CC BY
33
BicHHK ^HinponeipoBCbKoro ymBepcmeTy. Cepia: reo^oria, reorpa^ia Visnik Dnipropetrovs'kogo universitetu. Seria: Geologia, geographia Dnipropetrovsk University bulletin. Series: Geology, geography
Dnipropetr. Univ. Bull. Ser.: Geol., geogr. 2015. 23(1), 65-74. doi: 10.15421/111508
ISSN 2313-2159 print ISSN 2409-9864 online
http://geology-dnu.dp.ua
УДК 550.47
Биогеохимические особенности техногенного загрязнения почв под влиянием предприятий химической промышленности
И.В. Кураева*, А.А. Кроик**, Е.Г. Мусич***, Ю.Ю. Войтюк*, А.В. Матвиенко*
*Институт геохимии, минералогии и рудообразования имени Н.П. Семененко, г. Киев ** Днепропетровский национальный университет имени Олеся Гончара *** Институт геохимии окружающей среды НАН Украины, г. Киев
Исследованы физико-химические свойства почв (pH, содержание органического вещества, емкость катионного обмена). Изучены закономерности распределения валовых и подвижных форм тяжелых металлов в почвенных отложениях на территории Шостки Сумской области под влиянием предприятий химической промышленности и на фоновых участках. Получены биогеохимические показатели содержания микроскопических грибов и их видов, наиболее характерных для исследуемых почв, которые могут быть применены как дополнительный критерий при эколого-геохимических исследованиях.
Ключевые слова: тяжелые металлы, валовые и подвижные формы, биогеохимический показатель.
Biogeochemical features technogenic pollution of soils under the influence chemical industry
I.V. Kuraeva*, A.A. Kroik**, E.G. Musich***, Iu.Iu. Voitiuk*, A.V. Matvienko*
*M.P. Semenenko Institute of geochemistry, mineralogy and ore formation of the National Academy of sciences of Ukraine, Kiev ** Dnipropetrovsk national university Oles Honchar ***State Institution «Institute of Environmental Geochemistry of NAS of Ukraine»
The physico-chemical properties of soil (pH, organic matter content, cation exchange capacity). The regularities of the distribution of total and mobile forms of heavy metals in soil sediments in the
Дшпропетровський нацюнальний ушверситет ÍMem Олеся Гончара, просп. Гагарша, 72, м. Дншропетровськ, 49010, Украша.
Oles Honchar Dnipropetrovsk National University, prosp. Gagarina, 72, Dnipropetrovsk, 49010, Ukraine. Tel.: +38-095-149-65-50. E-mail: no-name2001 @yandex.ru
territory of Shostka Sumy region under the influence of the chemical industry and in the background areas. Biogeochemical indicators obtained content of microscopic fungi and their species, the most characteristic of the study of soils, which can be used as an additional criterion for ecological and geochemical studies.
Key words: heavy metals, total and mobile forms, biochemical indicator.
Введение. Одно из важных направлений эколого-геохимических исследований - изучение влияния техногенных факторов на биогеоценозы [3]. Известно, что загрязнение почв тяжелыми металлами и их соединениями негативно воздействует на жизнедеятельность микроорганизмов и на экологическое состояние почв в целом [6]. В урбанизированных почвах, загрязненных тяжелыми металлами, изменяются микробные комплексы, зависящие от экологических условий почвенной среды.
В целом для многих почв, загрязненных тяжелыми металлами, характерны низкая обогащенность бактериями и увеличение суммарной численности отдельных групп микроорганизмов: грибов, актиномицетов и спорообразующих бактерий [12]. Некоторые незначительные концентрации металлов в почвах необходимы для жизнедеятельности микроорганизмов. Например, железо участвует в окислительно-восстановительных процессах, медь входит в состав многих ферментов живых клеток [18]. Но при существенном повышении концентраций любой металл становиться токсичным: изменяется морфология клеток, происходит угнетение роста микроорганизмов до полной их гибели. Каждый элемент имеет свой диапазон безопасной концентрации, при котором происходит нормальное функционирование организма. При его нарушении отмечены различные патологические нарушения в обменных процессах, приводящие в случае недостатка к микроэлементозам дефицита, избытка - к микроэлементозам токсичности [4; 10]. С целью оценки угрозы влияния потенциально токсичных химических веществ на организм человека и окружающую среду применяют различные виды мониторинга, в том числе изучение состояния почвенной биоты, к которой относятся микроскопические грибы. Они имеют способность к накоплению тяжелых металлов по сравнению с другими организмами в почве. Характер влияния тяжелых металлов на микроорганизмы определяется их концентрацией в окружающей среде, степенью токсичности и биологическими свойствами живых организмов [6].
