CC BY
15
УДК 631.46 DOI: 10.24412/1816-1863-2022-3-24-29
| БИОЛОГИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО 1 СОСТОЯНИЯ УРБОЭКОСИСТЕМ
Л. В. Галактионова, к. б. н., доцент ФГБОУ ВО «Оренбургский областной университет», anilova.osu@mail.ru, Россия, Оренбург,
Н. А. Терехова, аспирант кафедры экологии и природопользования ФГБОУ ВО «Оренбургский областной университет», terehova_n99@mail.ru, Россия, Оренбург, Н. Г. Веденеева, магистр кафедры биологии и почвоведения ФГБОУ ВО «Оренбургский областной университет», natalya-orlova-1999@mail.ru, Россия, Оренбург
Интенсивное наращивание темпов производства влечет за собой экологические последствия глобального масштаба. Урбанизация приводит к коренным изменениям экосистем, загрязняя поверхностные и подземные воды, атмосферный воздух и почвенный покров. В крупных городах проводится экологический мониторинг с целью контроля и охраны окружающей среды для своевременного проведения профилактических мероприятий по повышению качества среды обитания человек. Одной из основных проблем почв населенных пунктов является высокое полиметальное (комплексное) загрязнение. Оренбуржье занимает лидирующее положение среди регионов России по загрязнению окружающей природной среды тяжелыми металлами. Цель работы заключалась в оценке экологического состояния почвенного покрова городов Оренбурга и Медногорска методами биологической диагностики. Представлены данные по фитотоксич-ности почвенного покрова и активности почвенных ферментов. На основе интегрального показателя биологического состояния почв проанализировано состояние уробоэкосистем двух городов Оренбурга и Медногорска. Полученные данные свидетельствуют об активной деградации почвенного покрова населенных пунктов.
The processes of urbanization and the development of industrial production entail active environmental pollution with pollutants of various nature. The existing analytical methods for their determination in natural media make it possible to reveal their concentration. But in conditions of complex soil pollution, this approach does not give a complete picture of their total impact on living organisms. In the course of the study, an assessment was made of the ecological state of soils in large administrative and industrial centers of the Southern Urals (the cities of Orenburg and Mednogorsk) in terms of their phytotoxicity and enzymatic activity. On the territory of the objects of study, soil samples were taken from a layer of 0—20 cm in various functional zones. Phytotoxicity was assessed using a wheat test culture, and indicators of urease and catalase activity were used to assess biological activity. And the calculation of the integral indicator of the ecological state on their basis showed the development of processes of degradation of the soil cover of cities under the influence of urbanization.
Ключевые слова: урбоэкосистемы, экологическое состояние почв, тяжелые металлы, биотестирование, энзиматическая активность почв.
Keywords: urban ecosystems, ecological state of soils, heavy metals, biotesting, enzymatic activity of soils.
24
Введение
Почва как одна из геосфер занимает главенствующую роль в жизни человечества. Тесная взаимосвязь между биотическими и абиотическими компонентами в совокупности с нарастающим давлением техногенного пресса вызывает потребность в биологической диагностике почв. Биологические компоненты экосистемы содержат в себе информацию о процессах, протекающих в почвенной среде, а также способны с помощью своей реакции на вешний раздражитель охарактеризовать его опасность. В отличие от аналитических методов контроля за загрязнением биологические методы наглядно показы-
вают влияние комплекса загрязняющих веществ на организм, а, следовательно, и на экосистему в целом [1].
В условиях города антропогенные факторы все чаще превалируют над естественными, поэтому изучение только качественного и количественного состава поллю-тантов недостаточно. Активная урбанизация ведет к депонированию поллютантов различными компонентами экосистем (атмосферным воздухом, поверхностными и подземными водами, почвенным покровом, растениями) и изменению условий жизнедеятельности живых организмов. Сильное влияние на почвообразование оказывает загрязнение почвенного покрова в результате попадания в него объек-
тов-загрязнителей непочвенного происхождения [7].
Исследования, проведенные рядом авторов, указывают, что главным переносчиком тяжелых металлов в условиях урбо-экосистем является атмосфера, а основными источниками считаются предприятия по производству и обработке ц ветных металлов, промышленные отходы и автотранспорт.
