Оценка экологического неблагополучия урбосистем на основе данных мониторинга снежного и почвенного покровов (на примере г. Саратова)

ЭКОЛОГИЯ

УДК 504.064.2

О.В. Абросимова, М.А. Быкова, М.Ю. Меркулова, Е.И. Тихомирова ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО НЕБЛАГОПОЛУЧИЯ УРБОСИСТЕМ НА ОСНОВЕ ДАННЫХ МОНИТОРИНГА СНЕЖНОГО И ПОЧВЕННОГО ПОКРОВОВ

Исследованы изменения в составе микробных комплексов проб снега и почвы на территории промышленного города по состоянию некоторых групп микроорганизмов. Рассмотрено использование комплексного биотестирования для оценки состояния почвенного и снежного покровов городских территорий. Проведена оценка токсичности проб почв и снега с использованием следующих тест-объектов: Daphnia magna Straus, Lemna minor L., Raphanus sativus L. (сорт Красный с белым кончиком), Triticum durum Desf (сорт Фаворит). Предложено построение карт-схем экологического состояния городских территорий на основе интегральных показателей.

Урбосистемы, микробиота, биотестирование, токсичность, интегральные показатели

O.V. Abrosimova, M.A. Bikova, M.Yu. Merkulova, E.I. Tihomirova

EVALUATION OF ECOLOGICAL PROBLEMS WITH URBAN SYSTEMS BASED ON THE SNOW AND SOIL DATA MONITORING IN SARATOV CITY

We researched the changes in the composition of snow and soil microbial complexes in the industrial city as some groups of microorganisms. We considered using complex bioassays to assess the state of the soil and snow cover in urban areas. We evaluated the toxicity of soils and snow using the following test objects: Daphnia magna Straus, Lemna minor L., Raphanus sativus L., and Triticum durum Desf. We propose to build maps of the ecological health of urban areas on the basis of integrated indicators.

Urbosystems, microbiota, bioassay, toxicity, integral indicators

Введение

Урбосистемы в настоящее время являются основной средой обитания подавляющей части человечества и представляют собой территории, где уровень антропогенной нагрузки максимален, и где крайне важно создание благоприятных условий для жизни человека. Разрешить эту проблему можно только путем контроля и эффективного управления качеством городской среды.

На урбанизированных территориях происходят коренные изменения состояния окружающей среды. Важнейшие из них связаны с уничтожением или кардинальной трансформацией естественных экосистем.

Мониторинг является важным средством контроля за состоянием окружающей среды, он позволяет проводить слежение за происходящими в ней изменениями. Биологический мониторинг включает методы биотестирования и биоиндикации. Биотестирование дает интегральную адекватную оценку качества среды обитания любой биологической популяции, включая человека. Биотесты могут быть рекомендованы для непрерывного экспресс-контроля состояния окружающей среды промышленных районов и природно-хозяйственных комплексов.

Под биотестированием понимают процесс определения токсичности среды с помощью тест-объектов, сигнализирующих об опасности независимо от того, какие вещества и в каком сочетании вызывают изменения жизненно важных функций у тест-объектов. Для биотестирования используются различные организмы - водоросли, микроорганизмы, беспозвоночные, рыбы, растения. Исследо-

239

вание проб проводят, как правило, на нескольких тест-объектах, относящихся к разным систематическим группам живых организмов. Использование многокомпонентной тест-системы существенно повышает качество проводимых исследований воды и почвы [12].

Почва является индикатором многолетних природных процессов. Ее состояние - это результат длительного воздействия разнообразных источников загрязнения. Выбросы в атмосферу от промышленных предприятий и автотранспорта, нарушение технологических требований при добыче, переработке и использовании полезных ископаемых, несбалансированное применение минеральных удобрений приводят к загрязнению почв, ухудшению их физического и химического состояния и в результате - к снижению плодородия. Загрязнение почвы оказывает неблагоприятное воздействие и на здоровье населения, так как вредные вещества по трофическим цепям могут попадать в организм человека.

