CC BY
12
Научная статья Original article
УДК 332.3+504.1/5+574.21+581.1/5+911 DOI 10.55186/27131424 2023 5 3 2
БИОТЕСТИРОВАНИЕ КАК МЕТОД ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ПОЧВ И ЛАНДШАФТОВ В РАЙОНЕ ДОРОЖНО-
СТРОИТЕЛЬНЫХ РАБОТ
BIOTESTING AS A METHOD OF ASSESSMENT STATE OF SOILS AND LANDSCAPE IN THE AREA OF ROAD-BUILDING
WORKS
Скобелев Валентин Александрович, аспирант (соискатель) кафедры землеустройства, ФГБОУ ВО Государственный университет по землеустройству,
(105064 Россия, г. Москва, ул. Казакова, 15), valentin.skobelev@mail.ru Ларионов Максим Викторович, д.б.н., доцент, профессор кафедры земледелия и растениеводства, ФГБОУ ВО Государственный университет по землеустройству (105064 Россия, г. Москва, ул. Казакова, 15), m.larionow2014@yandex.ru
Skobelev Valentin Aleksandrovich, postgraduate student (applicant) of the Department of Land Management, State University of Land Management (105064 Russia, Moscow, Kazakova st.,15), valentin.skobelev@mail.ru Larionov Maxim Viktorovich, Doctor of Biological Sciences, docent, professor of the Department of Agriculture and Crop Production, Department of Land
Management, State University of Land Management (105064 Russia, Moscow, Kazakova st.,15), m.larionow2014@yandex.ru
Аннотация. Приведены основные понятия, связанные с биотестированием, применяемом для анализа почв транспортной инфраструктуры. Представлены факторы, вызывающие загрязнения почв, проведен анализ применения биотестирования при разном загрязнении почв. Описаны результаты воздействия загрязнения почв на окружающую среду.
Abstract. The basic concepts related to biotesting used for soil analysis of transport infrastructure are given. The factors causing soil pollution are presented, the analysis of the application of biotesting for different soil pollution is carried out. The results of the impact of soil pollution on the environment are described. Ключевые слова: биотестирование, транспортная инфраструктура, почва, тяжелые металлы, пестициды, микроэлементы, промышленные отходы, окружающая среда
Keywords: biotesting, transport infrastructure, soil, heavy metals, pesticides, trace elements, industrial waste, environment
Почва - один из важнейших элементов природной среды. Это не только главное звено в круговороте элементов, но и основной компонент трофической системы: почва-растение-животное-человек. Транспортная инфраструктура может быть потенциальным источником загрязнения почв. Опасность, обусловленная функционированием всей транспортной инфраструктуры, практически связана со всеми компонентами окружающей среды — литосферой, гидросферой, атмосферой и биосферой. Токсичные вещества, загрязняющие почву вблизи автомобильных дорог, могут переноситься из почв на растения, произрастающие вблизи шоссе, и на группы живых организмов. Различное использование транспортных участков приводит к большой изменчивости веществ, загрязняющих почву и растения.
Биотестирование - целесообразность, определения, понятия,
термины
Сегодня можно найти большое количество методов, предотвращающих загрязнение окружающей среды, в том числе применяемых и в области дорожного строительства. Одним их таковых методов является биотестирование, которое устанавливает наличие токсичности в окружающей среде. Согласно статье Т.В. Бардина и др., "Биотестирование относится к интегральным методам оценки состояния природных сред, в том числе загрязненных почвогрунтов. В почвогрунтах объектов, где образовались очаги загрязнения со сложным составом токсикантов, содержится большое количество загрязняющих веществ неизвестного состава, обладающих кумулятивным токсическим эффектом, который не позволяет сделать достоверный экологический прогноз только на основе химических определений" [1]. Суть биотестирования состоит в установлении воздействия токсикантов на выбранные для тестирования организмы в лабораторных условиях с фиксированием таких показателей, как поведенческие, физиологические или биохимические. Данный метод сконцентрирован на анализе полного токсического воздействия всех видов загрязнителей с применением тест-объектов. Тест-объекты - это в большинстве случаев растения, применяемые для анализа воздушной, водной или почвенной среды в лабораторных условиях. Изменения тестовой культуры под влиянием тест-объектов в науке называется тест-реакциями. Тест-культура - лабораторная популяция некоторых видов, искусственно культивируемая на основе питательной среды в обычных условиях. Фактически живая популяция (тест -культура) служит чувствительным индикатором сигналов от тестируемых объектов.
