Введение к работе
Актуальность исследований. В настоящее время большую тревогу вызывает состояние урбанизированных экосистем, крайне неустойчивых и утративших способность к самовосстановлению (Почва…, 1997; Герасимова, 2003). Последствиями процесса урбанизации является увеличение количества поллютантов, поступающих в окружающую среду, среди которых к приоритетным загрязнителям городских экосистем относятся тяжелые металлы (ТМ).
Ввиду недостаточности санитарно-гигиенических нормативов, основанных на химических методах определения загрязняющих веществ, большое внимание исследователей обращено на разработку биотической концепции экологического контроля качества природных и техногенных экосистем (Воробейчик и др., 1994; Левич, 1994; Linkov et all., 2009). В последние годы исследования в области биологического контроля переживают период активного развития, так как именно биотические показатели могут дать информацию о состоянии биоценозов. В системе биологической оценки (биодиагностики) условно выделяют два направления – биоиндикацию и биотестирование, которые в совокупности позволяют ставить более точный «диагноз» экосистеме (Израэль, Цыбань, 1989; Скирина, Качур, 1991; Мелехова, Егорова, 2007). Биотестирование основано на использовании стандартизованных тест-культур, а в качестве биоиндикаторов могут выступать различные живые организмы в природных условиях (in situ). Одним из перспективных тест-объектов для биоиндикации являются микроскопические грибы, которые наиболее динамично и быстро реагируют на изменения, происходящие в среде обитания. Воздействие токсикантов на микромицеты можно проследить на всех уровнях организации (организменном, популяционном, ценотическом) (Терехова, 2007). Адаптивная реакция микромицетов к техногенному воздействию ТМ чаще всего становится неблагоприятным фактором воздействия на растения и человека – увеличивается численность токсичных, условно патогенных и фитопатогенных видов (Марфенина, 2005; Terekhova, 2007). В связи с этим изучение биоиндикационной значимости микологических показателей покажет потенциальную возможность их использования для прогноза трендов техногенного загрязнения городской среды. Цель работы – оценка экологического состояния почв и воздушной среды г. Благовещенска, основанная на комплексном сочетании химических, биологических и эколого-геохимических методах исследования.
Задачи:
Выполнить эколого-геохимическую оценку состояния почв и воздушной среды г. Благовещенска, установить основные зоны загрязнения и ореолы рассеяния ТМ.
Выявить индикационную значимость микологических (численность, разнообразие, структура микробных комплексов) и других биотических (почвенное дыхание) показателей в оценке состояния городских почв.
Исследовать экотоксичность почв методами биотестирования с использованием стандартизованных тест-культур.
Выполнить оценку экологического состояния воздушной среды и почв г. Благовещенска на основании результатов биодиагностики и эколого-геохимических исследований.
Научная новизна. Впервые, на примере г. Благовещенска, использован комплексный подход в оценке экологического состояния урбанизированных экосистем юга Дальнего Востока. Изучено аэротехногенное загрязнение городской среды по состоянию снежного покрова, проведена эколого-геохимическая оценка техногенного загрязнения городских почв ТМ, на основании чего составлены карты, показывающие основные зоны загрязнения и ореолы рассеивания ТМ на территории г. Благовещенска. Впервые изучено разнообразие микромицетов в почвах г. Благовещенска, составлен общий список видов, а также список условно патогенных и фитопатогенных форм. Показана зависимость разнообразия и таксономической структуры комплекса микромицетов от степени загрязнения природных сред. Установлена биоиндикационная значимость биотических показателей, которые являются информативными при оценке экологического состояния городских почв.
Личный вклад автора. Основные этапы полевых и экспериментальных исследований выполнены автором самостоятельно. Анализ полученных данных проведен лично автором, результаты опубликованы в авторских работах и в соавторстве.
