Содержание к диссертации
Введение
1. ВЛИЯНИЕ ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА СОСТОЯНИЕ РАСТЕНИЙ В ГОРОДСКОЙ СРЕДЕ 10
1.1. Особенности распределения загрязняющих веществ на урбанизированных территориях 10
1.2. Специфические источники загрязнения органическими и неорганическими веществами 12
1.3. Реакция растительных организмов на содержание экотоксикантов в почве 22
1.3.1. Влияние тяжелых металлов на биохимические и физиологические процессы растительной клетки 25
1.3.2. Устойчивость растительных организмов к солевому стрессу 33
1.4. Использование биотестирования в оценке степени загрязнения компонентов природной среды 42
1.4.1. Биотестирование природных и сточных вод 45
1.4.2, Биотестирование почв и осадков сточных вод 53
2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 58
2.1. Объекты исследований 58
2.2. Характеристика тест-объекта микроводоросли chlorella vulgaris и влияние экологических факторов на эффективность ее культивирования 60
2.3. Методы экологической оценки качества почв и материалов сложного химического состава с помощью характеристик роста и параметров замедленной флуоресценции хлорофилла chlorella vulgaris 65
2.3.1. Биотестирование суспензий и экстрактов с использованием параметров замедленной флуоресценции хлорофилла 65
2.3.2. Биотестирование с использованием ростовых характеристик хлореллы 69
2.4. Методы химического анализа почв и технических солей 71
3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ МАТЕРИАЛОВ РЕЗИНОТЕХНИЧЕСКИХ ИЗДЕЛИЙ СЛОЖНОГО СОСТАВА НА КАЧЕСТВО ПОЧВ 73
3.1. Оценка степени токсичности материалов резинотехнических изделий для растений 73
3.1.1, Токсичность водных суспензий 73
3.1.2. Токсичность водных экстрактов 75
3.2. Экологическая оценка качества почв в районе размещения резинотехнических изделий 84
4. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ ВЛИЯНИЯ СОЛЕЙ РАЗЛИЧНЫХ КАТИОНОВ НА КАЧЕСТВО ПОЧВ В ГОРОДАХ ХМАО-ЮГРЫ 88
4.1. Оценка степени токсичности растворов солей различных катионов 88
4.2. Экологическая оценка качества почв на придорожных территориях с различной степенью загрязнения 94
ВЫВОДЫ 141
ПРАКТИЧЕСКИЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ 143
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 144
Приложение 1 167
Приложение 2 175
Приложение 3 179
Приложение 4 183
Приложение 5 187
- Особенности распределения загрязняющих веществ на урбанизированных территориях
- Объекты исследований
- Оценка степени токсичности материалов резинотехнических изделий для растений
Введение к работе
Актуальность работы. В условиях интенсивной урбанизации и развития агропромышленного комплекса возрастает техногенная нагрузка на окружающую среду. Наибольшей трансформации подвергаются наземные экосистемы (Воробейчик и др., 1994; Анисимова, 1997; Протасова, 1998; Луканин, Трофименко, 2001; Серегин, Иванов, 2001; Чекмарева, 2001; Кучеренко и др., 2002; и др.). Органические и неорганические вещества, поступающие в почву, негативно влияют нарост и развитие растений (Балнокин и др., 1989; Керимов и др., 1993; Захарин, 1994; Кулаева, 1995; Алябьев, .1996; Барсукова, 1997; Шакирова, 2001; Куркова и др., 2002; Парамонова и др., 2003; и др.). Экологическая оценка территории методами биотестирования позволяет определить влияние качества почвы на состояние высших растений с учетом ее буферной способности и взаимодействия химических веществ (Tummala et al, 1978; Дубинин, Пашии, 1978; Виленчик, 1991; Воробейчик и др., 1994; Никаыоров и др., 2000; Евсеева и др., 2001; Петрова и др., 2002; и др.). Изучение почвы осложняется тем, что корни высших растений взаимодействуют с дисперсной средой. Следует отметить, что большинство существующих подходов к оценке токсичности почв основаны на применении водных экстрактов и не учитывают физико-химические свойства многофазной системы (Григорьев и др., 1996; ПИДФТ 16.2:2.2-98; Жмур, 2001; Жмур, Орлова, 2001; Григорьев, 2004). Проблема экологической оценки качества почв является актуальной для исследований состояния городских, сельскохозяйственных и промышленных территорий (Анисимова, 1997; Барсукова, 1997; Касаткин, 2000; Луканин, Трофимеико, 2001; Брыткова, 2003; и др.).