Биологические методы, применяемые для анализа почвы, можно разделить на следующие две группы: те, которые оценивают воздействие почвенных токсикантов на биомассу, и те, которые оценивают воздействие
токсикантов, присутствующих в образцах почвы, на биомассу или активность лабораторной культуры микроорганизмов (биоанализ или биотестирование). В настоящее время большинство протоколов биотестирования применяются к водным, а не почвенным системам. При тестировании образцов почвы первым шагом является элюирование водой, за которым следует биотестирование этого элюата. Каждый протокол тестирования почвы имеет особенности, связанные с взаимодействием токсикантов с почвенной матрицей. Органические вещества также могут влиять на результаты биотестирования, стимулируя тест-функцию или используемый тест-объект (например, рост). Чтобы устранить этот маскирующий эффект, необходимо протестировать дополнительный образец почвы или контрольный образец с теми же агрохимическими свойствами, но без токсичных веществ.
Биотестирование осуществляется экспериментально с применением унифицированных лабораторных тест-систем, при помощи определения видоизменений биологически необходимых данных (тест-реакций) под воздействием экспериментальных тест-обектов с дальнейшим анализом их состояния. Биопробы эффективны и экономически и позволяют оценить краткосрочную и долгосрочную токсичность почвы. Биопроба представляет собой экспериментальный метод, в котором используются стандартизированные лабораторные испытательные системы. Биотестовой измерительной системой является "комплекс аппаратно-методических средств, предназначенных для оценки биологической активности и, в частности, токсичности веществ различной природы" [2]. Биопроба необходима для оценки общей токсичности, мутагенного и канцерогенного потенциала исследуемых объектов. Воздействие в тест-системах обычно измеряется путем имитации поглощения организмами того или иного вредного вещества.
Биоанализ - это высокоинформативный вид способов анализа возможной угрозы химического, физического или биологического влияния на
естественную среду. Принцип такого метода базируется на восприятии тест -объектов экзогенных возбудителей. Суть биоанализа сводится к установлению влияния экспериментальных веществ на определенные тест-объекты в лабораторных условиях.
Для анализа почв принято применять семена высших растений. Как правило наблюдают следующие параметры: всхожесть семян (каждые сутки и общую всхожесть к концу эксперимента), длину проростков и развитость корневища. Наилучшие результаты дают мелкие семена (кресс-салат, редька, горчица, пшеница и др.) при относительно небольшом запасе питательных веществ, поскольку такие семена более чувствительны к внешним воздействиям. Однако используются и крупные семена. В зависимости от возделываемых культур могут применяться однодольные (злаковые) или двудольные растения. О степени фитотоксичности почвы судят по угнетению роста и развитию молодых растений на исследуемой почве по сравнению с таковыми на эталонной контрольной почве.
Основные ландшафтные и экологические функции почвы
Почва - это рыхлый поверхностный материал, который покрывает большую часть суши. Он состоит из неорганических частиц и органического вещества. Почва обеспечивает структурную поддержку растениям, используемым в сельском хозяйстве, а также является их источником воды и питательных веществ. Почвы сильно различаются по своим химическим и физическим свойствам. Такие процессы, как выщелачивание, выветривание и микробиологическая активность, в совокупности создают целый ряд различных типов почв.
