«ПИСАРЕВА АЗА ВАЛЕРЬЕВНА ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ И МИКРОБИОТЫ В ПОЧВАХ ТЕХНОГЕННО-ТРАНСФОРМИРОВАННЫХ ЗЕМЕЛЬ ...»
На правах рукописи
ПИСАРЕВА АЗА ВАЛЕРЬЕВНА
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ТЯЖЁЛЫХ МЕТАЛЛОВ И МИКРОБИОТЫ
В ПОЧВАХ ТЕХНОГЕННО-ТРАНСФОРМИРОВАННЫХ ЗЕМЕЛЬ
Специальность 03.02.08 – Экология (биология)
Автореферат
диссертации на соискание учёной степени
кандидата биологических наук
Орёл-2017
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего образования «Орловский государственный аграрный университет имени Н.В. Парахина»
Научный руководитель: Степанова Лидия Павловна доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ
Официальные оппоненты: Касатиков Виктор Александрович доктор сельскохозяйственных наук, профессор, ФГБНУ «Всероссийский научно-исследовательский институт органических удобрений и торфа», ведущий научный сотрудник Воронина Людмила Петровна доктор биологических наук, доцент, ФГБОУ ВО «Московский государственный университет им. М.В .
Ломоносова», ведущий научный сотрудник кафедры агрохимии и биохимии растений Федеральное государственное бюджетное
Ведущая организация:
образовательное учреждение высшего образования «Рязанский государственный агротехнологический университет им. П.А. Костычева»
Защита состоится «13» октября 2017 г. в 13.00 ч. на заседании диссертационного совета Д 212.025.07 во Владимирском государственном университете имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых по адресу: 600000, Владимир, ул. Горького, 87, корп. 1, ауд .
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ВлГУ и на сайте http://diss.vlsu.ru/ .
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, можно присылать по адресу: 600000, Владимир, ул. Горького, 87, ВлГУ, кафедра биологии и экологии Автореферат разослан «___» ____________ 2017 г .
Учёный секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук Е.Ю. Кулагина
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследований. Основные источники загрязнения почв, это промышленные предприятия, транспортные объекты, отходы производства и потребления, это обусловливает необходимость регулярного экологического мониторинга для установления масштабов загрязнения тяжёлыми металлами почв города и техногенно нарушенных сельскохозяйственных земель с целью разработки природоохранных мер. Изучение состояния урбанизированных территорий и земель, находящихся в зоне экстремальных техногенных воздействий, представляют особый научно-практический интерес и требуют огромного внимания исследователей .
Степень разработанности проблемы. В изучение проблемы накопления тяжёлых металлов в почвах и растениях в результате антропогенного воздействия от влияния автотранспорта и отвалов шлаковых отходов существенный вклад внесли многие исследователи. Исследования при оценке воздействия тяжёлых металлов на почвы городов учёными проводились, главным образом, с целью санитарно-гигиенической характеристики и сравнения полученных данных относительно предельно допустимых концентраций и фоновых значений. Вопросы, касающиеся комплексной сравнительной оценки интенсивности накопления ТМ и состояния микробоценоза в урбанозёмах (г.Москва) и почвах сельскохозяйственных земель в зонах экстремальных техногенных воздействий шлаковых отходов металлургического производства (д. Б.Думчино) разработаны недостаточно .
Цель исследования. Оценка экологического состояния почв в условиях различной техногенной нагрузки антропогенно-преобразованных ландшафтов на примере мегаполиса г.Москвы и д. Б.Думчино .
Основные задачи:
- сравнительная оценка изменения агрофизических свойств антропогенно-преобразованных почв (урбанозёмы г.Москвы) и светло-серых лесных почв в зонах экстремальных техногенных воздействий шлаковых отходов (д. Б.Думчино) в разной удалённости от источников техногенного загрязнения;
- сравнительная оценка изменения физико-химических свойств почв при разных уровнях антропогенной и техногенной нагрузки;
- установление уровней накопления тяжёлых металлов и степени их подвижности в исследуемых почвах на разной удалённости от источников загрязнения (автотранспорт и шлаковый отвал);
- сравнительная оценка изменения микробиологических свойств и состояния почвенных микробоценозов при разных уровнях загрязнения тяжёлыми металлами;
- сравнительная оценка загрязнения городских почв органическими веществами, в том числе нефтепродуктами и бенз(а)пиреном и их фитотоксичности .
Научная новизна. Впервые проведены комплексные исследования оценки экотоксикологического состояния почв антропогенно-трансформированных территорий (г.Москвы) и светло-серых лесных почв в зонах экстремальных техногенных воздействий шлаковых отходов (д. Б.Думчино) по характеру накопления и распределения тяжёлых металлов в верхних горизонтах изучаемых почв и выявлены закономерности их изменений в зависимости от свойств почв, характера и удалённости источника загрязнения. Выявлено влияние высоких концентраций загрязняющих веществ на интенсивность ферментативной активности в урбанозёмах вблизи автомагистралей. Установлена высокая чувствительность фермента каталаза, уреаза и инвертаза к воздействию химических токсикантов. В зависимости от характера источников загрязнения и свойств антропогенно-преобразованных почв выявлено изменение степени накопления и подвижности тяжёлых металлов и эколого-трофических групп микроорганизмов. Проведено комплексное изучение целесообразности использования в качестве тест-культур основных групп организмов: продуценты, консументы и редуценты, а также показана надёжность и возможность применения данных методов оценки экологического качества окружающей среды .
