Экологическая оценка почв в зоне размещения отвалов карьеров медно-колчеданных месторождений (на примере башкирского зауралья)

На правах рукописи

СЕВРЯКОВА ОЛЕСЯ АЛЕКСЕЕВНА ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПОЧВ В ЗОНЕ РАЗМЕЩЕНИЯ ОТВАЛОВ КАРЬЕРОВ МЕДНО-КОЛЧЕДАННЫХ МЕСТОРОЖДЕНИЙ (НА ПРИМЕРЕ БАШКИРСКОГО ЗАУРАЛЬЯ) 03.02.08 - экология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Уфа - 2012

Работа выполнена в лаборатории экологии и рационального использования природных ресурсов ГАНУ «Институт региональных исследований Республики Башкортостан»

Научный консультант: кандидат биологических наук, доцент Семенова Ирина Николаевна

Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Габбасова Илюся Масгутовна доктор биологических наук, профессор Русанов Александр Михайлович

Ведущая организация: Институт экологии Волжского бассейна РАН

Защита состоится «_23_» _марта_ 2012 г. в _16.00_ часов на заседании диссертационного совета ДМ 002.136.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте биологии Уфимского научного центра РАН по адресу: 450054, г.Уфа, Проспект Октября, 69. Тел./факс (347) 235-53-62. Е-mail: [email protected]

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного бюджетного учреждения науки Института биологии Уфимского научного центра РАН, с авторефератом – в сети Интернет по адресу http://ib.anrb.ru и на сайте ВАК Минобрнауки РФ.

Автореферат разослан «_21_» февраля_ 2012 г.

Ученый секретарь Р.В. Уразгильдин диссертационного совета, кандидат биологических наук, доцент

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Наличие медно-колчеданных месторождений в рудных районах Башкирского Зауралья способствовало бурному развитию в регионе горнодобывающей промышленности, строительство предприятий в котором велось без должного учета экологических требований. В результате на фоновое загрязнение почв и вод тяжелыми металлами (ТМ) наложилось загрязнение этих сред техногенными эмиссиями с породных отвалов карьеров колчеданных руд. В г. Сибай Республики Башкортостан техноэпицентром является Сибайский филиал Учалинского горно обогатительного комбината (СФ УГОК), который занимается разработкой медно-колчеданного месторождения. Ингредиенты промышленных выбросов (ТМ, соединения серы) в составе газо-пыле-дымовых выбросов распространяются на десятки километров от промышленных предприятий, входящих в структуру СФ УГОК [Ильбулова, 2009]. Длительная продолжительность работы комбината (более полувека), повышенный геохимический фон обусловливают необходимость постоянного контроля состояния прилегающих почв.

Для каждого предприятия-загрязнителя установлена санитарно защитная зона (СЗЗ). Для отвалов и шламонакопителей при добыче цветных металлов СЗЗ представляет собой круг радиусом 500 м [СанПиН…., 2003].

Карьер, находясь в черте г. Сибай, с восточной и западной стороны граничит с жилыми поселками (п. Горный и п. Золото). При этом в СЗЗ находится около 700 жилых домов, построенных в 50-е годы 20 века, когда был образован г.Сибай [Кусябаев и др., 2011].

Некоторые проблемы химической деградации почв Зауралья Республики Башкортостан в связи с распространением и накоплением ТМ нашли отражение в ряде работ [Суюндуков, Шагиева, 2001;

Опекунова и др., 2002;

Кулагин, Шагиева, 2005;

Ильбулова, Семенова, 2007, 2009;

Хабиров и др., 2007;

Янтурин, Сингизова, 2007].

Однако исследование элементного состава почв не может дать необходимой информации о влиянии неблагоприятных факторов, связанных с хозяйственной деятельностью человека, на почвы и произрастающую на них растительность. Только использование живых организмов: растений и микроорганизмов, а также показателей их активности, может дать необходимые оперативные данные о воздействии комплекса неблагоприятных факторов, которые включают в себя токсичные элементы, содержащиеся в почве.

Цель работы: дать экологическую оценку состояния почв и выращиваемой на них растениеводческой продукции вблизи объекта размещения отвалов на примере Сибайского медно-колчеданного карьера.

Задачи:

1. Изучить физико-химические свойства почв в зоне влияния отвалов и определить их потенциальную устойчивость (буферность) к загрязнению тяжелыми металлами.

2. Изучить пространственное распределение тяжелых металлов в почве в радиусе 2 км от отвалов.

3. Исследовать биологическую активность почв территорий, сопредельных с отвалами.

4. Дать сравнительную оценку экологического состояния почв в зоне влияния отвалов Сибайского карьера по химическим и биотическим показателям.

