Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. CLASS Обзор литературы CLASS 9
1.1. Физико-химические свойства ПАУ и их нормирование 9
1.2. Накопление и трансформация ПАУ в системе почва-растения 12
Глава 2. Экспериментальная часть 30
2.1. Природные условия 30
2.2. Объекты и методы исследований 32
Глава 3. Биологические эффекты в почве и растениях Tradescantia (clon 02), индуцированные бенз[а]пиреном 49
3.1. Изменение молекулярного состава ПАУ в почве под воздействием бенз[а]пирена 49
3.2. Микробиологическя активность почв 54
3.3. Влияние загрязнения почвы бенз[а]пиреном на Tradescantia (clon 02)... 62
3.4. Оценка токсикологической активности бенз[а]пирена в системе почва-растение 73
3.5. Генотоксические эффекты 75
Глава 4. Закономерности биоаккумуляции ПАУ в системе почва-растения в лесных фитоценозах 85
4.1. Накопление ПАУ в системе атмосферные осадки - почва - растения -лизиметрические воды 85
4.2. ПАУ в почве фонового и техногенного ландшафтов 92
4.2. ПАУ в системе почва-Рісеа obovata, на различном расстоянии от источника эмиссии 94
4.3. ПАУ в системе почва-Vaccinium myrtillus, Vaccinium vitis-idaea, на различном расстоянии от источника эмиссии 104
Выводы 111
Литература 113
Приложение 132
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ.
ПАУ - полициклические ароматические углеводороды
АКФ - активные формы кислорода
БМС - белые мутантные события
в.с.п. - воздушно-сухая почва
ВТН - волоски тычиночных нитей
ПС - гигантские клетки
КК — карликовые клетки
КОЭ - колонии образующая единица
МА - морфологические аномалии
МСО - микробное сообщество организмов
НМ - нелинейные мутации (разветвления)
РМС - розовые мутантные события
УКД - угнетение клеточного деления
- Физико-химические свойства ПАУ и их нормирование
- Объекты и методы исследований
- Микробиологическя активность почв
- Накопление ПАУ в системе атмосферные осадки - почва - растения -лизиметрические воды
Введение к работе
Актуальность темы. Полициклические ароматические углеводороды (ПАУ) представляют собой органические соединения бензольного ряда, различающиеся по числу бензольных колец и особенностям их присоединения. Полициклические ароматические углеводороды характеризуются высокой мобильностью, способностью к рассеиванию в биосфере и имеют как природное, так и техногенное происхождение. Накопление полициклических ароматических углеводородов в системе почва-растение связано с процессами трансформации органических веществ и переносом ПАУ от техногенных источников. Актуальность исследований поведения полициклических ароматических углеводородов в системе почва-растение обусловлена повышенной опасностью и масштабностью загрязнения- почвенного и растительного покрова этими соединениями.
Почвы - главный компонент ландшафта, депонирующий полициклические ароматические углеводороды. Интенсивность накопления, возможность консервации и последующей мобилизации данной группы стойких органических загрязнителей в окружающую среду зависит от свойств почв и биологических особенностей растений. В рамках Конвенции о трансграничном загрязнении воздуха (Convention on long-rande...,1996) к настоящему времени выполнены многочисленные исследования по переносу различных поллютантов и реакции экосистем на их поступление. Однако следует отметить о недостаточности подобных работ, посвященных исследованию полициклических ароматических углеводородов в системе почва-растения, что обусловливает, на наш взгляд, проведение исследований по вовлечению полиаренов в биологический круговорот.
Для индикации загрязняющих веществ в окружающей среде все чаще применяют биологические системы. Реакция живого организма позволяет оценить антропогенное воздействие на среду обитания в показателях, имеющих биологический смысл. Химические соединения, воздействуя на среду, .иногда очень сильно модифицируются факторами живой и неживой природы, их окончательное влияние не всегда легко предвидеть, что определяет поиск биоиндикаторов, которые дают точную, интегральную картину, учитывающую и те загрязнения, которые могли быть не зафиксированы при мониторинговых исследованиях. (Алексеева и др. 1981; Флоровская и др., 1982; Ровинский и др., 1988, 1990; Геннадиев и др., 1989,1990.1992, 1996, 2000. 2004; Пенин и др., 1991; Пиковский, 1993; Шурубор и др., 2000; Чернянский и др., 2001; Биоиндикация загрязнений наземных..., 1988).
Система почва-растение очень информативна. Растения представляют собой наиболее уязвимый компонент биоты, так как являются первичными звеньями трофических цепей. Они выполняют основную роль в поглощении разнообразных поллютантов из почвы и подвергаются действию как глобального, так и локального загрязнения. Эти особенности растений определяют их значение как биоиндикаторов при обнаружении загрязнителей, выяснении их географического распространения и определении мутагенного фона ландшафтов, претерпевших антропогенную трансформацию. Сведения о загрязнении почвы бенз[а]пиреном приводят к необходимости оценить вероятность поглощения его растениями, определить возможность перемещения бенз[а]пирена из корней в надземные органы и исследовать реакцию растительного организма и почв на его воздействие, что позволит в перспективе использовать растения как индикаторы загрязнения среды полиаренами (Алексеева и др. 1981; Геннадиев и др., 1990, 1996, 2004; Ровинский и др., 1988; Крестовская и др., 1979; Норкина, 1979; Пенин и др:, 1991; Пиковский,- 1993; Blumer, 1976; Ericsson et al, 2003).