Теоретическая и практическая значимость. Полученные в ходе исследования данные дополняют имеющиеся представления о плотности техногенного загрязнения почв тяжёлыми металлами в урбанизированных зонах и техногенных ареалах почв сельскохозяйственных и лесных угодий вокруг утилизируемых отходов металлургического производства с целью выделения зон острых экологических ситуаций и выявления земель с чрезвычайно опасным уровнем загрязнения .
Методология и методы исследования. Исследования проводились на основе системного подхода для создания целостной картины взаимовлияний источников загрязнения, загрязняющих веществ и окружающей среды, а также выявления основных закономерностей изучаемых процессов и явлений в системе «ТМ-ПОЧВА-ОРГАНИЗМЫ».
Выбор методов исследования основывался на особенностях изучаемых объектов и включал: методы отбора проб почв и пробоподготовки, метод почвенно-режимных наблюдений состава, свойств и режимов почв:
водного, реакции среды, биологической активности, исследование физических свойств, гранулометрического состава, химического состава, органического вещества, физико-химических свойств, определение биофильных элементов; спектроскопические методы: атомноабсорбционная спектроскопия, пламенно-фотометрический метод, микробиологический анализ .
Интегральный показатель токсичности определяли методом биотестирования .
Основные положения .
1. Почвы антропогенно- и техногенно-трансформированных земель значительно различаются между собой по гранулометрическому составу, физико-химическим и агрохимическим показателям, величине удельной поверхности почвенных частиц .
2. В урболандшафтах и антропогенно-изменённых территориях, подверженных различной техногенной нагрузке, почвы характеризуются разным уровнем накопления тяжёлых металлов и степени их подвижности в зависимости от почвенных условий, характера и удалённости источника загрязнения .
3. В почвах урболандшафтов и антропогенно-трансформированных ландшафтов в сравнении с фоновыми почвами существенно изменены микробные сообщества, численность и структура физиолого-трофических групп микроорганизмов .
4. Интегральная оценка устойчивости микробоценозов к техногенному воздействию для различных функциональных зон промышленно развитого города и зон экологического риска (шлаковый отвал) .
5. Почвы вблизи автомагистралей отличаются самой высокой степенью накопления нефтепродуктов, бенз(а)пирена и тяжёлых металлов и, как следствие, фитотоксичности .
Степень достоверности результатов. Обоснованность и достоверность результатов, научных положений и выводов диссертационного исследования подтверждается согласованностью полученных результатов с известными теоретическими и экспериментальными данными, использованием современных методов лабораторных исследований, проведённых в лабораториях, имеющих государственную лицензию. Достоверность полученных имперических данных обеспечена использованием современных средств измерений и стандартных методик проведения исследований, сравнительного анализа и освещении полученных результатов .
Личное участие автора заключается в постановке проблемы, определении цели и задач исследований, в самостоятельной разработке программы исследований, получении результатов, выполнении полевых и лабораторных исследований, в проведении научных экспериментов, статистической обработке полученных данных, их интерпретации и обобщении итогов исследований, формулировании выводов и оформлении работы. Также, личное участие соискателя подтверждается подготовкой и выпуском ряда публикаций в ведущих Российских изданиях, активной апробации результатов исследований .
Апробация результатов исследований. Результаты исследований доложены и обсуждены на заседаниях Учёного совета факультета Агробизнеса и экологии ФГБОУ ВО«Орловский ГАУ имени Н.В.Парахина» в 2013-2016., на трёх международных и одной всероссийской научнопрактических конференциях, в том числе: Международная научная конференция «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии» ФРЭМЭ’2016 с элементами научной молодёжной сессии «Интеллектуальные биометрические системы и технологии» г.Суздаль, 4-7 июля 2016г.;
XIV Международной конференции по вопросам Европейской науки и техники 12-13 октября 2016г. (г.Мюнхен, Германия). Отдельные положения, рекомендации и выводы, содержащиеся в диссертационной работе, внедрены в практику благоустройства территории при МГТУ имени Н.Э.Баумана, некоторые результаты теоретических исследований использовались при подготовке спецкурсов и циклов лекций в учебном процессе в Орловском государственном аграрном университете, что подтверждается актами о внедрении .
Публикации результатов исследований. По материалам диссертации опубликовано 24 научных статьи, в том числе 14 статей в изданиях, реферируемых ВАК, одна из них на иностранном языке, 10 статей в изданиях, реферируемых РИНЦ, в том числе одна статья в иностранном журнале и 4 статьи в сборниках Российских и Международных научных конференций .
Структура и объём диссертации. Диссертация изложена на 171 страницах, из которых 116 страниц основного текста, состоит из введения, трёх глав, 18 таблиц, шести рисунков, библиографического списка, 8 приложений на 15 страницах, приложения содержат 28 рисунков .
Библиография содержит 363 источника, в том числе на иностранных языках .
Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность и признательность своему научному руководителю доктору сельскохозяйственных наук, профессору ОГАУ имени Н.В.Парахина Лидии Павловне Степановой за всестороннюю поддержку в проведении исследований, ценных советов в работе над диссертацией и высокопрофессиональное консультирование, профессору, доктору сельскохозяйственных наук, заведующему кафедрой «Земледелия, агрохимии и агропочвоведения» ОГАУ имени Н.В.Парахина Василию Тихоновичу Лобкову, за ценные советы в определении и реализации целей научного труда, заведующему кафедрой «Медико-технического менеджмента» МГТУ имени Н.Э.Баумана, профессору, доктору медицинских наук, Александру Петровичу Николаеву, заместителю заведующего кафедрой «Медико-технического менеджмента» МГТУ имени Н.Э.Баумана доценту, к.т.н. Ирине Анатольевне Аполлоновой за проявленную чуткость, поддержку и понимание, а так же, коллективам этих кафедр .
ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
Степень загрязнения окружающей среды тяжёлыми металлами (ТМ) в промышленных регионах РФ с каждым годом увеличивается. Большинство авторов проводят исследования по техногенному загрязнению ТМ и их влиянию только на отдельные свойства почвы. В связи происходящей деградацией урбанозёмов актуальным вопросом экологического мониторинга является изучение характера изменения эколого-трофических групп микроорганизмов при разных уровнях техногенного загрязнения тяжёлыми металлами почв антропогеннотрансформированных земель .ГЛАВА 2. МЕСТО, УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ
Исследования проводились на почвах разных рекреационных зон г.Москвы и на территории воздействия шлакового отвала в д. Б.Думчино. Изучаемые территории подвергаются различной техногенной нагрузке–это транспортно-дорожный комплекс г.Москвы и поступление загрязняющих веществ (тяжёлых металлов) в почву при миграции в местах складирования отходов металлургического производства (шлаковый отвал д. Б.Думчино) .
2.1 Место и условия проведения исследований Для выполнения поставленных задач нами были выбраны территории различных селитебных зон и природных ландшафтов, испытывающих воздействие различных видов деградации от антропогенных воздействий: г.Москва, МКАД, 23-й км; Каширское ш.-д.150; ш.Энтузиастов, д.86; Лосиный остров (парковая зона), а также Д. Большое Думчино, Мценского района, Орловской области (техногенно-изменённые территории в районе прилегания отходов алюминиевого литья-шлакового отвала) .
2.2 Объекты и методы Исследования проводились в 2013-2016гг. на почвах г.Москвы и на территории воздействия шлакового отвала в 2010-2016гг. в д. Б.Думчино. В качестве объектов исследования были выделены три блока почв: естественно ненарушенные, естественно-нарушенные поверхностнопреобразованные (урбанопочвы), естественные нарушенные глубокопреобразованные (урбанозёмы). Отбор проб осуществлялся из поверхностного слоя (0-20см) урбанозёмов г.Москвы и естественной ненарушенной дерново-подзолистой почвы на территории парковой зоны Лосиный остров г.Москва, а также из поверхностного горизонта (0-20) светло-серой лесной почвы на разном удалении шлакового отвала на территории д. Б.Думчино .
Объектами исследования служили ключевые участки в г. Москва на удалении на 5м, 50м, 300м от Каширского ш., ш. Энтузиастов, Московской кольцевой автодороги (23-й км МКАД), в качестве контроля (фоновые почвы) использовали участок дерново-подзолистой почвы (Umbric Albeluvisols, AJ-гумусово-элювиальный горизонт) на территории парковой зоны Лосиный о. г .
Москвы и участки с удалённостью 20м и 300м от шлакового отвала в д. Б.Думчино (светло-серая лесная почва AlbicLuvisols, AJ-светлогумусовый горизонт) и фоновая светло-серая лесная почва .
Высота образовавшегося холма из шлаковых отходов состоит из сыпучего материала (шлаковый отвал) составляет 30-40м, этот источник загрязнения расположен вблизи (1км) населённого пункта д. Б.Думчино. Физико-химические свойства солевого отвального шлака: сыпучий металл, фракции 3мм, цвет светло-серый, водородный показатель водной вытяжки рН8, основные фазыхлорид калия (KCl), хлорид натрия (NaCl), оксид алюминия (Al2O3), оксид кремния (SiO2). Отсевы солевого алюминиевого шлака относятся к IV классу малоопасных веществ по ГОСТ 12.1.007-76 .
2.3 Методика исследований
Лабораторные исследования проводились на кафедре «Земледелия, агрохимии и агропочвоведения» Орловского государственного аграрного университета имени Н.В. Парахина, ФГБУ«Центр агрохимической службы «Владимирский», ФГБУ«Орловский референтный центр Федеральной службы по ветеринарному и фитосанитарному надзору». Определение гидролитической кислотности-по методу Каппена. Химический анализ выполнен по реакции почвенной среды (рН), валовым и подвижным формам свинца, меди, никеля, цинка, кобальта, кадмия. Величина органического вещества-по методу Тюрина (ГОСТ26213-91). Пробные площадки закладывались по требованиям ГОСТ17.4.4.02-84. Содержание валовых и подвижных форм ТМ в аммиачно-ацетатном буферном растворе рН4,8 методом атомно-абсорбционной спектроскопии (ГОСТ30178-96). Определение подвижных соединений фосфора и калия по методу Кирсанова (ГОСТ 26212-91). В почве определялась общая численность КОЕ основных физиологических групп микроорганизмов, которые учитывались классическими методами посева на твёрдые питательные среды: МПА (мясопептонный агар); КАА (крахмало-аммиачный агар), в том числе актиномицеты; среда Чапека с добавлением молочной кислоты - микроскопические грибы; среда Гетчинсона с фильтровальной бумагой - целлюлозоразлагающие микроорганизмы, в том числе бактерии, грибы, актиномицеты. Для оценки уровня химического загрязнения почв, рассчитывали коэффициент концентрации химического элемента (Кс) и суммарный показатель загрязнения (Zc) (Сает,1991). Степень фитотоксичности почвы оценивали в соответствии со стандартом ISO11269-1:2012 по ингибированию роста и развития молодых растений на исследуемых образцах относительно фоновой почвы. Табличные значения точечных оценок математических ожиданий содержания тяжёлых металлов и физиологотрофических групп микроорганизмов в различных зонах антропогенно-техногенного загрязнения и доверительные интервалы нахождения истинных значений с вероятностью Р=0,95 получены в результате статистической обработки проб урбанозёмов и почвы методами дисперсионного анализа .
