Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ ХИМИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ 12
1.1. Химическое загрязнение почв 12
1.1.1. Масштабы химического загрязнения окруэюающей среды 12
1.1.2. К вопросу о понятии «продукты техногенеза неметаллической природы» 14
1.1.3. Источники химического загрязнения почв 15
1.1.4. Поведение загрязняющих веществ в почве 20
1.1.5. Механизм токсического действия исследуемых элементов на живые организмы 25
1.1.6. Синергетические и антагонистические взаимодействия химических элементов 29
1.1.7. Охранапочв от химического загрязнения 30
1.2. Экологическое значение исследуемых элементов 33
1.2.1. Экологическое значение фтора 34
1.2.2. Экологическое значение бора 35
1.2.3. Экологическое значение селена 38
1.2.4. Экологическое значение мышьяка 40
ГЛАВА 2. ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЙ 43
2.1. Черноземы обыкновенные южно-европейской фации 43
2.1.1. Эколого-географические условия 43
2.1.2. Генетические особенности и свойства черноземов обыкновенных 50
2.1.3. Биологические и экологические особенности черноземов обыкновенных 54
2.2. Другие почвы юга России, использованные в исследовании 61
2.2.1. Черноземы обыкновенные, выщелоченные и южные 61
2.2.2. Каштановые почвы 65
2.2.3. Бурые лесные почвы 70
2.2.4. Рендзины (дерново-карбонатные почвы) 75
2.2.5. Серопески 78
2.3. Биологическая активность почв юга России 80
ГЛАВА 3. МЕТОДИКА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 84
3.1. Методика модельных исследований 84
3.2. Методы определения экологических и биологических свойств почв 88
3.3. Статистическая обработка результатов 91
ГЛАВА 4. ИЗМЕНЕНИЕ ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЧЕРНОЗЕМА ОБЫКНОВЕННОГО ПРИ ЗАГРЯЗНЕНИИ ФТОРОМ, БОРОМ, СЕЛЕНОМ И МЫШЬЯКОМ 93
4.1. Состояние почвенной микрофлоры 93
4.1.1. Аммонифицирующие бактерии 93
4.1.2. Микроскопические грибы 100
4.1.3. Бактерии рода Azotobacter 106
4.2. Ферментативная активность 112
4.2.1. Активность каталазы 112
4.2.2. Активность инвертазы 118
4.2.3. Активность дегидрогеназы 123
4.2.4. Активность уреазы 125
4.3. Целлюлозолитическая активность 127
4.4. Скорость разложения мочевины 132
4.5. «Дыхание» почвы 136
4.6. Фитотоксические свойства 138
4.7. Содержание элементов питания 147
4.8. Влияние формы химического соединения загрязняющего вещества 148
4.9. Определение интегрального показателя эколого-биологического состояния почвы 151
4.10. Сравнение токсического действия различных химических элементов на эколого-биологические свойства чернозема 158
4.10.1. Токсическое действие различных химических элементов на каталазную активность 158
4.10.2. Токсическое действие различных химических элементов на инвертазную активность 159
4.10.3. Токсическое действие различных химических элементов на целлюлозолитическую способность 160
4.10.4. Влияние действия различных химических элементов на интегральный показатель эколого-биологического состояния почвы...161
4.11. Оценка возможности применения различных показателей биологической активности при мониторинге загрязнения почв продуктами техногенеза неметаллической природы 163
4.11.3. Показатель каталазной активности 163
4.11.3. Показатель инвертазной активности 163
4.11.3. Показатель целлюлозолитической активности 164
4.12. Влияние загрязнения продуктами техногенеза неметаллической природы на экологические и сельскохозяйственные функции чернозема обыкновенного 165
ГЛАВА 5. ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ПОЧВ ЮГА РОССИИ К ЗАГРЯЗНЕНИЮ ПРОДУКТАМИ ТЕХНОГЕНЕЗА НЕМЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ 167
5.1. Состояние почвенной микрофлоры 168
5.1.1. Численность аммонифицирующих бактерий 168
5.1.2. Численность микроскопических грибов 169
5.1.3. Численность бактерий p. Azotobacter 171
5.2. Биохимическая активность почв 172
5.2.1. Каталазная активность почв 172
5.2.2. Инвертазная активность почв 174
5.2.3. Целлюлозолитическая активность почв 175
5.3. Фитотоксические свойства 176
5.4. Содержание гумуса 180
5.5. Щелочно-кислотные условия 181
5.6. Оценка устойчивости эколого-биологических свойств почв юга России к загрязнению фтором 184
5.7. Возможности применения биохимических и микробиологических показателей эколого-биологического состояния почв при мониторинге и диагностике их загрязненияфтором 186
ВЫВОДЫ 189
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 193
- Масштабы химического загрязнения окруэюающей среды
- Эколого-географические условия
- Аммонифицирующие бактерии
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время одним из актуальных вопросов экологии и охраны природы стало исследование последствий загрязнения различных объектов окружающей среды, в том числе почв, различными химическими веществами. Экологические и экономические ущербы от химического загрязнения почв и сельскохозяйственной продукции огромны. Однако и сейчас экологические последствия химического загрязнения почв изучены недостаточно. Знание особенностей воздействия химических веществ на биологические процессы в почве и механизмов устойчивости почв и растений к загрязнению должно стать основой для разработки методов предотвращения негативных последствий загрязнения.
