Введение к работе
Актуальность темы исследования. Современные экологические проблемы во многом порождены стремительным процессом роста городов, в следствии которого природные территории изменяются в результате деятельности человека. Городские агломерации, разрастаясь, захватывают все большие территории. В крупных городах коренным образом изменяется структура и состав природных геосистем; создаются условия небезопасные для здоровья человека (Макаров, 2001; Артамонова, 2007; Иванов и др., 2010, 2011).
Саратов относится к числу крупнейших городов Нижнего Поволжья. В нем сосредоточены крупные предприятия химии, нефтехимии, нефтепереработки, стройиндустрии, машиностроения, энергетики, имеющие федеральное значение. На территории города размещено более 500 промышленных площадок, находятся нефтяной промысел и подземное газохранилище, работают аккумуляторные заводы.
При изучении закономерностей распространения загрязняющих веществ в окружающей среде г. Саратова следует учитывать его сложную территориальную систему, развитие которой обусловлено как социально-экономическими, так и природными факторами.
Идеальным индикатором загрязнения воздушного бассейна города является снежный покров, накапливающий весь спектр атмосферных поллютантов. Загрязнение снежного покрова отражает время накопления загрязнения, начиная с момента появления устойчивого снежного покрова до даты его отбора (Ардаков, 2004; Валетдинов, 2006; Перельман, 2000).
Мониторинг снежного покрова на территории г. Саратова на содержание химических контаминантов проводится только в течение последних 15 лет (Молостовский, 1999; Макаров, 2001). В тоже время для более полной и объективной экологической оценки степени антропогенной нагрузки представляется важным и актуальным сравнительный анализ содержания экотоксикантов и уровня токсичности, а также качественного и количественного состава микроорганизмов в снежном покрове с использованием базовых принципов геоинформатики.
Цель работы: оценка экологического состояния окружающей среды на основе микробиологического, химико-аналитического и экотоксикологического анализа снежного покрова урбосистем г. Саратова за период 2007-2012 гг.
Для достижения указанной цели были поставлены и решались следующие задачи:
1. определить качественное и количественное содержание микроорганизмов в снежном покрове модельных полигонов г. Саратова, провести сравнительный анализ видового состава микробных ассоциаций в снежном покрове разных функциональных зон;
2. изучить химико-аналитические характеристики снежного покрова модельных полигонов г. Саратова: pH, содержание хлорид-, нитрат-, сульфат-ионов, тяжелых металлов (железа, меди, никеля, свинца, кадмия, цинка и кобальта).
3. оценить токсичность проб снега, отобранных из разных функциональных зон урбосистем г. Саратова методами комплексного биотестирования на тест-объектах: Chlorella vulgaris Beijer, Daphnia magna Straus, Lemna minor L., Raphanus sativus L., Triticum durum (Desf.) Thell.
4. разработать тест-систему для анализа и мониторинга снежного покрова урбосистем с учетом наиболее информативных показателей;
5. построить карты-схемы распространения загрязнителей в снежном покрове модельных полигонов г. Саратова;
6. оценить степень антропогенной нагрузки и экологическое состояние урбосистем г. Саратова на основе данных снегомерной съемки.
Научная новизна работы
Впервые проведено комплексное исследование экологического состояния урбосистем г. Саратова на основе микробиологического, химико-аналитического и экотоксикологического анализа снежного покрова модельных участков. Определены приоритетные загрязнители – тяжелые металлы (никель и кадмий) снежного покрова на территории г. Саратова. Установлен характер распределения ксенобиотиков в урбосистемах овражно-балочного типа ландшафта (на примере г. Саратова). Показано, что по суммарному показателю загрязнения лидируют площадки в центре города (Zc=140-154) за счет формирования «острова тепла» вследствие местных воздушных потоков, движущихся с окраинной части города в центр.
Выявлены закономерности изменения качественного и количественного состава микроорганизмов и их физиологических особенностей в зависимости от выделения из снежного покрова различных функциональных зон города. Установлено доминирование бактерий рода Bacillus и высокие значения содержания бактерий родов Staphylococcus и Enterococcus в верхнем 10-сантиметровом слое снега. Показано, что гетеротрофные бактерии находятся во всех слоях снежного покрова в виде ассоциаций пигментированных форм. Выявлено значительное увеличение содержания микромицетов по всей глубине снежного покрова урбосистем и преобладание форм с темным пигментом.
Обосновано использование комплекса тест-объектов для анализа токсичности снежного покрова урбосистем промышленных городов, включающего C. vulgaris Beijer, D. magna Straus, R. sativus L., T. durum (Desf.) Thell. Предложенный метод картирования снежного покрова урбанизированных территорий на основе комплексного экологического мониторинга может быть использован для диагностики состояния окружающей среды промышленных городов.