5. Определить содержание тяжелых металлов в растениеводческой продукции, выращиваемой на территории, сопредельной с отвалами карьера, на примере картофеля (Solanum tuberosum).

Научная новизна работы. Впервые для оценки экологического состояния объектов окружающей среды в зонах размещения отвалов Сибайского карьера Республики Башкортостан использован комплексный подход, основанный на сочетании химико-аналитических и микробиологических исследований. Определен набор структурных и функциональных параметров почвенной микробиоты и других информативных показателей для мониторинга состояния окружающей среды вокруг отвалов карьера с использованием обобщенного индекса трансформации биологических свойств почв. Собран новый фактический материал по содержанию и распределению ТМ в почвах и впервые охарактеризовано санитарно-гигиеническое качество картофеля, выращиваемого на приусадебных участках территорий в зоне влияния отвалов Сибайского карьера.

Практическая значимость. Результаты, полученные в процессе исследования, позволяют более достоверно оценить эколого-гигиеническую обстановку в г. Сибай Республики Башкортостан и выявить на его территории локальные очаги повышенного полиметаллического загрязнения.

Полученные данные могут способствовать коррекции СЗЗ карьеров, совершенствованию схемы интегральной биотической оценки качества окружающей среды в зоне деятельности горнорудных предприятий и принятию управленческих решений о необходимости проведения рекультивационных и восстановительных мероприятий. Материалы исследований могут использоваться при преподавании курсов экологии, почвоведения, экологии почв, экологии микроорганизмов в классических университетах и агроуниверситетах, при создании целевых программ по охране окружающей среды и природных ресурсов, для кадастровой оценки объектов недвижимости г. Сибай.

Личный вклад автора. Все этапы работы были проведены лично автором или при его непосредственном участии: отбор и анализ образцов почв и растительного материала, обработка полученных результатов. Доля личного участия автора в написании и подготовке публикаций пропорциональна числу соавторов.

Организация исследований. Исследования проводились в рамках выполнения ГНТП Академии наук Республики Башкортостан «Изучение литотрофной микрофлоры бассейна р. Таналык для использования в экологических производствах горнодобывающих предприятий Зауралья Республики Башкортостан» (контракт 2/2-Б) и «Почвенные микробные сообщества как биомаркеры техногенного загрязнения».

Апробация работы. Результаты исследований были доложены на научных конференциях: Международной научно-практической VI конференции «Экология и безопасность жизнедеятельности» (Пенза, 2006), региональной научно-практической конференции «Почвы Южного Урала и Среднего Поволжья: экология и плодородие» (Уфа, 2006 г.), VI Международной научно-практической конференции «Ресурсы недр России:

экономика и геополитика, геотехнология и геоэкология, литосфера и геотехника» (Пенза, 2007), III и IV Всероссийских научно - практических конференциях «Проблемы экологии Южного Урала» (Оренбург, 2007, 2009), Республиканской научно-практической конференции «Проблемы и перспективы конкурентоспособного воспроизводства в Башкирском Зауралье» (Сибай, 2008), 66 научно-технической конференции по итогам научно-исследовательских работ (Магнитогорск, 2007 г.), Международной конференции «Экологические проблемы бассейнов крупных рек – 4» (Тольятти, Россия, 8 - 12 сентября 2008 г), Международной биологической студенческой конференции (Ереван, 2–4 марта 2009 г.), Республиканской научно-практической конференции «Социально-экономические проблемы Уральского региона Республики Башкортостан» (Уфа, 2008), региональной конференции «Неделя науки – 2009» (Уфа, 2009), Всероссийской научно практической конференции «Устойчивое развитие территорий: теория и практика». (Уфа, 2009), XVI Международном экологическом форуме «Государственная политика в сфере охраны окружающей среды», Уфа, 12- октября 2011 г., региональных научно-практических конференциях «Уральский регион Республики Башкортостан: человек, природа, общество» (Сибай, 2009, 2011 г).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 12 статей, в т.ч. 2 статьи в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, глав, заключения, выводов, списка литературы (239 наименований, в том числе 31 на иностранных языках). Работа изложена на 152 страницах текста, включает 14 таблиц, 14 рисунков.

Защищаемые положения Биотические показатели, такие как ферментативная активность и 1.

численность некоторых эколого-трофических групп (аммонифицирующих и педотрофных микрооганизмов) могут быть использованы при оценке влияния ТМ на экологическое состояние почв. Используемый в работе «индекс трансформации биологических свойств почв» может быть применен для мониторинга состояния окружающей среды и коррекции границ СЗЗ Сибайского карьера.

Аккумуляция Cu почвами не оказывает значительного влияния на 2.

