«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 .

Результаты исследований применимы в регулярном мониторинге экологического и санитарно-эпидемиологического состояния антропогенно-трансформированных земель, а также в разработке мероприятий по оздоровлению геоэкологической ситуации урбанизированных территорий и организации контроля экологического состояния окружающей среды в зонах экстремальных техногенных воздействий .

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% .

Для фоновой светло-серой лесной почвы самый высокий процент подвижных форм ТМ показан для цинка 34,33%, а для кадмия 33,3%, меди 12,2%, никеля 4,67%, хрома 2,5%, свинца 2,36%. Доля подвижных форм ТМ в светло-серой лесной почве (фон) убывает в ряду: Zn=CdCuNiCrPb, в дерново-подзолистой почве (фон): CdZnCrNiCuPb. Таким образом, при увеличении концентрации ТМ до уровня выпадения осадка, или образования устойчивых комплексов, подвижность ТМ снижается. Но может складываться ситуация увеличения концентрации ТМ в растворе, когда создаются условия для повышения растворимости образуемых осадков, и степень подвижности ТМ увеличивается .

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 .

Самая высокая степень их накопления установлена вблизи ш.Энтузиастов (900мг/кг для нефтепродуктов и 130мг/кг для бенз(а)пирена), с увеличением расстояния до 300м количество нефтепродуктов снижается до 150мг/кг, а бенз(а)пирена до 54мг/кг. Концентрация бенз(а)пирена в почвах города превышает допустимый уровень в 2700 раз, что обусловливает несоответствие исследованных урбанозёмов требованиям ГН2.1.7.2014-06. По всем исследуемым ТМ в почвах города не установлены концентрации ТМ, превышающие допустимые уровни их содержания в почве. Оценку санитарного состояния исследуемых урбанозёмов осуществляли по величине санитарного числа «С», которое косвенно характеризует процесс гумификации органического вещества и позволяет оценить самоочищающую способность почвы от органических загрязнений. Санитарное число определяют отношением количества азота гуминовых веществ почвы «А» к количеству органического азота «В», то есть С=А:В. Величина санитарного числа «0,76» показывает, что урбанозёмы вблизи шоссе являются загрязнёнными. С большим удалением от шоссе степень загрязнения снижается, а величина санитарного числа возрастает до «0,93». Исследованные почвы по микробиологическим и паразитологическим показателям соответствуют СанПиН 2.1.7.1287-03 и относятся к категории загрязнения почв «Чистая» .

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 .