Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Литературный обзор 8
1.1. Городские почвы 8
1.1.1. Горизонты и индексы городских почв 11
1.1.2. Классификация почв 13
1.1.3. Структура и функции почв 18
1.2. Загрязняющие вещества городских почв 21
1.2.1. Загрязнение нефтепродуктами 21
1.2.2. Загрязнение урболандшафтов соединениями тяжелых металлов
1.2.3. Техногенное загрязнение почв автотранспортом 36
1.3. Биологическая диагностика и мониторинг состояния почв
1.4. Методы исследования биологической активности почвы
Глава 2. Объекты и методы исследования 52
2.1. Общая характеристика г. Владимира и его территории 52
2.2. Методы исследования 61
2.2.1. Отбор проб почв 62
2.2.2. Определение активной кислотности 63
2.2.3. Флуориметрический метод определения массовой доли нефтепродуктов
2.2.4. Рентгенофлуоресцентное определение содержания тяжелых металлов
2.2.5. Обнаружение свободноживущих азотфиксирующих микроорганизмов рода Azotobacter
2.2.6. Экспресс-метод определения определение ферментативной активности почвы
Глава 3. Результаты исследований и их обсуждение 71
3.1. Определение активной кислотности 71
3.2. Определение концентрации нефтепродуктов в пробах почв флуориметрическим методом
3.3. Определение тяжелых металлов 78
3.4. Миграция и трансформация соединений ТМ в почвенных образцах в различных физико-химических условиях (модельный опыт)
3.5. Обнаружение свободноживущих азотфиксирующих микроорганизмов рода Azotobacter
3.5.1. Модельный опыт по определению количества микроорганизмов рода Azotobacter
3.6. Экспресс-метод определения ферментативной активности почвы
3.6.1. Модельный опыт определения ферментативной активности почвы
3.7. Математическая модель дозо-ответной реакции почв по параметру уреазной активности в зависимости от содержания нефтепродуктов и суммарного показателя
загрязнения почв тяжелыми металлами
Выводы к главе 3
Выводы
Список используемых источников
- Структура и функции почв
- Биологическая диагностика и мониторинг состояния почв
- Флуориметрический метод определения массовой доли нефтепродуктов
- Миграция и трансформация соединений ТМ в почвенных образцах в различных физико-химических условиях (модельный опыт)
Введение к работе
Актуальность исследований. В настоящее время отмечается повышенный интерес к исследованию экологического состояния объектов окружающей среды урбанизированных территорий. Изучение почв и почвенного покрова в таких исследованиях занимает важное место.
Городские почвы это совершенно особые, до сих пор мало изученные биологические системы, отличные по ряду свойств от природных. Они характеризуются высокой мозаичностью и неравномерностью профиля, значительным уплотнением, щелочной реакцией среды, загрязнением различными токсическими веществами.
Почвы урбанизированных территорий несут повышенную антропогенную нагрузку. Вследствие этого происходит процесс деградации почвенных профилей, их нормальное функционирование становится невозможным. И в то же время почвы выполняют разнообразные экологические функции, главными из которых являются: пригодность для произрастания зеленых насаждений, способность сорбировать в толще загрязняющие вещества и удерживать их от проникновения в почвенно-грунтовые воды и т.д.
Анализ соответствующей литературы и документальных данных показывает, что в настоящее время при оценке экологического состояния территорий городов вопросы изменения комплекса показателей биологической активности почв, загрязненных нефтепродуктами, их самовосстанавливающая способность и загрязненность подвижными формами тяжелых металлов (ТМ) могут служить ранними диагностическими признаками, позволяющими заметить негативные изменения на начальных стадиях.
Изучение комплекса этих показателей позволит более точно понять направленность изменений, происходящих в городских почвах, а органам местного самоуправления принимать управленческие решения, направленные на устойчивое развитие урбанизированных территорий. Кроме того, следует учитывать, вопрос о безопасности для здоровья человека урожая, собранного в садах и огородах, находящихся на территории города.
