CC BY
174
Известия Тульского государственного университета Естественные науки. 2012. Вып. 1. С. 284-292
Биология =
УДК 504.6, 574.14
Установление токсичности почв Алматы через изменение состава микрофауны
Б. Н. Мынбаева, М. С. Панин, Б. К. Есимов
Аннотация. В работе проведено определение токсичности почв г. Алматы с использованием индикаторов-педобионтов. Показано, что соотношение между нематодами, Fusarium и бактериями в загрязненной тяжелыми металлами почве составило 40, 45 и 15% соответственно. Чистая почва имела доминантные бактериальные формы (до 85%). Измененный состав педобионтов: преобладание нематод, грибов и голых амеб, свидетельствовал о токсичности почв Алматы. К чувствительным к тяжелым металлам были отнесены бактерии и инфузории. Все урбаноземы содержали тяжелые металлы, имели щелочные значения рН, низкие значения гумуса и
СО2.
Ключевые слова: тяжелые металлы, токсичность почв,
биоиндикаторы, микрофауна.
Введение
Городские почвы — насыпные, намывные или перемешанные грунты, имеющие включения строительного и бытового мусора в верхних горизонтах, обычно с высокой загрязненностью тяжелыми металлами (ТМ) и нефтепродуктами, с особыми физико-механическими свойствами. Анализ исследований почв городов России (Москва, Дубна, Челябинск и др.) [1,2 и др.] и Казахстана (Павлодар, Тараз) [3] показал, что урбаноземы загрязняются ТМ, особенно возле транспортных магистралей и при попадании различных ПАВ в природную среду городов [4], концентрация ТМ иногда отражала степень токсичности почв [5]. По данным М.А.Чимбулатова и др. [6] показано, что в почвенных образцах г.Алматы исследуемые ТМ (РЬ, Zn, Си и Сё) имели превышение ПДК, и загрязнение урбаноземов носило повсеместный характер, поскольку основная эмиссия ТМ происходила от подвижных источников загрязнения, например, автомобилей.
Отмечено значительное развитие новых и модификация существующих методов для измерения антропогенного воздействия на окружающую среду. Процесс установления опасности тех или иных поллютантов связан с экологическим нормированием, например, введением определенных
стандартов (норм) по загрязнению ОС, например, ПДК, ПДВ и др. [7, 8], но простое измерение их концентраций может иметь небольшое значение. Поэтому лучше, быстрее и дешевле устанавливать токсичность почв по изменениям их биогенной части. Более точным индикатором нормального функционирования почвы являются педобионты, например, микроорганизмы или простейшие [9, 10, 11]. В почвенной экологии часто используется метод «стеклообрастания» [12] для определения качественного и количественного состава микрофлоры и микрофауны почвы, также простой подсчет одноклеточных и многоклеточных беспозвоночных животных, чувствительных к химическому загрязнению почв [13, 14, 15].
Целью данной работы является оценка токсичности почв г.Алматы, загрязненных ТМ, с использованием различных биоиндикаторов.
Объекты и методы
Почвенные пробы (5 образцов на каждом участке) были отобраны в течение 2007-2010 гг. в следующих пяти участках территории г.Алматы в соответствии с стандартной методикой отбора проб [16]: на глубине 0-25 см в 5 точках (форма «конверта»). Участки были обозначены следующим образом: № 1 — просп.Райымбека (на пересечении с ул. Пушкина), урбанозем; № 2 — просп. Райымбека (на пересечении с пр.Сейфуллина), урбанозем; № 3 — пр.Райымбека (на пересечении с ул.Розыбакиева), урбанозем; № 4 — теплоэлектроцентраль (ТЭЦ-1), индустризем; № 5 — 25 км от города, контроль (незагрязненная почва).
Подготовку почвенных проб для определения Pb, Cd, Cu и Zn проводили по методике выполнения измерений массовой доли валовых (кислоторастворимых) форм металлов. Извлечение тяжелых металлов из почвенных образцов проводили приливанием к 2 г почвы 5 мл 5М HNO3 и 3 мл Н2О2 для предварительного кислотного разложения в течение 15 мин, затем переносили в СВЧ-печь и, выбрав соответствующую количеству проб программу, подвергали их минерализации. После завершения программы пробы охлаждали и отфильтровывали в цилиндр (мерную колбу на 50 мл) через фильтр с белой лентой, многократно ополаскивая посуду и фильтр бидистиллированной водой, и доводили объем фильтрата до объема 50 мл. В этом растворе измеряли содержание валовых форм (или кислоторастворимых) тяжелых металлов на спектрометре с электротермической атомизацией АА-6650 фирмы «Shumadzu» [17].
