Экология/6. Экологический мониторинг

К.б.н. Мынбаева Б.Н., маг. Гайдобрусова М.Н.

Казахский национальный педагогический университет, Казахстан

Биомониторинг почв г. Алматы при загрязнении их свинцом.

В городских почвах накапливаются разнообразные соединения естественного и антропогенного происхождения, обуславливающие их загрязненность и токсичность. Основные загрязнители почв – тяжелые металлы, которые характеризуют токсичность почв, а их количество - степень токсичности. Возросший антропогенный пресс стимулирует разработку новых и модификацию существующих способов оценки качества основных жизненных сред – почв, воды, воздуха. Применяемая во многих экспериментальных работах система наблюдений и контроля (или мониторинга) основана на химико-аналитическом определении отдельных поллютантов и их воздействии на состояние экосистем (используются различные методы). Но в экологических исследованиях важно знать не уровни загрязнения (простые результаты определения концентрации токсикантов имеют относительную ценность), а вызываемые ими биологические эффекты, или биомониторинговые исследования [1].

В почвенной микробиологии часто применяется метод «стеклообрастания», который первоначально использовался для определения качественного и количественного состава микробиоты [2]. Некоторые исследователи использовали этот метод для биотестирования структурных изменений микробиоценозов при химическом загрязнении почвы [3, 4, 5].

Цель настоящей работы – использование методов биомониторинга для оценки токсичности почвенного покрова г. Алматы при загрязнения почв свинцом, связывая его содержание в почве и состав микробиоты.

Задачи исследования:

ü проверить возможности использования метода «стеклообрастания» для определения степени токсичности почв г. Алматы;

ü выявить количественное накопление свинца в почвах 5 точек отбора проб;

ü провести коррелятивные связи между накоплением свинца в почвах и их микробиоструктурными изменениями.

Объектом исследований были выбраны почвы, отобранные в 5 точках территории города, включающие 3 экспериментальные и 2 контрольные (предположительно, с максимальным и минимальным загрязнением почв свинцом). Отбор проб почвы производился в следующих местах:

Ø № 1 - проспект им. Сейфуллина (пересечение с пр. Абая);

Ø № 2 - проспект им. Сейфуллина (пересечение с ул. им. Толе би);

Ø № 3 - проспект им. Сейфуллина (пересечение с пр. Райымбека);

Ø № 4 - район ТЭЦ-1(значительное накопление свинца в почве [6]);

Ø № 5 - район «Космостанции» в Большом Алматинском ущелье (слабое антропогенное загрязнение).

Методы исследований.

Отбор проб почвы. Образцы почвы отбирали методом прикопки – в верхнем горизонте (0-15 см), весом 2 кг. Содержание свинца в почве определяли атомно-абсорбционным методом, на спектрометре модификации ААS–N Карл Цейс [7]. Численность сообществ организмов определяли общепринятыми методами [8, 9, 10, 11] прямыми подсчетами и с помощью светового микроскопа «Микмед-5».

Экспериментальная часть.

Предельно допустимая концентрация свинца в почве составляет 32 мг/кг.

Характеристика выбранных точек на территории г. Алматы. Выбранные нами 3 точки отбора почвенных проб (№ 1, 2 и 3) относятся к центральной части города с интенсивным движением транспорта. Естественно, что на перекрестках выбранных нами проспектов и улиц не только атмосфера, но и почва будут сильно загрязнены различными поллютантами. По интенсивности движения лидирует перекресток проспектов им. Райымбека и им. Сейфуллина, примерно около 20 тыс.ед./час. На пересечении проспектов им. Абая и им. Сейфуллина количество проходящих автомашин составляет примерно от 12 тыс. до 15 тыс.ед./час. В точке отбора проб № 3 также имеет место достаточно интенсивное движение, около 8-10 тыс. ед./час. Четвертая точка отбора проб (№ 4) – нет большого количества транспорта, но значительное загрязнение почвы связано с работой ТЭЦ-1 (сильное загрязнение атмосферы и почвы в результате сжигания топлива). «Космостанция» - точка № 5 относится к условно чистому району г. Алматы, т.к. «Космостанция» находится в Большом Алматинском ущелье, в горах. Выбор мест отбора проб почвы на территории г. Алматы был сделан на основе анализа экологического состояния города [6].