Почва обеспечивает одновременно целый ряд функций, таких как производство продуктов питания или производство воды, которые имеют решающее значение для нашего благополучия. Все основывается на структуре почвы, которая влияет на удержание и доступность воды и питательных веществ, перенос тепла и воздуха, проникновение корней и, в свою очередь,
на химические и биологические свойства почвы. Основную функцию почвы можно наблюдать в ее влиянии на атмосферу (выделение и поглощение газов), гидросферу и литосферу. Почва является и определенной средой обитания и жизни целого ряда организмов - бактерии, грибы, черви, мыши и тд. В почве могут присутствовать воздух, твердые и питательные вещества, которые используют живые существа, вода, частицы минеральных и органических продуктов питания животных, растений и всевозможных микроорганизмов. На почве прорастают растения, она является основой в строительстве дорог, плотин, зданий, а также хранит в себе артефакты человеческой деятельности.
Факторы, вызывающие загрязнение почв Одним из основных факторов, вызывающих загрязнение почвы, является постоянно растущее использование химических веществ, таких как пестициды, гербициды, инсектициды и удобрения, которые повышают соленость почвы, делая ее непригодной для растениеводства и негативно воздействуя на микроорганизмы, присутствующие в почве, в результате чего почва теряет свое плодородие и приводит к потере минералов, присутствующих в почве, что приводит к загрязнению почвы. Другие виды загрязнения почвы обычно возникают в результате разрыва подземных резервуаров для хранения, попадания кислотных дождей на почву, радиоактивных осадков, просачивания загрязненных поверхностных вод в подземные слои, утечки топлива из автомобилей, неблагоприятных и вредных методов орошения, утечек из санитарных сточных вод, выщелачивания отходов со свалок или прямого сброса промышленных отходы в почву, неправильная септическая система, управление и техническое обслуживание, которые смываются дождем и просачиваются в близлежащую почву, а также нездоровые методы обращения с отходами, которые характеризуются сбросом сточных вод на большие свалки и близлежащие ручьи или реки.
Загрязнение почвы элементами группы тяжелых металлов
Загрязнение тяжелыми металлами несет серьезные экологические последствия, поскольку они наносит ущерб росту растений, местных видов почвы, таких как бактерии, дождевые черви и другие обитающие в почве организмы с точки зрения численности населения, разнообразия и видов деятельности. В своем материале Джувеликян Х. А. и др. делают немаловажный акцент на значимости тяжелых металлов. Они считают, что тяжелые металлы стоят на втором месте по уровню химической угрозы, уступая только пестицидам. Спустя года, даже твердые отходы не будут столько значимыми, как тяжелые металлы. [3]. Было обнаружено, что воздействие тяжелых металлов на почвенную микрофлору и их полезная концентрация имеют сильную отрицательную взаимосвязь. Тяжелые металлы являются тугоплавкими загрязнителями, которые широко распространены и ценны. Токсичность тяжелых металлов в основном определяется их биодоступностью или количеством видов, которые в конечном итоге всасываются в организм путем поглощения, миграции и трансформации. Факторы, влияющие на биодоступность тяжелых металлов в почве, могут оказывать влияние на токсичность металлов для почвенного микробного сообщества. Загрязнение почвы металлами приводит к значительному снижению микробной биомассы. Концентрации металлов, превышающие установленные пределы, вероятно, вызовут значительное подавление микробной биомассы с долгосрочными последствиями для продуктивности почвы. В отличие от биоразлагаемых органических загрязнителей, тяжелые металлы не разлагаются на менее опасные конечные продукты. Низкие концентрации некоторых химических загрязнителей необходимы для жизни, но некоторые из них биологически незначительны и очень токсичны для живых организмов. Изучение влияния ионов тяжелых металлов на живые организмы в настоящее время является актуальной экологической проблемой.
