CC BY
99
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
УДК 631.417.2:631.458:631.445.51
NATURAL SCIENCE. 2016. No. 4
DOI 10.18522/0321-3005-2016-4-87-91
ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОЧВЫ ГОРОДСКИХ ТЕРРИТОРИЙ НА ОСНОВАНИИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ (НА ПРИМЕРЕ Г. ТАГАНРОГА)
© 2016 г. Н.О. Корикова, Н.В. Гусакова, В.В. Петров
ASSESSMENT OF ENVIRONMENTAL STATUS OF SOILS OF URBAN AREAS ON THE BASIS OF INDICATORS OF BIOLOGICAL ACTIVITY (FOR EXAMPLE, TAGANROG)
N.O. Korikova, N.V. Gusakova, V.V. Petrov
Корикова Надежда Олеговна - аспирант, кафедра техно-сферной безопасности и химии, Институт нанотехноло-гий, электроники и приборостроения Южного федерального университета, ул. Чехова, 2, г. Таганрог, Ростовская область, 347922, e-mail: [email protected]
Гусакова Наталья Владимировна - кандидат педагогических наук, доцент, кафедра техносферной безопасности и химии, Институт нанотехнологий, электроники и приборостроения Южного федерального университета, ул. Чехова, 2, г. Таганрог, Ростовская область, 347922, e-mail: gnv200 7@yandex. ru
Петров Виктор Владимирович - доктор технических наук, профессор, кафедра техносферной безопасности и химии, Институт нанотехнологий, электроники и приборостроения Южного федерального университета, ул. Чехова, 2, г. Таганрог, Ростовская область, 347922, e-mail: [email protected]
Nadezhda O. Korikova - Postgraduate, Department of Technosphere Safety and Chemistry, Institute of Nanotech-nologies, Electronics and Equipment Engineering, Southern Federal University, Chekhov St., 2, Taganrog, Rostov Region, 347922, Russia, e-mail: [email protected]
Nataliya V. Gusakova - Candidate of Pedagogical Sciences, Associate Professor, Department of Technosphere Safety and Chemistry, Institute of Nanotechnologies, Electronics and Equipment Engineering, Southern Federal University, Chekhov St., 2, Taganrog, Rostov Region, 347922, Russia, e-mail: [email protected]
Viktor V. Petrov - Doctor of Technical Science, Professor, Department of Technosphere Safety and Chemistry, Institute of Nanotechnologies, Electronics and Equipment Engineering, Southern Federal University, Chekhov St., 2, Taganrog, Rostov Region, 347922, Russia, e-mail: [email protected]
Анализируется экологическое состояние почв г. Таганрога. Для этого были отобраны 84 почвенных образца различных функциональных зон города. Оценка состояния почвы осуществлялась по биологическим показателям: активность уреазы и каталазы, дыхание почвы, целлюлозолитическая активность почвы. Результаты исследования биологических показателей почвы показали, что почва характеризуется в основном низкими показателями ферментативной активности и высокой степенью потери СО2, что говорит о значительной потенциальной самоочищающей способности у исследованной почвы данных зон.
Ключевые слова: городские почвы, тяжелые металлы, ферменты, целлюлоза, мочевина, уреаза, каталаза, экологическое состояние.
The article analyzes the ecological condition of Taganrog soils. To do this, it has been selected 84 soil samples of different functional areas of the city. Soil assessment was carried out on the biological parameters: urease activity and catalase, soil respiration, soil cellulolytic activity. The study of biological indicators of soil showed that the soil is characterized mainly by low levels of enzymatic activity and a high degree of CO2 loss, which indicates considerable potential in self-purification ability of the soils of these
Keywords: urban soil, heavy metals, enzymes, cellulose, urea, urease, catalase, ecological state.
