CC BY
32
УДК 57.044; 631.46 DOI 10.18522/0321-3005-2016-1-66-70
ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ БУРЫХ ЛЕСНЫХ ОПОДЗОЛЕННЫХ ПОЧВ ЧЕРНОМОРСКОГО ПОБЕРЕЖЬЯ КАВКАЗА К ХИМИЧЕСКОМУ ЗАГРЯЗНЕНИЮ*
© 2016 г. С.И. Колесников, А.А. Кузина, Н.А. Евстегнеева, К.Ш. Казеев
Колесников Сергей Ильич - доктор сельскохозяйственных наук, профессор, завкафедрой экологии и природопользования, Академия биологии и биотехнологий Южного федерального университета, ул. Б. Садовая, 105/42, г. Ростов-на-Дону, 344006, e-mail: kolesnikov@sfedu.ru
Кузина Анна Андреевна - аспирант, кафедра экологии и природопользования, Академия биологии и биотехнологий Южного федерального университета, ул. Б. Садовая, 105/42, г. Ростов-на-Дону, 344006.
Евстегнеева Наталья Андреевна - студент, кафедра экологии и природопользования, Академия биологии и биотехнологий Южного федерального университета, ул. Б. Садовая, 105/42, г. Ростов-на-Дону, 344006.
Казеев Камиль Шагидуллович - доктор географических наук, профессор, кафедра экологии и природопользования, Академия биологии и биотехнологий Южного федерального университета, ул. Б. Садовая, 105/42, г. Ростов-на-Дону, 344006, e-mail: kamil_kazeev@mail.ru
Kolesnikov Sergei Ilich - Doctor of Agricultural Science, Professor, Head of Ecology and Natural Management Department, Academy of Biology and Biotechnology of the Southern Federal University, B. Sadovaya St., 105/42, Rostov-on-Don, 344006, Russia, e-mail: kolesnikov@sfedu.ru
Kuzina Anna Andreevna - Post-Graduate Student, Ecology and Natural Management Department, Academy of Biology and Biotechnology of the Southern Federal University, B. Sadovaya St., 105/42, Rostov-on-Don, 344006, Russia.
Evstegneeva Natal'ya Andreevna - Student, Ecology and Natural Management Department, Academy of Biology and Biotechnology of the Southern Federal University, B. Sado-vaya St., 105/42, Rostov-on-Don, 344006, Russia. Kazeev Kamil Shagidullovich - Doctor of Geographical Science, Professor, Ecology and Natural Management De-partmen, Academy of Biology and Biotechnology of the Southern Federal University, B. Sadovaya St., 105/42, Rostov-on-Don, 344006, Russia, e-mail: kamil_kazeev@mail.ru
В результате модельных исследований установлено, что бурые лесные кислые оподзоленные почвы являются наименее устойчивыми к загрязнению Cr, Cu, Ni, Pb и нефтью среди основных почв Черноморского побережья Кавказа. Загрязнение приводит к существенному ухудшению их биологических свойств: снижается общая численность бактерий, активность каталазы и дегидрогеназы, целлюлозолитическая способность, обилие бактерий рода Azotobacter, ухудшаются показатели прорастания и начального роста редиса. По степени негативного влияния на биологические свойства бурой лесной кислой оподзоленной почвы тяжелые металлы образуют следующий ряд: Cr > Cu >Pb > Ni.
Ключевые слова: бурые лесные кислые оподзоленные почвы, биологические свойства, устойчивость, загрязнение, тяжелые металлы, нефть.
As a result of modeling studies found that the brown forest acidic podzolized soils are the least resistant to pollution of Cr, Cu, Ni, Pb and oil among the major soils of the Black Sea Coast of the Caucasus. Pollution leads to a significant deterioration of their biological properties: it reduces the total number of bacteria, the activity of catalase and dehydrogenase, cellulolytic capacity, abundant bacteria of the genus Azotobacter, worsens the germination and initial growth of radish. By the degree of negative impact on the biological properties of the brown forest acidic podzolized soil heavy metals form the following series: Cr > Cu > Pb > Ni.
Keywords: brown forest acidic podzolized soil, biological properties, stability, pollution, heavy metals, oil.
