Научный журнал

Успехи современного естествознания

ISSN 1681-7494

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 0,775

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Кайгородов Р.В. 2, 1 Попова Е.И. 2

---

1 Тобольская комплексная научная станция УрО РАН

2 ФГБОУ ВО «Пермский государственный национальный исследовательский университет»

В транспортной зоне урбанизированных территорий и за их пределами формируются специфические антропогенно-измененные экосистемы. Придорожные пространства на расстоянии 5–10 м от проезжей части характеризуются глубокой трансформацией биотических и абиотических компонентов экосистемы. Почвы преобразуются в техногенные поверхностные образования с нарушенными морфологическими, физическими, химическими и биологическими свойствами. В какой мере ТПО могут осуществлять функции почв в придорожных экосистемах, можно судить по их биологической активности. Экологическое состояние почв транспортной зоны урбанизированных территорий достаточно широко отражено в литературе. В настоящей работе методом фитотестирования на проростках кресс-салата (Lepidium sativum L.) дана оценка биологической активности литостратов и органолитостратов придорожных пространств автомагистралей вне городских территорий, пролегающих в Тюменской области. В образцах ТПО изучены биохимические показатели: интенсивность «почвенного дыхания» и уровень активности фермента каталазы. Исследован уровень обменной и актуальной кислотности, содержание органического углерода и гумуса, а также нитрат-ионов. Из хемотоксикологических показателей изучено содержание и подвижность ионов кадмия и свинца. Проведен корреляционный анализ взаимосвязи ростовых показателей тест-культуры (рост и биомасса) с агрохимическими и хемотоксикологическими показателями исследованных ТПО. Биохимические и агрохимические показатели литостратов сопоставлены с данными по реплантоземам придорожных экосистем урбанизированных территорий. Методом фитотестирования установлены низкая биологическая активность ТПО и их неудовлетворительное состояние. Показана высокая вариабельность интенсивности «почвенного дыхания» на разных участках дорог, пониженная относительно городских территорий активность фермента каталазы. Низкая обеспеченность органическим веществом и гумусом, а также кислая и слабокислая среда ТПО обуславливают высокую подвижность свинца и кадмия.

Статья в формате PDF

0 KB

техногенные поверхностные образования транспортной зоны

фитотестирование

биологическая активность

биохимические свойства

уровень кислотности

подвижность свинца и кадмия

1. Еремченко О.З., Шестаков И.Е., Москвина Н.В. Почвы и техногенные поверхностные образования урбанизированных территорий Пермского Прикамья. Пермь: ПГНИУ, 2016. 252 с.

Eremchenko O.Z., Schestakov I.E., Moskvina N.V. Soils and technogenic surface formations of urban areas of Perm Kama region. Perm: PGNIU, 2016. 252 p. (in Russian).

2. Еремченко О.З., Шестаков И.Е., Каменщикова В.И. Эколого-биологические свойства урбаноземов г. Перми // Вестник Удмуртского университета. Серия: Биология. Науки о Земле. 2010. № 4. С. 56–63.

Eremchenko O.Z., Schestakov I.E., Kamenshikova V.I. Ecological-biological properties of urban soil of Perm city // Vestnik Udmurtskogo universiteta. Biologija. Nauki o zemle. 2010. № 4. P. 56–63 (in Russian.).

3. Каменщикова В.И., Еремченко О.З., Шестаков И.Е. Биохимическая активность почв г. Перми // Вестник Пермского университета. Серия: Биология. 2011. № 2. С. 38–40.

Kamenshikova V.I., Eremchenko O.Z., Schestakov I.E. Biochemical activity of soil of Perm city // Vestnic Permskogo universiteta. Biologija. 2011. № 2. P. 38–40 (in Russian).

4. Кайгородов Р.В., Попова Е.И. Хемоэкологические, физико-химические и биохимические свойства почв транспортной зоны урбанизированных экосистем // Вестник Пермского университета. Серия: Биология. 2017. № 3. С. 321–327.

Kaigorodov R.V., Popova E.I. Chemoecological, physical-chemical and biochemical properties of soils in the transport zone of urban ecosystems // Vestnic Permskogo universiteta. Biologija. 2017. № 3. P. 321–327 (in Russian).

5. Коркина Е.А. Самовосстановление нарушенных техногенезом почв Среднего Приобья: монография. Нижневартовск: Изд-во НВГУ, 2015. 158 с.

Korkina E.A. Self-recovery of the soils of Central Priobye broken tekhnogenezy: monograph. Nizhnevartovsk: NVGU, 2015. 158 p. (in Russian).

