроорганизмов стоит на первом месте, индекс токсичности свинца по данным эмиссии СО2 варьирует и нередко при сильном уровне загрязнения зашкаливает за 50%. При совместном изучении реакции растений и микроорганизмов, можно более достоверно и надежно определить предельно допустимую концентрацию загрязняющего вещества, которая не способна привести к серьезным экологическим нарушениям среды их обитания.
Заключение
Почвы таежно-лесной зоны обладают повышенной чувствительностью к инородным поллютантам, включая нефть и ТМ, что проявляется в снижении численности отдельных эколого-трофических групп микроорганизмов, в снижении их биохимической активности, а также в замедлении роста и развития растений.
Установлено, что степень фитотоксичности тя-желометалльного загрязнения определяется дозой и формой загрязняющего вещества, также во многом зависит от плодородия почв, содержания гумуса, емкости поглощения, механического состава, а также чувствительности растений к загрязняющему веществу. Ингибирующее действие солей свинца на ростовые процессы однолетних растений усиливалось с увеличением дозы солей, превышающих 200 мг/кг. При этом содержание свинца в растительной биомассе существенно повышалось, что обусловило поиск компонентов, снижающих подвижность свинца в системе почва - растение.
Установлено, что внесенные в почву и сопутствующие свинцу микроэлементы (медь и цинк) блокируют подвижность уксуснокислого свинца в системе почва - растение.
Внесение измельченной коры в почву, при дозах свинца в ней 200-400 мг/кг, снижало содержание свинца в растительной биомассе до уровня
контрольных вариантов, не влияя на ростовые процессы.
Минеральные азотно-калийные удобрения не снимали ингибирующего действия на ростовые процессы пшеницы при повышенных дозах уксуснокислого свинца и не влияли на содержание его в растительной биомассе.
Отдельные части однолетних растений при одинаковой дозе свинца неадекватно реагировали на азотнокислый и уксуснокислый свинец. При этом, по нашему мнению, целесообразно учитывать суммарный индекс токсичности с учетом веса растений.
Действие нефти на ростовые процессы растений проявлялось неодинаково на почвах, обладающих различным плодородием. Наибольшая токсичность для растений установлена на дерново-подзолистой почве для корневой системы, где индекс токсичности достигает 65% и усиливается на фоне ТМ-за-грязнения .
На дерново-бурой высокоплодородной почве негативное действие нефти проявлялось преимущественно угнетением корней и не влияло на ростовые процессы надземной части растений. Вес растений в меньшей мере реагировал на нефтяное загрязнение, чем высота и длина надземной и корневой частей растений.
Показатели фитотоксичности при том или ином загрязнителе могут быть более полно отражены при рассмотрении реакции растений и микроорганизмов с определением комплексного показателя индекса токсичности. Принимая процентное отклонение от контрольных 10 важнейших показателей (численности и биохимической активности микроорганизмов, интенсивности окислительно-восстановительных процессов роста и веса растений) нами принят во внимание средний показатель из суммы и установлена следующая градация: отклонения от контрольных показателей:
до 10% - слабое нарушение среды обитания;
10-20% - средний уровень нарушений;
20-30% - высокий уровень нарушения среды обитания;
выше 40% - очень высокий уровень нарушения среды обитания растений и микроорганизмов, при котором живые организмы не всегда способны самостоятельно справиться с загрязнением почвы и прекращают функционировать, а растения погибают.
Индекс токсичности по показателям роста и развития растений изменяется в более узком интервале, чем суммарный ИТ растений и микроорганизмов. При отсутствии возможности определения суммарного ИТ, для определения экологического состояния почвенного покрова с успехом можно использовать показатели роста и развития растений.
Библиографический список
Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. Л.: Агропромиздат, 1987. 142 с.
Арышева С.П., Анисимова В.С., Санжарова Н.И. Изучение миграционной способности свинца в системе почва-растение и его фитотоксичность в почвах разного типа // Агрохимия. 2013. № 1. С. 85-94.
Балюк С.А., Мирошниченко Н.Н., Фатеева А.И. Принцип экологического нормирования доступной антропогенной нагрузки на почвенный покров Украины // Почвоведение. 2008. № 12. С. 1501-1509.
Булгаков Н.Г. Индикация состояния природных экосистем и нормирование факторов природной среды. 6. Обзор существующих подходов // Успехи современной биологии. 2002. Т. 122, № 2. С. 115-135.
Добровольский В.В. Роль гуминовых кислот в формировании массопотоков ТМ // Почвоведение. 2004. № 1. С. 32-39.
Каменщикова В.И. и др. Характеристика химических свойств и биологической активности почв таежно-лесной зоны в районах нефтедобычи // Материалы междунар. науч. конф. «Экология и биология почв: проблемы диагностики и индикации». Ростов н/Д, 2006. С. 242.
Колесников С.И. Экологические основы природопользования. М.: Дашков и К, 2008. 304 с.
Колесников С.И., Попович А.А., Евреинова А.В. Сравнительная оценка действия различных химических элементов на экологическое состояние почв // Материалы междунар. науч. конф. «Экология и биология почв: проблемы диагностики и индикации». Ростов н/Д, 2006. С. 264.
Попович А.А., Азнаурьян Д.К., Колесников С.И. Влияние нефтезагрязнения на фитотоксические свойства почв юга России // Материалы междунар. науч. конф. «Экология и биология почв: проблемы диагностики и индикации». Ростов н/Д, 2006. С. 408.
Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве. Г игиенические нормативы ГН 2.1.7.2041-06. Ориентировочно-допустимые концентрации (ОДК) химических веществ в почве. ГН 2.1.7.2042-06. М.: Госком-санэпиднадзор России, 2006. С. 2-44.
Поступила в редакцию 09.09.2013
Assessment of the ecological condition of soils of taiga-forest zone with the help of test plants
V. I. Kamenshchikova, candidate of biology, senior scientist
Natural Sciences Institute of Perm State University, 4 Genkel Str., Perm, Russia, 614990; zhal73@mail/ru; (342)2396213
There was studied the influence of different concentrations of oil and heavy metals on the initial stages of the development of sprouts of wheat grown on sod-podzol and sod-brown soils of taiga-forest zone. The differences of toxic effects of pollutants on the height of seedlings and the length of the root system, their weight. Installed toxic concentrations of lead indicators height, biomass plants and integral index of toxicity.
Key words: oil; salt lead; phytotoxicity; soil.
Каменщикова Вера Иосифовна, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Естественнонаучный институт ФГБОУВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет»