Цели и задачи исследований. Целью работы является экологическая оценка территорий методами биотестирования почв с использованием в качестве тест-объекта одноклеточной микроводоросли Chlorella vulgaris Beijer на примере городов ХМАО-Югры.
В соответствии с поставленной целью предусматривалось решить следующие задачи:
Изучить закономерности токсического действия водорастворимых соединений на биологические объекты.
Оценить токсическое действие водных экстрактов и суспензий почв с различной степенью загрязнения неорганическими солями и органическими веществами.
Дать оценку степени токсичности материалов, являющихся источниками поступления неорганических и органических веществ сложного химического состава в окружающую среду, на территории агропромышленного комплекса и населенных пунктов.
Определить возможность применения метода биотестирования почв по параметрам замедленной флуоресценции хлорофилла в отношении твердых искусственных материалов на примере резинотехнических изделий (РТИ).
Установить зависимость между содержанием в почвах неорганических солей, органических веществ, макроэлементов, тяжелых металлов и влиянием почвенных экстрактов на растения, а также разработать предложения для использования методов биотестирования в системе экологического мониторинга загрязненных территорий, включая сельскохозяйственные и городские.
Научная новизна. Впервые разработан методологический подход биотестирования почв и других сред по ростовым характеристикам хлореллы, в котором критерием токсичности является агрегация клеток. Установлено, что водные экстракты почв оказывают стимулирующее действие на рост клеток водоросли по сравнению со стандартной средой инкубации, которое необходимо учитывать при анализе результатов биотестирования. Определены условия подготовки проб для биотестироваиия твердых искусственных материалов сложного химического состава по характеристикам роста и параметрам замедленной флуоресценции хлорофилла, установлена степень их токсического действия на биообъекты. Выявлена закономерность изменения качества почв легкого механического состава в зависимости от вида и токсичности загрязняющих веществ (хлоридов, тяжелых металлов, ацетатов, полиароматических углеводородов и др.), поступающих в окружающую среду при деструкции материалов, используемых в транспортном хозяйстве.
Практическая ценность работы. При проведении научных и прикладных исследований, связанных с экологической оценкой состояния почв, в качестве показателя токсичности предлагается использовать минимальную концентрацию загрязняющих веществ (хлоридов, нитратов, тяжелых металлов, сложных органических соединений и др.), при которой происходит агрегация клеток хлореллы. Данные об особенностях токсического действия солей различных катионов на суспензии микроводоросли Chlorella vulgaris, могут применяться для установления причин и степени токсичности почв городских, промышленных и сельскохозяйственных территорий.
Апробация работы. Результаты исследований представлены на VIII международной экологической конференции студентов, молодых ученых в г. Москве (6-8 апреля 2004 г.), III школе-семинаре молодых ученых России в г. Улан-Удэ (8-12 июня 2004 г.) и международной практической конференции в г. Екатеринбурге (3-4 февраля 2005 г.).
Публикации. По материалам научных исследований опубликовано 7 научных работ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, практических предложений и списка литературы, где представлены 220 наименований отечественных и зарубежных авторов. Основной материал изложен на 187 страницах печатного текста, включает 6 таблиц, 36 рисунков и 5 приложений.
Работа выполнена на кафедре прикладной физики и биофизики Уральского государственного лесотехнического университета и в
Обществе с ограниченной ответственности «Сибирский научно-исследовательский и проектный институт рационального природопользования».
Автор выражает благодарность д. б. н. Шавнину С. А., к. с.-х. н. Юсупову И. А. за помощь и постоянные консультации при проведении работ; к. с.-х. н. Голикову Д. Ю. — за помощь в выборе пробных площадей, отборе проб почвы и материалов резино-технических изделий, а также при обработке результатов исследований; к. х. н. Мариной Н. В. и ведущему инженеру Новоселовой Г. Н. - за помощь и консультации при подборе оптимальных условий биотестирования материала резино-технических изделий, проведении химических и биохимических анализов; дирекции ООО «Сибирский научно-исследовательский и проектный институт рационального природопользования» и лично к. с.-х. н. Лопатину К. И. за помощь при организации и проведении учебного процесса.