Развитие инфраструктуры туризма и отдыха на Черноморском побережье Кавказа (строительство новых курортов, олимпийских объектов, аэропорта, автомобильных дорог, нефтепроводов и т.д.) постоянно усиливает антропогенное воздействие на окружающую среду. Одной из актуальных проблем является возрастание химического загрязнения почв.
Довольно уязвимыми, а возможно, и самыми уязвимыми почвами Черноморского побережья Кавказа являются бурые лесные оподзоленные почвы [1]. Согласно классификации World Reference Base for Soil Resources (WRB), эти почвы называются Cambisols Dystric (CMdy) [2]. Для них характерны низкое содержание гумуса, кислая реакция среды, зачастую легкий гранулометрический
*Исследование выполнено при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (6.345.2014/К).
состав, низкая поглотительная способность, слабая оструктуренность или бесструктурность, низкая биологическая активность [1]. Эти свойства предопределяют очень низкую устойчивость бурых лесных оподзоленных почв к химическому загрязнению. Однако до настоящего времени исследований, посвященных оценке устойчивости бурых лесных оподзоленных почв Черноморского побережья Кавказа к загрязнению нефтью и тяжелыми металлами (ТМ), не проводилось. Ранее была исследована устойчивость бурых лесных почв (неоподзоленных) противоположного, северного склона Кавказского хребта к загрязнению хромом (&), никелем (№), медью свинцом ^^ [3, 4], цинком, кадмием, молибденом, селеном [5], нефтью, бензином, мазутом, дизтопливом [6, 7].
Цель настоящей работы - оценить устойчивость бурых лесных оподзоленных почв Черноморского побережья Кавказа к загрязнению &, №, Pb, нефтью по биологическим показателям.
Загрязнение ТМ и нефтью моделировали в лабораторных условиях.
Бурая лесная кислая оподзоленная почва была отобрана в Сочинском национальном парке (Россия, Краснодарский край, г. Сочи, Лазаревский р-н, 43°52.048' N 039°24.214' Е). Использовали верхний слой почвы 0-10 см, так как в нем задерживается большая часть загрязняющих почву веществ.
Исследуемая почва отличается низким содержанием гумуса в верхнем горизонте - 1,7 %, кислой реакцией среды - рН = 4,1, легкосуглинистым гранулометрическим составом, низкой поглотительной способностью, плохой оструктуренностью, низкой биологической активностью (общая численность бактерий - 2,5 млрд/г почвы, активность каталазы - 2,9 мл О2/г почвы за 1 мин, активность дегидрогеназы - 3,7 мг ТФФ/10 г почвы за 24 ч, обилие бактерий рода Л2о(оЪас(ег - 100 % комочков обрастания).
В качестве загрязняющих веществ были выбраны &, №, Pb, поскольку именно ими в значительной степени загрязнены почвы на Юге России [8]. Кроме того, эти ТМ интересны для сравнения -их предельно допустимые концентрации (ПДК) составляют 100 мг/кг почвы. Использовали значения ПДК, разработанные в Германии [9]. Во-первых, потому что ПДК в почве общего (валового) содержания ^ и N1 в России отсутствуют. Во-вторых, «российская» ПДК Pb зачастую не может быть использована, так как меньше содержания этого элемента во многих почвах.
ПДК в почве нефти также не разработана, поэтому ее содержание в почве выражали в процентах.
ТМ вносили в почву в количестве 1, 10, 100 ПДК (100, 1000 и 10000 мг/кг соответственно), нефть - 1, 5, 10 % от массы почвы. Содержание ТМ в почве до 100 и даже более ПДК нередко встречается в районах предприятий металлургической, химической и топливной промышленности. Загрязнение почвы до 10 ПДК, помимо названных источников, обычно вызвано автотранспортом и/или в результате сельскохозяйственных мероприятий (минеральные удобрения, пестициды, протравители семян). Загрязнение почвы нефтью до 10 % от массы почвы и более часто встречается в районах нефтедобычи, транспортировки и переработки нефти [10].
Использовали оксиды ТМ: CrOз, CuO, NiO, PbO. Во-первых, значительная доля ТМ поступает в почву именно в форме оксидов [10]. Во-вторых, использование оксидов ТМ позволяет исключить воздействие на свойства почвы сопутствующих анионов, как это происходит при внесении солей металлов.
