Scientific journal

Advances in current natural sciences

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

В последние десятилетия одной из острейших проблем промышленных городов стало загрязнение почв тяжелыми металлами (ТМ), что приводит к снижению продуктивности городских насаждений и вторичному загрязнению воздуха, особенно в зоне дыхания человека, вследствие ветровой эрозии почв, а также к деградации микробиоценоза почв [2] и токсификации почв [10]. В отличие от органических загрязнителей ТМ не разрушаются микроорганизмами, а аккумулируются в верхних горизонтах почвы и длительно сохраняются в ней. Периоды полувыведения ТМ сильно варьируют для различных элементов достаточно продолжительны: для Zn – от 70 до 510 лет; для Cd – от 13 до 110 лет; для Cu – от 310 до 1500 лет; для Pb – от 740 до 3900 лет [5]. При таком длительном воздействии ТМ происходят нарушения в структуре комплекса почвенных микроорганизмов и в их функционировании, что находит свое отражение в изменении уровня ферментативной активности почвы [3]. Под ферментативной активностью почвы понимают способность почвы проявлять каталитическое воздействие на процессы превращения экзогенных и эндогенных органических и минеральных соединений благодаря имеющимся в ней ферментам.

Цель работы – оценка уровня загрязнения почв г. Судогда тяжелыми металлами, их фитотоксичности и ферментативной активности, а также выявление корреляционных зависимостей между интегральными показателями загрязнения почв ТМ и биологическими параметрами почв (фитотоксичность и ферментативная активность).

Объекты и методы исследования

Объекты исследования – почвы г. Судогда – административного центра Судогодского района Владимирской области. Пробы почв отбирали в районах с различной антропогенной нагрузкой согласно общепринятой методике отбора проб для проведения почвенного мониторинга в течение августа-сентября 2015 года на глубине 0–20 см методом «конверта» в пяти повторностях [4]. Измерение валового содержания ТМ в пробах почв проводили рентгенофлуоресцентным методом на спектрометре серии «Спектроскан Макс G» [6].

Для оценки ферментативной активности почв определяли: каталазную активность перманганатометрическим методом Джонсона и Темпле [7]; целлюлозолитическую активность по степени разложения хлопчатобумажного полотна, экспонированного в почвенных образцах в чашках Петри в течение 30 дней при 30 °С [8]; уреазную активность – по Т.В. Аристовской и М.В. Чугуновой [1].

Фитотоксичность почв устанавливали по ингибированию прорастания семян кресс-салата (Lepidium sativum) и горчицы белой (Sinapis alba) по величине коэффициента ингибирования (King) [10]. Коэффициент ингибирования определяли по соотношению числа проросших семян в контроле (Nk) к числу проросших семян в опыте (No): King = Nk/No.

Обработка полученных результатов проведена с применением пакета прикладных программ Microsoft Exel и Statistica 8,0.

Результаты исследования и их обсуждение

Пробы почв для анализа отбирались в 54 точках города с различной антропогенной нагрузкой. Установлено, что приоритетными загрязнителями почв города являются Zn, Sr, Cr, Pb, Ni, Cu, что обусловлено характером промышленного производства и влиянием автотранспорта. В табл. 1 представлены данные по содержанию приоритетных ТМ в почвах г. Судогда.

Таблица 1

Содержание ТМ в почвах г. Судогда

В городе обнаружены три полиметалльные геохимические аномалии: центр города, районы железнодорожного и автовокзала и зона влияния завода «Красный химик».

Для характеристики аддитивного превышения фонового уровня группой ассоциирующих элементов и уровня техногенного загрязнения использовали суммарный показатель загрязнения (Zc) (Сает, 1990).

где Ki – коэффициент концентрирования, равный Ci/Cф; n – число учитываемых маталлов с Ki > 1,5.

Величина Zc в почвах города изменяется от 5,94 до 10,06. В табл. 2 представлены результаты оценки уровня и категории загрязнения почв в городе по величине суммарного показателя загрязнения. По этому показателю все почвы города характеризуются низким уровнем загрязнения, а экологическая обстановка в городе относительно удовлетворительная.

Так как подвижность и токсичность ТМ зависит от кислотно-щелочного режима почв, в то же время они изменяют ее кислотность, для выявления влияния ТМ на кислотность почв нами определены актуальная и гидролитическая кислотности (рис. 1 и 2) и фитотоксичность почв (табл. 3).

