Использование тест-культур для оценки экологического состояния городских почв

УДК 631.4

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕСТ-КУЛЬТУР ДЛЯ ОЦЕНКИ ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ГОРОДСКИХ ПОЧВ

© О.З. Еремченко, Н.В. Москвина, И.Е. Шестаков, А.А. Швецов

Ключевые слова: биотестирование; городские почвы; тест-культуры.

Изучались почвы разноэтажной застройки г. Пермь с помощью физико-химических методов, показателей биохимической активности и фитотестирования. Выявлены основные закономерности формирования свойств городских почв, определена реакция на них различных тест-культур. Рост и развитие тест-культур связаны с экологическим состоянием городских почв. Кресс-салат показал большую чувствительность к агрохимическим свойствам почв по сравнению с пшеницей.

Современный этап развития человечества неразрывно связан с изменением среды обитания. Урбанизация является одним из ведущих факторов воздействия человека на окружающую среду. Изучение почвенного покрова как компонента урбоэкосистем актуально в связи с важностью экологических функций, выполняемых городскими почвами: пригодностью для произрастания зеленых насаждений, способностью сорбировать в толще загрязняющие вещества и удерживать их от проникновения в почвенно-грунтовые воды, барьерной функцией почвы по поглощению антропогенных газовых выбросов и сдерживанию пыли от поступления в воздух. Формирование городских почв происходит при воздействии антропогенных процессов на природные почвы. Образующиеся при этом урбопочвы и ТПО отличаются от зональных почв по ряду показателей.

Способность городской почвы выполнять функции по оптимизации окружающей среды зависит от ее свойств, уровня загрязненности. В связи с этим становятся актуальными вопросы разработки адекватных методов оценки экологического состояния городских почв. Почва как многоуровневая система и гетерогенная среда представляет большую сложность для оценки ее экологического качества и нормирования вредных воздействий [1-2]. Действующая система контроля за загрязнением окружающей среды, основанная на сравнении количественного содержания веществ в пробах с ПДК и расчетом суммарного показателя загрязнения, не всегда эффективна [3-5].

Комплексная оценка состояния почв может быть проведена на основе биотестирования, т. к. живые организмы интегрально реагируют на экологическое состояние почв. Для биотестирования почв используют реакцию разных организмов: животных (ракообразные Daphnia magna), растений (кресс-салат Lepidium sativum, пшеница Triticum spp., Avena spp.) и микроорганизмов [3; 6-7]. Существует представление о целесообразности использования в качестве тест-культур представителей трех основных звеньев трофической цепи: продуцентов, консументов, редуцентов [2].

При биотестировании почв используют две группы методик: в основе первых лежит оценка почвенных водных вытяжек, вторые оценивают почвенные пробы

путем проращивания семян растений. По мнению многих авторов, водная вытяжка из почвы не способна адекватно отразить условия функционирования биоты, в формировании которых участвуют все компоненты органоминеральной системы почв [1-3; 8]. Часть токсичных компонентов может связываться в почве и не переходит в раствор. Разница результатов особенно велика при загрязнении почв токсикантами, малорастворимыми в воде (например, нефтью) [3].

Важнейшими тест-культурами служат высшие растения, т. к. являются основой трофических и энергетических отношений в биоценозе. Результаты некоторых исследований показывают, что высшие растения более чувствительны к антропогенному воздействию, чем микроорганизмы и животные [1]. В зависимости от целевого назначения почв используют семена наиболее характерных возделываемых культур. Для оценки экологического состояния почв рекомендуется использовать несколько тест-культур, поскольку уровень устойчивости разных видов сильно варьирует [6]. В методе фитотестирования, разработанном в Бельгии, используются три вида тест-растений: одно однодольное -сорго сахарное (Sorghum saccharatum) и два двудольных - кресс-салат (Lepidium sativum) и горчица белая (Sinapis alba) [8].

Информативным показателем состояния почв являются биохимическая, в т. ч. ферментативная активность, поскольку коррелирует с уровнем загрязнения, имеет невысокое варьирование в пространстве и во времени. Рекомендуется использовать активность ката-лазы как показатель стабилизации почвенных условий, связанный с загрязнением и буферной способностью почвы [9-10].