Использованные биологические методы определения изменений в педобиоте почв под влиянием тяжелых металлов были просты и традиционны: обилие микроорганизмов оценивали методом посева
почвенной суспензии на твердые питательные среды с последующим подсчетом числа выросших колоний [18] и методом «стеклообрастания» [12, 13]; обилие простейших (Protozoa) — по стандартным методикам (численность инфузорий и жгутиконосцев (в 1 г сухой почвы) методом
предельных разведений навески почвы жидкой питательной средой (сенной настой с почвенной вытяжкой), численность голых амеб - на агаризованной среде в чашках Петри с кольцами [19]; выделение и численность нематод подсчитывали с помощью воронки Бермана [20].
Кроме того, были рассмотрены следующие показатели: уровень рН с использованием pHmeter-150M обычным потенциометрическим методом, количество водорастворимого гумуса — через определение углерода органических соединений, для этого результаты определения углерода в почве умножали на коэффициент 1,724, предполагая, что в гумусе содержится в среднем 58% углерода [21] и почвенное «дыхание» (выделение CO2) методом Т.С. Демкиной [22].
Полученные данные были статистически обработаны с использованием прикладных программ Microsoft Excel и Statistics 6.0.
Результаты
Характеристика почвенных образцов: отобранные почвенные пробы в 3 участках (№ 1, 2 и 3) относятся к центральной части города вблизи автомагистралей; значительная часть почвенного загрязнения была связана с близостью к ТЭЦ-1 (№ 4). Таким образом, выбор почвенных образцов на территории города Алматы был основан на анализе условий окружающей среды.
В табл. 1 представлены данные о присутствии тяжелых металлов в исследованных образцах почв. Содержание, в основном, коррелировало со степенью антропогенного воздействия на окружающую среду в этих участках: низкая концентрация валовых форм (или кислоторастворимых) ТМ наблюдалась в образцах почвы, взятых за пределами города, высокие концентрации — на участках № 3 и 4, то есть в центральной части города на пересечении основных магистралей и вблизи ТЭЦ-1.
Концентрации ТМ в почвенных образцах из первых 4 участков превышали от 2,2 до 4,8 раз по сравнению с контрольным образцом. Изменение содержания всех ТМ показали сезонную зависимость: в осенний период почвы г.Алматы имели большее содержание Pb, Cu и Zn, весной — Cd.
Известно, что жизненная энергия почвенных организмов и их сообществ в значительной степени зависит от концентрации ионов Н+. Мы обнаружили, что почвы г.Алматы имели реакция рН, близкую к щелочной, только контрольные образцы имели нейтральное значение рН, т.е. можно сделать вывод, что почвы с минимальным загрязнением ТМ обладали нейтральной реакцией рН, в то время урбаноземы с высоким уровнем загрязнением имели слабо щелочную и щелочную реакцию (табл. 2).
Самая высокая щелочная реакция была обнаружена в пробах почв, отобранных в районе ТЭЦ-1, сильно загрязненных Pb. Высокую щелочность городских почв мы связываем с несколькими причинами: попаданием в
Таблица 1
Среднее содержание валовых форм тяжелых металлов (мг/кг) в пробах
почв г.Алматы
Весна
Почвенная проба Содержание валовых форм тяжелых металлов, мг/кг
Сё РЬ Си 2п
№ 1 0.51±0.02 44.8±3.0 36.4±2.2 59.6±5.8
№ 2 0.39±0.05 42.1±2.5 43.7±2.5 59.2±5.2
№ 3 0.67±0.07 50.5±3.6 52.7±3.3 59.7±5.4
№ 4 0.41±0.04 63.8±4.1 42.8±2.9 60.7±6.1
№ 5 0.16±0.02 19.8±1.6 21.5±1.9 41.3±4.2
Осень
Почвенная проба Содержание валовых форм тяжелых металлов, мг/кг
Сё РЬ Си 2п
№ 1 0.11±0.03 18.7±1.9 22.6±2.1 36.7±5.4
№ 2 0.16±0.02 20.4±1.3 22.4±2.2 35.7±3.8
№ 3 0.24±0.03 61.4±4.2 36.2±3.5 57.2±3.9
№ 4 0.17±0.02 41.6±3.7 33.5±2.3 49.6±4.5
№ 5 0.05±0.03 15.8±1.7 16.3±2.3 28.4±2.2
Таблица 2
Изменение химических и биологических параметров почвенных образцов
Весна
Почвенная проба pH гумус, % mmol[СО2]/г/час
№ 1 8,34±1,1 2,3±0,47 1,13±0,02
№ 2 8,92±0,9 1,6±0,32 1,18±0,09
№ 3 8,75±0,8 1,0±0,23 1,20±0,03
№ 4 8,49±1,2 1,3±0,26 1,08±0,03
№ 5 7,01±1,0 3,0±0,65 1,16±0,03