Почву инкубировали в вегетационных сосудах при комнатной температуре (20^22 °С) и оптимальном увлажнении (60 % от полевой влагоемко-сти) в трехкратной повторности.
Биологические свойства почвы определяли через 30 сут после загрязнения. При оценке химического воздействия на биологическое состояние почвы этот срок является наиболее информативным.
Лабораторно-аналитические исследования выполнены с использованием общепринятых методов [11]. Определяли общую численность бактерий, обилие бактерий рода Л2о(оЪас(ег, активность ката-лазы и дегидрогеназы, целлюлозолитическую активность, фитотоксические свойства почв и другие показатели.
Для объединения большого количества показателей использовали методику определения интегрального показателя биологического состояния почвы (ИПБС) [11]. Данная методика позволяет оценить биологическое состояние почвы в целом.
Результаты исследований представлены в таблице.
В результате исследования установлено, что загрязнение бурой лесной кислой оподзоленной почвы Черноморского побережья Кавказа &, №, Pb, нефтью приводит к ухудшению ее состояния. Практически во всех случаях наблюдалось достоверное снижение исследованных биологических показателей: общей численности бактерий, активности каталазы и дегидрогеназы, целлюлозолити-ческой активности, обилия бактерий рода Лго^Ъас-(ег, длины корней редиса, ИПБС.
Влияние химического загрязнения на биологические свойства бурой лесной кислой оподзоленной почвы
Доза загрязняющего вещества
Элемент Контроль 1 ПДК (1 %) 10 ПДК (5%) 100 ПДК (10 %) НСР05
Общая численность бактерий, млрд/г
Cr 2,5 1,2 0,8 0,4 0,2
Cu 2,5 2,2 1,9 0,5 0,2
Ni 2,5 2,3 2,1 1,0 0,2
Pb 2,5 1,2 0,9 0,7 0,1
Нефть 2,5 2,3 1,9 1,3 0,4
НСР05 0,2 0,2 0,1
Активность каталазы, мл О2 на 1 г почвы за 1 мин
Cr 2,9 2,1 1,5 1,5 0,4
Cu 2,9 2,0 2,1 1,6 0,2
Ni 2,9 3,0 2,4 2,3 0,2
Pb 2,9 2,8 2,5 1,9 0,2
Нефть 2,9 2,8 2,0 0,7 0,4
НСР05 0,2 0,2 0,2
Активность дегидрогеназы, мг ТФФ на 10 г почвы за 24 ч
Cr 3,7 1,5 1,4 1,2 0,5
Cu 3,7 2,0 1,5 1,3 0,3
Ni 3,7 2,0 1,5 1,5 0,2
Pb 3,7 2,6 2,5 1,4 0,3
Нефть 3,7 1,9 0,7 0,7 0,2
НСР05 0,2 0,2 0,2
Целлюлозолитическая активность, % от контроля
Cr 100 41 16 7 10
Cu 100 66 35 11 7
Ni 100 79 27 16 6
Pb 100 68 39 21 8
Нефть 100 61 28 17 7
НСР05 8 4 3
Обилие бактерий рода Лго(оЪааег, % комочков обрастания
Cr 100 49 29 0 6
Cu 100 77 54 15 8
Ni 100 78 47 10 8
Pb 100 77 46 21 8
Нефть 100 69 38 25 8
НСР05 9 6 3
Длина корней редиса (фитотоксичность), % от контроля
Cr 100 19 5 0 11
Cu 100 12 9 7 9
Ni 100 12 8 9 8
Pb 100 8 9 3 10
Нефть 100 13 10 6 9
НСР05 1 1 1
ИПБС, % от контроля
Cr 100 45 29 18 -
Cu 100 61 47 24 -
Ni 100 70 48 32 -
Pb 100 61 47 29 -
Нефть 100 63 40 24 -
Негативное воздействие ТМ на живые организмы вызвано с их способностью связываться с сульфгидрильными группами белков, что нарушает синтез и работу ферментов и проницаемость биологических мембран, а в результате и обмен веществ.
