Экотоксикологическая оценка загрязнений тяжелыми металлами урбаноземов города курска
На правах рукописи
Прусаченко Андрей Викторович ЭКОТОКСИКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЙ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ УРБАНОЗЕМОВ ГОРОДА КУРСКА Специальность 03.02.08 – экология (биология)
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук
Москва – 2011 Диссертационная работа выполнена на кафедре общей биологии и экологии ес тественно-географического факультета Курского государственного университета в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кад ры инновационной России», госконтракт № 14.740.11.0412.
Научный руководитель доктор сельскохозяйственных наук, профессор Проценко Елена Петровна Официальные оппоненты доктор биологических наук, профессор Терехова Вера Александровна доктор биологических наук, профессор Мосина Людмила Владимировна Ведущая организация ФГОУ ВПО Курская государственная сельско хозяйственная академия имени профессора И.И. Иванова
Защита диссертации состоится «23» марта 2011 года в 1430 часов на засе дании диссертационного совета Д 220.043.03 при Российском государственном аграрном университете - МСХА имени К.А.Тимирязева, корпус №9, аудитория имени Н.Н.Худякова Адрес: 127550 г. Москва, ул. Тимирязевская, 49, Ученый совет РГАУ МСХА имени К.А.Тимирязева
С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке Российского государственного аграрного университета - МСХА имени К.А.Тимирязева Автореферат разослан «16» февраля 2011 г.
и размещен на сайте университета www.timacad.ru Отзывы на автореферат (в 2-х экземплярах, заверенных печатью) просим направлять по адресу: 127550 г. Москва, ул. Тимирязевская, 49, факс 8(495) 976-24-
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологический наук О.В.Селицкая
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В настоящее время, особое внимание уделяется ис следованию свойств городских почв, испытывающих значительный техногенный пресс, составной частью которого является загрязнение тяжелыми металлами (М.Н. Строганова, М.Г. Агаркова, 1992;
М.Н. Строганова, Т.В. Мягкова, Т.В. Про кофьева, 1997;
А.С. Яковлев, 2000;
Е.В. Шунелько, А.И. Федорова, 2006).
Среди тяжелых металлов много микроэлементов, биологически важных для живых организмов. Однако избыточное содержание тяжелых металлов в различ ных объектах биосферы оказывает угнетающее и даже токсическое действие на живые организмы. Очень сложен вопрос нормирования содержания тяжелых ме таллов в почве, который должен решаться на основе учета ее свойств (А. Кабата Пендиас, Х. Пендиас, 1989;
Н.А. Протасова, А.Б. Беляев, А.П. Щербаков, 2000).
Большинство предпринимаемых попыток нормирования загрязнения почв тяжелыми металлами сводились к тому, чтобы определить предельно допусти мую концентрацию металла в почве. Однако в силу объективных причин, таких как полифункциональность и гетерогенность почвы, разнообразие ее типов, разнообразие загрязняющих веществ, явления синергизма и антагонизма между ними, способность живых организмов к адаптации, а почвы — к самоочище нию, использование ПДК поллютантов для оценки уровня загрязнения является односторонним показателем (М.Н. Строганова, М.Г. Агаркова, 1992;
В.Б. Иль ин, 2000;
А.С. Яковлев, 2000;
О.В. Лисовикая, В.А. Терехова, 2010).
В настоящее время при экологической оценке объектов окружающей при родной среды наряду с химическим анализом применяют биологические тест методы, в рамках которых изучается воздействие загрязнителей на живые организ мы. Отклик различных тест-организмов при одинаковом воздействии поллютантов в ряде случаев бывает неоднозначным и выражен в разной степени. Так для неко торых организмов наблюдается не угнетение, а стимуляция учитываемых тест реакций (Р.Р. Кабиров, А.Р. Сагитова, Н.В. Суханова, 1997;
А.С. Яковлев, 2000;
Т.А. Девятова, 2005;
Е.В. Шунелько, А.И. Федорова, 2006;
В.А. Терехова, 2007).
Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Научные и на учно-педагогические кадры инновационной России», госконтракт № 14.740.11.0412.
Цель работы: провести экотоксикологические исследования антропоген но преобразованных почв города Курска с оценкой уровня и степени их ток сичности методом биотестирования.
