CC BY
35
УДК 631.4 (470.6) ББК 40.3 (235.7) О 93
Татлок Д.Р.
Аспирант кафедры экологии и защиты окружающей среды факультета аграрных технологий Майкопского государственного технологического университета, Майкоп, e-mail: jemaldin@mail.ru Колесников С.И.
Доктор сельскохозяйственных наук, профессор, зав. кафедрой экологии и природопользования Академии биологии и биотехнологии Южного федерального университета, Ростов-на-Дону, email: kolesnikov@sfedu.ru
Казеев К.Ш.
Доктор географических наук, профессор кафедры экологии и природопользования Академии биологии и биотехнологии Южного федерального университета, Ростов-на-Дону, e-mail: kamil_kazeev@mail.ru
Татлок Р.К.
Кандидат биологических наук, доцент кафедры землеустройства факультета аграрных технологий Майкопского государственного технологического университета, Майкоп, e-mail: jemaldin@mail.ru
Тлехас З.Р.
Кандидат биологических наук, зав. кафедрой землеустройства факультета аграрных технологий Майкопского государственного технологического университета, Майкоп, e-mail: jemaldin@mail.ru
Чернышева Я.С.
Студент кафедры экологии и природопользования Академии биологии и биотехнологии Южного федерального университета, Ростов-на-Дону, e-mail: chernysheva_yana93@mail.ru
Оценка устойчивости бурых лесных почв предгорных территорий Республики Адыгея к загрязнению токсическими микроэлементами и тяжелыми металлами по биологическим показателям
(Рецензирована)
Аннотация. Загрязнение почв в предгорных лесах Республики Адыгея цинком, кадмием, молибденом и селеном приводит к ухудшению биологических свойств бурых лесных почв. Проведенное исследование показало, что степень снижения значений биологических показателей находится в прямой зависимости от концентрации в почве загрязняющего вещества. По степени токсичности к биологическим свойствам бурых лесных почв исследованные элементы образуют следующую последовательность: Zn > Cd > = Se > Mo.
Ключевые слова: цинк, кадмий, молибден, селен, загрязнение, бурые лесные почвы, биологические свойства почвы.
Tatlok D.R.
Post-graduate student of Ecology and Environment Protection Department of Faculty of Agrarian Technologies, Maikop State University of Technology, Maikop, e-mail: jemaldin@mail.ru
Kolesnikov S.I.
Doctor of Agricultural Sciences, Professor, Head of Ecology and Environmental Sciences Department of the Academy of Biology and Biotechnology, Southern Federal University, Rostov-on-Don, e-mail: kolesnikov@sfedu.ru
Kazeev K.Sh.
Doctor of Geographical Sciences, Professor of Ecology and Environmental Sciences Department of the Academy of Biology and Biotechnology, Southern Federal University, Rostov-on-Don, e-mail: kamil_kazeev@mail.ru
Tatlok R.K.
Candidate of Biology, Associate Professor of Land Management Department of the Faculty of Agricultural Technology, Maikop State University of Technology, Maikop, e-mail: jemaldin@mail.ru
Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (6.345.2014/К) и государственной поддержке ведущей научной школы Российской Федерации (НШ-2449.2014.4).
Tlekhas Z.R.
Candidate of Biology, Head of Land Management Department of the Faculty of Agricultural Technology
Maikop State University of Technology, Maikop, e-mail: jemaldin@mail.ru
Chernysheva Ya.S.
Student of Ecology and Environmental Sciences Department of the Academy of Biology and Biotechnology of Southern Federal University, Rostov-on-Don, e-mail: chernysheva_yana93@mail.ru
Evaluation of the stability of brown forest soils of the Adyghea Republic foothills to pollution with toxic microelements according to biological indicators
Abstract. Contamination of soils in foothill forests of Adyghea Republic with zinc, cadmium, molybdenum or selenium deteriorates the biological properties of the brown forest soils. The conducted research has shown that the degree of reduction of biological indicators is directly dependent on the concentration of pollutants in the soil. According to the degree of toxicity to the biological properties of brown forest soils the elements under study form the following sequence: Zn > Cd > = Se > Mo.
Keywords: zinc, cadmium, molybdenum, selenium, pollution, brown forest soils, biological properties of the soil.