накопление их в клубнях картофеля. В то же время санитарно-гигиеническое качество картофеля, выращенного на почвах с повышенным содержанием Cd, не соответствует установленным нормативам.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю к.б.н., доценту Семеновой И.Н., д.б.н., профессору Суюндукову Я.Т. за постоянное внимание и помощь на всех этапах работы, сотрудникам ГАНУ «Институт региональных исследований» и кафедр экологии и ботаники Сибайского института (филиала) ГОУ ВПО «Башкирский государственный университет».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Тяжелые металлы в окружающей среде Выполнен обзор отечественной и зарубежной литературы по теме диссертационной работы, рассмотрены вопросы влияния техногенного загрязнения на почвенный покров. Рассмотрены источники ТМ промышленного происхождения, поглощение ТМ почвами, взаимодействие ТМ и почвенных микроорганизмов, влияние ТМ и микроэлементов на ферментативную активность почв. Проанализирован вопрос поглощения ТМ растениями [Doelman, 1986;

Алексеев, 1987;

Минеев, 1988;

Kloke, 1994;

Звягинцев,1998, 2001;

Пронина, 2000;

Ильин, Сысо, 2001;

Титова и др., 2001;

Орлов и др., 2002;

Опекунова и др., 2002;

Государственный…, 2009;

Берсенева, 2010;

Семенова, Зулкарнаев, 2011].

Глава 2. Эколого-географические особенности района исследования Приведена краткая характеристика географического положения, природно-климатических условий: климата, рельефа, почвы, почвообразующих пород, растительности [Гарифуллин, 1974, Кашапов 1999;

Миркин, 2004;

Богомолов, 1954;

Вербицкая, 1964;

Тайчинов, Бульчук, 1975;

Хазиев, 1982, 1985,1995, 2007;

Мукатанов, Харисов, 1996;

Суюндуков, 2001;

Мукатанов, 2002;

Синантропная …, 2008]. Описано состояние природных ресурсов и качество природной среды г. Сибай [Обзор состояния …, 2010].

Глава 3. Объекты и методы исследования Район исследования. Работа проводилась в период 2005-2011 гг. в зоне расположения Сибайского медно-колчеданного карьера, окруженного отвалами вскрышных (горных) пород, и граничащего с жилыми поселками.

Преобладающие ветры северо-западного и юго-западного направлений.

Пробные площадки расположены на удалении 100, 750 и 2000 м от отвалов в северном, восточном, южном и западном направлении. За условный контроль принималась пробная площадка, расположенная в 15 км южнее Сибайского карьера в зоне, не подверженной техногенному воздействию. Почвенный покров всех пробных площадок представлен черноземом обыкновенным.

Исследуемые приусадебные участки были расположены в п. Горный на расстоянии 0,1 км и в п. Золото на расстоянии 0,1 и 0,75 км от отвалов карьера. Тип почвы на исследуемых площадках - чернозём обыкновенный, среднегумусный, имеющий нейтральную реакцию среды и легкосуглинистый гранулометрический состав.

Объекты исследования – почвы, сформированные в различном направлении от Сибайского карьера на расстоянии 100, 750, 2000 м и картофель, выращенный в зоне его влияния.

Материалы и методы исследования. Почвенные образцы отбирали из слоя 0-30 см каждого участка. Отбор клубней картофеля Solanum tuberosum, выращенного в пос. Горный, расположенном в 0,1 км от отвалов, и в пос.

Золото на расстоянии 0,1 и 0,75 км от отвалов, для исследования содержания ТМ проводили осенью 2011 г. перед уборкой урожая.

Для изучения содержания Cu, Zn, Pb, Cd, Ni, Co, Fe в почвах использовали метод атомно-абсорбционной спектроскопии на приборе Contr-AA фирмы Analitic в центральной химической лаборатории ОАО «СФ УГОК» [Методические указания…, 2006]. Подвижные формы ТМ экстрагировали аммонийно-ацетатным буфером (ААБ) с рН 4,8 (МУ 08 47/152). Минерализацию растительных проб проводили методом сухого озоления [Методические указания …, 1992]. Содержание ТМ в клубнях картофеля определяли инверсионным вольтамперометрическим методом исследования на установке СТА (МУ 08-47/136). Для эко токсикологической оценки почв использовали предельно-допустимые концентрации (ПДК) ТМ валовых и подвижных форм [Система оценки…, 1992]. Агрохимические анализы почвы проводили следующими методами:

определение общего содержания гумуса в почвах - методом Тюрина И.В., рН – потенциометрическим методом. Гранулометрический состав почв определяли пипет-методом с подготовкой почвы путем растирания с пирофосфатом натрия [Вадюнина, 1986]. Для оценки уровня химического загрязнения почв, рассчитывали коэффициент концентрации химического элемента (Кс) и суммарный показатель загрязнения (Zc) [Сает, 1991]. Для оценки буферности почв к ТМ использовали шкалу буферности, разработанную В.Б. Ильиным (1995).