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
3.1 Экологическая оценка антропогенного воздействия на показатели плодородия урбанозёмов и антропогенно-преобразованных светло-серых лесных почв Учитывая специфические особенности источников загрязнения, весьма важным является комплексный подход к изучению всех видов загрязнения, возникает острая необходимость исследований и объективной оценки степени влияния техногенеза на компоненты биосферы .
3.2 Механический состав и величина удельной поверхности почвенных частиц в урбанозёмах и антропогенно-изменённой светло-серой лесной почве Для урбанозёмов ш.Энтузиастов установлен супесчаный состав, существенно отличающийся от других урбанозёмов по содержанию частиц физической глины и ила. Для почв у МКАД и Каширского ш. состав изменялся от супесчаного вблизи к автотрассам до среднесуглинистого. По степени уменьшения величины удельной поверхности в урбанозёмах установлен следующий ряд: Каширское ш.МКАДш.Энтузиастов. Для светло-серой лесной почвы установлен среднесуглинистый состав с преобладанием ила и крупной пыли, и возрастание величины удельной поверхности частиц до 114,7м2/г вблизи отвала. С удалением состав изменялся до легкосуглинистого с уменьшением ила (8,72%) и величины удельной поверхности (91,95м2/г). Фоновые дерново-подзолистая и светло-серая лесная почвы отличаются супесчаным и легкосуглинистым составом и величиной удельной поверхности (80,45м2/г и 104,0м2/г, соответственно) .
3.3 Физико-химические свойства урбанозёмов и светло-серой лесной почвы антропогеннотрансформированных территорий Для урбанозёмов характерными являются нейтральная реакция среды, высокая насыщенность основаниями почвенно-поглощающего комплекса (от 91,2% до 96,57%), низкие величины гидролитической кислотности, ёмкости катионного обмена (от 9,04мг-экв/100г до 14,61мг-экв/100г), гумусированность повышенная. В почве д. Б.Думчино установлена нейтральная реакция среды, высокие величины степени насыщенности основаниями и содержания подвижных форм фосфора и обменного калия, низкие величины гидролитической кислотности и углерода органических веществ установлены вблизи к отвалу. Свойства фоновой дерново-подзолистой почвы отличаются от состава и свойств урбанозёмов низким содержанием гумуса, преобладанием в составе обменных катионов H+и Al3+ (8,83мг-экв/100г), среднекислой средой (рНkcl4,75) и низкой степенью насыщенности основаниями (26,29%) (таблица 1) .
Светло-серая лесная фоновая почва характеризуется среднекислой средой и высокими величинами: гидролитической кислотности (3,19мг-экв/100г), содержанием обменного калия, а также низкими величинами: суммы обменных оснований (9,7мг-экв/100г), насыщенности основаниями, содержанием гумуса, обеспеченностью подвижными формами фосфора. Если сравнить физико-химические свойства изучаемых урбанозёмов и светло-серых лесных почв, то можно сделать вывод об исторически исходной генетической близости дерново-подзолистых почв г.Москва и светло-серых лесных почв Орловской области, подвергающихся различным видам антропогенных нагрузок .
Рисунок 2. Величина коэффициента суммарного накопления (Zc) валовых форм ТМ в урбанозёмах и светло-серых лесных почвах В оценке степени опасности шлаковый отвал оказывает наибольшее воздействие на загрязнение и накопление ТМ в почве, в сравнении с воздействием автотранспорта .
Для урбанозёмов распределение подвижных форм Zn, Pb, Cu характеризует тренд снижения их концентраций по мере удалённости от автодороги (Cu в 2,45-4,0; Zn в 2,6-6,6; Pb в 1,7-5,6 раза) .
Тренды «уменьшения» и «накопления» наиболее чётко проявляются у ш.Энтузиастов. Вблизи МКАД максимальное количество ТМ установлено для кадмия 56,5%, цинка 20,58% и свинца 9,1% от содержания валовых форм. Количество хрома, меди, в сравнении с их содержанием в фоновой почве возрастало в 1,31;13,23 раза соответственно. При большей удалённости от источника загрязнения количество подвижных форм ТМ снижается для кадмия на 23,08%, меди на 75%, цинка на 51,6%, никеля на 53,85%, свинца на 50%, хрома на 18,2%. Отмечено, что на содержание ТМ существенное влияние оказывает мезорельеф. Так концентрации ТМ постепенно увеличиваются при движении к нижним частям примагистральных склонов .
Почвенные условия урбанозёмов с большей удалённостью от автодороги способствуют большему накоплению подвижных форм ТМ и увеличению степени их подвижности .
