Содержание к диссертации
Введение 5
Глава 1. Взаимодействие биота—антропогенная нагрузка на
различных уровнях интеграции биологических 17
систем
-
Воздействие промышленного производства на биосферу 17
-
Стресс как один из механизмов адаптации живых организмов и систем различных уровней биологической интеграции 25
-
Биоиндикация состояния почвы в зонах антропогенного
влияния 32
1.4. Почвенные ферменты 37
1.5 Проблемы использования воды на территории Уральского
региона 52
Глава 2. Характеристика природных условий районов исследований. 60
Объекты и методы исследований
-
Местоположение пробных площадей ,.... 60
-
Природная характеристика районов исследования 61
-
Климатический режим районов исследования 65
-
Объекты исследования 67
-
Методы исследования 78
Глава 3. Ферментативная активность лесной подстилки и почвы в
техногенных зонах Свердловской области 86
-
Техногенная нагрузка на почвенные экосистемы в районе ПКЗ (Полевской криолитовый завод) 86
-
Активность оксидоредуктаз в профилях почвенного разреза сосновых насаждений в зоне влияния ПКЗ 88
3.2.1.Полифенолоксидаза( 1.10.3.1) 89
-
Сульфатредуктаза (1.8.3) 92
-
Каталаза(1.11.1.5) 97
3,2.4.Пероксидаза(КФ 1.11.1.7) 14
3.2.5. Дегидрогеназы(КФ1.1.1) W?
3.3. Активность гидролитических ферментов 112
3.3.1.Целлюлаза(р-1,4глюкан-глюкогидролазаКф.3.2.1.4.) П2
3.3.2. Численность целлюлозоразрушающих микроорганизмов на среде
Гетчинсона 117
З.З.З.Инвертаза(КФ 3.2.1.2.6) 119
3.3.4. Протеаза (КФ 3.4.4) 123
Глава 4, Микрофлора лесной подстилки и почвы сосновых
насаждений в зоне сильного промышленного загрязнения ПКЗ 134
Глава 5. Биологическая активность в лесной подстилке и почве сосновых насаждений при действии преимущественно серосодержащих соединений и фторсодержащих промышленных
аэрополлютантов 167
Глава 6. Изменения в биологической активности лесной подстилки и
почвы сосновых насаждений в зоне загрязнения серосодержащими
соединениями и тяжёлыми металлами 200
Глава 7. Развитие экологического стресса в почвенных экосистемах
техногенных территорий 217
7.1.Развитие « адаптационного синдрома» в почвах лесных
биогеоценозов Свердловской области подверженных техногенному
загрязнению 218
-
Метод биоиндикационной оценки состояния почвы в зонах деятельности промышленных объектов по выявлению стадии стресса в почвенных экосистемах 225
-
Дестабилизация микробоценозов при развитии « адаптационного синдрома» в почвах лесных биогеоценозов подверженных
антропогенному загрязнению 244
Глава 8. Состояние биологической активности почвы в зонах
загрязнения отходами животноводства 259
Глава 9. Влияние отходов свиноводства на санитарно-гигиеническое
состояние и биологическую активность почв 279
-
Санитарно-гигиеническое состояние почв в исследуемых хозяйствах 279
-
Активность фермента каталазы в почве 285
-
Активность фермента уреазы в почвах свиноферм Свердловской области 293
-
Активность фермента нитратредуктазы в почвах
свиноферм 302
9.5. Характеристика почвенных экосистем хозяйства «Балтым» по
результатам ферментативной активности 307
Глава 1.0. Влияние отходов животноводства на состояние
поверхностных водоисточников ЗИ
10.1 Общая характеристика поверхностных и подземных вод на
территории Свердловской области 311
-
Санитарно-гигиеническое состояние воды в исследуемых хозяйствах 314
-
Биологическая активность сточных вод, попадающих в 317 поверхностные водоисточники (совхоз Горноуральский»)
-
Биоиндикация состояния водоисточников контаминированных отходами птицефабрики «Свердловская» 322
-
Потенциальная активность ферментов нитратредуктазы и уреазы
при различных уровнях загрязнения поверхностных