6. Werkenthin M., Kuge B., Wessolek G. Metals in European roadside soil and soil solution – A review. Environ Pollut. 2014.Vol. 189. P. 98–110. DOI: 10.1016/j.envpol.2014.02.025.

7. Modabberi S., Tashakor M., Sharifi Soltani N., Hursthouse A.S. Potentially toxic elements in urban soils: source apportionment and contamination assessment. Environmental monitoring and assessment. 2018. Vol. 190 (12). P. 715. DOI: 10.1007/s10661-018-7066-8.

8. Классификация и диагностика почв России. Смоленск: Ойкумена, 2004. 343 с.

Classification and diagnostics of Russian soils. Smolensk: Ojkumena, 2004. 343 p. (in Russian).

9. Казеев К.Ш., Колесников С.И., Вальков В.Ф. Биологическая диагностика и индикация почв: методология и методы исследования. Ростов н/Д.: Изд-во ЦВВР, 2003. 350 с.

Kazeev K.Sh., Kolesnikov S.I., Valkov V.F. Biological diagnostics and indication of soils: methodology and research methods. Rostov n/D.: CVVR, 2003. 350 p. (in Russian).

10. Шарков И.Н. Определение интенсивности продуцирования почвой СО2 адсорбционным методом // Почвоведение. 1984. № 7. С. 136–143.

Sharkov I.N. Definition of intensity of a producing by the soil of CO2 by the adsorptive method // Pochvovedenie. 1984. № 7. P. 136 – 143. (in Russian).

11. Титов А.Ф., Таланова В.В., Казнина Н.М. Физиологические основы устойчивости растений к тяжелым металлам. Ин-т биологии КарНЦ. Петрозаводск, 2011. 77 с.

Titov A.F., Talanova V.V., Kaznina N.M., Laydinen G.F. et al. Physiological basis of plant resistance to heavy metals. Petrozavodsk, 2007. 77 p. (in Russian).

12. Piovаr J., Weidinger M., Baсkor M., Bačkorová M., Lichtscheidl I. Short-term influence of Cu, Zn, Ni and Cd excess on metabolism, ultrastructure and distribution of elements in lichen Xantoria parietina (L.) Th. Fr. Ecotoxicology and environmental safety. 2017. Vol. 145. P. 408–419. DOI: 10.1016/j.ecoenv.2017.07.063.

13. Ferreyroa G.V., Lagorio M.G., Trinelli M.A., Lavado R.S., Molina F.V. Lead effects on Brassica napus photosynthetic organs. Ecotoxicology and environmental safety. 2017. Vol. 140. P. 123–130. DOI: 10.1016/j.ecoenv.2017.02.031.

14. Даденко Е.В., Денисова Т.В., Казеев К.Ш., Колесников С.И. Оценка применимости показателей ферментативной активности в биодиагностике и мониторинге почв // Поволжский экологический журнал. 2013. № 4. С. 385–393.

Dadenko E.V., Denisova T.V., Kazeev K.Sh., Kolesnikov S.I. Applicability of Enzyme Activity Indices for Soil Bioindication and Monitoring // Povolzhskiy ecologicheskiy jurnal. 2013. № 4. P. 385–393 (in Russian).

15. Кабата-Пендиас А., Пендиас Х. Микроэлементы в почвах и растениях. М.: Мир, 1989. 438 с.

Kabata-Pendias A., Pendias H. Mikroelementy v pochvah I rasteniyah. M: Mir, 1989. 438 p. (in Russian).

Вдоль автомагистралей формируются специфические антропогенно-измененные экосистемы, испытывающие постоянное воздействие автотранспорта и периодическое влияние инженерно-строительных мероприятий при строительстве, эксплуатации и ремонте дорог. Экологическому состоянию урбанизированных территорий, включая транспортную зону городов, посвящено немало работ [1–3], в том числе и одна из наших последних публикаций [4]. Придорожные участки вне городских территорий исследованы в меньшей степени.

При строительстве автомобильных дорог происходит существенная трансформация всех компонентов экосистем. Часть почвенного покрова изымается полностью и превращается в запечатанные под дорожное полотно экраноземы. Прилегающие к проезжей части почвы частично срезаются, частично перекрываются насыпным материалом и трансформируются в абраземы и литостраты [5].

Кроме механической трансформации компоненты придорожных экосистем подвержены загрязнению. Уровень загрязнения почвенного покрова и растительности зависит от многих факторов, главным образом, от интенсивности движения и удаления от проезжей полосы [6, 7].