Снежный покров накапливает в своем составе практически все вещества, попадающие в атмосферу. По этой причине он обладает рядом свойств, делающих его удобным индикатором загрязнения не только самих атмосферных осадков, но и атмосферного воздуха, а также последующего загрязнения почвы и воды. При образовании снежного покрова, из-за процессов сухого и влажного выпадения примесей, концентрация загрязняющих веществ в снегу оказывается на 2-3 порядка выше, чем в атмосферном воздухе. Именно поэтому анализ снеговых талых вод наиболее ярко показывает характер и процесс загрязнения [4].

Город Саратов - крупный центр химической, нефтеперерабатывающей, оборонной промышленности и стройиндустрии. Рост производства, большая индустриальная нагрузка на окружающую среду, высокая плотность населения - все это предопределяет возрастающую экологическую напряженность в городе [9].

Архитектурно-планировочная композиция города представляет собой конгломерат разных функциональных зон, перемежающихся друг с другом. Застройка склоновых территорий и прибрежной полосы перпендикулярно стоковым и бризовым ветрам, плотная застройка центральной части и естественных коридоров проветривания, отсутствие широких проспектов в сочетании с низким природным потенциалом самоочищения усиливают и без того высокий потенциал накопления примесей. Значительная площадь города способствует формированию «острова тепла» и стимулирует формирование местных воздушных потоков, движущихся с окраинной части города в центр, формируя более сложный рисунок загрязнения атмосферы города.

Целью данной работы была оценка экологического состояния урбосистем г. Саратова на основе данных мониторинга снежного и почвенного покровов.

Материалы и методы

Объектом исследования являлись территории г. Саратова с различной степенью функционального нагрузки. Детальная привязка точек опробирования представлена на карте-схеме. В качества фоновой территории выбрана условно чистая зона в районе с. Докторовка Саратовской области.

Отбор проб снега производили в феврале-марте, проб почвы - в июне-июле в 2007-2012 гг. в соответствии со стандартными методиками [5-7, 15].

В снеговых и почвенных пробах определяли содержание гетеротрофных бактерий и микро-мицетов путем высева на плотные питательные среды ГРМ-агар и среду Чапека по общепринятым методикам [16]. Содержание микроорганизмов выражали в колониеобразующих единицах в 1 мл талой воды и в 1 г почвы.

Определение интегрального показателя биологического состояния (ИПБС) микробиоты проводили в соответствии с общепринятой методикой [14]. ИПБС является одним из информативных показателей экологического состояния техногенно-загрязненных сред.

Комплексную оценку токсичности снеговых и почвенных проб проводили с помощью тест-системы, включающей биологические тест-объекты, принадлежащие к различным систематическим группам: Daphnia magna Straus [18]. Lemna minor L. [19], Raphanus sativus L. сорт Красный с белым кончиком, Triticum durum L. сорт Фаворит [8].

Для получения сопоставимых результатов по итогам биотестирования рассчитывали индекс токсичности оцениваемого фактора или интегральный показатель токсичности среды (ИТФ). Для анализа использовали шкалу токсичности, состоящую из 6 классов [13].

На основе полученных результатов расчета комплекса интегральных показателей: интегрального показателя биологического загрязнения (ИПБС) и индекса токсичности оцениваемого фактора (ИТФ) производили построение карт-схем экологического состояния территорий исследования с помощью специализированных компьютерных программ Surfer 8.0, MapInfo Рrofessional 9.5.

Статистическую обработку экспериментальных данных проводили по общепринятым методикам с использованием t-критерия Стьюдента [1, 10, 17]. Расчёт результатов осуществляли с применением пакета прикладных программ Statistica 6.0 (for Windows; «Stat Soft Inc.», США), Statgraph (Version 2.6; СоиИет), Microsoft Еxcel 2003 (for Windows XP).

