Пространственно-временные изменения биологической активности городских почв (на примере г. обнинска)
На правах рукописи
ПАВЛОВА Надежда Николаевна ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ГОРОДСКИХ ПОЧВ (НА ПРИМЕРЕ Г. ОБНИНСКА) 03.00.16 – экология 03.00.07 – микробиология
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Москва – 2008 в Обнинском государственном техническом
Работа университете атомной энергетики (ИАТЭ) выполнена доктор биологических наук, доцент Научные руководители: Азовский Андрей Игоревич кандидат биологических наук, доцент Сарапульцева Елена Игоревна доктор биологических наук, профессор
Официальные оппоненты: Умаров Марат Мутагарович доктор биологических наук, профессор Абакумов Владимир Анатольевич Всероссийский научно-исследовательский Ведущая институт сельскохозяйственной радиологии и организация агроэкологии РАСХН
Защита диссертации состоится «_»2008 г. в часов на заседании диссертационного совета Д 501.001.55 при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119992, Россия, Москва, Ленинские горы, д.1, стр. 12, Биологический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова
Автореферат разослан « _ » октября 2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета кандидат биологических наук Н.В. Карташева
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. В 1956 г. в 100 км на юго-запад от Москвы был образован уникальный научный городок Обнинск (ныне первый в России наукоград) с расположением на его территории Первой в мире атомной электростанции с атомным реактором малой мощности 30 МВт и Физико-энергетического института (ныне ГНЦ РФ ФЭИ) с исследовательским реактором на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем БР-10 мощностью 8 МВт.
Основными направлениями реализации научно-технического потенциала наукограда Обнинск являются атомная энергетика, ядерная техника и радиационные технологии, медицинская радиология, метеорология, а также предприятия химической и нефтехимической промышленности, машиностроения и металлообработки, лесной, деревообрабатывающей, легкой, пищевой, медицинской и полиграфической промышленности. В атмосферу г. Обнинска поступает более 120 загрязняющих веществ, выбрасываемых из 1177 источников, зарегистрировано около 32 тыс. автомобилей, на долю которых приходится более 80% всех выбросов. Достаточно высока интенсивность движения по железной дороге на участке Москва-Калуга.
Такое значительное стечение в городе потенциально опасных производств ставит первостепенной задачу экологического мониторинга, который регулярно проводят два независимых подразделения: оценку радиационной обстановки на территории санитарно-защитной зоны (СЗЗ) ФЭИ – отдел радиационной безопасности и охраны окружающей среды (РБ и ООС) предприятия, экологическую ситуацию в городе и в целом по Калужской области – НПО «Тайфун». Ежегодно выпускаются сборники «Радиационная обстановка на территории России и сопредельных государств». Недостатком того и другого является, в первом случае, ограничение территории санитарно-защитной зоной ФЭИ, во втором, чересчур масштабная оценка, когда город рассматривается как точка в Калужской области. По нашему мнению, оценивать экологическую ситуацию в городе необходимо более детально, зонируя территорию на отдельные потенциально опасные участки: центральные улицы города, территорию влияния ФЭИ, рекреацинно-парковую зону города и т.п.
На современном этапе обращает на себя внимание развитие биомониторинга как универсального подхода к оценке состояния экологических систем. При этом почва рассматривается как основная среда адсорбции загрязняющих веществ, что вызывает изменение функциональной и биохимической активности биоты. Внешне признаки деградации почвы заметить сложно, поэтому изменения этой составляющей биосферы не вызывают особого беспокойства ни у населения, ни, отчасти, у специалистов. Однако именно живая компонента почвы может сказать многое об изменениях экологической ситуации на территории в целом. Хорошо известны биоиндикаторы высокого уровня загрязнения почв: каталазная, инвертазная, дегидрогеназная и уреазная ферментативные активности. Среди физиологических параметров состояния почвенного микробоценоза особо чувствительной к загрязнению является активность азотфиксации.
Во всех работах биологическая оценка была приемлема при высоком (более 10 ПДК) загрязнении почв (Звягинцев, 1976-1991;
Денисова, 2005, 2006, Девятова, 2005, 2006;
Егорова и др., 1991, 1996). Исследования низкоинтенсивных воздействий на экосистемы, примером которых являются почвы г. Обнинска, в литературе отсутствуют. В связи и с этим представляет особый интерес подбор биоиндикаторов загрязнения почв тяжелыми металлами и радионуклидами, которые можно эффективно использовать для мониторинга экологической ситуации в городах с малым уровнем загрязнения.
