Влияние загрязнения тяжелыми металлами (Ва, Mn, Sb, Sn, Sr, v, w) на экологическое состояние чернозема обыкновенного Текст научной статьи по специальности «Биологические науки»

ISSN 0321-3005 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РЕГИОН. ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ. 2008. № 2

УДК 574; 631.46

ВЛИЯНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ (Ba, Mn, Sb, Sn, Sr, V, W) НА ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ЧЕРНОЗЕМА ОБЫКНОВЕННОГО

© 2008 г. С.В. Пономарева, С.И. Колесников

The pollution by the investigated heavy metals, as a rule, conducts to deterioration of an ecological condition of chernozem. The degree of change depends on a nature of an element, concentration it in soil, form of chemical connection, term from the moment of pollution. On a degree of negative influence on properties of chernozem the ordinary investigated elements settle down as follows: Sn > W > Sb > Sr > V > Ba > Mn.

Существенный вклад в деградацию почвенного покрова во всем мире вносит загрязнение тяжелыми металлами (ТМ), которые относят к приоритетным загрязняющим веществам. Однако не все ТМ исследованы в равной степени, и экологические последствия их поступления в почву изучены недостаточно.

Цель настоящей работы - определение основных закономерностей влияния Ва, Мп, Sb, Sn, Sr, V, W на экологическое состояние чернозема обыкновенного.

В качестве объекта исследования был использован чернозем обыкновенный южно-европейской фации, распространенный на огромных площадях Юга России. Отбор почвы для модельных опытов производился на территории опытно-полевого хозяйства ДонГАУ, п. Персиановский, Ростовская область. Почва для модельных экспериментов была отобрана из пахотного горизонта.

Исследовалось загрязнение почвы ТМ третьего класса опасности: марганцем (Мп), барием (Ва), ванадием (V), вольфрамом стронцием ^г), а также сурьмой ^Ь), относящейся ко второму классу опасности и оловом ^п), который не отнесен ГОСТом 17.4.1.02-83 [1] ни к одному из классов опасности, но часто встречается как загрязняющее вещество. Все другие элементы соответствующего ГОСТа были исследованы по аналогичной методике ранее [2].

Для решения поставленных задач был заложен ряд модельных опытов. ТМ вносили в почву в форме оксидов (Мп02, BaO, WO3) и хлоридов (МпС12, BaQ2, SbQ2, SnCl2, SrCl2). Изучали действие разных концентраций загрязняющих веществ. Содержание ТМ в почве выражали в ПДК (если таковое для данного элемента разработано) или в УДК - условно допустимой концентрации (если ПДК элемента в почве не разработано) (табл. 1). ПДК Мп в почве составляет 1500 мг/кг, Sb и Sn - 4,5, V - 150 мг/кг. Для остальных элементов (Ва, Sr и W) были определены УДК, равные трем фоновым концентрациям элемента в почве, на том основании, что ПДК Мп, Sb и Sn составляют около трех их фоновых концентраций в

почве. Таким образом, УДК Ва в почве определили как 1500 мг/кг, Sr - 750, W - 4,5 мг/кг.

В почву вносили 1, 10 и 100 ПДК (УДК) элемента (табл. 1).

Таблица 1

Использованные ПДК и УДК элементов в почве (валовое содержание), мг/кг почвы

Элемент Кларк в почве [3] Кларк в черноземах [4] ПДК [5] УДК

Ba - 500 - 1500

Mn 1000 500 1500 -

Sb 1 1 4,5 -

Sn 4 1,5 4,5 -

Sr 250 250 - 750

V 90 50 150 -

W 1,5 - - 4,5

Почву инкубировали при комнатной температуре и оптимальной влажности. Лабораторно-аналитические исследования экологического состояния почвы проводили через 10, 30 и 90 дней после загрязнения с использованием общепринятых в экологии, биологии и почвоведении методов [6, 7].

Определяли численность аммонифицирующих бактерий, микроскопических грибов и бактерий рода Azotobacter, активность каталазы и инвертазы, цел-люлозолитическую способность, показатели фитоток-сичности почв и др.

С целью выявления общих закономерностей воздействия того или иного негативного фактора, в частности, загрязняющего вещества, на экологическое состояние почв был использован интегральный показатель биологического состояния почвы (ИПБС), который определяется на основе наиболее информативных показателей биологической активности почвы [8].

В результате исследования установлено следующее. Загрязнение исследованными ТМ (Ва, Мп, Sb, Sn, Sr, V, W) в подавляющем большинстве случаев ведет к ухудшению эколого-биологических свойств чернозема обыкновенного (табл. 2, рисунок).

