Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современные подходы к экологическому нормированию почв при химическом загрязнении. воздействие отходов фосфогипса и химическая ремедиация почв (обзор литературы) 10
1.1. Загрязнение окружающей среды: современное состояние проблемЫ'Экологического нормирования
1.2. Биодиагностика экологического состоянияпочв, подвергающихся.антропогенной нагрузке 19
1.3: Общие сведения о фосфогипсе. Влияние фосфогипса на, окружающую среду 23
1.4. Ремедиация нарушенных почв: опыт и область применения гуминовых веществ 27
ГЛАВА 2. Район, материал и методы исследования 33
2.1. Район исследования 33
2.2. Материалы исследования 35
2.2.1. Натурные почвы 35
2.2.2. Модельный растительный субстрат (МРС) 37
2.2.3. Модельный почвенный грунт (МПГ) 38
2.2.4. Фосфогипс (ФГ).:. 39
2.2.5. Гуминовые препараты (ГП) 40
2.3. Методы исследования 42
2.3.1. Полевые опыты '. 42
2.3.2. Вегетационные опыты 42
2.3.3. Лабораторные опыты 48
2.3.4. Химические анализы 50
ГЛАВА. 3. Влияние объекта размещения отходов фосфогипса на эколого-биологические свойства почв 51
3.1. Интенсивность почвенного дыхания 51
3.2. Деструкция растительных остатков 53
3.3. Биоразнообразие микобиоты 54
3.4. Биомасса микромицетов 61
3.5: Индекс нарушенности экологических свойств почв по биотическим показателям Инэс 63
ГЛАВА 4. Влияние фосфогипса на изменение свойств модельного почвенного грунта 67
4.1. Физико-химические свойства МПГ 67
4.2. Рост и .развитие высших растений 69
4.3. Реакция сообществ почвенных микроорганизмов
4.4. Реакция.стандартизованных тест-организмовфазных» трофических уровней (биотестирование) 79
ГЛАВА 5. Влияние гуминовых препаратов на токсичность фосфогипса 82
5.1. Изменение экологической токсичности смеси ФГ и МПГ 82
5.2. Изменение содержание потенциально токсичных примесей в смеси ФГ и МПГ 86
Заключение 90
Выводы 93
Список литературы 95
Приложения: 115
- Биодиагностика экологического состоянияпочв, подвергающихся.антропогенной нагрузке
- Вегетационные опыты
- Биоразнообразие микобиоты
- Реакция.стандартизованных тест-организмовфазных» трофических уровней (биотестирование)
Введение к работе
Актуальность исследования. Постоянно пополняющиеся отвалы отходов промышленной переработки природного сырья принимают масштабы, угрожающие устойчивому функционированию биоценозов. Одним из видов многотоннажных отходов является фосфогипс (ФГ) — побочный продукт производства экстракционной фосфорной кислоты, получаемой при разложении фосфатного сырья или апатитового концентрата смесью серной и фосфорной кислот дигидратным способом. Фосфогипс находит разностороннее применение в сельском хозяйстве, строительстве, целлюлозно-бумажной промышленности (Ахмедов, Атакузиев, 1980; Борисов и др., 1983; Ляшкевич, 1985; Иваницкий и др., 1986; Фосфогипс..., 1990; Потапов и др., 2003; Smadi et al., 1999; Singh, 2002; Tayibi et al., 2009 и др.). Наличие в нем таких важных элементов питания растений, как кальций, " фосфор, сера, делают ФГ привлекательным в качестве удобрения. Используют ФГ и в качестве мелиоранта почв солонцовых комплексов (Рашковский и др., 1989; Рекомендации ..., 2006 и др.).
Однако влияние ФГ, содержащего наряду с основным компонентом (гипсом) большое количество5 примесей в форме соединений стабильного ' стронция, фтора, кадмия и других (в том числе редкоземельных) элементов, а> также остатков серной и фосфорной кислот, на экологическое состояние почв исследовано недостаточно (Любимова, Борисочкина, 2007; Carvalho; Raij, 1997; Free et al., 1998; Toma, Saigusa, 1997; Elbaz-Poulichet et al., 2001; Lee et al., 2004; Al-Hwaiti et al., 2010; Hurtado et al., 2011 и др.).
Современная концепция экологического нормирования вредных воздействий предполагает реализацию интегрального подхода, основанного на сочетании химических и биологических методов анализа. Биотическим показателям в экологической оценке природных сред в последнее время придается особое значение (Левич, 1980; Воробейчик и др., 1994; Ананьева, 2003; Терехова, 2003, 2007; Опекунов, 2006; Кудеяров и др., 2007; Cairns,
2005 и др.). Факторы среды, воздействующие на живые организмы разных трофических уровней, оценивают биоиндикационными методами в природных условиях (in situ), и биотестированием образцов1 в лабораторных условиях (ex situ) по реакции стандартизованных тест-культур (Филенко, 1988; Воробейчик и, др., 1994; Терехова, 2003; Chapman 1990; Cairns, 2005; Persoone et al., 2005; Linkov, 2010 и,др.). Использование такого комплексного подхода представляется.целесообразным при изучении влияния фосфогипса* на почвенные ценозы. Рассмотренная в диссертации система (фосфогипс-почвенные субстраты) может служить, на наш взгляд, хорошей методической моделью для' нормирования содержания загрязняющих веществ в почвогрунтах и почвах.
Гуминовые препараты во многих вариантах их применения оказывают положительное влияние на почву и почвенные субстраты, способствуют. * детоксикации загрязняющих веществ, улучшают агрохимические свойства, стимулируют рост растений и т.п. Однако, эффект гуминовых препаратов-зависит от химической природы источников получения, ИХ СВОЙСТВ' и- доз применения (Орлов, 1990; Гуминовые..., 1993, Чуков, 2001; Куликова, 2008; Insam, 1996; Halim et al., 2003; Perminova et al., 2006; Si et al., 2006; Janos et- ,. al., 2010 и др.).
Поскольку нередко* ФГ применяется как мелиорирующий агент, представлялось интересным оценить возможность использования ряда. промышленных гуматов' для* «смягчения» возможных негативных последствий присутствия ФГ в почвенных субстратах. Поэтому отдельной задачей работы было выявление детоксицирующей активности промышленных гуматов по отношению к токсическим компонентам в смеси ФГ и почвогрунта.
В связи с вышесказанным, цель работы заключалась в экологической оценке почв и почвогрунтов, подверженных воздействию фосфогипса. Для достижения этой цели были поставлены и решались следующие задачи: охарактеризовать экологическое состояние почв территории; прилегающей к объекту размещения отходов фосфогипса; исследовать влияние фосфогипса* на содержание, некоторых потенциально < опасньтх.примёсей в почвогрунте; :
Зі> проанализировать влияние фосфогипса на .тест-функции- организмов- основных трофических уровней; и биоиндикационные показатели почвенной* микррбиоты; установить: предел допустимого для?' живых, организмов^. содержания^фосфогапсав почвогрунте; .'
4Y .' рассмотреть возможность- применения* гуминовьш препаратов* для; снижения неблагоприятногоївоздействия?фосфогипса:. " V . ' " Работав выполненач на; кафедре: земельных; ресурсов? и оценки почв* факультета;, почвоведения МЕУ имени; M;Bf. Ломоносова. Исследованиям проводились при; поддержке программы; Президиума; РАН «Биологическое? разнообразие», а также ^; рамках ГК №14.740.11.0796. ФЦП «Научные- и : научно-педагогические кадры инновационной России». Результаты. исследования . представляли большой интерес для; Департамента природопользования и охраны окружающей среды. Правительствам. Москвы, всвязи с-разработкай,рекомендаций по оптимизацишсостава'гискусственньгх^' почвогрунтов,. поэтому часть» работы, выполнялась в рамках 'НИР по Еосударственному контракту №; Н1/08 , от 18.04.09<\ Изучение, влияния. отходов; фосфогипса на почвы, проводились на территории, прилегающей* к ОАО «Воскресенские1 минеральные удобрения» в Московской.областш...
Выявлена неоднозначная реакция на фосфогипс; организмов разных трофических уровней, установлены факторы, влияющие; на биоразноо.бразие почвенных микроорганизмов; Основываясь на современной* (биотической) концепции экологического контроля рассчитан индекс нарушенное экологического состояния почв, отражающий степень влияния отходов фосфогипса на биоту.
Определен набор-химических и биотических показателей, который; может быть рекомендован для включения в систему мониторинга качества почв при оценке воздействия фосфогипса. Для стандартного почвогрунта (согласно ИСО 11268-1) установлено, что безвредным для биоты является содержание ФГ < 2,0% (по массе). Результаты исследования учтены Департаментом природопользования и охраны окружающей среды Правительства г. Москвы при разработке рекомендаций по оптимизации состава искусственных почвогрунтов, использованы в отчете о НИР по оценке влияния отходов фосфогипса на окружающую среду, используются при чтении лекционного курса для студентов «Биодиагностика и экологическая оценка».
Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю доктору биологических наук Тереховой В.А за неоценимую помощь в проведении работы, ценные советы и рекомендации на всех этапах исследования. Особую благодарность автор выражает сотрудникам ЛЭТАП и & кафедры земельных ресурсов и оценки почв факультета почвоведения МГУ и лично зав. каф., проф. Яковлеву А.С. за полезные предложения, консультации и внимание к работе, а также д.б.н. Верховцевой Н.В., д.б.н. Лысак Л.В., к.б.н. Горленко А.С, к.б.н. Семеновой Т.А. за помощь в организации исследования и проведении анализов. Огромную/ признательность автор выражает семье и друзьям.
ЕЛАВА 1, СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЬЕ К ЭКОЛОГИЧЕСКОМУ НОРМИРОВАНИЮ ПОЧВ ПРИ ХИМИЧЕСКОМ; ЗАГРЯЗНЕНИИ: ВОЗДЕЙСТВИЕ ОТХОДОВ ФОСФОЕИПСА Ш ХИМИЧЕСКАЯ! РЕМЕДИАЦИЯ ПОЧВ (ОБЗОР ЛИТЕРА'ЕУРБПг
1.1. Загрязнение окружающей? среды: современное состояние проблемы? экол огическогошормирования;
Загрязнение окружающей; природной? среды-: - один из наиболее сильньгх факторов; разрушения» компонентов? биосферы. Химическое загрязнение: не' -только .наносит- существенный", ущерб природным биогеоценозам;,. но* ш.. приводит нередко: к. их полному уничтожению. Серьезную;: проблему для? биоценозов^ представляют загрязнения - многотоннажными; отходами: W химических производственных комплексов, в> частности, таких как. комплексы- «большой химии» по производству минеральных удобрений; Отходы- этих производств,, как правило,, размещаются на: открытых площадках в непосредственной близости к предприятиям, природным комплексам^ и даже поселениям. При: этом, химическое: загрязнение, почвы может быть,наибольшим; препятствием, затрудняющим: устойчивое развитие окружающей'среды. Именно»почва;является!основным;депо^для химических загрязнителей, поступающих наг ее поверхность; из: разных источников. Загрязнение- почв обычно сопровождается:загрязнением грунтовых вод, что/ также приводит к негативным последствиям для здоровья человека, животных и растений. Поллютанты. из загрязненной почвы и грунтовых вод могут переходить в почвенный раствор и усваиваться растениями, поступая, таким образом, в пищевые цепи почва - растение' - животное - человек. Для восстановления поврежденных биогеоценозов необходимы как эффективные ремедиационные мероприятия, так и качественная^ оценка степени: нарушенности биосистем. (Стеруфак, 1982; Криволуцкиш и др;, 1987; Левин ю .'; и др., 1989; Садовникова, 1989; Казеев и др., 2000; Колесников № др., 2000; Мотузова, 2007; Плеханова, 2008).
Многофункциональность почв в окружающей природной среде формирует уникальную ситуацию, когда значимость, показателей состояния почв- для' оценки,: состояния: ОПЄ в целом ощутимо' выше; чем* значимость показателей^состояния* других природных сред,(табл. 1. Ь)' .. Таблицами'
Характеристика значимости показателей состояния природных сред, для природоохранной оценки состояния ландшафтами OFIG в целом (Макаров; 2004);
Высокая* значимость> показателей? состояния; почв, для экологической- : оценки^ окружающей- среды обусловлена: их информативностью; невысокой? (относительно таких природных сред., как атмосферный, воздух, природные: воды и: т.ш) динамичностью; их «комплексным» характером: Будучш системой более устойчивой, чем вода и воздух, почва способна; сопротивляться загрязнению. Но когда внешнее: воздействие преодолевает это сопротивление, почва несоизмеримо дольше; чем вода-и->воздух, остаётся, в загрязнённом состоянии и, тем самым, представляет собой источник отрицательного влияния на здоровье людей и на биосферу в целом (Мотузова,
1994). ' ,'
Современные публикации отражают' как развитие, концепции; экологического контроля- окружающей среды, так w разные варианты практической реализации основных подходов в экологической оценке и нормировании вредных воздействий.
Рассмотрим некоторые трактовки основных понятий и современные подходы к оценке экологического ^состояния окружающей природной среды/ (ОПС).
Окружающая природная среда традиционно, рассматривается как комплекс. взаимодействующих природных сфер-компонентов (почві атмосферного воздуха; природных вод), выполняющих; определённые функции в обеспечении общего экологического* облика1; природы. Иод экологическим состоянием ОПС понимается степень её пригодности для пролшвания человека и нормального функционирования, наземных^ экосистем-. («Временная методика;.., 1999). " ............
Состояние ОПС оценивается с помощью- параметров, которые, подразделяются на:
Первичные параметры ОПС - количественные характеристики; отдельных свойств и состава природных объектов (загрязнённости, деградированности,. нарушенное);
Относительные параметры ОПС первичные параметры, выраженные в единицах; относительно предельно допустимых норм; конкретных параметров (ЩЩ - предельно, .допустимых концентраций; ОДК -
ОриеНТИрОВОЧНО ДОПУСТИМЫХ КОНЦеНТраЦИЙ'ИчТ.Д.);
Р анодированные параметры ОПС - относительные параметры, ранжированные по уровням потери- экологического качества ОПС в соответствии с существующими нормативами;
Доминирующий параметр ОПС ранжированный параметр высшего класса опасности, определяющий максимальный уровень потери экологического качества ОПС для условий данного конкретного природно-территориального комплекса.
В определённой мере, чёткое разделение природы на отдельные сферы обусловлено; методическими особенностями исследования отдельных природных компонентов и их природно-ресурсной значимостью в ' 12 . обеспечении технологических процессов природопользования. Поскольку почвенный покров является важным компонентом окружающей природной среды, оценка экологического состояния почв и земель является обязательной основой для оценки степени антропогенной нагрузки на территорию.
Под оценкоіі экологического состояния почв и земель в зонах влияния промышленных предприятий понимается процедура выявления и оконтуриваният земельных участков, однородных в отношении их экологического состояния. Для этого используются показатели их экологического состояния, к которым относятся: свойства почв и земель, почвенные процессы и режимы, рассматриваемые с точки зрения своего влияния на степень пригодности почв и земель для комфортного проживания человека и нормального функционирования наземных экосистем' (Оценка ..., 1999).
Сразу после выброса загрязняющие вещества включаются в циклический обмен» между поверхностью суши и приземным слоем атмосферы. Та их часть, которая попала на поверхность почвы, либо задерживается в верхнем горизонте, либо проникает внутрь почвенной толщи при нисходящем токе почвенной влаги, а также механическим путём за счёт деятельности почвенных животных. Состав и количество* удерживаемых элементов зависят от содержания и состава гумуса, карбонатно-щелочных и окислительно-восстановительных условий, сорбционной способности, интенсивности биологического поглощения. В зависимости от почвенно-геохимических условий часть потенциально токсичных элементов переходит в труднорастворимые, малодоступные растениям и микроорганизмам формы. Другая же часть может образовывать легкорастворимые, мобильные формы, негативно воздействующие на почвенную биоту, способные в условиях промывного водного режима удаляться из почвенного профиля. Степень опасности загрязнения подвижными формами загрязняющих веществ существенно зависит от механического состава почв: она является минимальной в хорошо водопроницаемых песчаных; почвах и значительно'возрастает в;менее водопроницаемых суглинистых шглинистых почвах (Садовникова, 1989). -Вследствие перечисленных и других; особенностей нахождения и> поведения** загрязняющих веществ* В; почве- необходимо контролировать,, их поступление, содержание1 иммиграцию. Для этого1 существуют специальные законодательные акты по охране почв; созданы^ нормативы; предельно? допустимых концентраций? вредных химических* веществ в почве: Прш этом подї ПДК понимается: максимальное егоз количество» (в; мг/кг пахотного слоя? абсолютно? сухой почвы),, установленное в; экстремальных почвенно-климатических условиях, которое гарантирует отсутствие* отрицательного прямого ^или опосредованного через; контактирующие с почвой среды воздействияг на здоровье: человека' его: потомство? и; санитарные- условия, жизни населения (Гончарук, Сидоренко, 1986). ..
