CC BY
42
УДК 57.044; 631.46
ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ЧЕРНОЗЕМОВ ЮГА РОССИИ К ЗАГРЯЗНЕНИЮ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ ПО БИОЛОГИЧЕСКИМ ПОКАЗАТЕЛЯМ
© 2011 г. М.В. Ярославцев, С.И. Колесников
В результате модельных исследований установлено, что загрязнение черноземов юга России оксидами Cr, Cu, Ni, Pb ведет к ухудшению их биологических свойств. Как правило, наблюдается прямая зависимость между содержанием тяжелых металлов и степенью ухудшения исследуемых свойств почвы. По степени негативного воздействия на биологические свойства черноземов оксиды тяжелых металлов образуют следующий ряд: CrO3 > CuO > PbO > NiO. Наибольшую буферную способность к загрязнению тяжелыми металлами проявляют черноземы обыкновенные, меньшую — типичные, еще меньшую — южные и наименьшую — выщелоченные слитые. Такая последовательность определяется эколого-генетическими свойствами исследованных черноземов: реакцией среды и содержанием органического вещества.
Ключевые слова: черноземы, устойчивость, загрязнение, тяжелые металлы.
As a result of modeling studies found that contamination of southern Russia chernozems by oxides of Cr, Cu, Ni, Pb leads to a deterioration of their biological properties. As a rule, there is a direct relationship between heavy metal content and degree of deterioration of the properties of the soil. By the degree of negative impact on the biological properties of chernozems heavy metals oxides form the following series: CrO3> CuO> PbO> NiO. Greatest buffering capacity of heavy metals pollution are often ordinary chernozems, lower —typical, even less — the southern, and the smallest — leached fused. Such a sequence is determined by genetic properties of the studied chernozems — the reaction of soil and the organic matter content.
Keywords: chernozems, sustainability, pollution, heavy metals.
Южный федеральный университет, ул. Б. Садовая, 105/42, г. Ростов н/Д, 344006, decanat@bio. sfedu.ru
Southern Federal University, B. Sadovaya St., 105/42, Rostov-on-Don, 344006, decanat@bio. sfedu.ru
Почвенный покров юга России характеризуется уникальным разнообразием черноземов: обыкновенные и южные восточно-европейской фации Ростовской и Волгоградской областей, южные, обыкновенные, типичные, выщелоченные и оподзоленные мицеллярно-карбонат-ные Предкавказья, слитые черноземы предгорий Кавказа, каштановые Тамани, солонцеватые Центрального Предкавказья, предгорные черноземы Ставропольской возвышенности, горные Кавказа и др. [1, 2]. Такое разнообразие связано со спецификой местного климата, обусловленной теневым эффектом Кавказских гор и близостью Азовского, Черного и Каспийского морей, и особенностями рельефа.
Черноземы юга России значительно различаются по эколого-генетическим свойствам и устойчивости к ан-
Эколого-генетические и эколого-биологиче«
тропогенным воздействиям, в том числе к загрязнению тяжелыми металлами. Однако эти различия ранее изучены не были. В то же время знание этих особенностей очень важно, поскольку значительные территории, занимаемые на юге России черноземами, могут существенно различаться по устойчивости к загрязнению тяжелыми металлами, нефтью и нефтепродуктами, пестицидами т.д. Это необходимо учитывать в сельскохозяйственной и природоохранной деятельности.
Цель работы - оценить по биологическим показателям устойчивость различных черноземов юга России к загрязнению тяжелыми металлами (ТМ) (Сг, Си, N1, РЬ).
Для решения поставленных задач был заложен ряд модельных опытов. Названия, места отбора и свойства использованных черноземов представлены в табл. 1.