Установлено, что незначительное увеличение кислотности по сравнению с контролем (рН = 6,7, Нг = 3,88 мг∙экв/100 г) произошло в местах с наиболее высокой концентрацией тяжелых металлов.

Для характеристики влияния ТМ на продуктивность и микробиоценоз почв нами определялись фитотоксичность, целлюлозолитическая, каталазная и уреазная активности почв.

Таблица 2

Характеристика уровня и категории загрязнения почв г. Судогда по величине суммарного показателя загрязнения

Рис. 1. Уровень актуальной кислотности (рН) почв

Рис. 2. Уровень гидролитической кислотности почв

Таблица 3

Коэффициенты ингибирования прорастания семян в пробах почв г. Судогда

Фитотоксичность и уровень деградации оценивали по величине коэффициента ингибирования (King) прорастания семян кресс-салата (Lepidium sativum) и горчицы белой (Sinapis alba) (табл. 3).

Чем больше коэффициент ингибирования, тем токсичнее почва для растений и выше уровень ее деградации. Коэффициент ингибирования в пробах варьировал от 1,10 до 1,76. В большей части исследованных проб почвы коэффициент ингибирования изменялся в пределах 1,10–1,3, что характерно для слабодеградированных почв, а в пробах № 22–40 (зона влияния автотранспорта) King = 1,42, что соответствует среднедеградированным почвам [10]. Наиболее высокий уровень деградации обнаружен у почв с наиболее высокой антропогенной нагрузкой (зона влияния завода «Красный химик»), где King = 1,70–1,76. Из табл. 3 также следует, что горчица белая является более чувствительным тест-организмом для оценки токсичности исследованных почв, чем кресс-салат.

В табл. 4 представлены результаты определения каталазной и уреазной активности проб почв. Как следует из таблицы, каталазная активность почв находится практически на одном уровне (0,23–0,27 см3 0,1 М KMnO4 на 1 г почвы за 20 мин). В зонах с наибольшим уровнем загрязнения почв ТМ наблюдается незначительная стимуляция каталазной активности. Уреазная активность варьируется в более широких пределах от 0,052 до 1,54 мг NH3 на 10 г почвы в сутки. Наиболее высокие значения уреазной активности характерны также для зон с наибольшим уровнем загрязнения почв ТМ.

Таблица 4

Уровень каталазной и уреазной активности почв г. Судогда

Целлюлозолитическая активность исследованных почв низкая и изменяется от 7 до 30 %, что может быть обусловлено снижением содержания и ослаблением активности пула целлюлозолитических микроорганизмах в почвах под влиянием ТМ (табл. 5). Полученные значения целлюлозолитической активности исследованных проб свидетельствуют о сильной степени подавления жизнедеятельности целлюлозолитических микроорганизмов под влиянием содержащихся в ней ТМ. Только 5 % исследованных проб почвы имеют среднюю степень деградации, 4 % – очень сильную, остальные – сильную. Почвы с очень сильной степенью деградации расположены в местах с наиболее высоким уровнем загрязнения ТМ.

Таким образом, наиболее чувствительным показателем деградации изученных почв явились фитотоксичность и целлюлозолитическая активность.

Изучение корреляционных зависимостей между уровнем загрязнения почв ТМ (по величине Zc) и биологическими показателями показало, что наиболее тесная связь (хорошая корреляция) обнаружена между уровнем загрязнения почв ТМ и фитотоксичностью (r = 0,80 и 0,86), а также целлюлозолитической активностью (r = –0,70). Зависимость каталазной активности от Zc слабая (r = 0,22), а уреазной активности – удовлетворительная (r = 0,45).

Таблица 5

Уровень целлюлозолитической активности г. Судогда

Заключение

Приоритетными загрязнителями почв г. Судогда являются Zn, Sr, Cr, Pb, Ni, Cu. Проведена оценка уровня загрязнения почв ТМ и экологической обстановки в городе по суммарному показателю загрязнения (Zc). По значениям Zc уровень загрязнения почв во всех исследованных районах города низкий, а экологическая обстановка в городе относительно удовлетворительная. Изучены корреляционные зависимости между биологическими параметрами почв и суммарному показателю загрязнения почв ТМ. Обнаружены хорошие корреляционные зависимости между фитотоксичностью и Zс (r = 0,86 (горчица белая), r = 0,80 (кресс-салат)) и между Zс и целлюлозолитической активностью (r = –0,70). Наиболее чувствительным индикатором загрязнения почв ТМ для исследованных почв является фитотоксичность, определенная с использованием горчицы белой, и целлюлозолитическая активность.