водоисточников 336
Заключение 342
Библиографический список использованной литературы J J
Приложения:
Приложение 1. Морфологическое описание почвенных разрезов
пробных площадей 400
Приложение 2. Ферментативная активность лесной подстилки и почвы в зоне сильного промышленного загрязнения ПКЗ за 1989- 1992
г.г.исследования 4U
Приложение 3. Характеристика различных групп микроорганизмов
выращиваемых на плотных питательных средах 419
Приложение 4. Характеристика природных условий изучаемых
территорий в зонах влияния объектов животноводства 426
Приложение 5. Санитарно-гигиеническое состояние почв вблизи
объектов свиноводства и на разных расстояниях от них 43'4
Приложенне 6. Влияние нитратредуцируюшей активности почв на
аккумуляцию нитратов в овощах 437
Приложение 7. Качество воды природных водоисточников на
территории Свердловской области 445
Введение к работе
Актуальность проблемы
Ухудшение состояния окружающей человека природной среды в начале XXI века обусловлено мощным антропогенным воздействием на неё, связанным с развитием научно-технического прогресса, ростом социальных противоречий, резким демографическим взрывом. Будущее биосферы является предметом пристального внимания представителей многих отраслей научного знания. По этой причине разработка проблем экологического прогнозирования, анализ перспектив развития существующих тенденций, а также изучение возможных путей оптимизации взаимоотношений человек -природа являются важнейшими требованиями развития человечества. И самый начальный этап регулирования отношений в системе «общество -природа », по мнению некоторых авторов, это установление нормативов предельных нагрузок на экосистему (Воробейчик, Садыков, Фарафонтов, 1994).
Основными компонентами природных экосистем и агроэкосистем, помимо атмосферного воздуха, являются природные среды: почва, вода, а также биотический компонент, в состав которого входят фито- и зооценозы, микробоценозы. Их жизнедеятельность зависит от качества природных сред, в которых они находятся. Любое изменение природной среды, обусловленное деятельностью человека, при взаимодействии с ней, превращает последнюю в агроэкосистему. Также как в естественной экосистеме, в агроэкосистеме основные компоненты это вода (искусственные водоёмы—водная экосистема) и почва.
В современной биосфере главной средой обитания биоты как по числу видов, так и по биомассе является почва, которая играет ключевую роль в процессах трансформации всех наземных экосистем. Следовательно, оценка состояния почв различных агроэкосистем, а также техногенных территорий является одним из главных элементов общей работы по экологическому мониторингу. При этом основой для разработки нормативов ПДН может служить определение способности почвы к самоочищению от различных загрязнений по уровню активности почвенных ферментов. Последний зависит от активности, аккумулированных частицами почвы, ферментов, выделяемых всеми элементами, составляющими почвенную биоту: корнями растений наземной растительности, эпифитной микрофлоры опавших листьев, разлагающихся растительных остатков, различными беспозвоночными животными (дождевыми червями, жуками, муравьями и др.). Следовательно, значение ферментативной активности почвы является интегративным показателем состояния экосистемы. Главное достоинство методов определения ферментативной активности почв заключается в том, что они нс требуют разрушения объектов исследования - изучаемых экосистем, функционально связаны с процессами адаптации экосистем к различного рода загрязнениям, дают неспецифический отклик на разные факторы, существенно превышающие природный фон.
