ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2008, № 4, с. 448-453
^ БИОЛОГИЯ ^^^^^^^^^^^^^^^^
ПОЧВ
УДК 631.4;574;504
ВЛИЯНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ФТОРОМ, БОРОМ, СЕЛЕНОМ, МЫШЬЯКОМ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЧЕРНОЗЕМА ОБЫКНОВЕННОГО*
© 2008 г. С. И. Колесников, А. А. Попович, К. Ш. Казеев, В. Ф. Вальков
Биолого-почвенный факультет Южного федерального университета, 344006, Ростов-на-Дону, Большая Садовая, 105 Поступила в редакцию 23.11.2006 г.
Загрязнение F, B, Se, As в подавляющем большинстве случаев, ведет к ухудшению эколого-биоло-гических свойств чернозема обыкновенного: снижается численность сапротрофных бактерий, особенно бактерий рода Azotobacter, и грибов, ферментативная активность, усиливается фитотоксич-ность и т.д. Последствия загрязнения зависят от природы элемента, концентрации его в почве, химической формы соединения, срока с момента загрязнения. По степени ухудшения свойств чернозема обыкновенного исследованные элементы образуют следующие ряды: B > Se > As > F (если за единицу измерения содержания элемента в почве принять ПДК) и Se > As > B > F (если за единицу измерения содержания элемента в почве принять миллиграммы или миллимоли на килограмм почвы).
ВВЕДЕНИЕ
Особый интерес к Б, В, 8е, Лв вызван тем, что в малых концентрациях, по-видимому, все они являются необходимым условием для обеспечения нормальной жизнедеятельности организмов, а в высоких - обладают токсическим действием. Кроме того, элементам-неметаллам в научных исследованиях уделено меньше внимания, чем, например, тяжелым металлам [5, 11, 16].
Цель настоящей работы - исследовать изменение эколого-биологических свойств чернозема обыкновенного при загрязнении Б, В, 8е, Лв.
В соответствии с целью были поставлены следующие задачи: 1) изучить закономерности, механизмы и последствия воздействия химического загрязнения на эколого-биологические свойства почв: численность и активность микроорганизмов, ферментативную активность, фитотоксичность почв и т.д.; 2) проанализировать изменения свойств почв при различных параметрах загрязнения: природы элемента, концентрации его в почве, формы химического соединения, срока с момента загрязнения; 3) установить последовательность биологических свойств почв по степени их устойчивости к загрязнению исследованными элементами.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Был заложен ряд модельных опытов. В качестве объекта исследования использован чернозем
* 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 (гранты < 07-04-00690-а и < 07-04-10132-к).
обыкновенный южно-европейской фации карбонатный среднемощный малогумусный тяжелосуглинистый на желто-бурых лёссовидных суглинках. Отбор почвы для модельных опытов производился на территории опытно-полевого хозяйства Дон-ГАУ, пос. Персиановский, Ростовской обл. Почву для модельных экспериментов отобрали из пахотного горизонта.
Исследовано загрязнение почвы Б, В, 8е, Лв. Изучали действие разных концентраций загрязняющих веществ - 1, 10 и 100 ПДК. Использовали ПДК, разработанные в Германии [7, 13], так как в России ПДК валовых форм для Б, В и 8е не разработаны, а ПДК для Лв составляет 2.0 мг/кг почвы, что в 3 раза меньше среднего содержания в почве [5, 7, 13, 15]. ПДК в почве Б составляет 500 мг/кг воздушно-сухой почвы, В - 100; 8е - 10, Лв - 50. Фтор в почву вносили в форме фторида натрия (КаБ) и фторида кальция (СаБ2), бор - в форме тетрабората натрия (Ка2В407 ■ 10Н20) и оксида бора (В203), селен - селенистой кислоты (Н28е03), мышьяк - арсенита натрия (Ка3Лв02). Природное и антропогенное загрязнение почв, зачастую происходит именно этими химическими формами исследуемых веществ. Фтор и бор вносили в почву в виде разных соединений с целью изучения зависимости действия элемента от химической формы.
Почву инкубировали при комнатной температуре и оптимальной влажности (60% от наименьшей влагоемкости). Модельные опыты ставили в 3-кратной повторности. Лабораторно-аналитиче-ское определение свойств почвы проводили через 10, 30 и 90 дней после загрязнения.
За систему отсчета количества загрязняющего вещества в почве была принята предельно допустимая концентрация (ПДК), а не количество элемента в миллиграммах на килограмм почвы. При этом исходили из соображения, что разные элементы содержатся в почве в различных, несопоставимых, если их выражать в миллиграммах, количествах, различающихся в 50 раз, а, кроме того, обладают различной степенью токсичности. Поэтому для сопоставления силы воздействия различных элементов на биологическую активность, решено было воспользоваться величинами их ПДК в почве.