Актуальность исследований обусловлена определением уровня загрязнения урболандшафтов с учетом их почвенных характеристик при комплексном загрязнении.
Таким образом, в настоящей работе представлены результаты исследований экологического состояния почв урбанизированных территорий
крупного промышленного центра (г. Владимира), имеющих разные антропогенные нагрузки на почвенно-растительный покров.
Цель и задачи исследований. Целью исследования явилось изучение экологического состояния городских почв, находящихся в зонах антропогенного воздействия автозаправочных станций, промышленных зонах и районах, прилегающих к основным автотранспортным магистралям.
Для достижения цели были поставлены следующие задачи:
определить основные показатели физико-химического состояния трансформированных почв, в их числе: активную кислотность, массовую долю нефтепродуктов, накопление тяжелых металлов;
составить карту загрязнения почв территории г. Владимира ТМ;
провести модельный опыт по оценке миграционных свойств ТМ;
изучить микробиологическую активность почв урбанизированных территорий г. Владимира по содержанию представителей p. Azotobacter и активность фермента уреазы;
дать математическое описание дозо-ответной реакции активности фермента уреазы на комбинированное техногенное воздействие нефтепродуктов и ТМ.
Научная новизна работы. Впервые проведены комплексные исследования по оценке экологического состояния почв г. Владимира. Изучены изменения и составлены карты свойств почв, несущих повышенную антропогенную нагрузку в результате длительного воздействия на них химических веществ органического происхождения (нефтепродуктов) и тяжелых металлов в связи с функциональным использованием территорий. Установлены корреляционные зависимости между полученными показателями. Рассчитана математическая модель дозо-ответной реакции почв по параметру уреазной активности (УА, ч-1) в зависимости от содержания нефтепродуктов (Сні, мг/кг) и суммарного показателя загрязнения почв тяжелыми металлами (Zci). Оценены значимость и последствия антропогенной деятельности, тенденция развития техногенного загрязнения почв урбанизированных территорий.
Основные положения, выносимые на защиту:
- повышенными значениями содержания нефтепродуктов характе
ризуются верхние слои почвы АЗС, находящихся в эксплуатации более 30
лет;
наибольшим уровнем аккумуляции тяжелых металлов отличаются почвы промышленных зон и исторического ядра г. Владимира;
рост активности азотобактера наблюдается в почве при повышенном и пониженном содержании нефтепродуктов;
фермент уреаза играет существенную роль в процессе самоочищения городских почв, загрязненных нефтепродуктами и тяжелыми металлами.
Практическое значение работы.
В условиях г. Владимира проведено комплексное многокомпонентное исследование почв городских ландшафтов. Его результаты позволяют судить об изменении биологической активности почв урбанизированных территорий, что может служить теоретической основой для разработки мер по охране городских почв.
Доказано, что биоиндикационные исследования в совокупности с физико-химическими анализами являются информативными признаками для изучения экологической ситуации крупного промышленного центра.
Результаты работы могут быть использованы при оценке экологического состояния почв природоохранными, производственными и научными организациями в землепользовании, планировании градостроения. Особенно они важны в области экологической экспертизы и нормирования, в прогнозировании антропогенного воздействия на окружающую среду. Информационная база полученных результатов может использоваться при составлении почвенных карт-схем экологического атласа г. Владимира.
Апробация работы.
Основные положения диссертации докладывались на Международных научно-практических конференциях «Экология речных бассейнов» 2002, 2005, 2009, 2011 гг; Материалы IV-ro Докучаевского общества почвоведов, 2004 г; 4th International Conference on Soils Urban Industrial, Traffic and Mining Areas, Nanjing, China, 2007r; III Юбилейной международной научно-практическая конференции «Экология регионов» 2010 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано девять работ, в том числе две статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации.
