АГРОХИМИЯ, 2011, № 1, с. 81-89
УДК 632.122.1:631.445.41:631.46
БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЧЕРНОЗЕМА ОБЫКНОВЕННОГО ПРИ ЗАГРЯЗНЕНИИ Ba, Mn, Sb, Sn, Sr, V, W*
© 2011 г. С.И. Колесников, С.В. Пономарева, Т.В. Денисова, К.Ш. Казеев, В.Ф. Вальков
Южный федеральный университет 344006 Ростов-на-Дону, Большая Садовая ул., 105, Россия E-mail: kolesnikov@sfedu.ru
Поступила в редакцию 11.10.2009 г.
Загрязнение Ba, Mn, Sb, Sn, Sr, V, W привело к снижению численности аммонифицирующих бактерий, микроскопических грибов, обилия бактерий рода Azotobacter, активности каталазы и инвертазы, цел-люлозолитической способности, увеличению фитотоксичности, изменению рН. Степень изменения свойств почвы зависела от свойств элемента, величины его содержания в почве, формы химического соединения, срока от момента загрязнения.
Ключевые слова: биологические свойства почвы, чернозем обыкновенный, загрязнение Ba, Mn, Sb, Sn, Sr, V, W.
ВВЕДЕНИЕ
Существенный вклад в ухудшение почвенного покрова во всем мире вносит загрязнение тяжелыми металлами (ТМ). Они относятся к приоритетным загрязняющим веществам. Экологические последствия загрязнения почвы такими металлами как Ва, Мп, БЪ, Бп, Бг, V, W изучены недостаточно [1-3].
Цель работы - изучение основных закономерностей влияния Ва, Мп, БЪ, Бп, Бг, V, W на биологические свойства чернозема обыкновенного: выявление в условиях загрязнения закономерности изменения численности и активности микроорганизмов, ферментативной активности, фитотоксичности, щелочно-кислотных условий и других свойств почвы; анализ изменения свойств почвы в зависимости от параметров загрязнения: природы элемента, концентрации его в почве, формы соединения, срока от момента загрязнения; оценка степени информативности и чувствительности различных биологических показателей и определение целесообразности их использования в целях мониторинга, диагностики и нормирования загрязнения почв и экосистем исследованными ТМ.
* Работа выполнена при поддержке ФЦП Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг. (ГК П322, П169) и проекта НШ-53.16.2010.4.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Были исследованы черноземы обыкновенные североприазовские, которые подвержены значительной антропогенной нагрузке. Почву для модельных исследований отбирали из пахотного горизонта на территории опытно-полевого хозяйства ДонГАУ, п. Персиановский, Ростовской обл.
Было исследовано загрязнение почвы поллютан-тами 3-го класса опасности (табл. 1): Мп, Ва, V, W, Бг, а также БЪ, относящейся ко 2-му классу опасности и Бп, которое не отнесено ГОСТом [4] ни к одному из классов опасности, но часто характеризуется как загрязняющий элемент. Все другие элементы ГОСТа были исследованы по аналогичной методике в предыдущих работах [5-8].
ТМ вносили в почву в форме оксидов (Мп02, ВаО, V205, W03) и хлоридов (МпС12, ВаС12, 8ЪС12, БпС12, БгС12). Хлориды металлов растворяли в воде и вносили в почву при первом поливе. Оксиды металлов сначала растирали с небольшим объемом почвы, а затем смешивали с остальной почвой, после чего почву увлажняли водой.