При высоком содержании тяжелых металлов, особенно их подвижных форм, в почве изменяется морфофункциональные показатели почвенных микромицет: задерживается прорастание спор, снижается скорость спорообразования и роста мицелия, который становится тоньше [7; 16].
Цель написания работы - установить изменения биогеохимических показателей почв под влиянием выбросов предприятий химической промышленности.
Материал и методы исследований. Основные полигоны исследований размещались на территории города Шостка Сумской области. При полевых исследованиях региона было отобрано 210 образцов почв. Пробы почв отбирались согласно ГОСТу 17.4.4.02-84 [14] вокруг промышленных предприятий города. Отбор почв производился как по горизонтальному, так и по вертикальному профилю на глубине от 0 до 60 см. Как в черте города, так и за его пределами были заложены 3 шурфа глубиной до 200 см. Также были выбраны условно чистые полигоны для оценки природного фона территории. Настоящее исследование
проводилось на территории промышленных районов города, расположенных в зоне Публичного акционерного общества «Шосткинский завод химических реактивов» (ПАО «ШЗХР»), открытого акционерного общества «Акционерная компания "Свема"» (ОАО «АК "Свема"»), Шосткинского завода «Звезда» (ШЗ «Звезда»). Условно чистыми полигонами были выбраны территории Богдановского заказника, идентичные по ландшафтно-геохимическим условиям [17].
Пробы почв для выделения микроскопических грибов отбирались в интервале 0 - 10 см, где аккумулируется наибольшее количество тяжелых металлов. Установлено, что исследуемые почвы не имеют морфологически выраженного подзолистого горизонта и формируются под влиянием хвойной растительности. Для почв характерны некоторые физико-химические свойства подзолистых почв. Поэтому выявление специфических видов грибов может способствовать выяснению вопроса о генезисе этих почв.
Для определения набора видов микроскопических грибов, характерных для исследуемой почвы промышленных территорий, применялся наиболее широко распространенный в почвенной микробиологии метод разведения почвенной суспензии с последующим высевом ее на агоризированные питательные среды [7; 8], при этом оценивали частоту встречаемости вида и достоверность средних величин процентного содержания основных видов.
Физико-химические свойства почв определялись по методике Е.В. Аринушкиной [2]. Для определения валовых концентраций тяжелых металлов и показателей их подвижности применяли метод атомной абсорбции. Содержание подвижных форм тяжелых металлов определяли по методике А.И. Самчука [15].
Результаты и их обсуждение. Установлено, что на распределение тяжелых металлов в почве влияют их физико-химические показатели [19]. Как видно из полученных результатов (табл. 1), Сорг в гумусовом горизонте исследуемых почв на техногенно загрязненных участках уменьшается по сравнению с фоновыми участками. Также в этих почвах понижается pH и содержание поглощенных катионов.
Таблица 1
Физико-химические показатели почв гумусового горизонта_
с ^орг, Поглощение катионов, мг*экв
Почва pн на 100 г
% Ca2+ Mg2+ Г
Почвы фоновых участков
Дерново-среднеподзолистые легкосуглинистые на водно-ледниковых отложениях, п =20 1,85 6,3 5 2 0.9 0,14
Дерново-подзолистые легкосуглинистые на древнем аллювии, п=20 1,42 6,5 12,3 0.7 0,68 0,1
Подзолисто-дерновые легко суглинистые на озерных суглинках, п=20 1,61 6,4 2 1 0,57 -
Техногенные почвы
ПАО «ШЗХР», п=50 0,75 5,1 2,3 0,9 0,3 0,08
ШКЗ «Звезда», п=50 0,76 4,8 1,9 0,7 0,4 0,1
ОАО «АК "Свема"», п=50 0,83 4,9 1,7 0,6 0,3 -
Примечание: п - количество проб.