В отличие от урбанизированных территорий, где в придорожных экосистемах создаются газоны с насыпным органогенным субстратом (реплантозем) и высаживаются древесные и травянистые растения, вдоль автомагистралей вне городов возникают придорожные полосы шириной 5–10 м, лишенные органического материала и растительности [5]. В результате почвенный покров, выполняющий важнейшие экологические и санитрано-гигиенические функции в придорожных экосистемах, заменяется техногенными поверхностными образованиями. ТПО характеризуются изменением морфологических, физических, физико-химических и химических свойств, что отражается на функционировании биологической фазы, т.е. на биологической активности грунтов.

Наши исследования направлены на оценку биологической активности ТПО для диагностики их экологического состояния в транспортной зоне вне урбанизированных территорий. В настоящей работе проведено фитотестирование придорожных литостратов, исследованы интегральные биохимические показатели (интенсивность почвенного дыхания и активность фермента каталазы), физико-химические параметры (показатели актуальной и обменной кислотности почв), агрохимические показатели (содержание нитратов, органического углерода и гумуса) и хемоэкологические показатели ТПО (подвижность ионов свинца и кадмия).

Материалы и методы исследования

В качестве объектов использованы ТПО придорожных пространств, отобранные в июле 2017 г. вблизи (удаление 5 м от края дорожного полотна) автомобильных дорог, соединяющих населенные пункты в Тюменской области (табл. 1). Вдоль исследуемых трасс было заложено 7 участков для отбора образцов ТПО. На каждом участке отбирали по пять точечных проб грунта на расстоянии 1 м друг от друга массой по 0,5 кг и объединяли их в смешанные образцы.

Согласно классификации техногенных поверхностных образований, исследуемые грунты относились к группе натурфабрикатов, подгруппе литостратов, на участке № 6 ТПО принадлежали подгруппе органолитостратов, за счет повышенной доли органического вещества [8].

Оценку биологической активности исследуемых литостратов проводили согласно методике «Способ оценки биологической активности и токсичности почв и техногенных почвогрунтов» патент № 2620555. В качестве тест-культуры использовали кресс-салат (Lepidium sativum L.), контролем служил вариант с проростками на вермикулите, подкармливаемыми раствором Кнопа. В дополнение к фитотестированию в ТПО изучали активность фермента каталазы [9] и интенсивность «почвенного дыхания» [10]. В ТПО анализировали уровень актуальной и обменной кислотности. Содержание водорастворимой и обменной фракций ионов свинца и кадмия определяли ионселективным методом на иономере «Экотест-120». Подвижность ионов металла выражали отрицательным десятичным логарифмом молярной концентрации соответствующего иона (-lg[Cd2+]) и (-lg[Pb2+]). Содержание нитрат-ионов определяли ионселективным методом на иономере «Экотест-120». Содержание органического углерода и гумуса определяли методом Тюрина.

Математическую обработку результатов проводили в программе Past 3.16 с использованием методов описательной статистики, дисперсионного и корреляционного анализа.

Результаты исследования и их обсуждение

Рост и биомасса являются интегральными показателями состояния растений и индикаторами метаболических изменений под влиянием условий произрастания. Многим авторами отмечается снижение роста растений под влиянием химического загрязнения за счет подавления деления и растяжения клеток [11]. В ответ на токсическое действие загрязнения происходит снижение накопления биомассы растений, главным образом из-за нарушений процесса фотосинтеза [12]. Фотосинтетический аппарат растений проявляет высокую чувствительность к загрязнению окружающей среды и, особенно, к накоплению свинца [13].

Фитотестирование придорожных ТПО показало снижение роста и биомассы на всех исследуемых участках относительно контроля (табл. 2). Наименьшее отличие от контроля отмечено на участке № 6 (дорога г. Ялуторовск – с. Ярково), относящемуся к органолитостратам и обладающему наиболее благоприятными свойствами по сравнению с остальными участками (см. ниже).

В патенте № 2620555 на биотестирование токсичности установлены следующие уровни состояния субстратов:

1. Удовлетворительное – снижение роста и/или биомассы на 10–30 % от контроля. 2. Неудовлетворительное – снижение роста и/или биомассы на 30–50 %.

3. Опасное (токсичное) – снижение роста и/или биомассы более 50 %.

Наиболее угнетенное состояние проростков установлено на ТПО участка № 5 (дорога в 2,5 км юго-западнее с. Новоатьялово).

Биомасса растений проявляла более существенное отклонение от контроля, чем высота проростков, что свидетельствует о высокой чувствительности метаболических процессов растений к состоянию ТПО в условиях эксперимента.