Особенности распределения загрязняющих веществ на урбанизированных территориях
В связи с развитием различных отраслей промышленности, сельского хозяйства, а также увеличением площади урбанизированных территорий окружающая среда подвергается значительному техногенному воздействию. В условиях индустриально-городской экосистемы загрязнение ландшафтов формируется под действием объектов различных отраслей промышленности, при этом, доля участия автомобильного транспорта достигает 80% (Коробкин, Передельский, 2003; Быстрых, Боев, 1996; Быстрых, 2000).
Территории, прилегающие к дорогам, подвергаются загрязнению различными органическими веществами (ПХДД, ПХДФ, ГСМ, эксплуатационные жидкости), тяжелыми металлами, неорганическими солями (преимущественно хлоридами), а таюке продуктами износа автошин и дорожных покрытий. Выхлопные газы от работы двигателей внутреннего сгорания загрязняют атмосферный воздух полихлорированными дибензо-п- диоксинами (ПХДД) и дибензофуранами (ПХДФ). Наиболее актуальной эта проблема является для территорий агропромышленного комплекса и крупных городов. Количество ПХДД и ПХДФ, выделяющихся на 1 км пути, достигает 1,5x10" г (Кучеренко и др., 2002). Данные вещества осаждаются из атмосферного воздуха на поверхность земли. По материалам исследований снежного покрова в г. Красноярске, максимальные концентрации ПХДД и ПХДФ отмечаются в районе промышленных предприятий и автомагистралей (Кучеренко и др., 2002).
Исследования по влиянию степени загрязненности снежного покрова на содержание тяжелых металлов в почвах вблизи дорог на расстоянии 5, 25 и 50 м проводились в г. Оренбурге. По-видимому, тяжелые металлы адсорбируются на частицах пыли и разносятся на значительные расстояния от дороги. Максимальную техногенную нагрузку испытывают почвы придорожной территории на улице в центре города с высокой интенсивностью движения транспортных средств (Чекмарева, 2001).
На придорожных территориях наибольшей трансформации подвергается поверхностный слой почвы. Грунтовые дороги без покрытий имеют износ поверхности 5-10 см за сезон. Ветровые наносы минеральных частиц с обочин и откосов дорог составляют порядка 3 т/га в год (Луканин, Трофименко, 2001).
Продукты сгорания топлива, неорганические соли, горюче-смазочные материалы, а также пыль, мелкодисперсные фракции изношенных шин и дорожных покрытий приводят к чрезмерному насыщению грунтовых вод и почвы взвесями, нефтепродуктами, солями и другими химическими веществами (Зверев и др., 2001; Луканин, Трофименко, 2001). На урбанизированных территориях естественные (ненарушенные) почвы обладают пониженными буферными свойствами по отношению к тяжелым металлам и могут при незначительном загрязнении приобретать фитотоксические свойства (Убугунов, 2003).
По оценкам различных авторов, размеры зоны влияния автотранспорта на биоценозы значительно варьируют. Ширина зоны повышенного содержания тяжелых металлов в почве может достигать от 25-50 м (Сердюк, http://www.smu.psn.ru/?id=conf&idl=text&id2=2001/doc ecolog&id3=132; Соколов, 1995) до 100-150 м (Доклад ..., 1997). По литературным данным, с увеличением расстояния от дороги их концентрация снижается. Однако, С. Н. Сердюк (http://www.smu.psn.ru/?id=conf&idlH:ext&id2=2001/doc-ecolog& id3=132) показано, что тяжелые металлы выносятся в составе взвешенных частиц из почвы вблизи дорог и накапливаются в защищенных от ветра участках. По результатам исследований этого автора, накопление тяжелых металлов происходит в депрессионных понижениях рельефа, находящихся вблизи автотрасс с высокой интенсивностью движения. В отдаленных от дорог местах наблюдается обратная зависимость: накопление большинства тяжелых металлов отмечается на бровках балок. Техногенное загрязнение почвенного покрова характеризуется мозаичным распределением химических веществ, со значительной вариацией концентраций в соседних геохимических областях (Ильин, 2002; Скрипальщикова и др., 2002; Убугунов, 2003).