Структура и функции почв
Классификация почв помогает систематизировать знания о почвах. В США были разработаны две системы почвенной классификации. Первая из них была опубликована в 1938. В ней все почвы на самом высоком таксономическом уровне разделены на три группы: зональные, интразональные и азональные.
Первая группа включает почвы, сформированные в хорошо дренированных позициях и имеющие профили, которые отражают длительное воздействие климата. В интразональных почвах влияние климата модифицировано условиями рельефа, дренажа, содержания солей или каких-либо иных локальных факторов. Азональные почвы, как, например, почвы на современных речных отложениях, из-за отсутствия развитого профиля не отражают климатического воздействия. Классификация 1938 года состоит из следующих таксономических уровней (от самого высокого до самого низкого): порядок, подпорядок, большие почвенные группы, семейства, серии и типы. Эта классификационная система имела широкое применение, особенно ее категория «большая почвенная группа», представляющая собой уровень генерализации, необходимый для изучения и картографирования почв мира. Самые низкие уровни классификации - серии и типы почв - представляют собой ландшафтные единицы, выявляемые почвоведами в поле.
Вторая классификационная система была разработана в 1960-х годах. В ней на самом высоком таксономическом уровне выделяются десять порядков. Выделение порядков проводилось на основе свойств почв, а не климата и других почвообразующих факторов, как это было в классификации 1938. Классификация включает следующие шесть категорий: порядок, подпорядок, большая почвенная группа, подгруппа, семейство, серия. Почвенная номенклатура этой классификации построена таким образом, что на каждом более низком таксономическом уровне происходит детализация свойств почвы, как в классификациях животных и растений [32,127,132].
Почвы мира могут быть охарактеризованы на основе использования категорий больших почвенных групп классификации 1938 или порядков второй классификационной системы. Категории этих двух систем не находятся в прямом и полном соответствии [47,48].
Тундровые почвы. В их основании имеется постоянно мерзлый слой — многолетняя мерзлота, - который препятствует дренированию вышележащих почвенных горизонтов во время короткого вегетационного периода, когда лед в них протаивает на несколько (или первые десятки) сантиметров. Поверхностный (деятельный) слой почвы представлен слаборазложившимися растительными остатками. Под ним залегает «подпочва» серого цвета со стяжениями железа в виде ржаво-бурых пятен. Зона тундровых почв обрамляет арктический пояс. Местами тундровые почвы встречаются в горах выше границы леса. Естественная тундровая растительность состоит из лишайников, мхов, травянистых растений, в том числе низкорослых ярко цветущих, и кустарников.
Пустынные почвы в поверхностном или «подповерхностном» горизонтах содержат карбонаты кальция и другие легкорастворимые соли, а горизонт А у них очень слабо прокрашен органическим веществом. Поскольку выпадает мало осадков, эти почвы никогда подолгу не бывают влажными. Естественная растительность состоит из редких кактусов, полыни и пустынных кустарников и полукустарников, а также некоторых приземистых травянистых однолетних растений. Здесь обычно практикуется пастбищное скотоводство. Там, где доступна пресная, слабоминерализованная вода, развито интенсивное орошаемое земледелие. Обычно вода отводится из рек и ручьев, берущих начало в горах, где выпадает больше осадков.
Каштановые почвы, черноземы и почвы прерий характеризуются мощным богатым органикой верхним горизонтом, в результате выщелачивания лишенным карбонатов кальция и легкорастворимых солей. Различаются они свойствами «подпочвенного» горизонта. Он может быть обогащен карбонатами кальция в самой верхней части (каштановые почвы), а если имеются слои, обогащенные глиной, то карбонаты кальция вымываются ниже их (как, например, в почвах прерий). В ряду рассматриваемых почв каштановые соответствуют наиболее сухим климатическим условиям, а почвы прерий - наиболее влажным, когда количество осадков несколько превышает эвапотранспирацию (потери воды через испарение и транспирацию). Естественная растительность прерий представлена в основном злаками. Обычно здесь развивается пастбищное животноводство, но значительная часть таких почв в настоящее время распахана, и крупнейшие районы мирового производства зерна приурочены к их ареалам. Однако из-за недостаточного количества осадков часто снижается урожайность культур.
