научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ПОЛЛЮТАНТОВ (ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ, ДИЗЕЛЬНОЕ ТОПЛИВО) НА ДЫХАТЕЛЬНУЮ АКТИВНОСТЬ КОНСТРУКТОЗЕМОВ Охрана окружающей среды. Экология человека

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ПОЛЛЮТАНТОВ (ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ, ДИЗЕЛЬНОЕ ТОПЛИВО) НА ДЫХАТЕЛЬНУЮ АКТИВНОСТЬ КОНСТРУКТОЗЕМОВ»

ЭКОЛОГИЯ, 2013, № 6, с. 436-445

УДК 504.5:546.3+631.461

ВЛИЯНИЕ ПОЛЛЮТАНТОВ (ТЯЖЕЛЫЕ МЕТАЛЛЫ, ДИЗЕЛЬНОЕ ТОПЛИВО) НА ДЫХАТЕЛЬНУЮ АКТИВНОСТЬ КОНСТРУКТОЗЕМОВ © 2013 г. В. И. Васенёв*, Н. Д. Ананьева**, К. В. Иващенко**

*Лаборатория агроэкологического мониторинга, моделирования и прогнозирования экосистем РГАУ-МСХА им. К.А. Тимирязева 127550Москва, ул. Тимирязевская, 49 **Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН 142290 Московская обл., Пущино, ул. Институтская, 2 e-mail: vasenyov@mail.ru Поступила в редакцию 14.12.2012 г.

В молодой (1 месяц) и зрелый (2 года) конструктоземы вносили по отдельности соли тяжелых металлов и дизельное топливо в разных концентрациях. Загрязненный и контрольный варианты кон-структозема помещали на инкубацию и через определенные промежутки времени отбирали навески для измерение углерода микробной биомассы (Смик) и микробного дыхания (МД). Установлено, что показатели молодого конструктозема были почти в 2 раза больше, чем зрелого. Все поллютанты приводили к увеличению Смик, МД и отношения МД/Смик = qCO2. Тип поллютанта влиял на дисперсию МД и qCO2, а продолжительность загрязнения — на Смик. Между концентрацией поллютан-тов и показателем qCO2 обнаружена тесная положительная взаимосвязь, позволяющая считать этот показатель удовлетворительным индикатором загрязнения городской среды.

Ключевые слова: конструктозем, углерод микробной биомассы, микробное дыхание, поллютанты. DOI: 10.7868/S0367059713060115

Почва — ключевой природный ресурс, выполняющий ряд важнейших экологических функций (Добровольский, Никитин, 1990; MEA, 2005; Blum, 2005). Реалии современности связаны с постоянно растущей площадью городов, почвы которых в последнее время заслуживают внимание исследователей (Строганова и др., 1997; Madrid et al., 2002; Lorenz, Kaller, 2005; Poyat et al., 2006). Значительную часть в почвенном покрове городов занимают конструктоземы — искусственно созданные слоистые почвы с доминированием газонных трав в растительном покрове. Именно они становятся основным объектом исследования при изучении почвенного покрова урбоэко-систем (Bandaranayke et al., 2003; Allaire et al., 2008; Васенёв и др., 2012). Однако очевидно, что функционирование городских почв, как и любого другого компонента урбоэкосистемы, подвергается серьезным изменениям в результате антропогенного влияния (Svirejeva-Hopkins et al., 2004; Imhoff et al., 2004).

