Устойчивость черно земов южных (каштановых) к загрязнению тяжелыми металлами

ЭКОЛОГИЯ И ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИЕ

УДК 631.46; 57.044

УСТОЙЧИВОСТЬ ЧЕРНОЗЕМОВ ЮЖНЫХ (КАШТАНОВЫХ) К ЗАГРЯЗНЕНИЮ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ

М.В. Ярославцев, С.И. Колесников

На Таманском полуострове встречаются уникальные почвы, не имеющие аналогов нигде в мире. До 1977 г. они назывались черноземами каштановыми, согласно эколого-генети-ческой классификации почв 1977 г. - черноземами южными. В субстантивно-генетической классификации 2000 г. для таманских черноземов места не нашлось [1]. Черноземы Тамани обладают уникальными свойствами для выращивания винограда - здесь сосредоточена значительная часть виноградных насаждений Российской Федерации, выращивается 60 технических и столовых сортов виноградной лозы [2, 3].

Черноземы Тамани заметно отличаются от других типов и подтипов черноземов по своим свойствам и, соответственно, по устойчивости к антропогенным воздействиям, в частности к загрязнению тяжелыми металлами (ТМ). При этом исследований влияния загрязнения этих почв ТМ до настоящего момента не проводилось.

Цель настоящей работы - оценить по биологическим показателям устойчивость черноземов южных (каштановых) к загрязнению тяжелыми металлами (Сг, Си, N1, РЬ). Основное внимание уделено биологическим свойствам почв, поскольку они первыми реагируют на загрязнение и наиболее информативны при оценке устойчивости почв к антропогенным воздействиям.

В качестве объекта исследования был использован чернозем южный (каштановый) южно-европейской фации (Краснодарский край, Анапский район, окрестности п. Джигинка). Он отличается средним содержанием гумуса - 3,2 %, нейтральной реакцией среды - рН = 7,7, тяжелосуглинистым гранулометрическим составом, высокой поглотительной способностью, хорошей острук-туренностью, окислительными условиями, достаточно высокой биологической активностью (активность каталазы - 3,3 мл О2/г почвы за 1 мин, активность дегидрогеназы - 16,6 мг ТФФ/10 г почвы за 24 часа, обилие бактерий рода Azotobacter - 86 % комочков обрастания).

Загрязнение ТМ моделировали в лабораторных условиях. Использовали почву из слоя 0-25 см. Именно в этом слое накапливается основное количество загрязняющих почву веществ.

Исследовали Сг, Си, N1, РЬ, так как именно этими металлами в значительной степени загрязнены почвы юга России [4]. Кроме того, выбранные ТМ интересны для сравнения - их ПДК составляют 100 мг/кг почвы. Использованы разработанные в Германии значения ПДК [5]. Во-первых, потому, что ПДК в почве общего (валового) содержания Си и N1 в России отсутствуют; во-вторых, "российская" ПДК РЬ зачастую не может быть использована, поскольку ее значение часто меньше фонового содержания РЬ во многих почвах [6].

Ярославцев Михаил Викторович - заместитель первого проректора по учебной работе, соискатель кафедры экологии и природопользования Южного федерального университета, 344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Б. Садовая, 105, e-mail: ecology@sfedu.ru, т. 8(863)2184035;

Колесников Сергей Ильич - доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующий кафедрой экологии и природопользования Южного федерального университета, 344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Б. Садовая, 105, e-mail: kolesnikov@sfedu.ru, т. 8(863)2184035.

Mikhail Yaroslavtsev - competitor of Ecology and Natural Management Department at the Southern Federal University, 105/42, Bolshaya Sadovaya Street, Rostov-on-Don, 344006, e-mail: ecology@sfedu.ru, ph. +7(863)2184035;

Sergei Kolesnikov - doctor of agricultural sciences, professor, Head of Ecology and Natural Management Department at the Southern Federal University, 105/42, Bolshaya Sadovaya Street, Rostov-on-Don, 344006, e-mail: kolesnikov@sfedu.ru, ph. +7(863)2184035.

Изучали действие разных количеств ТМ в почве: 1, 10, 100 ПДК (100, 1000 и 10 000 мг/кг соответственно). ТМ вносили в почву в форме оксидов: Сг03, СиО, N10, РЬО, потому что их значительная доля поступает в почву именно в данной форме, а также использование оксидов ТМ позволяет исключить воздействие на свойства почвы сопутствующих анионов, как это происходит при внесении солей металлов.