Разработка методов биотестирования, предназначенных для проверки действия токсичных тяжелых металлов на высшие растения, все еще находится в зачаточном состоянии. Реакции растений на загрязнение тяжелыми металлами в большинстве случаев изучались в надземных органах растений, игнорируя огромные различия в количествах накопления тяжелых металлов в корневых системах разных видов растений.
Микроэлементы в почве и методы оценки загрязнения почв
микроэлементами Особую роль в загрязнении почв играют микроэлементы. Независимо от того, действуют ли они как основные питательные вещества или нет, большинство микроэлементов, если они присутствуют в больших количествах, идентифицируются в литературе как потенциально токсичные элементы, поскольку они мигрируют на большие расстояния и легко попадают в трофические цепи. Микроэлементы в почве можно считать угрозой, если скорость их образования в техногенных циклах выше, чем из природных источников, они перемещаются в случайные места с большей вероятностью прямого воздействия, а химическая форма, в которой встречается микроэлемент может сделать его более биодоступным. Высокое содержание микроэлементов в почвах, особенно в сельскохозяйственных почвах, влияет не только на их качество и функцию, но и на качество продуктов питания и, следовательно, на здоровье человека [4].
В настоящее время для оценки степени загрязнения почв микроэлементами используются разные подходы и методы. Наиболее часто используются нормативы качества почв (предельные значения содержания того или иного элемента) и геохимические индикаторы, которые в первую очередь направлены на оценку антропогенного воздействия на качество почв и могут выявить возможность загрязнения.
В течение нескольких лет экологический фактор риска также использовался для оценки степени загрязнения почвы микроэлементами. Этот
фактор позволяет в некотором роде оценить потенциальный риск для почвенных организмов, связанный с присутствием в почве микроэлементов.
Вышеупомянутые методы основаны на анализе общего содержания микроэлементов в почве и не всегда могут быть достаточными для корректной оценки экологического риска, связанного с их влиянием на экологию почвы. Очень часто оценка степени загрязнения почвы сопровождается анализом связи между содержанием микроэлементов и свойствами почвы. Однако взаимосвязь между содержанием микроэлементов и свойствами почвы также не дает исчерпывающей информации о степени загрязнения почвы и ее качестве. Химические анализы необходимы для оценки загрязнения почвы, но дают ограниченную информацию о влиянии этого загрязнения на почвенную среду, т. е. в какой степени микроэлементы в почвах являются фактором, негативно влияющим на эту среду.
Биотесты могут быть полезным инструментом исследования для оценки экологических последствий загрязнения почвенных экосистем. Биотесты используют живой организм в качестве индикатора и полагаются на его воздействие токсичными веществами, присутствующими в образце, а также на качественную и количественную оценку эффектов этого воздействия. Преимущество этих тестов заключается в том, что можно получить оценку, основанную на фактической токсичности образца, а не только на потенциальной/прогнозируемой токсичности компонента.
Экотоксикологические тесты являются эффективными индикаторами качества почвы. Однако результаты биоанализа не всегда легко интерпретировать, поскольку тесты оценивают общую токсичность образца в зависимости от содержания и антагонистических/синергических взаимодействий между веществами в исследуемом образце.
Влияние промышленных отходов на микрофлору почвы
Растущая индустриализация привела к загрязнению почвы установками по удалению промышленных отходов. У каждого типа почвы есть свой
уникальный характер. Эта индивидуальность отличается профилем почвы, который состоит из ряда определенных слоев. Сточные воды, выбрасываемые промышленными предприятиями в землю, состоят из нескольких вредных веществ, минеральных кислот, щелочей и т.д. которые, благодаря их сохранению, откладываются в земле в течение определенного промежутка времени. Минеральные ингредиенты в сбрасываемых сточных водах, способствуют росту определенных колоний водорослей, грибов и бактерий, которые, в свою очередь, изменяют текстуру почвы. Растения, растущие на загрязненных почвах, также могут поглощать некоторые из осажденных химических веществ. Загрязнение почвы может произойти при сбросе промышленных отходов в окружающую среду. Неадекватная утилизация высокотоксичных химических/промышленных отходов приведет к серьезному загрязнению почвы. Накопление радиоактивных отходов в залежах, например, приведет к тому, что отходы будут сливаться в почву. Эти отходы также могут загрязнять грунтовые воды.