Среди загрязняющих веществ особый интерес вызывают такие элементы как фтор, бор, мышьяк, селен, обладающие в высоких концентрациях токсическим действием, а в малых - являющиеся необходимым условием для обеспечения нормальной жизнедеятельности живых организмов. Кроме того, указанные элементы являются по своей химической природе неметаллами, и в научной литературе им уделено несколько меньше внимания, чем, например, тяжелым металлам.
Цель и задачи исследования. Главная цель работы — исследовать изменение эколого-биологических свойств почв Юга России при загрязнении продуктами техногенеза неметаллической природы (F, В, Se, As).
В соответствии с целью были поставлены следующие задачи: 1. Изучить закономерности, механизмы и последствия воздействия химического загрязнения на эколого-биологические свойства почв: численность и активность микроорганизмов, ферментативную активность, фитотоксич-ность почв, гумусное состояние, содержание подвижного азота, кислотно-щелочные условия и т.д.
Проанализировать изменения свойств почв при различных параметрах загрязнения: природа элемента, концентрация его в почве, форма химического соединения, срок от момента загрязнения. Установить взаимосвязь между эколого-биологическими показателями и исследуемыми параметрами загрязнения.
Провести сравнительный анализ степени токсичности элементов-загрязнителей неметаллической природы, как первого (As, Se, F) так и второго (В) классов опасности с тяжелыми металлами первого (Cd, Hg, Pb, Zn) и второго (Cr, Ni, Co, Mo, Си) классов опасности.
Определить возможность и целесообразность использования тех или иных эколого-биологических показателей в целях мониторинга, диагностики и индикации загрязнения почв и экосистем в целом продуктами техногенеза неметаллической природы.
Дать сравнительную оценку устойчивости основных почв Юга России (черноземов обыкновенных, выщелоченных и южных, каштановых почв, бурых лесных почв, серопесков, рендзин) к загрязнению продуктами техногенеза неметаллической природы.
Объекты, материалы и методы исследований. Основу диссертации составляют материалы, полученные лично автором или под его руководством в результате модельных исследований (2002-2005 гг.). В работе также использованы литературные и фондовые материалы по данной теме. 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, охраны окружающей среды. В исследовании использованы метод моделирования, сравнительно-географический метод, ла-бораторно-аналитические методы, биостатистические методы. Подробная
характеристика объектов и методов исследования приведена ниже, в главах 2 иЗ.
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 определены основные результаты диссертации. Объем публикаций - 4 п.л., доля участия автора - 50%.
Научная новизна работы. Впервые проведено подробное исследова- -ние влияния продуктов техногенеза неметаллической природы на эколого-биологические свойства основных почв Юга России: одновременно исследован большой комплекс микробиологических, биохимических, агрохимических, физико-химических и других показателей состояния почв, их динамика, широкий набор загрязняющих веществ и их химических форм, обширный интервал их содержания в почве. Определена возможность и целесообразность использования тех или иных эколого-биологических показателей в целях мониторинга, диагностики и индикации загрязнения почв и экосистем в целом продуктами техногенеза неметаллической природы. Дана сравнительная оценка устойчивости основных почв Юга России к загрязнению продуктами техногенеза неметаллической природы.
Практическая значимость. Результаты исследований могут быть широко 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, охране окружающей ере-
ды, экологической экспертизе, мониторингу и биоиндикации в Ростовском государственном университете и других вузах.