Под приоритетными загрязняющим* почву химическим? веществом; понимается^ вещество- подлежащее: контролю в- первую очередь. В: нашей стране действует ГОСТ «Классификация' химических, веществ- для* контроля? загрязнения» (табл. 1.2):. : ''.''.'.' ТаблицаЛ.2:
Классы загрязняющих веществ;по степенишх опасности. (ІШСБ 17.4. Г.02-83)^
Класс опасности элемента определяется по величине индекса опасности - интегрального показателя, учитывающего, атомную массу, растворимость в воде, среднее арифметическое шести ПДК в различных природных средах и ПДК в почве. Выбор перечисленных: элементов определяется- тем, что соединения их наиболее токсичны,' им: свойственно накапливаться, в, естественных условиях,. выброс, их,в: окружающую среду, носит массовый. характер, они активно включаются в трофическиёг цепи и наиболее устойчивы в природе (Мотузова, 1994);
Одним из. этапов совершенствования- системы ' нормирования? загрязняющих веществ; был подход, основанный на 'определениидопустимой нагрузкт на почву с учетом ее .буферных свойств. Этот подход/отражает способность, почв? к самоочищению или; ограничению подвижностш . токсикантов: Следует отметить, чтої методическое/несовершенство в- этом; случае; осложняется еще: и отсутствием:единого понятийного аппарата в этой* сфере.1. Зачастую; разные: авторы, одним;.'и .тем: же- названием; обозначают, ., разные, . понятия; либо: наоборот, разными^ терминами;: например; -: «устойчивость», «буферность»., . «сопротивляемость» илш «емкость устойчивости», обозначают одни и те;же (Алифанов- Гугалинская^ 2004). Но; .' самая: большая трудность .все же закліочается;в том;.что разработатьПДК,для? каждого; типа почв нереально: Считается. целесообразным: разрабатывать'<" нормативы химических веществ, для- почвенно-химических ассоциаций;, объединенных общностью основных физико-химических свойств, определяющих-устойчивость к-химическому загрязнению. , . Следующий: этап развития методологии? нормирования; связан? с . разработкой ОДК — ориентировочно допустимые концентрации химических элементов; рассчитанные; для'почв с: разными свойствами. В? основу группировки почв были положены кислотно-щелочные: условия*1 и гранулометрический состав. Наиболее продвинутыми оказались разработки ОДК тяжелых металлов для групп: а) песчаных и супесчаных почв (наименее устойчивых к загрязнению); б) суглинистых и глинистых (относительно более устойчивых к загрязнению), которые в свою очередь были разбиты еще на две подгруппы - кислые (рН КС1 < 5,5} и близкие к нейтральным и нейтральные (рНКсі > 5,5)..
Определенной ценностью обладают и другие подходы, в5 частности- биогеохимическое нормирование, опирающееся на фактические показатели
15- .. избыточного содержания химических элементов в таксонах (ландшафтах, экотопах) биогеохимических провинций. (БГХП). Районирование БГХП основано на вероятностном определении верхних и нижних границ пороговых концентраций, в рамках которых на данноштерритории состояние живых организмовне отклоняется от нормы (Ковальский^ 1974).
Статистическое нормирование также связано с выявлением пороговых значений содержания химических веществ. Статистические расчеты- основаны на определении* среднего уровня содержания- элементов, что- принимается за фоновый, а отклонением или значимым, считается превышение1 среднего содержания^ на 3 стандартных отклонения. Такая система широко практикуетсяво^многих зарубежных странах. К этой группе нормативов качества почв может быть отнесен показатель суммарного загрязнения почв Zc, предложенный Ю.С. Саетом (Геохимия..., 1990)
В связи с повышением внимания к оценке нежелательных последствий антропогенной деятельности и нарастания угрозы-экологических катастроф* для жизни человека следует признать актуальным развитие нормирование состояния загрязненных почв на основе концепции экологического риска. На основе отношения общей химической' нагрузки и критической для определенной территории определяют интегральные показатели риска. Важно, что при этом учитываются все основные почвенные свойства (тип почв, структура- микробиоты, гранулометрический состав, положение в рельефе, водный режим, тип растительности, почвообразующие породы). При этом общую химическую нагрузку рассчитывают по массе всех потоков вещества на данную территорию, а негативный эффект влияния загрязнителей на почвы оценивается по реакции чувствительных микроорганизмов почвы.
Принцип выделения экологической нормы - установление допустимого предела нарушения природной среды до сохранения её способности к самовосстановлению при данном уровне технологической культуры природопользования (Светлосанов, 1990; Снакин и др., 1992; Виноградов,
1998). Другими авторами вопрос для определения критериев нормальности состояния и функционирования экосистем предлагается следующий набор конкретных признаков, подлежащих регистрации в натурных наблюдениях. По их мнению, критерием выбора показателя может бытьфоль компонента в круговороте вещества и энергии и в поддержании устойчивости экосистемы; в осуществлении вклада в функционирование экосистем более высокого ранга; в выполнении экосистемой социально-экономических и эстетических функций; а также чувствительность, надёжность и малое характерное время реагированияша действие техногенных факторов (Воробейчик и др., 1994).
Разработка системы информативных показателей качества компонентов окружающей среды (ОС) (в том числе и почвогрунтов) должна основываться на установлении диапазона допустимых значений показателей, характеризующих экологическое состояние экосистем и оптимальное . антропогенное воздействие на них. В качестве основного критерия при определении нижних пределов допустимого экологического качества почвогрунтов и неблагоприятного воздействия на них может служить способность сохранять устойчивость при антропогенной нагрузке, вызываемой тем или иным видом землепользования; т.е. способность : восстановления своих основных природно-ресурсных свойств (Яковлев, Макаров, 2006).
При выявлении допустимых воздействий на качество почв и почвогрунтов необходимо принимать во внимание, что потери биоорганического потенциала почв и почвогрунтов, не должны превышать определенного уровня (по данным экспертной оценки 20-30% от фоновых значений); пороговые значения загрязнения и деградации почв и почвогрунтов должны соответствовать уровням, при которых невозможен массированный переход загрязняющих веществ и почвенной массы в сопредельные природные среды. Необходимо учитывать различную устойчивость почв и почвогрунтов к антропогенному воздействию в зависимости от их природных свойств (гумусированности, кислотности, гранулометрического состава и др.) и разнообразие видов хозяйственного, 'использования земель (Яковлев, Евдокимова, 2011).
В рамках установленных таким образом общих границ, могут быть выделены; индивидуальные границы экологической" нормьк «состояния-воздействия», для почв и почвогрунтов каждой из категорий земель, с учетом специфики их-хозяйственного использования. Их называют «базовыми экологическими нормами для-почв разных категорий-земель» (табл. 1.3).
Таблицаї.З
Экологические требования, соответствующие допустимым значениям основных характеристик почв земель разного хозяйственного назначения, -базовые экологические;нормы (по: Яковлеву, Евдокимовой, 201 Г). _.
Как уже было сказано^ существующая; система регламентации антропогенного воздействия- базируется: на санитарно-гигиенических нормативах. Однако, существуют многочисленные примеры,, когда безопасные для человека уровни загрязнения губительны для биоты и наоборот (Криволуцкий идр., 1987; Воробейник и др., 1994). Поэтому нужен единый подход к разработке нормативов на содержание различных типов загрязняющих веществ в окружающей среде с учётом не только санитарно-гигиенических, но и экологических принципов (Криволуцкий и др. 1987). 1 Биоорганический потенциал почв — сумма живого и гумусированного органического вещества.
Следует признать, что на современном этапе происходит постепенная смена парадигм: выявленная ограниченность концепции предельно допустимых концентраций (ПДК) загрязняющих веществ и некорректность расширения сферы применения санитарно-гигиенических нормативов на оценку природных экосистем ведет к укреплению позиции, биотического подхода в экологическом' контроле и нормировании вредных воздействий. Согласно биотическому подходу оценка экологического-состояния почв, как и других экосистем, по шкале "норма - нарушение" должна проводиться не подуровням абиотических факторов, предусматривающим расчет предельно допустимых концентраций (ПДК) загрязняющих веществ, а по комплексу биотических показателей. Абиотические факторы (загрязняющие вещества и др;) в этом случае рассматриваются' как агенты воздействия* на живые компоненты экосистем, отдельные организмы и их популяции, на экологические связи между ними ' (Левич, 1994).
1.2. Биодиагностика экологического, состояниям почв; подвергающихся антропогенной нагрузке
В современной практике для интегральной оценки качества среды и меры воздействия поллютантов, наряду с химико-аналитическими, достаточно широко применяют биологические методы, основанные на реакциях живых организмов (Левич, 1980; Воробейчик и др.', 1994; Терехова,
2004, 2011а,б; Опекунов, 2006; Chapman 1990; Cairns, 2005; Dagnino et al.,
2008). Преимущество их в том, что они отражают в основном общие, динамические свойства почв, в то время как данные по минералогии, химии и морфологии характеризуют главным образом отдельные консервативные показатели состояния почв (Гельцер, 1976; Добровольский, Никитин, 1990).
