Сравнительная оценка состояния городских почв по их биологической активности

УДК 579.26

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА СОСТОЯНИЯ ГОРОДСКИХ ПОЧВ ПО ИХ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ*

Т.А. Трифонова, О.Н. Сахно, О.Н. Забелина, И.Д. Феоктистова

С целью оценки экологического состояния почв г. Владимира исследованы их химические свойства и показатели биологической активности, отражающие баланс азота. Выявлены изменения в биологической активности почв урбанизированных территорий, что может служить теоретической основой для разработки мер по охране городских почв и реабилитации территорий.

Ключевые слова: почвы урбанизированных территорий, биологическая активность, цикл азота.

Введение

Все объекты окружающей среды городских территорий подвержены трансформации, и основную нагрузку при этом испытывают городские почвы. Они теряют свои функциональные свойства, тем самым становятся не только не пригодными для выполнения своих экологических функций, но и, являясь промежуточным звеном между атмосферным воздухом и водной средой, аккумулируют практически все техногенные загрязнения, попадающие в окружающую среду. Поэтому необходимость сравнительной оценки нарушений, деградационных изменений и биологической активности почв урболандшафтов — одна из первостепенных задач экологического мониторинга.

В городских условиях очагами техногенного загрязнения часто являются автотранспортные потоки и автозаправочные станции (АЗС), где в почву периодически попадает значительное количество органических поллютантов, а также соединений тяжелых металлов. Нередко такие территории становятся источниками вторичного загрязнения окружающей среды. Поступающая атмосферная пыль содержит подщелачивающие компоненты, что приводит к изменению уровня кислотности почв в сторону более высоких по сравнению с фоновыми территориями значений рН [8]. В почвах, прилегающих к автомагистралям, отмечается повышение концентрации нефтепродуктов относительно допустимого уровня [2, 5].

В проблеме влияния урбанизации на показатели биологической активности почвы еще остаются нерешенные аспекты, хотя известно, что изменения комплекса показателей ферментативной и микробиологической активности могут служить ранними диагностическими признаками, позволяющими заметить негативные изменения в почве уже на начальных стадиях загрязнения [11].

При современном градостроительстве до 70—90% территории города закрыто асфальтобетоном и дру-

гим дорожным покрытием, а также зданиями и строениями. Под покрытиями запечатаны почвы, почво-подобные тела и грунты, в которых биогеохимические процессы отличаются своеобразием по сравнению с открытыми почвами. Микробные местообитания имеют здесь сложный и постоянно меняющийся характер, что особенно характерно для почвенного покрова города, прерывистость и мозаичность которого могут служить источником сохранения определенных родов и видов бактерий, поддержанию их пула даже в условиях локального токсического загрязнения и ухудшения водно-воздушных и физических свойств. Существует мнение, что характеристика экологической ниши таких бактерий позволила бы производить «микробиологическое картографирование» городских почв для биомониторинга и для выявления причин такого вынужденного доминирования [6]. Изучение этих особенностей актуально и необходимо при экологической оценке территории города.

Цель настоящей работы — оценка современного состояния городских почв, находящихся в зонах антропогенного воздействия автозаправочных станций, в промышленных зонах, районах, прилегающих к основным автотранспортным магистралям, а также запечатанных почв города по уровню их биологической активности.

Объекты и методы исследования

Работу проводили на территории г. Владимира. Объектами исследования служили почвы города в местах расположения автозаправочных станций на магистральных потоках и федеральной трассе Москва—Казань, территорий, находящихся под воздействием промышленных предприятий. В качестве контрольной была использована длительное время необрабатываемая огородная почва в экологически чистом районе. Анализировали верхние горизонты — 0—10 и 10—20 см. Для исследования состояния запечатанных

* Научная публикация подготовлена в рамках государственного задания ВлГУ им. А.Г. и Н.Г. Столетовых № 2014/13 на выполнение государственных работ в сфере научной деятельности.

почв (районы жилой застройки, участки автодорог) пробы отбирали на глубине 0—50 см (брали средний образец).

Биологическую активность оценивали по содержанию представителей р. ЛгооЬаШт (безазотистая среда Эшби, метод почвенных комочков [4]) и активности фермента уреазы на фоне изменяющегося показателя активной кислотности (экспресс-метод по Аристов-ской [1]). Отбор проб почвы проводили в соответствии с ГОСТ 17.4.4.02-84 «Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализов». Активную кислотность определяли методом потенцио-метрии на универсальном иономере «Электрон-001».

Результаты и их обсуждение

Активная кислотность (рН) является одной из наиболее важных характеристик при исследовании деградационных изменений почв урбанизированных территорий. Значение рН зависит от множества взаимодействующих факторов и служит в определенной степени показателем содержания питательных веществ; кроме того, величина рН указывает на то, какие растения (и почвенные животные) могут успешно развиваться на данных почвах.