Полученные результаты и их обсуждение

На первом этапе оценивалось количественное содержание главных групп микроорганизмов в пробах (гетеротрофных микроорганизмов и микромицетов).

Оценку численности гетеротрофных микроорганизмов и микромицетов осуществляли по всей глубине снежного покрова на модельных полигонах на территории г. Саратова. Максимальное количество гетеротрофных микроорганизмов в снежном покрове фоновой территории составило 1210 КОЕ/мл, микромицетов - 125 КОЕ /мл. При сравнительном количественном анализе численности гетеротрофных микроорганизмов наибольшее число КОЕ зафиксировано в пробах, собранных вблизи промышленных зон предприятий в Заводском районе, на территории Детского парка. Анализ содержания микромицетов выявил сходное с гетеротрофными микроорганизмами распределение обилия по глубине снежного покрова, однако их количество варьировало в интервале от 10 до 7050 КОЕ/мл, что было ниже показателей, полученных для бактерий. Наибольшая степень микологического загрязнения - превышение в 55 раз - установлена на тех же территориях, что и для гетеротрофных микроорганизмов.

Для оценки состояния снежного покрова в г. Саратове в сравнении с фоновой территорией использовали интегральный показатель биологического состояния (ИПБС).

При анализе ИПБС территории г. Саратова на основе количественного содержания гетеротрофных микроорганизмов и микромицетов выявлено, что содержание микроорганизмов намного меньше фоновых значений в центре города - в Городском парке, в Заводском районе - в жилых секторах и на территориях низкой антропогенной загруженности, пустырях. Значение ИПБС колеблется в интервале от 0,23 до 0,76.

Оценку численности гетеротрофных микроорганизмов и микромицетов в почве осуществляли на тех же территориях г. Саратова. Максимальное количество гетеротрофных микроорганизмов в почвенном покрове фоновой территории составило 131*107 КОЕ/г, микромицетов - 105 *107 КОЕ /г.

На основе полученных данных по анализу биологического состояния почвенного покрова г. Саратова была произведена оценка интегрального показателя биологического состояния почв по микробиологическим показателям в зависимости от функциональных зон города, на основе которой выявлено, что из 30 исследуемых проб в 22 (71%) пробах содержание микроорганизмов в несколько раз меньше фоновых значений. Данные пробы были отобраны в центре города - на территории промышленных предприятий и на главных автомагистралях города.

Во всех городских пробах содержание микроорганизмов во много раз превышало контрольные значения. Для получения более наглядной картины распределения микроорганизмов и для оценки экологического состояния данные полученные при расчете ИПБС наносили на карту-схему г. Саратова с помощью программ Surfer 8.0, MapInfo Рrofessional 9.5.

ж \ \ ™ і і і і

Рис. 1. Карта-схема пространственного распределения ИПБС (для микроорганизмов) снежного и почвенного покровов на территории г. Саратова

Во всех городских пробах содержание микроорганизмов как превышало контрольные значения, так и было во много раз ниже фоновых показателей. При оценке экологического состояния учитывают как снижение, так и увеличение показателя, что свидетельствует о негативном воздействии

антропогенной нагрузки на территорию. Важно отметить, что выявленные микроорганизмы существуют в данном субстрате в виде ассоциаций и их разделение действует на них не благоприятно.

Следующим этапом исследования являлась оценка состояния отобранных образцов проб почвы и снега с помощью комплекса тест-объектов:

Токсичность проб на тест-объекте D. Magna, низших ракообразных дафний оценивали по смертности тест-объекта [3,11]. Методика основана на определении смертности дафний при воздействии токсических веществ, присутствующих в исследуемой водной среде, по сравнению с контрольной культурой в пробах, не содержащих токсических веществ (контроль).

Исследования с помощью L. minor проводили на органном и организменном уровне. На органном уровне оценивали морфологические отклонения растений ряски от нормы: хлорозы, увядание листецов и изменения их окраски: пожелтение, побурение, потеря интенсивности цвета [17]. На организменном уровне оценивали реализацию репродуктивного потенциала растений. По истечению времени культивации в контроле и в каждой пробе просчитывали общее количество листецов, включая материнские особи и листецы, отделившиеся от материнской особи.

