Моделирование влияния химического загрязнения на биологические свойства гидроморфных солончаков зоны сухих степей Юга России Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

АРИДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ, 2011, том 17, № 2 (47), с. 18-22

-СИСТЕМНОЕ ИЗУЧЕНИЕ АРИДНЫХ ТЕРРИТОРИЙ —————

УДК 631.46; 57.44

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ХИМИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГИДРОМОРФНЫХ СОЛОНЧАКОВ ЗОНЫ СУХИХ СТЕПЕЙ ЮГА РОССИИ1

© 2011 г. С.И. Колесников, Н.А. Спивакова, Л.С. Везденеева, Ю.С. Кузнецова, К.Ш. Казеев

Южный федеральный университет, биологический факультет Россия, 344006Ростов-на-Дону, ул. Большая Садовая, 105. Е-mail: kolesnikov@sfedu.ru

Загрязнение гидроморфных солончаков Юга России оксидами Сг, Си, N1, РЬ и нефтью ведет к снижению активности каталазы, дегидрогеназы и целлюлозолитической активности. По степени негативного воздействия на биологические свойства солончака оксиды тяжелых металлов образуют ряд: Сг03 > N10 >= СиО >= РЬО.

Ключевые слова: загрязнение, тяжелые металлы, нефть, солончак гидроморфный, биологические свойства.

Засоленные почвы, в том числе солончаки, не играют первоочередной роли в хозяйственной деятельности человека. В то же время, они занимают не малые территории, особенно на Юге страны, и выполняют важные экологические функции, в частности - по поддержанию биоразнообразия и устойчивости природных экосистем (Засоленные почвы России, 2006).

В научной литературе накоплено достаточно много сведений о последствиях химического загрязнения различных почв. Однако засоленные почвы практически не попадали в поле зрения исследователей (Колесников и др., 2006). Это связано с малым значением этих почв для сельского хозяйства и отсутствием значительных очагов загрязнения в районах их распространения.

Однако ситуация может радикально измениться, например, если будет реализован проект «Евразия», который предполагает строительство канала, соединяющего Каспийское и Азовское моря через Кумо-Манычскую впадину. Одним из многочисленных неблагоприятных последствий этого проекта станет рост загрязнения почвенного покрова региона, значительную долю в котором занимают засоленные почвы.

В свете изложенного, исследование устойчивости засоленных почв зоны сухих степей Юга России с целью прогнозирования изменения их состояния в результате химического загрязнения представляется весьма актуальным.

Цель работы - в модельных исследованиях установить закономерности изменения биологических свойств гидроморфных солончаков зоны сухих степей при загрязнении нефтью и тяжелыми металлами (Сг, Си, N1, РЬ).

Объекты и методы исследования

Исследование выполнено в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (госконтракт П322) и при государственной поддержке ведущей научной школы (НШ-5316.2010.4).

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ХИМИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

В качестве объекта исследования был использован солончак гидроморфный соровый (Ростовская область, Орловский район, окрестности пос. Стрепетов), расположенный в лиманном понижении, хлоридно-сульфатного типа засоления с содержанием солей с поверхности в корке - 3.2%, в профиле до глубины 50 см - 1.5-3.3%, содержание гумуса в слое 0-10 см - 0.34%, рН - 8.4. Почва для модельных экспериментов была отобрана из верхнего слоя (0-25 см), где накапливается основное количество загрязняющих почву веществ.

В качестве загрязняющих веществ были выбраны тяжелые металлы (ТМ) и нефть. Эти вещества значительно различаются по своим свойствам. Из ТМ исследовали Сг, Си, N1, РЬ, так как именно ими в значительной степени загрязнены почвы на Юге России (Шеуджен, 2003; Дьяченко, 2004). Кроме того, выбранные ТМ интересны для сравнения - их ПДК составляют 100 мг/кг почвы. Использованы значения ПДК, разработанные в Германии (Касьяненко, 1992). Во-первых, потому, что ПДК в почве общего (валового) содержания Си и N1 в России отсутствуют. Во-вторых, «российская» ПДК РЬ зачастую не может быть использована, так как меньше содержания этого элемента во многих почвах.

Также не разработаны ПДК нефти в почве, поэтому ее содержание в почве выражали в процентах.

Изучалось действие разных количеств загрязняющих веществ в почве: ТМ - 1, 10, 100 ПДК (100, 1000 и 10000 мг/кг соответственно), нефть - 1, 5, 10% массы почвы.

ТМ вносили в почву в форме оксидов: Сг03, СиО, N10, РЬО. Во-первых, значительная доля ТМ поступает в почву именно в форме оксидов (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Во-вторых, использование оксидов ТМ позволяет исключить воздействие на свойства почвы сопутствующих анионов, как это происходит при внесении солей металлов.

Почву инкубировали в вегетационных сосудах при комнатной температуре (20-22°С) и оптимальном увлажнении (60% полевой влагоемкости) в трехкратной повторности.