Исследование вертикального распределения тяжелых металлов показало, что в верхнем почвенном горизонте техногенно загрязненных почв накапливались №, Pb, С глубиной валовые концентрации металлов постепенно уменьшаются.
Наибольшие содержания тяжелых металлов характеризуют почвенный профиль, заложенный возле ОАО «АК "Свема"». На глубине 0,7 - 0,9 м выделен техногенный геохимический барьер (табл. 2).
Таблица 2
Распределение тяжелых металлов в почвенных разрезах техногенно загрязненных почв
на исследуемой территории (мг/кг)
Горизонт, см 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Открытое акционерное общество «Акционерная компания "Свема"»
N1 10 30 50 80 50 80 50 80 70 70 50
Со 6 10 100 100 200 100 100 250 300 200 100
РЬ 40 50 60 60 100 50 100 250 100 200 100
Си 200 800 200 300 200 250 200 200 500 300 300
Шосткинский казенный завод «Звезда»
N1 20 30 30 50 30 40 30 20 20 40 30
Со 15 10 10 15 8 8 8 6 6 8 6
РЬ 80 60 40 30 20 50 30 60 30 60 40
Си 200 80 60 50 400 60 50 60 40 80 200
Публичное акционерное общество «Шосткинский завод химических реактивов»
N1 10 9 7 5 6 6 6 6 6 3 4
Со - - - - - - - - - - -
РЬ 40 30 8 6 8 5 6 3 10 5 5
Си 50 30 10 30 80 40 80 30 20 40 6
Примечание: «-» — элемент не определялся.
В образцах почв, отобранных на территории возле химических предприятий города на глубине 0 - 5 см валовые концентрации Си, Сг, РЬ превышают предельно допустимые концентрации (ПДК) в 2, 10 и 20 раз соответственно (рис. 1).
Валовая концентрация
■ ПДК содержание металла в исследу емой почве
Рис. 1. Содержание тяжелых металлов в почвах исследуемых территорий Особое значение при биогеохимическом исследовании почв и оценке степени их загрязнения принадлежит подвижности тяжелых металлов. К подвижным формам относятся ионнообменная и водорастворимая.
Установлено, что содержание подвижных форм металлов на изученных териториях под влиянием выбросов предприятий химической промышленности
Бшргоре1х. Ишу. Ви11. Бег.: Оео1., geogг. 2015. 23(1)
показали, что подвижность тяжелых металлов повышается в сравнении с фоновыми участками, что является критерием загрязненности почвенных отложений [19]. Например, подвижность & возрастает в 32, № — 14, Си — 10 и Pb — 8 раз (рис. 2). Дополнительным критерием степени загрязнения территории тяжелыми металлами в почвах являются биогеохимические показатели.
Почвенные отложения характеризуются большим разнообразием видов микроорганизмов [3; 11]. Такие виды могут быть использованы в качестве геохимических индикаторов процессов загрязненности почв или их свойств при количественной оценке видов микроорганизмов. Индикаторные и доминирующие виды проще выявить среди грибов, чем среди других микроорганизмов, поскольку грибы легче и точнее идентифицировать [12].
Грибы в почве находятся или в виде спор, или в состоянии активно растущего мицелия.
Количество грибных зародышей, выделенных на сусло-агаре и среде Чапека, незначительно, что, вероятно, обусловлено наличием огромного спектра тяжелых металлов (табл. 3) и зависит от места отбора проб. Исключение составил образец, отобранный возле ПАО «Шосткинский завод химических реактивов», в котором превалировали высокие концентрации ряда тяжелых металлов (№, РЬ, Сг, Си, Со), а количество живых грибных зародышей было максимальным.
