CC BY
42
УДК 574; 631.46
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭКОЛОГИЧЕСКИ БЕЗОПАСНОЙ КОНЦЕНТРАЦИИ СВИНЦА
В ЧЕРНОЗЕМЕ ОБЫКНОВЕННОМ
© 2008 г. М.Г. Жаркова, С.И. Колесников
Южный федеральный университет, Southern Federal University,
344006, Ростов н/Д, ул. Б. Садовая, 105, 344006, Rostov-on-Don, B. Sadovaya St. 105,
[email protected] [email protected]
Были выявлены общие закономерности воздействия тяжелых металлов на экологическое состояние чернозема обыкновенного.
Ключевые слова: чернозем обыкновенный, загрязнение, тяжелые металлы, ферментативная активность, целлюлозо-литическая активность, фитотоксичность, интегральный показатель биологического состояния почв.
Have been identified common patterns of exposure to heavy metals on the ecological status of chernozem ordinary.
Keywords: chernozem by ordinary, pollution, heavy metals, enzyme activity, celluloselithic activity; indexes of phitotoxicity, integrated parameter of a ecological-biological condition of soil.
Одной из актуальных экологических проблем Юга России является загрязнение почв тяжелыми металлами. Источниками загрязнения служат автотранспорт, промышленность, сельское хозяйство и др. Приоритетными загрязняющими веществами в нашем регионе являются РЬ, Си, № и Сг [1, 2].
Цель настоящей работы - определить экологически безопасную концентрацию свинца в черноземе обыкновенном.
В качестве объекта исследования был использован чернозем обыкновенный южно-европейской фации, распространенный на огромных площадях Юга России. Отбор почвы для модельных опытов производили на территории опытно-полевого хозяйства Дон-ГАУ, п. Персиановский, Ростовская область. Почва для модельных экспериментов была отобрана из пахотного горизонта.
Свинец вносили в почву в разных дозах - 0,25; 0,5; 1,0; 2,5; 5,0 и 10 ПДК (25, 50, 100, 250, 500 и 1000 мг/кг соответственно). Использованы значения ПДК, разработанные в Германии [3], в связи с тем, что «российская» ПДК свинца зачастую не может быть использована, так как меньше содержания этого элемента во многих почвах [4, 5].
Свинец вносили в почву в форме оксида свинца (II) - PbO. Загрязнение почвы ТМ на 70-90 % происходит в форме оксидов [6]. Так как оксид свинца не растворим в воде, то для равномерного распределения во всем объеме почвы вегетационного сосуда его сна-
чала растирали с небольшим количеством почвы, а затем тщательно смешивали с остальной почвой.
В качестве сосудов для компостирования почвы были использованы стеклянные банки. Почву инкубировали при комнатной температуре и оптимальном увлажнении. Полив осуществляли по мере необходимости. Модельные опыты проводили в трехкратной повторности.
Состояние почвы определяли через 30 сут после загрязнения. При оценке химического воздействия на почву этот срок является наиболее информативным [5].
Лабораторно-аналитические исследования выполнены с использованием общепринятых в экологии, биологии и почвоведении методов [7, 8]. Определяли общую численность бактерий, обилие бактерий рода Azotobacter, активность каталазы и дегидрогеназы, цел-люлозолитическую активность, фитотоксические свойства почв, содержание гумуса и другие показатели.
В результате проведенных исследований установлено следующее. Зафиксировано негативное воздействие свинца на общую численность бактерий в почве, определяемую люминесцентным микрокопированием (рис. а).
Данный метод имеет преимущества перед чашечным методом, так как обеспечивает более полное выявление бактерий в почве. Однако с его помощью нельзя дифференцировать активные и покоящиеся формы бактерий.
Фон +25 +50 +100 +250 +500 +1000 мг/кг
100 99
""54-53""
51 50
Фон +25 +50 +100 +250 +500 +1000 мг/кг
Фон +25 +50 +100 +250 +500 +1000
Фон +25 +50 +100 +250 +500 +1000
Фон +25 +50 +100 +250 +500 +1000 мг/кг
и к
Влияние загрязнения свинцом на биологические свойства чернозема обыкновенного, % от контроля: а - на численность бактерий /люминесцентный метод; б - род Azotobacter; в - активность каталазы; г - активность дегидрогеназы; д - целлю-лозолитическая активность; е - всхожесть редиса; ж - длина корней редиса; з - длина надземных побегов редиса; и - содержание гумуса; к - ИПБС
%
100
8/
77
80
60
ьи
37
40
20
20
б
%
120
100
88
80
60
40
20
0
Г
%
91
80
80
Г3
63
60
60
40
20
0
е
%
97
80
60
58
60
51
46
40
20
0
з
%
100
93
/8
80
66
58
60
49
40
40
20
0
Существенное влияние на численность бактерий рода Azotobacter оказала концентрация загрязняющего вещества в почве. Так, загрязнение почвы 0,25 ПДК свинца вызвало снижение численности Azotobacter до 92 % от контроля, 10 ПДК - до 20 % (рис. в). С увеличением концентрации свинца сильнее проявляется его токсический эффект, нарушается метаболизм микроорганизмов, замедляются их рост и размножение.
Активность почвенных ферментов сильно зависела от содержания металла в почве (рис. в, г). При внесении в почву 0,25 ПДК свинца активность каталазы снижалась до 99, дегидрогеназы - до 88 % от контроля. При внесении дозы 10 ПДК активность каталазы упала до 74, дегидрогеназы - до 50 %. Снижение активности исследованных окислительно-восстановительных ферментов объясняется способностью свинца оказывать на них ингибирующее воздействие.