Таблица 1
! характеристики исследованных черноземов
Чернозем Условное обозначение почвы Место отбора Содержание гумуса, % рН Гранулометрический состав Активность Обилие бактерий рода Azotobacter, % обрастания
каталазы, мл О2/г почвы за 1 мин дегидрогеназы, мг ТФФ/10 г почвы за 24 ч
Обыкновенный Чо Волгоградская область, Нехаевский район, окрестности п. Динамо 5,1 8,1 Тяжелосуглинистый 7,3 17,3 100
Южный Чю Ростовская область, Каменский район, окрестности г. Каменск-Шахтинский 4,0 7,9 « 6,3 14,7 88
Обыкновенный (северо-при-азовский) Чо(с) Ростовская область, Октябрьский район, окрестности п. Персиановский 4,0 7,6 « 8,4 17,5 100
Обыкновенный (предкав-казский) Чо(п) Краснодарский край, Кущевский район, окрестности с. Кущевское 4,6 7,9 « 8,8 17,1 100
Типичный (предкав- казский) Чт(п) Краснодарский край, Усть- Лабинский район, окрестности г. Усть-Лабинск 3,5 6,9 « 4,4 14,8 100
Выщелоченный слитый Чв(сл) Республика Адыгея, Красногвардейский район, окрестности с. Белое 5,1 6,3 Глинистый 8,2 13,6 94
Южный (каштановый) Чю(к) Краснодарский край, Анапский район, окрестности п. Джигинка 3,2 7,7 Тяжелосуглинистый 3,3 16,6 86
Типичный (предгорный) Чт(п/г) Ставропольский край, Шпаковский район, окрестности с. Московское 3,3 8,3 « 5,2 14,3 100
Типичный (горный) Чт(г) Ставропольский край, Предгорный район, окрестности г. Кисловодск 5,3 6,8 « 7,7 15,2 91
Использовали почву из слоя 0^25 см. Именно в этом слое накапливается основное количество загрязняющих почву веществ.
Исследовали Сг, Си, №, РЬ, так как именно этими металлами в значительной степени загрязнены почвы юга России [3, 4]. Кроме того, выбранные ТМ интересны для сравнения: их ПДК составляют 100 мг/кг почвы. Использованы разработанные в Германии значения ПДК [5]. Во-первых, потому что ПДК в почве
валового содержания Си и № в России отсутствуют; во-вторых, «российская» ПДК РЬ зачастую не может быть использована, так как ее значение часто меньше фонового содержания РЬ во многих почвах [6].
Изучали действие разных количеств ТМ в почве: 1, 10, 100 ПДК (100, 1000 и 10000 мг/кг).
ТМ вносили в почву в форме оксидов: Сг03, СиО, N10, РЬО, так как их значительная доля поступает в почву именно в этой форме [7], а также использова-
ние оксидов ТМ позволяет исключить воздействие на свойства почвы сопутствующих анионов, как это происходит при внесении солей металлов.
Почву инкубировали в вегетационных сосудах в 3-кратной повторности при комнатной температуре (20^22 °С) и оптимальном увлажнении (60 % от полевой влагоемкости).
Состояние почв определяли через 30 сут после загрязнения. При оценке химического воздействия на почву этот срок является наиболее информативным [6].
Лабораторно-аналитические исследования выполнены с использованием общепринятых методов [8, 9]. Определяли обилие бактерий рода Аю(оЬас(ег, активность каталазы и дегидрогеназы, целлюлозолитическую активность, фитотоксические свойства почв и другие показатели. Аю(оЬас(ег учитывали методом комочков обрастания на среде Эшби. Целлюлозолитическую способность определяли по степени разложения хлопчатобумажного полотна, экспонированного в почве в течение 30 дней. Активность каталазы измеряли по методике Галстяна, дегидрогеназы - по методике Галстяна в модификации Хазиева. О фитотоксичности почв судили по изменению показателей прорастания семян редиса (всхожесть, энергия, дружность и скорость прорастания), интенсивности начального роста проростков (длина корней, зеленых проростков).
На основе наиболее информативных биологических показателей определяли интегральный показатель биологического состояния (ИПБС) почвы [6]. Он был рассчитан по следующим показателям: обилию бактерий рода Аю(оЬас(ег, каталазной, дегидрогеназ-ной, целлюлозолитической активностям, длине корней редиса (фитотоксичности). Бактерии рода Аю(оЬас(ег традиционно и успешно используют как индикатор химического загрязнения почвы. Каталаз-ная, дегидрогеназная и целлюлозолитическая активности отражают интенсивность различных биологических процессов в почве. При этом активность ферментов служит показателем потенциальной биологической активности почвы, а скорость разложения полотна - актуальной. Каталаза и дегидрогеназа принадлежат к окислительно-восстановительным ферментам, наиболее чувствительным к химическому загрязнению. Длина корней редиса отражает фитоток-сические свойства химически загрязненной почвы. Представленный набор показателей дает информативную картину протекающих в почве биологических процессов и ее экологического состояния.
Для расчета ИПБС значение каждого из 5 указанных выше показателей на контроле (в незагрязненной почве) принимали за 100 % и по отношению к нему выражали значения в остальных вариантах опыта (в загрязненной почве). Затем определяли среднее значение 5 выбранных показателей для каждого варианта опыта. Использованная методика позволяет интегрировать относительные значения разных показателей, абсолютные значения которых не могут быть объединены в единый показатель, так как имеют разные единицы измерения. Результаты исследований представлены в табл. 2.
