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
Металл |
Концентрация металлов, мг/кг |
||
Минимальная |
Максимальная |
Средняя |
|
Zn |
44,64 |
180,11 |
120,87 |
Sr |
84,84 |
122,29 |
107,21 |
Cr |
61,35 |
128,49 |
86,24 |
Pb |
39,3 |
178,01 |
75,29 |
V |
32,24 |
91,14 |
59,32 |
Ni |
21,63 |
88,69 |
40,58 |
Cu |
1,54 |
80,48 |
39,29 |
Co |
0,97 |
14,77 |
6,37 |
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
Район города |
Zc |
Уровень загрязнения |
Категория загрязнения |
Оценка экологической обстановки |
Трасса Р-72 (Пункт № 1) |
6,73 |
Низкий |
Допустимая |
Относительно удовлетворительная |
Трасса Р-72 (Пункт № 13) |
6,51 |
Низкий |
Допустимая |
Относительно удовлетворительная |
Трасса Р-72 (Пункт № 24) |
8,95 |
Низкий |
Допустимая |
Относительно удовлетворительная |
Трасса Р-72 (Пункт № 32) |
9,41 |
Низкий |
Допустимая |
Относительно удовлетворительная |
Трасса Р-72 (Пункт № 39) |
6,18 |
Низкий |
Допустимая |
Относительно удовлетворительная |
Зона влияния завода «Красный химик» |
10,06 |
Низкий |
Допустимая |
Относительно удовлетворительная |
Зона влияния автовокзала |
9,96 |
Низкий |
Допустимая |
Относительно удовлетворительная |
Судогодская средняя школа № 1 |
5,74 |
Низкий |
Допустимая |
Относительно удовлетворительная |
Детский сад № 4 |
6,5 |
Низкий |
Допустимая |
Относительно удовлетворительная |
Детский сад № 7 |
6,7 |
Низкий |
Допустимая |
Относительно удовлетворительная |
Судогодская ЦРБ |
8,52 |
Низкий |
Допустимая |
Относительно удовлетворительная |
Ул. Северная |
7,73 |
Низкий |
Допустимая |
Относительно удовлетворительная |
Молокозавод |
5,94 |
Низкий |
Допустимая |
Относительно удовлетворительная |
Центр города (сквер) |
9,32 |
Низкий |
Допустимая |
Относительно удовлетворительная |
Садик № 1 |
8,36 |
Низкий |
Допустимая |
Относительно удовлетворительная |
Садик № 2 |
8,51 |
Низкий |
Допустимая |
Относительно удовлетворительная |
Садик № 3 |
7,72 |
Низкий |
Допустимая |
Относительно удовлетворительная |
Рис. 1. Уровень актуальной кислотности (рН) почв
Рис. 2. Уровень гидролитической кислотности почв
Таблица 3
Коэффициенты ингибирования прорастания семян в пробах почв г. Судогда
№ п/п |
Места отбора проб почвы |
Коэффициент ингибирования |
|
Горчица белая (Sinápis álba) |
Кресс-салат (Lepidium sativum) |
||
1–21 |
Трасса Р-72 выезд из Судогды (ул. Ошмарина) |
1,31 |
1,12 |
22–40 |
Трасса Р-72 Владимир ‒ Муром |
1,42 |
1,42 |
41 |
Молочный завод |
1,12 |
1,12 |
42 |
Садик № 4 |
1,13 |
1,15 |
43 |
Садик № 7 |
1,15 |
1,18 |
44 |
Зона влияния завода «Красный химик» |
1,76 |
1,70 |
45 |
Центр города, сквер «Поляна сказок» |
1,39 |
1,34 |
46 |
Садик № 1 |
1,30 |
1,26 |
47 |
Садик № 2 |
1,32 |
1,34 |
48 |
Садик № 3 |
1,29 |
1,12 |
49–50 |
Зона влияния автовокзала |
1,55 |
1,30 |
51 |
Судогодская средняя школа № 1 |
1,11 |
1,12 |
52 |
ЦРБ |
1,32 |
1,31 |
53 |
Ул. Северная |
1,27 |
1,23 |
54 |
Ул. Механизаторов |
1,31 |
1,10 |
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
№ п/п |
Места отбора проб почвы |
Каталазная активность, см3, 0,1 М КМnО4 на 1 г почвы за 20 мин |
Уреазная активность, мг, NH3 на 10 г почвы в сутки |
1–21 |
Трасса Р-72 выезд из Судогды (ул. Ошмарина) |
0,23 |
0,082 |
22–40 |
Трасса Р-72 Владимир ‒ Муром |
0,27 |
0,118 |
41 |
Молочный завод |
0,23 |
0,052 |
42 |
Садик № 4 |
0,24 |
0,058 |
43 |
Садик № 7 |
0,24 |
0,057 |
44 |
Зона влияния завода «Красный химик» |
0,26 |
0,154 |
45 |
Центр города, сквер «Поляна сказок» |
0,27 |
0,148 |
46 |
Садик № 1 |
0,25 |
0,148 |
47 |
Садик № 2 |
0,25 |
0,150 |
48 |
Садик № 3 |
0,27 |
0,149 |
49–50 |
Зона влияния автовокзала |
0,25 |
0,120 |
51 |
Судогодская средняя школа № 1 |
0,24 |
0,110 |
52 |
ЦРБ |
0,26 |
0,112 |
53 |
Ул. Северная |
0,25 |
0,115 |
54 |
Ул. Механизаторов |
0,25 |
0,116 |
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
№ п/п |
Места отбора проб почвы |
Целлюлозолитическая активность, % |
Степень деградации почв |
1–21 |
Трасса Р-72 выезд из Судогды (ул. Ошмарина) |
25 |
сильная |
22–40 |
Трасса Р-72 Владимир ‒ Муром |
26 |
сильная |
41 |
Молочный завод |
30 |
средняя |
42 |
Садик № 4 |
30 |
средняя |
43 |
Садик № 7 |
28 |
сильная |
44 |
Зона влияния завода «Красный химик» |
7 |
очень сильная |
45 |
Центр города, сквер «Поляна сказок» |
9 |
очень сильная |
46 |
Садик № 1 |
21 |
сильная |
47 |
Садик № 2 |
23 |
сильная |
48 |
Садик № 3 |
20 |
сильная |
49–50 |
Зона влияния автовокзала |
10 |
сильная |
51 |
Судогодская средняя школа № 1 |
29 |
сильная |
52 |
ЦРБ |
10 |
сильная |
53 |
Ул. Северная |
30 |
средняя |
54 |
Ул. Механизаторов |
18 |
сильная |
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.
Библиографическая ссылка
Чеснокова С.М., Савельев О.В., Губская С.В. ОЦЕНКА ФИТОТОКСИЧНОСТИ И ФЕРМЕНТАТИВНОЙ АКТИВНОСТИ ПОЧВ ГОРОДСКИХ ЛАНДШАФТОВ, ЗАГРЯЗНЕННЫХ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ (НА ПРИМЕРЕ ГОРОДА СУДОГДА) // Успехи современного естествознания. – 2016. – № 2. – С. 187-192;URL: https://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=35812 (дата обращения: 17.08.2024).