Изучению проблемы загрязнения биосферы, обусловленного поступлением в природные среды многочисленных загрязняющих веществ промышленного происхождения, посвящены многочисленные работы как отечественных, так и зарубежных авторов. Так в зонах техногенного влияния изучались различные показатели качества почв: определялись уровни загрязнения , биологическая активность (Smith, 1978; Долгова, 1980; Веденеев, 1981; Глазовская, 1981; Carres, 1982, 1983; Ильин, 1982; Хазиев,1976; Добровольский и др., 1983; Важенин, 1984; Орлов, 1985; Рэуце, Кыстря, 1986; Павлюкова, Гришко, 1988; Шебалова и др., 1990, 1991,1993; Сорокин,1993; Бабушкина и др., 1992, 1994;).
Однако , сравнительно, мало работ по обобщению накопленных материалов. Также недостаточно рекомендаций для практического использования в мероприятиях по рекультивации нарушенных земель, единичны работы по прогнозированию состояния почвенных; экосистем в условиях нарастающей техногенной нагрузки. Слабо изучены почвы в зонах влияния животноводческих объектов.
Так, в связи с интенсификацией сельскохозяйственного производства и развитием промышленного животноводства в 70-х годах возникла серьезная проблема охраны окружающей среды в зоне размещения животноводческих комплексов, в частности свиноводческих (Окладников, Безденежных, 1988).
На крупных свиноводческих комплексах, при высокой концентрации поголовья на ограниченной территории и использовании вод для удаления навоза из производственных помещений, в течение суток образуется от 500 до 10 000 м животноводческих сточных вод. В них содержатся в больших количествах органические вещества, и они нередко бывают обсеменены патогенными бактериями (сальмонеллами, лептоспирами, микобактериями туберкулеза и др.), яйцами гельминтов, длительное время сохраняющими жизнеспособность и вирулентные свойства (Окладников,Безденежных, 1988).
Несмотря на спад промышленного животноводства, экологические проблемы, возникшие в процессе работы крупных животноводческих объектов (свинокомплексов), не решены до настоящего времени. Длительное воздействие отходов свиноводства на почвенные экосистемы в зонах влияния свинокомплексов сказывается на протяжении десятилетий после прекращения их деятельности (Судаков, 1999; Судаков и др., 2000).
Вместе с тем, проводимые санитарно-гигиенические исследования почв не дают представления о физиологическом состоянии почвенных экосистем; способности почв к самоочищению. Следовательно, необходимо проводить экологический монитор инг в зонах влияния отходов животноводства с применением биоиндикационных методов как более объективных. Поскольку, отходы животноводства оказывают влияние на состояние водоисточников (поверхностных и подземных) необходимы также проведения исследований воды в районах животноводства.
Тема экологического мониторинга водных объектов становится главной темой международных конференций и симпозиумов, в последние годы проводимых в России.
В то же время, водные ресурсы планеты, кажущиеся на первый взгляд неограниченными, используются не только как источники питьевого и хозяйственного водоснабжения, но непосредственно вовлечены в производственные процессы во всех отраслях деятельности человеческого сообщества. Спад промышленного производства в конце 90-х гг. в Свердловской области не оказал существенного влияния на улучшение качества воды различных водоисточников. Согласно проведённым исследованиям (1998-2000гг.) в поверхностных водах Урала происходит постоянное накопление различного рода токсикантов (солей тяжёлых металлов, соединений азота, сероводорода, хлоридов, фтор- и сульфатсодержащих соединений, органических веществ), обусловленное насыщенностью Уральского региона предприятиями чёрной и цветной металлургии, тяжелого машиностроения, химической промышленности и др.
Немалый вклад в загрязнение природной среды вносят отходы сельскохозяйственного производства.
Поскольку в самоочищении поверхностных водоисточников от неорганических ингредиенгов и органических веществ особую роль играют звенья водного биоценоза, изучение состояния последнего может использоваться для индикации экологического состояния разнотипных водоёмов. Методом оценки функционирования водной экосистемы также может служить ферментативный анализ воды, пока ещё не нашедший широкого применения.
К настоящему времени накоплены определенные материалы о влиянии отходов животноводства на некоторые показатели состояния окружающей природной среды (Черный, 1990; Асонов, БондаренкоД998; Судаков, 1999).