Материалы, послужившие основой, для написания диссертации, получены и обобщены при реализации плановой темы фундаментальных научно-исследовательских работ Института биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН «Механизмы формирования и функционирования целинных и антропогенно нарушенных почв в таежных и тундровых ландшафтах Европейского-Северо-Востока» (№Гр. 01.2.00.107250), поддержаны грантами РФФИ и отделения общей биологии.РАН.
Цель исследования:
Выявить закономерности биоаккумуляции и,трансформации полициклических ароматических углеводородов в системе почва-растения в лабораторном эксперименте и в условиях естественных лесных фитоценозов. Задачи исследования:
1. Провести анализ распределения молекулярных групп полициклических ароматических углеводородов в системе почва-растения Tradescantia (clon 02), в модельном эксперименте при загрязнении почв бенз[а]пиреном.
2. Изучить биологические эффекты в системе почвъгradescantia (clon 02), индуцированные бенз[а]пиреном: микробиологическую активность почв, геното-ксичные воздействия на растения, токсикологическую активность почв и растений.
3. Провести сравнительный анализ содержания и распределения молекулярных групп полициклических ароматических углеводородов в системе почва-растения фоновых и аэротехногенно-нарушенных ландшафтов лесных фитоценозов.
4. Выявить дикорастущие виды растений-аккумуляторов полициклических ароматических углеводородов и микроорганизмов-индикаторов для оценки загрязнения полициклическими ароматическими углеводородами в зонах техногенеза.
Научная новизна. Впервые на основании комплексного изучения состава полиаренов атмосферных осадков, лизиметрических вод, почв и растений выявлены закономерности формирования пула приоритетных полициклических ароматических углеводородов в системе почва-растение как в результате педогенеза, так и аэротехногенного загрязнения. В почвах и растениях преобладают, главным образом, 3,4-ядерные полиарены. Максимальное бионакопление полиаренов отмечено в растениях Vaccinium myrtillus (листья), и Picea obovata (хвоя и ветви 4-5 года жизни). Фенатрен в растениях образуется в основном за счет внутриклеточного синтеза. Другие легкие ПАУ входящие в состав, выбросов предприятия накапливаются растением преимущественно из почвы. Обнаружен эффект селективного образования ПАУ в почвах, дифференцированный относительно доз бенз[а]пирена. При внесении бенз[а]пирена в почву в дозах 10-20 нг/г продукты его метаболизма оказывают на Tradescantia (clon 02) ауксиновое действие, что выражается в росте биомассы корней и увеличение частоты появления гигантских клеток у растения. Дозы 30-40 нг/г бенз[а]пирена приводят к ингибированию этих процессов. Установлено, что бенз[а]пирен оказывает генотоксическое действие на Tradescantia (clon 02) во всем исследованном диапазоне внесенных доз, которое выражается в увеличении частоты розовых мутантных событий, белых мутантных событий, угнетения клеточного деления и морфологических аномалий в волосках тычиночных нитей. Адаптация растений к высоким дозам бенз[а]пирена не выражается на морфологическом начинает проявляться на физиологическом и особенно на генетическом уровне. Бенз[а]пирен, внесенный в почву, снижает численность почвенных микроорганизмов. Наиболее резистентны к воздействию бенз[а]пирена микроорганизмы использующие минеральные формы азота: Внесение в почву бенз[а]пирена приводит к резкому снижению видового разнообразия и исчезновению доминирующих шчасто встречающихся в контрольнойшочве видов микромицетов. При высоких дозах бенз[а]пирена- (30-40 нг/г) появляются нехарактерные для данной почвы, виды, доминантами становятся Paecilomyces lilacinus и Fusarium moniliforme.
Практическая значимость. Растения - Vaccinium myrtillus (листья), Picea obovata (хвоя и ветви 4-5 года жизни) и микромицеты - Paecilomyces lilacinus, Fusarium moniliforme могут применяться при мониторинге и контроле загрязнения4 окружающей среды полиаренами. Результаты работы используются в лекционных курсах по специальности «экология» в СыктГУ.
Апробация работы. Материалы, изложенные в диссертации, были доложены и обсуждены на всероссийских конференциях: Всероссийская научная школа «Актуальные проблемы регионального экологического мониторинга» (Киров, 2006); Всероссийская конференция молодых ученых «Экология от Арктики до Антарктики» (Екатеринбург, 2007); I Всероссийская» молодежная научная конференция «Молодежь и наука на Севере» (Сыктывкар, 2008); I Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Фундаментальные достижения в почвоведении, экологии, сельском хозяйстве на пути к инновациям» (Москва, 2008); V Всероссийский съезд общества почвоведов им. В.В. Докучаева. (Ростов-на-Дону, 2008); на молодежных научных конференциях «Актуальные проблемы биологии и экологии» (Сыктывкар 2005, 2006, 2007). Публикации. По результатам исследований опубликовано 13 работ, включая 3 статьи в журналах списка ВАК, «Агрохимия» №9, 2008; «Почвоведение» № 11, 2008, «Экология и промышленность России» № 11, 2008.