Почву инкубировали в вегетационных сосудах в трехкратной повторности при комнатной температуре (20-22 °С) и оптимальном увлажнении (60 % от полевой влагоемкости). Состояние почв определяли через 30 суток после загрязнения. При оценке химического воздействия на почву этот срок является наиболее информативным [6].

Лабораторно -аналитиче ские исследования выполнены с использованием общепринятых методов [7, 8]. Определяли обилие бактерий рода Л20(0Ьас(вг, активность ката-лазы и дегидрогеназы, целлюлозолитическую активность, фитотоксические свойства почв и другие показатели. Л20(0Ьас(вг учитывали методом комочков обрастания на среде Эшби. Целлюлозолитическую способность определяли по степени разложения хлопчатобумажного полотна, экспонированного в почве в течение 30 дней. Активность каталазы измеряли по методике Галстяна, дегидрогеназы - по методике Галстяна в модификации Хазиева. О фитотоксичности почв судили по изменению показателей прорастания семян редиса

(всхожесть, энергия прорастания, дружность прорастания, скорость прорастания) и интенсивности начального роста проростков (длина корней, длина зеленых проростков).

На основе наиболее информативных биологических показателей определяли интегральный показатель биологического состояния (ИПБС) почвы [6]. Он был рассчитан по обилию бактерий рода Л20(0Ьас(вг, активности каталазы и дегидрогеназы, целлюлозо-литической активности, длине корней редиса (фитотоксичности).

Для расчета ИПБС значение каждого из пяти 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 пяти 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.

В результате исследований установлено, что загрязнение чернозема южного (каштанового) оксидами Сг, Си, N1 и РЬ приводит к ухудшению его состояния (табл.). Снижается активность каталазы и дегидрогеназы, целлюлозолитическая способность, обилие бактерий рода ЛzotoЬacter, длина корней редиса, значения ИПБС (рис.).

Влияние загрязнения ТМ на ИПБС чернозема южного (каштанового), % от контроля

Влияние загрязнения ТМ на биологические свойства чернозема южного

Элемент Доза загрязняющего вещества

Контроль 1 ПДК 10 ПДК 100 ПДК НСР05

Активность каталазы, мл О2 на 1 г почвы за 1 мин

Сг 3,3 3,1 1,7 1,2 0,3

Си 3,3 3,1 2,5 2,4 0,3

N1 3,3 3,2 2,8 2,7 0,3

РЬ 3,3 3,2 3,1 3,0 0,3

НСР05 0,3 0,3 0,3

Активность дегидрогеназы, мг ТФФ на 10 г почвы за 24 часа

Сг 16,6 9,1 0,5 0,3 0,9

Си 16,6 13,9 10,0 5,4 1,6

N1 16,6 16,0 13,9 13,5 2,0

РЬ 16,6 13,2 11,8 9,7 1,7

НСР05 1,3 1,2 1,2

Целлюлозолитическая активность, % от контроля

Сг 100 31 15 5 7

Си 100 92 90 77 8

N1 100 87 49 31 6

РЬ 100 98 92 54 8

НСР05 6 5 4

Обилие бактерий рода ЛzotoЬacter, % комочков обрастания

Сг 86 58 34 8 9

Си 86 85 71 67 7

N1 86 79 77 74 7

РЬ 86 85 71 64 7

НСР05 7 8 9

Длина корней редиса (фитотоксичность), % от контроля

Сг 100 54 0 0 9

Си 100 74 65 62 7

N1 100 75 68 66 7

РЬ 100 71 69 63 7

НСР05 6 7 6

Практически во всех случаях наблюдалось достоверное снижение значений всех исследованных биологических показателей. Степень снижения зависела от природы металла и его концентрации в почве. В большинстве случаев для всех исследованных ТМ зарегистрирована прямая зависимость между содержанием в почве загрязняющего вещества и степенью снижения биологических показателей.

Причины негативного воздействия ТМ на биологические свойства почв заклю-

чаются в том, что ТМ связываются с суль-фгидрильными группами белков, в результате чего, во-первых, подавляется синтез белков, в том числе и ферментов, во-вторых, нарушается проницаемость биологических мембран. И то, и другое в конечном счете приводит к нарушению обмена веществ [9].

Наиболее значительное негативное воздействие на биологические свойства чернозема южного (каштанового) оказал оксид хрома. Оксиды меди, свинца и никеля проявили меньшее токсическое воздействие.