Для изучения почвенной микробиоты использовали образцы почвы, отобранные из верхнего горизонта (А1) с глубины 0-30 см в вегетационный период в трехкратной повторности. Выделение микроорганизмов из почв осуществляли методом посева почвенной суспензии на селективные среды:

аммонификаторы – на мясо-пептонный агар (МПА), микроорганизмы, использующие минеральные формы азота, - на крахмало-аммиачный агар (КАА), педотрофные микроорганизмы – на почвенный агар (ПА), грибы – на агар Чапека [Звягинцев, 1993]. Коэффициент минерализации определяли как отношение численности микроорганизмов, выросших на крахмало аммиачном агаре к численности микроорганизмов, выросших на мясо пептонном агаре (КАА : МПА);

коэффициент педотрофности - как отношение численности микроорганизмов, выросших на почвенном агаре, к численности микроорганизмов, выросших на мясо-пептонном агаре (ПА :

МПА) [Енкина, Коробский, 1999]. Для характеристики сукцессии применили в совокупности метод посева на МПА и микроскопический метод прямого счета и вычислили коэффициент сукцессии по формуле: К=М/П, где М – численность бактерий, учитываемых прямым методом микроскопии;

П – бактерии, учтенные на МПА [Звягинцев, 1976].

Ферментативную активность определяли по методам, описанным Ф.Х.

Хазиевым (2005). Целлюлозоразлагающую активность почв определяли с помощью метода аппликаций. Протеазную активность определяли методом Ф.Х. Хазиева и Я.М. Агафаровой (1975). Уреазная активность определялась по методу Т.А.Щербаковой (1983). Каталазная активность определялась методом Р.С. Кацнельсона и В.В. Ершова (1958).

Для обобщения полученных данных сделан расчет индекса трансформации биологических свойств почв (ИТБ), характеризующий степень разнонаправленных отклонений совокупности биотических показателей исследуемых пробах от фоновых значений по формуле:

k C Итб = 1 Сфон, i - n где С – абсолютное значение показателя, Сфон – фоновая величина [Попутникова, 2010].

Полученные данные обрабатывались общепринятыми статистическими методами с применением программ Excel 7.0, и Statistica for Windows (версия 6.0).

Глава 4. Оценка буферной способности почв по отношению к тяжелым металлам Почвенный покров в зоне влияния отвалов представлен в основном черноземом обыкновенным. Почвы, находящиеся в южном направлении от отвалов Сибайского карьера, характеризовались слабокислой реакцией почвенного раствора (рН 5,0-5,4). Почвы северного направления характеризовались более высоким значением рН (от 5,8 до 7,2). Реакция контрольной почвы была близка к нейтральной (рН 6,7) (табл. 1).

Содержание гумуса варьировало от 4,8 до 11,3% и в среднем составляло 7,3%. Содержание физической глины варьировало в пределах 11,5-42% (в контроле - 30,6%).

На основании установленных данных о содержании гумуса, физической глины и рН, используя шкалу буферности, разработанную В.Б.Ильиным (1995), были рассчитаны показатели буферной способности исследуемых почв по отношению к ТМ, среднее значение которых составило 22 балла, что близко к контролю (24 балла) (табл.1).

Таблица 1.

Буферная способность почв в окрестностях отвалов Сибайского карьера Направ Расстоя Компоненты почв, Сумма Степень ление ние определяющие ее баллов буферности (м) буферность (баллы буферности) рН (KCl) Гумус, % Физ.

глина, % Север 5,8±0,6 6,3±2,3 30,6±1,7 Средняя 100 21, (5) (6,5) (10) 7,0±0,5 4,8±2,2 11,5±3,1 Низкая 750 20, (10) (5) (5) 7,2±0,3 5,8±1,3 42,0±1,6 Средняя 2000 27, (12,5) (5) (10) Окончание табл. 1 2 3 4 5 Запад 5,6±0,4 8,3±0,2 15,3±1,8 Низкая 100 18, (5) (8) (5) 6,7±0,3 11,3±2,7 26,7±1,4 Средняя 750 29, (10) (9) (10) 5,6±0,4 6,2±1,1 17,2±1,5 Низкая 2000 16, (5) (6,5) (5) Юг 5,4±0,3 8,3±1,2 32,5±1,9 Низкая 100 20, (2,5) (8) (10) 5,5±0,4 7,1±0,7 19,1±1,8 Низкая 750 14, (2,5) (6,5) (5) 5±0,6 6,7±0,5 11,5±1,2 Низкая 2000 14, (2,5) (6,5) (5) Восток 7,1±0,6 6,8±0,7 11,5±2,3 Средняя 100 24, (12,5) (6,5) (5) 7±0,8 36,3±1,2 Средняя 750 7,9±2,0 26, (10) (6,5) (10) 7,1±0,4 8,9±0,2 22,9±2,1 Повышенная 2000 31, (12,5) (9) (10) Контроль 6,7± 0,3 8,0 ±0,2 30,6± 1,2 Средняя (6,5) (7,5) (10) Примечание: в скобках указано количество баллов, полученных при определении буферной способности почвы по отношению к ТМ [Ильин, 1995].

