Биомониторинг почвенного покрова

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ

УДК 634.93:521

БИОМОНИТОРИНГ ПОЧВЕННОГО ПОКРОВА BIOMONITORING OF SOIL COVER OF VOLZHSKY CITY

А.Н. Бармин, доктор географических наук, профессор П.А. Зимовец, аспирант

A.N. Barmin, P.A. Zimivets

Астраханский государственный университет Astrakhan State University

В статье представлены результаты изучения активности фермента каталазы в городских почвах в условиях промышленного и транспортного загрязнения. Исследования проводились в различных районах города Волжского, отличающихся по типу и возрасту застройки, степени озеленения. На разных стадиях разложения органического вещества фермент каталаза является индикатором интенсивности окислительных процессов, то есть служит показателем активности функционирования почвенной микрофлоры. Анализ почвенных образцов на каталазную активность проводился газометрическим методом, который основан на измерении скорости разложения перекиси водорода при её взаимодействии с почвой. Установлена максимальная ката-лазная активность (10,8 О2 см3/г за 1 мин) для зеленой зоны новой части города, что связано с наименьшей длительностью антропогенного воздействия на данную территорию. Судя по низким значениям каталазной активности (от 3,4 до 4,5 О2 см3/г за 1 мин), максимальной антропогенной нагрузке подвержены зеленые насаждения общего пользования, располагающиеся в центральной части города. Почвы селитебной зоны центральной части города характеризуются средней обогащенностью ферментом (от 3,3 до 4,7 О2 см3/г за 1 мин). Степень деградации почвенного покрова у автомобильных дорог меньше в старой части города, по сравнению с центральной и новой частями города, в которых каталазная активность ниже соответственно на 34 % и 27 %. Для старой части города характерны здания малоэтажной застройки, узкие автодороги и большое количество зеленых насаждений, что способствует поддержанию допустимого уровня антропогенной нагрузки на почву. Для рекреационной и селитебной зон старой части города каталазная активность находится в пределах средней обогащенности.

The article presents the results of studying the activity of the enzyme catalase in urban soils in industrial and transport pollution. The studies were conducted in different regions of the Volzhsky city, which differ according to the type and age of building, extent of gardening. At different stages of decomposition of organic matter enzyme catalase is an indicator of the intensity of oxidative processes, that is an indication of the activity of the functioning of the soil microflora. Analysis of soil samples catalase activity held gasometric method, which is based on the measurement of the rate of decomposition of hydrogen peroxide during its interaction with the soil. It sets a maximum catalase activity (10,8 O2 cm3/g for 1 min) to the green area of the new part of the city, which is associated with the lowest duration of human impact on the territory. Judging by the low values of catalase activity (from 3,4 to 4,5 O2 cm3/g for 1 min), the public green plantings which are settling down in the central part of the city are subject to the maximum anthropogenous pressure. The soils of living zone central part of the city characterized by an average enzyme richness (from 3,3 to 4,7 O2 cm3/g for 1 min). Extent of degradation of a soil cover at highways is less in an old part of the city in comparison with the central and new parts of the city, where catalase activity is lower by 34 % and 27 %. To the old part of the building is characterized by low-rise buildings, narrow roads and a large amount of green space that helps to maintain an acceptable level of anthropogenic pressure on the ground. For recreational and living areas of the old town of catalase activity is within the average enrichment.

Ключевые слова: городские почвы, биоиндикация, загрязнение, ферментативная

активность почв, каталаза, зеленая зона, антропогенная нагрузка.

Key words: urban soil, bioindication, pollution, soil enzymatic activity, catalase, green area, anthropogenic pressure.

Введение. Биологический мониторинг - это контроль состояния окружающей природной среды с помощью живых организмов. Главный метод биологического мониторинга - биоиндикация, которая заключается в регистрации любых изменений в био-те, вызванных антропогенными факторами. Состояние почвенного покрова, степень деградации и загрязнения напрямую зависят от интенсивности антропогенного воздействия на той или иной территории городской среды и от способа городского землепользования. Деградация экосистем в результате загрязнения среды промышленными отходами и транспортными эмиссиями сопровождается значительным ущербом санитарно-гигиеническому состоянию городских территорий [9, 10]. Поскольку трансформация органического вещества в почве, от которой зависит круговорот веществ и энергии не только в почвенной экосистеме, но и в целом биогеоценозе, осуществляется при активном участии ферментов, целесообразно проводить исследования изменений ферментативной активности в городских почвах для оценки степени их деградации [8]. В процессе формирования почв участвуют гидролитические ферменты (гидролазы), осуществляющие разложение органического вещества, и оксидоредуктазы, катализирующие процессы окисления продуктов гидролиза, других метаболитов и образования предгумусных соединений. Действие гидролитических и окислительных ферментов в почве взаимосвязано. Уровень активности оксидоредуктаз, обусловливающих дальнейший распад растительных остатков в почве на более простые вещества, доступные для питания растений, может быть показателем общей биологической активности исследуемой почвы в районах различного рода загрязнений [5, 6].

