CC BY
135
УДК 502.7:628.4
ОЦЕНКА НЕГАТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ЗОЛООТВАЛОВ НА ПЕДОБИОНТОВ
© Д.О. Котова, О.А. Киреева, А.Г. Мальчик, Т.В. Денисова
Ключевые слова: биоиндикация; влияние тяжелых металлов на педобионтов; эдафический комплекс раковинных амеб.
Рассмотрено использование методов биоиндикации для оценки состояния антропогенно-нарушенных почв с различным содержанием тяжелых металлов. Раковинные амебы являются организмами, чувствительными к техногенному загрязнению среды, проведенные исследования выявили изменения в структуре их сообществ, что позволяет использовать их в качестве биоиндикаторов. В результате исследований выявлено, что наиболее информативным показателем экологического состояния загрязненных почв является снижение абсолютной численности и изменение соотношения эколого-трофических групп почвенных безпозвоночных. Данные биоиндикации эффективно использовать для прогнозирования экологических последствий хозяйственной деятел ь-ности человека.
К числу серьезных экологических проблем современного человечества относится проблема неуклонного роста содержания соединений тяжелых металлов (ТМ) в почве, воде и атмосфере индустриально развитых стран и городов. Почва, представляющая собой мощный сорбционный барьер, способна к аккумуляции большого количества ТМ. В городах на незначительной площади сконцентрировано большое количество источников загрязнения разной природы, что определяет высокую интенсивность и неоднородность состава почвенных загрязнений.
Города принадлежат к числу важнейших антропогенно-трансформированных экосистем. Особенностью окружающей среды городов является соединение природных и антропогенных компонентов, сочетание которых обеспечивает гетерогенность условий существования живых организмов. В городах изменены почти все составные части природной среды: атмосфера, климат, поверхностная и подземная гидросфера, рельеф, почва, флора, животный мир.
Почва - начальное и конечное звено трофических цепей, среда обитания организмов, связующее звено биологического и геологического круговоротов. Она выполняет важнейшие функции по защите лито- и гидросферы, а также растительности от загрязнения. Поэтому значение почвы для сохранения экологического равновесия среды обитания всего живого на планете первостепенно. Для почв города характерным является загрязненность тяжелыми металлами как одно из отрицательных последствий урбанизационного пресса. Тяжелые металлы вовлекаются в биологический круговорот, передаются по трофическим цепям и вызывают целый ряд негативных последствий. Изменяется видовой состав, структура и численность микрофлоры и мезофауны. При максимальном загрязнении почва теряет продуктивность и способность к биологическому самоочищению, происходит утрата экологических функций и гибель урбоэкосистемы.
Таким образом, изучение экологического состояния трансформированного почвенного покрова городов представляет не только теоретический интерес, но и
важную практическую задачу с точки зрения мониторинга и определения путей оздоровления экологической обстановки урбанизированных территорий.
Основными отраслями промышленности в г. Юрга являются машиностроение и металлообработка, производство строительных материалов, деревообработка, пищевое и полиграфическое производство. К числу наиболее крупных и значимых промышленных предприятий города относятся ООО «Юргинский машза-вод», ОСП «Юргинский ферросплавный завод», ОАО «Кузнецкие ферросплавы», ОАО «Юргинский гормол-завод», ОАО «Металлургмонтаж», ООО «Завод Тех-ноНИКОЛЬ-Сибирь» [1].
Количество золошлаковых отходов от ТЭЦ составляет порядка 60 тыс. т в год. Гидрозолоотвал ТЭЦ представляет собой отстойник для осаждения из циркулирующей воды взвешенных частиц системы водоснабжения ТЭЦ ООО «Юргинский машзавод», функционирует с 1984 г. Гидрозолоотвал овражного типа проектной емкостью 1200 тыс. т предназначен для размещения шлаков от сжигания углей, а также карбидного ила производства ацетилена и осадков очистных сооружений гальванического производства. Гидрозо-лоотвал расположен на расстоянии около 4 км к северу от жилой зоны г. Юрга и на расстоянии около 1 км к югу от д. Талая. Золошлаковые отходы транспортируются на гидрозолоотвал по напорному пульпопроводу. Карбидный ил и осадки очистных сооружений гальванического производства доставляются на гидрозолоот-вал ассмашинами и сбрасываются на золовой пляж. Гальванические шламы представляют собой пастообразную массу, характеризующуюся сложностью и нестабильностью состава от темно-серого до темно-коричневого цвета. В состав гальванических шламов наряду с малотоксичными соединениями железа и кальция входят соединения тяжелых металлов (хрома, меди, свинца, кадмия, никеля, марганца).