Благодарности. Автор выражает благодарность научному руководителю Д.С-Х.Н., сих., заведующему лаборатории химии почв отдела почвоведения В.А. Безносикову, К.Х.Н., доценту, заведующему лабораторией «Экоаналит» Б.М. Кондратенку за постоянную поддержку в проведении экспериментов, консультации по методам количественного химического анализа и содействие в оформлении диссертации, к.б.н., н.с, Д.Н. Габову и старшему инженеру-химику Н.В. Злобиной — за помощь в проведении химико-аналитических исследований, к.б.н., н.с Аниськиной М.В. — за помощь в постановке модельного эксперимента, д.б.н., в.н.с. Г.В.Железновой - за помощь в обосновании и отборе растительных образцов; к.б.н., с.н.с, Ф.М. Хабибуллиной, м.нх. Ю.А. Виноградовой - за исследования микробиологической активности почв.
Физико-химические свойства ПАУ и их нормирование
Полициклические ароматические углеводороды представляют собой высокомолекулярные органические вещества, основным элементом структуры которых является бензольное кольцо. В бензольном кольце атомы водорода могут быть замещены алкильной группой (Клар, 1971). ПАУ с незамещенными структурами подразделяются на ката - и пери - конденсированные. В основе углеводородов ката-конденсированного типа лежит одинарное бензольное ядро, присоединение к которому последующих ароматических колец осуществляется либо линейно, либо под углом. В первом случае образуются углеводороды с линейным расположением бензольных колец - «ацены» (нафталин, антрацен). При ангулярном соединении формируются углеводороды с угловым расположением бензольных колец - «фены» (фенатрен, хризен, дибенз[а, п]атрацен).
Элементарной структурной единицей углеводородов пери конденсированного типа является дифенил - вещество, состоящее из двух бензольных колец, соединенных между собой простой связью. Присоединение к нему дополнительных ароматических колец происходит тем же образом, что и к углеводородам ката-аннелированного типа - линейно или ангулярно, однако образующиеся на основе дифенила ПАУ имеют более компактное строение. К группе пери-конденсированных ПАУ принадлежат углеводороды, состоящие из пяти- и шестичленных колец (пирен, бенз[а]пирен, 6eH3[ghi]nepimeH, флуорантен, бензфлуорантены).
Физико-химические свойства ПАУ представлены в приложении 1. Принято считать, что 2-4-х ядерные ПАУ от нафталина до хризена - это легкие углеводороды, 5-6-ти ядерные ПАУ от бенз[Ь]флуорантена до индено[1,2,3-ссЦпирена - тяжелые (Ровинский и др., 1988, Lehto et al., 2003; Белых, 2005).
ПАУ - соединения, представляющие собой при температуре 25 С иглы, пластины, кристаллы, листы, или призмы в пределах окраски от бесцветного к бледному желтому - золотому желтому. Так, бенз[а]антрацен, дибензо[а,Ь]пирен, индено[1,2,3-сс1]пирен, характеризуются способностью к флюоресценции в диапазоне электромагнитного спектра от зеленовато-желтого до коричневого цвета. Температура их плавления и кипения растет с увеличением числа бензольных колец (Клар, 1971). ПАУ плохо растворимы в воде, значительно лучше в органических растворителях. Растворимость зависит от молекулярной массы, от взаимного расположения конденсированных бензольных колец в молекуле (Клар, 1971; Геннадиев и др., 1996).
Важнейшее химическое свойство ПАУ - склонность к реакциям замещения. Они почти не вступают в реакции присоединения, но легко замещают атомы водорода, в ароматическом фрагменте, на другие атомы или группы. В результате таких реакций образуются алкилзамещенные ПАУ (метил-, этил- и др.), а также галогено-, нитро-, амино-, сульфопроизводные, фенолы и ароматические спирты, хиноны, ароматические альдегиды и ароматические кислоты.
Реакции присоединения с участием ПАУ протекают в достаточно сложных условиях. Например, присоединение к ароматическому кольцу галогена может происходить под действием ультрафиолетового облучения, а присоединение водорода с образованием циклопарафиновых углеводородов, происходит в присутствии катализаторов при повышенной температуре.
Ароматические углеводороды могут окисляться с образованием хинонов и карбоновых кислот. В реакции замещенш окисления и присоединения более легко вступают менее стабильные углеводороды. Поэтому «аценовые» структуры более реакционноспособны, чем «фены» с тем же количеством колец. Некоторые ПАУ разрушаются под действием сильных концентрированных кислот, токов высокой частоты, ультразвука, ультрафиолетового излучения (Геннадиев и др., 1996).