Настоящее исследование выполнено в соответствии с планом научно-исследовательской работы кафедры экологии и природопользования РГУ и поддержаны Федерально-целевой программой «Интеграция» — проекты А0054,Б0103.
Основные защищаемые положения.
Загрязнение продуктами техногенеза неметаллической природы (F, В, Se, As), в подавляющем большинстве случаев, ведет к ухудшению эколого-биологических свойств почв Юга России. По степени ухудшения свойств чернозема обыкновенного исследованные элементы образуют следующий ряд: В > Se > As > F. В большинстве случаев, чем выше концентрация неметалла-загрязнителя в почве, тем сильнее снижается ее биологическая активность. При загрязнении бором и мышьяком токсическое действие с течением времени несколько снижается, а при загрязнении фтором и селеном, наоборот, усиливается.
По степени устойчивости к загрязнению продуктами техногенеза неметаллической природы биологические свойства почв располагаются следующим образом: фитотоксичностъ > скорость разлоэ/сения мочевины > активность дегидрогеназы = активность инвертазы = активность уреа-зы > активность каталазы > численность аммонифицирующих бактерий > численность микроскопических грибов > численность бактерий р. Azotobacter > целлюлозолитическая способность > «дыхание» почвы.
По степени устойчивости эколого-биологических свойств к загрязнению фтором почвы Юга России располагаются следующим образом: черноземы обыкновенные, черноземы выщелоченные > каштановые почвы, ренд-зины, черноземы южные > бурые лесные почвы > серопески.
Микробиологические показатели являются более чувствительными (выше степень снижения значений) к загрязнению почв продуктами техногенеза неметаллической природы, а биохимические показатели — более информативными (теснее корреляция с концентрацией загрязняющего вещества в почве). Это свидетельствует о целесообразности их совместного использования.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на Научных конференциях аспирантов и молодых ученых РГУ (Ростов н/Д, 2001; 2003), на Молодежной научной конференции «Экологические проблемы в сельскохозяйственном производстве» (Персиановский, 2002, 2003, 2004, 2005), на Научно-практической конференции «Экология, почва, город» (Краснодар, 2003), на Ежегодной научной конференции «Экология и биология почв Юга России» (Ростов-на-Дону, 2003, 2004, 2005), на X, Х1,ХП Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов-2003, -2004, -2005» (Москва, 2003, 2004, 2005), 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 Докучаевского общества почвоведов (Новосибирск, 2004), на научно-практической конференции «Экологические проблемы. Взгляд в будущее» (Ростов-на-Дону—Абрау-Дюрсо, 2004, 2005), на Межрегиональной научно-практической конференции «Экологические и социально-экономические аспекты развития предгорной зоны Северного Кавказа» (Бе-лореченск, 2005).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 35 научных работ. Доля участия автора в публикациях составляет 50% (2 п.л.).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 205 страницах печатного текста; состоит из введения, пяти глав, выводов,
списка литературы; содержит 61 таблицу, 64 рисунка, 1 картосхему. Список литературы включает 146 источников, из них 10 на иностранных языках.
Автор глубоко признателен за помощь в работе научному руководителю д.с.-х.н. СИ. Колесникову, д.г.н. К.Ш. Казееву, заведующему кафедрой экологии и природопользования РГУ д.б.н., проф. В.Ф. Валькову, всем сотрудникам кафедры экологии и природопользования РГУ.
Масштабы химического загрязнения окруэюающей среды
Одна из примечательных черт нашего времени - постоянное увеличение числа химических веществ во всех сферах жизни. Вне контакта с ними невозможно представить ни один вид человеческой деятельности. Стремительные темпы развития промышленного производства, все возрастающая химизация сельского хозяйства ведут к химическому загрязнению внешней среды. В настоящее время в биосферу поступает свыше 500 тыс. разновидностей химических веществ - продуктов техногенеза, большая часть которых накапливается в почве.
Почвенный покров биосферы Земли испытывает широкомасштабные антропогенные изменения. Трудно переоценить вклад промышленной, сельскохозяйственной и интеллектуальной деятельности людей конца последнего тысячелетия в функционирование ландшафтов и почв (Герасимова, Строганова, 2003).
Наиболее опасным для природных экосистем и человека является именно химическое загрязнение, поставляющее в окружающую среду различные токсиканты (аэрозоли, тяжелые металлы, пестициды, пластмассы, детергенты и др.). По расчетам специалистов, в настоящее время в природной среде содержится от 7 до 8,6 млн. химических веществ, при этом их арсенал ежегодно пополняется еще на 250 тысяч новых соединений.