В настоящее время все большее значение приобретает разработка методов оценки антропогенного воздействия на почву. В практике мониторинга почв наиболее распространенным подходом остается анализ
уровней концентраций токсичных соединений с использованием физико-химических методов. Однако с такими оценками ассоциировано слишком много неопределенностей, в частности, он не учитывает возможности возникновения синергических и антагонистических эффектов при одновременном воздействии нескольких неблагоприятных факторов. Проблемы, связанные с необходимостью контроля реальной ситуации с антропогенным загрязнением почв, заставляют наряду с химическим анализом внедрять новые подходы к контролю опасности токсикантов с оценкой интегральной токсичности почвы, отражающей влияние на нее всего комплекса факторов. К таковым относятся биоиндикационные методы, позволяющие оценить состояние среды по изменению состояния живых существ.
Почвенные животные выполняют важную функциональную роль в процессах трансформации органического вещества в почве, способны накапливать в своем организме тяжелые металлы, чужеродные органические вещества, радионуклиды и служат благодатными объектами в системе биомониторинга окружающей среды.
Тяжелые металлы представляют опасность для живых организмов в различной степени. Более опасны тяжелые металлы первого класса опасности, такие как свинец, ртуть, кадмий.
Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами вызывает тревогу, потому что оно многопланово снижает продуктивность растений, нарушает естественно сложившиеся фитоценозы, ассимиляционный потенциал фитомассы, ухудшает качество среды обитания человека, включая качество продукции и продуктов питания.
Цель работы - изучить влияние промышленного загрязнения на почвообитающих беспозвоночных.
Объектами исследования являются дождевые черви и раковинные амебы. Дождевые черви, питаясь почвенным перегноем, аккумулируют многие элементы, в т. ч. и токсичные. Причем на долю дождевых червей среди других почвенных беспозвоночных приходятся наибольшие концентрации тяжелых металлов. В отличие от макроэлементов, тяжелые металлы, накапливаясь в дождевых червях, подобно радиоактивным элементам, не имеют явного порога концентрации. В связи с этим беспозвоночных этого семейства целесообразно использовать в качестве биоиндикаторов почвенной среды. Наряду с этим дождевые черви, как и почвенная фауна в целом, принимает непосредственное участие в элементарных почвенных процессах (например, в гу-мусонакоплении), а каждый почвенный процесс в свою очередь влияет на экологическую обстановку почвы и определяет условия существования живых организмов. Кроме этого, дождевые черви занимают особое место в трофической структуре ландшафта.
Раковинные амебы - простейшие с замедленным метаболизмом, которые играют важную роль в круговороте веществ в почве и являются одними из немногих первичных деструкторов целлюлозы и лигнина, а также благодаря составу своих раковинок накапливают минеральные вещества в подстилке и в верхнем гумусовом горизонте почвы. Тестацеи играют значительную роль в качестве регуляторов численности и жизнедеятельности бактерий, актиномицетов и грибов, в т. ч. и фитопатогенных, т. к. состоят с ними в одной трофической цепи [2].
Нами прослежена динамика изменения численности беспозвоночных в зоне непосредственного промышленного загрязнения. Исследования проводили методом количественного учета почвенной фауны. В качестве тест-объектов были выбраны дождевые черви, раковинные амебы. Пробы отбирались на 3-х участках: № 1 - на расстоянии 30 м от золоотвала, № 2 - 150 м от места складирования гальванического шлама, № 3 -фоновый участок (п. Сокольники).
Дождевых червей учитывали ручной выборкой из почвенных монолитов. Для учета раковинных амеб отбирали почвенные пробы с последующим извлечением из почвы в лабораторных условиях. Работы проводились в сентябре-октябре 2013 г.
Содержание тяжелых металлов (Zn, Cd, Pb, Cu) в почве определяли методом инверсионной вольтампе-рометрии.
Наибольшее содержание цинка, кадмия и свинца было отмечено на втором участке. При этом содержание кадмия на втором участке превышало концентрацию на фоновом участке в 2800 раз, содержание цинка, свинца и меди в 2,9, 6,5 и 6,5 раз, соответственно.
Кадмий достаточно легко поступает из почвы и атмосферы в растения. По фитотоксичности и способности аккумулироваться в растениях в ряду тяжелых металлов он занимает первое место (Cd > Си > Zn > Pb). Токсичность кадмия для растений проявляется в нарушении активности ферментов, торможении фотосинтеза, нарушении транспирации, а также ингибиро-вании восстановления NO2 до NO. У растений наблюдаются задержка роста, повреждение корневой системы и хлороз листьев.