Изучали действие разных концентраций загрязняющих веществ. Содержание ТМ в почве выражали в ПДК (если таковое для данного элемента разработано) или в УДК - «условно допустимой концентрации» (если ПДК элемента в почве не разработано). ПДК Мп в почве равна 1500 мг/кг, БЪ и Бп - 4.5 мг/кг, V - 150 мг/кг. Для остальных элементов (Ва, Бг и W) были условно приняты УДК, равные тройной фоновой концентрации элемента
Таблица 1. Классы загрязняющих почву веществ по степени их опасности [4]
Класс Элемент
I. Высоко опасные ЛБ, Сё, Щ, РЪ, Бе, Zn, F
II. Умеренно опасные В, Со, №, Мо, Си, БЪ, Сг
III. Мало опасные Ва, V, ^ Мп, Бг
Таблица 2. ПДК и УДК элементов в почве (валовое содержание), мг/кг почвы
Элемент Кларк в почве [16] Кларк в черноземах [18] ПДК* [16] УДК
Ва _ 500 _ 1500
Мп 1000 500 1500 -
БЪ 1 1 4.5 -
Бп 4 1.5 4.5 -
Бг 250 250 - 750
V 90 50 150 -
W 1.5 - - 4.5
* ПДК - предельно допустимая концентрация. ** УДК - условно допустимая концентрация (3 фона).
в почве, на том основании, что ПДК Мп, БЪ и Бп равны величине ~ 3-х их фоновых концентраций в почве (табл. 2). УДК Ва в почве определили как 1500 мг/кг, Бг - 750 мг/кг, W - 4.5 мг/кг.
В почву вносили 1, 10 и 100 ПДК (УДК) элемента.
Модельные опыты были заложены в трехкратной повторности. Инкубирование образца почвы массой 1 кг проводили в стеклянных вегетационных сосудах при температуре 20-22 оС и влажности почвы 60% НПВ.
Лабораторно-аналитические исследования проводили через 10, 30 и 90 сут от момента загрязнения, с использованием методов, существующих в экологии, биологии и почвоведении [9-11]. Численность аммонифицирующих бактерий и микроскопических грибов учитывали методом посева почвенной суспензии на плотные питательные среды (мясо-пептонный агар и подкисленную среду Чапека соответственно). Обилие бактерий рода Azotobacter учитывали методом комочков обрастания на среде Эшби. Активность каталазы измеряли по методике Галстяна [12], инвертазы - по методу Галстяна в модификации Хазиева [13]. Целлюлозолитическую способность определяли по степени разложения хлопчатобумажного полотна, экспонированного в почве в течение 10 сут [14]. С помощью экспресс-метода Аристовской и Чугуновой [15] измеряли скорость разложения мочевины в почве. Фитотоксич-ность почвы оценивали по показателям прорастания
семян озимой пшеницы (всхожести, энергии прорастания, дружности прорастания, скорости прорастания) и интенсивности начального роста проростков (длины корней, длины зеленых проростков).
Интегральный показатель состояния почвы (ИПБС) определяли на основе наиболее информативных показателей биологической активности почвы [6]: численности аммонифицирующих бактерий, микроскопических грибов, обилия бактерий рода Azotobacter, активности каталазы, инвертазы, целлюлозолитической активности.
Для расчета ИПБС величину каждого из 6-и указанных выше показателей в контроле в незагрязненной почве принимали за 100% и по отношению к нему определяли (в %) величины показателей в остальных вариантах опыта в загрязненной почве. Затем определяли среднюю величину 6-и отобранных показателей для каждого варианта опыта. Полученную величину (ИПБС) выражали в % по отношению к контролю (к 100%). Использованная методика позволила интегрировать (суммировать) относительные величины разных показателей, абсолютные величины которых не могут быть суммированы, так как имеют разные единицы измерения.
Выбор биологических показателей обусловлен следующими причинами. Численность аммонифицирующих бактерий и микроскопических грибов характеризовала состояние редуцентов в экосистеме. Бактерии рода Azotobacter использовали как индикатор химического загрязнения почвы. Ката-лазная, инвертазная и целлюлозолитическая активность показывали интенсивность минерализацион-ных процессов в почве. Каталаза характеризовала окислительно-восстановительные процессы, ин-вертаза - гидролитические. При этом активность ферментов каталазы и инвертазы служила показателем потенциальной биологической активности почвы, а скорость разложения полотна характеризовала актуальную активность.