Введение
Республика Адыгея богата природными ресурсами. Почвенный покров Адыгеи весьма разнообразен: от черноземов на равнине до высокогорных альпийских почв. В предгорных лесах преобладают бурые лесные почвы [1, 2]. При этом в силу своих эко-лого-генетических особенностей (невысокое содержание гумуса, кислая среда, невысокая биологическая активность и др.) бурые лесные почвы обладают незначительной буферной способностью к химическому загрязнению. Растущие антропогенные нагрузки оказывают негативное влияние на состояние экосистем, окружающую среду. Отходы человеческой деятельности - новые вещества и соединения - рассеиваются в природе, ухудшают жизненные процессы, ведут к образованию экологических тупиков. В частности, к ним можно отнести рост туризма в Адыгее, сопровождающийся строительством объектов туриндустрии, увеличением числа прибывающих туристов и транспортных средств, которые в итоге приводят к антропогенному прессингу на окружающую среду предгорных регионов.
Исследования человеческого воздействия на экологию лесов и их рационального использования как части горных экосистем для организации туризма - сложная современная научно-практическая проблема. Изучение вопросов негативного влияния на природную среду являются актуальными. Предполагается, что их результаты могут стать базой для последующего мониторинга состояния объектов окружающей среды на территории Республики Адыгея. Они обуславливают необходимость разработки научно обоснованного алгоритма текущих и долгосрочных действий по стабилизации деградации, а в перспективе и восстановления природы лесных почв.
В предшествующих работах авторами было исследовано влияние загрязнений Cr, Cu, Ni, Pb, нефтью, бензином, мазутом на биологические свойства почв СевероЗападного Кавказа [3-14].
Цель данной работы - определение изменений биологических свойств бурых лесных почв Республики Адыгея под воздействием химического загрязнения Zn, Cd, Mo, Se. При этом решается задача оценки в условиях модельного эксперимента устойчивости таких почв к загрязнению указанными элементами по биологическим показателям.
Выбор загрязнителей Zn, Cd, Se, Mo обоснован тем, что загрязнение почв этими элементами на Юге России наиболее распространено [15, 16]. Источниками загрязнения являются продукты сгорания угля, нефти и нефтепродуктов, минеральные удобрения, пестициды, металлургические процессы.
Объекты и методы исследования
В качестве объекта исследования была выбрана бурая лесная почва окрестности поселка Никель на территории Республики Адыгея, расположенного на берегу реки Белой (рис. 1). Выбор модельной площадки обусловлен прохождением вблизи поселка
транспортной артерии - автодороги Р254 с интенсивным автомобильным движением в сторону мест отдыха п. Хамышки, п. Гузе-рипль и Партизанской Поляны, а также расположением на территории поселка туристического комплекса «Горная деревня».
Почва для модельных экспериментов была отобрана из верхнего слоя (0-20 см). Именно в этом слое накапливается основное количество загрязняющих почву веществ [17]. Отобранная для исследования почва характеризуется низким содержанием органического вещества в верхнем горизонте (2,7%), кислой реакцией среды (рН=5,6), среднесуг-линистым гранулометрическим составом, низкой биологической активностью.
При моделировании цинк, кадмий и молибден вносили в почву в форме оксидов (2п0, СёО, Мо203), селен - в форме селенистой кислоты (И28еОз). Именно в таких формах исследованные элементы чаще поступают в почву [17].
При этом исследовалось воздействие разных концентраций загрязняющих веществ в почве: 1, 10, 100 предельно-допустимых концентраций (ПДК). К использованию брались значения ПДК, разработанные в Германии [18], поскольку ПДК в почве валовых форм цинка, молибдена и селена в настоящее время в России не разработаны. ПДК в почве 2п составляет 300 мг/кг воздушно-сухой почвы, Сё-3 мг/кг, Мо -10 мг/кг, Бе - 10 мг/кг.
Для того чтобы корректно сопоставить силу воздействия различных элементов на свойства почвы, за систему отсчета содержания элемента в почве была принята ПДК, выражаемая в процентах (%), а не ее количество в мг/кг почвы. Это обусловлено тем, что, во-первых, различные элементы содержатся в почве в несопоставимых, если их выражать в мг, количествах, различающихся по отношению к друг к другу в сотни раз. Во-вторых, эти элементы имеют различную токсичность.
В данной работе ставится задача по анализу всего диапазона концентраций исследуемых элементов в лесной почве. Заметим, что содержание в почве загразняющих элементов величиной до 100 ПДК и чаще всего встречается на территориях, где расположены предприятия химической, металлургической и топливной промышленности. Загрязнение же почвы до 10 ПДК является следствием сельскохозяйственных мероприятий - применения минеральных и органических удобрений, сточных вод, пестицидов, стимуляторов роста растений [17].
Почву инкубировали в вегетационных сосудах при комнатной температуре и оптимальной влажности в трехкратной повторности.
Состав и биологические свойства почвы определялись через 30 суток после загрязнения. Этот временной период проявил себя наиболее информативным при исследовании влияния химического загрязнения на биологические свойства почвы [19].