Большое количество публикаций посвящено изучению диагностических и классификационных аспектов городских почв (Герасимова и др., 2003; Прокофьева, 2004). Существенное внима-

ние уделено также вопросам определения в них токсичных веществ (Chen et al., 1997; Schuhmacher et al., 1997; Alexandrovskaya, Alexandrovskiy, 2000; Li et al., 2001). В то же время изучению микробного сообщества городских почв, в частности кон-структоземов, уделяется недостаточное внимание. Мало изучены вопросы экологической устойчивости конструктозeмов и особенности их функционирования при повышенной антропогенной нагрузке, что, на наш взгляд, может представлять научный и практический интерес. Очевидно, что почвенная микробиота урбоэкосистем может подвергаться воздействию поллютантов, в первую очередь тяжeльи металлов и нефтепродуктов. Кроме того, состояние микробного пула — ключевой фактор экологических функций почвы, определяющих газообмен с атмосферой и круговорот элементов питания (Добровольский, Никитин, 1990; Yuangen et al., 2006). Поэтому изучение конструктоземов, в том числе и при загрязнении, через оценку дыхательной активности микробного компонента позволит понять особенности их функционирования и экологического состояния.

Статус почвенного микробного сообщества характеризуют следующие показатели: углерод микробной биомассы, микробное (базальное) дыхание и удельное микробное дыхание (микробный метаболический коэффициент) (Anderson, Domsch, 1986; Insam et al, 1996; Ананьева, 2003). В научной литературе нет единого мнения о влиянии поллютантов на эти показатели. Так, отдельные авторы (Yuangen et al., 2006; Liao, 2010) считают, что наиболее подходящим индикатором загрязнения почвы, например тяжелыми металлами, служит микробный метаболический коэффициент, который положительно коррелирует с содержанием загрязнителя Однако показано и отсутствие такой корреляции (Insam et al., 1996). Между микробным дыханием и содержанием тяжелых металлов в почве/субстрате отмечают как четкую взаимосвязь (Zhang et al., 2010), так и ее отсутствие (Ohya, 1988). Кроме того, показано, что содержание углерода микробной биомассы и тяжелых металлов в почве часто мало взаимосвязаны (Wardle, 1992; Papa et al., 2010).

Поэтому целью данной работы была оценка дыхательной активности конструктоземов под влиянием поллютантов (тяжелые металлы, нефтепродукты) в лабораторном эксперименте, позволяющем контролировать гидротермические условия, дозу загрязнителя и возраст конструктозема. Были поставлены следующие задачи: 1) создание кон-структоземов разного возраста; 2) определение содержания в них углерода микробной биомассы и скорости микробного дыхания; 3) расчет отношения скорости микробного дыхания к содержанию углерода микробной биомассы; 4) оценка влияния типа и концентрации поллютанта, продолжительности загрязнения и возраста конструкто-зeма на его дыхательную активность; 5) выявление наиболее подходящих изучаемых параметров для индикации загрязнения конструктозeма.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектом исследования служил конструктозем, состоящий из верхнего 15-см слоя смеси низинного торфа и песка (соотношение массы 4 : 1 соответственно), 10 см песка и ниже — дренажа (керамзит, 5 см), помещенный в 5-литровую емкость. Мощность слоев и состав торфосмеси соответствуют практическим рекомендациям (Правила создания..., 2007) и нормативным документам (Порядок контроля., 2005). Созданный таким образом образец обладал усреднеными физико-морфологическими свойствами конструк-тоземов г. Москвы. Модельные конструктоземы помещали на открытую площадку (почвенный стационар МГУ им. М.В. Ломоносова, г. Москва) и хранили при естественных климатических усло-

Таблица 1. Ориентировочно допустимая концентрация (ОДК) свинца (РЬ), меди (Си), кадмия (Сё) и дизельного топлива (ДТ) в песчаной и супесчаной почвах

Поллютант ОДК поллютанта, мг д.в.* кг-1 почвы

Pb-Pb(NO3)2 32

Cu—CuSO4 х 5H20 33

Cd-CdNO3 х 2H20 0.5

ДТ 300

* д.в. — действующее вещество.

виях в течение 1 мес. и 2 лет, что соответствовало их молодому и зрелому возрасту соответственно.

Схема эксперимента. Верхний 10-см слой конструктозема (масса 3.0—3.5 кг) отбирали (для каждого возраста отдельно), высушивали на воздухе (1—2 сут) при комнатной температуре и просевали (сито, диаметр ячеек 1 мм). Затем готовили навески почвы (масса 100 г, всего 29 для каждого возраста), которые увлажняли дистиллированной водой до 50—55% полной влагоемкости (ПВ) и помещали в полиэтиленовые пакеты с воздухообменом для предынкубации (22°С, 7 сут).

