Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ
ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ 11
Тяжелые металлы в окружающей среде 11
Тяжелые металлы в почве 13
Тяжелые металлы и живые организмы 17
Тяжелые металлы и эколого-биологические свойства почв 23
Охрана почв от химического загрязнения 38
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЙ — ЧЕРНОЗЕМБІ
ОБЫКНОВЕННЫЕ 41
Эколого-географические условия района исследований 41
География черноземов обыкновенных 46
Генетические особенности и свойства черноземов
обыкновенных 47
2.4. Биологические и экологические свойства и особенности
черноземов обыкновенных 51
ГЛАВА 3. МЕТОДИКА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 56
3.1. Методика проведения модельных исследований 56
Методика моделирования загрязнения почв тяжелыми металлами 59
Методы определения экологических и биологических свойств почв 62
Статистическая обработка результатов 65
ГЛАВА 4. ИЗМЕНЕНИЕ ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЧЕРНОЗЕМА ОБЫКНОВЕННОГО ПРИ
ЗАГРЯЗНЕНИИ ХРОМОМ, НИКЕЛЕМ, КОБАЛЬТОМ,
МОДИБДЕНОМ 67
4.1. Состояние почвенной микрофлоры 67
Аммонифицирующие бактерии 67
Микроскопические грибы 73
Бактерии рода Azotobacter 79
4.2. Ферментативная активность 85
Активность каталазы 85
Активность инвертазы 91
Целлюлозолитическая активность 97
Скорость разложения мочевины 103
«Дыхание» почвы 109
Фитотоксические свойства ПО
Содержание элементов питания 122
4.6. Влияние экстремальных доз тяжелых металлов на свойства
чернозема обыкновенного 123
4.9. Определение интегрального показателя эколого-
биологического состояния почвы 129
4.10. Сравнение токсического действия различных химических
элементов на эколого-биологические свойства чернозема 136
Токсическое действие различных химических элементов на численность аммонифицирующих бактерий 136
Токсическое действие различных химических элементов на численность микроскопических грибов 137
Токсическое действие различных химических элементов на численность бактерий рода Azotobacier 139
Токсическое действие различных химических элементов па каталазиую активность 140
Токсическое действие различных химических элементов на ипвертазную активность 141
Токсическое действие различных химических элементов на целлюлозолитаческую способность 142
Токсическое действие различных химических элементов на скорость разложения мочевины 143
Влияние действия различных химических элементов па интегральный показатель эколого-биологического состояния почвы... 145
Сравнительная оценка действия различных химических элементов на экологическое состояние чернозема 146
4.11. Оценка применимости различных биологических
показателей в целях мониторинга, диагностики, индикации и
нормирования загрязнения почв тм второго класса опасности 152
Определение корреляционных связей 152
Показатель численности аммонифицирующих бактерий 153
Показатель численности микроскопических грибов 154
Показатель обилия бактерий рода Azoiobacier 155
Показатель катаїазной активности 156
Показатель инвертазиой активности 156
Показатель це:иполозолитической активности 157
Показатель скорости разложения мочевины 158
Показатели фитотоксичности 158
4.12. Влияние загрязнения ТМ второго класса опасности на
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ ЧЕРНОЗЕМА ОБЫКНОВЕННОГО 160
ВЫВОДЫ 162
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 165
Введение к работе
Актуальность темы. Проблема деградации почв в результате различных антропогенных воздействий с каждым годом приобретает все более острый характер. Существенный вклад в деградацию почвенного покрова во всем мире вносит загрязнение тяжелыми металлами. Тяжелые металлы (ТМ) относятся к приоритетным загрязняющим веществам. При этом разные ТМ представляют опасность для живых организмов, в том числе и для человека, в различной степени. Также различны экологические и экономические ущербы от загрязнения ими почв и сельскохозяйственной продукции.