ISSN 0321-3005 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РЕГИОН. ЕСТЕСТВЕННЫЕ НАУКИ. 2008. № 2

Таблица 2

Изменение интегрального показателя биологического состояния (ИПБС) чернозема обыкновенного при загрязнении ТМ, % от контроля

Элемент Срок, Содержание элемента в почве

сут Контроль 1 ПДК 10 ПДК 100 ПДК

BaO 10 100 94 57 43

30 100 88 60 37

90 100 85 59 39

В среднем 100 89 59 40

BaCl2 10 100 93 67 47

30 100 82 64 55

90 100 77 62 54

В среднем 100 84 64 52

MnO2 10 100 86 75 52

30 100 91 75 57

90 100 85 65 57

В среднем 100 87 72 55

MnCl2 10 100 97 66 48

30 100 79 70 56

90 100 79 71 56

В среднем 100 85 69 53

SbCl2 10 100 94 88 80

30 100 89 81 66

90 100 86 80 67

В среднем 100 89 83 71

SnCl2 10 100 94 81 66

30 100 91 80 64

90 100 85 76 60

В среднем 100 90 79 63

SrCl2 10 100 87 80 56

30 100 77 67 57

90 100 77 63 57

В среднем 100 80 70 57

V2O5 10 100 105 74 50

30 100 85 66 38

90 100 84 66 49

В среднем 100 92 69 46

WO3 10 100 101 89 66

30 100 94 79 61

90 100 85 79 56

В среднем 100 93 83 61

Примечание: ИПБС почв рассчитан по следующим показателям биологической активности: численности аммонифицирующих бактерий, микроскопических грибов, бактерий р. Azotobacter, активности каталазы, инвертазы, целлюлозолитической активности.

Степень изменения зависит от природы элемента, концентрации его в почве, формы химического соединения, срока от момента загрязнения.

По степени негативного воздействия на свойства чернозема обыкновенного исследованные элементы располагаются следующим образом: Ва > Sr = V > Мп > > Sn > W > Sb (если за единицу содержания элемента в почве принять ПДК); Sn > W > Sb > Sr > V > Ва > >Мп (за единицу содержания элемента в почве принять мг/кг); W > Sn > Sb > Sr > Ва > Мп > V (за единицу содержания элемента в почве принять моль/кг).

В большинстве случаев отмечена прямая зависимость между концентрацией загрязняющего вещества и степенью ухудшения исследуемых свойств чернозема обыкновенного.

Исследование динамики изменения биологического состояния почвы после загрязнения показало, что негативное воздействие со временем (до 90 сут) не ослабевает, а несколько усиливается.

Южный федеральный университет_

Хлорид марганца, будучи хорошо растворимым в воде соединением, оказывает более сильное негативное воздействие на состояние почвы, чем оксид марганца, что типично для большинства ТМ.

120

100 80 60 40 20 0

Ва Мп БЬ вп вг V W

□ Контроль □ 1 ПДК (УДК) И 1 ПДК (УДК) И 1 ПДК (УДК)

Изменение ИПБС чернозема обыкновенного при загрязнении ТМ (в среднем по трем срокам загрязнения), % от контроля

Оксид бария является более опасным, чем хлорид, поскольку при взаимодействии образует щелочь и значительно подщелачивает почвенную среду.

По степени чувствительности (по степени снижения значений) к загрязнению исследованными ТМ биологические показатели располагаются следующим образом: численность бактерий рода Azotobacter > численность микроскопических грибов >= численность аммонифицирующих бактерий > целлюлозолитическая активность > активность каталазы > активность инвертазы. Более чувствительными являются микробиологические показатели, менее чувствительными - биохимические.

По степени информативности (тесноте корреляции с концентрацией загрязняющего вещества в почве) при загрязнении исследованными ТМ биологические показатели располагаются следующим образом: численность микроскопических грибов >= активность каталазы > численность аммонифицирующих бактерий > численность бактерий рода Azotobacter >= целлюлозолитиче-ская активность > активность инвертазы.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ (гранты № 07-04-00690-а и № 07-04-10132-к) и Роснауки (грант Президента РФ № МД-3155.2007.4).

Литература

1. ГОСТ 17.4.1.02-83. Охрана природы. Почвы. Классификация химических веществ для контроля загрязнения.

2. Колесников С.И., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. Экологическое состояние и функции почв в условиях химического загрязнения. Ростов н/Д, 2006.

3. Торшин С.П., Удельнова Т.М., Ягодин Б.А. // Успехи современной биологии. 1990. Вып. 2. Т. 109. С. 279-292.

4. Шеуджен А.Х. Биогеохимия. Майкоп, 2003.

5. Касьяненко А.А. Контроль качества окружающей среды. М., 1992.

6. Методы почвенной микробиологии и биохимии / Под ред. Д.Г. Звягинцева. М., 1991.

7. Казеев К.Ш., Колесников С.И., Вальков В.Ф. Биологическая диагностика и индикация почв: методология и методы исследований. Ростов н/Д, 2003.

8. Колесников С.И, Казеев К.Ш., Вальков В. Ф. Экологические последствия загрязнения почв тяжелыми металлами. Ростов н/Д, 2000.

_13 февраля 2008 г.

%