Со
■ фоновые участки техно генно 'загрязненная почва
Рис. 2. Содержание подвижных форм тяжелых металлов в почвах исследуемых территорий
Видовой состав грибных зародышей довольно разнообразен и включает 53 вида (табл. 4); большинство видов грибных зародышей сосредоточено как в подстилке (образец 1), так и на глубине 100 см (17 видов - образец 2); 0 — 5 см (16 видов — образец 4).
Бшргоре1х. Ишу. Ви11. Бег.: Оео1., geogг. 2015. 23(1)
Таблица З
№ образца Характеристика района исследований Глубина, см Количество грибных зародышей, тыс./5 г
1 Открытое акционерное общество «Акционерная компания "Свема"» 0 - 2 1,71000
3 Открытое акционерное общество «Акционерная компания «Свема»» 2 - 5 2,37-1000
5 Шосткинский казенный завод «Звезда» 0 - 5 3,171000
б Публичное акционерное общество «Шосткинский завод химических реактивов» 0 - 5 50 (высевали почвенную суспензию)
4 Фоновая почва 0 - 5 2,142 1000
2 Фоновая почва 100 3,857 1000
Вероятно, такое разнообразие грибов связано с многолетними промышленными выбросами данных предприятий. Специальные исследования с большой повторяемостью высевов показали (табл. 4), что наиболее часто и в большом количестве встречаются представители Penicillium. Среди них много видов с большой биохимической активностью, продуктов различных биологически активных веществ, важных для народного хозяйства, ферментов, антибиотиков и т.д. (P.hazzianum Rifai, P. Thomii Zalessky, P. Godlevsky Zalessky, P. Decumbens Thom). Именно эти виды пеницеллиев и Trichoderma harzianum Rifai могут служить индикаторами наличия в почве тяжелых металлов. Интересно, что эти виды максимально представлены в пахотном слое [1; 5]. Для образца 2 (табл. 4), взятого на глубине 100 см, выделены виды грибов, которые также можно считать индикаторами повышенной концентрации тяжелых металлов. В данном случае интересны два вида Trichoderma - Tr. hamatum Bainier и Tr. koningii Oudem, а также P. notatum Westling и P. kursanovii Chalab, которые специфичны только для почвы этого промышленного района. Есть и другие виды - Alternaria, Aspergillus, но представители их типичны для многих промышленных районов.
Образцы З - 5 не отличаются по содержанию тяжелых металлов. Среди выделенных грибов отличны виды Tr. viride Pers, Tr. virens Arx, а также виды несовершенных грибов Mycelia sterilia (White) и Mortierella alpine Peyronel, которые типичны для образцов 3 - 5, но есть и специфические виды, индикаторы Acremonium murorum var. Murorum Gams, P. funiculosum Thom (образец 3), Curvularia inaequalis Boedijin и Tr. atroviride Bissett (образец 4), Absidia glauca Hagem и Fusarium sambucinum Fuckel (образец 5). Интересный в микологическом аспекте образец 6. Именно из него выделены наиболее токсичные виды Aspergillus sulphureus Thom et Church, Botrytis cenerea Fries, Chaetomium homopilatum Omvik, темноокрашенные Cladosporium cladosporiodes и Clonostacchis rosea, которые устойчивы к экстремальным условиям обитания.
