CC BY
79
УДК 504.064.2
УСТАНОВЛЕНИЕ ЗОНЫ ВЛИЯНИЯ ПОЛИГОНА ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ НА ПОЧВЫ ПО СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНЫМ ИЗМЕНЕНИЯМ МИКРОБНЫХ СООБЩЕСТВ1
Т.О. Попутникова, В.А. Терехова
В целях экологического мониторинга состояния почв на территориях, прилегающих к полигону твердых бытовых отходов (ТБО), применен ряд структурно-функциональных параметров микробных сообществ. Установлены различие микробиологических показателей по чувствительности к загрязнению, зона влияния полигона в направлении миграции загрязнения по суммарной нарушенное™ почвенных микробных сообществ.
Ключевые слова: биомониторинг, загрязнение, микромицеты, почвы, сообщества микроорганизмов, твердые бытовые отходы.
Введение
Экологический мониторинг на объектах размещения отходов и прилегающих к ним территорий установлен российским законодательством. В соответствии с Федеральным законом об отходах производства и потребления № 89-ФЗ от 24.06.98 исследования по вредному воздействию отходов на окружающую среду должны проводиться по широкому спектру абиотических и биотических показателей. Актуальна проблема выделения зон реального воздействия и потенциальной экологической опасности предприятия-загрязнителя [13]. Эффективность и информативность показателей для зонирования территории, прилегающей к объектам размещения отходов (ОРО), неодинаковы. Анализ почвенных микробных сообществ признается одним из наиболее сложных разделов локального экологического мониторинга [10]. Вместе с тем он необходим, поскольку именно микроорганизмы, участвуя в самоочищении почв, трансформации органического материала и образовании гумуса, ответственны за плодородие и экологическое качество почвы [5]. Почвенные микроорганизмы являются чуткими индикаторами на различные изменения в среде [11]. Динамичность подавляющего большинства микробиологических параметров необычайно высока, в связи с этим требуется тщательное изучение эффективности их применения при оценке вредного воздействия на окружающую среду таких сложных объектов, как полигоны отходов.
Негативное влияние ОРО является общероссийской проблемой. Только в Московской обл. размещено 59 полигонов ТБО, не считая многочисленных стихийных свалок и захламленных терри-
торий [4]. Особенностью полигонов является многокомпонентный состав основного агента загрязнения — фильтрата, который представляет собой водный раствор, насыщенный продуктами деградации отходов.
Нами предпринята попытка провести зонирование территории, прилегающей к полигону ТБО, по степени нарушенности на основе изменчивости ряда структурно-функциональных параметров микробных сообществ.
Объект, материалы и методы исследования
Исследования проводили на одном из полигонов ТБО в Московской обл. По степени соблюдения природоохранных требований он относится к категории потенциально опасных [3, 7, 12]. Работы по химической оценке почв и некоторых других компонентов окружающей среды (воды, донные отложения водотоков) вели в течение трех лет. Установлено, что фильтрат полигона характеризуется высоким, варьирующим во временной динамике содержанием целого ряда загрязняющих элементов, в среднем по годам в десятки и сотни раз превышающим ПДК для вод хозяйственно-бытового назначения (ртуть, хром, марганец и другие токсичные элементы, обусловленные захоронением на полигоне бытовых и промышленных отходов), и распространяется по ближайшим водотокам — дренажным канавам и реке (рис. 1). Почвенный покров в окрестностях полигона представлен дерно-во-неглубокоподзолистыми среднесуглинистыми и дерново-глеевыми почвами. В санитарно-защитную зону полигона (500 м) входят земли лесного фонда.
1 Работа выполнена при частичной финансовой поддержке гранта программы Президиума РАН «Биоразнообразие».
Авторы признательны докт. биол. наук А.С.Яковлеву, докт. биол. наук Н.В. Верховцевой за помощь в выполнении газохро-матографического — масс-спектрометрического исследования состава микробного сообщества, а также докт. биол. наук. Н.В. Мо-жаровой и канд. биол. наук С.А. Кулачковой за помощь в проведении анализа почвенного дыхания в газогеохимической лаборатории МГУ.