В тоже время, остается невыясненным ряд вопросов связанных с влиянием контаминантов различной химической природы на почвенные и водные экосистемы. Это вопросы определения пределов толерантности экосистем к антропогенной нагрузке, прогнозирования состояния последних, экологического нормирования, определения ПДН для различных ксенобиотиков, которых сегодня насчитывается более тысячи и др.
Цель исследования
Изучить влияние длительного антропогенного воздействия (аэротехногенных поллютантов, отходов животноводства) на биологическую активность природных сред: почвы, воды поверхностных водоисточников, подвергающихся воздействию различных сельскохозяйственных отходов (от птицефабрик, свиноферм) в зонах сельскохозяйственного водопользования для выявления специфических изменений при действии техногегшых и органических контаминантов на экосистемы и использования этих изменений для диагностики и прогнозирования состояния почвенных и водных экосистем. Оценить возможность использования данных биотестов (показателей ферментативной активности, численности различных физиологических групп микрофлоры, коэффициентов: каталазы, инвертазы, сульфатредуктазы, целлюлазы, дегидрогеназы и др. почвы; потенциальной активности ферментов уреазы и нитратредуктазы почвы, воды - КПТІ и КПУ) в качестве параметров экосистем при экологическом нормировании.
Обосновать новые подходы к диагностике, прогнозированию, а также к рекультивации нарушенных земель и поверхностных водоисточников с использованием выявления сукцессионных преобразований в экосистемах, определения стадии развивающегося в них экологического стресса.
Задачи исследования
1. Оценить значение" выявленных особенностей формирования" микробоценоза лесных почв сосновых насаждений, загрязнённых фтор- и сульфатсодержащими соединениями и тяжёлыми металлами с позиции развития адаптационных процессов в них.
2. На основе изучения интенсивности биохимических процессов, протекающих в почвах сосновых насаждений в зонах промышленного загрязнения разработать модель развития адаптации почвенных экосистем к различного рода поллютантам.
3. В соответствии с выделенными наиболее характерными изменениями биологической активности в лесной подстилке и почве под влиянием аэротехногенных поллютантов, применить предложенную модель развития стресса в почвенных экосистемах для диагностики состояния и прогнозирования лесных биогеоценозов в техногенных зонах.
Изучить влияние контаминантов от свиноводческих хозяйств на биологическую активность лесной подстилки и почвы древесных насаждений в районах ведения свиноводства.
Изучить интенсивность процессов самоочищения поверхностных водоисточников от контаминантов сельскохозяйственного происхождения,
6. Выявить наиболее характерные изменения биологической активности в лесной подстилке и почве под влиянием контаминантов для диагностики состояния и прогнозирования лесных экосистем, окружающих свинокомплексы, с применением модели развития адаптации почвенных экосистем к различного рода загрязнениям.
7. Определить общие закономерности развития адаптации почвенных и водных экосистем к поллютантам различной химической природы (промышленного, сельскохозяйственного, бытового, происхождения) в зонах антропогенного влияния.
Научная новизна
Впервые, на основании изучения биологической активности почв (ферментативной и микробиологической) сосновых насаждений в фоновых условиях и в зонах промышленного загрязнения различными по химической природе поллютантами, предложена модель развития адаптационного процесса в лесных почвах сосновых насаждений, расширяющая и углубляющая общебиологическую теорию адаптации и повреждения биологической системы при стрессовом воздействии на неё. Подтверждено положение об общем механизме развития стресса в биологических системах различного уровня их интеграции: от отдельного живого организма, популяции, биоценоза (микробоценоза) до экосистемы, согласующееся с теорией Г. Селье (1936). Выявленная стадийность развития стрессового состояния почвенных экосистем отражает разную степень обратимости, вызванных поллютантами нарушений.