Чувствительным показателем проявила себя цел-люлозолитическая активность почвы (рис. д). Загрязнение чернозема свинцом привело к значительному снижению его клетчаткоразрушающей способности.
В качестве тест-объекта для определения фитоток-сичности почвы был использован редис (сорт Корунд). Семена редиса содержат небольшой запас питательных веществ и, соответственно, более подвержены влиянию условий внешней среды, например, избыточной концентрации свинца. Для всесторонней оценки степени токсичности почвы определяли показатели прорастания и начального роста семян.
Показатели прорастания - всхожесть (рис. ж), энергия, скорость и дружность прорастания - снижали свои значения в меньшей степени, показатели интенсивности начального роста - длина корней и побегов (рис. з) - в большей степени.
Загрязнение свинцом не оказало достоверного воздействия на содержание в почве гумуса (рис. и). Этот показатель является значительно более консервативным по сравнению с биологическими показателями.
С целью выявления общих закономерностей воздействия свинца на чернозем обыкновенный определяли интегральный показатель биологического состояния почвы (ИПБС). На рис. к представлены значения
Схема экологического нормирования загрязнения почв свинцом по степени нарушения экофункций
и необходимые ответные действия1
Показатель Почвы
Не загрязненные Слабозагряз-ненные Средне-загрязненные Сильнозагрязненные
Степень снижения интегрального показателя2, % < 5 5 - 10 10 - 25 > 25
Нарушаемые экологические функции3 Содержание свинца в почве, мг/кг - Информационные Химические, физико-химические, биохимические; целостные Физические
< 45 45-55 55-110 > 110
Наиболее целесообразные ответные действия (способы санации почв) Санация не требуется Фиторемедиация, промывки Химическая мелиорация: внесение органических веществ, ионообменных смол, фосфорных удобрений, извести, цеолитов и т.д. Удаление загрязненного слоя почвы и замена его новым экологически и сельскохозяйственно полноценным
'Разработано для черноземов; 2Определение интегрального показателя по [5]; 3Классификация экологических функций по
[9].
ИПБС, рассчитанного по следующим показателям: общая численность бактерий, обилие бактерий рода Azotobacter, активность каталазы, дегидрогеназы и целлюлозолитическая.
Таким образом, полученные данные свидетельствуют о негативном воздействии свинца на эколого-биологические свойства чернозема обыкновенного. Уже при внесении небольшой дозы загрязнителя (0,25 ПДК) наблюдается снижение всех основных биологических показателей экологического состояния почвы.
В результате исследований С.И. Колесникова с со-авт. [4] было установлено, что химическое загрязнение почвы тяжелыми металлами (ТМ) приводит к нарушению выполнения почвой своих экологических функций. Причем нарушение экологических функций почвы происходит в определенной очередности. По мере увеличения концентрации загрязняющего почву химического вещества срыв выполняемых ею экофункций происходит в следующей последовательности: информационные —» биохимические, физико-химические, химические и целостные —> физические. Тот факт, что различные экологические функции почвы нарушаются при различной концентрации загрязняющего вещества в почве, может лежать в основе экологического нормирования загрязнения почв.
В качестве критерия степени нарушения экологических функций почвы предлагается использовать ИПБС.
По результатам настоящего исследования было определено уравнение регрессии, отражающее зависимость снижения значений ИПБС от содержания в почве свинца. По этому уравнению были рассчитаны концентрации металла, при которых происходит нарушение тех или иных групп экологических функций почвы (таблица).
Предложенный подход и полученные количественные значения содержания свинца в почве, вызывающие нарушение разных групп экологических функций, представляется целесообразным использовать при экологическом нормировании, где главной целью должно быть сохранение экологических функций почвы.
В таблице предложена схема экологического нормирования загрязнения почв свинцом по степени нарушения экологических функций почв и соответствующие способы санации («оздоровления») почв.
Как показали исследования С.И. Колесникова с соавт. [4], значительного нарушения экологических функций почвы не происходит, пока значения ИПБС не снизились более чем на 10 %. Такое снижение ИПБС зарегистрировано при концентрации свинца около 55 мг/кг. Соответственно меньшее его содержание в черноземе обыкновенном можно считать экологически безопасным.
В настоящее время лабораторное моделирование дополняется полевыми опытами.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ (гранты № 07-04-00690-а и № 07-04-10132-к) и Роснауки (грант Президента РФ № МД-3155.2007.4).
Литература
1. Дьяченко В.В. Геохимия, систематика и оценка состояния ландшафтов Северного Кавказа. Ростов н/Д, 2004.
2. Шеуджен А.Х. Биогеохимия. Майкоп, 2003.
3. Касьяненко А.А. Контроль качества окружающей среды. М., 1992.
4. Колесников С.И, Казеев К.Ш., Вальков В. Ф. Экологические последствия загрязнения почв тяжелыми металлами. Ростов н/Д, 2000
5. Колесников С.И., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. Экологическое состояние и функции почв в условиях химического загрязнения. Ростов н/Д, 2006.
6. Горбатов В.С. Устойчивость и трансформация оксидов тяжелых металлов ^п, РЬ, Cd) в почвах // Почвоведение. 1988. № 1. С. 35-43.
7. Методы почвенной микробиологии и биохимии / Под. ред. Д.Г. Звягинцева. М., 1991.
8. Казеев К.Ш., Колесников С.И., Вальков В.Ф. Биологическая диагностика и индикация почв: методология и методы исследований. Ростов н/Д, 2003.
9. Добровольский Г.В., Никитин Е.Р. Функции почв в биосфере и экосистемах (экологическое значение почв). М., 1990.
Поступила в редакцию
11 января 2008 г.