Задачи исследования:
1) определить валовое содержание, содержание подвижных и водораство римых форм цинка, кадмия, свинца и меди в урбанозёмах г. Курска;
2) оценить уровень и степень опасности загрязнения урбаноземов тяже лыми металлами;
3) оценить интегральную токсичность урбаноземов методом биотестиро вания с использованием различных тест-организмов;
4) выявить наиболее чувствительные тест-организмы к содержанию раз личных тяжелых металлов в почвах;
5) выявить взаимосвязи между содержанием тяжелых металлов и количе ственным проявлением тест-функций.
Научная новизна работы: проведено комплексное исследование загряз нения урбаноземов г. Курска тяжелыми металлами, с оценкой их агрохимиче ских свойств, обеспеченности элементами питания, экотоксикологического от клика высших растений, одноклеточных зеленых водорослей, простейших, низших ракообразных на их загрязнение. Впервые на искусственно загрязнен ных серых лесных почвах г. Курска изучен отклик используемых тест организмов на воздействие отдельных загрязнителей (Zn, Cd, Pb, Cu) при воз растающих дозах, которые соответствуют реальным загрязнениям урбаноземов г. Курска. Предложен индекс интегральной фитотоксичности с учетом суммар ного значения тест-функций высших растений.
Практическая значимость работы. Проведенные исследования позво лят дать текущие и долгосрочные прогнозы состояния почв, а также могут быть использованы при определении оптимальных и критических показателей со стояния почв в условиях разных по интенсивности и качественному составу техногенных воздействий. Знание интегральной фитотоксичности почвенного покрова г. Курска и последующее наблюдение за ее изменением позволит вы явить региональную тенденцию изменения токсичности;
оценить скорость и характер локальных изменений токсичности почвы на конкретных участках;
установить, насколько эффективны, с точки зрения снижения токсичности поч венного покрова, проведенные экологические мероприятия.
Личный вклад автора. Все этапы работы были выполнены лично авто ром или при непосредственном его участии: отбор и химический анализ поч венных образцов, постановка лабораторного опыта, биотестирование почвен ных образцов, обработка результатов. Автором рассчитан индекс токсичности оцениваемого фактора по каждому тест-организму и учитываемой тест функции, предложен индекс интегральной фитотоксичности.
Апробация работы. Результаты исследования были представлены на межвузовской научной конференции «Научные исследования студентов и ас пирантов в реализации национального проекта «Развитие АПК» (Курск, г.), международной научно-практической конференции «Современная экология – наука XXI века» (Рязань, 2008), научно-практической конференции «Агро экологические проблемы повышения плодородия почв и продуктивности сель скохозяйственных культур» (Курск, 2008 г.), международной конференции «Про блемы экологии в современном мире» (Тамбов, 2009), а также международном на учно-техническом конгрессе «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов» ELPIT – 2009 (Тольятти, 2009 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, глав, выводов, списка литературы и приложения. Диссертация изложена на страницах, содержит 10 таблиц. Список литературы включает 267 наименова ний, из них 43 зарубежные.
Защищаемые положения:
1) загрязнение урбаноземов г. Курска тяжелыми металлами (Zn, Cd, Pb, Cu) весьма значительные как по валовым формам, так и по подвижным и водо растворимым;
2) воздействия почв одинакового уровня загрязнения могут вызывать разный отклик учитываемой тест-функции высших растений;
3) использование методов альготестирования и тестирования с использо ванием простейших и низших ракообразных при изучении загрязнений почв показало неоднозначную реакцию тест-организмов на одинаковое воздействие;
4) из использованных живых организмов наиболее чувствительными к загрязнениям изучаемых урбаноземов являются: из покрытосеменных растений – Avena sativa L., из одноклеточных зеленых водорослей Chlorella vulgaris и простейшие – Paramecium caudatum.
Благодарности. Автор выражает глубокую признательность своему на учному руководителю доктору сельскохозяйственных наук, профессору Е.П.
Проценко за постоянное внимание к работе, ценные советы и рекомендации на всех этапах проведенного исследования. Особую благодарность автор выражает кандидату биологических наук, доценту, руководителю отдела биотестирова ния НИЛ «Мониторинг объектов окружающей среды» Миронову С.Ю. за цен ные научные консультации и методическую помощь в работе. Автор также бла годарен всем сотрудникам кафедры общей биологии и экологии КГУ, оказав шим помощь в работе.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Глава I. Обзор литературы В главе дается краткий обзор литературы о причинах образования и осо бенностях урбаноземов – как отдельного типа почв. Рассмотрена проблема за грязнения урбаноземов тяжелыми металлами. Представлены основные источ ники поступления и формы тяжелых металлов, механизмы их закрепления в почве, причины и источники загрязнения тяжелыми металлами почв города Курска. Освещены проблемы нормирования содержания тяжелых металлов в городских почвах, а также вопрос об использовании биотестирования как мето да интегральной оценки токсичности почв.
