Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ литературных данных 7
1.1. Современные представления о почвенной биоииндикации 7
1.2. Дождевые черви как биоиндикаторы загрязненных почв. 14
ГЛАВА 2. Объекты и методы исследований 31
2.1. Общий обзор семейства Lumbricidae 31
2.2. Обзор фауны дождевых червей бореальных лесов России
2.3. Схема проведения исследований 41
2.4. Характеристика растительности и почвенного покрова 49 Томского района
ГЛАВА 3. Результаты исследований 53
3.1. Результаты лабораторных исследований 53
3.2. Результаты нолевых исследований 62
3.2.1. Результаты полевых исследований на 3-й день по еле внесения загрязнителей
3.2.2. Результаты нолевых исследований на 10-й день после внесения загрязнителей
3.2.3. Результаты полевых исследований на 30-й день после внесения загрязнителей
3.2.4. Результаты полевых исследований на 90-й день после внесения загрязнителей
ГЛАВА 4. Анализ и обсуждение результатов исследования 111
4.1. Обсуждение результатов лабораторных исследований... 111
4.2. Обсуждение результатов полевых исследований 118
Выводы 134
Список литературы 136
Приложения
- Современные представления о почвенной биоииндикации
- Обзор фауны дождевых червей бореальных лесов России
- Результаты полевых исследований на 3-й день по еле внесения загрязнителей
Введение к работе
Актуальность проблемы. Загрязнение почвы нефтью и нефтепродуктами, являющееся одним из наиболее распространённых загрязнителей окружающей среды антропогенного происхождения, в настоящее время изучено недостаточно. В процессе нефтедобычи на месторождениях, а также при транспортировке нефти неизбежно происходят разливы нефти, ведущие к нарушению экологического равновесия, проявляющиеся в изменении структуры биоценозов, интенсивности и направленности почвообразующих процессов и приносящие несомненный урон природным экосистемам (Волостнов, 1998; Dorn et al, 1998). Проблемы экологии почвообитающих беспозвоночных в антропогенных экосистемах, исследование механизмов их функционирования является предметом обсуждения экологов и зоологов (Атлавините, 1975; Гиляров, 1975; Перель, 1979; Покаржевский, 1994; Криволуцкий, 1994; Dominguez, Edwards, 1997; Davies et al, 2003). Вместе с тем, роль отдельных групп животных и структура их комплексов в условиях антропогенной нагрузки на экосистемы изучена недостаточно.
Биоиндикационные методы оценки состояния природной среды широко используются в современных экологических исследованиях (Holmstrup, 2000). Одной из многочисленных и представленных во всех биогеоценозах групп почвообитающих животных - биоиндикаторов являются дождевые черви (Langdon et al, 1999). По количеству дождевых червей и их состоянию можно судить о степени загрязнения почв. Актуальность изучения роли дождевых червей как биоиндикаторов территорий, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, определяется в первую очередь тем, что эти факторы вызывают ответную реакцию животных. Данные реакции зависят не только от длительности загрязнения, но и от дозы загрязнителя. Исследованию влияния загрязнения почв нефтью на дождевых червей посвящены работы И.М. Порядиной с соавторами (1981), И.В. Любвиной с соавторами (1982),
4 Г.П. Ромашок с соавторами (1982), Т. И. Артемьевой (1989), Saterbak et al (1999), Dorn, Salanitro (2000) и ряда других ученых. В тоже время в научных публикациях практически отсутствуют данные о влиянии нефтепродуктов (бензина и дизельного топлива) на дождевых червей. Актуальность и недостаточная изученность данных проблем послужила предпосылкой для настоящего исследования.
Цель работы: исследовать влияние загрязнения почвы нефтью, бензином и дизельным топливом на дождевых червей.
В соответствии с целью работы определены задачи исследовании:
Исследовать поведенческие реакции дождевых червей под влиянием нефти, бензина и дизельного топлива (далее нефтепродукты).
Изучить выживаемость дождевых червей в зависимости от вида и дозы вносимых нефтепродуктов.
Основные положения, выносимые на защиту.