ПАУ - соединения, проявляющие по отношению к живым организмам; канцерогенные, мутагенные и другие токсичные свойства (Ильницкий, 1975; Nielsen, 1996; Bispo et al., 1999). Предполагается, что канцерогенные ПАУ вызывают опухоли главным образом на месте контакта, но небольшое количество опухолей может возникнуть и в отдаленных органах. Канцерогенные ПАУ, распространенные на производстве и в окружающей среде, влияют на частоту раковых заболеваний, в первую очередь, легких и желудка. Ароматические углеводороды — наиболее токсичные компоненты нефти; При массовой доле ПАУ в воде 1 % исчезают все водные растения: Мутагенная активность ПАУ аналогична канцерогенной. Так, 3,4-бензпирен относится к классу самых сильных мутагенов; Установлено, например, что его воздействие на ДНК приводит к замене нуклеотидов; Выявлено генотоксическое влияние ПАУ, содержащихся в битумах. Генотоксичные канцерогены не имеют порогового уровня, т.е. их присутствие В і любом определяемом количестве опасно для живого организма (Данецкая,1971).
В качестве показателя присутствия канцерогенных ПАУ в природных объектах чаще всего определяют незамещенный индивидуальный углеводород -бенз[а]пирен. Этот углеводород, наряду с другими тяжелыми ПАУ (дибензпирены, дибензантрацен, бензфлуорантены) - относится? к веществам первого класса опасности. Как правило, в объектах, где обнаруживается бенз[а]пирен идентифицируются и другие ПАУ (Шабад, 1979; Геннадиев и др., 1996; Киреева и др., 2002; Белых, 2005).
Установлено, что в саже из кокса содержится 0.2 мкг/г бенз[а]ішрена, из угля -7.5-9.2 мкг/г, из древесины - 11.5-20:1 мкг/г. В продуктах сгорания метана основного компонента природного газа, обнаружены высокие концентрации ПАУ — до 18 мг бенз[а]пирена на 1 мЗ сгоревшего топлива. ПАУ могут иногда встречаться? ив естественньгх продуктах до переработки, Например, асбестовая руда также как и; обработанный» асбест, содержит значительное количество- бенз[а]пирена (Вредные..., 1976).
ПАУ являются приоритетными;загрязнителями, как в; списке Европейского; сообщества (ЕС), так и в списке Агентствашс охране окружающей среды США (ЕРА) (Jian et all, 2004). Из 49 соединений; ПАУ, подвергнутыхмеждународной экспертной оценке,.выделено 10 соединений,» потенциально опасных для животных и человека. Среди них бенз[а]антрацещ бенз[Ь]флуарантен, бенз[а]пирен, дибенз[а;п]антрацен, индено[1,2,3-са]пирен и др. (Кирееваш др;, 2002; Nadal et al:, 2004). ПАУ имеют низкие предельнодопустимые концентрации (ПДК). На данный» момент в России существуют ПДК для? бенз[а]пирена; пирена, нафталина, фенантрена в воздухе рабочей зоны и для водоемов; (Геннадиев и др., 1996; Шабад.,1979). В России обязательному контролю в почве подлежит лишь бенз[а]пирен. ПДК бенз[а]пирена для почвы — 20 нг/г; для питьевой воды — 1 нг/л (TH2:i:7:204i-06). 1.2 Накопление и трансформация полициклических ароматических углеводородов в системе почва-растение
ПАУ в природных экосистемах. Механизмы образования ПАУ в природных экосистемах разнообразны. Выделяют пять групп факторов, способствующих образованию этих углеводородов: космические, эндогенные геологические, биогеохимические и техногенные (Шабад., 1979; Флоровская и др., 1982; Ровинский и др., 1988, 1990; Геннадиев и др., 1990; Геннадиев и др., 1996; Геннадиев и др., 2000; Шурубор, 2000; Bundt et al., 2001). Оценка значения космических факторов остается пока гипотетической, так как факты обнаружения ПАУ в метеоритах можно истолковать как результат пиролиза органического вещества при прохождении плотных слоев атмосферы Земли (Фроловская и др., 1982). Однако сама возможность образования ПАУ в космическом пространстве получает подтверждение в различных исследованиях (Becker et al., 1997). Эндогенные факторы, связанные с энергией глубинных недр Земли, играют заметную роль в образовании ПАУ. ПАУ обнаружены в современных ископаемых осадках, горючих сланцах, бурых и каменных углях. В осадочных породах содержание природных ПАУ значительно возрастает и достигает иногда единиц процентов общей массы органического вещества. Поступление ПАУ в природные экосистемы может быть обусловлено рассеянием углеводородов от нефтяных и газовых залежей. (Ровинский и др., 1988; Фроловская и др., 1982).
При всем разнообразии процессов, которые приводят к образованию ПАУ, наиболее общим механизмом их возникновения следует считать термическое воздействие на органическое вещество. Для образования широкого набора ПАУ в вулканических и гидротермальных процессах в высокотемпературных зонах Земли достаточно наличия молекул метана и воды (Пиковский и др., 1965, 1993; Алексеева и др., 1981; Кулакова и др., 1982 Порпгаев и др., Савельев и др., 1985; Фроловская и др., 1982).