Городские почвы, являясь частью городской природной среды, обеспечивают жизнеспособность всего природного комплекса. Они являются поглотителем загрязняющих веществ, выполняют важную санитарно-гигиеническую средозащитную функцию. Почва дышит и дает кислорода не меньше, а в определенные сезоны больше, чем дают все зеленые насаждения вместе взятые. Однако при сильном загрязнении почвы становятся источником
опасности для окружающей среды (сильное загрязнение почв приводит к гибели зеленых насаждений) [1].
Урбоэкосистемы часто характеризуются нару-шенностью биологических круговоротов. В них наблюдается сокращение биоразнообразия как по составу, так и по структурно-функциональным характеристикам, увеличивается численность патогенных микроорганизмов [2].
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
Каждая почва обладает определенным комплексом свойств и процессов в них с конкретными показателями их величин. В природной обстановке наблюдается динамичность свойств и процессов в почвах в связи с ритмами поступления на их поверхность света, тепла, влаги и ритмами биологической активности [3].
Исследования последних лет доказывают эффективность использования биологических показателей почвы в качестве диагностического критерия экологического состояния почв городских территорий [4-6]. Например, отмечается чувствительность фермента каталазы к содержанию тяжелых металлов в почве: с увеличением концентрации тяжелых металлов происходит угнетение каталазной активности, которое становится все более выраженным по мере роста концентрации металлов [7]. Во многих исследованиях имеются свидетельства о том, что показатель уреазной активности успешно используется в оценке экологического состояния нефтезагрязненных почв [8].
Целью нашей работы является оценка экологического состояния почвы городских зон г. Таганрога на основании показателей биологической активности.
Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:
— отобраны образцы почв различных функциональных зон города;
— определены биологические показатели в отобранных образцах почв;
— оценено экологическое состояние почвы городских зон г. Таганрога.
В качестве объекта исследования была выбрана почва территории г. Таганрога.
Исследования проводились на кафедре техно-сферной безопасности ЮФУ в 2004-2012 гг. А. Соболевым, Д. Кузнецовым, Т. Мурай установлено, что около 50 % территории города характеризуются умеренной степенью загрязнения (суммарный показатель загрязнения (СПЗ) — от 8 до 16). Основными поллютантами на территории г. Таганрога являются кадмий и свинец. Содержание цинка не превышает предельно допустимой концентрации (ПДК). Превышение от общего количества проб к верхней оценке границы концентрации для меди незначительно.
Оценка экологического состояния почвы городских зон проводилась по трем показателям: активность каталазы, дыхание почвы и её целлю-лозолитическая активность. Всего было отобрано 84 образца из различных функциональных зон города (рекреационная, селитебная, промышленная). Отбор образцов почвы проводился по ГОСТу
NATURAL SCIENCE. 2016. No. 4
17.4.4.02-84 методом конверта с глубины 0-10 см. На месте отбора проб была проведена первичная оценка качества почвы. При первичной оценке рассматривались такие позиции, как наличие растительности, антропогенных включений в почве, твердость, каменистость, захламленность и карбо-натность (по реакции с HCl 10 %).
В лаборатории в отобранных образцах почвы было проведено измерение активности ферментов, катализирующих наиболее важные биохимические процессы, протекающие в почве: каталазы, отвечающей за разложение перекиси водорода; уреазы, катализирующей гидролиз мочевины, и целлюло-золитической активности, а также дыхания почвы как интегрального показателя активности биологических процессов в ней [9].
Определение целлюлозолитической активности почв проводилось аппликационным методом в чашках Петри путем учета остаточного количества нерасщепленной целлюлозы; определение активности каталазы — перманганатометрическим методом; определение дыхания почвы — методом А.Ш. Гал-стяна, основанным на количественном учете изменения содержания углекислого газа; измерение уреазной активности почвы — экспресс-методом по Т.В. Аристовской и М.В. Чугуновой (по скорости разложения модельного вещества карбамида мочевины).