Негативное действие нефти на биологические процессы в почве связано с обволакиванием нефтяными углеводородами почвенных частиц и
нарушением водно-воздушного режима почвы, содержанием в нефти токсичных веществ (ТМ, ароматических углеводородов, фенолов и др.), накоплением в токсичных продуктах окисления углеводородов (гексадецилового спирта, пальмитиновой, бензойной, салициловой кислот и др.), значительным увеличением соотношения С^ и т.д.
Поскольку ПДК всех четырех исследованных ТМ одинаково - 100 мг/кг - возможно корректное сравнение их токсического действия по отношению к исследованным биологическим показателям. Полученные результаты свидетельствуют о том, что наиболее значительное негативное воздействие оказал Cr; Pb, Cu и Ni проявили меньшее по силе воздействие.
Соответственно, ряд ТМ по степени негативного воздействия на бурую лесную кислую оподзо-ленную почву Черноморского побережья Кавказа выглядит следующим образом: Cr > Cu > Pb > Ni.
Схожая закономерность получена в исследованиях, проведенных ранее по той же методике, с другими почвами Юга России: черноземами обыкновенными, выщелоченными, типичными и др. [12, 13], каштановыми, бурыми полупустынными, солонцами, солончаками, песчаными [14], черноземами слитыми, серыми лесными, дерново-карбонатными, горно-луговыми [15].
Как правило, для всех исследованных ТМ и нефти наблюдалась прямая зависимость между содержанием в почве загрязняющего вещества и степенью снижения биологических показателей.
Исследование показало, что использованные в работе показатели биологического состояния почв можно рекомендовать к применению в целях мониторинга, диагностики и нормирования химического загрязнения почв Черноморского побережья Кавказа.
Как показала сравнительная оценка, бурые лесные кислые оподзоленные почвы являются наименее устойчивыми к загрязнению ТМ среди основных почв Черноморского побережья Кавказа. Ряд почв по степени устойчивости к загрязнению ТМ выглядит следующим образом (почвы расположены по мере снижения их устойчивости): чернозем южный (77) > коричневая типичная (73) > дерново-карбонатная типичная (72) > коричневая карбонатная (70) = коричневая выщелоченная (70) = дерново-карбонатная выщелоченная (69) = желтоземы (69) > бурая лесная кислая (61) > бурая лесная кислая оподзоленная (57). В скобках представлены значения ИПБС почвы (от 100 % на незагрязненной почве, усредненные по трем дозам металла).
Установленная последовательность определяется эколого-генетическими свойствами исследованных почв, прежде всего гранулометрическим составом, щелочно-кислотными и окислительно-восстановительными условиями, содержанием органического вещества, биологической активностью.
Бурые лесные кислые оподзоленные почвы проявили наименьшую устойчивость к химическому загрязнению, поскольку из исследованных почв они имеют наиболее низкое содержание гумуса в верхнем горизонте, самую кислую реакцию среды,
наиболее легкий гранулометрический состав, плохую оструктуренность, очень низкую биологическую активность.
Выводы
1. Загрязнение бурой лесной кислой оподзолен-ной почвы Черноморского побережья Кавказа Cr, Cu, Ni, Pb, нефтью приводит к существенному ухудшению ее биологических свойств: снижается общая численность бактерий, активность каталазы и дегидрогеназы, целлюлозолитическая способность, обилие бактерий рода Azotobacter, ухудшаются показатели прорастания и начального роста редиса. Степень снижения зависит от природы загрязняющего вещества и его концентрации в почве.
2. В большинстве случаев зарегистрирована прямая зависимость между содержанием в почве загрязняющего вещества и степенью снижения биологических показателей.
3. По степени негативного влияния на биологические свойства бурой лесной кислой оподзолен-ной почвы ТМ образуют следующий ряд: Cr > Cu > > Pb > Ni.
4. Бурые лесные кислые оподзоленные почвы являются наименее устойчивыми к загрязнению ТМ среди основных почв Черноморского побережья Кавказа.
Литература
1. Вальков В. Ф., Казеев К.Ш., Колесников С.И. Почвы Юга
России. Ростов н/Д., 2008. 320 с.