Каштановые, черноземные и почвы прерий различаются и по термическому режиму: для одних характерны постоянно теплые климатические условия с чередованием влажного и сухого сезонов, например в саваннах. Эти почвы обычно беднее тех, которые распространены в условиях четко выраженного зимнего понижения и летнего повышения температур. Такие почвы плодородны: на них получают высокие урожаи, особенно кукурузы и пшеницы.
Серо-бурые подзолистые почвы являются умеренно выщелоченными и имеют, кислую реакцию по всему профилю, а так же, характеризуются аккумуляцией иллювиальной глины в горизонте В. Горизонты А слабо прокрашены органическим веществом. Они сформировались в районах с влажным умеренным климатом под листопадными лесами, многие из которых к настоящему времени вырублены. Ландшафты часто представляют собой чередование распаханных земель, пастбищ и лесов. Эти почвы быстро реагируют на известкование и удобрение.
Подзолы имеют горизонт В, обогащенный иллювиально накопленными железом, алюминием и органическим веществом, вынесенными из верхних горизонтов. Подзолы формируются в холодных гумидных регионах под хвойными или смешанными хвойно-широколиственными лесами. Эти почвы очень кислые и выщелочены, а в естественных условиях над выщелоченным горизонтом А часто имеется органогенный горизонт. В условиях холодного влажного климата органическое вещество слабо разлагается, и органические кислоты способствуют выносу железа из горизонта А в горизонт В. При этом происходит образование металлоорганических соединений в форме хелатов, в которых один атом металла удерживается двумя атомами органической молекулы. Лесной опад является важной составляющей баланса вещества подзолов
Биологическая диагностика и мониторинг состояния почв
Негативное воздействие нефтяного загрязнения обусловлено как непосредственной деградацией почвенного покрова, так и воздействием ее компонентов на сопредельные среды (растительный покров, поверхностные и грунтовые воды, животный мир), вследствие чего продукты трансформации нефти обнаруживаются в различных объектах биосферы [59,96,118,138,140].
Характер нефтяного загрязнения почв Поскольку в нефти всегда содержится некоторое количество тяжелых металлов, ртути, радиоактивных элементов, то влияние нефтяного загрязнения на окружающую среду является комплексным; особенности поступления нефти в почву - как правило, в результате аварийных разливов в почву единовременно поступает значительное количество нефти, определяемое нефтеемкостью почвы, поэтому в ряде случаев, например, в торфяных почвах, имеет место ситуация, когда масса нефти в образце превышает массу собственно почвенного материала, при этом нефть может проникать на значительную глубину. При других видах химического загрязнения поступление загрязняющих веществ происходит, как правило, постепенно и в относительно небольших количествах; во многих случаях в результате аварийных разливов в почву поступает не только нефть, но и сильно минерализованные пластовые воды, которые сами по себе оказывают больший негативный эффект, чем собственно нефть. Поэтому оценить воздействие нефтяного загрязнения в такой ситуации еще сложнее [72,114,119,125].
Региональный геохимический фон может изменяться в широких пределах - от 10 до 500 углеводородов мг/кг сухого веса почвы [84], при этом основной причиной повышенного содержания углеводородов считается диффузия легких фракций из нефтяной залежи. Однако при таком количестве углеводородов, как правило, не отмечается заметного негативного влияния на почвенную биоту и растения, если они не содержат много ароматических углеводородов и токсических примесей [3,29,134]. Степень изменения морфологических признаков почвы вследствие нефтяного загрязнения, как правило, отражает масштабы изменений её свойств. Под воздействием загрязнением нефтью, помимо морфологических, существенно изменяются физические, химические, биологические свойства почвы, что еще раз подчеркивает совершенно особый характер этого вида загрязнения.