Таблица 1

Показатели активной кислотности и содержание АгоЧоЬа^ег скгаасассит в почвах, подверженных влиянию АЗС, магистральных автодорог и промышленных предприятий

Место отбора пробы Активная кислотность (рН) Обрастание комочков в чашке колониями Л. скгоососсыт, проценты

0—10 см 10—20 см 0—10 см

АЗС № 1, Пекинка 7,36 7,36 98

АЗС № 2, там же 7,85 7,59 96

АЗС № 3, там же 7,95 7,60 100

АЗС № 4, там же 6,92 7,55 94

АЗС, пр-т Ленина 7,85 7,59 80

АЗС, ул. Северная 7,95 7,60 96

АЗС, рокадная дорога 7,90 7,92 78

АЗС, загородный парк 7,40 7,26 96

АЗС, ул. Б. Нижегородская 8,06 7,83 88

Автодорога, ул. Лакина 7,68 7,32 96

Автодорога, ул. Куйбышева 7,92 7,90 90

Автодорога, ул. Мира 6,89 6,64 76

Зона влияния ОАО ВТЗ 7,46 7,46 100

Контроль 6,00 6,00 4

Таблица 2

Средние значения pH запечатанных почв в слое 0—50 см

Место отбора пробы рН

Ул. Юбилейная 7,90

Суздальский пр-т 8,30

Ул. Луначарского 8,60

Ул. Юбилейная 8,50

Ул. Безыменского 7,80

Ул. Егорова 8,50

Ул. Добросельская 8,20

Ул. Погодина 8,60

Ул. Комиссарова 8,20

Ул. Жуковского 7,90

Примечание. Средние значения обрастания комочков в чашке колониями Л. екгоосоесыт во всех местах отбора проб в слое 0—50 см — 100%.

Проведенный анализ показал, что исследуемые почвы по сравнению с фоновыми по кислотности значительно трансформированы, т.е. везде наблюдалось увеличение значения рН (табл. 1,2). Такие показатели активной кислотности не свойственны естественным серым лесным и дерново-подзолистым почвам Владимирской обл., для которых обычно характерна кислая реакция почвенной среды.

Выявлена четкая корреляционная зависимость активной кислотности в почвенных слоях. Наблюдается следующая закономерность: верхний горизонт почвы отличается от нижнего более высокой щелочностью, что подтверждает техногенное загрязнение (рис. 1).

Интенсивное подщелачивание объясняется попаданием в почву через поверхностный сток и дре-

6,4

6,2-1-1-1-1-1-1-1-1-1-

6,4 6,6 6,8 7,0 7,2 7,4 7,6 7,8 8,0 8,2 рН

Рис. 1. Корреляционная зависимость активной кислотности в почвенных слоях. Уравнение корреляционной зависимости: у = = 1,14057499 + 0,837650925 • х. Статистические показатели: г2 = = 0,8064; г = 0,8980; р = 0,0000, где г2 — коэффициент детерминации, г — коэффициент корреляции, р — уровень достоверности

нажные воды хлоридов кальция и натрия, а также других солей, применяемых при обработке тротуаров и дорог в зимнее время года. Другой причиной могут быть соединения кальция, которые высвобождаются под действием кислотных осадков из строительного мусора, цемента, кирпича и пр. и повышают рН почвы по сравнению с их природными аналогами. Так, рН запечатанных почв достигал значений 7,8—8,6 (табл. 1).

Анализ полученных результатов выявил, что в запечатанных почвах города по сравнению с почвами в местах расположения автозаправочных станций на магистральных потоках и федеральной трассе Москва—Казань и территорий, находящихся под воздействием промышленных предприятий, показатель активной кислотности в среднем на единицу выше, что свидетельствует об их химической деградации.

Оценка состояния почв по наличию в них азотобактера. Следствием повышенной активной кислотности почв явилось увеличение численности микроорганизмов р. Azotobacter (табл. 1,2), поскольку большинство видов этого рода развивается только при рН > 6 и поэтому обычно не встречаются в кислых почвах. Слабощелочная реакция урбаноземов способствует также интенсификации азотфиксации, так как нитрогеназа ингибируется кислородом и активизируется в нейтральной или слабощелочной среде.

В предыдущих исследованиях нами было показано, что почвы АЗС значительно загрязнены нефтепродуктами [7]. В связи с этим повышенное содержание азотобактера в этих почвах может быть также связано с увеличением количества легкодоступных органических веществ — продуктов разложения нефтепродуктов (спирты, органические кислоты, аминокислоты), которые стимулируют развитие этого микроорганизма. В незагрязненной и слабо загрязненной почве не содержится достаточного количества легко усваиваемого органического вещества. Возможно, именно поэтому в фоновых почвах с пониженной антропогенной нагрузкой азотобактер встречается в небольшом количестве (табл. 1).