Исследованные нами образцы почвы относятся к естественно-антропогенным поверхностно-измененным. Следы антропогенной нагрузки обнаруживаются во всех точках отбора в виде включений строительного и бытового мусора.
Результаты исследования уреазной активности почвы г. Таганрога показали, что время разложения мочевины для почв различных функциональных зон г. Таганрога варьируется в диапазоне 6,5—8 ч. Полученное время разложения мочевины считается низким. Для естественных почв, не испытывающих антропогенной нагрузки, время разложения мочевины равно 2—3 ч. Считаем, что увеличение времени разложения мочевины обусловлено, прежде всего, небольшим содержанием органического вещества в почвах, а также высокой степенью антропогенной нагрузки. Полученные результаты уреазной активности почвы (глубина отбора проб — 0—10 см) представлены на рис. 1а.
Фермент каталаза показывает, насколько почва способна перерабатывать перекись водорода. Активность каталазы уменьшается в почвах промышленных зон использования и увеличивается в почвах рекреационных зон. Это объясняется меньшей нарушенностью почвенного покрова в парках, нежели в зонах промышленных площадок и пустырей.
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
NATURAL SCIENCE.
2016. No. 4
Городск а я вона и сп ал ь job а ни я
а /а
Город ск а я юна и сп ал ь зов а ни я
б / b
Каталазная активность характеризуется по шкале как очень слабая (<1), слабая (1—3), средняя (3—10), высокая (10—30), очень высокая (>30). На рис. 1б представлены результаты измерения ката-лазной активности почвы при глубине отбора проб 0—10 см.
Результаты исследования величины целлюло-золитической активности при глубине отбора проб 0—10 см представлены на рис. 1в. При оценке целлюлозолитической активности почв (%) использовали следующую шкалу: очень слабая (< 10), слабая (10-30), средняя (30-50), сильная (50-80), очень сильная (> 80). Почвы рекреационной и селитебной зон характеризуются средней целлюлозолитической активностью, а почвы промышленной зоны - слабой. Почвы парковых и жилых зон обогащены органическим веществом, фосфат-ионами. Именно эти показатели обусловливают высокую степень целлюлозолитической активности.
Полученные результаты дыхания почвы (рис. 2) характеризуют степень выделения СО2 как высокую, т.е. работа микроорганизмов идет активно. Наибольшие потери СО2 связаны с почвами рекреационных зон с высоким содержанием гумуса. Высокая степень потерь СО2 в почвах рекреационных зон говорит о ненарушенности строения почвенного слоя и о высокой активности процессов самоочищения.
ГорОДСКВЯ :С'|-а ИСПОЛЫОВаНИЯ
в / c
¡Рекреационная ■ Сг-И'тгбная Промышленная
Городская зона пользования ¡Рекреационная иСелитебная Промышленная
Рис. 1. Активность почв г. Таганрога: а - уреазная; б - каталазная; в - целлюлозолитическая / Fig. 1. The activity of Taganrog soil: a - urease; b - catalase; c - cellulolytic
Рис. 2. Количество выделившегося СО2, мг /10 г почвы за 24 ч / Fig. 2. The amount of released CO2, mg / 10 g of soil for 24 hours
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION.
Таким образом, почвы рекреационных зон г. Таганрога характеризуются высокими значениями ферментативной активности и высокой степенью потери СО2, что свидетельствует о наличии значительной потенциальной самоочищающей способности у исследованной почвы данных зон. Высокий уровень целлюлозной активности также говорит о запасе органического вещества и о хорошей работе микроорганизмов, которые играют важную роль в уменьшении влияния антропогенной нагрузки. Самые низкие ферментативные показатели наблюдаются в почвах промышленных зон. К промышленным зонам относятся промышленные площадки и пустыри. Зачастую данные зоны имеют низкое содержание элементов минерального питания, тяжелый гранулометрический состав и пониженное количество органического вещества. Это негативно сказывается на жизнедеятельности микроорганизмов и, следовательно, ведет к низкой ферментативной активности, что характеризуется низким потенциалом самоочищения. Значения каталазной активности в почвах селитебных зон, характеризующиеся как средние, говорят о том, что зеленые насаждения эффективно защищают почвенный покров селитебной зоны, следовательно, повышают потенциал самоочищения почвы.