Одним из видов негативного влияния автотранспорта на окружающую среду является нарушение эстетики природного ландшафта (Луканин, Трофименко, 2001). При засолении почвы, отмечается высокое содержание солей в листьях деревьев, появляются внешние признаки солевого отравления. При действии солей на растения происходит изменение осмотического давления в клетках и водно-солевого обмена (Куркова и др., 2002). Как правило, при внезапном увеличении концентрации солей в среде наблюдается некроз тканей (Парамонова и др., 2003). Жизнеспособность растений постепенно теряется, они становятся более подверженными действию различных фитопатогенов и техногенных факторов. Биогеоценозы на придорожных территориях деградируют в результате чрезмерного химического и энергетического загрязнения компонентов природной среды, наличия тепловых аномальных полей, нарушения гидрологического режима грунтовых вод, изъятия земель для строительства объектов транспортной инфраструктуры (Соколов, 1995; Состояние ..., 2000; Луканин, Трофименко, 2001).
Объекты исследований
Объектами исследований являлись почвы в районе поступления продуктов разложения РТИ, на придорожных территориях и снегохранилищах в пяти городах ХМАО-Югры (Ханты-Мансийск, Покачи, Мегион, Сургут, Нижневартовск), а также материалы РТИ, технические и химически чистые соли.
Отбор проб почв в районе поступления продуктов разложения РТИ производился с глубины 0-5 и 5-10 см по трем вариантам:
1 - непосредственно под объектом РТИ,
2 — на расстоянии 5 и 30 см от штабеля из пяти объектов РТИ одной однородного состава,
3 - на расстоянии 5, 30 и 50 см от штабеля из пяти объектов РТИ неоднородного состава.
Контрольными образцами являлись почвы, отобранные на аналогичной глубине на расстоянии 10 м выше места размещения объектов РТИ по направлению стока грунтовых вод (фон). Отбор, транспортировка и хранение проб почв осуществлялись в соответствии с требованиями ГОСТов 17.4.3.01-83 и 17.4.4.02-84.
Объектами исследования токсического действия технических солей являлись препараты на основе хлорида натрия (94-96%), применяемые на территории ХМАО-Югры: натрий хлористый карьерный (ТУ 2152-067-00209527-98), соль каменная техническая (ТУ 9192-06900209527-98) и концентрат минеральный - галит (ТУ 2111-080-00209527-98). Кроме того, в работе исследовались технические соли, перспективные для использования в данном регионе - «Кама-М» (ТУ 1714-3944-05785388-95), состоящий из КС1 (73%) и NaCl (24%), а также «Биомаг - ХММ» (ТУ 2152-001-53561075-02) - из MgCl2.
Основными действующими веществами в различных технических солях являются хлориды, ацетаты, нитраты щелочных и щелочноземельных металлов и аммония. Для определения фитотоксической активности были выбраны чистые для анализа химические вещества:
- хлориды натрия, калия, кальция, магния, аммония;
- ацетаты натрия, калия, аммония;
- нитраты натрия, калия, кальция, аммония.
Пробы почвы на территориях, прилегающих к перекресткам автодорог, обрабатываемых (экспериментальные участки) и необрабатываемых (контроль) техническими солями, отбирались в июле и октябре 2003 г. В 2004 г. пробы придорожных почв были отобраны в г. Сургуте и г. Нижневартовске в районе линейных участков дорог. Пробы почвы отбирались с глубины до 10 см по трансекте (длина 1,5-3,5 м) перпендикулярно дорожному полотну с интервалом 0,5-1,0 м. Отбор, транспортировка и хранение проб почв осуществлялись в соответствии с требованиями ГОСТов 17.4.3.01-83 и 17.4.4.02-84. Местоположение трансект и характеристика участков автодорог в районе их размещения указываются в прин. 1.
На территории снегохранилищ отбор проб почвы проводился в июле и октябре 2003 г. При равномерном распределении грунта по территории снегохранилища, производился отбор четырех проб по диагонали площадки, которые затем объединялись. В случае размещения грунта на территории снегохранилища в виде бурта (навала), пробы почвы отбирались у его основания, в средней и верхней части, а затем объединялись.
В качестве тест-организма для проведения биотестирования используется одноклеточная зеленая микроводоросль Chlorella vulgaris Beijer. Данная водоросль быстро размножается, легко культивируется на искусственных питательных средах в полностью контролируемых условиях, характеризуется пластичностью метаболизма и способностью образовывать мутантные формы. Хлорелла обладает чувствительностью к токсическому действию тяжелых металлов, фенола и других загрязнителей. Их действие вызывает нарушения в структурно-функциональной организации клетки и снижение интенсивности продуцирования.
