ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2009, № 8, с. 1007-1013
ДЕГРАДАЦИЯ, ВОССТАНОВЛЕНИЕ ^^^^^^^^^^ И ОХРАНА ПОЧВ
УДК 631.4;574;504
ИЗМЕНЕНИЕ ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЧЕРНОЗЕМА ОБЫКНОВЕННОГО ПРИ ЗАГРЯЗНЕНИИ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ ВТОРОГО КЛАССА ОПАСНОСТИ (Мо, Со, Сг, N1)*
© 2009 г. С. И. Колесников, А. В. Евреинова, К. Ш. Казеев, В. Ф. Вальков
Биолого-почвенный факультет Южного федерального университета, 344006, Ростов-на-Дону, ул. Большая Садовая, 105 Поступила в редакцию 21.12.2007 г.
Загрязнение чернозема обыкновенного тяжелыми металлами второго класса опасности (Мо, Со, Сг, N1), как правило, ведет к уменьшению численности сапротрофных бактерий и грибов, бактерий рода Аго1оЪас1вт, активности каталазы и инвертазы, скорости разложения целлюлозы и мочевины, усиливается фитотоксичность. По степени экологической опасности исследованные тяжелые металлы образуют следующий ряд: Сг > Со > N1 > Мо.
ВВЕДЕНИЕ
Разные тяжелые металлы (ТМ) представляют опасность для живых организмов в различной степени. Наиболее опасны ТМ первого класса опасности, такие как свинец, ртуть, кадмий, цинк. Последствия загрязнения почв этими элементами изучено более детально, а элементов, относящихся ко второму и третьему классам опасности, исследованы значительно в меньшей степени [8, 14, 17].
Цель настоящей работы - исследовать влияние загрязнения ТМ второго класса опасности (Мо, Со, Сг, N1) на эколого-биологические свойства чернозема обыкновенного.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
В качестве объекта исследования был использован чернозем обыкновенный южно-европейской фации. Отбор образцов почвы для модельных опытов производился на территории ОПХ ДонГАУ, п. Персиановский, Ростовская обл.
ТМ вносили в почву в форме оксидов: СоО, №2О3, СгО3, Мо2О3. Концентрации загрязняющих веществ - 1, 10, 100 и 1000 ПДК. Использовали предельно допустимые концентрации (ПДК), разработанные в Германии, так как в России ПДК валовых форм для Мо, Со и N1 нет. Значения ПДК ТМ в почве составили для Мо - 10, Со - 50, Сг - 100, № - 100 мг/кг воздушно-сухой почвы [16].
Так как оксиды исследованных ТМ не растворимы в воде, то для их равномерного распределения во всем объеме почвы вегетационного сосуда, их сначала растирали с небольшим количе-
* Исследование выполнено при финансовой поддержке Федерального агентства по науке и инновациям (гранты Президента РФ < МД-3944.2005.4 и < МД-3155.2007.4) и РФФИ (проекты < 07-04-00690-а и < 07-04-10132-к).
ством почвы, а затем тщательно смешивали с остальной почвой.
Модельные опыты были заложены в трехкратной повторности. Инкубирование почвы массой 1 кг проводили в стеклянных вегетационных сосудах при температуре 20-22°С и влажности почвы 60% от наименьшей полевой влагоем-кости.
Образцы для лабораторно-аналитических исследований отбирали через 10, 30 и 90 дней после загрязнения. Лабораторно-аналитические исследования выполнены на кафедре экологии и природопользования РГУ (ныне ЮФУ) с использованием общепринятых в почвоведении, биологии и экологии методов [9, 13]. Численность аммонифицирующих бактерий и микроскопических грибов учитывали методом посева почвенной суспензии на плотные питательные среды (мясо-пептонный агар и кислую среду Чапека соответственно). Численность А10ЮЪас1вт учитывали методом комочков обрастания на среде Эшби. Активность каталазы измеряли по методике Галстяна [3], инвертазы -по методу Галстяна в модификации Хазиева [15]. Целлюлозолитическую способность определяли по степени разложения хлопчатобумажного полотна, экспонированного в почве в течение 10 дней [4]. С помощью экспресс-метода Аристов-ской и Чугуновой [1] измеряли скорость разложения в почве мочевины. Фитотоксичность почвы оценивали по показателям прорастания семян озимой пшеницы (всхожесть, энергия прорастания, дружность прорастания, скорость прорастания) и интенсивности начального роста проростков (длина корней, длина зеленых проростков).
Интегральный показатель состояния почвы (ИПБС) определяли на основе наиболее информативных показателей биологической активно-
%
120 100 80 60 40 20 0 120 100 80 60 40 20 0 120 100 80 60 40 20 0
А
В
XI
_CLl
Mo Co Cr Ni
□ ; 02 Ш D4D 5
Рис. 1. Влияние загрязнения Мо, Со, Сг, N1 на численность аммонифицирующих бактерий (А), микроскопических грибов (Б) и бактерий рода А1о1оЪас1вг (В) в черноземе обыкновенном через 10 сут после внесения. Условные обозначения здесь и далее: 1 - контроль; 2 - 1 ПДК; 3 - 10 ПДК; 4 - 100 ПДК; 5 - НСР05.
сти почвы [11]: численности аммонифицирующих бактерий, микроскопических грибов, бактерий рода AzotoЪacter, активности каталазы, инверта-зы, целлюлозолитической активности.