Осень
Почвенная проба pH гумус, % mmol[СО2]/г/час
№ 1 7,96±1,5 3,4±0,67 1,14±0,02
№ 2 8,43±1.2 2,7±0,52 1,30±0,02
№ 3 8,71±0,6 2,2±0,42 1,19±0,06
№ 4 8,77±1,6 2,3±0,47 1,15±0,04
№ 5 7,12±1,3 4,2±0,85 1,14±0,03
них через атмосферу карбонатов кальция (источник: большое количество пыли с автомагистралей, в полотне которых содержатся эти вещества), а также других солей, которыми посыпают тротуары и дороги зимой; высвобождение кальция под действием осадков из строительного мусора, имеющего щелочную реакцию. Возможно, что эффект этих источников подщелачивания преобладал над закислением почв, связанный с гидролизом растворимых форм ТМ, содержание которых значительно меньше, чем валовых (кислоторастворимых).
Недостаток растительных остатков на поверхности почвы способствует уменьшению содержания гумуса и питательных веществ, т.к. листовой опад быстро гидролизуется в органические соединения (углеводы, аминокислоты, органические кислоты), обогащая почву водорастворимым гумусом. Искусственное удаление лиственного опада и различные антропогенные факторы приводят к снижению содержания гумуса в городских почвах.
Содержание гумуса было самым высоким во всех образцах весеннего и осеннего периодов отбора проб из контрольного участка (№ 5), несколько ниже на участке № 1, а самая низкая концентрация — в образцах из участка № 3 (в 2,3 раза меньше чем в контрольных почвенных пробах). Образцы почв из участков № 2 и 4 также имели более низкую концентрацию гумуса, чем в контроле, как весной, так и осенью (табл. 2). Содержание гумуса в почвенных образцах осенью было выше, чем весной, его максимальная концентрация была отмечена в контрольных почвенных пробах (№ 5); в урбаноземах его содержание было примерно в 2 раза ниже. Таким образом, низкое содержание гумуса свойственно городским почвам, а его содержание в контрольном участке соответствовало типичным светло-каштановым почвам.
Одним из важных показателей биологической активности почв является интенсивность его «дыхания», т.к. CO2 как конечный продукт разложения органики отражает уровень активности почвенной микрофлоры и активность других биологических процессов в почве. Средние значения выбросов CO2 весной были низкими во всех образцах почв г.Алматы, отобранных на участках вблизи интенсивных автомагистралей. Возможно, что в начале весны, почва не достигла оптимальных параметров, в том числе «дыхания», но мы отметили увеличение выбросов СО2 в городских почв по сравнению с контрольным образцом (табл. 2). В целом, интенсивность выбросов CO2 в городских и контрольных почвенных образцах была выше в осенний период.
Метод «стеклообрастания» показал, что в сообществах организмов урбаноземов доминантами явились токсичные грибы Fusarium и нематоды, в угнетенном состоянии находилась бактериальная флора. Например, соотношение этих групп из самого загрязненного участка (№ 4, ТЭЦ-1) выглядело следующим образом: 40% нематод, 45% Fusarium и бактерий (Pseudomonas, Bacillus, Cytophaga и др.) — 15% (рисунок). Из образцов почвы, взятых в центре города вблизи крупных магистралей, качественный
состав микроценозов был следующим: на нематоды и Епзогшш приходилось около 45%, бактерии составляли оставшиеся 55%, то есть в этих образцах со средними концентрациями ТМ, мы также обнаружили опасные или фитотоксичные организмы, но их количество почти равно числу бактериальных колоний, что показывает средний уровень токсичности этих почвенных проб. Эти данные характеризуют анализируемые почвенные образцы городских почв как токсичными для растений.
№ 1 № 2 № 3 № 4 № 5
Содержание педобионтов в пробах почв
В почвенных образцах, взятых из условно чистых почв (№ 5) наблюдалась иная картина: грибы и нематоды в небольших количествах (около 5 и 8% соответственно), и значительно больше бактериальных колоний. Использование простых и быстрых методов с подсчетом количества нематод и грибов Fusarium в качестве индикатора позволило нам выявить почвы с максимальной концентрацией ТМ.