Таким образом, проведенные исследования показали, что почвы, прилегающие к отвалам Сибайского карьера, обладают значительными возможностями по инактивации поступающих ТМ. Однако, буферная способность почв по отношению к ТМ не безгранична. Так, проведенные нами в 2009 г. исследования почв, прилегающих к отвалам отработанного месторождения Куль-Юрт-Тау, выявили их низкую буферность к загрязнению ТМ, в среднем, равную 14 баллам. Следовательно, даже при сравнительно невысоком уровне загрязнения (Zc 4-7 баллов) почвенный покров прилегающей к месторождению местности подвержен таким серьезным экологическим последствиям, как полная деградация, что и было показано в работе З.Ш. Сабитовой (2010).

Максимальное превышение ПДК по валовому содержанию Cu, равное 30,2 раза, было выявлено в почвах северного направления. Превышение ПДК по Zn отмечено во всех пробных площадках. Максимальный уровень Pb, равный 2,5 ПДК, выявлен на расстоянии 0,1 км в северном направлении от отвалов карьера. Превышение ПДК по валовому содержанию Cd было отмечено во всех направлениях, кроме восточного. В то же время не было отмечено превышения ПДК по содержанию Ni и Co. Валовое содержание Fe превышало кларк в почвах северного направления. Из подвижных форм превышение ПДК было по содержанию Cu и Zn (рис.1.).

Рис. 1.Валовое содержание ТМ в почвах в зоне отвалов Сибайского карьера Оценка степени загрязненности почв в зоне влияния отвалов Сибайского карьера по показателю Саэта позволила отнести территории, Zc расположенные в радиусе 2 км от источника загрязнения, за исключением пробных площадок западного и восточного направления на расстоянии 2 км, к чрезвычайно, высоко- и умеренно опасной категориям загрязнения.

Возрастание буферной способности почв по отношению к ТМ способствовало снижению содержания их подвижных форм. При превышении средней величины буферности, равной 22 баллам, содержание в почве подвижных форм ТМ снижалось: Cd – в 6,0, Cu – в 3,9, Pb – в 1,7, Fe – в 1,7, Co – в 1,8, Ni - в 1,3 раза, Zn – на 4,2% (рис.2.).

Рис.2. Содержание подвижных форм металлов в зависимости от буферной устойчивости почв по отношению к ТМ (указано цифрами в мг/кг).

Глава 5. Биологическая активность исследуемых почв Изучение зависимости ферментативной активности изученных почв от суммарного показателя загрязнения Zc показало, что при возрастании загрязнения почв ТМ наблюдается ингибирование целлюлозолитической активности (рис. 3). Самые высокие значения этого показателя наблюдались на участке в 100 м к югу, а самые низкие - на участке, расположенном в 2 км к северу от отвалов. По мере удаления от отвалов в восточном и западном направлении наблюдалось достоверное увеличение активности этого фермента.

Самые низкие значения показателя уреазной активности почвы (0, ед.) наблюдались в почвах на расстоянии 100 м в северном, западном и южном направлении от отвалов. Достоверное увеличение активности по мере удаления от отвалов карьера наблюдали в северном и южном направлении.

При повышении степени загрязнения почв ТМ урезная активность снижалась.

Выраженного изменения активности протеазы по мере удаления от отвалов не было обнаружено. Более того, наблюдалось увеличение протеазной активности в почвах умеренно-опасной и высоко опасной категорий загрязнения. Только в случае чрезвычайно опасной категории загрязнения почв ТМ активность фермента существенно снижалась.

Зависимость каталазной активности от суммарного показателя загрязнения Zc характеризовалось повышением этого показателя при Zc от 16 до 32 и от 32 до 128. При более высоком значении Zc (128) происходило значительное снижение ферментативной активности.

Рис. 3. Ферментативная активность почв, прилегающих к отвалам Сибайского карьера, в градиенте загрязнения тяжелыми металлами.