Установлено, что загрязнение исследованных черноземов оксидами ТМ приводит к ухудшению их состояния. В большинстве случаев наблюдалось достоверное уменьшение всех исследованных показателей,
причем уменьшение зависело от природы элемента, его содержания в почве и свойств почвы.
Таблица 2
Влияние загрязнения ТМ на ИПБС черноземов юга России, % от контроля
Доза загрязняющего вещества
Контроль 1 ПДК 10 ПДК 100 ПДК
Черноземы обыкновенные
Cr 100 75 59 41
Cu 100 91 76 65
Ni 100 97 90 86
Pb 100 97 85 71
Южные
Cr 100 62 30 19
Cu 100 93 66 58
Ni 100 93 70 61
Pb 100 91 82 70
Обыкновенные (североприазовские)
Cr 100 79 63 51
Cu 100 84 79 72
Ni 100 92 88 76
Pb 100 93 78 67
Обыкновенные (предкавказские)
Cr 100 80 56 41
Cu 100 96 77 74
Ni 100 91 85 71
Pb 100 93 83 73
Типичные (предкавказские)
Cr 100 56 35 11
Cu 100 93 70 49
Ni 100 92 80 61
Pb 100 96 83 70
Выщелоченные слитые
Cr 100 72 40 20
Cu 100 80 65 53
Ni 100 82 70 50
Pb 100 82 63 49
Южные (каштановые)
Cr 100 60 22 10
Cu 100 88 75 64
Ni 100 90 75 69
Pb 100 89 82 68
Типичные (предгорные)
Cr 100 68 28 5
Cu 100 88 77 59
Ni 100 97 92 85
Pb 100 98 91 80
Типичные (горные)
Cr 100 77 47 25
Cu 100 95 79 63
Ni 100 97 85 69
Pb 100 95 83 68
Наибольшее негативное воздействие на биологические свойства черноземов оказал оксид хрома. Оксиды меди, свинца и никеля проявили меньшее токсическое воздействие.
В большинстве случаев для всех исследованных ТМ зарегистрирована прямая зависимость между содержанием в почве загрязняющего вещества и степенью снижения биологических показателей.
Причины негативного воздействия ТМ на биологические свойства почв заключаются в том, что ТМ связываются с сульфгидрильными группами белков, в результате чего, во-первых, подавляется синтез белков, в том числе и ферментов, во-вторых, нарушается проницаемость биологических мембран. И то, и другое в конечном счете приводит к нарушению обмена веществ [10].
Исследованные оксиды ТМ образуют следующие ряды по степени негативного воздействия на биологические свойства черноземов Юга России (ряды усреднены по дозам загрязняющего вещества).
По отношению к Чо: Сг03 > СиО > РЬО > N10; Чю: СгОз > СиО > N10 > РЬО; Чо(с): СгОз > СиО = РЬО > >N10; Чо(п): Сг03 > СиО = РЬО = N0; Чт(п): Сг03 >
> СиО > №Ю > РЬО; Чв(сл): СЮ3 > РЬО > СиО > N10; Чю(к): СГО3 > СиО > N10 > РЬО; Чт(п/г): СГО3 > СиО > >РЬ0 > NiO; Чт(г): СгО3 > СиО > РЬО > №0.
По отношению к черноземам юга России (в целом) оксиды ТМ образуют последовательность: Сг03 >
> СиО > РЬО > N10.
Аналогичная закономерность была получена ранее в исследованиях, проведенных по той же методике, с другими почвами юга России: серыми и бурыми лесными, каштановыми, бурыми полупустынными, дерново-карбонатными, песчаными и др. [11, 12].
Черноземы юга России образуют следующие ряды по степени ухудшения биологических свойств при загрязнении разными ТМ (ряды усреднены по дозам загрязняющего вещества).
По степени ухудшения биологических свойств при загрязнении хромом: Чо(с) > Чо = Чо(п) > Чт(г) > >Чв(сл) > Чю > Чт(п/г) = Чт(п) > Чю(к); при загрязнении медью: Чо(п) > Чо(с) = Чт(г) > Чо > Чю(к) > >Чт(п/г) > Чю > Чт(п) > Чв(сл); при загрязнении никелем: Чо = Чт(п/г) > Чо(с) > Чт(г) > Чо(п) > Чт(п) = =Чю(к) > Чю > Чв(сл); при загрязнении свинцом: Чт(п/г) > Чо > Чо(п) = Чт(п) = Чт(г) > Чю > Чю(к) > >Чо(с) > Чв(сл).