Исследования показали, что для урбанозёмов характерна определённая стабильность в динамике накопления подвижных форм ТМ: для МКАД-цинк, свинец, кадмий, для урбанозёмов ш.Энтузиастов-цинк, никель, свинец, для урбанозёмов Каширского ш.-цинк, свинец, медь (рисунок 3) .
Каширское ш. Энтузиастов ш .
мг/кг сух в-ва
МКАД МГ/КГ СУХ В-ВА
Установлено влияние фактора времени на изменение состава подвижных форм ТМ в почве под воздействием шлакового отвала за период 2010-2016гг. Содержание кадмия в почве вблизи шлакового отвала снижается в 24 раза, а с увеличением удалённости его количество снижается в 25,5 раза. Степень подвижности кадмия за период 2010-2016гг. снижается с 45-46% до 4,09от содержания валовых форм. Степень подвижности свинца увеличивается в 2-8 раз в 2016г. Это подтверждается увеличением суммарного коэффициента накопления ТМ от 9,60ед .
вблизи отвала до 6,1ед. в удаленнии на 300м (рисунок 4) .
Рисунок 4. Содержание подвижных форм ТМ в светло-серых лесных почвах д .
Б.Думчино
Для светло-серых лесных почв доля металлов убывает вблизи отвала в ряду:
ZnNiCuPbCrCd, при удалении на 300м в ряду: ZnNiCuPbCdCr в условиях 2010г. В условиях 2016г. доля металлов убывает в ряду: PbZnCuCrNiCd вблизи отвала, а при удалении на 300м: PbCuZnCrNiCd. В фоновой дерново-подзолистой почве самый высокий процент подвижных форм ТМ установлен для кадмия 50% от содержания валовых форм, а для цинка 21,74%, хрома 16,8%, никеля 13,21%, меди 11,24% свинца 8,21% .
3.5 Экологическая оценка микробиоты в почвах техногенно-трансформированных земель Почвы характеризуются достоверными различиями по общей численности основных физиологических и эколого-трофических групп микроорганизмов. Общая численность микроорганизмов у МКАД колебалась в пределах от 3,58107КОЕ/г до 5,72107КОЕ/г, а у Каширского ш. увеличивалось с удалением с 2,92107КОЕ/г (5м) до 5,4107КОЕ/г (300м) .
Численность аммонифицирующих бактерий у МКАД варьировала в пределах с 1,49107КОЕ/г до 2,80107КОЕ/г, а у Каширского ш. изменялась с 0,98107КОЕ/г вблизи до 1,53107КОЕ/г на удалении 300м. В урбанозёмах вблизи МКАД общая численность аминоавтотрофов достигала 2,05107КОЕ/г., а с увеличением на 50м и 300м численность аминоавтотрофов увеличивалась до 2,60107КОЕ/г и 2,85107КОЕ/г соответственно. В урбанозёмах Каширского ш. общая численность аминоавтотрофов изменялась с 1,91107КОЕ/г вблизи до 3,85107КОЕ/г с удалением в 300м. Интенсивность антропогенного воздействия проявляется в разной степени на изменении общей численности микроорганизмов в урбанозёмах у ш.Энтузиастов. Наибольшая численность микроорганизмов установлена вблизи шоссе и на удалении в 50м (2,34107КОЕ/г и 2,65107КОЕ/г соответственно). Самая высокая величина коэффициента минерализации установлена вблизи ш.Энтузиастов (1,31ед.) (таблица 2) .
3,58 1,38 +0,02 +0,01 +0,02 +0,06 +0,07 +0,04 +0,02 МКАД 2,26 2,60 2,26 0,33 0,94 0,90 0,55 4,88 1,15 +0,07 +0,09 +0,03 +0,20 +0,05 +0,04 +0,06 2,80 2,85 1,87 0,98 2,42 2,41 4,91
1,51 1,11 0,79 0,31 1,65 1,62 2,01 2,65 0,74 +0,03 +0,22 +0,04 +0,02 +0,17 +0,08 +0,05 0,41 0,26 0,17 0,08 0,66 0,65 0,41
+0,03 +0,02 +0,04 +0,05 +0,02 +0,02 +0,01 1,35 2,5 2,22 0,27 0,6 0,4 0,32 3,86 1,85 +0,05 +0,06 +0,19 +0,02 +0,03 +0,05 +0,01 1,53 3,85 3,36 0,5 0,93 0,79 0,39
1,85 2,68 1,53 1,15 0,76 0,69 0,75 4,55 1,45 +0,08 +0,02 +0,03 +0,04 +0,02 +0,02 +0,08 0,21 0,50 0,39 0,12 0,28 0,25
0,44 1,29 1,03 0,26 1,6 1,55 0,11 1.74 2,91 +0,01 +0,01 +0,03 +0,01 +0,06 +0,04 Высокий уровень гетерогенности городской среды в условиях микромозаичного строения почвы обусловливает некоторые трудности в выявлении определённых закономерностей функционирования микробных ценозов. Вблизи ш.Энтузиастов и МКАД величина коэффициента минерализации достигает значений 1,31ед. и 1,38ед., соответственно, а с удалением от автотрассы значение коэффициента минерализации снижается до 1,02ед. (МКАД) и 0,63ед. (ш.Энтузиастов). В фоновой дерново-подзолистой почве установлено, что общая численность микроорганизмов в 1,7-2,8 раза ниже их количества в урбанозёмах. Для урбанозёмов у Каширского ш. и почв д. Б.Думчино показано увеличение общей численности микроорганизмов. Самые наибольшие величины коэффициента минерализации установлены на удалении в 300м от Каширского ш. (2,53ед.), и для техногенно-изменённой почвы с удалением от шлакового отвала на 300м (2,91ед.). Установленные исследованиями закономерности изменения эколого-трофических групп микроорганизмов в почвах г.Москвы обусловили необходимость сравнения состояния микробоценозов в светло-серых лесных почвах д .
