Введение к работе
Актуальность проблемы.
Мурманская область является одним из наиболее промышленно-развитых регионов Севера России. Функционирование горнодобывающего и горно-перерабатывающего производства привело к накоплению в окружающей среде большого количества отходов, в частности так называемых нефелиновых песков. Они представляют собой промышленные отходы апатитонефелиновых обогатительных фабрик ОАО «Апатит», находящихся вблизи городов Апатиты и Кировск, и состоят в основном из нефелина (более 50% массы) и сопутствующих ему минералов. Площадь нефелинсодержащих хвостохранилищ составляет в настоящее время около 3 тыс. га.
Открытые песчаные пространства действующих и отработанных хвостохранилищ представляют собой источник значительного запыления окружающих территорий, поскольку на них широко развиты эрозионные процессы. В 1996-1997 гг. в Мурманской области и на прилегающих территориях Финляндии и Норвегии ОАО «Центрально-Кольской экспедицией» совместно с геологическими службами Норвегии и Финляндии были проведены полевые работы по опробованию мхов и почв на содержание элементов А1, La, Sr, Be, Th, U и Y (мультипликативный показатель), источником распространения которых является пыль как промышленного происхождения, так и природного (пыление нарушенных эрозией почв). Наиболее контрастная аномалия этих элементов картируется вокруг Кировска и Апатитов (Доклад государственного комитета..., 2000).
С другой стороны хвостохранилища могут рассматриваться как техногенные месторождения: отходы обогащения содержат не только не доизв леченный апатит, но и являются сырьем для производства глинозема, из которого можно получать алюминий, поташ и соду. Поэтому нефелиновые пески должны быть сохранены до внедрения новых технологий их вторичной переработки.
Наиболее радикальным методом закрепления пылящих поверхностей является биологическая рекультивация (фитомелиорация) путем создания растительного покрова. В результате на поверхности промышленных отвалов создается фитоценоз того или иного состава и зрелости, происходит активизация биологических, биохимических и химических процессов, и со временем образуется почва. В основе многих элементарных процессов почвообразования лежит биохимическая деятельность микроорганизмов. К таким процессам относятся: разложение растительного опада, образование гумусовых веществ, разложение гумуса, деструкция минералов почвообразующей породы и новообразование минералов (Аристовская, 1980). Поэтому исследование микробиологической активности нефелиновых песков, оказывающей решающее влияние на интенсивность и направленность процессов почвообразования, представляет фундаментальный интерес.
В сравнительном аспекте выполнено подобное исследование на приморской песчаной равнине в районе с. Кузомень (Терский берег Белого моря), где на площади около 2 тыс. га полностью разрушены растительный и почвенный покровы. Причина опустынивания этой территории связана с комплексом неблагоприятных факторов природного характера (вихревые потоки воздуха, ураганные ветры, легкость механического состава грунтов) и интенсивной антропогенной нагрузкой (выпас скота, пожары и рубки леса).
Целью работы явилось изучение биологической активности (микробиологической и ферментативной) новообразованных почв антропогенно-измененных ландшафтов.
Для достижения поставленной цели решали следующие задачи:
Исследование динамики численности и биомассы бактерий, микроскопических грибов, эколого-трофической структуры сообществ в рекультивированных и не подвергнутых рекультивации песках.
Изучение таксономического разнообразие микроорганизмов, населяющих техногенные и природные пески.
Определение активности ферментов в новообразованных почвах антропогенно-измененных ландшафтов.
Сравнительный анализ интенсивности протекания процессов почвообразования по показателям биологической активности на таких материнских породах, как нефелинсодержащие пески и природные морские пески.
Оценка изменения физико-химических свойств техногенных и природных песчаных субстратов под воздействием процессов первичного почвообразования.
Научная новизна
Впервые детально изучены биологические процессы при первичном почвообразовании на нефелинсодержащих отходах обогащения апатит-нефелиновой руды и на природных песках морского происхождения по показателям биологической активности: численности жизнеспособных микроорганизмов различных трофических групп, общей численности бактерий, длине грибного мицелия, микробной биомассе и ферментативной активности.
Исследованы видовой состав и структура сообществ микроскопических грибов в нефелиновых и природных морских песках. Выделены доминирующие виды бактерий, проведена их идентификация методом сравнительного анализа нуклеотидных последовательностей генов, кодирующих 16S рРНК.