По окончании предынкубации в почву (100 г) вносили водный раствор соли (объем 10 мл) тяжелого металла [РЬ (N0^, Си804 х 5Н20, Сё^03)2 х х 2Н20] по отдельности, концентрация которого соответствовала 10, 50, 100 и 200 ориентировочно допустимой концентрации (ОДК) для песчаных и супесчаных почв (Макаров, 2003). Водный раствор дизельного топлива (объем 10 мл) вносили в почву (100 г) в концентрации, соответствующей 10, 50, 100 ОДК (Методические.., 1995). Значение ОДК поллютантов, используемых в эксперименте, приведено в табл. 1. Контролем служил образец, в который была внесена только дистиллированная вода, объем которой соответствовал таковому для загрязненных вариантов. Контрольный и опытный варианты конструктозема помещали на длительную инкубацию (36 сут, 22°С, 60% ПВ). Через определенные промежутки времени (3 ч; 7, 14 и 36 сут) из этих образцов отбирали навески для определения дыхательной активности.

Субстрат-индуцированное дыхание (СИД) почвы оценивали по скорости начального максимального дыхания микроорганизмов после обогащения почвы глюкозой. Навеску почвы (2 г) помещали во флакон объемом 15 мл, добавляли раствор глюкозы (0.2 мл, концентрация 10 мг г-1 почвы), герметично закрывали и фиксировали время. Обогащенный образец почвы инкубирова-

С

^мик 600

500 400 300 200 100 0

(а)

- 2 ♦ 4

-S

|---ä-*-* » * -----*------4

Процент от контроля МД

800

600

400

200

qCÜ2 250

200 150 100

(в)

0

0 50 100 150 200

Cu-CuSO4 х 5H2O, кратность ОДК

Рис. 1. Динамика содержания углерода микробной биомассы (Смик) (а), микробного дыхания (МД) (б) и микробного метаболического коэффициента (17CO2) (в) в молодом конструктоземе при разной концентрации меди (Cu—CUSO4 х 5H2O) и длительности инкубации (ОДК — ориентировочно-допустимая концентрация). Здесь и на рис. 2, 3: 1 — 3 ч; 2 — 7 сут; 3 — 14 сут; 4 — 36 сут.

ли (3—5 ч, 22°С), затем отбирали пробу воздуха из флакона и анализировали с помощью газового хроматографа КристалЛюкс (детектор — катарометр). Время отбора газовой пробы также фиксировали. Скорость СИД выражали в мкл CO2 г-1 почвы ч-1.

Углерод микробной биомассы рассчитывали по формуле: Смик (мкг С г-1 почвы) = СИД (мкл СО2 х х г-1 почвы ч-1) х 40.04 + 0.37 (Anderson, Domsch, 1978).

Микробное (базальное) дыхание (МД) измеряли по скорости выделения CO2 почвой за 24 ч инкубации при 22°С и 60% ПВ. Определение проводили как для СИД, но вместо раствора глюкозы в почву добавляли дистиллированную воду. Скорость МД выражали в мкг CO2-C г-1 почвы ч-1.

Удельное дыхание микробной биомассы (микробный метаболический коэффициент, qCO2) рассчитывали как отношение скорости микробного дыхания к микробной биомассе: МД/Смик = qCO2 (мкг СО2-С мг-1 Смик ч-1).

Статистическая обработка данных. Измерения СИД и МД проводили в 4 повторностях, расчет выполнен на сухую почву (105°С, 8 ч). Использовали основные инструменты базовой статистики (среднее значение, стандартное отклонение, доверительный интервал, корреляционная матрица). Проверка значимости различий средних для молодого и зрелого конструктоземов проведена по критерию Стьюдента (i-тест). Нормальное распр

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.

Показать целиком