Влияние пестицидов на почвенную микрофлору
Пестициды - это средства для борьбы с вредителями, уничтожения вредителей или отпугивания вредителей, обычно используемые в сельском хозяйстве. Они защищают растение от вредителей, таких как насекомые, крысы, сорняки, нематоды и микробы. Пестициды помогают сократить потери урожая, связанные с вредителями. Они также помогают продлить срок службы сельскохозяйственных культур. Это приводит к более высокому проценту урожайности, обеспечивая при этом доступность высококачественных продуктов питания по справедливой цене. Хорошее питание обеспечивается высококачественной пищей, которая повышает качество жизни человека.
Но эти пестициды помимо воздействия на вредителей оказывают негативное воздействие. Множество пестицидов являются запрещенными к применению в сельском хозяйстве, и, являясь таковыми, они становятся частью отходов, количество которых по всему миру достигает более
полумиллиона тонн [5]. Степень, в которой пестициды влияют на микробиоту почвы, зависит от применяемой концентрации, ее биодоступности, биоактивности, токсичности и разлагаемости. Применение большинства пестицидов в рекомендуемой дозе может временно изменить микробную популяцию, таким образом, это изменяет ферментативную активность почвы. Помимо этого, почвенная макрофауна включает дождевых червей, муравьев, термитов и т.д. которые участвуют в разложении органического вещества, добавлении и перемешивании гумуса в почве. Это приводит к повышению плодородия почвы. Пестициды воздействуют на эти почвенные фауны, и эффект зависит от концентрации применяемого пестицида и периода обработки.
Пестициды, являясь средствами защиты растений, должны использоваться эффективно. Неразумное использование этих полезных веществ в концентрации, превышающей рекомендуемую дозу, представляет большую угрозу не только для микро- и макроорганизмов, обитающих в почве, но и для здоровья человека.
Воздействие загрязнения почвы на окружающую среду
Загрязнение почвы способствует загрязнению воздуха, выделяя летучие соединения в атмосферу, поскольку чем больше токсичных соединений содержится в почве, тем больше загрязнений она производит. Токсичные химические вещества также могут привести к загрязнению воды, если они попадают в грунтовые воды или если загрязненные стоки или сточные воды, которые могут содержать опасные тяжелые металлы, попадают в ручьи, озера или реки. Эти тяжелые металлы могут накапливаться в почвах до такой степени, что они больше не способны поддерживать жизнь растений, если их применять часто или в больших количествах. Кроме того, загрязнение почвы позволяет большому количеству азота улетучиваться, а разложение органических материалов в почве может привести к кислотным дождям. Кроме того, кислые почвы, образующиеся в результате осаждения кислых
соединений, создают кислую атмосферу, которая вредит микроорганизмам, которые улучшают структуру почвы, разрушая органический материал и способствуя потоку воды. Загрязнение почвы может нарушить метаболизм растений, снижая урожайность сельскохозяйственных культур и заставляя загрязняющие вещества перемещаться вверх по пищевой цепочке через деревья и растения, которые их поглощают.
Кислотные дожди загрязняют почвы, что нарушает химический состав почвы и снижает способность растений поглощать питательные вещества и осуществлять фотосинтез. Загрязнение почвы повышает ее соленость, делая почву непригодной для растительности и делая ее бесполезной и бесплодной. Любые культуры были бы достаточно токсичны, чтобы вызвать серьезные проблемы со здоровьем у людей, которые их ели, если бы они могли процветать в этих условиях. Другим возможным последствием загрязнения почвы является образование токсичной пыли. Кроме того, загрязненные почв, будут вымываться в реки, вызывая цветение водорослей и гибель водных растений из-за истощения растворенного кислорода.