Кадмий способен накапливаться в организме человека и животных, т. к. сравнительно легко усваивается из пищи и воды. Токсичное действие металла проявляется уже при очень низких концентрациях: ингибиру-ется синтез ДНК, белков и нуклеиновых кислот, уменьшается активность ферментов, нарушается усвоение и обмен других микроэлементов (Zn, Си, Se, Fe), что может вызывать их дефицит.
Кадмий сосредотачивается в организме преимущественно в почках и печени, при этом содержание кадмия в организме к старости повышается. Он накапливается в виде комплексов с белками, которые участвуют в ферментативных процессах. Попадая в организм извне, кадмий оказывает ингибирующее действие на целый ряд ферментов, разрушая их. Он может также ингибировать действие цинксодержащих ферментов, замещая цинк. Из-за близости ионных радиусов кальция и кадмия он может замещать кальций в костной ткани.
В почвах исследуемых участков было обнаружено 2 вида дождевых червей (Eisenia nordenskioldi, Nicodrilus caliginosus) и 24 вида раковинных амеб, которые относятся к 10 родам. Видовой состав раковинных амеб представлен в табл. 1.
Из анализа данных следует, что раковинные амебы реагируют на загрязнение почв. Так, на участке 2 видовой состав представлен 6 видами, что обусловлено повышенным загрязнением почв тяжелыми металлами.
На загрязненных участках преобладали раковинные амебы родов Plagiopyxis, Centropyxis, Cyclopyxis. Следовательно, можно считать, что раковинные амебы родов Plagiopyxis, Centropyxis, Cyclopyxis наиболее устойчивые, а раковинные амебы родов Corytion, Tri-
Таблица 1
Видовой состав сообществ раковинных амеб в исследуемых почвах
Виды раковинных амеб Участки
1 2 3
Centropyxis elongata + + +
Centropyxis spinosa + - +
Centropyxis orbicularis + - +
Centropyxis aerophila + + +
Corytion dubium + - +
Corytion orbicularis + - +
Cyclopyxis eurystoma v. parvula + + +
Cyclopyxis kahli + + +
Difflugia compressa - + +
Difflugia globulosa - - +
Euglipha ciliata - - +
Euglipha laevis - - +
Euglipha rotunda dorsalis - - +
Heleopera petricola + - +
Heleopera sylvatica + - +
Hyalosphenia elegans - - +
Hyalosphenia papilio + - +
Nebela collaris - - +
Nebela tubulosa + - +
Plagiopyxis declivis + + +
Plagiopyxis penardi + + +
Trinema encheles - - +
Trinema lineare - - +
Trinema complanatum - - +
nema, Nebela, Hyalosphenia менее устойчивые к загрязнению тяжелыми металлами. Устойчивость трех основных родов (Plagiopyxis, Centropyxis, Cyclopyxis), вероятно, обусловлена строением раковинки - наличием второй камеры.
В обнаруженной фауне раковинных амеб четко выделяется доминирующий комплекс (до 98 % численности), состоящий из шести массовых родов тестацей (Centropyxis, Cyclopyxis, Plagiopyxis, Trinema, Corytion, Hyalosphenia), который можно считать собственно эдафическим комплексом. Состав и распределение эдафического комплекса сообщества раковинных амеб представлены на рис. 1.
Из анализа данных, представленных на рис. 1, следует, что в структуре доминирования сообщества раковинных амеб род Plagiopyxis является преобладающим, а значит, согласно классификации доминирования, эудоминантом, т. к. его доля в населении составляет 31 %; доминантами являются Centropyxis, Cyclopyxis (25 и 24 %); субдоминантами - Corytion, Trinema и Nebela (8, 6 и 4 %); рецедентом соответственно Hyalos-phenia - 2 %.
Численность дождевых червей на первом участке составила 8 экз./м2. В почвах второго участка дождевых червей не обнаружено, но отмечается большое количество нематод. Увеличение численности нематод свидетельствует об ухудшении условий среды. В литературе рассматривается воздействие тяжелых металлов на дождевых червей.
Так, содержание свинца в тканях червей меньше его содержания в почве, а содержание кадмия, напри-
4% 2%
и Plagiopyxis в Centropyxis и Cyclopyxis ■ Corytion в Trinema М Nebela
н Hyalosphenia
Рис. 1. Состав эдафического комплекса сообщества раковинных амеб
мер, превышает содержание в почве во много раз, содержание меди более, чем в 5 раз, а содержание цинка сопоставимо с содержанием в почве.
При сравнении сообществ раковинных амеб контрольного и наиболее нарушенного (150 м от места складирования гальванического шлама) промышленным воздействием участков отмечено значительное снижение численности и видового разнообразия.