Б.Думчино. Анализ изменения численности микроорганизмов в светло-серых лесных почвах показал, что 2010г. вблизи от отвала их численность составила 2,12107КОЕ/г, а с увеличением на 300м возрастала до 4,55107КОЕ/г. Общая численность микроорганизмов в урбанозёмах в 1,69 раза превышает их численность в светло-серой лесной почве вблизи отвала, а при удалении она уступает численности в урбанозёмах в 1,26 раз. Следовательно, городские почвы испытывают меньший антропогенный пресс в сравнении с интенсивностью воздействия шлаковых отходов алюминиевого литья. В фоновой дерново-подзолистой почве изменяется не только общая численность микроорганизмов, но и соотношение различных экологотрофических групп (таблица 3) .
Таблица 3 - Влияние интенсивности накопления тяжёлых металлов и степени их подвижности на количество микроорганизмов в почвах
Рисунок 5. Уменьшение активности ферментов в % от незагрязнённой почвы в урбанозёмах в разной удалённости от источника загрязнения Высокая концентрация загрязняющих веществ вблизи автомагистралей, изменение температуры воздуха и влажности приводит к снижению ферментативной активности .
Самыми чувствительными ферментами к воздействию химических токсикантов являются каталаза, уреаза и инвертаза. В почвах изменяется характер метаболизма населяющих её живых организмов, она становится источником экологической опасности для растений и биоты. По нашему мнению, микробное сообщество быстро изменяет свои количественные характеристики и соотношения между различными эколого-трофическими группами, что является основанием использования микробиологических анализов и значений коэффициентов минерализации для мониторинга состояния антропогенно-преобразованных земель .
3.6 Оценка санитарного состояния антропогенно-преобразованных земель Установлено, что особое место среди загрязняющих веществ вблизи автомагистралей занимают нефтепродукты и бенз(а)пирен .
3.7 Влияние различных уровней техногенного загрязнения урбанозёмов и светло-серой лесной почвы на рост и развитие газонных трав Установлена степень фитотоксичности почв по ингибированию роста и развития проростков травосмесей – клевер луговой (красный) «Малиновый лужок», трава газонная «Полисад»
рыхлокустовых злаковых трав, широко используемых для озеленения газонов и установления их устойчивости к тяжёлым металлам при проведении фиторемедиации почв. С увеличением степени подвижности кадмия и свинца, снижается всхожесть семян клевера. Высокая степень подвижности кадмия в условиях сильнокислой среды и супесчаного гранулометрического состава фоновой почвы парка Лосиный о. обусловили низкие биометрические показатели проростков. Степень подвижности и кадмия и свинца снижалась в условиях слабокислой среды и повышалась в нейтральной среде. В условиях светло-серых лесных почв показано, чем выше уровень накопления ТМ, тем ниже общее количество проросших растений злаковой травосмеси и величина их сырой и сухой массы. Установлено влияние увеличения интенсивности и коэффициента суммарного накопления тяжёлых металлов в почве на ингибирование роста и развития растений клевера и злаковой травосмеси с ухудшением их физиологического состояния (таблица 4) .
50 0,75 0,31 0,09 0,21 45 72 4,7 5,10 13,48 5,25 78,9 6,69 Ш .
300 0,99 0,24 0,14 0,19 68 74 2,8 4,35 17,08 2,45 48,57 23,01
300 2,11 0,28 0,20 0,16 78 69 1,98 6,70 35,10 7,74 5,65 49,74
Показано, что для повышения эффективности биотестирования необходимо чётко отрабатывать условия подготовки проб с учётом особенностей химического и агрегатного состава почвенных образцов и выбора биотест-систем, то есть, для разных видов поллютантов необходимо подбирать методы с учётом диапазона их чувствительности и расширять спектр методик биотестирования, предназначенных для экотоксикологической оценки почв .
ВЫВОДЫ
В структуре антропогенно-преобразованных почв г.Москва и светло-серых лесных почв в 1 .зонах техногенного воздействия шлаковых отходов (д. Б.Думчино) в непосредственной близости к источникам загрязнения отмечаются следующие изменения: по гранулометрическому составу (от супесчаного до легкосуглинистого); величине удельной поверхности почвенных частиц от 65,6 до 139,0м2/г; нейтральной реакции среды - рНКСL от 6,5 до 7,3; высокая насыщенность основаниями от 94,8% до 96,6%; высокая обеспеченность доступными формами фосфора и калия, низкая гумусированность от 1,43% до 3,0%; низкая величина ёмкости катионного обмена от 9,04 до 14,26мг-экв/100г, что обусловливает снижение буферных свойств исследуемых почв и уровня их устойчивости к антропогенно-техногенным воздействиям .
Для дерново-подзолистой почвы парковой зоны Лосиный остров и светло-серой лесной 2 .