Структура микробных сообществ в почвах, прилегающих к отвалам. В изученных почвах доминировали аммонифицирующие микроорганизмы. Их численность в среднем, составляла 11,2 *10 5 КОЕ/г почвы, что было в 1,5 раза ниже по сравнению с контролем. Численность микроорганизмов, выращенных на КАА, в среднем, составляла 3,6*105 КОЕ/г почвы (в 2,8 раз ниже контроля). Средняя численность почвенных грибов составила 5,7*105 КОЕ/г (в 1,6 раза ниже контроля). В то же время количество педотрофов, в среднем, превышало контрольное значение в 6, раза.

На рисунке 4 показано изменение численности некоторых эколого трофических групп микробных сообществ в почвах при различных уровнях загрязнения ТМ. С увеличением концентраций ТМ в почве снижалась численность аммонификаторов и грибов. Менее чувствительными к загрязнению почвы ТМ были микроорганизмы, использующие минеральные формы азота, количество которых было максимальным при Zc от 32 до 128.

Численность педотрофных микроорганизмов возрастала с увеличением концентрации ТМ в почве.

n*1000000/г абс. сух. почвы 16 14 n *100000 КОЕ/г абс. сух. почвы 12 10 8 6 4 2 0 более 016 16-32 32- Zc аммонификаторы микроорганизмы, использующие минеральные формы азота педотрофы грибы Рис. 4. Изменение численности эколого-трофических групп почвенных микробных сообществ в градиенте загрязнения ТМ Используя полученные данные о численности микроорганизмов различных эколого-трофических групп, были рассчитаны так называемые коэффициенты минерализации, педотрофности и сукцессии. Прослеживается тенденция возрастания данных показателей в градиенте загрязнения почв ТМ в соответствии со следующими уравнениями регрессии:

Коэффициент минерализации Км = 1118 -22x+0,1x Коэффициент педотрофности Кп = 8705-171x+0,8x Коэффициент сукцессии Кс = 1535600-30199x+149x Таким образом, экологическое состояние почв, в разной степени загрязненных ТМ, адекватно описывается указанными коэффициентами, что позволяет использовать их в биодиагностике.

Сравнительная оценка экологического состояния почв в зоне влияния отвалов Сибайского карьера по химическим и биотическим показателям. Оценка экологического состояния почв в зоне воздействия предприятия-загрязнителя требует комплексного подхода, основанного на учете данных не только химического, но и биологического анализа [Яковлев и др., 2009]. Биологические методы, примененные в данной работе, диагностируют влияние отвалов карьера на неодинаковых расстояниях.

Отклонения значений разных микробных характеристик от показателей, свойственных фоновому (условно ненарушенному) образцу существенно различались.

На рисунке 5 представлены итоговые значения ИТБ для исследуемых почв в зависимости от удаления от отвалов Сибайского карьера в различных направлениях (А) и по градиенту загрязнения ТМ (Б).

ИТБ 1, 0, 0, 0, 0, 16 16-32 32-128 Zc А Б Рис. 5. Индекс трансформации биологических свойств почв (ИТБ) (А – в зависимости от удаления от отвалов, Б - в градиенте загрязнения тяжелыми металлами) По мере удаления от отвалов на расстоянии от 100 до 2000 м прослеживается тенденция приближения ИТБ к фоновому значению, которое, однако, не достигается даже на расстоянии 2000 м (ИТБ 0). Отчетливо видно повышение этого показателя с возрастанием степени загрязнения почв.

Для определения значения экологической нормы изучаемых почв необходимо определить некоторое пороговое отличие суммарного биологического показателя от фона. В соответствии с российским опытом экологического нормирования, общий принцип определения допустимых значений качества почв для всего набора земель различного хозяйственного назначения заключается в определении способности почвы к самовосстановлению, которая сохраняется до утраты не более 30% биологического потенциала почв. На этом уровне наблюдается порог устойчивости почвенной экосистемы к антропогенному воздействию и предел удержания почвами токсикантов в границах загрязненного участка, соответственно не наблюдается массированный их вынос в сопредельные среды [Яковлев, 2008]. Поэтому 30%-ная потеря естественного (биологического) состояния почвы, рассчитанная по суммарному индексу трансформации биологических свойств, может быть принята за пороговое значение ее экологического качества [Попутникова, 2010].

Значения суммарного показателя загрязнения почв Zc на удалении м на запад и восток от отвалов свидетельствуют об умеренно опасном уровнях загрязнения (Zс=17,4-21,3), на расстоянии же 750 м уровень загрязнения является допустимым. В то же время биологическими методами более чем 30%-ное отличие от фона по индексу трансформации ИТБ отмечается на расстоянии до 750 м восточного направления, до 2000 м северного, западного и восточного направлений и более 2000 м южного направления от отвалов. Следовательно, реальное воздействие предприятия на окружающую среду не всегда совпадает с СЗЗ, зачастую выходя за ее пределы по направлениям миграции загрязнителей, что и показано в данной работе. Предлагается дополнить существующую СЗЗ экологической буферной зоной, определение границ которой основывается на данных химических и биологических анализов почв и других компонентов окружающей среды и показывает достоверное отклонение от фоновых значений.