Лабораторно-аналитические исследования были выполнены с использованием современных методов, применяемых в биологии и экологии почв [20]. При этом использовались биологические показатели как наиболее чувствительные и информативные. В
Рис. 1. Территория отбора бурых лесных почв (пос. Никель, Республика Адыгея)
частности, определялись: обилие бактерий рода Аго1оЪа&ет, активность каталазы и де-гидрогеназы, целлюлозолитическая активность, фитотоксические свойства почв и другие показатели.
Для анализа и выявления общих закономерностей воздействия загрязняющего вещества использовался интегральный показатель биологического состояния почвы (ИПБС), который рассчитывался по следующим показателям: количеству бактерий рода А2о1оЪас1вт, активности каталазы и дегидрогеназы, целлюлозолитической активности, длине корней (фитотоксичность).
Результаты исследования
В результате исследования было установлено, что загрязнение бурой лесной почвы в предгорной зоне Республики Адыгея такими элементами, как 2п, Сё, Мо, Бе, ведет к снижению ее биологического состояния. Наблюдалось достоверное снижение значений всех исследованных биологических показателей: активности каталазы, дегидроге-назы, целлюлозолитической активности, обилия бактерий рода Аго1оЪа&ет, длины корней редиса, ИПБС почвы (рис. 2).
Рис. 2. Влияние загрязнения 2п, Сё, Мо, Бе на интегральный показатель биологического состояния (ИПБС) бурой лесной почвы, % от контроля
Такие же закономерности в изменении биологического состояния бурых лесных почв были зафиксированы ранее при их загрязнении Сг, Си, N1, РЬ [5, 6, 9], нефтью, бензином, мазутом и дизтопливом [8, 9, 12].
Механизмы токсичности исследованных элементов определяются их способностью связываться с сульфгидрильными группами белков, в результате чего нарушается проницаемость клеточных мембран и происходит ингибирование ферментов [21]. В то же время наблюдающееся в ряде случаев стимулирующее действие исследуемых элементов на биологические показатели объясняется тем, что все они являются микроэлементами, необходимыми живым организмам в малых дозах. Более того, в экотоксикологии описаны многочисленные факты стимулирующего действия различных веществ, взятых в малых токсичных дозах [22].
Ряд токсичности исследованных элементов по степени ингибирующего действия на биологические свойства серой лесной почвы выглядит следующим образом: 2п > Сё > = Бе > Мо. Равнозначная закономерность была получена ранее для черноземов обыкновенных [23, 24].
Было обнаружено снижение биологических показателей в прямой зависимости от концентраций в почве загрязняющего вещества.
Выводы
1. При загрязнении цинком, кадмием, молибденом или селеном происходит изменение биологических свойств бурых лесных почв предгорных лесных территорий Республики Адыгея. Степень снижения значений биологических показателей находится в прямой зависимости от концентрации в почве загрязняющего вещества.
2. По степени токсичности к биологическим свойствам бурых лесных почв исследованные элементы образуют следующую последовательность: 2п > Сё > = Бе > Мо.
3. Использованные в работе биологические показатели такие, как активность ка-талазы и дегидрогеназы, целлюлозолитическая способность, обилие бактерий рода Л2о1оЪас1вт, продемонстрировали свою валидность для мониторинга, диагностики и нормирования химического загрязнения.
Примечания:
1. Вальков В.Ф., Казеев К.Ш., Колесников С.И. Почвы юга России: генезис, география, классификация, использование и охрана. Ростов н/Д: Эверест, 2008. 276 с.
2. Казеев К.Ш., Вальков В.Ф., Колесников С.И. Атлас почв юга России. Ростов н/Д: Эверест, 2010. 128 с.
3. Тлехас З.Р., Колесников С.И. Изменение биологических свойств бурых лесных почв Адыгеи при химическом загрязнении // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естественные науки. 2007. № 5. С. 89-91.
4. Тлехас З.Р., Колесников С.И. Влияние химического загрязнения на биологические свойства серых лесных почв Адыгеи // Вестник Майкопского государственного технологического университета. 2011. № 4. С. 75-80.
5. Устойчивость почв Республики Адыгея к химическому загрязнению / С.И. Колесников, К.Ш. Казеев, В.Ф. Вальков, З.Р. Тлехас. Ростов н/Д: Эверест, 2008. 156 с.
6. Изменение биологических свойств почв Адыгеи при химическом загрязнении / С. И. Колесников, З.Р. Тлехас, К.Ш. Казеев, В.Ф. Вальков // Почвоведение. 2009. № 12. С. 1499-1505.