Комплекс поведенческих реакций дождевых червей при загрязнении почвы нефтепродуктами, зависит от вида и дозы загрязнителя, продолжительности загрязнения и вида дождевых червей. При равных дозах внесения бензин оказывает большее влияние на смертность дождевых червей, чем дизельное топливо и нефть.
Выживаемость и восстановление численности дождевых червей на почвах, загрязненных нефтепродуктами, зависит от вида и остаточной концентрации нефтепродуктов и вида дождевых червей.
Новизна работы.
1. Впервые проведены исследования по влиянию бензина и дизельного топлива на виды дождевых червей, широко распространенных в естественных условиях Западной Сибири.
Изучены поведенческие реакции дождевых червей при загрязнении почвы нефтью, бензином и дизельным топливом.
Установлены интервалы остаточной концентрации нефтепродуктов в почве, при которых начинается восстановление численности дождевых червей.
Выявлена зависимость между загрязнением почвы нефтепродуктами (бензином, дизельным топливом, нефтью) и изменением формы ядер амебоцитов в гемолимфе дождевых червей.
Определен дозо - зависимый и дозо - временной эффект влияния нефтепродуктов на смертность дождевых червей.
Практическая значимость.
Результаты исследований могут быть использованы при разработке региональных нормативов допустимого остаточного содержания нефти и нефтепродуктов в почве (ДОСНП) для оценки степени загрязнения и ремедиации (рекультивации) земель, подвергшихся углеводородному загрязнению.
Усовершенствованная методика почвенно-токсикологических исследований влияния углеводородов нефти и нефтепродуктов на дождевых червей применима в комплексных экотоксикологических исследованиях с использованием других групп макро - и мезопедобионтов.
6. Изучить выживаемость дождевых червей в зависимости от вида и дозы вей.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на Межрегиональной научно-технической конференции «Научная сессия ТУСУР» (Томск, 2002), на Региональной конференции молодых ученых и специалистов «Современные подходы к управлению охраной окружающей среды» (Томск, 2003), на Ш-й международной научно-практической конференции «Состояние биосферы и здоровье людей» (Пенза, 2003), на Международной научно-практической конференции «Мониторинг и оценка состояния растительного покрова» (Минск, 2003), на 4-й международной конференции молодых ученых, преподавателей, аспирантов и докторантов «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2003), на Н-й международной научной конференции «Биоразнообразие и роль зооценоза в естественных и антропогенных экосистемах» (Днепропетровск, 2003) на 24-й ежегодной международной конференции Общества химии окружающей среды и экотоксикологии SETAC (Остин, США, 2003).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ.
Структура и объем работы. Диссертация общим объемом 150 страниц состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы. Работа содержит 22 рисунка, 60 таблиц и 3 приложения. Список литературы включает 221 источник, в том числе 47 иностранных.
Благодарности. Автор выражает искреннюю глубокую благодарность своему научному руководителю — профессору ТУСУРа доктору биологических наук, Александру Георгиевичу Карташеву за консультации по всем разделам работы, помощь в планировании работы и аналитическом осмыслении материала. Автор искренне признателен доктору биологических наук, зав. кафедрой биологии и генетики СГМУ Николаю Николаевичу Ильинских за высококвалифицированные консультации по вопросам цитологии, а также за предоставление лабораторий для проведения работ по гемолимфе дождевых червей. Автор выражает искреннюю благодарность кафедре почвоведения и экологии почв, а также кафедре ботаники ТГУ, в лице Андреевой Т.А и Коневой В.В.
Современные представления о почвенной биоииндикации
Всесторонний контроль за состоянием окружающей человека среды, является одной из актуальных задач для всех стран. В России, разработке методологии и совершенствованию средств экологического мониторинга уделяется постоянное внимание (Иоганзен и др., 1979; Израэль, 1984; Алексеев и др., 2000; Gibbs et al, 1996). Одним из путей решения этой задачи, является широкое применение на практике методов биоиндикации, биомониторинга и биотестирования. Связано это с тем, что окружающая среда представляет собой совокупность иерархически организованных биосистем различного ранга. Техногенные потоки вещества и энергии, поступая в биосистемы, включаются в разные циклы миграции, природные круговороты, подвергаются процессам вторичного рассеяния и аккумуляции в соответствии с ландшафтно-геохимическими процессами данной территории (Гиляров, 1965).