Несмотря на то, что в настоящее время методы биотестирования широко используются в международной практике контроля за качеством почв [1-2; 7], в России система требований и нормативов, регламентирующих применение методов биотестирования и биоиндикации в целях сохранности почв, пока окончательно не сформирована [2]. Таким образом, по-прежнему остается актуальной проблема выявления информативных биотестов для оценки экологического состояния городских почв.

Цель работы: оценить экологическое состояние почв и техногенных поверхностных образований (ТПО) селитебных районов г. Пермь методом биотестирования с использованием показателей биохимической активности и реакции тест-культур.

Объектами исследований были почвы и техногенные поверхностные образования (ТПО) территории жилых районов разноэтажной застройки г. Пермь.

В пробах из корнеобитаемых слоев почв и ТПО определены: содержание органического углерода - по Тюрину; содержание подвижных фосфатов и калия - в вытяжке по Кирсанову; активность каталазы, уреазы, фосфатазы - по Ф.Х. Хазиеву; базальное дыхание -адсорбционным методом по И.Н. Шаркову в лабораторном эксперименте. Подвижность Cd, РЬ и Zn в почве установили ионоселективным методом. На почвенных пробах в течение 10 дней выращивали пшеницу и кресс-салат, у которых определены показатели роста и массы. Результаты исследований обработаны с применением математической статистики, корреляционного анализа и метода главных компонент.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Почвенный покров г. Пермь имеет сложную мозаичную структуру, определяемую литолого-геоморфо-логическими условиями территории города и типом землепользования.

Разнообразие природных почв территории города в значительной степени определяется природными факторами. Кроме зональных дерново-подзолистых почв на элювиально-деллювиальных суглинках и глинах здесь были сформированы серогумусовые почвы на элювии пермских пород, дерново-элювоземы на двучленных породах и псаммоземы на древнеаллювиальных песках камских террас [11].

Профили почв районов многоэтажной застройки редко сохраняют природное строение. Горизонт «ур-бик» имеет мощность от 5 до 50 см и более, содержит промышленно-бытовой мусор и подстилается почво-грунтами или остатками горизонтов природной почвы. ТПО сформированы «свежими» насыпными грунтами разного состава - карбонатным щебнем, торфокомпостом, песками и суглинками. В целом почвенный покров районов многоэтажной застройки отличается глубокой нарушенностью, массовым включением твердых непочвенных материалов. Признаки окультуривания почв малозначительны, в основном связаны с созданием реплантоземов путем покрытия поверхности низинным торфом или торфокомпостом (слой 0-10 см) после работ по планировке территории новостроек. Под ас-

фальтобетоном расположены экраноземы, преимущественно слоистые, из минеральных грунтов разного состава.

В районах малоэтажной застройки профиль почв формируется под воздействием урбо- и агрофакторов. Агроурбопочвы и агроурбаноземы приусадебных участков имеют гумусовый горизонт, как правило, повышенной мощности.

Глубокая трансформация свойств почв в пределах селитебных зон в результате перемешивания и создания новых минеральных слоев из пород разного гранулометрического состава, использования карбонатных материалов при строительстве, торфокомпоста при создании газонов, техногенного загрязнения и применения антигололедных средств привели к тому, что современная городская почва обладает новым комплексов свойств, определяющих качество городской среды (табл. 1). В отличие от зональных почв они чаще имеют нейтральную или слабощелочную реакцию, характеризуются высоким варьированием в содержании гумуса и питательных элементов, емкости поглощения [12]. На основе представительной выборки проб были установлены пределы изменения показателей современного почвенного фона селитебных районов г. Пермь. Отклонение от фоновых величин может свидетельствовать о глубокой трансформации почвы и привести к деградации ее основных функций по оптимизации свойств городской среды.

Известно, что городские территории подвержены повсеместному техногенному загрязнению тяжелыми металлами. Значительный объем выборки позволил установить параметры почвенно-геохимического фона жилых районов города Пермь [12]. Интервал полученных средних по содержанию тяжелых металлов является современной нормой (табл. 2), обусловленной действием антропогенного фактора, связанного не только с загрязнением, но и с заменой почв на почвогрунты разного химического состава. Заметное превышение верхней границы фона следует рассматривать как недопустимое явление, требующее проведения рекульти-вационных работ на соответствующей территории города. Содержание хрома в почвенном покрове жилых районов превышает ОДК, что обусловлено региональным геохимическим фоном.