Цель и задачи исследования. Целью работы было выявление изменений во времени и пространстве биологического состояния почвенной экосистемы г. Обнинска в условиях загрязнения тяжелыми металлами и радионуклидами.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
1. Провести химический и радиационный мониторинг территории г.
Обнинска и сопредельных районов.
2. Провести ежегодный (2002–2008 гг.) анализ биологической активности почв по показателям азотного (активности азотфиксации, денитрификации) и углеродного (эмиссия СО2, метаногенность) циклов почвенных микробоценозов, а также дегидрогеназной, каталазной, уреазной и инвертазной ферментативной активности почв.
3. Оценить пространственно-временные изменения исследуемых показателей биологической активности почв.
4. Выявить наиболее информативные биоиндикаторы состояния урбанизированной почвенной экосистемы.
5. Провести зональное картирование экологического состояния исследуемых почв г. Обнинска с использованием ГИС-технологий.
Положения, выносимые на защиту:
1. Пространственно-временные изменения биологической активности почв в условиях низкого уровня техногенного загрязнения связаны с комплексом особенностей почв, включающих в себя характеристику мехсостава, наличия органического вещества, кислотности, содержания тяжелых металлов и радионуклидов в точках пробоотбора.
2. На фоне пространственной мозаичности наблюдаются устойчивые направленные многолетние изменения (тренды) ряда показателей почвенной активности. Эти изменения отражают долговременные перестройки в структуре почвенной микробиоты, протекающие под действием комплекса факторов.
Научная новизна и практическая значимость 1. Впервые в образцах почв г. Обнинска проведен комплексный анализ динамики накопления тяжелых металлов (Cu, Pb, Cd), изменения активности основных радионуклидов (137Cs, 232Th, 40K) и функционально биохимического состояния почв по восьми показателям (каталазная, инвертазная, уреазная и дегидрогеназная активности, эмиссия СО2, азотфиксация, денитрификация, метаногенность).
2. Предложена регрессионная модель зависимости изменения биологической активности почв от содержания тяжелых металлов (ТМ) и радионуклидов.
3. Выявлены закономерности пространственных и временных изменений биологической активности почв г. Обнинска в условиях загрязнения ТМ и радионуклидами.
4. Проведено зональное ГИС-картирование экологического состояния исследуемых почв г. Обнинска как важного компонента мониторинга в практической реабилитации техногенно загрязненных территорий.
Внедрение результатов работы 1. Разработанные в диссертационной работе теоретические основы биоиндикации техногенного загрязнения почв были использованы при чтении курсов лекций и проведении практических и лабораторных работ по дисциплинам «Экологический и биологический мониторинг», «Техногенные системы и экологический риск» и «Экология и безопасность жизнедеятельности», читаемых студентам специальностей 020803 «Биоэкология», 020801 «Экология», 140307 «Радиационная безопасность человека и окружающей среды» в Обнинском государственном техническом университете атомной энергетики.
2. Издано учебное пособие «Экологический риск. Часть 1» по курсу «Техногенные системы и экологический риск» для студентов специальности 020801 «Экология», а также студентов и аспирантов смежных специальностей.
3. Результаты исследования используются в работе отдела РБ и ООС для оценки загрязнения объектов окружающей среды (акт технического внедрения №4/РБ от 24 сентября 2007 г.).
Апробация работы. Результаты работы доложены на Международной научной конф. «Экология и биология почв», Ростов-на Дону, 2006;
II Междунар. научно-практ. конферен. «Почва как связующее звено функционирования природных и антропогенно преобразованных экосистем», Иркутск, 2006;
Междунар. научн. конф.
«Проблемы устойчивого функционирования водных и наземных экосистем», Ростов-на-Дону, 2006;
Российской школе-конф. молодых ученых «Экотоксикология: современные биоаналитические системы, методы и технологии», Пущино, 2006;
Всероссийской научн.школе «Актуальные проблемы регионального экологического мониторинга:
научные и образовательные аспекты», Киров, 2006;
IX Российской научной конференции «Радиационная защита и радиационная безопасность в ядерных технологиях», Обнинск, 2006;
II Международной научн.конференции «Современные проблемы загрязнения почв», Москва, 2007;
IV регион.научн. конференции «Техногенные системы и экологический риск». – Обнинск, 2007.
В 2006 г. в рамках Российской школы-конференции молодых ученых «Экотоксикология – современные биоаналитические системы, методы и технологии» (г. Пущино) выигран индивидуальный грант №30 от 01.08.06 по теме «Оценка экологических рисков функционального изменения сообщества почвенных микроорганизмов на техногенно загрязненных территориях».