Исторически, на Земле, сложилось два круговорота веществ — геологический, движущей силой которого являются экзогенные и эндогенные геологические процессы, и биологический, движущей силой которого является деятельность живых организмов. С появлением человека возник новый круговорот веществ — антропогенный или техногенный, движущей силой которого является производственно-хозяйственной деятельностью человека.
В отличие от естественных круговоротов, последний, включает в себя компоненты, ранее в природе не существовавшие.
В результате техногенного загрязнения биосферы часто происходит приближение концентрации элементов в различных объектах биосферы к верхнему пороговому уровню, а иногда и превышение его. Быстрое в эволюционном отношении изменение окружающей среды не позволяет человеку адаптироваться к новому составу пищи, воды и воздуха, приводит к нарушениям в физиологических процессах, ставит под угрозу здоровье человека.
Кроме того, техногенный круговорот в большинстве случаев является незамкнутым. Поэтому часто говорят не о техногенном круговороте, а о техногенном обмене веществ. Именно незамкнутость техногенного круговорота веществ, приводит к истощению природных ресурсов и загрязнению природной среды.
Техногенный обмен веществ, приводит к загрязнению окружающей среды различными химическими веществами. Среди загрязнителей значительное место занимают тяжелые металлы, а также продукты техногенеза неметаллической природы (такие как нефть, фтор, бор, мышьяк, селен, и пестициды.)
Среди выше указанных продуктов техногенеза многие являются микроэлементами, биологически важными для живых организмов. Они являются необходимыми и незаменимыми компонентами биокатализаторов и биорегуляторов важнейших физиологических процессов (Остроумов, 1986; Островская, 1987).
Однако избыточное их содержание в различных объектах биосферы оказывает угнетающее и даже токсическое действие на живые организмы. Токсическому воздействию подвержены буквально все представители био 14
сферы. Разнообразны пути попадания токсикантов в живые организмы, многообразны механизмы токсического поражения.
Способность токсических веществ негативно воздействовать на человека и окружающую природную среду изучены слабо.
По оценке Всемирной организации здравоохранения, из более чем 6 млн. известных химических соединений практически используется до 500 тысяч соединений; из них около 40 тысяч обладает вредными для человека свойствами, а 12 тысяч являются токсичными.
В последние годы, несмотря на сокращение объемов производства промышленной продукции, наблюдается заметный рост техногенных аварии, катастроф и объемов ущерба от них. Так, за период с 1991 по 1997 годы, число природных катастроф, например, в России возросло в 1,64 раза, тогда как число техногенных аварий увеличилось в 6,23 раза. Статистика последних лет свидетельствует о том, что на долю аварий с выбросом токсикантов приходится более половины из общего их числа. Таким образом, аварийная обстановка, приводящая, к загрязнению окружающей природной среды обостряется.
Эколого-географические условия
Черноземы занимают менее 7% территории России. В то же время эти территории составляют 50% пашни страны и здесь выращивается 2/3 сельскохозяйственной продукции. Естественно, что черноземы подвергаются жесточайшей антропогенной нагрузке (Антропогенная эволюция черноземов, ских). Их основные массивы залегают на территории Северного Приазовья и Западного Предкавказья.
Согласно физико-географическому районированию Северного Кавказа исследуемая территория характеризуется следующим образом: ареал распространения североприазовских черноземов: страна Русская равнина; область Нижне-Донская, провинция Доно-Донецкая, округ Донецко-Приазовский (район Миус-Тузловский).
Согласно геоморфологическому районированию исследуемая территория характеризуется: страна Русская равнина; провинция Предкавказских равнин; область Приазовская эрозионно-аккумулятивная наклонная равнина (восточная часть).
Равнины и плато Нижнего Дона и Предкавказья представляют собой молодую эпигерценскую Скифскую платформу.
Приазовская эрозионно-аккумулятивная наклонная равнина расположена к югу от Донецкого кряжа, имеет наклон с севера на юг и представляет собой восточную оконечность Приазовской низменности. Ее высоты уменьшаются от 160 м на севере до 105 м на юге. Поверхность Приазовской наклонной равнины расчленена долинами рек меридионального направления. Особенно сильно расчленена ее западная часть (Сафронов, 1986; Смагина, Кутилин, 1994).