почвы (фоновые почвы) установлены: среднекислая реакция среды (рНKCl4,75-4,9), низкая величина суммы обменных оснований (9,7-12,89мг-экв/100г), высокая ненасыщенность основаниями, низкая гумусированность (от 1,27% до 1,55%), что является подтверждением генетической близости и сходства основных почвообразовательных процессов, характерных для почв южной тайги и северной лесостепи Центрального Федерального округа .
Комплексными исследованиями экотоксикологического состояния почв антропогеннотрансформированных территорий (урбанозёмов г.Москвы) и светло-серых лесных почв в зонах экстремальных техногенных воздействий шлаковых отходов (д. Б.Думчино) доказана самая высокая плотность загрязнения почв металлами территорий, обусловленная воздействием отходов металлургического производства .
В зонах воздействия автотранспорта и в зоне экстремального техногенного воздействия 4 .
шлакового отвала установлено значительное варьирование количества тяжёлых металлов в антропогенно-преобразованных урбанозёмах. С увеличением удалённости от источника загрязнения отмечается закономерное снижение количества валовых и подвижных форм исследуемых тяжёлых металлов и величины коэффициента суммарного загрязнения (Zс): в зоне действия автотранспорта мегаполиса с 13,08ед. до 2,43ед.(вал.) и с 13,24 ед. до 2,6ед.(подв.), а в зоне действия шлакового отвала (Zс) с 43,1ед. до 5,41ед.(вал.) и с 9,6ед. до 6,1ед.(подв.) .
Выявлено, что при увеличении интенсивности накопления тяжёлых металлов, 5 .
происходит изменение структуры микробного сообщества, характера метаболизма населяющих её живых организмов и закономерное снижение общей численности микроорганизмов (5,72107КОЕ/г до 2,34107КОЕ/г для урбанозёмов и 1,4107КОЕ/г до 0,72107КОЕ/г для зоны действия шлакового отвала). На данном основании исследуемая территория характеризуется как зона экологического риска .
Установлено влияние высоких концентраций загрязняющих веществ (ТМ) в урбанозёмах 6 .
вблизи автомагистралей на изменение интенсивности протеолитической, уреазной, каталазной и инвертазной активности. Показана высокая чувствительность ферментов к воздействию химических токсикантов, таких, как окислительно-восстановительный фермент каталаза и гидролитические ферменты уреаза (фермент азотного обмена) и инвертаза .
Почвы вблизи автомагистралей отличаются наиболее высокой степенью накопления 7 .
нефтепродуктов, бенз(а)пирена и тяжёлых металлов и, как следствие, повышенной фитотоксичностью. Установлено влияние увеличения интенсивности и коэффициента суммарного накопления тяжёлых металлов в почвах на ингибирование роста и развития растений клевера и злаковой травосмеси .
ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ
В ИЗДАНИЯХ, РЕКОМЕНДОВАННЫХ ВАК
1. Stepanova,L.P. Ecological chemical characteristics of deicing materials and technology of their safe application./L.P.Stepanova, E.V.Yakovleva, A.V.Pisareva//Вестник ОрелГАУ.-2014.–Том 48.С.65-73 .
Степанова,Л.П. Физико-химическая оценка восстановления плодородия нарушенных 2 .
серых лесных почв при их рекультивации./Л.П. Степанова, Е.В. Яковлева, А.В .
Писарева//Безопасность в техносфере.-2015.-Том 4.-№2(53).-С.27-32 .
Степанова,Л.П. Состояние плодородия антропогенно - изменённых серых лесных почв и 3 .
его эколого-экономическая оценка./ Л.П. Степанова, Е.В. Яковлева, Е.А. Коренькова, А.В .
Писарева//Вестник РУДН. Серия:Экология и безопасность жизнедеятельности.-2015.-№3.С.105-114 .
Степанова,Л.П. Агроэкономическая оценка восстановления плодородия антропогеннонарушенных и рекультивируемых серых лесных почв./Л.П. Степанова, Е.В.Яковлева, Е.А.Коренькова, А.В.Писарева//Учёные записки Орловского государственного университета. Серия: Естественные, технические и медицинские науки.-2015.-№4.-С.256Раскатов,В.А. Экологическое состояние почвенного покрова городских ландшафтов 5 .
различного функционального использования (на примере г. Москвы)./В.А.Раскатов, Л.П.Степанова, Е.В.Яковлева, А.В.Писарева//Известия ТСХА.-№5.-2016.-С.5-18 .
Степанова,Л.П. Экологическая характеристика антропогенно-трансформированных почв, 6 .
загрязнённых тяжёлыми металлами./Л.П. Степанова, Е.В. Яковлева, А.В .
Писарева//Агрохимия.-№ 12.-2016.-С.60-67 .
Степанова,Л.П. Экологическая оценка структуры микробиологического комплекса 7 .
техногенно-трансформированных земель./Л.П.Степанова, Е.В.Яковлева, А.В.Писарева, В.А.Раскатов//Агрохимический вестник.-№3.-2016.-С.20-25 .
Яковлева,Е.В. Генетико-химическая и агроэкономическая характеристика пахотных 8 .
темно-серых лесных почв./Е.В.Яковлева, Л.П.Степанова, Е.А.Коренькова, А.В.Писарева//Вестник Рязанского государственного агротехнологического университета имени П.А. Костычева.-№2.-2016.-С.63-68 .
Степанова,Л.П. Агрономическая оценка антропогенных воздействий на изменение 9 .
