АГРОХИМИЯ, 2010, № 7, с. 62-67
УДК 632.122.1.2:631.46:631.445.42
ВЛИЯНИЕ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ И НЕФТЬЮ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЧЕРНОЗЕМА ВЫЩЕЛОЧЕННОГО СЛИТОГО*
© 2010 г. С.И. Колесников1, З.Р. Тлехас2, К.Ш. Казеев1, Е.Н. Ротина1, В.Ф. Вальков1
1Южный федеральный университет 344006 Ростов-на-Дону, ул. Большая Садовая, 105, Россия Е-та11: kolesnikov@sfedu.ru 2Майкопский государственный технологический университет 385000 Республика Адыгея, Майкоп, ул. Первомайская, 191, Россия
Поступила в редакцию 14.05.2009 г.
Установлено, что загрязнение слитого чернозема Сг, Си, N1, РЬ, нефтью приводит к уменьшению численности бактерий рода Аго^ЪаМег, активности каталазы и дегидрогеназы, целлюлозолитической способности, увеличению фитотоксичности почвы. Сделан вывод, что по степени негативного воздействия тяжелые металлы образуют следующий ряд: Сг > РЬ > Си > N1. Предложены региональные нормативы содержания Сг, Си, N1, РЬ и нефти в черноземах слитых.
Ключевые слова: загрязнение, тяжелые металлы, нефть, биологические свойства, чернозем выщелоченный слитой.
ВВЕДЕНИЕ
Краснодарский край и Республика Адыгея, где широко распространены слитые почвы, играют важную роль в продовольственном обеспечении всей страны. При этом почвенный покров региона подвергается жесточайшей антропогенной нагрузке, одной из составляющих которой является химическое загрязнение. Приоритетными загрязняющими веществами природных и естественных экосистем являются РЬ, Си, №, Сг, в последнее время - нефть и нефтепродукты [1, 2].
Особую актуальность работа приобретает в свете подготовки России к проведению зимних Олимпийских игр в 2014 г. в Сочи. Развитие инфраструктуры в районе игр, в частности реализация проекта строительства дорог к Красной поляне через Республику Адыгея, неминуемо негативно отразится на состоянии почвенных ресурсов Краснодарского края и Адыгеи.
Цель работы - исследование влияния загрязнения нефтью и тяжелыми металлами (Сг, Си, №, РЬ) на биологические свойства черноземов выщелоченных слитых.
В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:
* Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ (гранты № 07-04-00690-а, № 07-04-10132-к, № 08-04-10080-к) и ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 гг. (госконтракты № П169, № П1298).
1. Исследование закономерности изменения биологических свойств черноземов выщелоченных слитых в зависимости от природы и содержания загрязняющих веществ;
2. Определение возможности и целесообразности использования тех или иных эколого-биоло-гических показателей в целях мониторинга, диагностики, индикации и нормирования загрязнения черноземов слитых;
3. Определение количественных ориентиров для разработки региональных нормативов содержания нефти и тяжелых металлов в черноземах выщелоченных слитых.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Для решения поставленных задач был заложен ряд модельных опытов. В качестве объекта исследования был выбран чернозем выщелоченный слитой (окрестности с. Белое, Республика Адыгея).
Эта почва характеризуется высоким содержанием гумуса - 5.1%, слабокислой реакцией среды -рН 6.3, легкоглинистым гранулометрическим составом, высокой поглотительной способностью, окислительными условиями, высокой биологической активностью, слитостью [3].
Почва для модельных экспериментов отобрана из верхнего слоя 0-25 см, так как именно в этом слое накапливается основное количество загрязняющих почву веществ.
Таблица 1. Содержание (среднее, кларк), пределы изменений содержания и ПДК элементов в почве, мг/кг почвы
Элемент Кларк х с ПДК (Россия) ПДК (Германия)
[4] [5] [4] [5]
Сг Си N1 РЬ 70 30 50 35 5-1500 2-250 2-750 2-300 1-100 2-100 1-100 1-100 90/6 -/3 -/4 32/6 0 0 0 0 о о о о
Примечания. 1. х - пределы изменения содержания, с - концентрация в незагрязненной почве. 2. ПДК (Россия): над чертой - валовое содержание, под чертой - содержание подвижных форм.
В качестве загрязняющих веществ выбраны нефть и тяжелые металлы (ТМ). Эти вещества значительно различаются по своим свойствам. Из ТМ исследовали Сг, Си, N1, РЬ, так как именно ими в наибольшей степени загрязнены эти почвы. Кроме того, выбранные ТМ интересны для сравнения, поскольку имеют схожую степень токсичности: их ПДК составляют 100 мг/кг почвы (табл. 1). Авторами использованы величины ПДК, разработанные в Германии [5], потому что, во-первых, ПДК в почве валовых Си и N1 в России отсутствуют, во-вторых, "российская" величина ПДК РЬ зачастую не может быть использована, так как меньше содержания этого элемента во многих почвах. Также не разработана ПДК в почве нефти, поэтому использовали величину содержания нефти в почве, %.
Использованная в исследовании нефть отличалась средней плотностью, средним содержанием серы и хлористых солей, низким содержанием механических примесей (табл. 2). Из ТМ в нефти больше всего содержалось V (10-5-10-2%) и N1 (10-4-10-3%) [6]. Таким образом, по сравнению с углеводородами, содержание в нефти других веществ было незначительно и основное токсическое действие оказывали, прежде всего, углеводороды.
Изучали действие разных концентраций загрязняющих веществ в почве: ТМ - 1, 10, 100 ПДК (100, 1000 и 10000 мг/кг соответственно), нефть -1, 5, 10% от массы почвы. ТМ вносили в почву в форме оксидов, так как загрязняется почва ТМ в форме оксидов на 70-90% [7].