Попадая в почву, нефть может находиться в следующих состояниях: в жидком подвижном состоянии в свободной, растворенной водной или водно-эмульсионной фазе в порах; в свободном неподвижном состоянии в порах и трещинах, выполняя роль цемента, между почвенными частицами и агрегатами; в сорбированном состоянии, связанном с органической и/или органоминеральной массой; в виде сплошного слоя на поверхности почвы.
После разлива нефти на поверхность почвы с течением времени происходит испарение летучих фракций и просачивание вглубь почвенного профиля жидких фракций. В результате на поверхности почвы и в самой верхней части профиля остаются в основном высокомолекулярные компоненты (твердые парафины, смолы, асфальтены), а также продукты деградации нефти [21,27,29]. Все вместе они образуют на поверхности почвы весьма устойчивые к разложению корочки, а при многократных разливах тяжелой нефти - твердые покровы. Такое «запечатывание» почвенного профиля ухудшает водно-воздушные свойства почв, нередко приводит к заболачиванию и смене окислительно-восстановительных условий и, кроме того, замедляет разложение нефти, проникшей в нижележащие горизонты [68,72].
Миграция нефти по почвенному профилю Н.П. Солнцева [99] указывает на существование двух типов миграции нефти по профилю: - фронтальное просачивание; - гравитационное стекание по каналам миграции. Для верхней части почвенного профиля характерно фронтальное просачивание нефти, что приводит к равномерному пропитыванию нефтью почвенной толщи. Для верхних загрязнённых горизонтов характерен более тёмный цвет по сравнению с фоновыми аналогами с преобладаниями чёрных и серо-коричневых тонов. В более глубокие горизонты нефть в большей мере проникает уже по ходам корней, трещинам и другим ослабленным зонам. Этим горизонтам свойственно неравномерное распределение нефти. Если же почвы характеризуются лёгким гранулометрическим составом, то обычно наблюдается фронтальное просачивание нефти на глубину до 1 м и более, при этом нефть подвергается своеобразному фракционированию. Поэтому, к примеру, элювиальные горизонты подзолов окрашиваются в желтовато-палевые тона, характерные и для естественных почв, и в таких случаях обнаружить глубину проникновения компонентов нефти по профилю можно с помощью почвенного ножа, на поверхности которого после взаимодействия с почвой остаётся маслянистая плёнка.
Вследствие образования на поверхности почвенных частиц нефтяной пленки, почвы в значительной мере теряют способность впитывать и удерживать влагу, для них характерны более низкие значения гигроскопической влажности, водопроницаемости, влагоемкости и влаговместимости по сравнению с фоновыми аналогами. Вследствие вытеснения воздуха нефтью изменяется воздушный режим почв.
Благодаря нейтральной и слабощелочной реакции нефти в процессе загрязнения происходит подщелачивание почвенного раствора, рН среды увеличивается [50,58,99,124].
В почвах, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, изменяется содержание и состав гумуса, при этом обычно увеличивается общее содержание органического углерода. Качественный состав гумуса также претерпевает изменения: уменьшается относительное содержание гуминовых кислот и фульвокислот, увеличивается содержание негидролизуемого остатка. В почвах, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, происходит изменение содержания углерода
Флуориметрический метод определения массовой доли нефтепродуктов
Активная кислотность (рН) является одной из наиболее важных характеристик при исследовании деградационных изменений почв урбанизированных территорий. Несмотря на простоту определения, значение рН зависит от множества взаимодействующих факторов и служит хорошим показателем содержания питательных веществ в почве; кроме того, величина рН указывает на то, какие виды растений (и соответственно животных) могут успешно развиваться на данных почвах. Кислые почвы, как правило, менее богаты питательными веществами, поскольку в меньшей степени способны удерживать катионы.