Глава II. Объекты и методы исследования Объектами исследования послужили антропогенно преобразованные почвы г. Курска, испытывающие на себе различное по интенсивности транс портное и промышленное воздействие.
Образцы почвы для анализа отбирались на 6 различных участках города:
урочище Знаменская роща, парки им. Героев Гражданской войны и им. Ф.Э.
Дзержинского, территории заводов «Счетмаш», «Курский кожзавод» и пред приятия «Курская городская типография». Образцы почвы, отобранные на территории агробиостанции КГУ, которая расположена за пределами города, использовались как эталон.
Почвы, которые выбраны объектами для проведения исследования, исто рически сложились и по своим характеристикам соответствуют серым лесным.
Все почвенные образцы были отобраны и подготовлены согласно стан дартным методикам пробоотбора и пробоподготовки (ГОСТ 17.4.3.01-83, ГОСТ 17.4.4.02-84, СанПиН 2.2.1/2.1.1.1200-03, ГОСТ 5180-84).
Методы исследования. В каждом образце почвы, в соответствии со стандартными методиками (ГОСТ 26483-85–ГОСТ 26490-85, ГОСТ 26213-91, ГОСТ 26204-91, ГОСТ 26951-86, определение щелочногидролизуемого азота в почве по Корнфилду в модификации ЦИНАО) были изучены агрохимические свойства. Определялось валовое содержание, содержание подвижных и водо растворимых форм Pb, Cd, Cu и Zn. Анализ проводился в трехкратной повтор ности, в трех параллельных пробах на вольтамперометрическом анализаторе ТА-4, в соответствии с МУ 31-11/05 (ФР.1.34.2005.02119, ПНД Ф 16.1:2:2:2:3.48-06). На основе данных анализа содержания тяжелых металлов, путем расчета коэффициента концентрации химического вещества (определя ется отношением фактического содержания определяемого вещества в почве к его фоновому содержанию) и суммарного показателя загрязнения проведена оценка уровня химического загрязнения (Б.А. Ревич, Ю.Е. Сает, Р.С. Смирно ва, Е.П. Сорокина, 1982;
МУ 2.1.7.730-99).
С целью определения интегральной токсичности выбранных объектов было проведено биотестирование. Использовали показатели токсичности вод ных вытяжек из почв. В качестве тест-культур нами были выбраны цветковые растения: Avena sativa L. сорта «Льговский - 72», Hordeum vulgare L. сорта «Гонар», Raphanus sativus сорта «Красный с белым кончиком»;
одноклеточ ные зеленые водоросли: Chlorella vulgaris Beijer и Scenedesmus quadricauda (Turp.) Breb.;
простейшие Paramecium caudatum Erenberg и низшие ракообраз ные Daphnia magna Straus.
Как тест-реакции высших растений учитывались энергия прорастания семян, длина проростка и длина корня, согласно методикам ISO 11269-1 и ISO 11269-2. При проведении альготестировании учитывалось изменение числен ности клеток, в соответствии с методиками ПНД Ф Т 14.1:2:3:4.10- (16.1:2.3.7-04) и ФР.1.39.2007.03223. Как тест-реакция, при биотестировании с использованием простейших и низших ракообразных учитывалась выживае мость организмов, в соответствии с методиками ФР.1.39.2006.02506, (ПНД Ф Т 14.1:2:3.13-06 (16.1:2.3.10-06)) и ФР.1.39.2007.03222.
С целью оценки количественного проявления тест-функции каждого вы бранного тест-организма на различное содержание тяжелых металлов, было проведено тестирование модельно загрязненных серых лесных почв при на растающих дозах отдельных загрязнителей (Zn, Cd, Pb, Cu), которые соответ ствуют реальным уровням загрязнения урбаноземов г. Курска. Ионы металлов в почву вводились в виде водорастворимых солей: ZnSO4·7H2O, CdCl2, Pb(CH3COO)2·3H2O, CuSO4·5H2O.