Интенсивность дыхания была высокой не только в почвах, но и в ТПО жилых районов. Наименьшее выделение СО2 отмечено в кислых урбодерново-подзолистых почвах. Активность каталазы и уреазы зависела, по-видимому, от реакции почвенного раствора и содержания органического вещества. Фосфатазная активность несколько повышена в урбаноземах (табл. 4).

Таблица 1

Агрохимические свойства почв и ТПО жилых районов г. Пермь

Показатель Число проб Минимум Максимум Медиана Границы городского фона

нижняя верхняя

рНвод 104 4,38 8,86 7,51 6,90 7,92

рНсол 78 3,67 7,97 7,06 6,02 7,35

о4 о о Со 81 0,30 16,49 1,66 0,98 3,24

Емкость поглощения, мг-экв/100 г 74 7,90 84,80 26,70 20,20 40,30

Подвижный Р2О5, мг/100 г 49 0,30 14,00 3,90 1,80 5,90

Подвижный К, мг/100 г 50 3,50 65,00 19,50 13,10 30,30

Таблица 2

Содержание тяжелых металлов в почвах и ТПО жилых районов г. Пермь

Элемент Число проб Минимум Максимум Среднее Границы городского фона ОДК, мг/кг

нижняя верхняя

N1 156 5 300 60 40 90 80

Со 156 4 40 15 10 20 -

Сг 156 20 700 180 100 300 90

Мп 156 200 3000 900 700 1000 1500

V 156 30 200 100 90 100 150

Си 156 18 150 70 50 90 132

7п 156 50 500 100 90 150 220

РЬ 156 6 1500 20 16 40 130

Ва 118 300 1800 600 500 700 -

Бг 118 100 700 200 180 300 -

Бп 142 1 30 3 2 4 -

Мо 87 1 5 2 1 2 -

Таблица 3

Биохимическая активность почв и ТПО в слое 0-20 см

Название почвы/ТПО Дыхание, мг СО2 на 100 г, 24 ч Активность каталазы, О2 см3 /г за 1 мин. Активность фосфатаз, Р2О5 мг/100 г за 1 ч Активность уреазы, N-NHз мг/100 г за 1 ч

Урбаноземы 55,2-57,2 2,3-2,9 0,96-1,07 3,3-3,8

Реплантоземы 43,5-46,4 4,3-6,4 0,2-0,6 2,3-2,4

Агроурбо-дерново- подзолистые 8,8-46,2 2,4-7,0 0,26-0,42 1,8-11,2

Экраноземы 36,3-40,7 2,1-2,6 0,09-0,29 2,9-3,2

Таблица 4

Варьирование показателей состояния тест-культур

Показатель Среднее Минимум Максимум Доверительный интервал Коэффициент вариации, %

-95,000 % +95,000 %

Кресс-салат

Высота, мм 29 19 41 25 32 21

Масса растения, г 0,154 0,053 0,251 0,117 0,192 42

Пшеница

Высота, мм 137 111 169 129 145 11

Масса растения, г 0,330 0,230 0,440 0,300 0,360 5

Сравнительную оценку тест-культур произвели на основе чувствительности показателей роста и массы растений, которые у кресс-салата варьировали в большей степени, чем у пшеницы (табл. 4).

У пшеницы на разных почвах и ТПО коэффициент вариации показателей был низким - в пределах 11-18 %. У кресс-салата более чувствительным показателем была масса растений по сравнению с высотой, коэффициенты вариации составили 21 и 42 % соответственно. По-видимому, кресс-салат следует считать более перспективной культурой для оценки экологического состояния городских почв по сравнению с пшеницей.

Кресс-салат в силу своего происхождения (родом из полупустынных зон Азии) отличился повышенной чувствительностью к почвенной кислотности. Средние и высокие показатели состояния растений получены при нейтральной реакции почвенного раствора, были

низкими на кислых почвах. Методом корреляционного анализа установлена достоверная сильная связь (коэффициенты корреляции 0,75-1,0) между высотой, массой растений и рНвод , рНсол. Зависимость между массой растений и органическим углеродом, массой растений и количеством доступного калия, массой растений и дыханием также была прямой и сильной (коэффициенты корреляции 0,76-0,98). Достоверных связей с подвижностью тяжелых металлов не выявлено в силу низких показателей в изученных почвах и ТПО; возможно, нейтральная и щелочная реакция определяет слабую растворимость этих загрязнителей.