Так как на разных стадиях разложения органического вещества индикатором интенсивности окислительных процессов служит показатель активности функционирования микрофлоры, каковым является фермент каталаза, целесообразно изучить изменение активности данного фермента в условиях промышленного и транспортного загрязнения в различных районах г. Волжского. При этом полученные данные могут рассматриваться как параметры экологического нормирования, что в настоящее время приобретает практическую значимость.

Город Волжский расположен у начала левого рукава Волги - реки Ахтубы, на её левом берегу, в 20 километрах северо-восточнее центра Волгограда, вместе с которым он образует ядро Волгоградско-Волжской агломерации. Территория города приурочена к югу Прикаспийской низменности, формирование рельефа которой происходило под воздействием трансгрессии древнего Каспия. В результате рельеф города имеет равнинный характер, а высотные отметки не превышают 40 м [1].

Волжский - промышленный город, второй по величине в Волгоградской области по объемам производства после Волгограда. Основу промышленного потенциала Волжского составляют заводы химической, нефтехимической и машиностроительной отраслей, металлургии и энергетики.

Материалы и методы. С целью оценки степени антропогенного воздействия на почвенный покров города Волжского, нами были проведены лабораторные исследования по определению каталазной активности почв. Анализ проб на каталазную активность проводился газометрическим методом, который основан на измерении скорости разложения перекиси водорода при её взаимодействии с почвой. Газометрический метод, как быстрый, точный, не требующий сложной аппаратуры, наиболее широко применяется в практике. Активность каталазы выражают в объеме (см3) кислорода, выделившегося на 1 г почвы в

минуту. Ошибка определения - до 5 %. Повторность - трехкратная [2, 7].

Полученные данные каталазной активности оценивались по шкале обогащенно-сти почвы ферментом каталазы (таблица 1).

Таблица 1 - Шкала для оценки степени обогащенности почвы ферментом _(каталазная активность почвы)_

Степень обогащенности почв Каталаза, О2 см /г за 1 мин

Очень бедная <1

Бедная 1-3

Средняя 3-10

Богатая 10-30

Очень богатая >30

Территория города была условно разделена на три зоны, отличающиеся временем застройки и архитектурно-планировочной структурой - старая, центральная и новая части города. Исследования проводились в каждом из выбранных секторов: на почвах, подверженных разному типу воздействия, в зеленой зоне, возле дороги и в жилой зоне. Названия ландшафтных зон представлены, исходя из соотношения площадей застройки, озеленения и дорожной сети в пределах планировочных единиц городской территории [3, 4]. Точки отбора проб располагались в центральной части каждой из зон и равноудалены друг от друга.

Результаты и обсуждение. Максимальная каталазная активность почвенных образцов из зеленой зоны была обнаружена в новой части города (10,8 О2 см3/г за 1 мин - богатая ферментом почва по шкале обогащенности). Это связано с наименьшей длительностью антропогенного воздействия на данную территорию, так как для этого района характерна частичная застройка, а это является одной из главных причин деградации почвенного покрова. В центральной части города каталазная активность в зеленой зоне варьирует от 3,4 до 4,5 О2 см3/г за 1 мин, что говорит о средней обогащенности, однако в нижних пределах этого интервала (3-10 О2 см3/г за 1 мин). В старой части города значения находятся в верхних пределах интервала средней обогащенности ферментом - от 4 до 8 О2 см3/г за 1 мин (таблица 2).

Учитывая полученные данные, можно сделать вывод о том, что максимальной антропогенной нагрузке подвержены зеленые насаждения общего пользования, располагающиеся в центральной части города. Это связано со сосредоточением в этих районах большей части населения, застроенных территорий и загруженных автотранспортом дорог, которые являются главными факторами антропогенной нагрузки на городские почвы.

Высокая активность фермента у автодорог выявлена в старой части города, что очевидно обусловлено оптимальной планировкой и большим количеством зеленых насаждений, которые способствуют защите от пыли, шума и негативного воздействия от автотранспорта. Таким образом, степень деградации почвенного покрова у автодороги здесь меньше, по сравнению с центральной и новой частями города. В этих районах каталазная активность ниже соответственно на 34 % и 27 %. На сегодняшний день эти районы более загружены автотранспортом, так как здесь сосредоточена основная часть населения.