При качественной оценке почв по показателям рН выделяют следующие стадии деградации почв (табл. 3. 1.).
Для оценки почв городских ландшафтов в качестве объектов исследования взяты образцы почв г. Владимира. Образцы для анализов отбирали из горизонта А пах (верхний слой (0-10 см) и нижний (10-20 см)). Были исследованы почвенные образцы, отобранные в разных точках по профилю, на территории 25 бензозаправочных станций, в зоне влияния промышленных предприятий, на территории парков, детских дошкольных и школьных учреждений, около автодорог с интенсивным движением, а также в огородах. Рис. 3.1. Карта отбора проб
Активная кислотность определялась на универсальном иономере «Электрон - 001». В результате исследований активной кислотности почвогрунтов, отобранных для анализа были получены значения, которые приведены в приложении 1. В результате исследований создавалась база данных в программе Excel с последующим транспонированием.
Результаты, полученные на иономере, анализировались в программе Statistica. После анализа данных в программе Statistica созданная база данных конвертировалась, а затем происходила привязка точек с номерами отбора проб и базы данных с концентрациями.
Grid - слой создавался с применением модуля 3DAnalyst интерполирования растра из исходных точек места отбора проб методом обратно взвешенных расстояний (ОВР). ОВР вычисляет значения ячеек по среднему от суммы значений точек замеров, находящихся вблизи каждой ячейки. Чем ближе точка к центру оцениваемой ячейки, тем больше вес, или влияние, имеет ее значение в процессе вычисления среднего. Этот метод предполагает, что влияние значения измеренной переменной убывает по мере увеличения расстояния от точки замера.
Суть метода измерения Измерения проводились по ПНДФ 16.1.21-98 «Методика выполнения измерений массовой доли нефтепродуктов в пробах почв на анализаторе жидкости «Флюорат-02-2М ».
Флуориметрический метод измерения массовой доли нефтепродуктов в почве основан на их экстракции из образца гексаном и измерении интенсивности флуоресценции очищенного экстракта [136].
В результате исследований создавалась база данных в программе Excel с последующим транспонированием. Полученные результаты, анализировались в программе Statistica.
После анализа данных в программе Statistica созданная база данных конвертировалась, а затем происходила привязка точек с номерами отбора проб и базы данных с концентрациями. Grid - слой создавался с применением модуля 3D Analyst интерполирования растра из исходных точек места отбора проб методом обратно взвешенных расстояний (ОВР).
По результатам расчетов составлены карты массовой доли нефтепродуктов в почвенных слоях на территории г. Владимира (рис.3. 5, 3. 6) и выявлена корреляционная зависимость между ними (рис.3. 7). "HBfrH
Для исследований было отобрано 200 проб почв на территории г. Владимира на территории автозаправочных станций, в зоне влияния промышленных предприятий, на территории парков, детских дошкольных и школьных учреждений, около автодорог с интенсивным движением, а также в огородах. Отбор проб почвы проводился в соответствии с ГОСТ 17.4.4.02-84 "Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа". Точечные пробы отбирались из поверхностных горизонтов методом конверта, по диагонали.
Результаты, полученные на спектрометре, анализировались в программе Statistica, затем строились гистограммы распределения и диаграммы размаха по всем результатам каждого тяжелого металла. По диаграмме можно определить диапазон размаха концентраций, среднее значение, квартальный размах, выбросы, экстремальные значения [114, 149].
После анализа данных в программе Statistica созданная база данных конвертировалась, а затем происходила привязка точек с номерами отбора проб и базы данных с концентрациями.
Grid - слой создавался с применением модуля 3DAnalyst интерполирования растра из исходных точек места отбора проб методом обратно взвешенных расстояний (ОВР). ОВР вычисляет значения ячеек по среднему от суммы значений точек замеров, находящихся вблизи каждой ячейки. Чем ближе точка к центру оцениваемой ячейки, тем больше вес, или влияние, имеет ее значение в процессе вычисления среднего. Этот метод предполагает, что влияние значения измеренной переменной убывает по мере увеличения расстояния от точки замера.