Рост и развитие растений зависят от интенсивности обмена веществ в системе «почва – растения», которая определяется главным образом биологической активностью почвы. В дополнение к фитотестированию ТПО нами был проведен анализ интегральных показателей биологической активности: интенсивность почвенного дыхания (эмиссия углекислого газа) и активности каталазы [14].

Как видно из табл. 3, интенсивность почвенного дыхания существенно варьирует в ТПО исследуемых участков и связана, вероятно, с разным содержанием органического вещества и интенсивностью его разложения, а также с содержанием и подвижностью токсичных металлов: кадмия и свинца. В некоторых участках интенсивность выделения углекислого газа существенно превышает показатели, установленные нами для реплантоземов урбанизированных придорожных экосистем, также расположенных в умеренной природной зоне [4].

Как показали результаты, агрохимические показатели сильно варьировали на разных участках ТПО и существенно отличались от значений, установленных для ТПО урбанизированных территорий. Наиболее оптимальные агрохимические свойства были характерны для органолитострата на участке № 6. На остальных участках ТПО характеризовались кислой реакцией среды, низким содержанием органического углерода и гумуса, а также низкой концентрацией нитратов.

Одним из важнейших негативных факторов, действующих в транспортной зоне, является постоянное загрязнение токсичными металлами, прежде всего свинцом и кадмием. В ТПО, существенно отличающихся по уровню устойчивости к загрязнению от естественных и слабоизмененных почв, проблема загрязнения тяжелыми металлами стоит особенно остро. Пониженное содержание органического вещества, повышенная кислотность, низкий уровень биологической активности повышает подвижность токсичных металлов и их негативное токсическое действие на биологическую фазу транспортных экосистем и опасность загрязнения сопредельных территорий, воздуха, поверхностных и грунтовых вод.

Наибольшее экологическое значение имеют мобильные фракции токсичных металлов, прежде всего водорастворимая и обменная формы. Подвижность свинца и кадмия выражается отрицательным десятичным логарифмом молярной концентрации ионов в вытяжке (-lg[Pb2+], lg[Cd2+]), т.е. снижение значений логарифма концентрации свидетельствует о повышении содержания растворимых форм ионов и увеличении их подвижности.

Как показали результаты (табл. 5), содержание и подвижность металлов существенно варьировали на разных участках придорожных пространств. Содержание и подвижность свинцы была существенно ниже, чем у кадмия во всех исследованных участках, что связано с большим сродством свинца к органическому веществу, ограничивающему миграцию ионов [15].

Как показал корреляционный анализ, содержание ионов свинца имеет более сильную отрицательную связь с показателями кислотности и содержанием органического вещества, чем ионы кадмия. Сильная положительная связь подвижности ионов, выраженной отрицательным десятичным логарифмом концентрации, означает снижение подвижности при повышении значений рН (сдвиг в нейтральную и щелочную область) и при увеличении содержания органики в ТПО.

Проведен корреляционный анализ между показателями биологической активности почвы, агрохимическими и хемотоксикологическими показателями. Как видно из табл. 7, рост и биомасса тест-растений наиболее тесно связаны с показателями кислотности, содержанием органического вещества и интенсивностью почвенного дыхания.

Заключение

ТПО исследованных придорожных пространств вне урбанизированных территорий на удалении 5–10 м от дорожного полотна характеризовались низкой биологической активностью. Фитотестирование литостратов показало существенное снижение роста и биомассы проростков кресс-салата по сравнению с контролем. Низкая биологическая активность обусловлена низким содержанием органического вещества в ТПО, кислой и слабокислой средой, наличием подвижных и обменных форм свинца и кадмия.

Биохимические и агрохимические свойства исследованных литостратов существенно отличались от показателей (рН, активность каталазы, интенсивность почвенного «дыхания» и др.) характерных для реплантоземов городских территорий умеренной природной зоны.

Подвижность токсичных металлов и ростовые показатели тест-растений имели сильную корреляцию с содержанием органического вещества и реакцией среды.

Для повышения биологической активности ТПО, улучшения агрохимических свойств, снижения подвижности токсичных металлов и восстановления их санитарно-гигиенических функций рекомендуется внесение органических материалов (торф, кородревесные отходы и т.д.) и известковых удобрений.

Статья подготовлена при финансовой поддержке ФАНО России в рамках темы ФНИ № 0408-2014-0018 «Анализ состояния фитоценозов Западной Сибири в современных антропогенных условиях».

Библиографическая ссылка