Специфическое влияние тяжелых металлов на почвенные микроорганизмы проявляется в ингибировании ряда биохимических процессов, нарушении метаболизма. В целом происходит перестройка структуры микробного сообщества почв и снижение напряженности ряда физиоло-го-биохимических процессов (азотфикса-ции, нитрификации, гумификации и других) [5].
Способность тяжелых металлов к ком-плексообразованию обуславливает их способность снижать активность почвенных ферментов при повышении концентрации в почвенном растворе. Несмотря на разную восприимчивость ферментов к действию металлов, их активность является универсальным и информативным маркером развития техногенеза.
Территория Оренбургской области, отличающаяся богатством природных ре- и сурсов и развитым агропромышленным § комплексом, относится к зоне активного г техногенного воздействия. Перечень за- я грязнителей варьирует в широких пределах, но приоритетными на протяжении 40 лет остаются тяжелые металлы. Поэтому исследования по оценке экологического состояния городской среды методами биологической диагностики весьма актуальны для региона [2].
Объекты и методы
Исследования проводились в июне 2018 года на территории крупных промышленных и административных центров Оренбургской области — городах Оренбурга и Медногорска (рис. 1).
Почвы территории городов были представлены степными подтипами чернозема с различной степенью антропогенной трансформации. В качестве фонового был использован участок, расположенный на расстоянии 2—3 км северо-западнее Оренбурга, который представлен черно -земом южным карбонатным поз естественной злаковой растительностью. Отбор образцов проводили методом «конверта»
Рис. 1. Точки отбора образцов. Примечание: 1 — Фон; 2 — Парк им. Ю. А. Гагарина; 3 — АЗС на Беляевском шоссе; 4 — Беляевское шоссе; 5 — Улица Луговая; 6 — Сад им. М. В. Фрунзе; 7 — АЗС «Роснефть»; 8 — АЗС «Башнефть»; 9 — Проспект Победы; 10 — Улица Новая; 11 — Расстояние от ООО «ММСК» 50 м; 12 — Расстояние от ООО «ММСК» 100 м; 13 — Расстояние от ООО «ММСК» 150 м; 14 — Расстояние от ООО «ММСК» 250 м
25
IK
О X LO
на каждой учетной площадке со слоя 0—20 см.
Определение фитотоксичности проводили согласно ГОСТ Р ИСО 2030—2009, в качестве тест-объекта использовали растение яровой пшеницы мягкой (сорт «Учитель»). Определение активности каталазы было проведено с помощью газометрического метода. Уреазная активность почв определялась колометрически по методу Т. А. Щербаковой (1983) [3]. Анализ полученных экспериментальных данных был проведен с использованием пакета программы «Statistica» V8 («StatSoft Inc.», США).
Результаты и обсуждение
Данные о содержании в почве отдельных загрязняющих компонентов не дают полного представления об их суммарном воздействии на биотический компонент экосистем. Растительные тесты-объекты весьма чувствительны к изменениям факторов внешней среды и позволяют оценить интегральное воздействие всех кон-таминаторов, находящихся в почвенном растворе, на процессы их роста и развития.
Большие концентрации ТМ в почве могут оказывать фитотоксический эффект. В качестве тест-объектов для проведения биологической диагностики используют растения различных систематических групп.
Согласно полученным данным, наибольшей фитотоксичностью обладают почвы города Медногорска, находящиеся
в зоне действия ООО «Медногорского медно-серного комбината», и почвы города Оренбурга, находящиеся в непосредственной близости к автозаправочным станциям (рис. 2).
Почвенный покров участка, расположенного вдоль Беляевского шоссе г. Оренбурга (27,2 %), оцениваются как слаботоксичные по шкале предложенной Поповой Е. И. [10]. Почвы остальных объектов характеризовались как проявляющие сильную токсичность по отношению к тест-культуре (Улица Новая, АЗС «Роснефть» и «Башнефть») и сверхтоксичные (участки, примыкающие к ООО «ММСК» на расстоянии от 100 до 250 м). Остальные характеризовались почвами со средним уровнем токсичного воздействия на ШМ-cum aestivum L.
Ферментативная активность почвы контролируется рядом различных факторов, одним из которых выступают тяжелые металлы [4].