Глава III. Экотоксикологическая оценка урбанозёмов г. Курска 3.1. Агрохимические свойства серых лесных почв и урбанозёмов г. Курска Результаты анализа агрохимических свойств серых лесных почв и ур банозёмов представлены в таблице 1.
Для исследуемых урбаноземов характерно значительное обеднение ще лочногидролизуемым азотом, по сравнению с серыми лесными почвами аг робиостанции КГУ (контроль). Для образцов, отобранных в парке им. Героев Гражданской войны, в районе заводов «Счетмаш» и «Курский кожзавод» на блюдается низкое, нехарактерное для зональных почв содержание гидроли зуемого азота: от 40 до 70 мг/100 г почвы. По результатам анализа содержа ния нитратного и аммонийного азота установлено обеднение почв минераль ными формами азота. Вместе с тем, содержание гумуса в данных урбанозе мах нередко превышает содержание в зональных серых и даже темно-серых лесных почвах. Это может быть связано с завозом почво-грунтов чернозема типичного из южной части города при парковом строительстве. Повышение содержания гумуса по Тюрину на территории типографии до 14,7% при очень низком содержании щелочногидролизуемого азота связано со специ фикой деятельности предприятия – выбросом в атмосферу бумажной пыли в течение нескольких десятилетий.
Таблица Агрохимические свойства серых лесных почв и урбанозёмов г. Курска Подвижные Гумус Nщ.г.
Место отбора Глубина N–NO3 N–NH4 (по Корн- (по Чирикову) № (по Тю почвенных отбора, рНKCl мг/100 г мг/100 г мг/100 г филду) п/п рину), см проб мг/100 г P2O5 K2O % Агробиостанция 5,3 4,21 3,45 1,23 184,40 17,8 19, 1 0 – КГУ ±0,115 ±0,015 ±0,046 ±0,032 ±0,032 ±1,286 ±0, Урочище 5,1 4,78 2,22 1,06 145,33 79,0 49, 2 Знаменская 0 – ±0,10 ±0,015 ±0,036 ±0,056 ±0,032 ±1,202 ±0, роща Парк им. Героев 5,8 6,45 0,51 2,09 68,13 66,4 14, 3 Гражданской 0 – ±0,058 ±0,015 ±0,026 ±0,036 ±0,032 ±1,353 ±0, войны Завод 7,2 6,60 0,51 1,94 44,40 33,2 24, 4 0 – «Счетмаш» ±0,058 ±0,015 ±0,038 ±0,040 ±0,032 ±1,286 ±0, Парк имени 6,6 5,61 4,95 1,96 152,53 206,0 44, 5 Ф.Э. Дзержин- 0 – ±0,115 ±0,031 ±0,044 ±0,047 ±0,032 ±0,811 ±0, ского «Курский 5,7 4,35 0,49 4,14 74,87 12,8 12, 6 0 – кожзавод» ±0,115 ±0,025 ±0,045 ±0,040 ±0,032 ±1,048 ±0, «Курская 7,2 14,72 0,37 0,48 40,20 33,2 21, 7 городская 0 – ±0,115 ±0,017 ±0,036 ±0,026 ±0,032 ±1,039 ±0, типография» 0,2 0,09 0,18 1,04 15,9 11,9 9, НСР0, 3.2. Анализ содержания тяжелых металлов в серых лесных почвах и урбаноземах г. Курска Результаты анализа содержания валовых, подвижных и водорастворимых форм Pb, Cd, Cu и Zn в серых лесных почвах и урбанозёмах г. Курска представ лены в таблице 2. Установлено, что в пробах с территорий агробиостанции КГУ и урочища Знаменская роща содержание тяжелых металлов, по всем формам, не достигает уровня ПДК. Во всех изучаемых почвах валовое содержание и содержа ние подвижных форм кадмия также не достигает уровня ПДК.
Во всех изученных пробах почв выявлено превышение ПДК. Так, превышение по валовому содержанию цинка составило 2,5–28 ПДК, по содержанию подвижных форм – 2,5–10,5 ПДК и по содержанию водорастворимых форм цинка – 25–690 ПДК.