В почвах первого и второго участков доминируют представители родов Plagiopyxis, Centropyxis, Cyclopyx-is. В результате проведенных исследований выделить наиболее устойчивые виды раковинных амеб, относящихся к родам Plagiopyxis, Centropyxis, Cyclopyxis, и менее устойчивые - Corytion, Trinema, Hyalosphenia, Nebela.
Выводы:
1) раковинные амебы являются организмами, чувствительными к техногенному загрязнению среды. Проведенные исследования выявили изменения в структуре их сообществ, что позволяет использовать раковинных амеб в качестве биоиндикаторов для оценки состояния антропогенно-нарушенных почв с различным содержанием ТМ;
2) в результате исследований было установлено, что наиболее информативным показателем экологического состояния загрязненных почв является снижение абсолютной численности и изменение соотношения эколого-трофических групп почвенных безпозвоноч-ных. Данные биоиндикации эффективно использовать для прогнозирования экологических последствий хозяйственной деятельности человека. По результатам исследований можно сказать, что состояние почвы вокруг гидрозолоотвала близко к экологической катастрофе.
ЛИТЕРАТУРА
1. URL: http://gosdoklad.kuzbasseco.ru/2011/ (дата обращения:
01.10.2013).
2. КриволуцкийД.А. Животный мир почвы. М., 1969. 47 с.
Поступила в редакцию 1 июля 2014 г.
Kotova D.O., Kireev O.A., Malchik A.G., Denisova T.V. EVALUATION OF NEGATIVE INFLUENCE OF ZOLOTVAL ON PEDOBIONTOV
The paper considers the use of bio-indication methods for the assessment of anthropogenically disturbed soils with varying
the content of heavy metals. Testate amoebae are organisms that are sensitive to anthropogenic pollution environment, studies have revealed changes in the structure of their communities, which allows their use as bioindicators. Our results demonstrated that the most informative indicator of the ecological state of polluted soils is to reduce the absolute number and the ratio
between ecological trophic groups of soil invertebrates. These Bioindication effectively used to predict the environmental impact of human activities.
Key words: Bioindication; influence of heavy metals on pe-dobiontov; edaphic complex testate amoebae.
Котова Дарья Олеговна, Юргинский технологический институт (филиал) Национального исследовательского Томского политехнического университета, г. Юрга, Кемеровская область, Российская Федерация, студентка, кафедра безопасности жизнедеятельности, экологии и физического воспитания, e-mail: grishagin.V_@list.ru
Kotova Darya Olegovna, Jurga Technological Institute (branch) National Research Tomsk Polytechnic University, Yur-ga, Kemerovo region, Russian Federation, Student, Life Safety, Ecology and Physical Education Department, e-mail: grisha-gin.V_@list.ru
Киреева Ольга Александровна, Юргинский технологический институт (филиал) Национального исследовательского Томского политехнического университета, г. Юрга, Кемеровская область, Российская Федерация, студентка, кафедра безопасности жизнедеятельности, экологии и физического воспитания, e-mail: grishagin.V_@list.ru
Kireyeva Olga Aleksandrovna, Jurga Technological Institute (branch) National Research Tomsk Polytechnic University, Yurga, Kemerovo region, Russian Federation, Student, Life Safety, Ecology and Physical Education Department, e-mail: grishagin.V_@list.ru
Мальчик Александра Геннадьевна, Юргинский технологический институт (филиал) Национального исследовательского Томского политехнического университета, г. Юрга, Кемеровская область, Российская Федерация, кандидат технических наук, доцент кафедры безопасности жизнедеятельности, экологии и физического воспитания, e-mail: grishagin.V_@list.ru
Malchik Aleksandra Gennadyevnа, Jurga Technological Institute (branch) National Research Tomsk Polytechnic University, Yurga, Kemerovo region, Russian Federation, Candidate of Technics, Associate Professor of Life Safety, Ecology and Physical Education Department, e-mail: grishagin.V_@list.ru
Денисова Татьяна Владимировна, Юргинский технологический институт (филиал) Национального исследовательского Томского политехнического университета, г. Юрга, Кемеровская область, Российская Федерация, кандидат биологических наук, доцент кафедры безопасности жизнедеятельности, экологии и физического воспитания, e-mail: grishagin.V_@list.ru
Denisova Tatyana Vladimirovna, Jurga Technological Institute (branch) National Research Tomsk Polytechnic University, Yurga, Kemerovo region, Russian Federation, Candidate of Biology, Associate Professor of Life Safety, Ecology and Physical Education Department, e-mail: grishagin.V_@list.ru