Состояние почв определяли через 30 суток после загрязнения. При оценке химического воздействия на почву этот срок является наиболее информативным (Колесников и др., 2006).

Лабораторно-аналитические исследования выполнены с использованием общепринятых методов (Методы почвенной ..., 1991; Казеев и др., 2003). Определяли активность каталазы и дегидрогеназы и целлюлозолитическую активность. Активность каталазы измеряли по методике Галстяна, дегидрогеназы - по методике Галстяна в модификации Хазиева. Целлюлозолитическую способность определяли по степени разложения хлопчатобумажного полотна, экспонированного в почве в течение 30 суток. Также пробовали определить обилие бактерий рода Л2о1оЪас1вт методом комочков обрастания на среде Эшби и показатели прорастания семян и интенсивности начального роста проростков редиса. Безусловно, априори следовало предположить, что в связи с высокой концентрацией солей бактерии рода Л2о1оЪас1вт в солончаке обнаружены не будут и редис на нем не прорастет. Однако авторами не было встречено в литературе исследований, подтверждающих это эмпирически.

Результаты исследования

В результате проведенного исследования было установлено, что загрязнение Сг, Си, N1, РЬ и нефтью приводит к значительному снижению значений биологических свойств солончака. Наблюдалось достоверное снижение активности каталазы, дегидрогеназы и целлюлозолитической активности (рис.).

КОЛЕСНИКОВ, СПИВАКОВА, ВЕЗДЕНЕЕВА, КУЗНЕЦОВА, КАЗЕЕВ

%

120 -100 -80 -60 -40 -20 0

%

120 -100 -80 60 40 20 -0

И

JZL

И

И

Cr

Cu

Ni

Pb

□ 1

Нефть □ 5

Л

£L

И

И

и

Cr

Cu

Ni

Pb

Нефть

%

120 -100 -80 -60 -40 -20

XI

И

И

и

Cr

Cu

Ni

Pb

Нефть

Рис. Влияние химического загрязнения солончака на активность каталазы (а), дегидрогеназы (б) и целлюлозолитическую активность (в) через 30 суток с момента загрязнения, % от контроля. 1 -контроль, 2 - 1 ПДК для ТМ (1% для нефти), 3 - 10 ПДК (5%), 4 - 100 ПДК (10%), 5 - НСР05 НСР05 -наименьшая существенная разность с уровнем вероятности 95% (уровнем значимости 0.05). Fig. Effect of chemical pollution of solonchaks on the activity of catalase (а) and activity of dehydrogenase (б) and celluloselytic activity (в) within 30 days from the date of contamination, % of control. Legend: 1 -control, 2 - 1 MAC for TM (1% for oil), 3 - 10 MPC (5%), 4 - 100 MPC (10%), 5 - the least significant difference to the level of 95% (with a significance level 0.05).

Соответственно, указанные показатели целесообразно использовать в целях мониторинга, диагностики, индикации и нормирования химического загрязнения солончаков сухих степей Юга России.

2

3

4

а

б

0

в

МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ХИМИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ 21

В то же время, показатель обилия бактерий рода Azotobacter и показатели фитотоксичности использовать невозможно, так как значительная засоленность солончаков делает невозможным существования в них бактерий рода Azotobacter и полностью подавляет развитие на них традиционного тест-объекта фитотоксичности - редиса. И в контроле (незагрязненная почва), и в вариантах опыта (загрязненная почва) не развились ни бактерии рода Azotobacter, ни редис.

Вместо редиса в принципе возможно использование какого-либо солеустойчивого растения (хотя выбор достаточно ограничен), но не на незасоленных почвах. Соответственно, невозможно будет сравнивать результаты, полученные на засоленных и незасоленных почвах.

Анализ влияния химического загрязнения на активность каталазы, дегидрогеназы и целлюлозолитическую активность показал, что степень снижения значений показателя зависела от природы загрязняющего вещества и его концентрации в почве.

Причины негативного воздействия на биологические свойства почв ТМ и нефти следующие. ТМ связываются с сульфгидрильными группами белков, в результате чего, с одной стороны, подавляется синтез белков, в том числе и ферментов, с другой стороны, -нарушается проницаемость биологических мембран. И то и другое, в конечном счете, приводит к нарушению обмена веществ (Торшин и др., 1990).

Негативное воздействие нефти на биологические процессы в почве объясняют обволакиванием нефтяными углеводородами почвенных частиц, содержанием в нефти ТМ, ароматических углеводородов, в частности фенолов, накоплением в почве продуктов окисления углеводородов, таких как гексадециловый спирт, пальмитиновая, бензойная, салициловая кислоты и др., значительным увеличением соотношения С^ и др. (Киреева и др., 1998).

Ряд оксидов ТМ по степени ингибирующего действия на биологические свойства для солончака выглядит следующим образом:

СгОз > N10 >= СиО >= РЬО.