В каждой стадии развития адаптационного синдрома в почвенных экосистемах выделены фазы, обусловленные многокомпонентным характером лесного почвенного ценоза. Обосновано применение относительного показателя - коэффициента каталазы почвы (ККП) и суммарной активности каталазы почвенного профиля для определения фаз и стадий стресса лесных почв в зонах сильного промышленного загрязнения.
Показана различная годичная и сезонная динамика изменения ферментативной и микробиологической активности в лесной подстилке и почве сосновых насаждений в зонах разной степени промышленного загрязнения различными по химической природе поллютантами, в зависимости от гидротермических условий года и степени накопления вредных полгаотантов в условиях Урала. Выявлена зависимость от химической природы поллютантов специфических различий в микробиологических сукцессиях основных групп микроорганизмов, встречающихся в лесных почвах всех районов исследования (род Pseudomonas, род Bacillus, род Micrococcus) и изменений биологического разнообразия микроорганизмов растущих на разных питательных средах.
Предложенная модель развития адаптационного процесса в лесных почвах сосновых насаждений в зоне промышленного загрязнения, подтверждена комплексными исследованиями состояния окружающей природной среды в зоне влияния животноводческих хозяйств, включающими определения в почвенном профиле изменений активности гидролитического фермента уреазы и оксидоредуктаз нитратредуктазы и каталазы в совокупности с санитарно-гигиеническими исследованиями контаминированных почв.
Сформулированы положения о целесообразности проведения биоиндикации окружающей природной среды в зонах влияния промышленных и животноводческих объектов методами: определения ферментативной активности почв, воды поверхностных водоисточников и сточных вод.
В процессе изучения водных и почвенных экосистем, с применением биоиндикационных методов, обнаружено проявление адаптации почвенных, водных экосистем к кон гаминантам сельскохозяйственного происхождения.
Выявлены общие закономерности ответной реакции биоты (водной и почвенной) на загрязнение различными по химической природе поллютантами.
Предложенный комплекс методов использованных для экологического мониторинга состояния окружающей природной среды в зоне влияния промышленных и животноводческих объектов позволяет оценить экологическую ситуацию на территориях промышленных и сельскохозяйственных районов в целом.
Практическая значимость
Основные результаты исследований могут быть использованы для оценки лесорастительных свойств почв (по активности фермента целлюлазы в почвенном профиле в наиболее благоприятные по гидротермическому режиму периоды ), и для определения степени нарушения лесных почв поллютантами (по активности ферментов каталазы, полифенол о ксидазы и сульфатредуктазы), а также для выявления фазы и стадии стресса в лесных ^почвах зонъг ^закрязненйя, свидетельствующих об обратимости или о необратимости физиологических процессов с помощью относительного показателя ККП и суммарной каталазной активности почвенного профиля и микробиологических сукцессии, применимых также для экспрессной оценки лесорастительных свойств почв (ККП, суммарная каталазная активность) в зонах промышленного загрязнения.
На основании проведённых исследований рекомендуется лесовосстановление нарушенных лесных земель различными древесными породами, адаптированными к промышленным поллютантам.
Проведение исследований позволили рекомендовать к использованию при проведении мониторинга окружающей природной среды в зонах влияния животноводства комплекс биоиндикационных методов определения состояния воды и почвы.
Определение состояния окружающей природной среды, предложенными методами, позволяет оценить эффективность тех или иных мероприятий по реабилитации природных сред в зонах загрязнения отходами промышленности и животноводства.
В качестве биоиндикаторов почв в зонах загрязнения отходами животноводства могут служить предложенные информативные показатели КПН (коэффициент потенциальной активности нитрагредуктазы), КПУ (коэффициент потенциальной активности уреазы).
Для наиболее объективной оценки процессов адаптации водных экосистем, контаминированных отходами животноводства, предложены методы определения ферментов нитратредуктазы и уреазы. При этом уровень адаптации водных экосистем предложено определять с применением коэффициентов КПП и КПУ для воды.