Бенз[а]пирен был обнаружен в вулканическом пепле, лаве, растительности и термических водах вулканической зоны. Обнаружение бенз[а]пирена в глубоких слоях почвы в зоне вечной мерзлоты свидетельствует о существовании этого соединения на протяжении нескольких десятков тысяч лет (Шабад, 1979). Другим источником «фонового» загрязнения экосистем является миграция ПАУ из газонефтяных залежей. В районах с залежами нефти и газа содержание ПАУ на поверхности на 1 - 2 порядка выше, чем в районах, не содержащих нефтяных залежей. Из незамещенных ПАУ в сырой нефти преимущественно содержатся перилен и фенантрен. Основная часть ПАУ представлена моноалкилпроизводными полиаренами: фенантреном, пиреном и хризеном, что обусловлено протеканием процесса образования нефти в- течение длительного времени при температурах порядка 180 С (Люминесцентная..., 1975).
Образование ПАУ возможно также в результате биогеохимической трансформации исходного биогенного материала или в процессе синтеза в организмах и биокосных системах. Это пока малоизученный источник ПАУ в природных средах. Известно о внутриклеточном синтезе ПАУ живыми организмами, которые могут попадать в природные среды после их „разложения. Растения интенсивно синтезируют ПАУ в период активной вегетации (Ильницкий и др., 1979; Флоровская и др., 1982). В проросших семенах содержание бенз[а]пирена достоверно превышает его содержание в исходных семенах, что считается доказательством синтеза бенз[а]пирена в процессе роста. После периода интенсивного роста синтез ПАУ растениями, идет незначительно или прекращается.
Объекты и методы исследований
Объекты исследований: торфянисто-подзолисто-глееватые почвы и растения фоновых ландшафтов вблизи пос. Троицко-Печорск и аэротехногенно-нарушенных ландшафтов около пос. Верхнеижемский - сажевый завод. Сопряженный проботбор почв и растений проведен в зоне воздействия сажевого завода на расстоянии 0.5, 1.0, 1.5 км от источника эмиссии, на плоской вершине водораздельного увала под смешанным елово-березовым лесом. Отбор проб был проведен по «розе ветров» в северо-восточном направлении от предприятия. На участках фоновых и аэротехногенно-нарушенных ландшафтов были отобраны пробы лизиметрических вод и снежного покрова. Для лабораторных исследований была использована подзолистая пахотная суглинистая окультуренная почва (стр. 37).
Характеристика почв на объектах исследований. Торфянисто-подзолисто-глееватые почвы относят к типу болотно-подзолистьгх почв. Они формируются на плоскоравнинных водораздельных увалах, пологих склонах, межувалистых понижениях под долгомошными и долгомошно-сфагновыми лесами в условиях полугидроморфного и гидроморфного режимов увлажнения. Избыточное увлажнение создается возникает в результате застаивания вод атмосферных осадков или высокого уровня слабоминерализованных грунтовых вод (Забоева, 1975).
Основные процессы участвующие в формировании болотно-подзолистых почв подзоло и преобразование. В подтипе торфянисто-подзолисто-глееватых почв подзолообразовательный процесс в лесотаежной зоне выражен в максимальной степени из-за поступления в минеральную часть почвы значительных количеств продуктов разложения мохово-торфянистой подстилки, а также благодаря длительному сочетанию глеевых и элювиальных процессов в условиях устойчивого промывного водного режима. Торфянисто-подзолисто-глееватые почвы в типе болотно-подзолистьгх почв имеют наибольшее развитие. Для их образования достаточен незначительный сдвиг автоморфного водного режима в сторону избыточного увлажнения вследствие временного застоя поверхностных вод. Подобные условия складываются на плоских депрессиях или на слабо дренированных равнинных увалах и пологих склонах.
Растительность на торфянисто-подзолисто-глееватых суглинистых почвах представлена еловыми лесами с примесью березы V бонитета. Покров — зеленомошно-долгомошный, в микропонижениях — пятна сфагнума, единичные лесные злаки и осоки, морошка, обилие кустарничков черники. Мощность торфянистой подстилки варьирует в диапазоне значений 10-20 см. Под ней часто выделяется коричнево-бурый слой в несколько сантиметров — горизонт с иллювиально-потечным гумусом A2hg, переходящий в сизо-серый оглеенный горизонт A2g мощностью 10-15 см, который постепенно сменяется горизонтом A2Bg до 30-35 см мощности. Ниже, в горизонтах В и С, признаки оглеения выражены слабее. Часто в почвенном разрезе вскрывается верховодка на глубине 40-70 см. В северной тайге морфологическая дифференциация профиля становится менее четкой. Оглеенный подзолистый горизонт имеет серовато-палевый цвет с сизыми расплывчатыми пятнами с признаками тиксотропии, бесструктурный, слитный. Оглеение может быть выражено по всему профилю. Застойный водный режим обусловил, наряду с оглеением всего профиля, накопление торфянистой подстилки, имеющей важную биогеоценотическую роль. В ней сосредотачивается до 90 % запаса корней и питательных веществ. В минеральной части профиля, содержание корней и микробиологическая активность резко падают. Высокая кислотность лизимитрических вод обусловлена, образующимися при разложении торфа кислыми органическими соединениями. Однако, в условиях затрудненного стока и очень высокой, вследствие оглеения, плотности элювиальной толщи интенсивность выноса веществ зависит, главным образом, от их дисперсности. В результате непосредственно под подстилкой формируется специфичный для этих почв горизонт A2hg, в который поступают темноокрашенные коллоидные гумусовые кислоты, почти лишенные ионов Са , Mg . В нижележащем отбеленном, горизонте A2 g насыщенность ионами Са , Mg почвенного поглощающего комплекса повышается и далее меняется постепенно. Физико-химические характеристики почвы представлены в таблице 1 и приложениях 2, 3. Почва имеет кислую реакцию среды и высокую гидролитическую кислотность, минеральная часть профиля обеднена обменными формами кальция и магния.
