CC BY
827
ИЗВЕСТИЯ
ПЕНЗЕНСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ПЕДАГОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА имени В. Г. БЕЛИНСКОГО ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ № 25 2011
IZVESTIA
PENZENSKOGO GOSUDARSTVENNOGO PEDAGOGICHESKOGO UNIVERSITETA imeni V. G. BELINSKOGO NATURAL SCIENCES № 25 2011
УДК 634.1
ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ мониторинг ЗАГРЯЗНЕНИЯ почв
© С. Ю. ЕФРЕМОВА, т. А. ШАРКОВ, О. В. ЛУКЬЯНЕЦ Пензенская государственная технологическая академия, кафедра биотехнологии и техносферной безопасности e-mail: [email protected]
Ефремова С. Ю., Шарков Т. А., Лукьянец О. В. - Экологический мониторинг загрязнения почв // Известия
ПГПУ им. В.Г. Белинского. 2011. № 25. С. 568-571. - На основе экспериментальных исследований влияния загрязнения поллютантами наземных экосистем показано, техногенное загрязнение почвы вызывает существенные изменения численности и состава почвенных микроорганизмов. Сделан вывод, что происходящие изменения можно использовать в биомониторинге антропогенного загрязнения почв. Результаты биомониторинга могут применяться при оценке воздействия на окружающую среду, экологической экспертизе.
Ключевые слова: мониторинг, почва, техногенное загрязнение, тяжелые металлы, нефть, микроорганизмы.
Efremova S. Y., Sharkov T. A., Lukyanets O. V. - Environmental monitoring of soil pollution // Izv. Penz. gos. pedagog. univ. im.i V.G. Belinskogo. 2011. № 25. Р. 568-571. - Based on experimental studies of the effect of pollution contaminants of terrestrial ecosystems shows industrial pollution of soil causes significant changes in the size and composition of soil microorganisms. Concluded that the changes can be used in biomonitoring of anthropogenic pollution of soils. The results of biomonitoring can be applied in assessing environmental impacts, environmental ekspertize.
Keywords: monitoring, soil, industrial pollution, heavy metals, oil.
Одной из целей политики государства является обеспечение конституционных прав граждан на благоприятную окружающую среду (ОС) и охрану здоровья [6]. Достичь этого можно путем увязки приоритетов экономической, социальной политики и политики экологического развития Российской Федерации, основанной на комплексном учете экологических и природоресурсных факторов.
Оценка качества среды становится принципиально важной задачей, как при планировании, так и при осуществлении любых мероприятий по природопользованию, охране природы и обеспечению экологической безопасности. Проведение оценки качества среды, ее благоприятности для человека необходимо для разработки стратегии рационального использования, определения предельно допустимых нагрузок для любого региона, определения состояния природных ресурсов; решения судьбы районов интенсивного промышленного и сельскохозяйственного использования, оценки эффективности управления охраной среды и формирования системы природоохранных мероприятий [12].
Для контроля состояния ОС крайне важно полноценное функционирование экологического мониторинга. Государственный экологический мониторинг призван осуществлять общий контроль за состоянием ОСРоссийской Федерации. Комплексную экологиче-
скую оценку территории должен обеспечивать региональный экологический мониторинг в совокупности с ведомственным и импактным мониторингом. В настоящее время из-за кризисной ситуации в экономике России уменьшено финансирование программы государственного экологического мониторинга. В связи с этим некоторые функции мониторинга сокращены, а некоторыенеосуществляютсясовсем,соответственно страдает качество контроля над состоянием ОС.
Почва является незаменимым, исчерпаемым, относительно возобновимым природным ресурсом. К сожалению, правила рационального использования почвенных ресурсов соблюдаются далеко не всегда. В результате почва теряет свое плодородие быстрее, чем оно успевает восстанавливаться [12].
Изучение почвенного покрова направлено на оценку способности почвы выполнять функции обеспечивающие стабильность отдельных биоценозов и биосферы и целом.