Клетки хлореллы шаровидные или эллиптические, диаметром 2-10 мкм, с тонкой оболочкой без слизи, одним или двумя ядрами и одним чашеобразным хлоропластом (Григорьев, 2004). Клеточная оболочка гладкая, двухконтурная. Колоколовидный хлоропласт с одним крахмальным пиреноидом в утолщенной части располагается постенно. В ФСА присутствуют пигменты: хлорофиллы а и Ь, а- и р-каротины и несколько разновидностей ксантофиллов (Безрукова, 2000), Размножение бесполое - автоспорами, образующимися в результате деления материнской клетки. Количество автоспор варьирует от 2 до 32 в зависимости от условий культивирования. Деление происходит, как правило, 1 раз в сутки. Однако, в условиях интенсивной культуры, их количество увеличивается до 4-6 раз. Регулярно пересеваемая культура может длительное время сохраняться альгологически чистой без применения специальных приемов очистки и стерилизации (Григорьев, 2004).
Оценка степени токсичности материалов резинотехнических изделий для растений
Суспензии РТИ различных марок с соотношением воды и образцов 1:40 обрабатывались при температуре 90С в течение 2 ч для повышения интенсивности разрушения материала и увеличения скорости миграции, загрязняющих веществ в водную фазу. Анализ результатов двухчасового биотестирования полученных суспензий показал, что токсическим действием (КТ3ф ]0,2) обладают только четыре из девяти исследуемых материалов - образцы №№2, 5, 6 и 9 (табл. 3.1). Однако, при биотестировании все суспензии вызывают в разной степени выраженные изменения параметров ЗФ, значения КТ3Ф варьируют от -0,723 до 0,276.
Отрицательные значения КТ3ф свидетельствуют о стимуляции фотосинтетических процессов, увеличении скорости транспорта электронов по ЭТЦ и уменьшении количества нереализованной энергии света (Григорьев и др., 1983). По-видимому, это происходит в результате активации защитно-приспособительных механизмов, направленных на поддержание нормального метаболизма и определяется устойчивостью ФСА хлореллы к данному воздействию. Чем больше (по абсолютной величине) это значение, тем выше напряженность обменных процессов в клетке. Положительные значения КТ3ф являются признаком нарушения темновых реакций фотосинтеза, и соответственно, дестабилизации общего состояния клетки (Григорьев и др., 1983). Кроме того, разнознаковые изменения КТЗФ могут быть обусловлены сочетанием различных токсических соединений или их количеств, которые приводят к резкому увеличению параметров ЗФ на высоком свету, в то время как параметры ЗФ на низком свету не изменяются или увеличиваются в меньшей степени (Григорьев и др., 1996).
Для оценки степени токсичности материалов РТИ по сравнению с почвами условно-чистой территории (внутренний стандарт), водные суспензии обрабатывались в течение 4 ч, при температуре 40С. Биотестирование проводилось в течение 2 ч. По результатам исследований установлено, что КТ0ТН. материалов большинства исследуемых РТИ варьируют в пределах 0,52-0,99. В условиях, приближенных к естественным, они являются нетоксичными по сравнению с почвами территории, на которую продукты разложения материалов РТИ не поступают (КТОТН=1,0). Исключение составляют образцы №№ 4 и 7, KTffrilp которых равны 1,40 и 4,01 (рис. 3.1). Следует отметить, что при исследовании суспензий материалов данных объектов РТИ в условиях термообработки при 90С в течение 2 ч токсичность данных образцов не установлена (табл. 3.1). По-видимому, при действии высоких температур некоторые загрязняющие вещества могут разрушаться (особенно органические) и взаимодействовать друг с другом.
Таким образом, в условиях повышенной деструкции материалов автошин (90С, 2 ч) токсическое действие проявляется только у некоторых образцов (№№ 2, 5, 6 и 9). Вместе с тем, суспензии всех материалов РТИ в разной степени изменяют параметры ЗФ хлорофилла, то есть влияют на ФСА и метаболизм хлореллы. Возможно, их токсический эффект будет проявляться при хроническом воздействии на растения. При условиях экстракции, приближенных к естественным, уровень воздействия на хлореллу у семи из девяти образцов оказался ниже, чем у условно-чистой почвы. Однако, применение данных условий термообработки суспензий, позволило выявить потенциально токсичные материалы РТИ и предположить, что часть загрязняющих веществ разрушается при действии высоких температур.