Практическая значимость. Полученные результаты могут быть использованы для прогнозирования экологической обстановки городской среды на локальном и региональном уровнях, а также для решения прикладных задач: архитектурно-планировочных и рекреационных на территории города. В работе представлен список видов микроскопических грибов, имеющих потенциальную опасность для человека, эти данные представляют интерес для специалистов в области аллергологии, патологии органов дыхания при выявлении этиологии заболеваний. Результаты исследований представлены в отчетах НИР АФ БСИ ДВО РАН, ИГиП ДВО РАН (2009-2011 гг.), а также могут быть рекомендованы для чтения лекционного курса «Биодиагностика и экологическая оценка природных сред» для студентов экологических специальностей.
Основные положения, выносимые на защиту
На территории г. Благовещенска формируются две зоны с опасным уровнем техногенного загрязнения, основными источниками которого являются предприятия топливно-энергетического комплекса и автотранспорт. Одна зона расположена в центре города и простирается от ТЭЦ в северо-западном направлении по розе ветров, вторая – на правом берегу р. Зея в северо-восточной части города. Почвы парковой и большей части селитебно-транспортной зон имеют умеренно опасный уровень загрязнения. Основными элементами, загрязняющими городскую среду, являются Pb, Zn, Cu, Cd.
Наибольшую информативность в оценке экологического состояния городской среды приобретают методы биоиндикации (индекс разнообразия, таксономическая структура комплекса микромицетов, доля темноокрашенных, условно и фитопатогенных форм, интенсивность почвенного дыхания) и методы биотестирования при умерено опасном и опасном уровнях загрязнения почв.
Методология комплексного подхода с использованием результатов эколого-геохимических исследований и методов биодиагностики дает объективную оценку качества городской среды и состояния городских экосистем. Почвы с допустимым и умеренно опасным уровнями загрязнения соответствуют экологической норме. Городские почвы с опасным уровнем загрязнения находятся в зоне экологического риска с переходом в зону деградации.
Апробация работы и публикации. Основные результаты исследований представлены на XII молодежной школе-конференции по актуальным проблемам химии и биологии (Владивосток, 2009); Всероссийской научно-практической конференции «Экологическая безопасность и современные технологии» (г. Миасс, 2009); VI Международной научно-практической конференции «Окружающая среда и здоровье» (Пенза, 2009); региональной конференции, посвященной дню Науки, ИФиПД СО РАМН (Благовещенск, 2010); втором междисциплинарном микологическом форуме (Москва, 2010); Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы экологии и природопользования» (Москва, 2010); XI региональной научно-практической конференции Молодежь XXI века (Благовещенск, 2010); международной конференции «Окружающая среда и человек: друзья или враги?» (г. Пущино, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, обзор литературы (глава 1), материалы и методы исследования (глава 2), экспериментальную часть (главы 3, 4, 5), выводы и список литературы, включающий 269 источников, из них 35 работ зарубежных авторов. Работа изложена на 174 страницах машинописного текста, содержит 33 рисунка и 21 таблицу.
Благодарности. Автор выражает глубочайшую признательность своему научному руководителю к.б.н., доценту Н.Г. Куимовой (АФ БСИ ДВО РАН) за ценные советы и помощь при выполнении всех этапов исследований, анализе и интерпретации полученных результатов. Автор благодарит д.б.н., профессора В.А. Терехову (ЛЭТАП, МГУ), к.б.н. А.В. Александрову (кафедра микологии и альгологии, МГУ), к.г.н. И.Г. Борисову (АФ БСИ ДВО РАН), а также всех сотрудников лаборатории биогеохимии (ИГиП ДВО РАН), лаборатории экотоксикологического анализа почв (ф-т почвоведения, МГУ) за консультативную помощь и поддержку.
Работа выполнена при поддержке грантов Президиума ДВО РАН «Поддержка исследований молодых ученых» № 10-III-В-06-140; № 11-III-В-06-07; РФФИ №11-04-90733 моб_ст.; проекта «Ступени в будущее Российской науки» Правительства Амурской области и Городского Общественного Фонда «Согласие».