Трансформация азота в почвах связана с активностью ряда протеолитических ферментов и уреазы. Эти ферменты обеспечивают процессы разложения свежей органической массы до аммиака и ионов аммония. Постоянная активность почвенного запаса ферментов поддерживается за счет их иммобилизации на поверхности частиц твердой фазы почвы [8]. Изучение активности уреазы показало, что на территории г. Оренбурга среднее значение активности фермента составило 37,6 мг N—МЩ на 1 г почвы за 4 часа, а для поч-
©
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
-
ft т ft ft
ft
Г1"
п
10 11 12 13 14
26
1 2 3 4 5 6 7 8
Участки исследования
Рис. 2. Фитотоксичность почв городов Оренбурга и Медногорска. Примечание: 1 — Фон; 2 — Парк им. Ю. А. Гагарина; 3 — АЗС на Беляевском шоссе; 4 — Беляевское шоссе; 5 — Улица Луговая; 6 — Сад им. М. В. Фрунзе; 7 — АЗС «Роснефть»; 8 — АЗС «Башнефть»; 9 — Проспект Победы; 10 — Улица Новая; 11 — Расстояние от ООО «ММСК» 50 м; 12 — Расстояние от ООО «ММСК» 100 м; 13 — Расстояние от ООО «ММСК» 150 м; 14 — Расстояние от ООО «ММСК» 250 м
80 60 40 20
СП
о
О -1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 |—I Активность уреазы, мг на 1 г почвы за 4 часа
—•— Активность каталазы, мг О2 см3/1 г за 1 мин
Рис. 3. Активность почвенных ферментов в почвах городов Оренбурга и Медногорска. Примечание: 1 — Фон; 2 — Парк им. Ю. А. Гагарина; 3 — АЗС на Беляевском шоссе; 4 — Беляевское шоссе; 5 — Улица Луговая; 6 — Сад им. М. В. Фрунзе; 7 — АЗС «Роснефть»; 8 — АЗС «Башнефть»; 9 — Проспект Победы; 10 — Улица Новая; 11 — Расстояние от ООО «ММСК» 50 м; 12 — Расстояние от ООО «ММСК» 100 м; 13 — Расстояние от ООО «ММСК» 150 м; 14 — Расстояние от ООО «ММСК» 250 м
0
0
венного покрова г. Медногорска 20,65 мг N—МЩ на 1 г почвы за 4 часа, что явилось сильным загрязнением почвенного покрова действующими предприятиями металлообрабатывающей промышленнос -ти (рис. 3).
Бедными по степени обогащенности уреазой почвами (шкале Д. Г. Звягинцева) представлены участки, расположенные вблизи с АЗС «Башнефть» и примыкающие к ООО «ММСК».
Ферменты, относящиеся к оксидоре-дуктазам, принимают важное участие в окислительно-восстановительных реакциях синтеза гумусовых веществ. Каталаза относится к числу ферментов весьма отзывчивых на изменение интенсивности антропогенной нагрузки. Еще одним фактором, влияющим на активность этого фермента, является наличие растительного покрова и его структура. Присутствие мощной корневой системы, способной проникать в почвенную толщу, значительно увеличивает активность каталазы в почве. Существует ряд закономерностей, достоверно влияющих на изменение активность фермента, так прямая зависимость выявлена при изменении температуры, а обратная при колебании влажности почв. Однако при движении вниз по профилю достоверных изменений ката-лазной активности не наблюдается [9].
Результаты исследований показали, что активность каталазы варьирует от 0,9 до 5,3 см3 О2 на 1 г почвы за 1 минуту. Среднее значение по г. Оренбургу составляет 3,51 см3 О2 на 1 г почвы за одну минуту, по Медногорску — 2,9 см3 О2 на 1 г почвы за одну минуту (рис. 4). Фоновый участок
характеризовался высокой биологической активностью почвы, так как там нет промышленных предприятий и наблюдается косвенное антропогенное воздействие незначительно. Активность фермента на фоновом участке составила 5,4 см3 О2 на 1 г почвы за одну минуту — что соответствует средней обогащенности почв по шкале Д. Г. Звягинцева. Низкой обогащеннос-тью ферментом характеризовались почвы участков: АЗС на Беляевском шоссе, ул. Луговая г. Оренбурга и участки, находящиеся в зоне действия ООО «ММСК» г. Медногорска.
Анализ результатов расчета ИПБСП на основе данных фитотоксичности и активности почвенных ферментов позволил оценить экологическое состояние почвенного покрова исследуемых территорий.