В 2006 г. получена поощрительная премия Министерства экономического развития Калужской области за научную работу «Биодиагностика почвенного биома в районе расположения предприятия атомной энергетики», а также несколько дипломов победителя тематического направления перечисленных конференций.
В 2007 г. присуждена стипендия им. К.Э. Циолковского за исследование экологического состояния сообщества почвенных микроорганизмов в районе расположения предприятия атомной энергетики.
Опубликовано 19 печатных работ, в том числе 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для кандидатских диссертаций по направлению «Биологические науки» и 1 статья в журнале, рекомендованном ВАК для кандидатских диссертаций по другим направлениям.
Диссертация апробирована на межкафедральном научном семинаре ИАТЭ 15 апреля 2008 г. и на заседании кафедры гидробиологии биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова 11 мая 2008 г.
Структура работы. Диссертационная работа изложена на страницах машинописного текста. Содержит: введение, обзор литературы, материалы и методы исследования, результаты и их обсуждение, заключение, выводы, список используемых источников, содержащий 159 российских и 83 зарубежные публикации. Полученные результаты представлены в 52 таблицах и на 20 рисунках, в том числе на 19 электронных картах в ГИС-технологиях.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Объекты исследования. Пробоотбор образцов почв для исследования производили в 60-ти точках, расположенных в пойме и террасах р. Протвы, на территории санитарно-защитной зоны (СЗЗ) предприятия атомной энергетики ФЭИ, вблизи могильника радиоактивных отходов, в г. Обнинске и его окрестностях вдоль основных улиц и в лесопарковой зоне. Почву отбирали из поверхностного слоя на глубине 0 – 10 см в середине июня 2002–2008 гг.
по стандартной методике «конверта». Для выявления закономерностей изменения биологической активности почв в пространстве и для обнаружения районов неблагоприятного действия антропогенного загрязнения было проведено зонирование точек пробоотбора на зоны по территориальному принципу: 1 – промышленная (санитарно-защитная зона ФЭИ, могильники радиоактивных отходов, очистные сооружения города), 2 – придорожная (вдоль основных улиц города) и 3 – парковая (скверы, парки, окрестности).
Определение содержания Cd, Cu, Pb в образцах почв. Для измерения массовой доли ТМ использовали электрохимический метод инверсионной вольтамперометрии (ИВ) с линейной развёрткой потенциала на твердом индикаторном электроде на установке «Буревестник-1» (Россия) согласно (ГОСТ P S. 563-96) и атомно абсорбционный метод согласно (МУК по определению ТМ в почвах сельхозугодий и продукции растениеводства).
Измерение содержания радионуклидов (137Cs, 40К, 232Th) проводили на полупроводниковом -спектрометре. Идентификацию радионуклидов осуществляли по пикам полного поглощения энергии -излучения и расчёта активности по площади фотопика с учётом выхода -квантов на акт распада согласно «Методике выполнения измерений содержания излучающих радионуклидов» (1994). Были рассчитаны годовые дозы внешнего - и -облучения 137Cs с учетом естественного радиационного фона по 40К.
Методы анализа биологической активности почв. Каталазную активность определяли газометрическим методом, основанным на измерении скорости разложения перекиси водорода при ее взаимодействии с почвой, по объему выделившегося кислорода (Хазиев, 1991). Для количественного определения дегидрогеназной активности в качестве субстрата использовали бесцветные соли 2,3,5– трифенилтетразолия хлористого, который, акцептируя мобилизованный дегидрогеназой водород, превращается в 2,3,5-трифенилформазан, имеющий красную окраску. По интенсивности окраски колориметрическим способом измеряли количество формазана (Хазиев, 1991). Фотоколориметрическое определение активности инвертазы основано на учете восстанавливающих сахаров, образующихся при расщеплении сахарозы (Хазиев, 1991). Фотоколориметрический метод определения уреазной активности в почве основан на измерении количества аммиака, образующегося при гидролизе мочевины, путем образования окрашенных компонентов с реактивом Несслера и фенолятами, а также остатка негидролизованной части субстрата – мочевины (Хазиев, 1991). Потенциальную активность азотфиксации оценивали ацетиленовым методом на газовом хроматографе «Хром-4» с пламенно-ионизационным детектором. (Умаров, 1976). Потенциальную активность денитрификации и эмиссию СО2 оценивали на газовом хроматографе М3700 с детектором по теплопроводности. (Степанов, Лысак, 2002). Потенциальную метаногенную активность измеряли на газовом хроматографе М3700 с пламенно-ионизационным детектором (Степанов, Лысак, 2002).