Схожая последовательность была получена ранее для других почв Юга России: черноземов, каштановых, бурых полупустынных, бурых и серых лесных, дерново-карбонатных. При этом Сг вне зависимости от типа почвы всегда оказывает более сильное негативное воздействие, чем N1, Си и РЬ. А вот три последних элемента, проявляя в общем схожую степень токсичности, на разных почвах занимают в ряду токсичности разные места друг относительно друга (Колесников и др., 2009а, 2009б).

В большинстве случаев была зарегистрирована прямая зависимость между концентрацией в почве загрязняющего вещества и степенью снижения активности каталазы, дегидрогеназы и целлюлозолитической активности.

Выводы

Загрязнение Сг, Си, N1, РЬ и нефтью приводит к значительному снижению активности каталазы, дегидрогеназы и целлюлозолитической активности. Степень снижения зависела от природы загрязняющего вещества и его концентрации в почве.

Ряд оксидов ТМ по степени ингибирующего действия на биологические свойства для солончака выглядит следующим образом: СгО3 > МО >= СиО >= РЬО.

В большинстве случаев была зарегистрирована прямая зависимость между концентрацией в почве загрязняющего вещества и степенью снижения активности каталазы, дегидрогеназы и целлюлозолитической активности.

Такие показатели биологического состояния почв как активность каталазы, активность

КОЛЕСНИКОВ, СПИВАКОВА, ВЕЗДЕНЕЕВА, КУЗНЕЦОВА, КАЗЕЕВ

дегидрогеназы, целлюлозолитическая активность целесообразно использовать в целях мониторинга, диагностики, индикации и нормирования химического загрязнения солончаков сухих степей юга России.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Дьяченко В.В. 2004. Геохимия, систематика и оценка состояния ландшафтов Северного

Кавказа. Ростов-на-Дону: Издательский центр «Комплекс». 268 с. Засоленные почвы России. 2006 / Отв. редакторы Шишов Л.Л., Панкова Е.И.. М.: Академкнига. 854 с.

Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. 1989. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир. 439 с. Казеев К.Ш., Колесников С.И., Вальков В.Ф. 2003. Биологическая диагностика и индикация почв: методология и методы исследований. Ростов на-Дону: Издательство Ростовского университета. 204 с.

Касьяненко А.А. 1992. Контроль качества окружающей среды. М.: Издательство РУДН. 136 с.

Киреева Н.А., Новоселова Е.И., Хазиев Ф.Х. 1998. Активность карбогидраз в

нефтезагрязненных почвах // Почвоведение. № 12. С. 1444-1448. Колесников С.И., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. 2006. Экологическое состояние и функции почв

в условиях химического загрязнения. Ростов на-Дону: Ростиздат. 385 с. Колесников С.И., Евреинова А.В., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. 2009a. Изменение эколого-биологических свойств чернозема при загрязнении тяжелыми металлами второго класса опасности (Mo, Co, Cr, Ni) // Почвоведение. № 8. С. 1007-1013. Колесников С.И., Тлехас З.Р., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. 2009б. Изменение биологических

свойств почв Адыгеи при химическом загрязнении // Почвоведение. № 12. С. 1499-1505. Методы почвенной микробиологии и биохимии. 1991 / Под. ред. Звягинцева Д.Г. М.:

Издательство МГУ. 304 с. Торшин С.П., Удельнова Т.М., Ягодин Б.А. 1990. Микроэлементы, экология и здоровье

человека // Успехи современной биологии. Т. 109. Вып. 2. С. 279-292. Шеуджен А.Х. 2003. Биогеохимия. Майкоп: ГУРИПП «Адыгея». 1028 с.

MODELING OF CHEMICAL POLLUTION IMPACT ON THE BIOLOGICAL PROPERTIES OF HYDROMORPHIC SOLONCHAKS OF THE DRY STEPPE ZONE IN

SOUTHERN RUSSIA

© 2011. S.I. Kolesnikov, N.A. Spivakova L.S. , Vezdeneeva, Y.S. Kuznetsova, K.Sh. Kazeev

Southern Federal University, Biological Faculty, Department of Ecology and Environmental Management Russia, 344006 Rostov-on-Don, Bolshaya Sadovaya str., 105. E-mail: kolesnikov@sfedu.ru

Pollution of Southern Russia hydromorphic solonchaks by oxides of Cr, Cu, Ni, Pb and oil leads to reduced activity of catalase, dehydrogenase and celluloselytic activity. According to the degree of negative impact on the biological properties of soil heavy metal oxides form a series: CrO3> NiO> = CuO> = PbO. The activity of catalase and dehydrogenase, celluloselytic activity should be used to monitor chemical contamination of solonchaks. At the same time, the index of abundance bacteria of the genus Azotobacter and indicators of phytotoxicity can not be used because a large hydromorphic solonchaks makes possible non-existence in them of these bacteria and completely suppresses the development of the traditional test object phytotoxicity - radish.

Keywords: pollution, heavy metals, oil, solonchaks hydromorphic, biological properties.