В исследовании предпринята попытка проанализировать весь диапазон концентраций загрязняющих веществ в почве, встречающийся в настоящее время в природе. Содержание в почве загрязнителей до 100 ПДК и более нередко встречается в районах предприятий химической, металлургической и топливной промышленности. Загрязнение почвы до 10 ПДК, помимо названных источников, является следствием сельскохозяйственных мероприятий (минеральные и органические удобрения, сточные воды, пестициды) [5, 15].
Лабораторно-аналитические исследования выполнены на кафедре экологии и природопользования РГУ с использованием общепринятых в почвоведении, биологии и экологии методов [6, 10]. Численность аммонифицирующих бактерий и микроскопических грибов учитывали методом посева почвенной суспензии на плотные питательные среды. Использовали свежие образцы почв. Численность бактерий учитывали на мясо-пептонном агаре, численность грибов - на подкисленной среде Чапека. Количество Azotobacter считали методом комочков обрастания на среде Эшби. Активность каталазы и уреазы измеряли по методикам Галстяна [2], инвертазы и дегидро-геназы - по методам Галстяна в модификации Ха-зиева [14]. "Дыхание" почв определяли по Макарову в модификации Казеева с соавт. [6] с использованием в качестве поглотителя С02 0.1 н. раствор NaOH. Целлюлозолитическую способность определяли по степени разложения хлопчатобумажного полотна, экспонированного в почве в течение 10 дней. С помощью экспресс-метода Аристовской и Чугуновой в модификации Колесникова с соавт. [9] измеряли скорость разложения в почве мочевины. О фитотоксичности почв судили по изменению показателей прорастания семян (всхожести, энергии прорастания, дружность и скорости прорастания) и интенсивности начального роста проростков (длины корней и зеленых проростков). В качестве тест-объектов использовали озимую пшеницу, рожь и редис. Содержание гумуса определяли по методу Тюрина со спектро-фотометрическим окончанием. Содержание в
почве аммиачного азота определяли с использованием реактива Несслера, нитратного азота - по методу Грандваль-Ляжу. Реакцию почвенной среды (рН) определяли потенциометрическим методом.
С целью выявления общих закономерностей воздействия того или иного негативного фактора, в частности загрязняющего вещества, на экологическое состояние почв Казеев с соавт. [6] рекомендуют использовать интегральный показатель биологического состояния почвы (ИПБС), который определяется на основе наиболее информативных показателей биологической активности почвы. В настоящем исследовании интегральный показатель был рассчитан по следующим показателям: численности аммонифицирующих бактерий, микроскопических грибов, бактерий рода А101оЪас1вт, активности каталазы, инвертазы, целлюлозолитической активности. Численность аммонифицирующих бактерий и микроскопических грибов характеризует состояние редуцентов в экосистеме. Бактерии рода AzotoЪacter традиционно используют как индикатор химического загрязнения 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 биологическую активность. Таким образом, представленный набор показателей дает объективную и информативную картину о протекающих в почве биологических процессах и о ее экологическом состоянии.
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) выражено в процентах по отношению к контролю (100%). Использованная методика позволяет интегрировать относительные значения разных показателей, абсолютные значения которых не могут быть суммированы, так как имеют разные единицы измерения.
Для оценки взаимосвязи и взаимообусловленности происходящих в почве процессов применили дисперсионный, корреляционный и регрессионный анализы [3]. Дисперсионный анализ использовали для оценки достоверности влияния загрязнения на исследуемые показатели. В целях
ЁдЯ
% от контроля 120 100 80 60 40 20 0 120 100 80 60 40 20 0 120 100 80 60 40 20 0
1
А
I
П_
I
И
Б
а
I
в
1
п, 1 П
Б В 8е As
□ Контроль П 1 ПДК □ 10 ПДК □ 100 ПДК □ НСР05
Рис. 1. Влияние загрязнения Б, В, 8е, А8 на численность аммонифицирующих бактерий (А), микроскопических грибов (Б) и бактерий р. АгоХоЪасХет (В) в черноземе обыкновенном через 10 суток с момента загрязнения.
и
% от контроля 120 100 80 60 40 20 0 120 100 80 60 40 20 0
120 100 80 60 40 20 0
А
Б
в
И
а
_п
II
I
Б В 8е
□ Контроль □ 1 ПДК □ 10 ПДК |
ЕЬ
As
100 ПДК □ НСР05
Рис. 2. Влияние загрязнения Б, В, 8е, Д8 на активность каталазы (А), инвертазы (Б) и целлюлозолити-ческую активность (В) чернозема обыкновенного через 10 суток с момента загрязнения.
удобства интерпретации результатов дисперсионного анализа по его данным вычисляли наименьшую существенную разность (НСР). Корреляционный анализ применяли для изучения тесноты и формы связи между концентрацией в почве загрязняющего вещества и исследуемыми показателями. Регрессио
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.