При биодиагностике загрязнения почв целесообразны применение комплексного подхода и определение интегрального показателя биологического состояния почв (ИПБС) на основе информативных показателей, величина (или состояние) которых выражается в относительных единицах (%). Особенно актуально применение ИПБС почв в том случае, если полученные данные имеют широкий диапазон вариации значений [10]. Именно по этой причине на основе полученных результатов о гумусовом состоянии целлюлозолитической активности и дыхании почв осуществлено обобщение выявленных в ходе исследования данных о биологических параметрах почв г. Таганрога.
В таблице представлены обобщенные результаты определения биологических показателей с расчетным значением ИПБС.
NATURAL SCIENCE. 2016. No. 4
На основе таблицы определены усредненные значения каждого показателя активности почвенной биоты по ИПБС почв по районам и зонам города. Полученные результаты представлены на рис. 3.
35,14%
26,22 %
12,40%
Рекреационная Промышленная Селитебная
Рис. 3. ИПБС почв г. Таганрога по зонам города / Fig. 3. Integral component of the biological condition of the soil of Taganrog on the zones of the city
На основе обобщения полученных значений можно утверждать, что все районы города, а также рекреационная и селитебная зоны характеризуются высоким ИПБС почв. При этом следует отметить, что ИПБС промышленной зоны города в 3 раза меньше максимального зафиксированного значения рекреационной зоны. Данный факт в очередной раз доказывает значительную роль промышленных комплексов в процессах почвенной биоты.
В ходе проведенного химического исследования образцов почв по ферментативной активности зафиксированы низкие показатели в образцах, взятых в промышленной зоне г. Таганрога. В целом исследованные образцы почв, взятые на территории г. Таганрога, имеют низкое содержание питательных веществ и характеризуются нарушенной структурой. Однако все образцы характеризуются высоким ИПБС почв.
Обобщенные результаты определения биологических показателей / Generalized results of the determination of biological indicators
Зона города ИПБС, % Общий ИПБС, %
Гумусное состояние Разложение целлюлозы Дыхание почв Активность каталазы
Промышленная 12,77 47,52 45,14 7,93 35,14
Транспортная 2,81 28,46 5,92 4,26 12,40
Рекреационная 8,74 39,63 30,28 23,85 26,22
ISSN 0321-3005 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKII REGION. NATURAL SCIENCE. 2016. No. 4
Литература
1. Вардомская Е.Е. Контроль за состоянием почвы в городе Москве // Недвижимость и инвестиции. Правовое регулирование. 2008. № 1 (34). URL: http: //dpr.ru/journal/journal_32_24.htm (дата обращения: 25.10.2015).
2. Агаркова М.Г., Строганова М.Н., Скворцова И.Н. Биологическая активность почв урбанизированных территорий // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 17 : Почвоведение. 1994. № 1. С. 45—49.
3. Кавриго В.П., Кауричев И.С., Бурлакова Л.М. Почвоведение с основами геоэкологии. М., 2000. 416 с.
4. Вяль Ю.А., Шиленков А.В. Оценка биологической активности почв городских ландшафтов (на примере г. Заречный) // Изв. Пензенского гос. пед. ун-та им. В.Г. Белинского. Естеств. науки. 2009. № 14 (18). С. 7—10.
5. Даденко Е.В., Казеев К.Ш., Колесников С.И., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. Изменение ферментативной активности почвенных образцов при их хранении // Почвоведение. 2009. № 12. С. 1481—1486.
6. Казеев К.Ш., Колесников С.И. Биодиагностика почв: методология и методы исследований. Ростов н/Д., 2012. 260 с.