Наиболее полным исследование состояния загрязненных почв, будет в том случае, если будут определены следующие показатели [3, 8]:
• прямые показатели загрязнения почв: общее (валовое)содержание поллютантов, мощность загрязненного слоя и др.;
• показатели изменения свойств почв под действием загрязнителей: активность почвенных фер-
ментов, скорость основных микробиологических процессов, численность почвенных микроорганизмов и структура микробоценоза, содержание подвижных соединений азота и фосфора, фитотоксичность и др.;
• показатели устойчивости почв к загрязнению: емкостьпочвенного поглощающего комплекса, содержание и запасы гумуса, щелочно-кислотные условия, окислительно-восстановительные условия и др.
Определение всего комплекса показателей загрязнения является очень трудоемким и дорогостоящим мероприятием и возможно только в очень редких случаях.Целесообразнымпредставляетсяопределить узкий набор показателей, достаточно объективно отражающих последствия загрязнения. Очевидно, что это должны быть показатели изменения свойств почв под действием загрязнителей, поскольку степень их изменения уже зависит от параметров загрязнения и от устойчивости почв к загрязнению. Из показателей изменения свойств, следует отдать предпочтение биологическим показателям, так как они первыми реагируют на антропогенное воздействие.
Антропогенная деятельность - главный фактор измененияравновесиявэкосистеме,особеннонегатив-но это выражено в крупных мегаполисах, вблизи крупных автотрасс и других потенциально опасных объектов. Экологическая ситуация в Поволжском регионе определяется как местными, так и трансграничными процессами загрязнения. На территории региона ежегодно на 1 км2 выпадает 578 кг сернистых соединений, до 170 кг нитратного азота, около 500 кг соединений углекислоты и много других ингредиентов. Все они в той или иной мере присутствуют в Среднем Поволжье, включая Пензенскую область, и относятся к активным загрязнителямпочвеннойсреды,приземногослоявоз-духа, растительной и животноводческой продукции.
Актуальноезначениедляпроведенияфундамен-тальных научных исследований, в настоящее время и для выполнения практических производственных мероприятий мониторинга приобретают биомониторинг, биодиагностика и биоиндикация почв [13].
Исследование микрофлоры почвы какпоказате-ля почвенных условий (микробиомониторинг почвы) важновурбанизированныхэкосистемах,гденачинает-
сясукцессияпочвенныхмикроорганизмов,определяе-мая видом и степенью антропогенной нагрузки. Системы «микроорганизмы - почва» и ферменты играют важную роль в сохранении биохимического равновесия в почве при ее различных загрязнениях [12].
Почвенная микрофлора - основной агент, осуществляющий круговорот биогенных элементов в почве, поэтому изменение численности и соотношения основных эколого-трофических групп почвенных микроорганизмов приводит к смене направленности биогеохимических процессов в почве, может вызвать разрушение органического вещества [4].
Под влиянием веществ антропогенного загрязнения может происходить изменение структуры и активности микрофлоры. Обладая значительной бу-ферностью почва, до определенного предела загрязнения, сохраняет свои биохимические свойства (зона гомеостаза), хотя изменения в структуре комплекса почвенных микроорганизмов уже можно обнаружить (зона стресса). При значительном уровне загрязнения (зона ингибирования) необратимо меняется комплекс почвенныхмикроорганизмов.Изменениеструктурной организации комплекса почвенных микроорганизмов вызывает нарушение их функционирования [2, 7].
Глобальным деградационным процессом, которому подвергается почвенный покров Земли сегодня, является загрязнение тяжелыми металлами (ТМ). Падение продуктивности как естественных, так и культурных ландшафтов следствие этого. Это сокращает продовольственные ресурсы биосферы и усиливает дефицит продовольствия. Кроме того, растительная продукция, полученнаяназагрязненныхпочвах, часто бывает просто токсична, вследствие повышенного содержания ТМ. Загрязнение почв ТМ является угрозой продовольственной безопасности человечества.