Аналитический контроль загрязнения природных и техногенных объектов, осуществляемый химическими методами не в состоянии гарантировать экологическую надежность природоохранных мероприятий. Химические анализы показывают лишь наличие «маркеров» - определенных концентраций загрязнителей. Такая информация имеет крайне ограниченное значение для прогноза структурно-функциональных изменений биоты и оценки состояния живых организмов, а, следовательно, экосистемы в целом. Современные подходы к оценке- экологического неблагополучия основываются на разных способах интеграции данных химических, биоиндикационных (методами in situ) и токсикологических исследований (биотестированием образцов ex situ, так назывемыми- методами «опережающего* контроля») (Биологический ..., 2007; Терехова, 2003; Chapman 1990; Dagnino et al., 2008 Linkov, 2010; Terekhova, 2011 и др.). При этом целесообразно исследовать реакции живых организмов разных трофических уровней - продуцентов, консументов, редуцентов- (Терехова, 20116; Persoone et al., 2005). В природоохранных целях согласно-нормативным документам в РФ рекомендуется использовать минимум 2 тест-системы, при условии, что они отражают реакцию разных таксономических групп и трофических уровней (Критерии..., 2001). Однако трофическая цепь в природных биоценозах надежно- поддерживает устойчивость экосистем при сбалансированном функционировании всех трофических уровней. Они представлены тремя основными группами" организмов: 1) продуценты (автотрофные растения, создающие органические' вещества из неорганических),- 2) консументы («потребители» гетеротрофные растительноядные и паразитирующие организмы, питающиеся готовыми органическими веществами за счет автотрофных организмов) и 3) редуценты («восстановители» - сапрофаги, питающиеся разлагающимися остатками организмов, способствующие минерализации органических веществ, их переходу в усвояемое продуцентами состояние). В связи с этим, на наш вгзляд, целесообразно внедрять в практику новый принцип выбора тест-организмов, и в батарею биотестов включать представителей не двух по произвольному выбору исследователя, а минимум трех представителей разных трофических уровней. Такой подход вполне согласуется с тенденциями совершенствования схемы экосистемного (технологического) нормирования, основанной на биотической концепции экологического контроля (Терехова, 2009^20116).
Почва как гетерогенная-среда и многоуровневая' система; представляет особую сложность для? биологического исследования. Функционирование почв обеспечивается метаболитической: активностью v и, видовым; разнообразием, организмов разных трофических уровней< и таксономической* принадлежности; Она является- средой; обитания: для; представителей! всех; царств живой? природы. - животных (Animalia), растений (Plantae); грибов {Fungi, или Mycotd)\ простейших (Protista) и прокариотных организмов (Prdkarj'ota,: ~ ши' Мопега), включая: ~ разнообразные ~: сообщества микроорганизмов.(бактерии:и др.)і
Теоретическое обоснование такого биотического подхода* к .практическим исследованиям почв мы: находим в ряде основных положений о структурно-функциональной роли почвы в биогеоценозах* ибиосфере: ' Устойчивое функционирование почвенных экосистем в:значительной мере обусловлено состоянием ее биотического компонента (Добровольский, Никитин,1990). ., , ' В ряду экологических, функций, выполняемых почвой для обеспечения* существования биогеоценозов и биосферы в целом, важнейшее место занимают функции поддержания биоразнообразия и- сохранения- сред обитания для: сообществ разных видов педобионтов и всех обитателей наземных экосистем (Добровольский, Никитин, 2000).
Данные биологических исследований представляют объективные показатели режима эюизни почв и имеют важные преимущества перед данными по морфологии, химии и минералогии почв, так как последние характеризуют консервативные накопившиеся ранее признаки и свойства почв (Гелъцер, 1986).
Согласно современным представлениям, микробиологический мониторинг относится к приоритетным направлениям контроля качества окружающей среды. В экологической оценке нарушенных наземных экосистем состоянию почвенных микроорганизмов придается большое значение. Основу приоритетности изучения микробных комплексов составляют функции микроорганизмов1 по поддержанию гомеостаза почвенных экосистем. Благодаря малым ^ размерам микроорганизмы имеют большую относительную поверхность контакта со*средой*обитания. Высокая скорость роста и размножения дают возможность в короткий срок проследить за- действием любого экологического фактора на протяжении десятков и даже сотен поколений. Ответные' реакции микроорганизмов быстры и чувствительны, касаются различных сторон их жизнедеятельности : роста, морфологического строения, накопления'ими химических элементов, активности звеньев метаболических процессов, состояния регуляторных процессов.в организмах (Виноградский, 1952; Скворцова.и др., 1980; Умаров, 1986; Звягинцев, 1987; Бигон и др., 1989; Левин и др:, 1989; Гузев, Левин, 1991; Круглов, 1991; Виноградов и др., 1993; Пикушова, Веретельник, 1993; Марфенина, 1994,1998; Сиповская, 1998; Казеев и др., 2000; Колесников и др., 2000; Добровольская, 2002; Ананьева, 2003; Заварзин, 2003; Тропина и др., 2003; Кожевин, 2006; Тлехас, Колесников, 2007; Kenega, 1978 и др.).
Биотестирование, в качестве метода дополняющего биоиндикацию и химико-аналитический комплекс, обладает рядом несомненных достоинств. Биотесты позволяют фиксировать негативные изменения при относительно слабых антропогенных нагрузках- в. режиме, опережающем видимые' их проявления. В тест-реакции суммируется действие всех биологически вредных факторов, включая физическое и химическое воздействие (Филенко, 1988; Воробейчик и др., 1994; Терехова, 2009).
Вместе с тем, критериальные градации и уровни загрязненности территорий, как и принципы выбора из существующего множества биотических показателей наиболее информативных для экологической оценки «нормы» и «патологии» наземных экосистем разработаны недостаточно. Нет готовых схем анализа и шкал оценки, позволяющих более или менее объективно оценить воздействие неблагоприятных факторов и спрогнозировать характер развития* экосистем (Абакумов, 1991)
1.3. Общие сведения о фосфогипсе. Влияние фосфогипса на окружающую среду
Общие сведения о фосфогипсе. Фосфогипс (ФГ) — побочный продукт производства экстракционной фосфорной кислоты (ЭФК), получаемой при разложении фосфатного сырья или апатитового концентрата смесью серной и фосфорной кислот дигидратным способом. В основе производства ЭФК лежат два одновременно протекающих^ процессаг растворение фосфатного сырья в смеси серной и фосфорной (образующейся в процессе) кислот и кристаллизации сульфата кальция. Реакция сернофосфорнокислотного растворения фторапатита в общем случае имеет вид: Ca5(P04)3F + 5H2S04 + nH3P04 + mH20 = (n+3)H3P04 + HF+5CaS04xmH20
Химический состав фосфогипса (содержание в нём Р2О506Щ w -водорастворимого, влаги и других примесей) в основном определяется качеством используемого фосфатного сырья, а также способом производства ЭФК. Так, фосфогипс, получающийся при переработке фосфоритового сырья, содержит меньше стронция (400-600 мг/кг) по сравнению с кислыми фосфогипсом из хибинского апатитового концентрата (1400 мг/кг). Из элементов, содержащихся в фосфогипсе, полученного при переработке хибинского апатитового концентрата может вызвать опасение кадмий, в фосфогипсе, полученном при переработке фосфатного сырья — кадмий и свинец (Любимова, Борисочкина, 2007). Сравнивая состав отчественного и зарубежного исходного сырья, можно заключить, что апатиты Кольского полуострова, имеющие магматическое происхождение, характеризуются более низким (на один-два порядка) содержанием примесей As, Cd, Pb, Ni, Zn, Cu, Hg, Cr, высоким содержанием F (до 3,3%), допустимым уровенем радиактивности (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Новые виды фосфатного сырья, как правило, значительно уступают по качеству Кольскому апатитовому концентрату; в частности, большое содержание в них тех или иных примесей снижает степень использование Р2О5 в производстве кислоты.
Проблема утилизации и хранения фосфогипса актуальна не только для России, но и для многих стран мира. Отмечены случаи загрязнения почв, природных вод и растительной продукции* тяжелыми, радиоактивными металлами, фтором при воздействии фосфогипса:. в Бразилии (Shirakawa et al., 2002; Carvalho, Raij, 1997), Греции (Papastefanoib et al., 2006), Иордании (Al-Hwaiti et al, 2010), Испании (Pe'rez-Lo'pez et al., 2007; Hurtado et al., 2011), Казахстане (Vyshpolsky et al., 2010); США (Free et al., 1998), Турции-(Degirmenci et al., 2006); Южной Корее (Lee et al., 2004), Японии (Toma, Sages, 1997).
Оценка загрязнения окружающей среды на участках размещения отвалов фосфогипса. Хранилища фосфогипса являются комплексными источниками загрязнения и деформации окружающей среды: нарушают рельеф местности, прерывают и (или) изменяют естественный поток внутрипочвенной миграции вещества, обогащают ландшафт техногенными-веществами, изменяют характер приземных потоков воздуха, влияют на показатель влажности участка. Наибольшую опасность ' для ОПС представляют химические примеси, содержащиеся в фосфогипсе в форме водорастворимых и летучих соединений. Фосфогипс, направленный в« открытое хранилище, по существу новым компонентом ландшафта, который будет испытывать влияние внешней среды, аналогичное воздействию на любые породы.
На примере отвалов №1 (складирование проводилось с 1968 по 1997г) и №2 (с 1976 по н.в.) ОАО «Воскресенские минеральные удобрения» очень заметны различия в содержании ведущих компонентов на вершине и склонах отвала (табл. 1.4).