Следует отметить, что во всех запечатанных почвах на глубине 50 см количество азотобактера, определяемое методом почвенных комочков, составляло 100%. Снижение общего количества бактерий в загрязненных и запечатанных почвах, видимо, позволяет азотобактеру занять освободившуюся экологическую нишу, поскольку он обнаруживает существенно меньшую чувствительность к загрязнению. Очевидно, что именно загрязняющие органические вещества способствуют развитию специфической ниши для азотобактера, где он начинает играть роль активного редуцента. Высокой активности азотобактера способствует также ограниченный доступ кислорода, создающийся при запечатывании почвы, так как А. скгоососсыт лучше развивается при некотором недостатке кислорода. Постоянное наличие в запечатанных почвах азотобактера может быть также связано со способностью данного микроорганизма образовывать цисты [10]. Таким образом, следует предположить, что А. скгоососсыт захватывает доминирующие позиции в микробном пуле загрязненных слабоаэрируемых почв.

Уреазная активность — один из наиболее показательных диагностических критериев, так как, с одной стороны, ее присутствие легко и достаточно надежно определяется в лабораторных условиях, а с другой — она очень чутко реагирует на изменение внешних условий [4]. Фермент уреаза обладает строгой специфичностью действия: расщепляет только мочевину и не воздействует на ее производные соединения. Состояние этого фермента характеризует общую поч-венно-биохимическую обстановку и служит хорошим индикатором условий среды [9]. Нами оценен «центр распределения» уреазной активности для всех объектов исследования и рассчитан доверительный интервал — Д0,9 (табл. 3).

Почвы, подверженные влиянию магистральных автодорог, промышленных предприятий и АЗС, загрязнены комплексом токсичных элементов [3]. Вре-зультате проведенных исследований выяснилось, что активность уреазы в данных почвах неодинаковая: в местах с высокой промышленной нагрузкой (зона

Таблица 3

Уреазная активность в почвах разных объектов

Объект исследования Уреазная активность (по рН), часы

1 2 3 4 5 6 7 8 9

АЗС (25 обр.) центр распределения 6,16 6,8 7,48 7,94 8,32 8,58 8,84 9,08 9,16

Д0,9 0,45 1,57 2,14 2,44 2,50 2,57 2,52 2,64 2,59

Автодороги (9 обр.) центр распределения 6,22 7,50 8,67 8,94 9,28 9,33 9,33 9,56 9,78

Д0,9 0,58 1,39 1,92 1,29 1,45 1,60 1,60 1,41 1,75

Промышленные предприятия (7 обр.) центр распределения 6,36 7,71 8,86 9,93 10,43 10,86 11,00 11,14 11,14

Д0,9 0,76 2,95 3,29 3,15 2,55 2,34 2,44 2,52 2,52

5 _I_I_I_I_I_I_I_

123456789 Время нарастания активности уреазы, ч

Рис. 2. Динамика активности уреазы при разных антропогенных нагрузках: 1 — предприятия, 2 — автодороги, 3 — АЗС, 4 — запечатанные почвы

влияния ОАО ВТЗ) она была наибольшей, причем в некоторых случаях рН достигал максимального значения (12 ед.) уже через 4 ч опыта (рис. 2).

В открытых почвах, подверженных влиянию магистральных автодорог, уровень уреазной активности был ниже (рН 10 через 5 ч опыта) и практически сопоставим с таковым в незагрязненных почвах, хотя в контрольном образце процесс разложения мочевины проходил еще медленнее. Быстрое нарастание активности уреазы и высокий ее уровень в образцах загрязненной почвы свидетельствуют о большой устойчивости этого фермента к ингибирующим факторам — тяжелым металлам и нефтепродуктам. С этих позиций можно оценивать значительную роль уреазы в самоочищении таких почв.

Обратная картина наблюдалась в запечатанных почвах. На рис. 2 видно, что уреазная активность здесь вообще не проявляется (рН 6). Очевидно, отсутствие притока кислорода, необходимых микроэлементов и органики полностью подавляет функции фермента, что может свидетельствовать о консервации состояния запечатанных почв и отсутствии в них процессов самоочищения.

Выводы

Интенсивное техногенное воздействие изменяет как функциональные свойства почв АЗС, промышленных зон, районов, прилегающих к основным автотранспортным магистралям, так и их биологическую активность. Городские почвы уже не соответствуют

естественным серым лесным и дерново-подзолистым почвам Владимирской обл. Во всех исследованных почвах зафиксировано значительное повышение активной кислотности (рН), причем верхний горизонт почвы достоверно отличается от нижнего более высокой щелочностью, что способствует депонированию в нем загрязнителей. Поэтому при рекультивации целесообразно его снимать.