Полученные результаты свидетельствует о том, что 61,5 % участков исследования относятся к категории сильно деградированных почв, а остальные — средне-деградированных.
Оценка содержания в почвах участков исследования тяжелых металлов показало превышение показателей ПДК на участках, находящихся в зоне влияния АЗС и ООО «ММСК» г. Медногорска. Расчет показателя 2с продемонстрировал, что на территории г. Оренбурга участки, приуроченные к АЗС и по ул. Луговой, характеризуются опасной категорией загрязнения почв. А участки, расположенные в г. Мед-ногорске, опасной и чрезвычайно опасной категориями загрязнения.
Статистическая обработки полученных результатов позволила выявить достоверную корреляционную зависимость пока-
27
IK
О X LD
зателей активности почвенных ферментов с содержанием меди, цинка и свинца, а также с интегральным показателем загрязнения почв 2е. Так активность почвенной каталазы достоверно коррелировала с концентрацией м еди (г = —0,49, при р < 0,05) и свинца (г = —0,77, при р < 0,05) в почвах, а активность уреазы только с содержанием РЬ (г = —0,51, при р < 0,05). Рассчитанный коэффициент корреляции между показателями 2е и активностью каталазы составил —0,75 (при р < 0,05), а уреазы —0,71 (при р < 0,05).
Заключение
Таким образом, на всех участках исследования, независимо от их территориального расположения, наблюдается снижение интегрального показателя биологического состояния почв, что свидетельствует о нарушениях экосистем под воздействием городской среды. А расчет интегральных показателей биологического состояния (ИПБСП) и загрязнения (2е) почв тяжелыми металлами показали схожие результаты, что позволяет сделать вывод о высокой информативности методов биологической диагностики экологического состояния почв урбанизированных территорий.
Исследование подготовлено в соответствии с государственным заданием, выдан-
ным Минобрнауки РФ, на выполнение НИР для ФГБОУ ВО «Уральский государственный горный университет» № 075-03-2022-401 от 12.01.2022 «Разработка и эколого-экономическое обоснование технологии рекультивации нарушенных горно-металлургическим комплексом земель на основе мелиорантов и удобрений нового типа» и выполнено совместно с сотрудниками Центра коллективного пользования (ЦКП) с использованием фондов Центра коллективного пользования научным оборудованием ФНЦ БСТ РАН (No Росс RU.0001.21 ПФ59, Единый российский реестр центров коллективного пользования — http://www.ckp-rf.ru/ckp/77384).
The research was funded by the Ministry of Science and Higher Education in accordance with the state assignment on science for Ural State Mining University № 075-03-2022-401 dated 12.01.2022 "Development and environmental and economic substantiation of the technology for reclamation of land disturbed by the mining and metallurgical complex based on reclamation materials and fertilizers of a new type". We obtain the scientific results with the staff of Center for the collective use by using the equipment of the Center for the collective use of scientific equipment of the Federal Scientific Center of biological systems and agricultural technologies of RAS as well (No Ross RU.0001.21 PF59, the Unified Russian Register of Centers for Collective Use — http://www.ckp-rf.ru/ ckp/77384).
Библиографический список
28
1. Terekhova V. A. Soil Bioassay: Problems and Approaches. Eurasian Soil Science. — 2011. — № 44 (2). — Р. 173—179.
2. Государственный доклад. О состоянии и об охране окружающей среды Оренбургской области в 2004 году. — Оренбург, 2005. — 109 с.
3. Казеев К. Ш., Колесников С. И. Биодиагностика почв. Методология и методы исслеований // Недра. — 2012. — № 3. — С. 21—35.
4. Казеев К. Ш., Колесников С. И., Вальков В. Ф. Биологическая диагностика и индикация почв: методология и методы исследований. — Ростов: Изд-во РГУ, 2003. — 216 с.
5. Конышева Е. Н., Коротченко И. С. Влияние тяжелых металлов и их детоксикантов на ферментативную активность почв: научная статья // Вестник КрасГАУ. — 2011. — № 1. — 114—119 с.
6. Ковалева Г. В., Старожилов В. Т., Дербенцева А. М., Назаркина А. В. Почвы и техногенные поверхностные образования в городских ландшафтах. — Владивосток: Дальнаука, 2012. — 159 с.