Кислотность почв определяли потенциометрическим методом. Для оценки содержания гумуса в исследуемых образцах почв использовали метод прокаливания, а гранулометрический анализ образцов проводили отмучиванием по методу Рутковского.
Методы статистического анализа массива биологических данных. Экспериментальные данные обработаны статистическими методами, основанными на математической теории обнаружения корреляционной зависимости между изменением исследуемых показателей биологической активности почв в условиях загрязнения. Для изучения связи между биологическими показателями и содержанием в почве ТМ и радионуклидов применяли корреляционный и регрессионный анализ. Для изучения совместного влияния ТМ и радионуклидов на биологическую активность исследуемых почв использовали регрессионный анализ. Для сокращения количества переменных и для выявления комплексов взаимосвязанных переменных, используемых в регрессионной модели, применяли метод главных компонент (Стентон, Гланц, 1998). Вычисления проводили с использованием следующих статистических пакетов программ: SPSS (® SPSS Inc.), JMP (® SAS Institute Inc.), SYSTAT (® Software Inc.).
Для выявления пространственного изменения исследуемых показателей биологической активности почв использовали кластерный анализ, который включает в себя набор различных методов классификации данных. Для объединения данных в кластеры использовали метод полной связи (или метод наиболее удаленных соседей).
Биоиндикационные карты с использование ГИС-технологий построены методом интерполяции математической поверхности распределения значений биологических показателей и получения ортогональной проекции вычисленной поверхности на карту в виде изолиний.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ Содержание Cd, Pb, Cu в образцах почв. Содержание Cd превышает ОДК (2 мг/кг для дерново-подзолистых почв) в точке, которая расположена в промзоне ФЭИ (6,61 мг/кг). Содержание Cu превышает ПДК в шести точках пробоотбора, расположенных в районе промплощадок ФЭИ (т.т. 6, 20, 22), очистных сооружений города (т.т. 24, 28), железнодорожного и авто- вокзалов (т. 31). Превышение содержания Pb в почвах обнаружено в районе городского пляжа (т. 4), железнодорожного и авто- вокзалов (т.т. 31, 48), очистных городских сооружений (т.т. 28, 30) и вблизи автостоянки в районе новостроек (т.
51) (всего 6 точек).
Содержание радионуклидов в образцах почв. За период наблюдения аварийных выбросов радионуклидов в атмосферу г. Обнинска от деятельности ФЭИ не отмечено (Ежегодники по радиационной обстановке 2002–2006 гг.). Результаты -спектрометрического анализа показали, что активность Cs в точках пробоотбора варьирует от (1.817.0) Бк/кг на территории города (т.т. 5, 18, 33, 34, 45-47) до (1.633.0) Бк/кг в районе городского пляжа (т.4), СЗЗ ФЭИ и могильника радиоактивных отходов (т.т. 79, 11, 12, 22, 23, 31, 48), что, однако, не превышает допустимых значений для районов расположения предприятий атомной энергетики.
Изменение биологической активности почв во времени. Анализ изменения исследуемых показателей биологической активности почв за весь период наблюдения (20022008 гг.) выявил четкие временные тренды, которые построены по средним значениям биохимических показателей за каждый год и представлены на рис.1.
В качестве контроля биологической активности почв были взяты показатели, полученные автором на образцах дерново-подзолистых легкосуглинистых незагрязненных почв, отобранных в 2008 г. в районе д. Сатино Боровского района Калужской области (база географического факультета МГУ).
см3 О2 / гмин а Контроль 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 год мг гл/гсут б Контроль год 2002 2003 2004 2005 2006 2007 мг NH4/гч в 2, Контроль 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 год мг ТФФ/гсут Контроль г 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 год Рис.1. Межгодовая динамика изменения экологического состояния почв по показателям а) каталазной, б) инвертазной, в) уреазной и г) дегидрогеназной активностям Средние значения каталазной, инвертазной и уреазной активностей сообщества почвенных микроорганизмов со временем снижаются, а дегидрогеназной повышаются (рис.1).
Данные мониторинга показателей функционального состояния демонстрируют повышение значений эмиссии СО2, азотфиксации и денитрифицирующей активности и снижение метаногенности с 2002 по 2008 гг.