Дана сравнительная оценка техногенных и нарушенных природных ландшафтов с точки зрения их пригодности к рекультивации и эффективности рекультивационных работ.
Практическая значимость
Выявлены наиболее чувствительные биологические показатели интенсивности почвообразовательных процессов на песчаных субстратах техногенного и природного происхождения. К ним относятся численность жизнеспособных клеток бактерий, активность ферментов инвертазы и уреазы.
На основании полученных результатов можно сделать выводы об эффективности проводимой биологической рекультивации техногенных и природных песков и рассмотреть необходимость принятия дополнительных мер по ее интенсификации.
Защищаемые положения
Нерекультивированные песчаные пространства хвостохранилищ обогатительных фабрик и природных морских песков характеризуются очень слабой интенсивностью микробиологических и биохимических процессов и, следовательно, практически полным отсутствием очевидных почвообразовательных процессов.
Фитомелиорация техногенных и природных песков способствует значительному росту их биологической активности. Наиболее значимыми показателями интенсивности почвообразовательного процесса в песчаном субстрате являются численность жизнеспособных бактерий и активность ферментов инвертазы и уреазы.
Нефелинсодержащие отходы обогащения более пригодны для рекультивации, чем природные морские пески, благодаря большим запасам биогенных элементов, входящих в их состав и обладающих высокой подвижностью. Первичная почва, сформировавшиеся на нефелиновых песках, характеризуется большей мощностью органогенного горизонта, имеет более высокие показатели численности и биомассы
микроорганизмов и ферментативной активности, чем почва, сформировавшаяся на песках морского происхождения.
Апробация работы. Основные результаты исследований были доложены и получили положительную оценку:
- на конференциях Международного статуса - «Экологические функции лесных
почв в естественных и антропогенно - нарушенных ландшафтах» (Петрозаводск, 6-10
сентября 2005 г.); «Современные экологические проблемы Севера (к 100-летию со дня
рождения О.И. Семенова-Тян-Шанского)» (Апатиты, 10-12 октября 2006 г.);
«Современные проблемы загрязнения почв» (Москва, 28 мая - 1 июня 2007 г.);
«Микроорганизмы и биосфера» (Москва, 19-20 ноября 2007 г.).
- на Всероссийских конференциях - «Экотоксикология: современные
биоаналитические системы, методы и технологии» (Пущино, 28 октября - 3 ноября 2006
г.); X Докучаевские молодежные чтения «Почвы и техногенез» (Санкт-Петербург, 1-3
марта 2007 г.); XI Докучаевские молодежные чтения «Почва как носитель плодородия»
(Санкт-Петербург, 26 февраля - 1 марта 2008 г.); «Экологические проблемы северных
регионов и пути их решения» (Апатиты, 14-16 октября 2008 г.).
- на региональных конференциях - «Состояние и перспективы развития
промышленного комплекса на Кольском Севере (экологические, технологические и
экономические аспекты)» (Апатиты, 21-24 ноября, 2005 г.); «Сбалансированное
природопользование. Глубокая переработка минеральных ресурсов» (Апатиты, 6-8
ноября 2007 г.); XI научная конференция ББС МГУ, посвященная 70-летию биостанции
(ББС МГУ, 8-Ю августа 2008 г.).
Работа выполнена в рамках темы НИР: «Микробиологические процессы в системе добычи и переработки апатит-нефелиновых руд и хранения производственных отходов», № гос. регистрации 0120.0501085 (2005-2007 гг.). Исследования поддержаны Программой фундаментальных исследований Президиума РАН «Биоразнообразие и динамика генофондов» и Программой фундаментальных исследований Отделения наук о Земле ОНЗ-9.
По теме диссертационной работы опубликовано 18 печатных работ, в том числе 4 статьи в рецензируемых центральных журналах из списка ВАК и 1 монография.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 129 страницах машинописного текста и состоит из введения, обзора литературы, главы по факторам почвообразования, пяти экспериментальных глав, выводов. Работа иллюстрирована 33 рисунками и 49 таблицами. Список литературы включает 165 источников, в том числе 11 - на иностранных языках.
Благодарности. Выражаю глубокую благодарность Г.А. Евдокимовой за постоянную помощь, идеи и консультации по теме диссертации и организацию полевых исследований; В.Н. Переверзеву, А.А. Похилько, И.В. Зенковой за предоставленные данные и консультации; Н.П. Мозговой, М.В. Корнейковой, Т.А. Агеевой, М.В. Пуговкиной за помощь в аналитической работе.