Почва как среда, которая аккумулирует все загрязнения, представляется особенно важным объектом биомониторинга. Она сорбирует тяжелые металлы и радионуклиды и заслуженно называется "экологическим щитом биосферы" (Гончарук, Сидоренко, 1986; Spurgeon, Hopkin, 1999). Одним из важных вопросов изучения техногенного воздействия на почву является выработка объективных критериев, по которым можно судить о степени антропогенных воздействий и их отдаленных последствии. Это связанно с тем, что с одной стороны, антропогенные изменения и загрязнение ландшафта и природных условий воздействуют на живые существа аналогично естественным факторам, а с другой - большая часть природных факторов антропогенно изменена. В этой связи привлекает интерес три основных направления: экологическое нормирование (Глазовская, 1984; Криволуцкий и Федоров, 1984; Криволуцкий и др., 1986; Тихомиров, 1984; Тихомиров, Розанов, 1985; Адам, 2003), экологическая емкость территории, определяемая двумя направлениями, что и с какой скоростью можно взять из данной территории, а также что и с какой скоростью привносить без ухудшения ее экологического состояния (Плеханов, 2002), и биоиндикация (Гиляров, 1965; Карташев, 1999). Одним из перспективных направлений, которое успешно развивается в последнее время, является биоиндикация (Holmstrup, 2000). При этом в последнее время большое внимание уделяется воздействию фактора среды на биологические системы. Речь идет преимущественно об оценке присутствия, концентрации или интенсивности какого-то фактора среды и его влияние на биологические системы. Антропогенные воздействия, с одной стороны, представляют собой новые элементы среды, с другой - вызывают антропогенную модификацию уже существующих природных факторов и тем самым приводящих к изменению свойств биологической системы (Шуберт, 1988). Известно большое число примеров прямых антропогенных, а также опосредованных человеком воздействий окружающей среды на почву, способствующих ее загрязнению (Криволуцкий, 1970; Жулидов, Емец, 1979; Хотько и др., 1982; Мелецис, 1985а,б; Kozak, Boruvka, 1998; Skrybykina, 1998; Charrois et al, 2001). Будучи частью всех наземных экосистем, почва активно участвует во многих важных процессах преобразования веществ. Когда происходят изменения длительное время державшихся на одном уровне факторов окружающей среды или вступают в действие совершенно новые экологические факторы, влияющие на почву (Шуберт, 1988), могут возникнуть нагрузки, которые нанесут вред почвенным организмам или даже изменят систему взаимоотношений между ними (Butovsky et al, 1998). Загрязнение почвы вызывается различными по масштабу и по территориальному размаху явлениями, поэтому при их определении и оценке с помощью биоиндикаторов используют различные способы (Артемьева, 1975; Алейникова, 1976; Вшивцев и др., 1985; Криволуцкий и др., 1986; Криволуцкий, 1994; Babenko, 1998; Максимова, 2000; Lowe, Butt, 2002).
Отмечалось, что все живые объекты — открытые системы, через которые идет поток энергии и круговорот веществ, все они в той или иной мере пригодны для целей биоиндикации (Криволуцкий, 1994). Многолетние опыты контроля за состоянием окружающей среды, проведенные Российскими и зарубежными ученными, показывают те преимущества, которыми обладают виды-биоиндикаторы (Strojan, 1978; Криволуцкий, 1978, 1983; Шуберт, 1988; Marino et al, 1993; De Coen et al, 1998;Ventis et al, 1999; Мисюра и др., 1999; Бабенко, 2000). В условиях антропогенных нагрузок они могут реагировать даже на относительно слабые нагрузки вследствие эффекта кумуляции дозы, эти реакции проявляются при накоплении некоторых критических значений суммарных дозовых нагрузок и отражают состояние окружающей среды в целом, включая ее загрязнение и другие антропогенные изменения. Фиксируют скорость происходящих в окружающей среде изменений, указывают пути и места скопления в экологических системах различного рода загрязнений, позволяют судить о степени вредности любых синтезируемых веществ для живой природы и для человека, причем дают возможность контролировать их действие (Плеханов и др, 2000; Покаржевский и др., 2000; Яковлев, 2000).