Построение временных трендов изменения биологической активности почв по трем зонам выявило устойчивую и существенную перестройку функционирования сообщества почвенных микроорганизмов на всей исследуемой территории. Следует отметить, что перестройка идет более активно в зонах 1 и 2 (промышленная и придорожная), и менее выражено в зоне 3 (парковая), причем особенно это заметно по снижению каталазной, инвертазной, уреазной активностям. Привлечение данных 2008 г. дает основание говорить о некоторой стабилизации биологической активности почв в зоне 3. Таким образом, почвы зоны демонстрируют большую стабильность ферментативной активности, чем почвы зон 1 и 2, находящиеся под антропогенной нагрузкой.
Для выявления пространственных закономерностей изменения биологической активности почв на исследуемой территории были применен кластерный анализ. Для исключения межгодовой изменчивости значения биологических показателей, полученные в каждой точке пробоотбора во все годы исследования, были нормированы по формуле:
xij x j, j где xij – значение биологического показателя в iой точке в j–м году, стандартное отклонение.
В результате анализа выделено 5 зон (кластеров) с разным характером биологической активности почв. Однако выделенные группы не имеют четкой пространственной локализации и заметно перекрываются на карте. Более того, точки, принадлежащие к какой-либо группе в один год наблюдений, в другие годы нередко оказываются в других группах.
Такая картина позволяет сделать вывод о том, что почвенная микробиота изученного района представляет собой весьма пеструю, динамично меняющуюся пространственно-временную мозаику локальных «микросостояний» с динамичной структурой биологической активности.
Регрессионный анализ массива биологических данных Результаты расчетов коэффициентов чувствительности биологических показателей к суммарному загрязнению ТМ и радионуклидами, выполненные по модели (1), приведены в табл.1.
yi = 0 + 1 xi,1 + 2 x i, 2 +........ + n xi,n + i, (1) где уi активность биологического показателя, 1…n коэффициенты чувствительности активности биологических показателей к содержанию ТМ и радионуклидов, 0 активность биологического показателя при отсутствии загрязнения (спонтанный уровень), xi концентрация j-того ТМ/радионуклида в измерении i, ошибка измерения i.
Регрессионный анализ был проведен на нормированных данных, чтобы охватить весь массив полученных биологических и химических показателей за все годы наблюдения. Результаты приведены в табл. 1.
Таблица 1. Результаты линейного регрессионного анализа совместного влияния ТМ и радионуклидов на изменения биологических показателей Биологический Параметры линейной Коэффициент показатель регрессионной модели корреляции 0 1 Каталазная активность 0,310 -0,04 -0,014 0, (0,727) (0,817) (0,859) Инвертазная 0,713 -0,085 -0,042 0, активность (0,210) (0,434) (0,407) Уреазная активность -0,303 0,021 0,012 0, (0,508) (0,816) (0,764) 1,199 -0,159 0, Дегидрогеназная -0, (0,026) (0,114) активность (0,028) Эмиссия СО2 0,142 -0,027 -0,012 0, (0,871) (0,873) (0,884) Азотфиксация 0,653 -0,006 -0,134 0, (0,604) (0,979) (0,254) -1,733 -0,005 0, Денитрификация -0, (0,004) (0,908) (0,003) Метаногенность 0,839 -0,157 -0,060 0, (0,434) (0,456) (0,538) 0 – постоянная, 1 – коэффициент, характеризующий влияние суммарной дозы радионуклидов, 2 – коэффициент, характеризующий влияние суммарной концентрации ТМ Тяжелые металлы оказывают значимое влияние (r=0,339) на изменение дегидрогеназной активности, а суммарная доза радионуклидов на денитрификацию (r=0,563) (табл. 1).
Для описания зависимости в пространстве изменений показателей биологической активности почв между собой был применен метод главных компонент. Метод позволяет уменьшить количество параметров регрессионной модели, в которые входят значения показателей биологической активности почв, а также выявить комплексы взаимосвязано изменяющихся биологических показателей. Результаты представлены в табл.2.
Таблица 2. Собственные вектора каждой из компонент регрессионного анализа массива биологических данных Биологическая активность 1-я 2-я 3-я почв компонента компонента компонента Каталазная 0,07 0, 0, Инвертазная 0,07 -0, 0, Уреазная 0,19 -0, 0, Дегидрогеназная 0,15 -0, 0, Эмиссия СО2 0,11 0,08 0, Азотфиксация -0,09 0,54 -0, Денитрификация -0,18 0,47 0, Метаногенность -0,15 -0, 0, Значения собственных векторов каждой из компонент относительно каждого биологического показателя позволяют сделать следующие выводы: 1) все исследуемые показатели ферментативной активности почв изменяются взаимосвязано и сонаправленно, т.е. тенденции пространственных изменений всех ферментов совпадают (в отличие от временных);
2) показатели функционального состояния почвенного микробоценоза на исследуемой территории изменяются взаимосвязано;
3) биологические показатели, характеризующие активность почвенных ферментов, действуют независимо от группы показателей, характеризующих физиологические процессы почвенной микробиоты;
4) наибольший вклад в первую компоненту вносят каталазная, инвертазная, дегидрогеназная и уреазная активности, во вторую – активности азотфиксации, денитрификации и метаногенности, в третью – эмиссии СО2 и денитрификации.