Теоретическая и практическая значимость. Полученные данные вносят существенный вклад в разделы прикладной экологии, изучающие влияние антропогенных факторов на экосистемы различных уровней с целью разработки экологически обоснованных норм воздействия хозяйственной деятельности человека на живую природу, и факториальной экологии для оценки влияния абиотических факторов на живые организмы в природных и лабораторных условиях с целью установления пределов толерантности и устойчивости организмов к внешним воздействиям.
Результаты исследования могут быть использованы: в научных целях при мониторинге экологического состояния окружающей среды и экологическом прогнозировании последствий деятельности человека на данной территории; при создании карт экологического состояния территорий; оценке риска воздействия человека на окружающую среду; в учебном процессе при преподавании дисциплин экологического профиля – экологического мониторинга, прикладной экологии, экотоксикологии, экологии микроорганизмов, рационального природопользования, охраны окружающей среды и др. – в Саратовском государственном техническом университете имени Гагарина Ю.А. и других высших учебных заведениях при подготовке бакалавров и магистров по направлению «экология и рациональное природопользование», а также при организации и проведении научно-исследовательских работ студентов, написании курсовых и дипломных работ.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. В снежном покрове территорий г. Саратова содержание микроорганизмов количественно превышает контрольные (фоновые) значения; преобладают ассоциации пигментированных форм гетеротрофных микроорганизмов и микромицетов.
2. В снежном покрове территорий г. Саратова увеличивается содержание сульфатов, хлоридов и нитратов особенно вблизи мощных транспортных магистралей. Интенсивность аккумуляции (превышение фоновых концентраций) тяжелых металлов в снежном покрове г. Саратова убывает в ряду: Ni>Cd> Pb>Zn=Сu=Fe>Co.
3. Снежный покров г. Саратова характеризуется высокой и средней степенью токсичности по отношению к тест-объектам: наиболее чувствительными к комплексному загрязнению снежного покрова оказались тест-объекты C. vulgaris и D. magna.
4. Метод картирования снежного покрова урбанизированных территорий на основе микробиологического, химико-аналитического и экотоксикологического анализов может быть использован как диагностический показатель экологического состояния городских территорий.
Работа выполнена на кафедре экологии Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. в период с 2007 по 2012 гг. в рамках основных научных направлений ОНН 13 В «Разработка методов оценки и реабилитации загрязненных природных сред» (2005-2010 гг.) и 14 В «Экологические и биологические основы жизнедеятельности природных экосистем и человеческого общества» (2010-2012 гг.). Исследования поддержаны финансированием Федеральной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (государственные контракты СГТУ-7, 2012) и «Мониторинг природно-территориальных комплексов водосборных бассейнов малых рек в условиях их хозяйственного освоения с использованием GIS-технологий» (СГТУ-67, 2012).
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на конференциях различного уровня: Международной Пущинской школе-конференции молодых ученых «Биология – наука ХХI века» (Пущино, 2008, 2009, 2010); II Санкт-Петербургском международном экологическом форуме «Окружающая среда и здоровье человека» (Санкт-Петербург, 2008); 4-ой Всероссийской конференции с международным участием «Экологические проблемы промышленных городов» (Саратов, 2009); Всероссийской научно-практической конференции «Социальные проблемы медицины и экологии человека» (Саратов, 2009); 14-ой Международной научно-практической конференции «Экологические проблемы современности» (Майкоп, 2009); XIII межрегиональном конкурсе научных работ молодых ученых, аспирантов и студентов вузов Приволжского федерального округа «Безопасность жизнедеятельности» (Уфа, 2009); Региональной научной конференции «Исследования молодых ученых в биологии и экологии» (Саратов, 2009); IX конференции молодых ученых «Научные основы сохранения биотического разнообразия» (Львов, 2009); Международных экологических студенческих конференциях «Экология России и сопредельных территорий» (Новосибирск, 2009, 2010); VIII Международной научно-практической конференции «Природноресурсный потенциал, экология и устойчивое развитие регионов России» (Пенза, 2010); 1-ых международных Беккеровских чтениях (Волгоград, 2010); Международной конференции «Антропогенная трансформация природной среды» (Пермь, 2010); II Всероссийской научной конференции «Научное творчество XXI века» (Красноярск, 2010); Всероссийской научно-практической конференции «Экология: синтез естественнонаучного, технического и гуманитарного знания» (Саратов, 2010); Всероссийской научно-практической конференции молодежи «Экология родного края: проблемы и пути их решения» (Киров, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ, в том числе три статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Личный вклад автора. Диссертант принимал непосредственное участие в разработке программы исследований, отборе образцов снега и их комплексном анализе. Полевые и экспериментальные исследования выполнялись автором лично или при непосредственном участии в составе научной группы. Обработка полученных данных, их интерпретация и оформление, а также разработка в итоге практических предложений осуществлены автором самостоятельно. Доля личного участия в публикациях составляет от 50 до 75%.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 134 страницах. Состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы. Содержит 22 таблицы и 28 рисунка. Список литературы включает 159 наименований, из них 14 на иностранных языках.