Экологический мониторинг на основе биометодов наблюдения играет важную роль при внедрении экосистемного подхода. Для выполнения такого мониторинга необходимо определить виды-индикаторы. Организмы, которые могут претендовать на эту роль, должны быть широко распространены в данной экосистеме (Криволуцкий, 1994), легко собираться и оцениваться в плане биомассы, иметь местный характер и поддерживать себя посредством естественного воспроизводства, непосредственно взаимодействовать со многими компонентами своей экосистемы, иметь хорологическую характеристику, демонстрировать постепенную реакцию на разнообразные антропогенные стрессы, служить средством диагностики конкретных стрессов из большого их многообразия, реагировать на стрессы так, чтобы можно было обнаружить и определить это количественно, быть видами, пригодными для лабораторных исследований, а также способными указать на такие аспекты качества экосистемы, которые не отражаются другими показателями (Артемьева, 1975; Алейникова, 1976; Криволуцкий, 1983; Шуберт, 1988).
Обзор фауны дождевых червей бореальных лесов России
Дождевые черви (земляные черви), несомненно, самая известная группа почвенных животных. Численность их во всех влажных биотопах умеренной полосы велика, а по биомассе они всегда занимают одно из первых мест.
Дождевые черви относятся к типу кольчатые черви (Annelida) который открывает в системе животных высший уровень организации - целомических животных (подраздел Coelomata), для которых характерны метамерность строения и наличие целома, или вторичной полости тела. В организации кольчатых червей прослеживаются прогрессивные черты организации целомических животных: наличие целома, метамерность строения, появление кровеносной системы, выделительная система типа метанефридиев, более высокоорганизованная нервная система и органы чувств чем у низших червей плоских и круглых (Догель, 1981).
Малощетинковые черви - обитатели пресных вод и почвы, единично встречающихся в морях. Известно более 5000 видов. Отличительными особенностями внешнего строения малощетинковых червей являются гомономная сегментация тела, отсутствие параподий, наличие железистого пояска в передней трети тела у половозрелых особей. Головной отдел у них не выражен. По бокам тела расположены щетинки, обычно по четыре пары пучков на каждом сегменте. Такое упрощение внешнего строения связано с адаптациями к роющему образу жизни (Шарова И.Х., 1999).
В фауне Палеарктики, к которой целиком относится территория бывшего СССР, насчитывается около 220 видов, а в России - около 100 видов дождевых червей, 11 из которых были занесены в Красную книгу СССР (Большая советская энциклопедия, Т. 15, 1976). 19 видов червей палеоаркти-ческой фауны человек расселил по всей Земле, обычно завозя их в другие страны с почвой посадочных материалов культурных растений (Большая советская энциклопедия, Т.24, 1976).
На территории России дождевые черви представлены главным образом видами семейства люмбрицид {Lumbricidae Claus). Однако учеными выделяется еще четыре семейства распространенные на территории России. К ним относятся: Moniligastridae Claus, Criodrilidae Vejdovsky, Ocnerodrilidae Bed-dard, Megescolecidae Michaelsen. Видовой состав данных семейств насчитывает 6 видов (Перель, 1979). Это преимущественно крупные виды, входящие в состав группы «макрофауна» (Martin, 1992). Ранее эта группа почвенных беспозвоночных, учитываемых методом ручной разборки, была объединена термином «мезофауна» (Гиляров, 1965).
Все дождевые черви - истинные геобионты. Многие выходят на поверхность почвы только ночью. В сырую погоду и особенно после дождя, когда их норки заливаются водой, они и днем в массовом количестве выползают на поверхность, за что и получили народное название «выползков» (Браунер, 1923).
Люмбрициды составляют три экологические группы: поверхностно — живущие (подстилочные), почвенно-подстилочные и норники, прокладывающие глубокие ходы, которые они редко покидают. Виды двух последних групп взаимно заменяют друг друга в зональных почвах: почвенно-подстилочные заходят далеко на север, населяя заболоченные почвы тайги, а норники обитают в районах со средиземноморским климатом (Перель, 1979).