Рис. 1. Схема расположения полигона ТБО и точек пробо-отбора
Планомерные биологические исследования территорий вокруг полигона ранее не проводились.
Выбранное для данного исследования направление отбора поверхностно-смешанных почвенных проб (транссекта) совпадает с основным путем миграции загрязняющих веществ по водотокам на юго-восток. Материалом для биологического исследования служили пробы почв, отобранные в следующих точках:
1 — насыпной грунт с поверхности полигона;
2 — 10 м на юг от полигона, зона разгрузки фильтрата в дренажные канавы; почвы периодически подтапливаются фильтратом;
3 — 30 м на север от полигона, подъездная дорога к полигону;
4—9 — точки отбора, удаленные от полигона на 250, 500, 950, 1500, 2000 и 3000 м (по водотоку);
Фон — фоновая почва, не испытывающая воздействия полигона, автомагистрали, железной дороги и расположенных поблизости предприятий.
Для оценки структурных и функциональных показателей развития микробных сообществ применяли как традиционные, так и новые методы исследования. Учет общей численности грибов проводили методом посева образцов в чашки Петри на подкисленный для подавления роста бактерий агар Чапека [9]. Видовой состав и структуру микробного сообщества почв определяли методом газовой хроматографии — масс-спектрометрии (ГХ-МС) [1, 15]; структуру грибной биомассы (соотношение спор и мицелия) — методом люминесцентной микроскопии при окрашивании препаратов суспензии почв специфическим для грибов флюорохромом Fluorescent Brightener 28; активность почвенного дыхания — по эмиссии углекислого газа на газовом хроматографе «Кристаллюкс 4000 М» с детектором по теплопроводности [9].
Результаты и их обсуждение
На основании данных предшествующего химического анализа был посчитан суммарный показатель загрязнения почв (Zc) по Саету [2, 8], значения которого на удалении 300 и 500 м от полигона свидетельствуют о его опасном уровне (61,5 и 61,1 соответственно), на расстоянии 950 м уровень загрязнения допустимый (Zc = 2,2). В почвах, ото-
бранных на расстоянии до 1 км от полигона, отмечается превышение кислоторастворимых форм меди и никеля до 7 ПДК.
Результаты исследования микробиоты почв на разном удалении от полигона ТБО показали, что некоторые функциональные и структурные показатели хорошо маркируют изменения бактериальных и грибных сообществ в исследуемом направлении от полигона. При этом отклонения значений разных микробных характеристик от показателей, свойственных фоновому (условно ненарушенному) образцу, существенно различались (таблица).
Воздействие полигона как загрязнителя окружающей среды на почвы прилегающих к полигону территорий выражается в стимулировании развития почвенной микробиоты, увеличении ее численности, биомассы и биоразнообразия (по объему биомассы определенных видов), увеличении споровой биомассы в составе грибов, более активном почвенном дыхании. Методы, примененные в данной работе, диагностируют эффект влияния полигона на неодинаковых расстояниях. Основываясь на степени отличий рассмотренных показателей от фоновых значений в разных точках по градиенту удаления от полигона, по убыванию чувствительности к загрязнению почв фильтратом полигона ТБО, их можно расположить в следующем порядке: соотношение численности почвенных грибов, посчитанных прямым методом (люминесцентная микроскопия) и методом посева; общая грибная биомасса > почвенное дыхание; видовое разнообразие бактериальной биомассы; общая бактериальная биомасса > доля спор в грибной биомассе. Коэффициент соотношения ЧГм к ЧГп, по данным [6], обнаруживает высокую обратную корреляцию с содержанием тяжелых металлов в почве и показывает долю грибов, которые не высеваются на питательную среду.