Таблица 2 - Результаты исследования каталазной активности почвы в жилой зоне г. Волжского

№ п/п Каталазная активность О2 см3/г за 1 мин Зона отбора пробы Ландшафтная зона

1 6,0 Застроенная слабоозелененная

2 10,9 Новая часть Застроенная слабоозелененная

3 8,0 города Застроенная слабоозелененная

4 8,4 Застроенная слабоозелененная

***** ИЗВЕСТИЯ ***** № 1 (45) 2017

НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ

5 5,4 Застроенная слабоозелененная

6 10,7 Застроенная слабоозелененная

7 4,0 Озелененная

8 7,6 Озелененная

9 8,0 Старая часть Озелененная

10 4,5 города Застроенная озелененная

11 4,3 Застроенная озелененная

12 1,2 Застроенная озелененная

13 4,5 Озелененная

14 3,8 Озелененная

15 3,4 Озелененная

16 3,8 Центральная Застроенная озелененная

17 3,3 часть города Застроенная слабоозелененная

18 4,7 Застроенная озелененная

19 3,5 Застроенная слабоозелененная

20 3,6 Застроенная слабоозелененная

Максимальная каталазная активность почвенных образцов селитебной зоны установлена в новой части города, также как и для зеленой зоны - 10,9 О2 см3/г за 1 мин - богатая ферментом почва по шкале обогащенности. Минимальное значение в этом районе - 5,4 О2 см3/г за 1 мин, что, в сравнении с другими городскими зонами (центральная и старая части города), тоже является довольно высоким показателем. Для центральной части города показатель колеблется от 3,3 до 4,7 О2 см3/г за 1 мин. Для старой части города от 1,2 до 4,5 О2 см /г за 1 мин. Так, обнаруженный минимум в старой части города (1,2 О2 см3/г за 1 мин) в единственном случае характеризует территорию как бедную ферментом (по шкале обогащенности).

Исследования по определению активности каталазы в почвах различных районов на территории города Волжского показали средний её уровень обогащенности в большинстве изучаемых проб, и в единственном случае - бедный - в жилой зоне в новой части города (рисунок 1). В целом, это свидетельствует о нормальном функционировании почвенной биоты, среднем уровне почвенного плодородия и сохраняющейся способности почвы к её самоочищению от загрязняющих веществ. Что касается обеднённости ферментом территории жилых массивов новой части города, то это указывает на ухудшение свойств этой почвы и необходимость проведения агротехнических и лесомелиоративных мероприятий.

Старая часть города претерпела самые длительные исторические преобразования. Для архитектурно-планировочной структуры характерны здания малоэтажной застройки, узкие автодороги, большое количество зеленых насаждений общего пользования, специального назначения и внутридворовой растительности. Все это благоприятно сказывается на экологической обстановке и способствует поддержанию допустимого уровня антропогенной нагрузки на почву. Как для рекреационной, так и для селитебной зон старой части города, каталазная активность находится в пределах средней обогащенности.

ИЗВЕСТИЯ*

№ 1 (45), 2017

8,0 7,0 6,0 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0

Старая часть города

Центральная часть города

Новая часть города

Зеленая зона  Дороги  Жилая зона

Рисунок 1 - Каталазная активность почв в жилой зоне г. Волжского

Архитектурно-планировочная структура центральной части города представлена разнообразием как малоэтажной, так и многоэтажной застройки, обилием дорожных сетей, перегруженных автотранспортом, высокой численностью населения и сосредоточением основной части административно-деловой застройки. Обеспеченность зелеными насаждениями в данном районе не достаточно велика наряду с высокой степенью антропогенной нагрузки. Это подтверждают полученные данные о ферментативной активности почвы как о показателе уровня антропогенной нарушенности почвенного покрова. Обогащенность этих почв каталазой является практически равной для селитебной и зеленой зоны - от 3,4 до 4,5 О2 см3/г за 1 мин в рекреационной зоне и от 3,3 до 4,7 О2 см3/г за 1 мин - в селитебной зоне. Эти значения характеризуют почву как среднеобогащенную, но в нижних пределах шкалы обогащенности каталазой (3-10 О2см3/г за 1 мин).

Новая часть города является сравнительно молодым участком города, для которого характерна повсеместная многоэтажная застройка, обилие дорожных сетей, некоторая часть административно-деловой застройки, интенсивно развивающиеся строительные работы и низкая обеспеченность зелеными насаждениями, которые представлены небольшими молодыми парковыми зонами. Однако, учитывая высокую степень антропогенной нагрузки на территорию, показатели ферментативной активности как для зеленой зоны, так и для селитебной зон оказались здесь наиболее высокими, в сравнении с более старыми районами города. Были установлены значения от 6 до 10,8 О2 см3/г за 1 мин. в рекреационной зоне и от 5,4 до 10,7 в селитебной зоне. Выявленную особенность можно объяснить наименьшей длительностью антропогенного воздействия на данную территорию.