Анализ актуальной и потенциальной кислотности почв показал, что в 36 образцах почв (40% от исследованных) обнаружено смещение значений рН в щелочную область (рН 7,0). Такие значения кислотности в пробах почв г. Обнинска и его окрестностей, в том числе расположенных в пойме р. Протвы, объясняются смывом Са с поверхности водораздела, близостью грунтовых вод и карбонатными подстилающими породами. В остальных 60% исследуемых почв рН 7, вероятно, в связи с выбросами в атмосферу кислых соединений химических веществ.
Среднее содержание органического вещества в почвах г. Обнинска – 7,16%. Результаты гранулометрического анализа показали, что почвы города дерново-подзолистые супесчаные и легкосуглинистые.
С использованием регрессионного анализа была проведена оценка связи изменений ферментативной активности с характеристиками почв.
Использовали метод множественной пошаговой линейной регрессии.
Результаты выявили следующие зависимости: 1) содержание органических веществ оказывает положительное влияние на активность всех рассматриваемых ферментов, особенно на щелочных почвах. На кислых почвах эффект ослабевает для дегидрогеназы и становится отрицательным для инвертазы и уреазы (их активность на кислых почвах падает с ростом содержания органических веществ);
2) показано отрицательное влияние частиц крупных фракций (0,5 мм) на каталазную активность и глинистых фракций на дегидрогеназную;
3) влияние суммарного содержания ТМ на активность всех рассматриваемых ферментов достоверно отрицательно, кроме каталазной активности (для каталазы эффект ТМ – тоже отрицателен, но статистически незначим и не вошел в модель). Но этот эффект, как мы видим, может маскироваться локальными различиями в свойствах почв.
Действительно, коэффициенты простой линейной корреляции между ферментативной активностью и суммарным содержанием ТМ оказались статистически незначимы (от -0.149 до -0.340). Однако при учете других характеристик почв эффект ТМ оказался высоко достоверен в 3 случаях из 4;
4) все коэффициенты множественной корреляции достаточно высоки, полученные регрессионные модели объясняют от 20 до 47% общей пространственной вариабельности активности ферментов.
Следовательно, для выявления эффекта низких (ниже ПДК) концентраций ТМ необходимо учитывать особенности почвенного покрова в точках отбора проб.
Дисперсионный анализ изменений показателей ферментативной активности почв. Полученные выше результаты показывают, что для почв г. Обнинска характерен высокий уровень пространственно временных изменений показателей биологической активности почв. Для того чтобы оценить вклад разных уровней вариабельности в общую картину, мы провели иерархический дисперсионный анализ изменения каждого показателя ферментативной активности с использованием всего массива данных, полученного за все время исследования. Результаты приведены в табл. 3. Были выделены следующие уровни (источники) варьирования: 1) межгодовое варьирование, 2) различия между группами точек («зонами»), выделенными по результатам кластерного анализа, 3) различия между отдельными точками пробоотбора в пределах каждой из зон.
Результаты показывают, что наибольший вклад в изменения биологических показателей вносит мелкомасштабная пространственная вариабельность (различия между точками пробоотбора), в среднем составляющая 43% от общих изменений. На втором месте – временные (межгодовые) изменения биологической активности почв (30%), на третьем – различия биологических показателей между зонами (18%).
Таблица 3. Доля вариабельности каждого из четырех показателей ферментативной активности почв Источники вариаций Показатель Пространственные Необъясненная ферментативной Межгодовые, Между Внутри дисперсия активности почв % зонами, зоны, (ошибка), % % % Каталазная 29,1 24,4 36,1 10, Инвертазная 53,6 17,3 22,9 6, Уреазная 17,8 8,8 68,0 5, Дегидрогеназная 19,3 24,4 44,0 12, Таким образом, для мониторинга почв исследуемой территории необходимо выбирать контрольную группу точек и сравнивать многолетние усредненные данные, чтобы избавиться от локальных вариаций, маскирующие тенденции.