7. Оценка устойчивости дерново-карбонатных почв Северного Кавказа к химическому загрязнению по биологическим показателям / С.И. Колесников, З.Р. Тлехас, Р.К. Татлок [и др.] // Экология и промышленность России. 2010. № 12. С. 48-51.
8. Биодиагностика устойчивости предгорных и горных почв Западного Кавказа к загрязнению нефтью и нефтепродуктами / С. И. Колесников, Р.К. Татлок, З.Р. Тлехас [и др.] // Доклады РАСХН. 2013. № 1. С. 30-34.
9. Биодиагностика устойчивости бурых лесных почв Западного Кавказа к загрязнению тяжелыми металлами, нефтью и нефтепродуктами / С.И. Колесников, К.Ш. Казеев, Р.К. Татлок [и др.] // Сибирский экологический журнал. 2014. № 3. С. 493-500.
10. Татлок Р.К., Колесников С.И. Биодиагностика устойчивости бурых лесных почв СевероЗападного Кавказа к загрязнению нефтью и нефтепродуктами // Вестник Майкопского го-
References:
1. Valkov V.F., Kazeev K.Sh., Kolesnikov S.I. Soils of the South of Russia: genesis, geography, classification, use and protection. Rostov-on-Don: Everest, 2008. 276 pp.
2. Kazeev K.Sh., Valkov V.F., Kolesnikov S.I. Atlas of soils of the South of Russia. Rostov-on-Don: Everest, 2010. 128 pp.
3. Tlekhas Z.R., Kolesnikov S.I. Change of biological properties of brown forest soils of Adyghea at chemical pollution // News of Higher Schools. North Caucasus Region. Naturals Ciences. 2007. No. 5. P. 89-91.
4. Tlekhas Z.R., Kolesnikov S.I. Influence of chemical pollution on the biological properties of grey forest soils of Adyghea // Bulletin of Maikop State Technological University. 2011. No. 4. P. 75-80.
5. Resistance of soils of the Republic of Adyghea to chemical pollution / S.I. Kolesnikov, K.Sh. Kazeev, V.F. Valkov, Z.R. Tlekhas. Rostov-on-Don: Everest, 2008. 156 pp.
6. Change of biological properties of soils of Adyghea at chemical pollution / S.I. Kolesnikov, Z.R. Tlekhas, K.Sh. Kazeev, V.F. Valkov // Soil Science. 2009. No. 12. P. 1499-1505.
7. Assessment of resistance of cespitose and carbonate soils of the North Caucasus to chemical pollution according to biological indicators // Ecology and Industry of Russia. 2010. No. 12. P. 48-51.
8. Biodiagnostics of resistance of foothill and mountain soils of Western Caucasus to pollution by oil and oil products / S.I. Kolesnikov, R.K. Tatlok, Z.R. Tlekhas [etc.] // Reports of the Russian Academy of Agrarian Sciences. 2013. No. 1. P.30-34.
9. Biodiagnostics of resistance of brown forest soils of Western Caucasus to pollution by heavy metals, oil and oil products / S.I. Kolesnikov, K.Sh. Kazeev, R.K. Tatlok [etc.] // Siberian Ecological Journal. 2014. No. 3. P. 493-500.
10. Tatlok R.K., Kolesnikov S.I. Biodiagnostics of resistance of brown forest soils of the Northwest Caucasus to pollution by oil and oil products // Bulletin of Maikop State Technological Univer-
сударственного технологического университета. 2011. № 1. С. 31-35.
11. Татлок Р.К., Колесников С.И. Влияние загрязнения нефтью и нефтепродуктами на биологические свойства слитых черноземов // Труды Кубанского ГАУ. 2011. № 4 (31). С. 119121.
12. Татлок Р.К., Колесников С.И. Изменение биологических свойств субальпийских почв Адыгеи при загрязнении нефтью, мазутом, бензином и соляркой // Вестник Адыгейского государственного университета. Сер. Естественно-математические и технические науки. 2011. Вып. 1 (76). С. 112-116.
URL: http://vestnik.adygnet.ru
13. Татлок Р.К., Тлехас З.Р., Колесников С.И. Биодиагностика устойчивости серых лесных почв Адыгеи к загрязнению нефтью, мазутом, бензином и дизельным топливом // Новые технологии. 2012. № 2. С. 94-97.
14. Татлок Р.К., Тлехас З.Р., Колесников С.И. Влияние загрязнения нефтью, мазутом, бензином и дизельным топливом на биологические свойства дерново-карбонатных почв Западного Кавказа // Новые технологии. 2012. №
2. С. 97-101.