Наблюдаемое различие может быть следствием, как влияния сроков хранения, так и различных путей миграции: на верхней площадке — преимущественно ветровой пылеперенос, на склонах - водная миграция с усиленным температурно-радиационным воздействием (при южной и особенно западной ориентации). Отходы, складированные в отвале №1 (табл. 1.4) отличаются* ещё более низким содержанием фосфорных, фтористых и сернистых соединений, особенно на верхней' площадке полигона; что подтверждает гипотезу продолжения миграции специфических ингредиентов из «тела» полигона во внешнюю среду (Влияние..., 1997).
Таблица 1.4 Содержание компонентов фосфогипса (в %) на различных участках полигона на примере ОАО «Воскресенские минеральные удобрения»
Влияние сухих отвалов - фосфогипса обусловлено в первую очередь газопылевыми эмиссиями и стоками с поверхности хранилища. Самым летучим компонентом состава является фтороводород. Эмиссия фтора с фосфогипса оценивается примерно в 3 т/год (или 1/5 общего выброса фтора атмосферу). По литературным данный (Плышевский, 2001), ветровое распространение пыли фосфогипса вокруг сухого отвала — порядка 1,5 км. На
Гомельском химзаводе при обследовании выявлено,.чтош снеге около отвала аккумулируется-на 1 м поверхности-в; среднем 0,06 г. фтора, 8,0 г. фосфорада 1 г. серы по сравнению, с 0,01, 0;3 № 0,7 г/м~ соответственно в снежном покрове санитарношзоны завода.
Влияние отвалов на; загрязнение: воднош среды, обусловлено выщелачиванием компонентов фосфогипса в процессегхраненияшаюткрытых площадках. Формирование стоков на «сухих» связано как» с выпадением атмосферных осадков; так;и» с потерей водьгпод;действием;гидравлических сил. Поступающий на- хранение фосфогипс имеет влажность около:« 40%. После;, хранения; в течении .более .чем. 1 года; содержание свободной* влаги "уменьшается; -до";- 1г5%. Снижение;" влажности^ происходит ~ в" "основном вследствие сжатия под собственным'весом. Также, приюбследовании;отвалов; 0АО «ВМУ», выявлено; что ближе: к; подошве происходит накопление: фосфатов и фтораї. Так,, содержание Р2О5 и F на- поверхности составляло; соответственно, 0;2-0;5% и 0,01%^ а наї глубине 20 м; - 0;4-0;8% и 0;03%. Сточные воды, образующиеся на склонахм отвалов; прт выпадении атмосферных осадкові содержат до 3,4 г/л. Р205.и до 0;Т5 г/л. Е, что в сотни раз выше естественного содержания;, этих ионов в поверхностных водах гумидношзоны,(Р^05= 2 мг/л.,,її=0,5 мг/л.) (Влияние..., 1997)-
ФГ находит, разностороннее применение; в, сельском* хозяйстве, строительстве, целлюлозно-бумажной промышленности (Борисов;. .1983; Иваницкий. и др., 1986; Марказещ. 1986; Фосфогипс...,. 1990;* Srriadi?, et al., 1999; Singh, 2002). Наличие в нем таких; важных элементовшитанияфастений, как кальций, фосфор, сера, делают ФГ привлекательным в- качестве. удобрения. Используют фосфогипс и в качестве: мелиоранта слабосолонцеватых, солончаковых почв и солонцов. Известно, что при внесении 10 т/га в почву поступает 100 - 200 кг Р2О5 в усвояемой форме (Фосфогипс..., 1990). Из,литературных данных известно, что рекомендуемая-разовая доза внесения не более 15 т/га (Рекомендации..., 2006). Однако при надлежащих агротехнических приемах эта доза может возрастать до 35 т/га (Рашковский и- др., 1989). Вопросы, влияния? фосфогипса (как многокомпонентного отхода, так,-и= мелиоранта), содержащего наряду с
ОСНОВНЫМ;КОМПОНеНТОМ; (ГИПСОМ). б0ЛЬШ0Є: К0ЛИЧЄСТВО примесей В; форме соединений* стабильного: стронция;, фтора; кадмия, свинца и: других (в том: числе редкоземельных и радиактивных) элементов» на\ химических состав> почв; грунтовых, и; порхностных: вод, достаточно подробно «рассмотрены в; , литературе1 (Влияние..., 1997; Любимова, .Борисочкина,^ 2007; Протасова; Горбунова, 2010; Carvaffio; Raij^ 1997; Free etrali, 1998;.Elbaz-Poulichet-et ah,. 2001; bee etTalv,.2004; Degirmencr et ah, 2006; Papastefanometal., 2006;-Pe'rez-Eo'pezetal., 2007;: TayibietaK, 2009;: Al-Hwaitketal., 2010; ^shpolsky et ah, 2016';:; Hurtado* et ah, 2011); Вїто?жёвремя; влияние;ФГ'наГэтпбгйчёское состояние почвисследованоінедостаточної
Таким; образом, из; анализа литературных данных о г составе: -фосфогипса, путях его- возможного негативного1; влияния; на окружающую- . среду,.следует, что- потенциально; опасными? для? ОЄ являются соединения; фтора, стронция;-фосфора, кадмия..
Г.4., Рёмедиация нарушенных почв: опыт и область, применения'-. гуминовых веществ!
Среди, множества- проблем, характерных для; современной- хозяйственной* и; производственной деятельности, охрана: и? восстановление окружающей среды, занимает важнейшее: место; Это - связано^ с тем;, что влияние антропогенных (техногенных) факторов; на состояние объектов^ окружающей природной среды становится преобладающим по сравнению с природными. При этом уровни загрязнения; циркуляция ксенобиотикови их перенос возросли до уровня, угрожающего здоровью настоящего и будущего поколения-людей (Жмур, 1997; Добровольский, 1999 и др.). В этой связи; особо важное значение приобретают вопросы детоксикации и утилизации бытовых и промышленных отходов, защиты окружающей природной среды,. в частности почв, от неорганических и органических токсичных веществ
Устойчивость'биосферы к интенсивному антропогенному воздействию и ее способность к восстановлению в огромной степени обусловлены наличием в почве, поверхностных водах и донных отложениях гуминовых веществ. Гуминовые* вещества (ГВ) — это сложные смеси устойчивых к биодеструкции< высокомолекулярных, как правило, темно-окрашенных органических соединений природного происхождения, образующихся при разложении растительных и животных остатков под действием микроорганизмов» и абиотических факторов среды (Орлов и др., 1995). Общепризнанным является тот факт, что гумус и важнейшая его часть — гуминовые кислоты (ГК) - определяют основные свойства почв и их плодородие. Гуминовые" вещества в почве выполняют аккумулирующие функции (участвуют в» накоплении- важнейших элементв питания растений и почвенной биоты), регуляторные функции (формируют структуру почв, влияют на водный и тепловой режим почв), протекторные функции (предохраняют растения и почвенную биоту от воздействия неблагоприятных факторов), физиологические функции (обеспечивают рост и развитие растений и микроорганизмов) и т.д. (Орлов, 1974, 1990, 1993; Орлов, Демин,. Завгородняя, 1997; Перминова, 2000; Чуков, 2001; Орлов, Чуков, 2003, 2004; Попов, 2004; Чуков, Голубков, 2005; Демин, Завгородняя, Терентьев, 2006а,б; Куликова, 2008; Перминова, 2008; Tate, 1980; Chaney, Swift, 1984; Black, McCarthy, 1988; Bollag, Mayers, 1992; Gramss et al., 1999 и др.). Велика роль ГВ как геохимических агентов, способствующих разложению горных пород и минералов, концентрации, рассеянию и переотложению химических элементов.
Благодаря двучленности химической структуры (наличию хорошо гидролизуемой периферической части и негидролизуемого ядра), гуминовые вещества могут вступать в практически любые виды взаимодействий: ионные, донорно-акцепторные, гидрофобные и т.д. В результате ГВ образуют комплексы с тяжелыми металлами, способны связывать как гидрофобные органические вещества, так и органические вещества с большим количеством функциональных ; групп, что - также большому разнообразию функциональных групп, гуминовые вещества представляют большой интерес,"в качестве детоксицирующих агентов:(Гуминовые.,..,1993; Чуков, 2001; Иёрминова, 2003; Попов; 2004;. Harvey et аГ., 1983; Ziechmann, 1990; Rice, MacOarthy, 1991; Perminovaet ak, 2001; Halim et al,, 2003;- Janos et all, 2010ИДР.).. . ' ; '
Однако; механизм действия ЕВ: во: многом; остается малоизученным. Известно, что- действие; гуминовых< веществ может быть, прямым .— связывание загрязняющих веществ с углеродным- скелетом1 FBV через: различные гетероатомы, такие: как азот, кислород: или сера,, что-предотвращает миграцию-поллютантов,в грунтовые воды,Игйх;поступление в: растениям Благодаря? наличию* в? структуре: ароматических структур: и: разнообразных\ функциональных групп,, ЕВ" взаимодействуют, с: ,. ксенобиотиками- по всем: возможным механизмам, включая образование: водородных связей^ ван-дер-ваалБсовых связей; лигандныш обмен и образование комплексов с переносом заряда. Наряду со, слабыми* физико-химическими, взаимодействиями; возможно >также образование ковалентных связей? между ЕВ и ксенобиотиками; по< механизму окислительного:,-связывания, когда5 токсикант, необратимо г встраивается въ структуру^ ЕВ? (Варшал и др;, 1979; Данченко и: др., 1995гвчаренко, 1995; Шульгин,:2001; Куликову 2008; Еоих, 1998;.Groue et-ak, 2003;.Jones, Huang, 2003; Simpsomet al., 2003; Huang and Weber, 2004; Feificova et ah, 2005; Dobranskyte et all, 2006 идр.).