Для создания полигонального слоя сначала округляем результаты до целых значений, затем Grid слой конвертируется в полигональный слой. Создание тематического слоя по каждому тяжелому металлу производится в зависимости от концентрации каждого тяжелого металла по атрибутивной таблице слоя.
Полученные результаты представлены в приложении 3.
На рис. 3.8 представлено содержание соединений цинка в почве г. Владимира. На карте видно, что превышение фонового значения наблюдается практически на всей территории г. Владимира. Но наибольшая концентрация приходится на районы промышленных предприятий (заводы Точмаш, Владимирский тракторный (ВТЗ), Владимирский завод керамических изделий (ВЗКИ) и исторический центр города). Превышение фонового значения составляет примерно пять раз.
На рисунке 3.9 показана аккумуляция соединений свинца. Как видно из карты оно превышает фоновое значение на всей территории г. Владимира. Наибольшее количество находится вдоль автомобильных дорог, в районе промышленных предприятий (ВЗКИ, ВТЗ, Владимирского химического завода (ВХЗ), ОАО завода «Электроприбор», ТЭЦ, ВЗПО - «Техника» и Точмаш, поселок РТС и гаражей за Пекинкой). Превышение фонового значения составило примерно пять раз.
Содержание свинца в почве г. Владимира На следующей карте представлено содержание соединений никеля (рис. 3.10). Наибольшее количество обнаружено вблизи промышленных предприятий и вдоль автодорог. Превышение фонового значения составило порядка десяти раз. Рис. 3.10. Содержание никеля в почве г. Владимира
На рисунке 3.11 показано распределение содержания соединений меди на территории города. Как видно на карте наибольшее содержание наблюдается в районах предприятий (Владимирский электромоторный завод (ВЭМЗ), ВЗКИ и ВТЗ). Значительная аккумуляция наблюдается также вдоль автомобильных дорог Наибольший уровень аккумуляции, как и в случае с цинком, характерен для почв площадок размещения производственных отходов (гальваношламов). Значительное содержание отмечено в транспортной зоне с высокой интенсивностью движения.
Миграция и трансформация соединений ТМ в почвенных образцах в различных физико-химических условиях (модельный опыт)
Для выявления влияния более высоких концентраций нефтепродуктов в почве на рост и развитие микроорганизмов рода Azotobacter нами был поставлен модельный опыт. Максимальное содержание нефтепродуктов в почвах отобранных образцов составило 5000 мг/кг. В качестве модельных образцов использовалась окультуренная почва и почвы с повышенной антропогенной нагрузкой; в качестве модельных токсикантов - нефть Апшеронского месторождения (Азербайджан), нефть Тюменского месторождения и отработанные моторные масла (10 и 20 кг/м ). Состав модельных образцов представлен в таблице 3.5.
Для определения ферментативной активности мы исследовали почву, подсушенную на открытом воздухе. Комки почвы измельчали и просеивали через сито с отверстием 1 мм. При изучении ферментативной активности свежего образца особое внимание уделяют удалению растительных остатков [103].
Взвешенную навеску почвы 50 г и помещаем ее в чашку Петри. Добавляли мочевину, растворенную в небольшом количестве воды (0,50 г. мочевины на чашку); почву увлажняли до состояния густой пасты, тщательно перемешивали и равномерно распределяли по дну чашки. Между поверхностью почвы и крышкой чашки должно оставаться воздушное пространство. К внутренней поверхности крышки прикрепляли полоску фильтровальной бумаги, пропитанную универсальным индикатором. Влажную бумагу прочно прикрепляли к стеклу и удерживали на нем до окончания измерений.