Почвообразующие породы исследуемого района представлены преимущественно карбонатными лессовидными глинами и суглинками мощностью от 6 до 50 м флювиогляциального, аллювиального и аллювиально-делювиального происхождения. Содержание СаСОз колеблется в широких пределах (4-16 %).
Гранулометрический состав этих отложений в основном тяжелосуглинистый и легкоглинистый. Преобладают фракции крупной пыли (30-54 %) и ила (35-41 %), содержание песка незначительно. Все механические элементы скоагулированы в микроагрегаты размером 0,01-1 мм, общее содержание которых составляет 65-68 %, что в значительной степени определяет высокую порозность (42-52 %), хорошие влагоемкость и водопроницаемость этих пород.
В валовом составе лессовидных глин и суглинков при относительно высоком содержании кремнезема (56-68 %) присутствуют значительное количество алюминия (13-16 %), железа (4,4-6,7 %) и магния (1,6-2,7 %). Эти породы богаты калием (1,6-2,0 %) и фосфором (0,10-0,16 %) (Блажний и др., 1985).
Климат в значительной степени определяется географическим положением региона: близостью Азовского и Черного морей на западе, высокими хребтами Кавказа на юге, открытостью севера и северо-востока территории для холодных потоков воздуха с Восточно-Европейской равнины. Сложные физико-географические условия, близость незамерзающих морей и системы высоких хребтов Кавказа вносят изменения в движение воздушных масс и обуславливают своеобразие климата территории.
Наиболее характерные черты климата Северного Приазовья: умеренная континентальность; мягкая, малоснежная, с частыми оттепелями зима, умеренно жаркое лето и значительная продолжительность безморозного и вегетационного периодов, высокая сумма положительных температур (Ливеров-ский, 1974; Батова, 1986).
В пределах исследуемого района климат неодинаков. Северная часть территории отличается несколько большей континентальностью — более холодной зимой, меньшей продолжительностью вегетационного периода и меньшей суммой активных температур (Батова, 1986).
Аммонифицирующие бактерии
Если усреднить изменение численности аммонифицирующих бактерий в черноземе по срокам экспозиции и дозам загрязняющих веществ, то получится, что наибольшее негативное воздействие из исследованных элементов оказал селен, менее сильное — фтор и бор, наименьшее — мышьяк.
Таким образом, по степени подавления численности аммонифицирующих бактерий чернозема обыкновенного исследованные элементы образуют следующий ряд: Se F В As. Однако в зависимости от срока и дозы последовательность элементов может меняться на прямо противоположную.
Таким образом, продукты техногенеза неметаллической природы оказывают неоднозначное воздействие на численность аммонифицирующих бактерий. После однозначного первоначального подавления их жизнедеятельности (на 10-е сутки) наблюдается рост их численности (особенно на 90-е сутки). Интересно, что воздействие на микроскопические грибы имеет противоположную зависимость — негативный эффект со временем нарастает.
Снижение численности микроорганизмов в почве при загрязнении продуктами техногенеза неметаллической природы, очевидно, определяется их токсическим действием, механизмы которого достаточно хорошо изучены. Основные механизмы токсичности определяются способностью исследованных элементов связываться с сульфгидрильными группами белков, в результате чего нарушается проницаемость клеточных мембран и происходит инги-бирование ферментов.
Стимулирующее действие исследуемых элементов, наблюдающееся в ряде случаев, объясняется тем, что все они являются микроэлементами, необходимыми живым организмам в малых дозах. Кроме того, в экотоксиколо-гии описаны многочисленные факты стимулирующего действия различных веществ, взятых в малых токсичных дозах.
Увеличения общей численности микроорганизмов, по-видимому, объясняется гибелью чувствительных микроорганизмов и активным развитием устойчивых форм. Их бурному развитию способствует так называемый эффект Арнд-Щульца, который заключается в том, что аккумуляция токсических соединений в нелетальных концентрациях на поверхности клетки изменяет проницаемость мембраны, нарушает ее барьерные функции, что определяет свободное поступление пищи в клетку и соответственно усиление метаболизма (Громов, Павленко, 1989). При этом по предположению ряда авторов, активно развивающиеся формы в качестве питания используют энергетический материал погибших клеток чувствительных микроорганизмов (Коб-зев, 1980; Булавко, 1982).
Похожие диссертации на Изменение эколого-биологических свойств почв Юга России при загрязнении фтором, бором, селеном, мышьяком