Oi 0-8 см. Светло-коричневый сфагновый слаборазложившийся торф с включением веток, коры, хвои, листьев, много корней, свежий. Переход между горизонтами постепенный.
Ог 8-12 см. Коричневый до темно-коричневого книзу, среднеразложившийсяг торф, переплетен корнями, в основании углистые остатки, влажный переход между горизонтами резкий.
A2hg 12-20 см. Бледно-коричневый с сизым оттенком, слоеватый, тиксотропный, леїтсосуглинистьгй крупнопьілеватьгй, слабоуплотненньш, влажный обычны ортштейны диаметром 1-3 мм, есть вертикальные трещины с коричневой гумусовой пленкой и пропиткой стенок; Корни имеют диаметр до 0.5 см.
A2 g 20-28 (30) см. Мозаичный: на сизо-сером фоне ржавые и ржаво-охристые пятна, занимающие до 30% горизонта бесструктурный, среднесуглинистый крупнопылеватый, плотньш, влажный тиксотропньш, пронизан вертикальными трещинами с коричневой гумусовой пропиткой стенок. Для горизонта обычны конкреции диаметром до 3 мм, их содержание выше на участках ржавого; цвета, присутствуют тонкие древесньїе корни. Переход- между горизонтами постепенный.
A2Mg 28(30)-37 см. Ржаво-палевьш с. сизыми прожилками, бесструктурный, плотный, легкий пылеватый, суглинок, обильные тонкие внутриагрегатные поры, много коричневых конкреций, корни хвоща. Переход между горизонтами постепенный. A2Bg 37-50 см. Мозаичный: состоит из сизых и бурых участков с ржавыми пятнами, комковато-мелкоореховатый среднесуглинистый, пористость значительно меньше, чем в гор. A2"g, много мелких конкреций, влажный, корни хвоща.
Big 50-78 см. Бурый с ржавыми, сизыми и охристыми пятнами, призматически-плитчатый, тяжелый крупнопылеватый суглинок, плотный, внутрипедная масса бурая, поверхности имеют красноватый оттенок, на гранях педов желтоватая пылеватая присыпка, корней нет, переход между горизонтами постепенный.
Микробиологическя активность почв
Микробное сообщество наиболее чутко реагирует на изменение почвенных условий: водного режима, нарушения состава почвенного поглощающего комплекса, уровня загрязнения токсикантами. Большинство работ по реакции МСО почвы на антропогенные воздействия проводят в лабораторных условиях на модельных системах. Типичной реакцией МСО являются нарушения соотношений бактериальных и мицелиальных форм, эколого-трофической и видовой структуры, рост фитотоксикоза почвы. Нарушение структуры МСО в условиях интенсивной антропогенной нагрузки может привести к изменению направленности круговорота биогенных элементов и утрате экологических функций почвы (Марфенина,1991; Гузев, 2001; Добровольский, 1990). В исследуемой почве нами были идентифицированы четыре физиологические группы почвенной микробиоты: аммонификаторы, микроорганизмы, использующие для своей жизнедеятельности минеральные формы азота (-NH2 и NH3), сахаролитики, и целлюлозолитики.
По данным численности физиологических групп почвенных микроорганизмов (табл. 5. ирис. 8) можно констатировать, что внесение бенз[а]пирена в почву вело к снижению численности микроорганизмов.
Загрязнение почвы бенз[а]пиреном в дозах 10-40 нг/г приводило к снижению сахаролитиков в 3.5-4.2 раза, целлюлозолитиков - в 2.6-4.3 раза, аммонификаторов - в 1.5-2.1 раза. Микроорганизмы наиболее чувствительны к низким дозам бенз[а]пиреновых нагрузок. Наиболее ярко эффект проявлялся при загрязнении почвы 10 нг/г бенз[а]пирена, в дальнейшем изменения проявлялись более плавно. По устойчивости к бенз[а]пирену почвенную микробиоту можно расположить в следующий убывающий ряд: микроорганизмы, использующие минеральные формы азота аммонификаторы целлюлозолитики сахаролитики. Сахаролитические, целлюлозолитические микроорганизмы и аммонификаторы были более чувствительны к воздействию бенз[а]пирена. Организмы, использующие минеральный азот, толерантны к загрязнению почв бенз[а]пиреном. Присутствие бенз[а]пирена в почве вело к изменению структуры и численности микробного сообщества.