Таким образом, гигиеническое зонирование, основанное преимущественно на нормировании качества атмосферного воздуха, может быть дополнено экологическим зонированием, учитывающим экологические нормы состояния почв и других компонентов окружающей среды.

Глава 6. Эколого-токсикологическая оценка качества картофеля, выращиваемого на территориях, сопредельных с отвалами Результаты исследований содержаний ТМ в почвах приусадебных участков, находящихся в зоне воздействия отвалов, и выращиваемой на них растениеводческой продукции представлены в табл. 2.

Валовое содержание Cu в исследуемых образцах почв не превышало ПДК. В то же время отмечено повышенное содержание подвижных форм металла: от 4,3 до 8,5 мг/кг при 3,0 мг/кг в почве условного контроля. Эти показатели превышали ПДК подвижных форм Cu в почве (3 мг/кг) при лимитирующем транслокационном показателе вредности (3,5 мг/кг).

Следовательно, такая почва относится к высоко опасной категории загрязненности и может быть использована только под технические культуры или полностью исключена из сельскохозяйственного использования [Методические указания…, 1993]. Уровень содержания Zn и Pb в почвах не превышал ПДК. Исследуемые почвы характеризовались повышенным уровнем валового содержания Cd, в 2,5-2,8 раз превышающего фоновые значения. В пос. Золото на участке, находящемся в 0,75 км от отвалов, выявлено превышение ОДК для валового содержания Cd. Во всех изученных образцах почвы было отмечено также превышение ОДК для подвижных форм (0,2 мг/кг). В почве контрольного участка содержание Cd находилось в пределах нормативных значений.

В условиях техногенного загрязнения почв ТМ идет накопление их в растениеводческой продукции, что подтверждено исследованиями клубней картофеля. Относительно высокое содержание Cd (0,15 мг/кг), в 7,5 раз превышающее соответствующий показатель для контрольного участка, отмечено в клубнях картофеля, отобранных в пос. Золото на расстоянии 0, м от отвалов (табл.2).

Таблица 2.

Среднее содержание тяжелых металлов в почвах и картофеле на приусадебных участках, находящихся в зоне влияния Сибайского карьера (мг/кг) Участок, Cu Zn Pb Cd расстояние от почва карто почва карто почва карто почва карто отвалов фель фель фель фель п. Горный, 32,8 1,1 39,1 3,7 8,6 0,04 1,9 0, 0,1км 3,5 0, 8,5 0, п. Золото, 43,4 1,0 30,0 2,9 20,6 0,05 1,4 0, 0,1км 4,4 0, 9,2 0, п. Золото, 33,4 0,1 30,3 0,5 11,3 0,01 2,2 0, 0,75км н.о 3, 4,3 0, контроль, 17,6 0,1 31,7 0,1 21,6 0,01 0,2 0, 15км 1,1 0,8 0, 3, ПДК 55 10 100 10 30 0,5 2 0, (ОДК для Cd)* 3 23 6,0 0, Примечание: в числителе - валовое содержание, в знаменателе – подвижные формы;

жирным шрифтом выделены показатели, превышающие ПДК Выводы Черноземы обыкновенные, расположенные на территории, 1.

сопредельной с отвалами Сибайского медно-колчеданного карьера, обладают, в целом, средней степенью потенциальной устойчивости (буферности) по отношению к загрязнению ТМ (средний показатель составил 22 балла по шкале В.Б.Ильина). Возрастание буферной способности почв по отношению к ТМ способствовало снижению содержания их подвижных форм: при превышении степени буферности, соответствующей 22 баллам, содержание подвижных форм ТМ снижалось (Cd – в 6,0, Cu – в 3,9, Pb – в 1,7, Fe – в 1,7, Co – в 1,8, Ni - в 1,3 раза, Zn – на 4,2%).

Оценка степени загрязненности почв ТМ позволила отнести 2.

территории, расположенные в радиусе 2 км от отвалов карьера, к чрезвычайно, высоко- и умеренно опасной категориям загрязнения (суммарный показатель загрязнения Zc варьировал от 19,6 до 170,8).

Исключение составили почвы пробных площадок южного направления, находящихся на расстоянии 750 м, западного и восточного направления, расположенных на расстоянии 2 км от отвалов, уровень загрязнения которых соответствовал допустимой категории (Zc равен 11,5, 15,3 и 12,7, соответственно). Наиболее загрязненными являлись почвы, расположенные в северном направлении от отвалов.

Результаты изучения биологической активности почв в зоне 3.