Ряд, в который располагаются металлы по степени их связывания с гумусовой кислотой, в общем виде совпадает с рядом по произведению растворимости (ИР) гидрооксидов соответствующих металлов (Орлов; 1985). То есть, чем ниже ИР, тем больше металл переходит в осадок вместе с ЕК. Константы; устойчивости гуматов, как правило, нарастают с увеличением :рН: ~ (табл. 1.5). Эти данные подтверждают,, что в образовании металл-гумусовых соединений: большую (если даже не основную) роль играют явления' адсорбции и последующей коагуляции. Образующиеся при этом металлоорганические комплексы устойчивы в диапазоне значений рН от 3 до 9,5.
Таблица 1.5 Произведения растворимости и константы устойчивости некоторых гуматов
Возможно также и косвенное действие ГВ на загрязнители — стимулирование активности живых организмов, а также модулирование жизнедеятельности представителей биоты, участвующих в деструкции поллютанта (Вятчина и др., 2007; Chen, Aviad, 1990; Gramss et al., 1999; Kirschner et al., 1999; Muela et al., 2000; Mackowiak et al., 2001; Yakimenko, 2006 и др.). Несмотря на вышеупомянутые многочисленные результаты исследования биологической активности ГВ, механизмы этого явления изучены недостаточно. Некоторые авторы считают, что они напрямую воздействуют на клетки, изменяя проходимость клеточных мембран (Vigneault et al. 2000). Другие объясняют биологическую активность увеличением накопления биогенных металлов за счет образования металлокомплексов с ГВ (Chen and Avaid, 1990). Ряд публикаций посвящен химическим аспектам взаимодействия загрязняющих веществ с гуматами, вносимыми в почвенную среду в виде концентрированных растворов (Lesage et al., 1997; Van Stempvoort et al., 2002). Однако экотоксикологические исследования до и после такой обработки ни одним из авторов этих работ не проводились.
Многие природоохранные и природовосстановительные проблемы успешно решаются путем формирования оптимальных физико-химических, биогеохимических и других процессов с использованием ГВ, содержащихся преимущественно в виде гуминовых кислот и их солей в бурых и окисленных каменных углях, торфе, органических отходах. Широко известна возможность использования гуминовых соединений для детоксикации загрязняющих веществ органической природы (например, нефтепродукты, галогенсодержащие ароматические соединения, пестициды- и пр.), а также для очистки фунтовых вод и почв от тяжелых металлов и наночастиц (Орлов, 1993; Шульгин и др., 1994; Салеем, 2003; Дагуров, 2004; Терехова и др., 2006; Цветкова и др., 2007; Куликова, 2008;" Гладкова, Терехова,"2010; Insam, 1996; Roote, 1997; Van Cauwenberghe and Roote, 1998; Perminova et al., 2001a,b; Vidic, 2001; Lorenzo et al., 2002;.Meems et al., 2004; Weng et al., 2004; Illes and Tombacz, 2003, 2006; Si et al., 2006; Ivanov et al.,<2008 и др.).
Обобщая вышесказанное, основные свойства, эффекты и области применения гуминовых препаратов для, рекультивации почв и почвогрунтов можно представить в виде таблицы 1.6.
В настоящее время освоено производство широкого спектра; гуминовых препаратов (ГП) из различных источников - углей, торфов, промышленных органических отходов. Гуматы рекомендованы к применению для улучшения свойств почвы и для нейтрализации токсикантов (Шульгин, 2001; Перминова, Жилин, 2004; Чуков и др., 2011; Hofrichter, Steinbtichel, 2001; Perminova et al., 2005 и др.). Весьма вероятно, что ГП разного происхождения (из углей, торфов и промышленных органических отходов) и, соответственно, различающиеся по химическому строению, могут различаться и по детоксицирующему эффекту в отношении компонентов фосфогипса. В связи с этим, практический интерес представляет оценка детоксицирующей активности промышленных ГП по отношению к токсичным компонентам фосфогипса, входящего в состав модельного почвогрунта.
Таблица 1.6
Свойства, эффекты и области применения гуминовых веществ
Свойства ГВ
Эффекты действия ГВ
Области применения ГВ
1. регуляторные
2. протекторные
3. аккумулирующие формирование структуры почв, влияние на водный и тепловой режим почв, коагуляция и флокуляция органических и неорганических примесей снижение биодоступности тяжелых металлов, радионуклидов, органических зафязнителей связывание в прочные комплексы ионов металлов, органических экотоксикантов очистка природных и сточных вод, регулирование структуры и текстуры почв и фунтов детоксикация почв и фунтов, зафязненных тяжелыми металлами, радионуклидами, нефтепродуктами, поли- хлорированными и поли-циклическими ароматическими соединениями, пестицидами, бытовыми и промышленными отходами
4. физиологические стимуляция роста и развития растении и почвенной микрофлоры, ускорение процессов окисления и гидролиза органических экотоксикантов биологическая, рекультивация почв и фунтов, зафязненных нефтепродуктами, поли- хлорированными и поли-циклическими ароматическими соединениями, пестицидами и др
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПОЧВ И ПОЧВОГРУНТОВ,
ПОДВЕРЖЕННЫХ ВОЗДЕЙСТВИЮ ФОСФОГИПСА
Биодиагностика экологического состоянияпочв, подвергающихся.антропогенной нагрузке
В современной практике для интегральной оценки качества среды и меры воздействия поллютантов, наряду с химико-аналитическими, достаточно широко применяют биологические методы, основанные на реакциях живых организмов (Левич, 1980; Воробейчик и др. , 1994; Терехова, 2004, 2011а,б; Опекунов, 2006; Chapman 1990; Cairns, 2005; Dagnino et al., 2008). Преимущество их в том, что они отражают в основном общие, динамические свойства почв, в то время как данные по минералогии, химии и морфологии характеризуют главным образом отдельные консервативные показатели состояния почв (Гельцер, 1976; Добровольский, Никитин, 1990). Аналитический контроль загрязнения природных и техногенных объектов, осуществляемый химическими методами не в состоянии гарантировать экологическую надежность природоохранных мероприятий. Химические анализы показывают лишь наличие «маркеров» - определенных концентраций загрязнителей. Такая информация имеет крайне ограниченное значение для прогноза структурно-функциональных изменений биоты и оценки состояния живых организмов, а, следовательно, экосистемы в целом. Современные подходы к оценке- экологического неблагополучия основываются на разных способах интеграции данных химических, биоиндикационных (методами in situ) и токсикологических исследований (биотестированием образцов ex situ, так назывемыми- методами «опережающего контроля») (Биологический ..., 2007; Терехова, 2003; Chapman 1990; Dagnino et al., 2008 Linkov, 2010; Terekhova, 2011 и др.). При этом целесообразно исследовать реакции живых организмов разных трофических уровней - продуцентов, консументов, редуцентов- (Терехова, 20116; Persoone et al., 2005). В природоохранных целях согласно-нормативным документам в РФ рекомендуется использовать минимум 2 тест-системы, при условии, что они отражают реакцию разных таксономических групп и трофических уровней (Критерии..., 2001). Однако трофическая цепь в природных биоценозах надежно- поддерживает устойчивость экосистем при сбалансированном функционировании всех трофических уровней. Они представлены тремя основными группами" организмов: 1) продуценты (автотрофные растения, создающие органические вещества из неорганических),- 2) консументы («потребители» гетеротрофные растительноядные и паразитирующие организмы, питающиеся готовыми органическими веществами за счет автотрофных организмов) и 3) редуценты («восстановители» - сапрофаги, питающиеся разлагающимися остатками организмов, способствующие минерализации органических веществ, их переходу в усвояемое продуцентами состояние). В связи с этим, на наш вгзляд, целесообразно внедрять в практику новый принцип выбора тест-организмов, и в батарею биотестов включать представителей не двух по произвольному выбору исследователя, а минимум трех представителей разных трофических уровней. Такой подход вполне согласуется с тенденциями совершенствования схемы экосистемного (технологического) нормирования, основанной на биотической концепции экологического контроля (Терехова, 2009 20116).