Влияние бенз[а]пирена на численность физиологических групп микроорганизмов: А - целлюлозолитики, Б - сахоролитики, В - микроорганизмы, использующие минеральные формы азота, Г - аммонификаторы
Интенсивность процессов минерализации (рис.9) в почвах определяли по соотношению численности бактерий, потребляющих минеральные формы азота, к числу бактерий - минерализаторов, использующих органические соединения азота. (Мишустин, 1975).
Для всех вариантов эксперимента, за исключением загрязнения 40 нг/г. коэффициент минерализации был меньше 1, что свидетельствовало о заторможенности процесса разложения органического вещества в исходнойпочве. Коэффициент минерализации . возрастал с увеличением дозы бенз[а]пирена — происходила интенсификация процессов минерализации органического вещества. Установлено, что микроорганизмы способны разлагать как низкомолекулярные так и тяжелые 5,6-ядерные полиарены. Показано, что в результате микробилогических процессов в почве, могут образоваться сложные алкилированные полиарены (Шабад., 1979; Киреева и др., 2002, Zheng and Obbard, 2002; Кузнецов и др., 2006). Под воздействием микробных ферментов происходили сложные процессы изменения количественного соотношения ПАУ. Бенз[а]пирен, являлся своеобразным катализатором внутрипочвенных процессов минерализации, разрушаясь при этом и сам. Деструкция ПАУ микроорганизмами осуществляется последовательно, и начиналась с гидроксилирования только одного ароматического кольца. При низких дозах бенз[а]пирена в почве (10 нг/г) микроорганизмы были способны разложить органические вещества до легких полиаренов, прирост которых мы и наблюдали в почве (хризен). При высоких дозах бенз[а]пирена, в соответствии с правилом последовательного окисления, происходило накопление полиядерных веществ, в том числе и тяжелых ПАУ в почве. Возможно, этот процесс обусловлен явлением конденсации; частично окисленных углеводородов. Бенз[а]пирен окислялся в меньшей степени, чем при, более низких концентрациях.
В процессе разложения органических веществ могут учавствовать и микромицеты. Они синтезируют и выделяют во внешнюю среду разнообразные гидролитические ферменты, расщепляющие любые органические субстраты. Грибы, как и микроорганизмы, разлагают полиарены посредством последовательного гидроксилирования ароматических колец (рис. 10).
Накопление ПАУ в системе атмосферные осадки - почва - растения -лизиметрические воды
Растения напочвенного покрова бореальных лесов по стратегии минерального питания делятся на две группы: поглощающие из атмосферы — зеленые мхи, лишайники, и, приимущественно, из почвы - кустарнички, травянистые и древесные растения. Выбросы промышленными предприятиями различных поллютантов приводят к загрязнению атмосферных осадков, которые в виде снега, дождя, аэрозолей выпадают на подстилающую поверхность и аккумулируются в почвенном и растительном покрове (Лукина и др., 1998). Специфика древесных растений, связанная с их долговечностью, состоит в том, что защитные реакции на биохимическом, клеточном и организменном уровнях формируются под влиянием повторяющихся в течение длительного времени стрессов. Невозможно оперативно оценить степень нагрузки на растения только классическими дендрометрическими методами мониторинга, особенно при действии низких концентраций промышленных выбросов и отсутствии видимых повреждений. В этих случаях необходимы более глубокие исследования с использованием в качестве основных объектов, наряду с различными органами растений и ассимиляционного аппарата (Торлопова и др., 2003).
Накопление ПАУ в системе атмосферные осадки - почва - растения -лизиметрические воды позволяет расширить представления о закономерностях формирования полиаренов в системе почва-растения. На основании проведенных исследований установлено, что накопление ПАУ в лесном биоценозе происходило в результате осаждения их с атмосферными осадками на подстилающую поверхность, и зависело от миграционных характеристик ПАУ, разложения органического вещества почв в процессе почвообразования и потребления растительностью. Состав ПАУ атмосферных осадков, лизиметрических вод, органогенных горизонтов торфянисто-подзолисто-глееватой почвы и суммарная биоаккумуляция растительным сообществом в лесном биогеоценозе представлены в таблице 12.
Атмосферные осадки. Формирование состава полиаренов в системе почва-растения загрязненного участка было обусловлено выбросами сажевого завода (рис. 25). В газопылевых выбросах этого предприятия содержалось значительное количество легких полиароматических углеводородов, что определяло их повышенное содержание в атмосферных осадках и выпадение на подстилающую поверхность (38.0 мкг/м2). Выбросы содержали 5 структур ПАУ: фенантрен, антрацен, флуорантен, пирен и хризен.