7. Капралова О.А. Влияние урбанизации на эколого-биологические свойства почв г. Ростова-на-Дону // Инженерный вестник Дона. 2011. Т. 18, № 4. С. 326—331.
8. Колесников С.И., Азнаурьян Д.К., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. Устойчивость биологических свойств почв Юга России к нефтяному загрязнению // Экология. 2010. № 5. С. 357-364.
9. Федорец Н.Г., Медведева М.В. Методика исследования почв урбанизированных территорий. Петрозаводск, 2009. 84 с.
10. Казеев К.Ш., Колесников В.И., Вальков Ф.В. Биологическая диагностика и индикация почв: методология и методы исследования. Ростов н/Д., 2003. 216 с.
References
1. Vardomskaya E.E. Kontrol' za sostoyaniem pochvy v gorode Moskve [Control over land in Moscow].
Поступила в редакцию /Received_
Nedvizhimost' i investitsii. Pravovoe regulirovanie. 2008, no. 1 (34). Available at: http: //dpr.ru/journal/journal_ 32_24.htm (accessed 25.10.2015).
2. Agarkova M.G., Stroganova M.N., Skvortsova I.N. Biologicheskaya aktivnost' pochv urbanizirovannykh territorii [The biological activity of soils in urban areas]. Vestn. Mosk. un-ta. Ser. 17 : Pochvovedenie. 1994, no. 1, pp. 45-49.
3. Kavrigo V.P., Kaurichev I.S., Burlakova L.M. Pochvovedenie s osnovami geoekologii [Soil management with the basics of geoecology]. Moscow, 2000, 416 p.
4. Vyal' Yu.A., Shilenkov A.V. Otsenka biologicheskoi aktivnosti pochv gorodskikh landshaftov (na primere g. Zarechnyi) [Evaluation of the biological activity of urban landscapes of soil (for example, Zarechny)]. Izv. Penzenskogo gos. ped. un-ta im. V.G. Belinskogo. Estestv. nauki. 2009, no. 14 (18), pp. 7-10.
5. Dadenko E.V., Kazeev K.Sh., Kolesnikov S.I., Kazeev K.Sh., Val'kov V.F. Izmenenie fermentativnoi aktivnosti pochvennykh obraztsov pri ikh khranenii [Changing the enzymatic activity of soil samples during storage]. Pochvovedenie. 2009, no. 12, pp. 1481-1486.
6. Kazeev K.Sh., Kolesnikov S.I. Biodiagnostika pochv: metodologiya i metody issledovanii [Soil biodiagnostics: methodology and research methods]. Rostov-on-Don, 2012, 260 p.
7. Kapralova O.A. Vliyanie urbanizatsii na ekologo-biologicheskie svoistva pochv g. Rostova-na-Donu [The impact of urbanization on ecological and biological properties of Rostov-on-Don soils]. Inzhenernyi vestnikDona. 2011, vol. 18, no. 4, pp. 326-331.
8. Kolesnikov S.I., Aznaur'yan D.K., Kazeev K.Sh., Val'kov V.F. Ustoichivost' biologicheskikh svoistv pochv Yuga Rossii k neftyanomu zagryazneniyu [Stability of the biological properties of the South of Russia soils to oil pollution]. Ekologiya. 2010, no. 5, pp. 357-364.
9. Fedorets N.G., Medvedeva M.V. Metodika issledovaniya pochv urbanizirovannykh territorii [Methods of study of soils in urban areas]. Petrozavodsk, 2009, 84 p.
10. Kazeev K.Sh., Kolesnikov V.I., Val'kov F.V.
Biologicheskaya diagnostika i indikatsiya pochv: metodologiya i metody issledovaniya [The biological diagnosis and soil indication: methodology and research methods]. Rostov-on-Don, 2003, 216 p.
_19 июля 2016 г. / July 19, 2016