Результаты работы, представлены в форме практических рекомендаций, которые используются в учебном процессе по региональной экологии и экологии для студентов сельскохозяйственных вузов, а также при подготовке аспирантов. — - -.-- - ..-.-...-г
На защиту выносятся:
Обоснование внедрения в практику экологического мониторинга состояния биосферы в зоне деятельности промышленных и животноводческих предприятий изучения адаптационно-приспособительных реакций почвенных и водных экосистем для прогнозирования их состояния, функционирования, а также принятия грамотных решений по проведенню рекультивационных мероприятий.
Доказательство объективности, информативности и экспрессности предлагаемых методов биоиндикации состояния почвенных и водных экосистем в промышленных и агропромышлешіьіх зонах с использованием показателей потенциальной активности ферментов уреазы и нитратредуктазы в контаминированных почвах и водах в районах животноводства, коэффициентов показателей ферментативной активности почв в зонах промышленных загрязнений.
Прогностическое значение показателей потенциальной активности нитратредуктазы почв агроценозов при получении сельскохозяйственной продукции.
Значимость экологического прогнозирования на основе определения пределов толерантности экосистем к различным по химической природе поллютантам с использованием, предложенной в данной работе, модели развития стресса в почвенных и водных экосистемах при антропогенном воздействии.
Апробация работы
Материалы, представленные в диссертационной работе, докладывались на итоговых научных конференциях Уральской Государствеїшой лесотехнической академии в 1990, 1992, 1993, 1994 г.г., на конференции
Института экспериментальной ботаники (Минск, 1990), на областной научно-технической конференции "Вклад учёных и специалистов в развитие химико-лесного комплекса" (Екатеринбург, 1991), на второй Всесоюзной научно-технической конференции "Охрана лесных экосистем и рациональное использование лесных ресурсов" (Москва, 1991), на научных конференциях УрГСХА в 1998, 1999, 2000, 2001, 2002, 2003 г.г.; на Международных конференциях, проводимых в Екатеринбурге: «Уралэкология Техноген-2000», «Уралэкология Техноген-2001», «Уралэкология Техноген-2002»; Международных Симпозиумах «Чистая вода -1999», «Чистая вода-2001», «Чистая вода -2003», на Международных совещаниях « Биологическая рекультивация нарушенных земель» (г. Екатеринбург, 1996, 2002 г.г.), на Международных конференциях: -«Провинция: процесс международной интеграции в 21 веке» (г. Киров,2001); «Научно-технический прогресс в животноводстве России —ресурсосберегающие технологии производства экологически безопасной продукции животноводства» (ВИЖ, пос. Дубровицы, Московская обл. 2003г.).
Получен патент на изобретение № 2129160 «Способ определения и прогнозирования санитар но - гигиенического состояния почвы в зоне промышленного свиноводства»
Поданы две заявки на предполагаемые изобретения «Способ оценки состояния водоисточников в зонах стоков сельскохозяйственных предприятий» № 2002102026/13 (001679) от 21.01.2001 г., «Экспресс-метод биотестирования контаминированных почв».
Публикации
По теме диссертации опубликовано 118 печатных работ, в том числе: патент и две заявки на изобретение, монография.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, 10 глав, заключения, выводов, 7 приложений, списка использованной литературы. Текст диссертации изложен на з50 страницах, иллюстрации включают 62 таблицы, 40 рисунков, Библиография представлена 426 работами, из них 49 -зарубежных авторов.
Автор выражает глубокую благодарность своим Учителям академику РАЕН, профессору Л Г. Бабушкиной, академику АВН, профессору В. Г. Судакову, а также коллегам: доценту Г.А. Сюндюкову, доцентам О. П. Неверовой и ЕЮ. Тошовой., сотрудникам Проблемной лаборатории УГЛТА Н.М. Шебаловой, Л.И. Королевой, Т.Ф. Коковкиной.