В табл. 3 представлены усредненные данные о количественном и качественном составе микрофауны в исследованных почвенных образцах. Наиболее чувствительной группой по отношению к ТМ оказались инфузории: их снижение в урбаноземах составило 1,7 раз по сравнению с контролем. Снижение обилия представителей остальных 2 групп было от 1,2 до 1,3 раза.
Зависимость от сезона была четко выражена для образов урбаноземов: 1) обилие инфузорий и жгутиконосцев было выше осенью (2,3 и 2 раза соответственно); 2) число голых амеб было ниже в 1,7 раза весной. Мы предполагаем, что это связано с сезонными почвенными условиями, в частности, с повышением влажности почвы. В контрольных почвенных пробах (не загрязненных ТМ) жгутиконосцы были доминирующей группой как весной, так и осенью (69,9 и 82,4% соответственно) и голые амебы — весной (14,3%), субдоминантами — инфузории как весной, так и осенью (6,7 и 9,4% соответственно), и голые амебы — осенью (8,3%). В урбаноземах абсолютными доминантами вне зависимости от сезона были жгутиконосцы (69,2% от общего числа Protozoa весной и 83,3% — осенью); обилие голых
Таблица 3
Сравнение количества Protozoa (х 103 клеток/г) в почвенных пробах
Объект Контроль Урбанозем
Весна
Инфузории 6,8±1,22 4,0±1,1
Жгутиконосцы 71,5±3,6 55,1±3,1
Голые амебы 24,0±2,3 20,5±2,03
Осень
Инфузории 15,6±1,5 12,2±1,6
Жгутиконосцы 137,5±5,2 119,3±6,8
Голые амебы 13,8±1,7 11,8±1,4
амеб (25,8%) в городских почвах весной также позволило включить их в доминанты.
Выводы
1. Низкое содержание ТМ наблюдали в пробах почв, взятых за пределами города, и самое высокое — в центральной части города на пересечении основных магистралей и возле ТЭЦ-1.
2. Контрольные образцы имели нейтральный рН, а городские почвы показали слабощелочные и щелочные значения.
3. Самое высокое содержание водорастворимого гумуса обнаружено в контрольной пробе за пределами города, самое низкое — в городских и промышленных почвах.
4. «Дыхание» городских почвенных образцов было меньше в 1,1—1,3 раза по сравнению с контрольными образцами.
5. Определен состав микроценозов почвенных проб: (а) загрязненная почва: 40% нематод, 45% Fusarium, 15% бактерий; (б) незагрязненная почва: около 85% бактерий.
6. Наиболее чувствительной группой из Protozoa оказались инфузории, наиболее устойчивой — голые амебы.
Таким образом, в городских почвах отмечено высокое содержание ТМ и снижение значений некоторых почвенных характеристик (рН, содержание гумуса, почвенное «дыхание»). Состав почвенных ценозов г.Алматы изменялся: большое количество нематод, Fusarium и голых амеб, что отражало фитотоксичность почв.
Список литературы
1. Химический состав почв г.Москва и г.Дубна / И.И.Судницын [и др.] //
Агрохимия. 2009. №7. С.66-70.
2. Галиулин Р.В., Галиулина Р.А., Возняк В.М. Распределение бенз(а)пирена, мышьяка и тяжелых металлов в системе почва-растение-вода-донные отложения // Агрохимия. 2009. №3. С.16-20.
3. Бейсариева Ж.С. Экологическая обстановка в Республике Казахстан // Сб. статей. Алматы: Изд-во Департамента статистики, 2007. С.86-92.
4. Матвейко Н.П., Алферов С.В. Загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами и фосфатами при использовании синтетических моющих средств // Изв. ТулГУ. Естественные науки. 2011. Вып.1. С.281-290.
5. Майстренко В.Н., Хамитов Р.З., Будников Г.К. Эколого-аналитический мониторинг суперэкотоксикантов. М.: Химия, 1996. 319 с.
6. Экологическая карта города Алматы. Суммарное загрязнение почвы свинцом, цинком, кобальтом, никелем, хромом, медью, молибденом, магнием, ванадием, серебром, оловом, фосфором и вольфрамом. М 1:25000 / М.А.Чимбулатов [и др.]. Алматы. 1998.