Проведенное исследование содержание свинца в образцах почв показало, что в них находится различное содержание этого тяжелого металла (диагр. 1), в целом коррелирующее с антропогенной нагрузкой на эти участки: минимальное содержание (2,3 мг/кг исследуемой почвы), отмечено в образце почвы, взятом в районе «Космостанции», а максимальное значение концентрации свинца отмечается возле ТЭЦ – 598 мг/кг (превышение ПДК более чем в 18 раз).

Диаграмма 1.

Содержание свинца в почвах 5 исследуемых точек г. Алматы (2008 г.).

Достаточно высокие его концентрации – в центральной части города, на пересечении главных транспортных магистралей (пр. им. Сейфуллина-пр. им. Абая – 50,3 мг/кг; пр. им. Сейфуллина - ул. Толе би – 58,6 мг/кг; пр. им. Сейфуллина – пр. им. Райымбека – 95,1 мг/кг); усредненная концентрация свинца в этих местах составила 68 мг/кг сухого веса почвы, что превышает ПДК почти в 2,2 раза (диагр. 1).

Объяснение такого высокого содержания свинца на территории г. Алматы вытекает из анализа используемого топлива для автомашин: в странах СНГ предельно допустимые концентрации свинца в этилированном бензине довольно высокие (от 0,82 до 1,15 г/л), в то время как в западных странах содержание свинца в этилированном бензине минимально - 0,15 г/л. Поэтому в местах расположения крупных автомагистралей с большой пропускной способностью машин, образуются техногенные аномалии с высоким содержанием тяжелых металлов (свинца, железа, цинка, кадмия, меди, никеля и других металлов).

Провести экологическую оценку загрязнения почв свинцом можно через определение качественного и количественного состава ведущих групп микроорганизмов (микроскопических грибков, актиномицетов или бактерий), так как они имеют высокую биоиндикационную чувствительность. Изучение влияния тяжелых металлов на состояние микробиоценоза почв проводилось многими авторами [12, 13, 14]. Ими было отмечено значительное снижение численности и обеднение разнообразия видов микроорганизмов в почве при прямом токсическом действии тяжелых металлов на микроорганизмы [15,16].

Изучение структуры микробиоценоза, выросшего на почвенном слое покровного стекла, проводили с использованием метода «стеклообрастания» или так называемой «влажной камеры» - покровное стекло с нанесенным на него тонким слоем почвы смачивается, помещается в стерильную чашку Петри, при температуре термостата в пределах от 20 до 28⁰. Каждая проба почвы проверялась в 3-х повторностях. На 3-4 сут производилось микроскопирование поверхности почвенного слоя на покровном стекле с подсчетом числа выросших колоний бактерий и микроскопических грибов, а также нематод. Примечание: количество выраставших микроскопических грибов, отнесенных к родам Penicillium и Aspergillus, не подсчитывалось.

Более поздние сроки выращивания сообщества микробиоценоза не представляются корректными, т.к. могут происходить определенные изменения в структуре микробиоценоза, вследствие воздействия грибов на нематоды и бактерии, а также интенсивного роста грибной флоры, которая в этих нерегулируемых условиях подавляет развитие других участников микробиоценоза.

При изучении выросших на почвенном слое сообществ организмов из пробы № 4 (район ТЭЦ - 1), выяснилось, что примерно 40% из них составляют нематоды, 45% - грибы из рода Fusarium (фото 1 и 2) и лишь небольшой процент мы отнесли к бактериальным формам. Эти данные характеризуют почву как весьма токсичную для растений.

Фото 1. Микромицеты рода Fusarium. Фото 2. Нематода.