Построение биоиндикационных карт исследуемой территории с использованием ГИС. Нами впервые построены биоиндикационные карты г. Обнинска и его окрестностей с использованием ГИС технологий по восьми показателям биологического состояния почв в условиях незначительного загрязнения ТМ и радионуклидами, полученных в 60-ти рандомизированно отобранных образцах почв. На картах четко видны зоны пониженной и повышенной биологической активности исследуемых почв г. Обнинска, а также пространственно временная динамика их изменения. Важно подчеркнуть, что наглядность метода изолиний, плавные и точные переходы значений биологических показателей делают применение ГИС-технологий перспективным методом представления и анализа данных биоиндикационных исследований.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
В проведенном научном исследовании изучены пространственно временные изменения биологических характеристик почв г. Обнинска (ферментативной активности и функциональных показателей почвенного микробоценоза). Изменение биологических показателей в основном происходит в незначительном диапазоне, что характерно для нормального функционирования биологического сообщества дерново подзолистых почв. Тем не менее, нами выявлены пространственно временные изменения биологической активности почв на исследуемой территории. Основной вклад в эти изменения вносит мелкомасштабная пространственная мозаичность, связанная с локальными («точечными») особенностями почв (гранулометрический состав, кислотность, содержание органических веществ).
В то же время на фоне такой мозаичности наблюдаются устойчивые направленные многолетние изменения (тренды) ряда показателей почвенной активности, в частности, увеличение активности «дыхательных» ферментов – дегидрогеназ и активности эмиссии СО аэробных микроорганизмов, а также снижение активности анаэробных микроорганизмов цикла углерода (метаногенность). Интересно отметить, что показатели исследуемых почвенных ферментов изменяются независимо от показателей функционального состояния почвенного микробоценоза. Как и следовало ожидать, достоверного изменения биологической активности почв, имеющиеся уровни радиационного загрязнения не вызывают. Однако анализ их совместного с ТМ загрязнения могут маркировать изменения дегидрогеназной и денитрифицирующей активности почв.
Выводы 1. Биологическая активность почв г. Обнинска и его окрестностей характеризуется выраженными пространственно-временными изменениями. Основной вклад в эти изменения вносит мелкомасштабная пространственная мозаичность исследованных нами биологических показателей, связанная с локальными («точечными») особенностями почв.
2. Исследованная территория характеризуется низким уровнем загрязнения тяжелыми металлами (Cu, Pb и Cd) и радионуклидами (137Cs, Th и 40К), что оказывает слабое, не всегда достоверное влияние на биологическую активность почв. Эффекты загрязнения маскируются локальными особенностями почв в точках пробоотбора.
3. На фоне пространственной мозаичности наблюдаются устойчивые направленные многолетние изменения (тренды) показателей почвенной активности. Наиболее выражены эти изменения в районах с высокой антропогенной нагрузкой (промышленная и придорожная зоны), тогда как биологическая активность почв парковой зоны более стабильна.
4. Выявленные изменения биологической активности почв характеризуют биологическое сообщество не как единую систему, а как изменяющуюся в пространстве и времени мозаику локальных показателей его состояния.
5. Обнаружено, что ферментативная активность и показатели функционального состояния почвенного микробоценоза представляют два независимых комплекса биологических показателей, которые могут быть использованы в качестве биоиндикаторов экологического состояния городских почв.
Список работ, опубликованных по теме диссертации Всего опубликовано 19 работ Статьи в журналах, рекомендованных ВАК по направлению «Биологические науки»:
1. Павлова Н.Н., Егорова Е.И., Степанов А.Л. и др. Биодиагностика экологического состояния почв в районе расположения предприятия атомной энергетики // Вест. Моск. ун-та. Сер.17, Почвоведение, 2006.
№ 4. С.33-39.
2. Павлова Н.Н., Горский А.И., Сарапульцева Е.И. Биомаркеры низкоинтенсивного загрязнения городских почв тяжелыми металлами и радионуклидами // Экология урбанизированных территорий, 2008. №1.
– С. 103-108.
Статьи в журналах, рекомендованных ВАК по другим направлениям:
3. Павлова Н.Н, Романцов В.П., Сарапульцева Е.И. Анализ функций распределения показателей биологической активности почв в техногенно загрязненных районах // Изв.вузов: ядерная энергетика, 2008. № 1.– С.
23-30.
Материалы конференций:
1. Павлова Н.Н., Егорова Е.И. Биодиагностика и биокартирование почвенного биома в районе расположения предприятия атомной энергетики // Материалы межд. научн. конф. «Экология и биология почв». Ростов н/Д: Ростиздат, 2006. С.369-370.