Исследованные оксиды ТМ образуют следующий ряд по степени негативного воздействия на биологические свойства чернозема южного (каштанового) (ряд усреднен по дозам загрязняющего вещества): Сг03 > СиО > N10 > РЬО.

Схожая закономерность была получена ранее в исследованиях, проведенных по той же методике с другими почвами юга России: черноземами обыкновенными и выщелоченными слитыми, серыми и бурыми лесными и другими почвами [10-12].

Использованные в исследовании биологические показатели (активность каталазы и дегидрогеназы, целлюлозолитическая способность, обилие бактерий рода Azotobacter, длина корней редиса) подтвердили свое соответствие необходимым требованиям, предъявляемым к показателям, применяемым для мониторинга, диагностики и нормирования химического загрязнения почв. Они отличаются высокими информативностью и чувствительностью, достаточной воспроизводимостью, допустимым варьированием показателя, небольшой ошибкой опыта, простотой, малой трудоемкостью и высокой скоростью методов определения, широкой распространенностью методов и т.д

Проведенное исследование позволило сделать следующие выводы:

1. Загрязнение чернозема южного (каштанового) оксидами Сг, Си, N1 и РЬ приводит к ухудшению его биологических свойств: снижается активность каталазы и дегидрогеназы, целлюлозолитическая способность, обилие бактерий рода Azotobacter, ухудшаются показатели прорастания и начального роста редиса. Степень снижения зависит от природы металла и его концентрации в почве.

2. В большинстве случаев для всех исследованных ТМ зарегистрирована прямая зависимость между содержанием в почве загрязняющего вещества и степенью снижения биологических показателей.

3. По степени негативного воздействия на биологические свойства чернозема типичного (горного) изученные оксиды ТМ образуют следующий ряд (усреднен по дозам загрязняющего вещества): Сг03 > СиО > N10 > РЬО.

ЛИТЕРАТУРА

1. Вальков В.Ф., Казеев К.Ш., Колесников С.И. Достоинства и недостатки новой классификации почв России // Почвоведение. 2006. № 5. С. 621-627.

2. Вальков В.Ф., Казеев К.Ш., Колесников С.И. Почвы юга России: генезис, география, классификация, использование и охрана. Ростов н/Д: Изд-во "Эверест", 2008. 292 с.

3. Черноземы СССР (Предкавказье и Кавказ). М.: Агропромиздат, 1985. 262 с.

4. Дьяченко В.В. Геохимия, систематика и оценка состояния ландшафтов Северного Кавказа. Ростов н/Д: Издательский центр "Комплекс", 2004. 268 с.

5. Касьяненко А.А. Контроль качества окружающей среды. М.: Изд-во РУДН, 1992. 136 с.

6. Колесников С.И., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. Экологическое состояние и функции почв в условиях химического загрязнения. Ростов н/Д: Ростиздат, 2006. 386 с.

7. Методы почвенной микробиологии и биохимии / Под ред. Д.Г. Звягинцева. М.: Изд-во МГУ 1991. 304 с.

8. Казеев К.Ш., Колесников С.И., Вальков В.Ф. Биологическая диагностика и индикация почв: методология и методы исследований. Ростов н/Д: Изд-во Рост. ун-та, 2003. 204 с.

9. Торшин С.П., Удельнова Т.М., Ягодин Б.А. Микроэлементы, экология и здоровье человека // Успехи современной биологии. Т. 109. Вып. 2. 1990. С. 279-292.

10. Колесников С.И., Пономарева С.В., Казе-ев К.Ш., Вальков В.Ф. Ранжирование химических элементов по степени их экологической опасности для почвы // Доклады РАСХН. 2010. № 1. С. 27-29.

11. Колесников С.И., Евреинова А.В., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. Изменение эколого-биологических свойств чернозема при загрязнении тяжелыми металлами второго класса опасности (Мо, Со, Сг, N1) // Почвоведение. 2009. № 8. С. 1007-1013.

12. Колесников С.И., Тлехас З.Р., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. Изменение биологических свойств почв Адыгеи при химическом загрязнении // Почвоведение. 2009. № 12. С. 1499-1505.

Исследование выполнено в рамках реализации ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009-2013 гг. (госконтракты П322, П169), при финансовой поддержке РФФИ (гранты 07-04-00690-а, 07-04-10132-к, 08-04-10080-к), при государственной поддержке ведущей научной школы (НШ-5316.2010.4).

5 мая 2011 г.