Наибольшую опасность представляют ТМ первого класса опасности, такие как свинец, ртуть, кадмий, цинк. Соответственно последствия загрязнения почв этими элементами изучено более детально, в то время как воздействие на почвы и другие компоненты природной среды элементов, относящихся ко второму и третьему классам опасности, исследованы значительно в меньшей степени.
Цель и задачи исследования.
Главная цель работы — исследовать влияние загрязнения тяжелыми металлами второго класса опасности (Mo, Со, Cr, Ni) на эколого-биологические свойства чернозема обыкновенного.
В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:
1.Установить закономерности изменения в условиях загрязнения основных экологических и биологических свойств почвы, таких как численность и активность микроорганизмов, ферментативная активность, фитоток-сичиость почв и т.д.
2.Исследовать влияние загрязнения на выполнение почвой экологических функций.
3.Провести анализ изменения свойств почвы в зависимости от следующих параметров загрязнения: природа элемента, концентрация его в почве,
срок от момента загрязнения. Установить взаимосвязь между эколого-биологическими показателями и исследуемыми параметрами загрязнения.
4.Исследовать последствия экстремального загрязнения чернозема ТМ в концентрации 1000 ПДК,
5.Определить возможность и целесообразность использования тех или иных эколого-биологических показателей в целях мониторинга, диагностики, индикации и нормирования загрязнения почв и экосистем в целом исследованными ТМ.
6.Провести сравнительный анализ степени токсичности ТМ первого класса опасности (Cd, Hg, Pb, Zn), ТМ второго класса опасности (Сг, Ni, Со, Мо, Си), и элементов-загрязнителей неметаллической природы, как первого (As, Se, F) так и второго (В) классов опасности (по результатам настоящего исследования и фондовым материалам).
7,Оценить действующие значения ПДК исследованных элементов в почве и возможность их использования применительно к черноземам обыкновенным. Дать рекомендации по совершенствованию значений ПДК и подходов к их разработке.
Объекты, материалы и методы исследований. В основу диссертации положены материалы, полученные лично автором или под его руководством в результате модельных исследований (2002-2006 гг.). В работе также использованы литературные и фондовые материалы по данной проблематике. Объектами исследования выступают почвы, микроорганизмы, растения, их свойства и взаимодействие с химическими веществами различной природы. Исследование является комплексным, на стыке экологии, почвоведения, биохимии, микробиологии, агрохимии, рационального природопользования и охраны окружающей среды. В исследовании использованы метод моделирования, лабораторно-аналитические методы, биометрические методы. Под-
робная характеристика объектов и методов исследования приведена ниже, в главах 2 и 3.
Личный вклад автора. Все исследования проведены лично автором или под его руководством. По результатам исследований автором или научным коллективом с участием автора опубликован ряд научных работ, где проанализирован полученный материал и представлены основные результаты диссертации.
Научная новизна работы. Установлены закономерности изменения микробиологических, биохимических, агрохимических, физико-химических и других показателей экологического состояния чернозема обыкновенного в условиях загрязнения ТМ второго класса опасности (молибденом, кобальтом, хромом, никелем), Выявлены основные закономерности изменения экологических функций почвы при загрязнении исследованными элементами. Проведен сравнительный анализ степени токсичности 13-ти химических элементов, различающихся по своей природе и относящихся к разным классам опасности. Определена возможность и целесообразность использования различных эколого-биологических показателей в целях мониторинга, диагностики и индикации загрязнения почв и экосистем в целом ТМ второго класса опасности. Даны рекомендации по совершенствованию действующих ПДК ТМ в почве.
Практическая значимость. Результаты проведенных исследований могут быть использованы и уже используются научными и природоохранными организациями при мониторинге и диагностике экологического состояния почв и их загрязнения различными химическими веществами, оценке воздействия на окружающую среду, экологическом нормировании загрязнения почв, оценке риска природных и антропогенных катастроф, проведении экологической экспертизы и т.д.