Для расчета ИПБС значение каждого из шести указанных выше показателей на контроле (в незагрязненной почве) принимали за 100%, и по отношению к нему выражали в процентах значения в остальных вариантах опыта (в загрязненной почве). Затем определяли среднее значение шести выбранных показателей для каждого варианта опыта. Полученное значение (ИПБС) выражали в процентах по отношению к контролю (к 100%). Использованная методика позволяет интегрировать (суммировать) относительные значения разных показателей, абсолютные значения которых не могут быть суммированы, так как имеют разные единицы измерения.
Выбор биологических показателей обусловлен следующими причинами. Численность аммонифицирующих бактерий и микроскопических грибов характеризует состояние редуцентов в экосистеме. Бактерии рода AzotoЪacter традиционно используют как индикатор химического за-
грязнения почвы. Каталазная, инвертазная и цел-люлозолитическая активности отражают интенсивность биологических процессов в почве. Каталаза характеризует протекание окислительно-восстановительных процессов, инвертаза - гидролитических. При этом активность ферментов каталазы и инвертазы служит показателем потенциальной биологической активности почвы, а скорость разложения полотна характеризует актуальную активность. Представленный набор показателей дает объективную и информативную картину о протекающих в почве биологических процессах и о ее экологическом состоянии.
Для оценки взаимосвязи и взаимообусловленности происходящих в почве процессов применили корреляционный и дисперсионный анализы с последующим определением наименьшей существенной разности (НСР).
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Поскольку на рисунках полученные результаты представлены в процентах от контроля (незагрязненной почвы) приводим значения исследованных показателей на контроле (через 10 сут с момента загрязнения) в абсолютных единицах измерения: численность аммонифицирующих бактерий - 2.0 млн. КОЕ/г почвы, микроскопических грибов - 27 тыс. КОЕ/г, бактерий рода AzotoЪacter -86%, активность каталазы - 9.2 мл О2 на 1 г почвы за 1 мин, активность инвертазы - 46.2 мг глюкозы на 1 г почвы за 24 ч, целлюлозолитическая активность - 89% от исходной массы полотна через 10 дней, скорость разложения мочевины - рН 8.8 через 24 ч, длина корней - 45 мм на 5-е сутки.
Численность аммонифицирующих бактерий. Установлено, что загрязнение чернозема обыкновенного Мо, Со, Сг, N1, как правило, ведет к снижению численности аммонифицирующих бактерий (рис. 1А). Степень сокращения численности зависит от элемента, его концентрации в почве и длительности загрязнения.
По степени уменьшения численности аммонифицирующих бактерий чернозема обыкновенного исследованные элементы образуют следующий ряд: Сг > N1 > Со > Мо (усреднено по продолжительности экспозиции и концентрациям загрязняющих веществ). Однако в зависимости от срока и дозы последовательность элементов может меняться.
Существенное влияние на численность бактерий оказывает концентрация загрязняющего вещества в почве. Уменьшение численности бактерий от концентрации загрязняющего вещества выражено значительно при загрязнении хромом, кобальтом и никелем. В почве с молибденом численность бактерий снижалась в наименьшей степени, что свидетельствует о меньшей зависимо-
сти численности бактерий от концентрации металла в почве. Так, загрязнение почвы 100 ПДК Мо вызвало менее значительное снижение численности аммонифицирующих бактерий по сравнению с 1 и 10 ПДК.
Токсическое действие металлов сильно зависело от времени. Для всех элементов характерно наибольшее уменьшение численности аммонифицирующих бактерий на 30-е сутки после загрязнения, после чего на 90-е сутки наблюдается некоторое восстановление их численности, особенно, в вариантах с 1 ПДК хрома, кобальта и никеля, вплоть до численности в незагрязненной контрольной почве.
Численность микроскопических грибов. Загрязнение чернозема обыкновенного Мо, Со, Сг, N1 в основном ведет к снижению численности микроскопических грибов (рис. 1Б). По степени подавления численности микромицетов в черноземе обыкновенном исследованные элементы образуют следующий ряд: Сг > № > Со = Мо. Аналогичная последовательность элементов получена и по воздействию на аммонифицирующие бактерии.
Наибольшее влияние на микроскопические грибы оказывает концентрация загрязняющего вещества в почве. С увеличением концентрации загрязняющего вещества в почве наблюдали снижение численности микроскопических грибов. Эта зависимость всегда четче проявляется на элементах, оказывающих более сильное негативное воздействие и в сроки наибольшего воздействия, например, при загрязнении хромом во второй и в третий сроки с момента загрязнения.
Изменение численности микроскопических грибов от срока после внесения ТМ не существенно. Большее подавление микромицетов зарегистрировано на 30-е и 90-е сутки от момента загрязнения. Это притом, что в отличие от микроскопических грибов численность аммонифицирующих бактерий на 90-е сутки уже начинает восстанавливаться.
Бактерии рода АююЪасгвт. При загрязнении чернозема обыкновенного хромом, кобальтом или никелем наблюдали подавление бактерий рода AzotoЪactвт. Напротив, внесение молибдена зачастую приводило к стимуляции численности этих бактерий (рис. 1В). По степени подавления развития бактерий рода AzotoЪactвт исследованные элементы образуют следующий ряд: Сг > Со > № > Мо. При загрязнении хромом в концентрации 100 ПДК происходило полное подавление развития бакте
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.