В пробе почвы, взятой из условно незагрязненной почвы (проба № 5, район «Космостанции») наблюдалась иная картина: грибков и нематод было небольшое количество (примерно 5 и 8% соответственно), а бактериальных колоний было намного больше. Из проб почвы, взятых в центре города, возле крупных автомагистралей, качественный состав микробоценоза выглядел следующим образом: нематоды и фузарии в сумме составляли около 45%, остальные 55% - бактерии, т.е. в этих пробах, имеющих промежуточные концентрации свинца между минимумом и максимумом, также были обнаружены опасные или фитотоксичные организмы, но их количество почти равнялось с количеством бактериальных колоний, что свидетельствует о среднем уровне токсичности этих почв.

В результате этого этапа работы, не проводя химических и сложных микробиологических анализов, на качественном уровне мы оценили, что почва обладает фитотоксичными свойствами и требует необходимых мероприятий по ее оздоровлению.

Диаграмма 2.

Оценка соотношений сообществ микробиоценоза в изучаемых почвах.

Вывод: используемый нами простой и быстрый метод позволил обнаружить в почве с максимальной концентрацией свинца группировку, состоящую из нематод и грибов рода Fusarium, которые являются одними из самых опасных грибов, вызывающих болезни растений.

Таким образом, присутствие в почве соединений свинца изменяет качественный и количественный состав микробиоценоза почв г. Алматы не в лучшую сторону, так как почва, содержащая одновременно в большом количестве нематоды и фузарии, заведомо обладает фитотоксичными свойствами.

Также была обнаружена корреляционная связь между двумя экологическими параметрами: содержанием свинца в почве и соотношением различных групп микроорганизмов.

Литература:

1. Жигарева Т.Л., Ратников А.Н., Свиридова Д.Г., Попова Г.И., Петров К.В., Касьяненко А.А., Черных Н.А., Картузова М.Н. Изучение поведения Cd и Zn в дерново-подзолистой почве и их действие на почвенный микробоценоз. Вестн. Рос. ун-та дружбы народов. 2006, № 1. с. 34-40.

2. Методы почвенной микробиологии и биохимии. – М.: Изд-во МГУ, 1980. – 244 с.

3. Андреюк Е.И.Методологические аспекты изучения микробных сообществ почвы / Е. И. Андреюк // Микробные сообщества и их функционирование в почве – Киев: Наукова думка, 1981. С. 91-94.

4. Марфенина О.Е. Особенности комплексов микроскопических грибов урбанизированных территорий / О. Е. Марфенина, Н. М. Каравайко, А. Е. Иванова // Микробиология. 1996. Т. 65. №1. С. 119 – 124.

5. Андреюк Е.И. Методологические аспекты изучения микробных сообществ почвы / Е. И. Андреюк // Микробные сообщества и их функционирование в почве – Киев: Наукова думка, 1981. С. 91-94.

6. Экологический бюллетень Алматы. 2000-2008 гг.

7. Обухов А.И. и др. Атомно-адсорбционный анализ в почвенно-биологических исследованиях. М. 1991. 250 с.

8. Родина А.Г. Методы водной микробиологии. Л. 1965. 360 с.

9. Литвинов М.А. Методы изучения почвенных микроскопических грибов. Л. Наука. 1969. 121 с.

10. Звягинцев Д.Г. Методы почвенной микробиологии и биохимии. М. 1991. 304 с.

11. Веслополова Е.Ф. Микрометод определения численности колоний образующих микроорганизмов //Микробиология. 1995. № 2. С. 279-284.

12. Айкешеев Б.М. Микрофлора почв в зоне влияния выбросов предприятий цветной металлургии. - Алматы, 1994.

13. Гузев В.С.Техногенные изменения сообщества почвенных микроорганизмов //Перспективы развития почвенной микробиологии – М.: МАКС Пресс, 2001. С. 178 – 219.

14. Марфенина О.Е. Микроскопические грибы во внешней среде города. Микология и фитопатология. 2002. Т. 36. №4. С. 22 – 31.

15. Свистова И.Д. Накопление токсичных видов микроскопических грибов в городских почвах. Гигиена и санитария. 2003. №5.

16. Liao Min, Chen Cheng-li, Huang Chang-yong. Влияние тяжелых металлов (ТМ) на активность и разнообразие освоенной рудниковой пустоши краснозема. J. Environ. Sci. 2005. 17, № 5, с. 832-837.