7. Прусаченко А. В. Экотоксикологическая оценка загрязнений тяжелыми металлами урбаноземов города Курска: автореф. дис. канд. биол. наук. — М., 2011. — 19 с.
8. Швакова Э. В. Изменение активности уреазы при повышенных содержаниях тяжелых металлов (Pb, Zn, Cu) в почве // Arctic Evironmental Research. — 2013. — № 61 — 66 с.
9. Xiaoyi Meng, Yingwei Ai, Ruirui Li, Wenjuan Zhang, Effects of heavy metal pollution on enzyme activities in railway cut slope soils // Environ Monit Assess. — 2018. — 197 (1). — С. 12.
10. Попова Е. И. Определение фитотоксичности почв города Тобольска методом биотестирования // Современные проблемы науки и образования. — 2016. — № 4. — С. 216.
BIOLOGICAL DIAGNOSTICS OF THE ENVIRONMENTAL CONDITION
OF URBO ECOSYSTEMS u
o
L. V. Galaktionova, Ph. D. (Biology), assoc. professor, Orenburg Regional University, u
anilova.osu@mail.ru, Russia, Orenburg, *
N. A. Terekhova, Ph. D. student, Department of Ecology and Nature Management, Orenburg Regional University, terehova_n99@mail.ru, Russia, Orenburg,
N. G. Vedeneeva, master of the Department of Biology and Soil Science, Orenburg Regional University, natalya-orlova-1999@mail.ru, Russia, Orenburg
References
1. Terekhova V. A. Soil Bioassay: Problems and Approaches. Eurasian Soil Science. 2011. V. 44. No. 2. Р. 173-179.
2. Gosudarstvennyy doklad. O sostoyanii i ob okhrane okruzhayushchey sredy Orenburgskoy oblasti v 2004 godu [State report. On the state and environmental protection of the Orenburg region in 2004]. Orenburg, 2005. 109 p. [in Russian].
3. Kazeev K. Sh., Kolesnikov S. I. Biodiagnostika pochv. Metodologiya i metody issleovaniy [Biodiagnostics of soils. Methodology and research methods]. Nedra. 2012. No. 3. P. 21—35 [in Russian].
4. Kazeev K. Sh., Kolesnikov S. I., Valkov V. F. Biologicheskaya diagnostika i indikatsiyapochv: metodologiya i metody issledovaniy [Biological diagnostics and indication of soils: methodology and research methods]. Rostov: Publishing House of the Russian State University, 2003. 216 p. [in Russian].
5. Konysheva E. N., Korotchenko I. S. Vliyaniye tyazhelykh metallov i ikh detoksikantov na fermentativnuyu aktivnost'pochv: nauchnaya stat'ya [Influence of heavy metals and their detoxifiers on the enzymatic activity of soils: scientific article]. Bulletin of KrasGAU. 2011. No. 1. P. 114—119 p. [in Russian].
6. Kovaleva G. V., Starozhilov V. T., Derbentsev A. M., Nazarkin A. V. Pochvy i tekhnogennyyepoverkhnos-tnyye obrazovaniya v gorodskikh landshaftakh [Soils and technogenic surface formations in urban landscapes]. Vladivostok: Dalnauka. 2012. 159 p. [in Russian];
7. Prusachenko A. V. Ekotoksikologicheskaya otsenka zagryazneniy tyazhelymi metallami urbanozemov goroda Kurska [Ecotoxicological assessment of pollution by heavy metals of urbanozems in the city of Kursk]: dis. cand. biol. sc. Moscow, 2011. 19 p. [in Russian].
8. Shvakova E. V. Izmeneniye aktivnosti ureazy pripovyshennykh soderzhaniyakh tyazhelykh metallov (Pb, Zn, Cu) vpochve [Changes in urease activity at elevated levels of heavy metals (Pb, Zn, Cu) in the soil]. Arctic Evironmental Research. 2013. P. 61—66 [in Russian].
9. Meng X., Ai Y., Li R., Zhang W. Effects of heavy metal pollution on enzyme activities in railway cut slope soils. Environ Monit Assess. 2018. No. 1. P. 12.
10. Popova E. I. Opredeleniye fitotoksichnosti pochv goroda Tobol'ska metodom biotestirovaniya [Determination of phytotoxicity of soils in the city of Tobolsk by biotesting]. Modern problems of science and education. 2016. No. 4. P. 216 [in Russian].
29