Заключение. Биологический мониторинг почвенного покрова позволил установить, что в зависимости от планировочной структуры города и, как следствие, различной степени антропогенной нагрузки в урбанозёмах изменяется интенсивность биологических процессов, выражаемых в виде активности фермента каталазы. Старая часть города (хорошо озелененная) и новая часть города (слабоозелененная) существенно различаются по показателю каталазной активности.

Библиографический список

1. Анопин, В.Н. Архитектурно-планировочные и адаптивно-ландшафтные основы зеленого строительства на территории Волгоградской агломерации [Текст]/ В. Н. Анопин, Н. Г. Ма-

товникова, С. А. Матовников. - Волгоград: ВолгГАСУ, 2012. - 159 с.

2. Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование [Текст]/ О. П. Мелихова, Е. И. Егорова, Т. И. Евсеева и др. - М.: Издательский центр «Академия», 2007. - 288 с.

3. Зимовец, П.А. Ландшафтное зонирование урбогеосистем города Волжского [Текст]/ П.А. Зимовец // Вестник Воронежского государственного университета. Серия: География. Геоэкология. - 2016. - № 3. - С. 61-65.

4. Колбовский, Е.Ю. Ландшафтное планирование [Текст]. - М.: Издательский центр «Академия», 2008. - 336 с.

5. Марфенина, О. Е. Микробиологические аспекты охраны почв [Текст]/ О. Е. Марфе-нина. - М.: Изд-во МГУ, 1991. - 80 с.

6. Никитина, З. И. Микробиологический мониторинг наземных экосистем [Текст]/ З. И. Никитина. - Новосибирск: Наука, 1991. - 222 с.

7. Федорец, Н. Г. Методика исследования почв урбанизированных территорий [Текст]/ Н. Г. Федорец, М. В. Медведева. - Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2009. - 84 с.

8. Хазиев, Ф. Х. Ферментативная активность почв [Текст] / Ф. Х. Хазиев. - М.: Наука, 1976. - 17 с.

9. Хомич, В. А. Экология городской среды [Текст] /В.А. Хомич. - Омск: Изд-во СибА-ДИ, 2002. - 267 с.

10. Яковлев А. С. Биологическая диагностика и мониторинг состояния почв [Текст] / А С. Яковлев // Почвоведение. - 2000. - № 1. - С. 70-79.

Reference

1. Anopin, V. N. Arhitekturno-planirovochnye i adaptivno-landshaftnye osnovy zelenogo stroitel'stva na territorii Volgogradskoj aglomeracii [Tekst]/ V. N. Anopin, N. G. Matovnikova, S. A. Matovnikov. - Volgograd: VolgGASU, 2012. - 159 s.

2. Biologicheskij kontrol' okruzhayuschej sredy: bioindikaciya i biotestirovanie [Tekst]/ O. P. Melihova, E. I. Egorova, T. I. Evseeva i dr. - M.: Izdatel'skij centr "Akademiya", 2007. - 288 s.

3. Zimovec, P. A. Landshaftnoe zonirovanie urbogeosistem goroda Volzhskogo [Tekst]/ P. A. Zimovec // Vestnik Voronezhskogo gosudarstvennogo universiteta. Seriya: Geografiya. Geo]kologiya. - 2016. - № 3. - S. 61-65.

4. Kolbovskij, E. Yu. Landshaftnoe planirovanie [Tekst]. - M.: Izdatel'skij centr "Akademiya", 2008. - 336 s.

5. Marfenina, O. E. Mikrobiologicheskie aspekty ohrany pochv [Tekst]/ O. E. Marfenina. -M.: Izd-vo MGU, 1991. - 80 s.

6. Nikitina, Z. I. Mikrobiologicheskij monitoring nazemnyh ]kosistem [Tekst]/ Z. I. Nikitina. - Novosibirsk: Nauka, 1991. - 222 s.

7. Fedorec, N. G. Metodika issledovaniya pochv urbanizirovannyh territorij [Tekst]/ N. G. Fedorec, M. V. Medvedeva. - Petrozavodsk: Karel'skij nauchnyj centr RAN, 2009. - 84 s.

8. Haziev, F. H. Fermentativnaya aktivnost' pochv [Tekst] / F. H. Haziev. - M.: Nauka, 1976. - 17 s.

9. Homich, V. A. }kologiya gorodskoj sredy [Tekst] /V. A. Homich. - Omsk: Izd-vo Si-bADI, 2002. - 267 s.

10. Yakovlev A. S. Biologicheskaya diagnostika i monitoring sostoyaniya pochv [Tekst] / A. S. Yakovlev // Pochvovedenie. - 2000. - № 1. - S. 70-79.

E-mail: petrzimovets@yandex.ru