К подстилочным видам можно отнести, например: Dendrobaena octaedra S., Lumbricus costaucus S., Allolobophora eiscni L. — наиболее мелкие, размеры их не нревыгают 6,5 см. Известны виды длиной 2-3 см. и толщиной около 1мм. Обитатель гумусового горизонта Lumbricus rubellus Н. крупнее (до 13 см.), а норники, например Lumbricus terrestris L., достигают 25см. и более. Самые крупные дождевые черви в почвах бывшего СССР встречаются в гор 33 ных районах - на Алтае и в Крыму. Размеры их до 40 и 45 см., а ходы проникают на глубину 4-5 м., в редких случаях даже до 8м. (Всеволодова - Перель, 1997) Самый распространенный вид-Nicodrilus caliginosus S. живет обычно в распаханных почвах, и поэтому его народное название — пашенный червь. Он серой окраски и имеет размеры около 15см. Этот червь редко выползает на поверхность почвы, а живет на глубине 10-15 см., где питается перегнившими остатками корней и гумусом; в сухую погоду мигрирует глубже, до полуметра и более, там строит капсулу и временно впадает в спячку (диапауза). В благоприятные периоды численность его достигает 400-500 экз./м2 (Гиляров, Криволуцкий, 1985). Для навозных и компостных куч характерен ещё один вид земляных червей - Eisenia foetida S. Первоначально обитал в лесной подстилке и не может существовать на обрабатываемых землях. Отличается наиболее яркой красной окраской в виде полосок и неприятным запахом. Этот вид имеет короткий цикл развития и размножается в кучах компоста и в парниках почти круглый год без диапауз. Численность его достигает 1000 особей и более на 1 м2 при средних размерах около 8 см. в длину (Атлавините, 1975).
Распределение различных видов по глубине в почвах сельскохозяйственных угодий легче всего понять по их распределению в лесных почвах. В частности, в растительных остатках обитают L. rubellus #., L. castaneus и D. octaedra S., как типичные потребители гумуса. Эти виды плохо выживают в почвах сенокосов и пастбищ, но если на пастбищах они находят достаточно экскрементов животных, они охотно концентрируются под ними; на пашне они встречаются еще реже или вовсе отсутствуют. Из червей, обитающих собственно в почве, Allobophora chlorotica S. и Allobophora (S) tuberosa S. как в лесах, так и на лугах предпочитают верхние слои почвы, Allobophora са-liginosa S. - средние слои, a Allobophora longa S. могут уходить на глубину 1 -2 м. Однако и Octolssium суапеит S. и A. Caliginosa S. также могут проделывать свои ходы до подпочвы (Перель, 1979). На пашне при вспашке верхний и средний слои перемешиваются. Горизонтальное распределение червей мо 34 жет быть очень неравномерным. Оно зависит от влажности и температуры почвы, растительного покрова и плотности популяции отдельных видов (Ги-ляров, Криволуцкий, 1985).
Если даже число особей не очень показательно, тем более, что между видами и между особями разного возраста в пределах одного вида имеются очень большие различия в размерах, то все же оно позволяет составить известное представление о количествах червей в почве. На сенокосах и пастбищах насчитывают 5-12 млн. дождевых червей на 1 гектар (крайние значения - от 1 до 200 млн.). На пашне в умеренном климате имеется в среднем 1-4 млн. червей на 1 гектар (причем минимум равен 100 тысячам, а максимум — 19млн.). Более удобным критерием является биомасса червей, которая на лугах составляет 1000-4000 кг/га. В среднем она равна весу крупного рогатого скота, пасущегося на равной площади при нагрузке пастбища Зголовы на 1га и с суммарным весом коров 2000кг. На пашне биомасса червей колеблется в пределах 50-500 кг/га; однако как на лугах, так и на пашне отмечали значительно больший вес червей (Тишлер, 1971).
Результаты полевых исследований на 3-й день по еле внесения загрязнителей
При проведении полевых работ на 3-й день после внесения нефти и нефтепродуктов (бензина А-80 и дизельного топлива (летнего типа)) в почве, на всех участках загрязненных нефтью и нефтепродуктами живых дождевых червей не обнаружено. На участках загрязненных нефтепродуктами (бензином А-80 и дизельным топливом (летнего типа)) обнаружены разлагающиеся черви (таблица 3.11).