Почва как гетерогенная-среда и многоуровневая система; представляет особую сложность для? биологического исследования. Функционирование почв обеспечивается метаболитической: активностью v и, видовым; разнообразием, организмов разных трофических уровней и таксономической принадлежности; Она является- средой; обитания: для; представителей! всех; царств живой? природы. - животных (Animalia), растений (Plantae); грибов {Fungi, или Mycotd)\ простейших (Protista) и прокариотных организмов (Prdkarj ota,: ши Мопега), включая: разнообразные : сообщества микроорганизмов.(бактерии:и др.)І
Теоретическое обоснование такого биотического подхода к . практическим исследованиям почв мы: находим в ряде основных положений о структурно-функциональной роли почвы в биогеоценозах ибиосфере: Устойчивое функционирование почвенных экосистем в:значительной мере обусловлено состоянием ее биотического компонента (Добровольский, Никитин,1990).В ряду экологических, функций, выполняемых почвой для обеспечения существования биогеоценозов и биосферы в целом, важнейшее место занимают функции поддержания биоразнообразия и- сохранения- сред обитания для: сообществ разных видов педобионтов и всех обитателей наземных экосистем (Добровольский, Никитин, 2000). Данные биологических исследований представляют объективные показатели режима эюизни почв и имеют важные преимущества перед данными по морфологии, химии и минералогии почв, так как последние характеризуют консервативные накопившиеся ранее признаки и свойства почв (Гелъцер, 1986). Согласно современным представлениям, микробиологический мониторинг относится к приоритетным направлениям контроля качества окружающей среды. В экологической оценке нарушенных наземных экосистем состоянию почвенных микроорганизмов придается большое значение. Основу приоритетности изучения микробных комплексов составляют функции микроорганизмов1 по поддержанию гомеостаза почвенных экосистем. Благодаря малым размерам микроорганизмы имеют большую относительную поверхность контакта со средой обитания. Высокая скорость роста и размножения дают возможность в короткий срок проследить за- действием любого экологического фактора на протяжении десятков и даже сотен поколений. Ответные реакции микроорганизмов быстры и чувствительны, касаются различных сторон их жизнедеятельности : роста, морфологического строения, накопления ими химических элементов, активности звеньев метаболических процессов, состояния регуляторных процессов.в организмах (Виноградский, 1952; Скворцова.и др., 1980; Умаров, 1986; Звягинцев, 1987; Бигон и др., 1989; Левин и др:, 1989; Гузев, Левин, 1991; Круглов, 1991; Виноградов и др., 1993; Пикушова, Веретельник, 1993; Марфенина, 1994,1998; Сиповская, 1998; Казеев и др., 2000; Колесников и др., 2000; Добровольская, 2002; Ананьева, 2003; Заварзин, 2003; Тропина и др., 2003; Кожевин, 2006; Тлехас, Колесников, 2007; Kenega, 1978 и др.).
Вегетационные опыты
Структуру бактериального комплекса методом посева характеризовали с использованием критериев, разработанных на кафедре биологии почв факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова. Таксономический анализ структуры бактериального сообщества проведен д.б.н. Лысак Л.В.
Численность сапротрофных бактерий в образцах определяли методом посева на глюкозо-пептонно-дрожжевую среду следующего состава (г/л): глюкоза - 1, пептон - 2, дрожжевой экстракт - 1, гидролизат казеина - 1, агар-агар - 20, мел - 5. Навеску почву помещали в 100 мл стерильной водопроводной воды, обрабатывали УЗ на приборе УДЗН -1 в течение 2 мин для лучшей десорбции клеток с поверхности почвенных частиц. Посев почвенной суспензии проводили в 5-кратной повторности из следующих разведений: 1: 100, 1: 1000, 1: 10000. Учет численности и таксономического состава проводили из разведения 1:1000 (Методы..., 1991).
После тщательного просмотра выросших на чашках колоний выделяли в чистую культуру представителей основных морфотипов и проводили их , идентификацию до рода на основании изучения культуральных, микроморфологических и некоторых физиолого-биохимических свойств (тест с 3% КОН, рост в аэробных и факультативно-анаэробных условиях, наличие ферментов каталазы и оксидазы).
Структуру бактериального комплекса характеризовали с использованием критериев, разработанных на кафедре биологии почв. В качестве доминантов рассматривали те таксоны, доля которых составляет более 30% от общего числа бактерий, выраставших на использованной среде. К субдоминантам относили те таксоны, доля которых составляла 20-30%, к группе среднего обилия относили те таксоны бактерий, доля которых составляла 10-20%, к минорным компонентам - менее 10% (Лысак и др., 2003) Структуру сообщества микроорганизмов молекулярным методом определяли методом газовой хроматографии — масс-спектрометрии1 (ГС-МС). Метод позволяет по химическим компонентам жирно-кислотного состава клеточных стенок бактерий, так называемым маркерам, и математическому соотнесению их с имеющимся банком данных по этому показателю для бактерий, в том числе актиномицетов, а также для микроскопических грибов, определять состав и структуру сообщества микроорганизмов (Осипов, 1993). Учитывалось содержание, как живых, так и мертвых клеток микроорганизмов. Чувствительность метода 104 кл/г и выше. Метод позволяет определять состав и структуру сообщества микроорганизмов, соотнося полученные результаты с доступным в онлайновой форме международным банком данных по этому показателю для бактерий, актиномицетов и микроскопических грибов (В ерховцева, .Осипов, 2008).
Липидные компоненты проб извлекали методом кислого метанолиза (КМ) из измельченной и усредненной воздушно-сухой навески«200» мг в 600-мкл ЇМ НС1 в метаноле в течение одного часа при 80С. На стадии метанолиза происходит освобождение жирных кислот и альдегидов из сложных липидов мембран клеток микроорганизмов. В результате получали жирные кислоты в виде метиловых эфиров (МЭЖК), а альдегиды в виде диметилацеталей. Их экстрагировали из реакционной смеси в 400 мкл гексана с добавлением внутреннего стандарта — тридейтерометилового эфира тридекановой кислоты. Экстракт высушивали и обрабатывали в 25 мкл N,0-бис(триметилсилил)-трифторацетамида (БСТФА) в течение 15 мин при 80С для получения триметилсилильных эфиров окси-кислот, спиртов и стеринов. Из полученных раствора по 1,6 мкл вводили для анализа в инжектор хромато-масс-спектрометра (далее ГХ-МС).
Определение состава микробного сообщества методом газовой хроматографии — масс-спектрометрии (ГХ-МС) проводилось в лаборатории НЦ сердечно-сосудистой хирургии имени А.Н. Бакулева РАМН. Хромато-масс-спектрометрический анализ. Исследования проводили на хромато-масс-спектрометре НР-5973 SMART фирмы Agilent Technologies (США). Масс-спектрометр квадрупольный с диапазоном масс 2 - 1000 аем имеет разрешающую способность 0,5 аем во всем рабочем диапазоне. Ионизация электронами 70 эв. Чувствительность прибора составляет 1нг по метилстеарату в режиме непрерывного сканирования и 10 пг в режиме селективных ионов. Для хроматографического разделения пробы использовали капиллярную колонку из плавленного кварца длиной 30 м и внутренним диаметром 0,25 мм. Неподвижная фаза HP-5ms с толщиной слоя 0,2 мкм. Хроматографирование проводили в режиме программирования температуры от 135 до 320С со скоростью 7 град/мин. Температура инжектора 280 , интерфейса 250С. Площади пиков маркеров на масс-фрагментограммах интегрировали автоматически и контролировали вручную по штатным программам прибора. Затем эти данные вводились в программу расчета, подготовленную в электронных таблицах пакета программ MSExcel.
Биоразнообразие микобиоты
В исследованных образцах подробный обнаружены представители следующих крупных таксономических групп прокариот: стрептомицеты (род Streptomyces), споровые (род Bacillus), коринеподобные бактерии (роды Arthrobacter, Rhodococcus, Cellulomonas, Micrococcus), скользящие бактерии (роды Myxococcus, Cytophaga) и в незначительных количествах выделялись прочие грамотрицательные бактерии.
Внесение ФГ 3,3% не вызывало существенных перестроек в структуре сапротрофного комплекса Mill : на контроле доминировали споровые и коринеподобные бактерии, при дозе 3,3% ФГ доминировали споровые бактерии, а коринеподобные переходили в группу субдоминантов. Существенные изменения структуры сапротрофного комплекса происходили при внесении в МПГ 14,7% ФГ: в качестве доминантов выступали коринеподобные бактерии. В группу субдоминантов перешли споровые и скользящие бактерии. В качестве минорных компонентов практически всегда выступали грамотрицательные бактерии (Приложение Д).
Разнообразие микробиоты по методу газовой хроматографии — масс-спектрометрии (ГХ-МС). Проведено исследование микробного сообщества молекулярным методом газовой хроматографии - масс-спектрометрии (ГХ-МС). Метод позволяет по химическим компонентам жирно-кислотного состава клеточных стенок бактерий, так называемым маркерам, и математическому соотнесению их с имеющимся банком данных по этому показателю для бактерий, в том числе актиномицетов, а также для микроскопических грибов, определять состав и структуру сообщества микроорганизмов. Результаты представлены на рисунке 4.6 и в Приложении Е.