Статистическая обработка данных была проведена с использованием дисперсионного анализа с определением НСР05 и корреляционного анализа. Для проведения математической обработки результатов исследования использовали компьютерную программу Statistica 6.0.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В статье в качестве примера представлены результаты влияния загрязнения ТМ на различные биологические свойства чернозема обыкновенного на 30-е сут после загрязнения (рис. 1-3).
Установлено, что загрязнение чернозема обыкновенного исследованными ТМ (Ва, Мп, БЪ, Бп, Бг, V, W) в подавляющем большинстве случаев приводило к снижению биологических показателей
% (а)
□ Контроль El 1 ПДК (УДК) И 10 ПДК (УДК) Ш 100 ПДК (УДК) □ НСР05
%
12010080 н 6040 н 20-о-
(в)
и
Ва
[Л Контроль
Mn Sb
13 1 ПДК (УДК)
Sn Sr V W
10 ПДК (УДК) Щ 100 ПДК (УДК) □ НСР05
Рис. 1. Влияние загрязнения ТМ на численность аммонифицирующих бактерий (а), микроскопических грибов (б), обилие бактерий рода А2о1оЪаСег (в) в черноземе обыкновенном через 30 сут после загрязнения, % от контроля (Ва, Мп, БЪ, Бп, Бг - хлориды, V, W - оксиды. То же на рис. 2, 3).
% 120
(а)
100 80 Н 60 40 Н 20 0
XI
Я
И
И
тез
те
те
те
те
тез
за П тез
Л
Ва
ГЛ Контроль
вь
1 ПДК (УДК)
% 120
10 ПДК (УДК) (б)
100 ПДК (УДК)
□ НСР05
100 80 н 60 40 н 20 о
и
и
и
л
и
и
л
Ва
ГП Контроль
Мп БЬ
Ц 1 ПДК (УДК)
% 120
Бп
10 ПДК (УДК)
(в)
Бг
100 ПДК (УДК)
XV
□ НСР05
100 80 н 60 40 н 20 о
д
д
д
Ва
Щ Контроль
Мп вь
Ш 1 ПДК (УДК)
Бп
10 ПДК (УДК)
Бг V
Ц 100 ПДК (УДК)
Рис. 2. Влияние загрязнения ТМ на активность каталазы (а), инвертазы (б), целлюлозолитическую активность (в) в черноземе обыкновенном через 30 сут после загрязнения, % от контроля.
БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЧЕРНОЗЕМА ОБЫКНОВЕННОГО ПРИ ЗАГРЯЗНЕНИИ... 85 %
12010080604020-о-
Ва Мп БЬ Бп Бг V
□ Контроль Щ 1 ПДК (УДК) Ц 10 ПДК (УДК) Щ 100 ПДК (УДК) □ НСР0 5
рН 108642-
о-
%
120100806040200-
Рис. 3. Влияние загрязнения ТМ на фитотоксичность (всхожесть редиса) (а), величину рН (б) и интегральный показатель биологического состояния (ИПБС) (в) чернозема обыкновенного через 30 сут после загрязнения, % от контроля.
Таблица 3. Определение интегрального показателя биологического состояния (ИПБС) чернозема обыкновенного при загрязнении ВаО на 30-е сут после загрязнения, % от контроля
Загрязняющее вещество Численность аммонифицирующих бактерий Численность микроскопических грибов Обилие бактерий рода Azotobacter Активность каталазы Активность инвертазы Пеллюлозо-разрушающая активность ИПБС
Контроль ВаО 1 УДК 10 УДК 100 УДК 100 60 27 10 100 96 71 0 100 92 0 0 100 93 70 45 100 98 105 102 100 78 61 44 100 88 60 37
чернозема обыкновенного. Степень снижения зависела от свойств элемента, величины содержания его в почве, формы химического соединения, срока от момента загрязнения.
В большинстве вариантов отмеч
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.