Для обобщения полученных данных в целях зонирования сделан расчет индекса нарушенности (П), характеризующего степень отклонения совокупности биотических показателей в исследуемых пробах от фоновых значений, по формуле
П = -
п У 1 - C
C фон
i =1
где С — абсолютное значение показателя, Сфон — фоновая величина. Расчет П произведен по кратно-стям отклонения биологических показателей от фоновых величин (как в положительную, так и в отрицательную сторону) по формуле, отражающей суммарную степень отклонения биологического отклика от фона в диапазоне значений от 0 до 1. На рис. 2 представлены итоговые значения П для почв, отобранных по градиенту удаления от полигона ТБО.
n
Значения структурных и физиологических показателей микробиоты в почвенных образцах по мере удаленности от полигона ТБО и степень их отклонения от фоновых величин
Микробиологические показатели Почвенные образцы, отобранные в районе размещения полигона ТБО
1 2 3 250 м 500 м 950 м 1500 м 2000 м 3000 м фон
Общая бактериальная биомасса (метод ГХ-МС)
БМ, кл/г почвы • 106 23,49 64,63 74,37 50,83 43,90 52,49 32,79 39,65 47,37 64,13
Отклонение от фона, разы 0,37 1,01 1,16 0,79 0,68 0,82 0,51 0,62 0,74
Видовое разнообразие бактериальной биомассы, по Шеннону (метод ГХ-МС)
Индекс Шеннона, Н 1,06 1,84 1,78 1,22 1,37 1,40 1,17 1,23 1,07 1,59
Отклонение от фона, разы 0,66 1,15 1,12 0,77 0,86 0,88 0,74 0,77 0,67
Общая грибная биомасса (метод ГХ-МС)
ГБ, мкг/г почвы 5,61 39,02 41,05 37,54 42,61 33,94 14,11 11,94 9,92 13,28
Отклонение от фона, разы 0,42 2,93 3,09 2,83 3,21 2,55 1,06 0,89 0,75
Доля спор в грибной биомассе (метод люминесцентной микроскопии)
Доля спор, % 99,7 95,04 96,34 97,25 98,27 95,03 94,19 98,99 99,96 88,76
Отклонение от фона, разы 1,12 1,07 1,08 1,09 1,10 1,07 1,06 1,11 1,12
Почвенное дыхание (метод газовой хроматографии)
Эмиссия СО2, мкМоль/г почвы • ч 0,43 1,85 1,56 1,83 1,76 0,90 1,50 1,17 0,66 1,14
Отклонение от фона, разы 0,37 1,62 1,37 1,61 1,54 0,79 1,31 1,02 0,58
Численность почвенных грибов (метод люминесцентной микроскопии)
ЧГм, единицы пропагул • 106/г почвы 5,15 3,96 2,12 4,25 3,73 3,18 1,55 3,25 4,41 1,30
Отклонение от фона, разы 3,96 3,05 1,63 3,27 2,87 2,45 1,19 2,50 3,39
Численность почвенных грибов (метод посева на агар Чапека)
ЧГП, КОЕ • 103/г почвы 0,83 45,83 9,67 8,33 14,67 9,50 32,67 35,33 5,50 8,00
Отклонение от фона, разы 0,10 5,73 1,21 1,04 1,83 1,19 4,08 4,42 0,69
Коэффициент отношения ЧГм к ЧГп
К = ЧГм/ЧГп, раз • 103 6,20 0,08 0,22 0,51 0,25 0,33 0,05 0,09 0,80 0,16
Отклонение от фона, разы 38,75 0,50 1,37 3,19 1,56 2,06 0,31 0,56 5,00
Если суммарное загрязнение почв тяжелыми металлами по показателю 2с уже на расстоянии 950 м
зона 250 м 500 м 950 м 1500 м 2000 м 3000 м разгрузки фильтрата
Рис. 2. Индекс нарушенности (Л) почв, отобранных по удалению от полигона ТБО
(по преимущественному направлению миграции загрязнения) от полигона ТБО оказывается допустимым [2], то биологическими методами 30%-е отличие от фона (соответствующее норме для суммарных показателей [14]) по индексу нарушенности Л отмечается лишь на расстоянии 1500 м от полигона, т.е. за пределами санитарно-защитной зоны полигона. Большое значение показателя Л в точке отбора на расстоянии 3000 м от полигона, вероятно, связано с тем, что в реку впадает поток вод, проходящий через дачные участки и садовые товарищества.