Показано, что наиболее высокий показатель общей численности характерен для исходного МПГ (без ФГ). Добавление в грунт разного количества фосфогипса сопровождалось снижением показателя примерно на 43% (рис. 4.6). Видовое разнообразие исходного почвогрунта представлено 35 видами микроорганизмов, относящихся к 28 родам, промежуточные варианты смеси МЕГ и ФГ незначительно различались между собой (37-39 видов). В в чистом фосфогипсе обнаружены маркеры, которые свидетельствовали о присутствии" 23 видов из 22 родов (см. Приложение Е.). Сходная картина наблюдалась для индекса разнообразия по Шеннону: в различных вариантах смеси МПГ с ФГ он составлял от 3,02 до 3,17 (с максимумом в МПГ с 14,7% ФГ), чуть ниже - в листом МПГ (2,98), и наименьший - в чистом ФГ (2,61).
Внесение мелиоранта в различных массовых долях отражалось на" структуре сообщества микроорганизмов (см. Приложение Е), прежде всего, очевидно бактериального. Создавались условия для развития-определенных видов микроорганизмов, по-видимому, за счет изменения рН и питательного режима модельного субстрата.
Так, для бактерий; которые хорошо растут при низких значениях рН! среды, наблюдалось увеличение численности на один-два порядка при возрастании внесенной массовой доли фосфогипса. Это было отмечено для Acetobacterhim при внесении фосфогипса в концентрации 14,7 и 25%. Относительно Acetobacterhim известно, что это строгие анаэробы, окисляющие Н2 и восстанавливающие ССЬ (т.е. хемолитоавтотрофы) с образованием уксусной- кислоты в достаточно высокой концентрации. Ацетобактерии сами способны снижать рН среды до значений рН 4 (Определитель..., 1997; Современная микробиология, 2005). Следовательно, увеличение численности представителей этого рода вполне объяснимо, учитывая, что повышение массовой доли фосфогипса снижает значение кислотности до оптимальных значений для их развития.
Регулирующее влияние кислотности среды на изменение структуры сообщества микроорганизмов можно проследить и по численности других видов бактерий, которые способны и сами подкислять среду в процессе своей жизнедеятельности. Так, Nitrobacter sp., который подкисляет среду в соответствии с уравнением: NO2" + Н20 —»N03" + 2ЕҐ, увеличивал свою численность как минимум: наг два порядка при добавлении массовой доли фосфогипса Г, 1%. Однако, дальнейшее снижение показателей реакции среды не способствовало развитию аэробного нитробактера который, образует в: процессе своего развития азотную кислоту. Такие; же зависимости от кислотности среды отмечены и для других видов; анаэробных и факультативно: анаэробных бактерищ. которые сами; способны/ выделять органические и неорганические кислоты в; процессе своей; жизнедеятельности: Clostridium,propionicwn, Propionibacteriumjenseni,. Streptococcus\, mutans, Bacteroides Hypermegas;, Bacteroides, ruminicola, Bifidobacterium sp., Desulfovibrio sp;, Bacillus subtillus, Actinomadurai roseola: Численность остальных видов; бактерий снижается даже; прш внесении Г, 1% . массы фосфогипса. . Анализ изменений биоиндикационных показателей. Нелинейный характер изменения? качества ПС при равномерно нарастающей антропогенной; нагрузке подходит под определение, теории; катастроф (катастрофами; называются скачкообразные изменения, возникающие в.виде-. внезапного ответа: системы на; плавное изменение1 внешних условий). Математически? это явление: описывается: функцией; Вичардса (так называемой; логистической кривой): При, этом;/в; качестве граничного? критерия рассматривалась- в основном, реакция на экологическую: нагрузку почвенной: биоты и растительности в пределах 20 - 30% утраты; их биоразнообразия. Мы допустили, что порог устойчивости почвенной экосистемы соответствует 20-ти процентному отклонению от контроля исследуемых биоиндикационных показателей. В таблице 4.2 представлены значения эффективных концентраций ФГ в Mill, изменяющих биоиндикационные показатели относительно контроля (MTIF без OF) на 50 и 20% (названные нами по аналогии с принятыми токсикометрическими показателями EG50 и NOEL20 соответственно)
Реакция.стандартизованных тест-организмовфазных» трофических уровней (биотестирование)
Использование химико-аналитических методов исследований в сочетании с методами биоиндикации и биотестирования» дают достаточно надежную оценку влияния фосфогипса на почвы и почвогрунты. Наши исследования позволили выявить особенности химического состава почвенных субстратов с различным содержанием фосфогипса, учесть реакции организмов различных уровней организации; таксономического и трофического статусов. Показано, что фосфогипс как отход переработки природного минерального сырья1 при воздействии на почву и почвогрунт оказывает не только мелиорирующее, но и негативное воздействие. Последнее связано с изменением кислотности, содержания фторид - и» фосфат - ионов, подвижных форм стронция и кальция. Это обстоятельство свидетельствует о необходимости внесения этих показателей в систему элементов мониторинга почв как обязательных при оценке воздействия фосфогипса.
Характер воздействия ФГ на почвенные экосистемы зависит от времени года и удаленности от ОРО; изменение экотоксикологической характеристики МПГ зависит от содержания ФГ. При исследовании экологического состояния почв территорий на разном удалении от отвалов фосфогипса (многотоннажных отходов производства минеральных удобрений) дана дифференцированная оценка воздействию объекта размещения отходов (ОРО) в виде индекса нарушенности экологических свойств почв - Инэс Применение промышленных гуматов позволяет уменьшить негативное влияние фосфогипса, способствуя повышению безопасности МПГ с ФГ для живых организмов разных трофических групп. Для этого целесообразно применять промышленные гуминовые препараты, производимые из торфа ВС-ЕпК и угля Pe-FlexK. Установлено, что положительный эффект ГП уменьшается с увеличением содержания ФГ в МПГ и увеличением концентрации ГП в МПГ. Другой, на наш взгляд, интересный практический аспект данной работы заключается в возможности использования предложенной методической модели для нормирования содержания токсических компонентов в почвогрунтах и почвах, а также дифференциации этих норм по видами земель разного хозяйственного использования: Как было сказано выше (с. 18), в литературе описаны, так называемые, базовые экологические нормы - индивидуальные границы экологической нормы„ «состояния-воздействия» для почв разных категорий земель с учетом специфики их хозяйственного использования (табл. 1.3).
Согласно предложенной схеме и исходя из полученных нами данных (табл. 4.1, 4.2 и 4.3), можно предположить, что для земель особо охраняемых природных территорий (ООПТ) допустимое содержание ФГ в почвогрунте составляет не более 2,0%, для земель сельскохозяйственного назначения и населенных пунктов — не более 5,6%, для земель лесного и водного фонда, промышленности и транспорта - не более 9,6%. Однако, учитывая многообразие факторов, воздействующих на биоту, для проверки этого предположения требуются специальные исследования.
Экологическая оценка почв и почвогрунтов показала, что фосфогипс (ФГ) оказывает негативное воздействие на функционирование биоценозов. Исследования природных биотопов на разном удалении от объекта размещения отходов (ОРО) по наиболее информативным биотическим параметрам (потеря веса растительного опада, микробной эмиссии СОг, соотношение мицелиальной и споровой биомасс почвенных микромицетов) показали, что на расстоянии 300-400 м от ОРО («буферная» зона) почвы характеризуются нарушенностью низкой степени (Инос=0,749), а почвы с площадок, непосредственно прилегающих к отвалам ФГ («импактная» зона), - средней степенью нарушенности (ИНэс= 0,252).
Добавление ФГ из апатитового сырья (Кировского месторождения) в модельный почвогрунт легкого гранулометрического состава (стандартная почвенная смесь по ИСО 11268-1) снижает рН среды, повышает доступность Sr для живых организмов, приводит к достижению предельно допустимого уровня содержания стронция при-,-5,7% ФГ, фторид-иона - при 8,0%.
Методами биотестирования по общепринятым токсикометрическим показателям установлено, что чувствительность стандартизованных тест-культур организмов, представляющих основные трофические уровни, к фосфогипсу возрастает в ряду редуценты консументы продуценты. Полуэффективная концентрация - ЕС50 для продуцентов (изменение прироста численности клеток микроводорослей S. quadricauda) - 5,1% ФГ (по массе); для консументов (выживаемость рачков D. magna) — 7,7%, для редуцентов (изменение свечения люминесцентных бактерий E.coli) — 15,3%. 4. На основании реакции наиболее чувствительных тест-организмов (микроводорослей S. quadricauda) установлено, что пороговая концентрация фосфогипса в почвогрунте, не оказывающая негативное воздействие на биоту (по observed effect level - NOEL) соответствует 2,0% (по массе).