Токсичность проб снега г. Саратова для тест-объекта R. sativus оценивали по способности подавлять или стимулировать всхожесть семян, а для тест-объекта T. durum (Desf.) Thell оценивали по всхожести семян и морфометрическим признакам.

На основе полученных данных был рассчитан индекс токсичности оцениваемого фактора, по результатам которого было выявлено, что сверхтоксичными по отношению к изучаемым тест-объектам оказались пробы талой воды города с улиц Пономарева, Кавказской, Орджоникидзе, Чернышевского и проспекта Энтузиастов, т.е. с главных автомагистралей изучаемых районов города. Высокотоксичными оказались пробы талой воды с улиц Томской, Пензенской, проспекта Энтузиастов - среднезагруженных автотранспортом магистралей районов, также в промышленных зонах Заводского района. Среднетоксичными оказались некоторые пробы с улиц Томской, Миллеровской Заводского района. Низкотоксичными - пробы с улиц Огородной, пробы которой отбирались в селитебных зонах, с низкой степенью автомобильной нагрузки и полным отсутствием промышленных предприятий в рассматриваемой зоне, в которой также находились пробы талой воды, которые показывали норму реакции организма на уровне контроля по отношению к тест-объекту.

При анализе ИТФ проб почв по отношению к исследуемым тест-объектам среди проб из почвенных вытяжек сверхтоксичными были пробы, отобранные с улиц Орджоникидзе, проспекта Энтузиастов, улицы Чернышевского, в районе завода САЗ, САКОЗА, «Биокон», т.е. также как и по показателям снега -промышленных зон города и главных сильнозагруженных автомагистралей. Высокотоксичная была проба на перекрестке улиц Пономарева и Кавказской, отличающаяся средней степенью автомобильной загруженности. Среднетоксичными были пробы почвенных вытяжек вблизи бывшего авиационного, метизного заводов, вблизи железнодорожного переезда, а также в скверах Заводского района. Низкой токсичностью отличались пробы селитебных территорий районов города, а также в Городском парке. Норму, реакции организма на уровне контроля по отношению к тест-объектам показали пробы с улиц Томской, Новой 9-линии и участков Новоастраханского шоссе, далеко расположенных от автотранспортных зон.

На основе полученных результатов расчета индекса токсичности оцениваемого фактора производили построение карт-схем токсикологического состояния исследуемых проб почвы и снега территории города (рис. 2).

ИТФ снежного покрова ЛТФ почвенного покрова

Рис. 2. Карта-схема пространственного распределения индекса токсичности снежного и почвенного покровов на территории г. Саратова

Сопоставление полученных данных химико-аналитического, экотоксикологического и микробиологического анализа за период 2007-2012 гг. позволило оценить экологическое состояние и степень антропогенной нагрузки на урбосистемы г. Саратова. Разработанная тест-система для анализа и мониторинга снежного и почвенного покровов города Саратова может быть рекомендована для мониторинга урбосистем других городов с овражно-балочным типом ландшафта и выраженной антропогенной нагрузкой.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ашмарин И.П. Статистические методы в микробиологических исследованиях / И.П. Ашмарин, А.А. Воробьев. Л.: Медгиз, 1962. 180 с.

2. Боев В.М. Содержание микроэлементов в донных отложениях открытых водоёмов западной части Оренбургской области / В.М. Боев, С.И. Красиков, С.В. Перепелкин и др. // Гигиена и санитария. 2003. № 5. С. 19-22.

3. Брагинский Л.П. Методологические аспекты токсикологического биотестирования на Daphnia magna Str. и других ветвистоусых ракообразных (критический обзор) / Л.П. Брагинский // Гидробиологический журнал. 2000. Т. 36. № 5. С. 50-70.