Разложение мочевины сопровождалось интенсивным образованием летучей щелочи - аммиака, в результате чего воздушная среда над почвой постепенно приобретала щелочную реакцию. Цвет индикаторной полоски изменяется в соответствии с изменениями рН среды. После добавления мочевины чашки Петри помещали во влажную камеру (эксикатор с водой) и ставили в термостат. Значения рН регистрировали через каждый час в течение 8 часов и затем на следующий день. Скорость увеличение щелочности воздуха над почвой является показателем биологической активности почвы.
В качестве контроля использовали чашки без почвы, содержавшие растворенную в небольшом количестве воды мочевину и снабженные прикрепленными к крышке индикаторными полосками. Навески мочевины в контрольных чашках соответствовали навескам, вносившимся в чашки Петри с почвой. Повторность параллельных определений не менее чем 3 — 5 кратность [131]. Результаты исследований приведены в приложении 5. Также произведен расчет изменения уреазной активности по отношению к рН на 1,0 времени (ч) и расчет медианы, которая составила 1,7. Данные расчетов приведены в приложении 6.
По результатам исследований построены диаграммы зависимости активности нарастания фермента уреазы от активной кислотности почв (прил. 7) и от воздействия разных антропогенных нагрузок на эти почвы (прил. 8).
Для выявления влияния более высоких концентраций нефтепродуктов в почве на активность фермента уреазы нами был поставлен модельный опыт. Максимальное содержание нефтепродуктов в почвах отобранных образцов составило 5 мг/кг. В качестве модельных образцов использовалась окультуренная почва и почвы с повышенной антропогенной нагрузкой. В качестве модельных токсикантов нефть Апшеронского месторождения (Азербайджан), нефть Тюменского месторождения и отработанные моторные масла (10 и 20 кг/м2). Состав модельных образцов и места отбора проб приведены в таблице 3. 4.
В модельных опытах под номерами 1.1, 2.1, 3.1, 4.1 и 5.1 нефть и моторные масла внесены в количестве 10 кг/м2; в модельных опытах 1.2, 3.2, 4.2 и 5.2 - в количестве 20 кг/м . Модельный опыт проводился по методике и в тех же условиях, по которой исследовались образцы почв, взятых нами для анализа. Полученные Активность уреазы в почвах, загрязненных нефтепродуктами (модельный опыт) Номер образца Время от начала опыта в часах 2 3 5 7
Математическая модель дозо-ответной реакции почв по параметру уреазной активности (УА, ч-1) в зависимости от содержания нефтепродуктов (Снь мг/кг) и суммарного показателя загрязнения почв тяжелыми металлами (ZCJ) имеет вид двухмерного параболического гиперболоида в логарифмических координатах: УА = а0 +al-\nCH + a2-]nZc + a3 -In2 Сн + а4 -lnCH-lnZc + a5 -In2 Zc где a0, a!, a2, a3, С14, a5 — эмпирические коэффициены В качестве показателя уреазной активности рассматривается величина обратная времени увеличения щелочности паров, находящихся в равновесии с почвой в присутствии мочевины, т.е. время, за которое рН увеличивается на 1,0. Исходные данные для расчетов приведены в таблице 3.8.
Многофакторный регрессионный анализ по мониторинговым данным почв г. Владимира, осуществленный в среде Mathcad с применением метода наименьших квадратов и алгоритма оптимизации Левенберга-Маркварда, позволил получить коэффициенты для уравнения показателя уреазной активности в 2-мерном пространстве факторов: 1) концентрация нефтепродуктов в почве (мг/кг); 2) суммарный показатель загрязнения тяжелыми металлами Zc:
При концентрациях ТМ, близких к фоновым, предельное значение концентрации нефтепродуктов составляет 253 мг/кг; превышение этой величины приводит к угнетению уреазной активности. Для концентраций ТМ, соответствующих Zc = 11, предельное значение концентрации нефтепродуктов составляет 34910 мг/кг, при этом уреазная активность достигает наивысших значений, а за пределами указанных значений уреазная активность нелинейно убывает.