Инкубирование почвы (образца массой 1 кг) осуществляли в стеклянных вегетационных сосудах при температуре 20-22°С и влажности почвы 60% НВ. Модельные опыты проводили в трехкратной повторности.
Лабораторно-аналитические исследования проводили через 30 сут после загрязнения. При оценке хи-
мического воздействия на почву этот срок является наиболее информативным [8]. Определяли количество бактерий рода Azotobacter, активность каталазы и дегидрогеназы, целлюлозолитическую активность, фитотоксические свойства почвы и другие показатели. Использовали общепринятые в экологии, биологии и почвоведении методы [9, 10]. Присутствие Azotobacter учитывали методом комочков обрастания на среде Эшби. Целлюлозолитическую способность определяли по степени разложения хлопчатобумажного полотна, экспонированного в почве в течение 30 сут. Активность каталазы определяли по методу Галстяна, дегидрогеназы - по методу Гал-стяна в модификации Хазиева. О фитотоксичности почв судили по изменению показателей прорастания семян (всхожести, энергии прорастания, дружности прорастания, скорости прорастания) и интенсивности начального роста проростков тест-объекта - редиса (длины корней, зеленых проростков).
С целью выявления общих закономерностей воздействия загрязняющего вещества использовали интегральный показатель биологического состояния почвы (ИПБС), который рассчитывается на основе наиболее информативных показателей биологической активности почвы [8]. В настоящем исследовании интегральный показатель рассчитан с учетом следующих параметров: обилия бактерий рода Azotobacter, активности каталазы и дегидрогеназы, целлюлозолитической активности, длины корней (фитотоксичности). Бактерии рода Azotobacter традиционно и успешно используют как индикатор химического загрязнения почвы. Ка-талазная, дегидрогеназная и целлюлозолитическая
Таблица 2. Характеристики использованной в исследованиях нефти (Химическая лаборатория нефтебазы "Шесхарис", Новороссийск, 2000 г.)
Показатель Метод определения Величина показателя
Плотность при 20°С, кг/м3 ГОСТ 3900-85 0.8616
Массовая доля серы, % ГОСТ 1437-75 1.34
Массовая доля воды, % ГОСТ 2477-65 0.27
Концентрация хлористых ГОСТ 21534-76 73.0
солей, мг/дм3
Массовая доля механиче- ГОСТ 6370-83 0.0060
ских примесей, %
Массовая доля парафина, ГОСТ 11851-85 4.46
%
Выход фракций, % ГОСТ 2177-82
до 200°С 25
до 300°С 46
до 350°С 55
64
КОЛЕСНИКОВ и др.
%
120 100 80 -| 60 40 -| 20 0
JIIL
II
HL
И
XL
%
120 100 80 -| 60 40 -| 20 О
XL
XL
И
SXL
XL
Cr
Cu
Ni
Pb
Нефть
Cr
Cu
Ni
Pb
Нефть
ED Контроль II 1ПДК (1%) 0 10 ПДК (5%) Ш 100 ПДК (10%) □ НСРт 0 Контроль Ш 1ПДК (1%) 0 10 ПДК (5%) Ш 100 ПДК (10%) □ HCPQS
%
120 -, 100 80 60 40 -20 -0
JZL
JZL
JZL
JZL
%
120 -, 100 80 -| 60 40 -20 -0
Ц
II
И
и
п
Cr
Cu
Ni
Pb
Нефть
Cr
Cu
Ni
Pb
Нефть
Ш Контроль И 1 ПДК (1%) 0 10 ПДК (5%) ^ 100 ПДК (10%) □ НСРт ED Контроль И 1 ПДК (1%) 0 10 ПДК (5%) В 100 ПДК (10%) □ НСР05
%
120 -, 100 80 60 40 -20 -0
П
П
Д
Я
я
%
120 -, 100 80 60 40 20 -| 0
Сг Си № РЬ Нефть
ЕЭ Контроль □ 1 ПДК (1%) 0 10 ПДК (5%) ЕЛ 100 ПДК (10%) □ НСР05
Сг Си № РЬ Нефть
0 Контроль И 1 ПДК (1%) 0 10 ПДК (5%) |Щ 100 ПДК (10%)
Рис. 1. Влияние химического загрязнения чернозема выщелоченного слитого на: (а) - активность каталазы, (б) - дегидрогеназы, (в) - целлюлозолитическую активность, (г) - обилие бактерий рода А2оОЪас!ег, (д) - длину корней редиса, (е) - величину интегрального показателя биологического состояния почвы (ИПБС), % от контроля (ПДК - для ТМ, % - для нефти).
активность отражают интенсивность различных биологических процессов в почве. При этом активность ферментов служит показателем потенциальной биологической активности почвы, а скорость разложения полотна характеризует актуальную активность. Каталаза и дегидрогеназа принадлежат к окислительно-восстановительным ферментам -наиболее чувствительным к химическому загрязнению. Длина корней редиса отражает фитотокси-ческие свойства химически загрязненной почвы.
Таким образом, представленный набор показателей дает объективную и информативную картину о происходящих в почве биологических процессах и о ее экологическом состоянии.
Для расчета ИПБС величину каждого из 5 указанных выше показателей в контроле (в незагрязненной почве) принимали за 100%, и по отношению к ней приводили величины показателей в остальных вариантах опыта (в загрязненной почве), в %. Затем определяли среднюю величину 5 выбранных пока-
зателей для каждого варианта опыта. Полученную величину ИПБС выражали в % по отношению к контролю (100%). Использованная методика позволила интегрировать относительные величины разных показателей, абсолютные величины которых не могут быть суммир
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.