Модули поступления ПАУ на подстилающую поверхность в зоне влияния сажевого завода превышали фоновые значение в 3,3 раза (приложение 15, 16). Анализ результатов осаждения ПАУ с атмосферными осадками на подстилающую поверхность (почвы) как фоновых, так и техногенных ландшафтов, показал наличие в осадках в основном легких 3-4-ядерных низкомолекулярных полиаренов, таких как фенантрен, флуорантен, пирен (рис. 26). Тяжелые ПАУ бенз[Ь]флуорантен, бенз[к]флуорантен, бенз[а]пирен, дибенз[а,п]антрацен, бенз[Ы]перилен, индено[1,2,3-сё]пирен в атмосферных осадках отсутствовали. Отсутствие тяжелых 5-6-ядерных ПАУ в осадках указьшало на их почвенное происхождение. Состав ПАУ осадков фоновых территорий на 66% был представлен фенантреном, в аэротехногенных ландшафтах увеличивается массовая доля флуорантена и пирена с 28 до 56 %. Однако, сопоставляя количественно идентифицированные легкие ПАУ в системе атмосферные осадки - почва, следует констатировать, что прирост полиаренов в органогенных горизонтах почв за счет низкомолекулярных углеводородов, содержащихся в осадках, был незначителен и составлял 1.7-2.1%
Состав ПАУ снежного покрова аэротехногенно загрязненной территории: 1 -фенантрен, 2 - флуорантен, 3 - пирен, 4 - антрацен, хризен, бенз[а]антрацен
Лизиметрические воды. Миграция ПАУ с лизиметрическими водами из органогенных и минеральных горизонтов фоновых и техногенных почв происходила, в основном, в виде низкомолекулярных, наиболее растворимых, полиароматических соединений (фенантрен, флуорантен, пирен). Тяжелые ПАУ в лизиметрических водах либо отсутствовали, либо их содержание находилось на «следовом» уровне. В целом массовая доля полиаренов, вымывающихся из органогенных горизонтов, была незначительна и составляла 0.4-0.9 % от общих запасов в данном горизонте. Тяжелые углеводороды, имеющие низкую растворимость, в лизиметрических водах из горизонтов А2В отсутствовали (приложение 17, 18).
Почвы. Общая массовая доля полиаренов в фоновых почвах органогенных горизонтов составляла 471 мкг/м2, в том числе легких 311 мкг/м2 (65.8 %), причем низкомолекулярные ПАУ были представлены, главным образом, фенантреном и флуорантеном. В аэротехногенных почвах общая массовая доля ПАУ достигала 1493 мкг/м2, из них и 917 мкг/м2 приходилось на низкомоллекулярные ПАУ, в основном фенантрен, флуорантен и пирен (табл. 12, приложение 19): В количественном аспекте был достоверно зафиксирован прирост полиаренов в почве за счет атмосферных осадков только по фенатрену. Учитывая, что общие запасы ПАУ в почве значительно превышают их поступление с атмосферными осадками, следует констатировать, что образование как легких, так и тяжелых полиаренов, главным образом, результат почвообразования. Присутствие фенантрена в осадках могло быть обусловлено не только техногенным привносом, но и смыванием его с поверхности растительного покрова. Растения. Анализ растительных образцов в импактной зоне сажевого завода позволил выявить, что суммарная массовая доля полиаренов возле точечного источника эмиссии значительно превышает естественно обусловленные параметры фоновых ландшафтов (рис.27). Наибольшие кратности превышения в биоаккумуляции ПАУ в импактной зоне над фоновыми значениями наблюдали для Vaccinium myrtillus и Picea obovata. Эти виды растений накапливают практически все полиарены, за исключением тяжелых. В Vaccinium myrtillus преимущественное накопление ПАУ отмечали в листьях растений, а для Pwea obovata в стеблях. Минимальное содержание полиаренов на обоих участках бьшо характерно для мха Rhitidiadelphus triquietrus (приложение 20, 21, 22, 23). Наименьшим накоплениием ПАУ в условиях техногенеза отличался мох Hylocomium splendens. Суммарное содержание ПАУ в растениях разных видов импактной зоны: 1 -Rhitidiadelphus triquietrus, 2 - Hylocomium splendens, 3 - Vaccinium vitis-idaea, 4 - Vaccinium myrtillus, 5 - Sorbus aucuparia, 6 - Betula pendula, 7 - Picea obovata
ПАУ в растениях были представлены в основном легкими низкомолекулярными полиаренами - фенатреном, флуорантеном, и пиреном: их массовая доля в фоновых ландшафтах составляла 82%, в техногенных - 80%. Аналогичные данные получены и другими исследователями (Meudec et al., 2006). Основной вклад в суммарное содержание ПАУ растений, как и в модельном эксперименте, вносил фенантрен. На фоновом участке его присутствие в растениях можно объяснить синтезом из стеринов и абиетиновой кислоты в самом растении. На загрязненном участке часть фенантрена, возможно, поглощалась растениями из почвы. Общий прирост накопления ПАУ в растениях в результате техногенеза составил 140 мкг/м . Из общего прироста ПАУ в результате техногенеза 48 % приходилось на фенантрен, 32 % на флуорантен и пирен.
Наибольшая массовая доля ПАУ в растениях смешанного елово-березового леса северной тайги была идентифицирована в Picea obovata (приложение 24, рис. 28), которая составляла основную фитомассу данного ландшафта. Ее вклад в потребление ПАУ на был порядок выше, чем биоаккумуляция в исследуемых кустарничках и Betula pendula, наименьшая доля приходилась на Sorbus aucuparia и мох Rhytidiadelphus triquetrus.