Результаты факторного анализа (табл. 5) выявили фактор «экологическое состояние», степень влияния которого в опытах с кресс-салатом составила 59 %. С ним достоверно связаны состояние растений, рНвод, рНсол, содержание органического углерода, количество

Таблица 5

Факторные нагрузки в опытах по биотестированию почв и ТПО

Кресс-салат Пшеница

Показатель Фактор 1 «экологическое состояние» Фактор 1 «экологическое состояние» Фактор 2

Высота, мм 0,75 0,02 0,87

Масса надземной части растения, г 0,97 0,27 0,76

Масса корней, г - 0,84 0,02

Подвижный фосфор, Р2О5 мг/100 г 0,32 0,15 -0,61

Содержание калия, мг/100 г 0,99 0,96 0,17

С % Сор^ % 0,88 0,54 -0,57

рНвод 0,97 0,94 0,21

рНсол 0,88 0,59 0,61

Дыхание, мг СО2 на 100 г, 24 ч 0,99 0,90 0,19

Активность каталазы, О2 см3/г за 1 мин. -0,52 -0,15 -0,82

Активность уреазы, №ЫН3 мг/100 г за 1 ч 0,82 0,74 -0,34

Активность фосфатазы, Р2О5 мг/100 г за 1 ч -0,08 0,44 0,33

Влияние фактора, % 59 42 22

Примечание: Жирным шрифтом выделены сильные и достоверные связи.

подвижных фосфатов, интенсивность дыхания, активность уреазы.

Степень влияния этого фактора в опытах с пшеницей заметно ниже. Только общая масса корней связана с некоторыми агрохимическими и биохимическими свойствами почв и ТПО.

Обнаружен фактор, оказывающий некоторое воздействие на рост и массу растений пшеницы. Возможно, на ранних стадиях развития растений «фактором 2» является масса зерна, которая предопределила развитие растений пшеницы.

ВЫВОДЫ

1. Почвы и техногенные поверхностные образования жилых районов разноэтажной застройки г. Пермь представлены урбаноземами, реплантоземами, экрано-земами и агроурбодерново-подзолистыми почвами.

2. Корнеобитаемые слои почв и ТПО селитебных районов характеризовались слабокислой - слабощелочной средой, высоким варьированием в содержании гумуса и питательных элементов, емкости поглощения, низкой подвижностью цинка, свинца и кадмия.

3. Установлены показатели современного городского фона по содержанию тяжелых металлов в корнеобитаемых слоях; содержание хрома в почвенном покрове жилых районов превышает ОДК, что обусловлено региональным геохимическим фоном.

4. Ферментативная активность и интенсивность дыхания корнеобитаемых горизонтов почв и ТПО изменялись в широком интервале; они понижались в кислых агродерново-подзолистых почвах, зависели от количества органического углерода и подвижного калия.

5. При оценке состояния почв и ТПО кресс-салат в качестве тест-культуры показал заметную чувствительность к агрохимическим свойствам; показатели его развития тесно связаны с интенсивностью дыхания и уреазной активностью почв и ТПО.

ЛИТЕРАТУРА

1. Бардина Т.В., Чугунова М.В., Бардина В.И. Изучение экотоксичности урбаноземов методами биотестирования // Живые и биокос-ные системы, 2013. Вып. 5. иЯЬ: http://www.jbks.ru/archive/issue-5Zarticle-8.pdf (дата обращения: 13.05.2014).

2. Терехова В.А. Биотестирование почв: подходы и проблемы // Почвоведение. 2011. № 2. С. 190-198.

3. Маячкина Н.В., Чугунова М.В. Особенности биотестирования почв с целью их экотоксикологической оценки // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. 2009. № 1. С. 84-93.

4. Колесников С.И., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. Экологическое состояние и функции почв в условиях химического загрязнения.

Ростов н/Д, 2006.

5. Мамедов Р.М. Системный анализ экологического состояния почв и водных объектов в районах нефтедобычи с применением биотестирования: автореф. дис. ... канд. биол. наук. Сургут, 2009.