Таблица 4
Видовой состав грибов__
№ п/п Вид Автор № образца
1 2 3 4 5 6
1 Absidia cylindrospora Hagem. +
2 Absidia glauca Hagem. +
3 Acremonium murorum var. murorum (Corda.)Gams +
4 Alternaria tenuissima (Kunse) Wiltshire +
5 Aspergillus parvulus Sm. +
6 Aspergillus sulphureus (Fresen) Thom et Church +
7 Botrytis cenerea Person: Fries +
8 Chaetomium homopilatum Omvik. +
9 Cladosporium cladosporioides (Fresen)de Vries +
10 Cladosporium herbarum (Pers)Link +
11 Clonostachis rosea (Preuss) Mussat +
12 Clonostachis rosea f catenulata (Gilman et Abbot)Schroers +
13 Codophora malorum (Kitt et Beaum) Gams +
14 Curvularia inaequalis (Shear)Boedijn +
15 Fusarium moniliforme var lactis (Pirotta et Riboni)Bilai +
16 Fusarium oxysporum Sm. Et Swinge + +
17 Fusarium sambucinum Fuckel +
18 Fusarium solani (Mart) Sacc + +
19 Geotrichum candidum Link. + +
20 Isaria farinosa (Holmsk) Fr. + +
21 Mortierella alpina Peyronel. + + + +
22 Mortierella oligospora Oudem + +
23 Mortierella pusilla Oudem + + +
24 Mortierella ramanniana var. angulispora (Naumov) Linnem + +
25 Mortierella ramanniana var. ramanniana (Gilman et Abbott)Schroers. + +
26 Mucor hiemalis f. hiemalis Wehmer.
27 Mycelia sterilia (white) + + + + + +
28 Neosartorya fischeri Wehmer. +
29 Paecilomyces lilacinus (Holmsk) Fr. +
30 Penicillium coeruleoviride G.Sm. +
№ п/п Вид Автор № образца
1 2 3 4 5 6
31 Penicillium corylophilum Dierckx +
32 Penicillium decumbens Thom. +
33 Penicillium funiculosum Thom. +
34 Penicillium glabrum (Wehmer)Westing + + +
35 Penicillium godlevsky Zalessky +
36 Penicillium kursanovii Chalab +
37 Penicillium notatum Westling. +
38 Penicillium raciborskii Zalessky. + +
39 Penicillium spinulosum Thom. + + +
40 Penicillium tardum Thom. + +
41 Penicillium thomii Zalessky +
42 Penicillium variabile Wehmer. +
43 Penicillium verrucosum Dierckx. +
44 Penicillium waksmanii Zalessky. + +
45 Trichoderma atroviride Bissett. +
46 Trichoderma harzianum Rifai. +
47 Trichoderma koningii Oudem +
48 Trichoderma virens (Pens.Giddens.Foloster)Arx + + + + +
49 Trichoderma viride Pers + + + +
50 Trichoiderma hamatum (Bonord)Bainier +
51 Umbelopsis isabellina (Oudem)Gams + + +
52 Umbelopsis viceum (Dixon Stev)Arx + + + +
53 Zygorhynchus moelleri Vuil +
Примечание: 1 - ОАО «Акционерная компания "Свема"» (глубина 0 - 2 см); 2 - фоновая почва (глубина 100 см); 3 - ОАО «Акционерная компания "Свема"» (глубина 2 - 5 см); 4 - фоновая почва (глубина 0 - 5 см); 5 - Шосткинский казенный завод «Звезда»; 6 - ПАО «Шосткинский завод химических реактивов».
Выводы. Установлено, что в техногенно загрязненных почвах изменяются физико-химические свойства, а именно понижается pH, количество гумуса, емкость катионного обмена. Тяжелые металлы сорбируются в верхнем почвенном горизонте. Их содержание превышает ПДК в десятки раз.
Для техногенно загрязненных почв характерно повышенное содержание подвижных форм тяжелых металлов. Например, подвижность Cr, Pb, Ni, Cu возрастает в 32, 8 ,14 и 10 раз соответственно.
Выделены 53 вида микроскопических грибов. Установлено, что в почвах преобладают: Penicillium sp., Trichodernea sp., Mycelia strilia (White). Некоторые виды являются специфическими и могут служить индикаторами на наличие металла определенной концентрации.
Библиографические ссылки
1. Agrohimicheskaja harakteristika pochv SSSR (Ukrainskoj SSR) [Text]. -M.: Nauka, 1994. - 352 p.
2. Arinushkina, E.V. Rukovodstvo po himicheskomu analizu pochv [Text] / E.V. Arinushkina. - M.: Izd-vo Mosk. Un-ta, 1970. - 487 p.
3. Biogeohimichni pokazniki gruntiv v zoni vplivu Kostjantinis'kogo svincevo-cinkovogo kombinatu [Text] / I.V. Kuraeva [et al.] // Mineralog.j zhurn. - K., 2009. - № 1. - Р. 58-61.