4. Василенко В.Н. Мониторинг загрязнения снежного покрова / В.Н. Василенко, И.М. Назаров, Ш.Д. Фридман. Л.: Гидрометеоиздат, 1985. 181 с.

5. ГОСТ 12071-84. Грунты. Отбор, упаковка, транспортирование и хранение образцов. Введ. 1984 - 09 - 20. М.: Изд-во стандартов, 1985. 3 с.

6. ГОСТ 17.4.3.01-83. Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб. Введ. 1983 -12 - 21. М.: Изд-во стандартов, 2004. 2-4 с.

7. ГОСТ 17.4.4.02-84. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа. Введ. 1984-12-19. М.: Изд-во стандартов, 1986. 5 с.

8. ГОСТ Р ИСО 22030 - 2009. Качество почвы. Биологические методы. Хроническая фитотоксичность в отношении высших растений. ISO 22030:2005 Soil quality - Biological methods - Chronic toxicity in higher plants (IDT). Введ. 2009 - 12 - 15. М.: Стандартинформ, 2010.

9. Доклад о состоянии и об охране окружающей среды Саратовской области в 2008 году. Саратов, 2009. 320 с.

10.Зайцев Т.Н. Математический анализ биологических данных / Т.Н. Зайцев. М.: Наука, 1991.

268 с.

11.Исакова Е.Ф. Метод биотестирования с использованием дафний / Е.Ф. Исакова, Л.В. Колосова // Методы биотестирования вод: сб. ст. АН СССР. Черноголовка, 1988. С. 50-57.

12.Кабиров Р.Р. Разработка и использование многокомпонентной тест-системы для оценки токсичности почвенного покрова городской территории / Р.Р. Кабиров, А.Р. Сагитова // Экология. 1997. № 6. С 32-36.

13.Кабиров Р.Р. Оценка токсичности атмосферного воздуха с помощью микроскопических водорослей / Р.Р. Кабиров, Н.В. Суханова, Л.С. Хайбуллина // Экология. 2000. №3. С. 231-232.

14.Казеев К.Ш. Биологическая диагностика и индикация почв: методология и методы исследований. / К.Ш. Казеев, С.И. Колесников, В.Ф. Вальков. Ростов н/Д.: Изд-во РГУ, 2003. 216 с.

15. Методические рекомендации по оценке аэротехногенного загрязнения природных сред химическими элементами по результатам мониторинга снежного покрова: утв. приказом Министра экологии и природных ресурсов Республики Татарстан от 26.02.2010 г., № 131.

16.Нетрусов А.И. Практикум по микробиологии / А.И. Нетрусов, М.А. Егорова, Л.М. Захарчук и др. М.: Академия, 2005. 608 с.

17.Плохинский Н.А. Математические методы в биологии: учеб.-метод. пособие / Н.А. Пло-хинский. М.: Изд-во МГУ, 1978. 340 с.

18.ПНД Ф 14.1:2:4.12-06 (ПНД Ф Т 16.1:2:3:3.9-06).

19.Цаценко Л.В. Методика биотестирования почвы на основе ряскового теста в агроэкологи-ческом мониторинге / Л.В. Цаценко, Н.Г. Малюга. Краснодар: КубГАУ, 2003. С. 1-56.

Абросимова Ольга Владимировна -

кандидат биологических наук, доцент кафедры «Экология», Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Olga V. Abrosimova -

Ph. D., Associate Professor Department of Ecology,

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Быкова Марина Алексеевна -

аспирант кафедры «Экология»

Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Marina A. Bikova -

Postgraduate Department of Ecology,

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Меркулова Мария Юрьевна -

аспирант кафедры «Экология»

Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Тихомирова Елена Ивановна -

доктор биологических наук, профессор кафедры «Экология», Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Mariya Yu. Merkulova -

Postgraduate Department of Ecology,

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Elena I. Tihomirova -

Dr. Sc., Professor Department of Ecology,

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Статья поступила в редакцию 15.11.13, принята к опубликованию 15.12.13