Материалы исследований используются при преподавании дисциплин по экологии, почвоведению, природопользованию и охране окружающей ере-
ды, экологической экспертизе, мониторингу и биоиндикации в Ростовском государственном университете и других вузах.
Настоящее исследование выполнено в соответствии с планом НИР кафедры экологии и природопользования РГУ и поддержано ФЦП «Интеграция» (проекты А0054, БОЮЗ) и Федеральным агентством по науки и инновациям (грант МД-3944.2005.04).
Основные защищаемые положения.
Загрязнение ТМ второго класса опасности (Mo, Со, Cr, Ni), в подавляющем большинстве случаев, ведет к ухудшению эколого-биологических свойств чернозема обыкновенного. По степени ухудшения свойств чернозема обыкновенного исследованные элементы образуют следующий ряд: Cr>Co>=Ni>Mo (если за единицу содержания элемента в почве принять мг/кг или ПДК) или Cr>Ni>=Co>Mo (если за единицу содержания элемента в почве принять моль/кг).
При загрязнении чернозема обыкновенного даже экстремальными количествами (1000 ПДК) любого из исследованных элементов в почве остаются жизнеспособными аммонифицирующие бактерии, сохраняется каталазная активность и мочевиноразлагающая способность.
Загрязнение ТМ второго класса опасности (Mo, Со, Cr, Ni) приводит к нарушению экологических функций почвы. Полученные в исследовании количественные значения содержания ТМ в почве, вызывающие нарушение разных групп экологических функций, целесообразно использовать при экологическом нормировании, когда главной целью является сохранение экологических функций почвы.
По влиянию на состояние почвы исследованные элементы не располагаются по классам опасности, разработанным применительно к здоровью людей. Поэтому по отношению к почвам целесообразно разработать собственные классы опасности. Для этого можно использовать полученный в
настоящем исследовании ряд элементов, где единицей содержания элемента в почве является мг/кг. Необходима корректировка ПДК исследованных химических элементов для почв. Во-первых, уже при содержании в почве в количестве 1 ПДК наблюдается ухудшение состояния почвы и нарушение экологических функций. Во-вторых, при внесении в почву эквивалентных доз элементов, выраженных в ПДК, свойства почвы ухудшаются не в одинаковой степени. Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на Научно-практической конференции «Экология, почва, город» (Краснодар, 2003), на Международной научной конференции «Экология и биология почв» (Ростов-на-Дону, 2003, 2004, 2006), на Международной научной конференции «Современные проблемы загрязнения почв» (Москва, 2004), на Международной научной конференции «Черноземы центральной России: генезис, география, эволюция» (Воронеж, 2004), на IV международном съезде Докучаевско-го общества почвоведов (Новосибирск, 2004), на Научной конференции аспирантов и молодых ученых РГУ (Ростов-на-Дону, 2005), на XI Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоно-сов-2005» (Москва, 2005), на Научно-практической конференции «Экологические проблемы. Взгляд в будущее» (Ростов-на-Дону—Абрау-Дюрсо, 2005, 2006), на Межрегиональной научно-практической конференции «Экологические и социально-экономические аспекты развития предгорной зоны Северного Кавказа» (Белореченск, 2005, 2006), на Всероссийской научной конференции «Черноземы России: экологическое состояние и современные почвенные процессы» (Воронеж, 2006), на IV Международном симпозиуме «Степи северной Евразии» (Оренбург, 2006), на Международной научной конференции «Проблемы устойчивого функционирования водных и наземных экосистем» (Ростов-на-Дону, 2006).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 28 научных работ, объемом 5 п.л. Доля участия автора в публикациях составляет 30% (1,75 п.л.).
Автор глубоко признателен за помощь в работе научному руководителю д.с.-х.н. СИ. Колесникову, д.г.н. К,Ш. Казееву, д.б.н., проф. В.Ф. Валькову и всем сотрудникам кафедры экологии и природопользования РГУ.