Содержание азотфиксирующего микроорганизма Л. chroococcum может служить показателем загрязнения: в почвах с повышенной антропогенной нагрузкой он присутствует в большом количестве (до 100%), а с пониженной — встречается значительно реже. Быстрое нарастание активности уреазы и ее высокий уровень свидетельствуют о способности загрязненных почв к самоочищению.

Запечатанные почвы сильно отличаются от других городских почв по своей биологической активности. Активная кислотность (рН) намного выше, чем в других городских почвах; уреазная активность в них полностью подавлена. Л. с^оососсит способен в подобных условиях сохранять жизнеспособность длительное время.

Проведенные исследования, а также ранние работы [3, 7] позволяют предположить, что Л. с^оосос-сит в урбаноземах играет особую роль. Данный микроорганизм постоянно присутствует в запечатанных и городских почвах с достаточно высоким уровнем загрязнения нефтепродуктами и тяжелыми металлами, с повышенным значением рН. Видимо, подобная экологическая ниша является для него наиболее благоприятной.

Таким образом, сравнительная оценка состояния почв г. Владимира по биологической активности показала, что их микробные сообщества сохраняют некоторые природные экологические ниши и начинают осваивать возникшие новые микрозоны антропогенного характера. Это дает возможность изучать мик-робиоту городских почв с точки зрения выявления их роли в процессе формирования урботехноземов.

Применение методов диагностики биологической активности при интегральной оценке и прогнозе состояния почв, подверженных комплексному воздействию природных и антропогенных факторов, позволяет решать практические задачи для расчета экологического ущерба, а также способствует разработке мер по реабилитации территорий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Аристовская Т.В., Чугунова М.В. Экспресс-метод определения биологической активности почвы // Почвоведение. 1998. № 11.

2. Герасимова М.И., Строганова М.Н., Можарова Н.В., Прокофьева Т.В. Антропогенные почвы. Смоленск, 2003.

3. Журавлёва А.Г., Сахно О.Н., Феоктистова И.Д. Диагностика процессов цикла азота в оценке биологической

активности городских почв // Экология урбанизированных территорий. 2011. № 2.

4. Нетрусов А.И., Егорова М.А., Захарчук Л.М. и др. Практикум по микробиологии: Учеб. пособие. М., 2005.

5. Почва, город, экология / Под ред. Г.В. Добровольского. М., 1997.

6. Скворцова И.Н., Строганова М.Н., Николаева Д.А. Азотобактер в почвах города Москвы // Почвоведение. 1997. № 3.

7. Феоктистова И.Д., Сахно О.Н., Журавлёва А.Г. Оценка экологического состояния почв урбанизированных территорий, загрязненных нефтепродуктами // Изв. Самар. науч. центра РАН. 2011. Т. 13, № 1 (5).

8. Экологические функции городских почв / Под ред. А.С. Курбатовой, В.Н. Башкина. М.; Смоленск, 2004.

9. Elliott G. Effects of inhibitors of microbial activity on urea hydrolysis and nitrification in a soilless potting medium // Horticulture. 2007. N 3.

10. Lewis I.M. Cell Inclusions and the Life Cycle of Azo-tobacter // J. Bacteriol. 2005. T. 34, N 2.

11. Wander М. Measures of Soil Biology and Biological Activity // Agriculture. 2009. N 10.

Поступила в редакцию 23.08.2013

COMPARATIVE ASSESSMENT OF STATE OF URBAN SOILS

FOR THEIR BIOLOGICAL ACTIVITY

T.A. Trifonova, O.N. Sakhno, O.N. Zabelina, I.D. Feoktistova

Chemical properties and factors of biological activity reflecting nitrogen balance of soils were studied with a purpose of assessment of ecological state of soils in the city of Vladimir. Changes of biological activity of soils in urban areas were revealed, which may become a theoretical basis for developing measures for protection of soils and rehabilitation of areas.

Key words: soils in urban areas, biological activity, nitrogen cycle.

Сведения об авторах

Трифонова Татьяна Анатольевна, докт. биол. наук, профессор, вед. науч. сотр. каф. географии почв ф-та почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова. E-mail: tatrifon@mail.ru. Сахно Ольга Николаевна, канд. биол. наук, доцент каф. экологии ф-та химии и экологии Владимирского гос. ун-та им. А.Г. и Н.Г. Столетовых. E-mail: sahno_vlgu@mail.ru. Забелина Ольга Николаевна, аспирант каф. экологии ф-та химии и экологии Владимирского гос. ун-та им. А.Г. и Н.Г. Столетовых. E-mail: plehanovaolga999@mail.ru. Феоктистова Ирина Дмитриевна, канд. биол. наук, доцент каф. экологии ф-та химии и экологии Владимирского гос. ун-та им. А.Г. и Н.Г. Столетовых. E-mail: feoktistova@vlsu.ru.