15. Шеуджен А.Х. Биогеохимия. Майкоп: Адыгея, 2003. 1028 с.
16. Дьяченко В.В. Геохимия, систематика и оценка состояния ландшафтов Северного Кавказа. Ростов н/Д: Комплекс, 2004. 268 с.
17. Кабата-Пендиас А., Пендиас X. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир, 1989. 439 с.
18. Касьяненко А.А. Контроль качества окружающей среды. М.: Изд-во РУДН, 1992. 136 с.
19. Колесников С.И., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. Влияние загрязнения тяжелыми металлами на эколого-биологические свойства чернозема обыкновенного // Экология. 2000. № 3. С. 193201.
20. Казеев К.Ш., Колесников С.И. Биодиагностика почв: методология и методы исследований. Ростов н/Д: Изд-во Южного федер. ун-та, 2012. 260 с.
21. Торшин С.П., Удельнова Т.М., Ягодин Б.А. Микроэлементы, экология и здоровье человека // Успехи современной биологии. 1990. Т. 109. Вып. 2. С. 279-292.
22. Громов Б.В., Павленко Г.В. Экология бактерий. Л.: Изд-во ЛГУ, 1989. 248 с.
23. Ранжирование химических элементов по степени их экологической опасности для почвы / С.И. Колесников, К.Ш. Казеев, В.Ф. Вальков С.В. Пономарева // Доклады РАСХН. 2010. № 1. С. 27-29.
24. Влияние загрязнения тяжелыми металлами и нефтью на биологические свойства чернозема выщелоченного слитого / С. И. Колесников,
3.Р. Тлехас, К.Ш. Казеев [и др.] // Агрохимия. 2010. № 7. С. 62-67.
sity. 2011. No. 1. P. 31-35.
11. Tatlok R.K., Kolesnikov S.I. Influence of pollution by oil and oil products on biological properties of compact chernozems // Works of the Kuban GAU. 2011. No. 4 (31). P. 119-121.
12. Tatlok R.K., Kolesnikov S.I. Change of biological properties of the subalpine soils of Adyghea as a result of pollution by oil, black oil, gasoline and solar oil // The Bulletin of the Adyghe State University. Ser. Natural-Mathematical and Technical Sciences. 2011. Iss. 1 (76). P. 112-116. URL: http://vestnik.adygnet.ru
13. Tatlok R.K., Tlekhas Z.R., Kolesnikov S.I. Biodiagnostics of resistance of grey forest soils of Adyghea to pollution by oil, fuel oil, gasoline and diesel fuel // New Technologies. 2012. No. 2. P. 94-97.
14. Tatlok R.K., Tlekhas Z.R., Kolesnikov S.I. Pollution influence by oil, black oil, gasoline and diesel fuel on biological properties of cespitose and carbonate soils of Western Caucasus // New Technologies. 2012. No. 2. P. 97-101.
15. Sheudzhen A.Kh. Biogeochemistry. Maikop: Adyghea, 2003. 1028 pp.
16. Dyachenko V.V. Geochemistry, systematization and assessment of the state of landscapes of the North Caucasus. Rostov-on-Don: Complex, 2004. 268 pp.
17. Kabata-Pendias A., Pendias Kh. Microelements in soils and plants. M.: Mir, 1989. 439 pp.
18. Kasyanenko A.A. Environmental quality control. M.: RUDN Publishing House, 1992. 136 pp.
19. Kolesnikov S.I., Kazeev K.Sh., Valkov V.F. Influence of pollution by heavy metals on the ecological and biological properties of the common chernozem // Ecology. 2000. No. 3. P. 193-201.
20. Kazeev K.Sh., Kolesnikov S.I. Biodiagnostics of soils: methodology and methods of research. Rostov-on-Don: Publishing House of the Southern Federal University. 2012. 260 pp.
21. Torshin S.P., Udelnova T.M., Yagodin B.A. Microelements, ecology and human health // Achievements of Modern Biology. Vol. 109. Iss. 2. 1990. P. 279-292.
22. Gromov B.V., Pavlenko G.V. Ecology of bacteria. L.: LSU Publishing House, 1989. 248 pp.
23. Ranging of chemical elements according to the degree of their ecological threat to soil / S.I. Kolesnikov, K.Sh. Kazeev, V.F. Valkov, S.V. Ponomareva // Reports of the Russian Academy of Agrarian Sciences. 2010. No. 1. P. 27-29.
24. Influence of pollution by heavy metals and oil on biological properties of the lixivious compact chernozem / S.I. Kolesnikov, Z.R. Tlekhas, K.Sh. Kazeev [etc.] // Agrochemistry. 2010. No. 7. P. 62-67.