2. Павлова Н.Н. Статистический анализ функций распределения показателей биологической активности почв техногенно загрязненных территорий // Материалы II Межд. научн.-практ. конф. «Почва как связующее звено функционирования природных и антропогенно преобразованных экосистем». Иркутск: изд-во Иркут. гос. ун-та, 2006.
С.386-387.
3. Павлова Н.Н. Биодиагностика почвенного биома в районе расположения предприятия атомной энергетики // Материалы Межд.
науч. конф. «Проблемы устойчивого функционирования водных и наземных экосистем». Ростов н/Д, 2006. С.313.
4. Павлова Н.Н. Оценка экологических рисков функционального изменения сообщества почвенных микроорганизмов на техногенно загрязненных территориях (на примере г.Обнинска) // Материалы Российской школы-конф. «Экотоксикология: современные биоаналитические системы, методы и технологии». Пущино: ИБФМ РАН, 2006. С.9-11.
5. Павлова Н.Н. Оценка экологической обстановки г.Обнинска методами многофакторного анализа функций распределения показателей биологической активности почв // Сб. материалов Всерос. научн. школы «Актуальные проблемы регионального экологического мониторинга:
научные и образовательные аспекты». Киров: Изд-во ВятГГУ, 2006.
С.174-177.
6. Павлова Н.Н. Биологическая активность почвенных микробоценозов как метод биотестирования радиационного загрязнения // Тез.докл. IX Росс. научн. конф. «Радиационная защита и радиационная безопасность в ядерных технологиях». Обнинск: Изд-во ФЭИ, 2006. С.468.
7. Павлова Н.Н., Егорова Е.И. Некоторые показатели биологической активности почвенных микроорганизмов как индикаторы антропогенного загрязнения почв тяжелыми металлами и радионуклидами // Сб. материалов II межд. научн. конф. «Современные проблемы загрязнения почв». М., 2007. Том 2. С.146-147.
8. Павлова Н.Н., Егорова Е.И. Биологическая активность почв как биоиндикатор загрязнения тяжелыми металлами и радионуклидами (на примере почв г.Обнинска) // Матер. IV рег. научн. конф. «Техногенные системы и экологический риск». – Обнинск: ИАТЭ, 2007. С.96-100.
9. Егорова Е.И., Павлова Н.Н., Горский А.И., Слипенькая В.В.
Методологические подходы биодиагностики техногенного загрязненных почв и мониторинга заболеваний, обусловленных химическими и физическими нагрузками малой интенсивности // Материалы Межд.
научно-практ. конф. «Экология биосистем: проблемы изучения, индикации и прогнозирования». – Астрахань: Издательский дом «Астраханский университет», 2007. – Ч.1. С. 60-62.
10. Павлова Н.Н. Методы биомониторинга городских почв // Материалы I Межд. научн-практ. конф. «Новые технологии в экспериментальной биологии и медицине». Ростов н/Д: Изд-во «ЦВВР», 2007. С. 62-63.
11. Павлова Н.Н. Использование показателей биологической активности при экологическом мониторинге почв // Труды IX Межд. научн.-прак.
конф. «Экономика, экология и общество России в 21-м столетии».
СПб: Изд-во Политехнического ун-та, 2007. С.43-44.
12. Павлова Н.Н., Егорова Е.И. Изучение корреляционной зависимости между содержанием в почве Cd, Pb, Cu, 232Th, 137Cs, 40K и биологической активностью почв // Материалы VI Межд. заочн. науч. конф. «Экология и биология почв». Ростов-на-Дону: РостИздат, 2007. С. 175-177.
13. Громова В.В., Павлова Н.Н. Оценка содержания кадмия, свинца и меди в почвах г.Обнинска // Материалы VI Межд. заочн. научн. конф.
«Экология и биология почв». Ростов н/Д. С. 66-67.
14. Громова В.В., Павлова Н.Н. Оценка ферментативной активности городских почв (на примере г. Обнинска) // Материалы всеросс. науч. практ. конф. «Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития». Киров, 2007. С. 73-74.
15. Громова В.В., Павлова Н.Н. Изучение некоторых биологических показателей и химических свойств почв г. Обнинска // Матер. V рег.
научн. конф. «Техногенные системы и экологический риск». – Обнинск:
ИАТЭ, 2008. С.46-47.
16. Павлова Н.Н. Биологическая диагностика городских почв // 8-я междунар. науч.конфер. «Сахаровские чтения 2008 года: экологические проблемы ХХI века». – Минск: междунар. гос. ун-т им. А.Д.Сахарова, 2008. – С. 36-37.