2. World Reference Base for Soil Resources. Rome, 2006. 128 р.
3. Тлехас З.Р., Колесников С.И. Изменение биологических
свойств бурых лесных почв Адыгеи при химическом загрязнении // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2007. № 5. С. 89-91.
4. Колесников С.И., Казеев К.Ш., Татлок Р.К., Тлехас З.Р.,
Денисова Т.В., Даденко Е.В. Биодиагностика устойчивости бурых лесных почв Западного Кавказа к загрязнению тяжелыми металлами, нефтью и нефтепродуктами // Сиб. экол. журн. 2014. № 3. С. 493-500.
5. Татлок Д.Р., Колесников С.И., Казеев К.Ш., Татлок Р.К.,
Тлехас З.Р., Чернышева Я.С. Оценка устойчивости бурых лесных почв Северо-Западного Кавказа к загрязнению Zn, Cd, Mo, Se по биологическим показателям // Вестник Адыгейского гос. ун-та. Серия 4: Естественно-математические и технические науки. 2015. № 1. С. 89-94.
6. Колесников С.И., Татлок Р.К., Тлехас З.Р., Казеев К.Ш.,
Денисова Т.В., Даденко Е.В. Биодиагностика устойчивости предгорных и горных почв Западного Кавказа к загрязнению нефтью и нефтепродуктами // Докл. РАСХН. 2013. № 1. С. 30-34.
7. Колесников С.И., Гайворонский В.Г., Ротина Е.Н., Жар-
кова М.Г., Денисова Т.В., Казеев К.Ш. Результаты экспериментального изучения загрязнения бурых почв мазутом // Геоэкология. 2011. № 2. С. 183-187.
8. Алексеенко В.А., Суворинов А.В., Власова Е.В. Металлы
в окружающей среде. Прибрежные аквальные ландшафты Черноморского побережья России. М., 2012. 360 с.
9. Касьяненко А.А. Контроль качества окружающей среды.
М., 1992. 136 с.
10. Kabata-Pendias A. Trace Elements in Soils and Plants. 4th
Edition. Boca Raton, 2010. Р. 548.
11. Казеев К.Ш., Колесников С.И. Биодиагностика почв:
методология и методы исследований. Ростов н/Д., 2012. 260 с.
12. Ярославцев М.В., Колесников С.И. Оценка устойчивости
черноземов Юга России к загрязнению тяжелыми металлами по биологическим показателям // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Естеств. науки. 2011. № 4. С. 83-86.
13. Колесников С.И., Тлехас З.Р., Казеев К.Ш., Ротина Е.Н.,
Вальков В. Ф. Влияние загрязнения тяжелыми металлами и нефтью на биологические свойства чернозема выщелоченного слитого // Агрохимия. 2010. № 7. С. 62-67.
14. Колесников С.И., Спивакова Н.А., Казеев К.Ш. Влияние
модельного загрязнения Cr, Cu, Ni, Pb на биологические свойства почв сухих степей и полупустынь Юга России // Почвоведение. 2011. № 9. С. 1094-1101.
15. Колесников С.И., Тлехас З.Р., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф.
Изменение биологических свойств почв Адыгеи при химическом загрязнении // Почвоведение. 2009. № 2. С. 1499-1505.
References
1. Val'kov V.F., Kazeev K.Sh., Kolesnikov S.I. Pochvy Yuga
Rossii [The soils of the South of Russia]. Rostov-on-Don, 2008, 320 p.
2. World Reference Base for Soil Resources. Rome, 2006, 128 р.
3. Tlekhas Z.R., Kolesnikov S.I. Izmenenie biologicheskikh
svoistv burykh lesnykh pochv Adygei pri khimicheskom zagryaznenii [Change of biological properties of brown forest soils of Adygea at chemical contamination]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Estestv. nauki, 2007, no 5, pp. 89-91.
4. Kolesnikov S.I., Kazeev K.Sh., Tatlok R.K., Tlekhas Z.R.,
Denisova T.V., Dadenko E.V. Biodiagnostika ustoichivosti burykh lesnykh pochv Zapadnogo Kavkaza k zagryazneni-yu tyazhelymi metallami, neft'yu i nefteproduktami [Biodiagnostics the stability of the Western Caucasus brown forest soils to pollution by heavy metals, oil and oil products]. Sib. ekol. zhurn, 2014, no 3, pp. 493-500.