По степени ухудшения биологических свойств при загрязнении ТМ (в среднем) черноземы юга России образуют следующую последовательность: Чо = Чо(с) = =Чо(п) > Чт(г) > Чт(п/г) > Чт(п) = Чю = Чю(к) > Чв(сл).
Таким образом, наибольшую буферную способность к загрязнению ТМ проявляют черноземы обыкновенные, меньшую - типичные, еще меньшую - южные и наименьшую - выщелоченные слитые.
В целом такая последовательность устойчивости черноземов определяется их эколого-генетическими свойствами (табл. 1).
Устойчивость почв к загрязнению ТМ зависит, прежде всего, от гранулометрического состава, кислотности почв и содержания гумуса. Именно эти факторы определяют подвижность ТМ в почве, соответственно, и степень влияния на биологические свойства почвы.
По гранулометрическому составу все исследованные черноземы практически не отличаются друг от друга. Соответственно, буферность зависела от комбинации двух других параметров: кислотности почвы и содержания в ней гумуса. Чем выше значение рН и больше гумуса, тем устойчивее почва к загрязнению ТМ.
Так, черноземы обыкновенные обладают и высоким содержанием гумуса, и высокими значениями рН, что обусловливает их большую буферность к загрязнению, чем черноземов южных и типичных.
Наиболее низким значением рН (6,3) из исследованных черноземов обладают Чв(с). Вследствие этого, даже
Поступила в редакцию_
несмотря на высокое содержание гумуса (5,1 %), они проявили наименьшую устойчивость к загрязнению ТМ.
Это же касается и черноземов горных, на фоне высокого содержания гумуса (5,3%) они имеют невысокие значения реакции среды (рН=6,8). Поэтому они не столь устойчивы как другие черноземы, менее гуму-сированные, но более «щелочные».
Выводы
1. Загрязнение черноземов юга России оксидами Сг, Си, №, РЬ ведет к ухудшению их биологических свойств. Как правило, наблюдается прямая зависимость между содержанием ТМ и степенью ухудшения исследуемых свойств почвы.
2. По степени негативного воздействия на биологические свойства черноземов оксиды ТМ образуют следующий ряд: СгО3 > СиО > РЬО > №0.
3. Наибольшую буферную способность к загрязнению ТМ проявляют Чо, меньшую - Чт, еще меньшую - Чю и наименьшую - Чв(с). Такая последовательность определяется эколого-генетическими свойствами исследованных черноземов: реакцией среды и содержанием органического вещества.
Исследование выполнено в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (госконтракты П322, П169) и при государственной поддержке ведущей научной школы (НШ-5316.2010.4).
Литература
1. Вальков В.Ф., Казеев К.Ш., Колесников С.И. Почвы юга России. Ростов н/Д, 2008. 320 с.
2. Черноземы СССР (Предкавказье и Кавказ). М., 1985. 262 с.
3. Дьяченко В.В. Геохимия, систематика и оценка состояния ландшафтов Северного Кавказа. Ростов н/Д, 2004. 268 с.
4. Шеуджен А.Х. Биогеохимия. Майкоп, 2003. 1028 с.
5. Касьяненко А.А. Контроль качества окружающей среды. М., 1992. 136 с.
6. Колесников С.И., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. Экологическое состояние и функции почв в условиях химического загрязнения. Ростов н/Д, 2006. 385 с.
7. Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. М., 1989. 439 с.
8. Казеев К.Ш., Колесников С.И., Вальков В.Ф. Биологическая диагностика и индикация почв: методология и методы исследований. Ростов н/Д, 2003. 204 с.
9. Методы почвенной микробиологии и биохимии / под ред. Д.Г. Звягинцева. М., 1991. 304 с.
10. Торшин С.П., Удельнова Т.М., Ягодин Б.А. Микроэлементы, экология и здоровье человека // Успехи современной биологии. 1990. Т. 109, вып. 2. С. 279-292.
11. Изменение биологических свойств почв Адыгеи при химическом загрязнении / С.И. Колесников [и др.] // Почвоведение. 2009. № 12. С. 1499-1505.
12. Спивакова Н.А., Колесников С.И. Устойчивость почв сухих степей и полупустынь Юга России к химическому загрязнению // Биологическая диагностика экологического состояния почв Юга России / отв. ред. К.Ш. Казеев. Ростов н/Д, 2010. С. 213-231.
9 ноября 2010 г.