6. Бардина В. И. Экотоксикологическая оценка компонентов окру-

жающей среды рекреационной зоны Ленинградской области // Водная среда и природно-территориальные комплексы: исследование, использование, охрана: материалы 4 школы-

конференции молодых ученых с междунар. участием (26-28 августа 2011 г.). Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2011. С. 210-211.

7. Терехова В.А. Реализация биотической концепции экологического контроля в почвенно-экологическом нормировании // Использование и охрана природных ресурсов в России. 2012. № 4. С. 31 -34.

8. Лисовицкая О.В., Терехова В.А. Фитотестирование: основные подходы, проблемы лабораторного метода и современные решения // Доклады по экологическому почвоведению. 2010. № 1. Вып. 13. С. 1-18.

9. Девятова Т.А. Биоэкологические принципы мониторинга и диагностики загрязнения почв // Вестник ВГУ. Серия: Химия. Биология. Фармация. 2005. № 1. С. 105-106.

10. Мынбаева Б.Н., Медведева А.В. Подавление биохимической активности загрязненных городских почв // Известия АГУ. 2011. № 3-2 (71). С. 21-25.

11. Шестаков И.Е., Еремченко О.З., Филькин Т.Г. Подходы к составлению картосхем почвенного покрова городских территорий на примере г. Пермь // Почвоведение. 2013. № 1. С. 1-10.

12. Еремченко О.З., Москвина Н.В. Свойства почв и техногенных поверхностных образований в районах многоэтажной застройки г. Пермь // Почвоведение. 2005. № 7. С. 782-789.

БЛАГОДАРНОСТИ: Исследования выполнены в рамках научно-исследовательской работы по госзада-

нию Министерства образования и науки РФ «Проведение научно-исследовательских работ (фундаментальных научных исследований, прикладных научных исследований и экспериментальных разработок)».

Поступила в редакцию 7 июля 2014 г.

Eremchenko O.Z., Moskvina N.V., Shestakov I.E., Shve-tsov A.A. USE OF TEST-CULTURES TO ASSESS ECOLOGICAL CONDITION OF URBAN SOILS

Urban soils are studied by means of the physical-chemical techniques, biochemical activity indicators and phytoassay method. We found the basic regularities in the formation of properties of urban soils and reaction of various test cultures to them. Growth and development of test cultures are determined by the ecological properties and condition of urban soils. Watercress showed more responsibility to agrochemical properties of soils compared with the wheat.

Key words: bioassay; urban soils; test cultures.

Еремченко Ольга Зиновьевна, Пермский государственный национальный исследовательский университет, г. Пермь, Российская Федерация, доктор биологических наук, профессор, зав. кафедрой физиологии растений и микроорганизмов, e-mail: eremch@psu.ru

Eremchenko Olga Zinovyevna, Perm State National Research University, Perm, Russian Federation, Doctor of Biology, Professor, Head of Physiology of Plants and Micro-organisms Department, e-mail: eremch@psu.ru

Москвина Наталья Викторовна, Пермский государственный национальный исследовательский университет, г. Пермь, Российская Федерация, кандидат биологических наук, доцент кафедры физиологии растений и микроорганизмов, e-mail: nvmoskvina@mail.ru

Moskvina Natalya Viktorovna, Perm State National Research University, Perm, Russian Federation, Candidate of Biology, Associate Professor of Physiology of Plants and Micro-organisms Department, e-mail: nvmoskvina@mail.ru

Шестаков Игорь Евгеньевич, Пермский государственный национальный исследовательский университет, г. Пермь, Российская Федерация, кандидат биологических наук, старший преподаватель кафедры физиологии растений и микроорганизмов, e-mail: Galendil@yandex.ru

Shestakov Igor Evgenyevitch, Perm State National Research University, Perm, Russian Federation, Candidate of Biology, Senior Lecturer of Physiology of Plants and Micro-organisms Department, e-mail: Galendil@yandex.ru

Швецов Алексей Альбертович, Пермский государственный национальный исследовательский университет, г. Пермь, Российская Федерация, магистрант по направлению подготовки «Экология и природопользование», e-mail: fer89@mail.ru

Shvetsov Aleksey Albertovich, Perm State National Research University, Perm, Russian Federation, Candidate for Master’s Degree of Direction of Preparation “Ecology and Nature Use”, e-mail: fer89@mail.ru