Таким образом, почва, загрязненная ТМ, становится не способной выполнять свои экологические и сельскохозяйственные функции полноценно.
Результаты наших исследований по изучению влияния загрязнения ТМ на эколого-трофические группы микроорганизмов показали, что численность аммонификаторов в почвах промышленных районов города была в 2-3 раза ниже, чем на контроле (табл. 1).
Таблица 1
Численность экологотрофических групп микроорганизмов в почвах загрязненных ТМ, тысяч на 1 г абсолютно сухой почвы (слой 0-15 см)
Место сбора образца Аммони- фикаторы Иммобилизаторы азота Олиготрофы Грибы Актино- мицеты Целлюлозоразрушающие аэробы
Контроль, лес 7524.05 9698.40 13873.0 34.9 517.22 105.4
ТЭЦ 4531.24 5742.72 7021.7 12.49 889.42 68.7
Промышленная зона 2153.52 1600.41 1900.8 23.9 125.41 26.6
Автомагистраль 2268.81 4551.27 3529.7 14.8 765.43 49.0
АЗС 2712.33 3176.37 3287.6 12.3 760.27 45.9
25 2011
Численность иммобилизаторов азота на порядок ниже, чем на контроле. Такие же соотношения наблюдали и для групп олигонитрофилов. Целлюлозоразрушающих микроорганизмов было меньше, чем на контроле. Численность актиномицетов снижалась на контроле. Численность грибов значительно варьировала на контроле и в опытных образцах с объекта, но тенденции к ее снижению также просматривались.
Таким образом, развитие всех эколого-трофи-ческих групп почвенных микроорганизмов было угнетено. Мицелиальные формы почвенных микроорганизмов (грибы, актиномицеты) оказались более устойчивыми к воздействию вредных ингредиентов на почву, ингибирование их развитие наблюдали на почвах территории примыкающей к промышленным объектам, где бактериальные формы снижали свою численность уже на порядок.
Нефтяное загрязнение создает новую экологическую обстановку, что приводит к глубокому изменению всех звеньев естественных биоценозов или их полной трансформации [10]. Общая особенность всех нефтезагрязненных почв - изменение численности и ограничение видового разнообразия педобионтов (почвенной мезо- и микрофауны и микрофлоры).
Для микрофлоры почвы нефть выступает, содной стороны, как источник углерода, с другой - как загрязняющее вещество с токсическими свойствами. Присутствие нефти в почве может, как стимулировать размножение и развитие микроорганизмов, так и угнетать их.
Исследования влияния загрязнения нефтью и нефтепродуктами на микробную систему почв зафиксировали изменение численности и состава почвенных
Численность аммонифицирующих бактерий выросла в большей степени, чем микромицетов, но в меньшей степени, чем актиномицетов. Бактерии рода Azotobacter оказались нечувствительными к загрязнению почв нефтью.
По степени увеличения своей численности при загрязнении чернозема нефтью основные группы микроорганизмов образуют следующий ряд: актино-мицеты > аммонифицирующие бактерии > спорообразующие бактерии > грибы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ Техногенное загрязнение почвы ТМ вызывает существенные изменения в микробном комплексе,
микроорганизмов. Отмечено увеличение численности аммонифицирующих, азотфиксирующих, денитрифицирующих, бактерий, дрожжей, микромицетов, и уменьшение численности нитрифицирующих бактерий и актиномицетов [5, 9].
При поступлении в почву нефти и нефтепродуктов в процесс их трансформации включаются микроорганизмы, которые должны привести систему почвы в состояние равновесия. Изменение в микробном населении почвы в ответ на возрастающие антропогенные нагрузки выражается в последовательной смене адаптивных зон. Поступление углеводородов в почве вызываеткардинальную перестройку составамикроб-ного сообщества, стимулируя развитие популяций перерабатывающих этот субстрат и потребляющих значительное количество азота [3].
При небольших уровнях загрязнения значительное влияние оказывает наличие легкодоступных углеводородов нефти, углерод которых используется для построения клеточных тел [11].