Заключение
Загрязнение почв транспортной инфраструктурой является важнейшей глобальной экологической проблемой на сегодняшний день. Для анализа почв в области дорожно-строительных работ следует использовать метод биотестирования, поскольку он помогает добиться максимальной эффективности в анализе загрязненных почв. Однако данный метод требует более детальной проработки в области исследования почв на загрязненность тяжелыми металлами. В противовес, для анализа почв на содержание микроэлементов метод биотестирования дает обширные результаты, что не может не радоваться, ведь почвенные микроорганизмы играют важную роль в здоровье и качестве почвы, выполняя различные процессы. Они необходимы для круговорота органического вещества, высвобождения питательных
веществ и стабилизации структуры почвы, а также для обеспечения плодородия почвы.
Литература
1. Бардина Т. В., Чугунова М. В., Кулибаба В. В., Бардина В. И./ Использование методов биотестирования для оценки экологического состояния почвогрунтов рекультивированного карьера // Биосфера. -2020. - Т. 12. - № 1-2. - 1c
2. Вишневецкий В. Ю., Булавкова Н.Г. Возможности аппаратурной реализации биотестера для определения токсичности водной среды // Известия ЮФУ. Технические науки. 2010. №9. - 114с
3. Джувеликян Х. А., Щеглов Д. И., Горбунова Н. С. Загрязнение почв тяжелыми металлами. Способы контроля и нормирования загрязненных почв //Воронеж: Воронежского государственного университета. - 2009.
- 6с
4. Булыгин С. Ю. и др. Микроэлементы в сельском хозяйстве //Дншропетровськ: Оч. - 2007. - 6с
5. Зыбалов, В. С., Крупнова, Т. Г. Исследование содержания хлорорганических пестицидов в объектах окружающей среды на территории Челябинской области. Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Химия, 6 (3), - 2014. - 39с
References
1. Bardina T. V., Chugunova M. V., Kulibaba V. V., Bardina V. I./ Ispol'zovanie metodov biotestirovaniya dlya otsenki ehkologicheskogo sostoyaniya pochvogruntov rekul'tivirovannogo kar'era // Biosfera. - 2020.
- T. 12. - № 1-2. - 1c
2. Vishnevetskii V. YU., Bulavkova N.G. Vozmozhnosti apparaturnoi realizatsii biotestera dlya opredeleniya toksichnosti vodnoi sredy // Izvestiya YUFU. Tekhnicheskie nauki. 2010. №9. - 114s
3. Dzhuvelikyan KH. A., Shcheglov D. I., Gorbunova N. S. Zagryaznenie pochv tyazhelymi metallami. Sposoby kontrolya i normirovaniya zagryaznennykh pochv //Voronezh: Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta. - 2009. - 6s
4. Bulygin S. YU. i dr. Mikroehlementy v sel'skom khozyaistve //Dnipropetrovs'k: Sich. - 2007. - 6s
5. Zybalov, V. S., Krupnova, T. G. Issledovanie soderzhaniya khlororganicheskikh pestitsidov v ob"ektakh okruzhayushchei sredy na territorii Chelyabinskoi oblasti. Vestnik Yuzhno-Ural'skogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Khimiya, 6 (3), - 2014. - 39s
© Скобелев В.А., Ларионов М.В., 2023 Международный журнал прикладных наук и технологий INTEGRAL. №3, 2023
Для цитирования: Скобелев В.А., Ларионов М.В. БИОТЕСТИРОВАНИЕ КАК МЕТОД ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ПОЧВ И ЛАНДШАФТОВ В РАЙОНЕ ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ РАБОТ// Международный журнал прикладных наук и технологий INTEGRAL. №3, 2023