4. Es'kov, E.K. Nakoplenie svinca i kadmija razlichnymi organami rastenij v zavisimosti ot ih udalenija ot avtomagistrali [Text] / E.K. Es'kov, M.D. Es'kova // Agrohimija. - M. - 2013. - № 5. - Р. 81-85.
5. Funkcionuvannja mikrobnih cenoziv gruntu v umovah antropogennogo navantazhennja [Text] / K.I. Andrejuk [et al.]. - K.: Oberegi, 2001. - 240 p.
6. Kashin, V.K. Osobennosti nakoplenija mikrojelementov v zerne ovsa v zapadnom Zabajkal'e [Text] / V.K. Kashin // Agrohimija, - M., 2013. - № 10 - Р. 5565.
7. Malinina, M.S. Issledovanie pochvennogo rastvora v celjah jekologicheskogo monitoringa [Text] / M.S. Malinina // Problemy jekologicheskogo monitoringa i modelirovanija jekosistem. - 1992. - Vyp. 14. - Р. 35-56.
8. Malinina, M.S. Vlijanie rastenij i mikrobnoj aktivnosti na soderzhanie metallov v pochvennyh rastvorah dernovo-podzolistoj pochvy v uslovijah model'nogo jeksperimenta [Text] / M.S. Malinina, Dias Maher, T.N. Bolysheva // Pochvovedenie, 2011. - №3. - Р. 336-345.
9. Minenko, A.K. Regulirovanie biologicheskoj aktivnosti dernovo-podzolistyh pochv [Text]: avtoref. diss... dokt. biolog. Nauk / A.K. Minenko. - M.: TSHA, 1991. -41 p.
10. Minkina, T.M. Nakoplenie i raspredelnie tjazhelyh metallov v rastenijah zony tehnogeneza [Text] / T.M. Minkina [et al.] //Agrohimija. - 2013. - №9 - P. 65-75.
11. Mirchink, T.G. Pochvennaja mikologija [Text]/ T.G. Mirchink. - M.: Izd-vo MGU, 1976. - 206 p.
12. Mynbaeva, B.N. Vlijanie medi na strukturu mikrobnyh soobshhestv pochv g. Almaty (model'nye jeksperimenty) [Text] / B.N. Mynbaeva, N.A. Kireeva // Agrohimija. - 2013. - №7. - P. 75-79.
13. Nikolas, D.T. Studies of of fungi in a podzol [Text] / D.T. Nikolas // J. Soil Sci. - 1995. - Vol. 32, № 2. - P. 42-45.
14. Ohrana prirody. Pochvy. Metody otbora i podgotovki prob dlja himicheskogo, bakteriologicheskogo, gel'mintologicheskogo analiza [Text]: GOST 17.4.4.02-84. -[dejstvujushhij ot 1986-01-01. - M.: Gosstandart SSSR, 1984. - 7 p.
15. Samchuk, A.I. Fiziko-himicheskie uslovija obrazovanija mobil'nyh form toksichnyh metallov v pochvah [Text] / A.I. Samchuk [et al/] // Mineralog. zhern. -1998. - №2. - P. 48-59.
16. Skarlato, O.A. Zakonomernosti razvitija pochvennyh mikroorganizmov [Text] / O.A. Skarlato. - L.: AN SSSR, 1985. - 283 p.
17. Verdener, I.B. Priroda Ukrainskoj SSR. Pochvy [Text] / I.B. Verdener, D A. Tjutjunnik. - K.: Nauk. dumka, 1986. - 229 p.
18. Vorob'eva, L.A. Himicheskij analiz pochv [Text] / L.A. Vorob'eva. - M.: Izd-vo Mosk. un-ta, 1998. - 272 p.
19. Zhovinskij, Je.Ja. Geohimija tjazhelyh metallov v pochvah Ukrainy [Text] / Je.Ja. Zhovinskij. - K.: Nauk. dumka, 2002. - 215 p.
Hadiüwna do редкоnегií 25.02.2015