7. Обухов А.И. Методические основы разработки ПДК тяжелых металлов и классификация почв по загрязнению // Система методов изучения почвенного покрова, деградированного под влиянием химического загрязнения: сб. науч. трудов. М.: МГУ, 1992. С.13-20.
8. Ильин В.Б. Система показателей для оценки загрязненности почв тяжелыми металлами // Агрохимия. 1995. №1. С.94-99.
9. Биоиндикация и экологическое нормирование на примере радиоэкологии / Д.А. Криволуцкий [и др.] // Журнал общей биологии. 1986. Т.47. №4. С.468-478.
10. Биоиндикация загрязнения наземных экосистем /под ред. Р.Шуберта. М.: Изд-во Мысль, 1988. 345 с.
11. Ильин В.Б. О надежности гигиенических нормативов содержания тяжелых металлов в почве // Агрохимия. 1992. №12. С.78-85.
12. Холодный Н.Г. Методы непосредственного наблюдения почвенной микрофлоры // Микробиология. 1935. Т.4. Вып.2. С.153-164.
13. Методические указания к использованию клеточных мембран для контроля за развитием микроскопических грибов в почвах. Л.: ЛГУ. 1979. 18 с.
14. Broos K., Mertens J., Smolders E. Toxicity of heavy metals according to the different tests based on soil microbiology and plant growth: a comparative study // J. Toxicol. Chem. 2005. V.24. №3. P.634-640.
15. Гельцер Ю.Г. Методы изучения почвенных простейших /Почвенные простейшие: сб. науч. трудов ЛГУ. Л.: Наука, 1980. С.154-164.
16. ГОСТ 17.4.3.01-83 (СГ СЭВ 3347-82). Общие требования к отбору проб. Введ. 1983-01-01. М.: Изд-во стандартов, 1983. 58 с.
17. Методика выполнения измерения массовой доли подвижных форм металлов: РД 52.18.269-90. М.: Изд-во стандартов, 1990. 35 с.
18. Практикум по микробиологии / А.И.Нетрусов [и др.]. М.: МГУ, 2005. 608 с.
19. Гиляров М.С. Зоологический метод диагностики почв. М.: Наука, 1965. 265 с.
20. Количественные методы почвенной зоологии: сб. M.: Наука, 1987. 332 с.
21. Пономарева В.В., Плотникова Т.А. Определение группового и фракционного состава гумуса по схеме И.В. Тюрина, в модификации В.В.Пономаревой и Т.А. Плотниковой // Агрохимические методы исследования почв: сб. МГУ. М.: Наука, 1975. С.47-55.
22. Демкина Т.С. Определение скорость продукции СО2 почвой в полевых
условиях // Агрохимия. 1989. №3. С.112-115.
Мынбаева Бахыт Настроена (bmynbayeva@gmail.com), к.б.н., профессор, кафедра естественных специальностей, Казахский педагогический университет, г. Алматы, Казахстан.
Панин Михаил Семенович (pur@sgpi.kz), д.б.н., профессор, Педагогический институт, Семей, Казахстан.
Есимов Болат Кабдушевич (nur-nab@mail.ru), к.б.н., доцент, кафедра естественных специальностей, Казахский педагогический университет, г. Алматы, Казахстан.
Establishment of Almaty city’s soil toxicity through changes in the microfauna composition
B. N. Mynbayeva, M. S. Panin, B. K. Esimov
Abstract. In the paper we were held the determination of Almaty city soil’s toxicity using the indicators-pedobioters. It is shown that the relation between nematodes, Fusarium and bacteria in soil, contaminated by heavy metals, amounted to 40, 4Б and 1Б% respectively. Pure soil had the dominant bacterial forms (up to 8Б%). The changed composition pedobioters: the predominance of nematodes, fungi and naked amoebae, was evidence about the toxicity of Almaty city soils. Sensitive organisms to heavy metals were identified as bacteria and ciliates. All urban soils contained heavy metals, had alkaline pH values, low values of humus and CO2.
Keywords: heavy metals, the toxicity of the soils, bioindicators, microfauna.
Bahkyt Mynbayeva (bmynbayeva@gmail.com), candidate of biological sciences, professor, department of natural specialties, Kazakh Teachers’ Training University, Almaty, Kazakhstan.
Michael Panin (pur@sgpi.kz), doctor of biological sciences, professor, Teachers’ Training Institute, Semei, Kazakhstan.
Bolat Esimov (nur-nab@mail.ru), candidate of biological sciences, associate professor, department of natural specialties, Kazakh Teachers’ Training University, Almaty, Kazakhstan.
Поступила 12.11.2011