Таким образом, микробиологические методы оказываются более чувствительными к влиянию загрязнения многокомпонентного состава. Рассмотренные показатели изменения экологического состояния почв позволяют объективно охарактеризовать степень изменения и дать более полную информацию, чем дорогостоящие химические анализы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Верховцева Н.В., Осипов Г.А. Метод газовой хроматографии — масс-спектрометрии в изучении микробных сообществ почв агроценоза // Проблемы агрохимии и экологии. 2008. № 1.
2. Геохимия окружающей среды / Под ред. Ю.Е. Са-ета, Б.А. Ревича, Е.П. Янина и др. М., 1990.
3. Грибанова Л.П., Гудкова В.Н. Типизация полигонов Московской области // Рециклинг отходов. 2007. № 6 (12).
4. Грибанова Л.П., Киселев А.В. Экологическое состояние полигонов и свалок ТБО Московской области, оценка их влияния на окружающую среду // Твердые бытовые отходы. 2006. № 4 (10).
5. Добровольский Г.В., Никитин Е.Д. Сохранение почв как незаменимого компонента биосферы: функционально-экологический подход. М., 2000.
6. Колесников С.И., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. Экологическое состояние и функции почв в условиях химического загрязнения. Ростов н/Д, 2006.
7. Комплексное изучение территории полигонов ТБО Московской области и составление прогнозов изменения геологической среды. Т. II. М., 1992.
8. Методические указания МУ 2.1.7.730-99. Гигиеническая оценка качества почвы населенных мест. М., 1999.
9. Методы почвенной микробиологии и биохимии / Под ред. Д.Г. Звягинцева. М., 1991.
10. Мотузова Г.В., Безуглова О.С. Экологический мониторинг почв. М., 2007.
11. Терехова В.А. Микромицеты в экологической оценке водных и наземных экосистем. М., 2007.
12. Чекушина Е.В., Каминская А.А. Мониторинг экологии свалок и полигонов // Мат-лы конф. «Сотрудничество для решения проблемы отходов». Харьков, 2005.
13. Яковлев А.С. Проблемы оценки и регулирования воздействия объектов размещения отходов на окружающую природную среду // Использование и охрана природных ресурсов. Бюллетень. М., 2007. № 1 (91).
14. Яковлев А.С, Никулина Ю.Т., Евдокимова М.В. Принципы экологического нормирования почв земель разного хозяйственного назначения // Фундаментальные достижения в почвоведении, экологии, сельском хозяйстве на пути к инновациям: Тезисы докл. М., 2008.
15. Bobbie R.J., White D.C. Characterization of bentic microbial community structure by high resolution gas chromatography of fatty acid methyl esters // Appl. Environ. Microbiol. 1980. Vol. 39.
Поступила в редакцию 11.09.2009
ESTABLISHMENT OF LANDFILL IMPACT ZONE ON SOILS USING
STRUCTURAL AND FUNCTIONAL MODIFICATIONS OF MICROBIAL COMMUNITIES
T.O. Poputnikova, V.A. Terekhova
A number of structural and functional parameters of microbial communities have been applied for ecological monitoring of soils, located nearby landfills. The difference in sensitivities between different microbial indices was shown. Landfill impact zone in the direction of pollution migration was established using total disturbance index of soil habitat microbial communities.
Key words: biomonitoring, pollution, micromycets, soils, microbial communities, solid waste.
Сведения об авторах. Попутникова Татьяна Олеговна, аспирант каф. земельных ресурсов и оценки почв ф-та почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова; тел.: (495) 939-28-63, e-mail: [email protected]. Терехова Вера Александровна, докт. биол. наук, вед. науч. сотр. Ин-та проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН, зав. лабораторией эко-токсикологического анализа почв ф-та почвоведения МГУ; тел.: (495) 939-28-63, e-mail: [email protected]