5. Tatlok D.R., Kolesnikov S.I., Kazeev K.Sh., Tatlok R.K.,
Tlekhas Z.R., Chernysheva Ya.S. Otsenka ustoichivosti burykh lesnykh pochv Severo-Zapadnogo Kavkaza k zag-ryazneniyu Zn, Cd, Mo, Se po biologicheskim poka-zatelyam [Assessment of the stability of the brown forest soils of the Northwest Caucasus in contamination of Zn, Cd, Mo, Se in biological indicators]. Vestn. Adygeiskogo
Поступила в редакцию
gos. un-ta. Seriya 4: Estestvenno-matematicheskie i tekhnicheskie nauki, 2015, no 1, pp. 89-94.
6. Kolesnikov S.I., Tatlok R.K., Tlekhas Z.R., Kazeev K.Sh.,
Denisova T.V., Dadenko E.V. Biodiagnostika ustoichivosti predgornykh i gomykh pochv Zapadnogo Kavkaza k zag-ryazneniyu neft'yu i nefteproduktami [Biodiagnostics stability foothill and mountain soils of the Western Caucasus to oil pollution and oil]. Dokl. RASKhN, 2013, no 1, pp. 3034.
7. Kolesnikov S.I., Gaivoronskii V.G., Rotina E.N., Zharkova
M.G., Denisova T.V., Kazeev K.Sh. Rezul'taty eksperi-mental'nogo izucheniya zagryazneniya burykh pochv ma-zutom [The results of the experimental study of pollution by fuel oil brown soils]. Geoekologiya, 2011, no 2, pp. 183187.
8. Alekseenko V.A., Suvorinov A.V., Vlasova E.V. Metally v
okruzhayushchei srede. Pribrezhnye akval'nye landshafty Chernomorskogo poberezh'ya Rossii [Metals in the Environment. Coastal aquatic landscapes of the Black Sea Coast of Russia]. Moscow, 2012, 360 p.
9. Kas'yanenko A.A. Kontrol' kachestva okruzhayushchei
sredy [Monitoring environmental quality]. Moscow, 1992, 136 p.
10. Kabata-Pendias A. Trace Elements in Soils and Plants. 4th
Edition. Boca Raton, 2010, p. 548.
11. Kazeev K.Sh., Kolesnikov S.I. Biodiagnostika pochv:
metodologiya i metody issledovanii [Soil biodiagnostics: methodology and research methods]. Rostov-on-Don, 2012, 260 p.
12. Yaroslavtsev M.V., Kolesnikov S.I. Otsenka ustoichivosti
chernozemov Yuga Rossii k zagryazneniyu tyazhelymi metallami po biologicheskim pokazatelyam [Assessment of the stability of the chernozems of Southern Russia to contamination by heavy metals in biological indicators]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Estestv. nauki, 2011, no 4, pp. 83-86.
13. Kolesnikov S.I., Tlekhas Z.R., Kazeev K.Sh., Rotina E.N.,
Val'kov V.F. Vliyanie zagryazneniya tyazhelymi metallami i neft'yu na biologicheskie svoistva chernozema vyshche-lochennogo slitogo [Influence of heavy metal pollution and oil on the biological properties of leached chernozem fusion]. Agrokhimiya, 2010, no 7, pp. 62-67.
14. Kolesnikov S.I., Spivakova N.A., Kazeev K.Sh. Vliyanie
model'nogo zagryazneniya Cr, Cu, Ni, Pb na biologicheskie svoistva pochv sukhikh stepei i polupustyn' Yuga Rossii [Influence of modeling pollution Cr, Cu, Ni, Pb on the biological properties of soils of dry steppes and semi-deserts of South Russia]. Pochvovedenie, 2011, no 9, pp. 10941101.
15. Kolesnikov S.I., Tlekhas Z.R., Kazeev K.Sh., Val'kov V.F.
Izmenenie biologicheskikh svoistv pochv Adygei pri khimicheskom zagryaznenii [Change of biological properties of Adygea at chemical contamination of soil]. Pochvovedenie, 2009, no 2, pp. 1499-1505.
1 февраля 2016 г.