Результаты наших исследований влияния нефти на численность основных групп микроорганизмов и качественный состав микрофлоры представлены в табл. 2.
В загрязненных вариантах общая численность аммонифицирующих бактерий возрастала в 2-3 и даже более пяти раз. Численность спорообразующих бактерий увеличивалась в меньшей степени - не более, чем в два раза. Численность актиномицетов увеличилась от 1.5 до 20 раз. Численность микроскопических грибов только в одном варианте выросла более чем в 2 раза.
которые проявляются как в снижении разнообразия микроорганизмов, так и уменьшении их активности. Загрязнение почв нефтью также приводит к существенной перестройке комплекса почвенных микроорганизмов, изменению структуры доминирования, сукцессионным процессам в почвенном микробоцено-зе. При этом у микроскопических грибов наблюдается снижениеразнообразия,убактерий-рост. Происходящие изменения можно использовать в биомониторинге и биоиндикации антропогенного загрязнения почв.
Результаты биомониторинга могут широко применяться при оценке воздействия на окружающую среду, прогнозировании экологических последствий какой-либо хозяйственной деятельности на данной
Таблица 2
Влияние загрязнения нефтью на численность основных групп микроорганизмов почвы
Вариант Аммонифицирующие бактерии Спорообразующие бактерии Актиномицеты Грибы АгоіоЬаіїег
млн./г % млн./г % млн./г % тыс./г % %
Контроль 1.95 100 1.07 100 4.7 100 31.7 100 100
5 л/м2 6.74 345 1.00 93 5.10 110 42.3 134 100
10 л/м2 6.16 316 0.98 91 4.21 910 34.3 108 100
20 л/м2 10.99 564 1.96 182 9.49 204 54.0 171 98
территории, проведении экологической экспертизы, аудита и сертификации предприятий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Биоиндикация загрязнений наземных экосистем / Под ред. Р. Шуберт. М.: Мир, 1988. 350 с.
2. Гузев B.C. Экологическая оценка антропогенных воз-действийнамикробнуюсистемупочв.Автореф.дис.... докт. биол. наук. М.: МГУ, 1988. 38 с.
3. Звягинцев Д.Г., Умаров М.М., Чернов И.Ю. Микробные сообщества и их функционирование в процессах деградации исамовосстановления почв // Деградация и охрана почв. М: Наука, 2002. С. 404-454.
4. Карягина Л.А. Микробиологические основы повышения плодородия почв. М.: Наука и техника, 1983. 181с.
5. КирееваН.А. Микробиологическиепроцессывнефте-загрязненных почвах. Уфа: БГУ, 1995. 172 с.
6. Конституция РФ. М.: ACT, 2005. 38с.
7. Наплекова Н.И. Изменение видового состава микроорганизмов дерново-подзолистой почвы и чернозема
выщелоченного под действием свинца // Тяжелые металлы в окружающей среде. М., 1988. С. 47-55.
8. ОрловД.С.,СадовникомЛ.К.,ЛозановскаяИ.Н.Эко-логия и охрана биосферы при химическом загрязнении. М.: Высшая школа, 2001.
9. РыбакВ.К.Микрофлорапочвызагрязненнойнефтью. М.: Микробиол. Журн. 1984. № 4. С. 29-32.
10. Свистова И.Д. Биодинамика микробного сообщества почвы в антропогенных экосистемах лесостепи. Автореф.дис....докт.биол.наук.Петрозаводск:ПГУ, 2005. 50с.
11. У шаков С.А., Кац Я.Т. Экологическое состояние России. М: Геос, 2002. 127 с.
12. Хазиев Ф.Х., Тишкина Е.М., Киреева Н.А., Кузяхме-тов Г.Г. Влияние нефтяного загрязненияна некоторые компоненты агроэкосистемы М.: Агрохимия. 1988. № 2. С. 56-61.
13. Яковлев А.С. Биологическая диагностика целинных и антропогенноизмененныхпочв.Автореф.дис....докт. биол. наук. М., 1997.