воздействия отвалов, свидетельствуют о различиях в чувствительности ферментов к загрязнению почв ТМ: активность целлюлазы и уреазы снижается, а протеазы и каталазы повышается, но только до значений суммарного показателя загрязнения, равного 128, при более высоком уровне активность этих ферментов подавляется.

Воздействие отвалов на структурно-функциональные особенности 4.

микробиоты отражается в изменении численности микроорганизмов различных эколого-трофических групп: при повышении степени загрязнения почв ТМ численность аммонификаторов и микромицетов снижается с одновременным увеличением численности педотрофной микрофлоры.

Максимальная численность микроорганизмов, использующих минеральные формы азота, отмечена в почвах, относящихся к высоко-опасной категории загрязнения. Установлена регрессионная зависимость коэффициентов минерализации, педотрофности и сукцессии почвенных микробных сообществ от величины суммарного показателя загрязнения почв Zc.

Показатели биологической активности почв территорий, отнесенных 5.

по суммарному показателю загрязнения Zc к допустимой категории, не достигали уровня фона и в ряде случаев превышали 30%-ное отклонение от фоновых значений.

В радиусе 2 км от отвалов содержание Cu, Zn и Pb в картофеле 6.

находилось в пределах действующих эколого-гигиенических нормативов, в то время как в картофеле, выращенном на приусадебных участках, расположенных на расстоянии 750 м к западу от отвалов, концентрация Cd превышала уровень ПДК.

Список публикаций Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Таипова О.А., Бактыбаева З.Б., Семенова И.Н., Суюндуков Я.Т., Оценка загрязнения тяжелыми металлами почв, прилегающих к месторождению Куль-Юрт-Тау// Вестник ОГУ, №6, 2009. с 622-625.

2. Таипова О.А., Семенова И.Н. Эколого-токсикологическая оценка качества картофеля, выращиваемого на территориях, сопредельных с отвалами карьеров // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 1;

URL: http://www.science-education.ru/101-5399.

Статьи в других изданиях:

3. Ильбулова Г. Р. Севрякова О.А., Биологическая активность почвы в условиях техногенного загрязнения // Охрана и рациональное использование природных ресурсов в Башкирском Зауралье. Уфа: РИО БашГУ, 2006. С. 40 – 41.

4. Ильбулова Г.Р., Севрякова О.А., Семенова И.Н. Влияние деятельности горно-обогатительных фабрик Башкирского Зауралья на биологическую активность почв // 66 научно-техническая конференция: Сб. докл.- Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. Т.1.

– С. 128-133.

5. Ильбулова Г.Р., Севрякова О.А., Семенова И. Н. Изменение численности целюлозоразлагающих микроорганизмов при различных концентрациях меди и цинка в черноземе обыкновенном // Материалы Республиканской научно-практической конференции «Проблемы и перспективы конкурентоспособного воспроизводства в Башкирском Зауралье». Уфа: РИЦ БашГУ, 2008. С. 151 – 154.

6. Таипова О.А., Семенова И.Н.. Изучение биологической активности почв в окрестностях карьера Куль-Юрт-Тау // Башкирский экологический вестник, 2009, №2, с. 15-19.

7. Таипова О.А.., Мусыргалина Л.Р., Семенова И.Н., Биологическая активность почвы в условиях загрязнения тяжелыми металлами // Устойчивое развитие территорий: теория и практика. Уфа, 2009, С 227-231.

8. Таипова О.А., Кутлуюлова А.З., Семенова И.Н., Содержание и структура микробной биомассы как показатель экологического состояния почв // Уральский регион Республики Башкортостан:

человек, природа, общество. Сибай, 2009. С 325-330.

9. Таипова О.А., Семенова И.Н., Суюндуков Я.Т. Изучение распределения некоторых валовых и подвижных форм ТМ в почвах, прилегающих к отвалам Сибайского карьера // Государственная политика в сфере охраны окружающей среды. Уфа, 2011, С 37- 10.Таипова О.А., Гришаев К.В., Семенова И.Н., Интегральный показатель биологического состояния почв в условиях техногенного загрязнения // Уральский регион Республики Башкортостан: человек, природа, общество. Сибай, 2011, С 352-354.

11.Таипова О.А., Гришаев К.В., Семенова И.Н., Потенциальная устойчивость (буферность) почв, прилегающих к отвалам Сибайского карьера, по отношению к тяжелым металлам // Уральский регион Республики Башкортостан: человек, природа, общество. Сибай, 2011, С 355-356.

12.Таипова О.А., Семенова И.Н., Закономерности пространственного распределения, численности и структуры почвенных микробных сообществ // Уральский регион Республики Башкортостан: человек, природа, общество. Сибай, 2011, С 357-359.