Количество разлагающихся червей на участках с внесением нефти и нефте продуктов различной концентрации на 3-й день после загрязнителей
При загрязнении бензином количество разлагающихся червей было мак-симальным при внесении 4.0 кг/м и составило 198 экземпляров (97.5 % от количества живых дождевых червей на контрольном участке), минимальным при внесении 0.5 кг/м и составило 118 экземпляров (58.1 % от количества живых дождевых червей на контрольном участке). При загрязнении почвы дизельным топливом количество разлагающихся червей было максималь-ным при внесении 4.0 кг/м и составило 153 экземпляров (75.4 % от количества живых дождевых червей на контрольном участке), минимальным при внесении 0.5 кг/м2 и составило 90 экземпляров (44.3 % от количества живых дождевых червей на контрольном участке). На участках загрязненных нефтью разлагающихся дождевых червей не обнаружено.
Эти данные свидетельствуют о прямой зависимости между концентрацией вносимых нефтепродуктов и смертностью дождевых червей на загрязненных участках в первые дни после внесения нефтепродуктов.
Следовательно, различные виды нефтепродуктов влияют на смертность дождевых червей различно.
Количество коконов дождевых червей производился на загрязненном участке, на границе загрязнения, на удалении 1-го метра от загрязнения и контрольном участке. Данные, полученные при учете коконов на 3-й день после внесения загрязнений, показан в таблице 3.12. Максимальное количество коконов было обнаружено на границе с участком загрязнения бензином 2.0 кг/м и составило 475 экземпляров (121.2 % от количества коконов на контрольном участке), минимальное на границе с участком загрязнения бензином 4.0 кг/м2 и составило 173 экземпляров (44.1 % от количества коконов на контрольном участке). На границах с участками загрязненными бензином с дозой внесения 2.0, 1.0, 0.5 кг/м , дизельным топливом с дозой внесения 4.0, 2.0 кг/м2, нефтью 5.0 кг/м2 наблюдается увеличение количества коконов по сравнению с загрязненным и участком находящемся на удалении 1 метр. В остальных случаях подобной картины не наблюдается. При сравнении участков загрязненных бензином и дизельным топливом и участков находящихся на удалении 1 метр от них существенных различий в количестве коконов не наблюдается. Таблица 3.12 65
Рассматривая участки загрязненные нефтью дозой внесения 15.0, 10.0, 5.0 кг/м и участки находящихся на удалении 1 метр от них наблюдаем достоверную зависимость увеличения количества коконов на участке находящемся на удалении 1 метр (таблица 3.12).
При сравнении контрольного участка и участков, находящихся на удалении 1 метр от загрязненных нефтью, бензином и дизельным топливом, существенных различий в общем количестве живых червей не выявлено (таблица 3.13). Сравнивая границу участка, загрязненного нефтью и нефтепродуктами, с контролем наблюдаем достоверную зависимость увеличения общего количества живых червей на границе с загрязнением. На границе с участком загрязненным бензином общее количество живых червей максимально при внесении 0.5 кг/м2 и составило 293 экземпляра (144.3 % от количества живых дождевых червей на контрольном участке), минимально при внесении 2.0 кг/м2 и составило 262 экземпляра (129.1 % от количества живых дождевых червей на контрольном участке). Аналогичные результаты были получены на границе с участком загрязненным дизельным топливом общее количество живых червей максимально при внесении 0.5 кг/м и составило 342 экземпляра (168.5 % от количества живых дождевых червей на контрольном участке), минимально при внесении 2.0 кг/м и составило 273 экземпляра (134.5 % от количества живых дождевых червей на контрольном участке). На границе с участком загрязненным нефтью общее количество живых червей максимально при внесении 15 кг/м и составило 338 экземпляра (166.5 % от количества живых дождевых червей на контрольном участке), минимально при внесении 5.0 кг/м2 и составило 303 экземпляра (149.3 % от количества живых дождевых червей на контрольном участке).
Представленные в таблице 3.13 данные показывают, что дождевые черви, подвергшиеся воздействию загрязнителей (на участках загрязнения) в первые 3 дня уходят на границу с загрязнением и их общее количество значительно превышает общее количество червей в контроле.