пахотных серых лесных почв Орловской области. Л.П.Степанова, Е.В.Яковлева, / А.В.Писарева//Вестник Мичуринского ГАУ.-№2,-2016.-С.41-45 .
Степанова,Л.П. Геохимическая характеристика антропогенно-преобразованных 10 .
ландшафтов./Л.П.Степанова, Е.В.Яковлева, А.В.Писарева//Агрохимия.-№10.-2016.–С.96 .
Степанова,Л.П. Экологическая оценка характера антропогенного воздействия на 11 .
изменение структуры микробиологического комплекса техногенно-трансформированных земель./Л.П.Степанова, Е.В.Яковлева, А.В.Писарева//Плодородие.-№3.-2016.-С.37-40 .
Писарева,А.В. Миграция тяжёлых металлов от очага загрязнения в зависимости от 12 .
взаимосвязей в ландшафте./А.В.Писарева, С.Л.Белопухов, В.И.Савич, Л.П.Степанова, Е.В.Яковлева, В.В.Гукалов, И.Г.Шайхиев//Вестник Казанского технологического университета.-Том 20,-№6,-2017,-С.160-163 .
Степанова,Л.П. Экотоксикологическое состояние урбанозёмов и антропогеннопреобразованных светло-серых лесных почв.//Л.П.Степанова, Е.В.Яковлева, А.В.Писарева // Вестник Орловского государственного аграрного университета.-№1(64).-2017.–С.4-12 .
Байбеков,Р.Ф. Микробиологическая оценка загрязнения почв парков тяжёлыми 14 .
металлами./Р.Ф.Байбеков, А.В.Писарева, В.И.Савич, Л.П.Мосина//Плодородие.-2017.-№2 (95).С.51–53 .
<
В СБОРНИКАХ ТРУДОВ НАУЧНЫХ КОНФЕРЕНЦИЙ И ИНЫХ ИЗДАНИЯХ
Степанова,Л.П. Состояние водных объектов в местах водопользования населения 15 .
Орловской области и мероприятия по улучшению качества питьевой воды./Л.П.Степанова, Е.В.Яковлева, Е.С.Черный, Е.А.Коренькова, А.В.Писарева, А.И.Мышкин//Экология и промышленность России.-2014.-№2.-С.40-45 .
Степанова,Л.П. Экологическая оценка влияния навозных стоков на химические и 16 .
санитарно-гигиенические показатели поверхностных и подземных вод Орловской области./Л.П.Степанова, Е.А.Коренькова, А.И.Мышкин, Е.В.Яковлева, Е.С.Черный, А.В.Таракин, И.М.Тихойкина, М.Александр, А.В.Писарева, Е.Цыганок//Международный сельскохозяйственный журнал.-2014.-№4.-С.45-48 .
Степанова,Л.П. Химический состав состояния поверхностных вод бассейна реки Ока на 17 .
территории Орловской области./Л.П.Степанова, Е.В.Яковлева, Е.С.Черный, А.В.Писарева//Вестник РУДН.Серия:Экология и безопасность жизнедеятельности.-2015.С.92-99 .
Степанова,Л.П. Экологическая оценка влияния антропогенного воздействия на физикохимические свойства урбанозёмов, дерново-подзолистой почвы парковой зоны (г. Москва) и серой лесной почвы (шлаковый отвал п.Думчино)./Л.П.Степанова, Е.В.Яковлева, А.В.Писарева//Агробизнес и экология.-2015.Т.2.-№2.-С.244-246 .
Писарева,А.В. Техногеохимические аномалии в урбанозёмах в результате 19 .
антропогенных воздействий./А.В.Писарева, Л.П.Степанова, Е.В.Яковлева//XII Международная научная конференция «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии».-2016.-С.323-327 .
Писарева,А.В. Характеристика степени влияния зон экологического неблагополучия на 20 .
здоровье человека (на примере Орловской области)./А.В.Писарева, Л.П.Степанова, Е.В.Яковлева, А.И.Мышкин//Международная научная конференция «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии».-2016.-С.327-329 .
Яковлева, Е.В. Агроэкономическая оценка деградационных изменений плодородия 21 .
пахотных серых лесных почв./Е.В. Яковлева, Л.П. Степанова, А.В. Писарева//Вестник Брянской ГСХА.-2016.-№4.-С.3-15 .
22. Stepanova,L.P. Title:The Environmental Assessment of the Intensity of Heavy Metal Accumulation in Anthropogenically Transformed Soil./L.P.Stepanova, E.V.Yakovleva, A.V.Pisareva//Date due:Visegrad Journal on Bioeconomy and Sustainable Development Manuscript Evaluation Form 10th March.-2016.-P.23-26 .
23. Pisareva, A.V. Characterization of impact degree of zones with severe environmental problems on human health (based on Orel oblast)./A.V.Pisareva, L.P.Stepanova, E.V.Yakovleva, A.I.Myshkin//European Science and Technology.Materials оf the XIV internaional research and practice conference. October 12th – 13th 2016,Munich Germany.-2016,-P.47-53 .
Гукалов,В.Н. Интегральная оценка состояния тяжёлых металлов в почвах./В.Н.Гукалов, 24 .
В.И.Савич, А.В.Писарева//Проблемы рекультивации отходов быта, промышленного и сельскохозяйственного производства. Сборник научных трудов по материалам V Международной научной экологической конференции, посвящённой 95-летию Кубанского ГАУ. – Краснодар.-2017.–С.244-246 .