В образцах, за исключением пробы отобранной вблизи территории завода «Счетмаш», по валовому содержанию свинца превышение составило 1,5– ПДК, по содержанию подвижных форм – 3–11 ПДК. По содержанию водорас творимых форм свинца превышение составило 2 и 2,5 ПДК в образцах, ото бранных на территории парка им. Ф.Э. Дзержинского и предприятия «Курская Таблица Содержание тяжелых металлов в серых лесных почвах и урбанозёмах города Курска (мг/кг) Концентрация тяжелых металлов в образцах почвы, мг/кг Zn Cd Pb Cu Глубина Водорастворимая Водорастворимая Водорастворимая Водорастворимая Место отбора содержание № содержание содержание содержание Подвижная Подвижная Подвижная Подвижная отбора, Валовое Валовое Валовое Валовое форма форма форма п/п почвенных проб форма форма форма форма форма см 12,65 7,58 0,31 0,045 2,86 2,10 0,018 6,33 0, Агробиостанция КГУ 1. 0 – 20 следы следы следы ±0,12 ±0,12 ±0,0079 ±0,0031 ±0,064 ±0,078 ±0,0017 ±0,042 ±0, Урочище 56,65 5,60 4, 0,13 0,076 0,024 23,70 0,324 0, 2. 0 – 20 следы следы следы Знаменская роща ±0,77 ±0,19 ±0,0015 ±0,0021 ±0,0025 ±0,539 ±0,142 ±0,0042 ±0, Парк им. Героев 266,0 60,20 0,052 0,012 53,60 17,60 0,06 1,26 0, 0,26 57, 3. 0 – 20 следы Гражданской войны ±0,70 ±0,18 ±0,0081 ±0,0044 ±0,0026 ±0,658 ±0,344 ±0,015 ±0,95 ±0,032 ±0, 714,50 244,40 6,90 0,98 0,196 0,011 1,68 1,44 0,005 285,0 6,34 0, Завод «Счетмаш» 4. 0 – ±0,53 ±0,75 ±0,032 ±0,0176 ±0,0082 ±0,001 ±0,026 ±0,123 ±0,001 ±0,58 ±0,031 ±0, Парк имени 1728,0 19,20 0,25 0,12 0,024 83,35 23,20 0,18 0,96 0,86 0, 5. 0 – 20 следы Ф.Э. Дзержинского ±0,91 ±0,43 ±0,021 ±0,0112 ±0,0026 ±0,247 ±0,653 ±0,021 ±0,041 ±0,049 ±0, 964,50 125,0 2,30 0,62 0,124 73,0 38,60 1,08 0, «Курский кожзавод» 6. 0 – 20 следы следы следы ±0,69 ±0,91 ±0,104 ±0,0070 ±0,0059 ±0,751 ±0,557 ±0,025 ±0, «Курская городская 2777,0 96,40 0,96 0,86 0,172 94,0 65,20 0,25 9,20 1, 7. 0 – 20 следы следы типография» ±2,78 ±0,63 ±0,029 ±0,0085 ±0,0017 ±0,737 ±0,479 ±0,017 ±0,38 ±0, 100,0 23,0 0,01 5,0 1,0 — 32,0 6,0 0,1 55,0 3,0 0, ПДК* * Почва, очистка населенных мест, бытовые и промышленные отходы, санитарная охрана почвы. Гигиеническая оценка качества почвы населенных мест. Hygienic evaluation of soil in residential areas. Методические указания МУ 2.1.7.730-99. Утв. главным санитарным вра чом Российской Федерации Г.Г. Онищенко 07. 02. 1999 г. Введены 05. 04. 1999 г.
городская типография» соответственно. В почве территории завода «Счетмаш» превышения ПДК, по всем формам содержания свинца, не отмечено.
В пробах с территории парка им. Героев Гражданской войны и вблизи за вода «Счетмаш» превышение по валовому содержанию меди составило 1 и ПДК соответственно. В почве с территории примыкающей к заводу «Счетмаш» по содержанию подвижных форм меди установлено превышение в 2 ПДК. В пробах почв территорий парков им. Героев Гражданской войны, завода «Счет маш» и парка им. Ф.Э. Дзержинского установлено превышение 30–84 ПДК по содержанию водорастворимых форм меди.
Таким образом, на основании количественного химического анализа ус тановлено, что уровень загрязнения урбаноземов г. Курска достаточно высок, а приоритетным загрязнителем, по всем формам, является цинк.
3.3. Оценка уровня химического загрязнения урбанозёмов г. Курска Для оценки уровня химического загрязнения почв рассчитывали коэффи циент концентрации загрязнителя (отношение фактического содержания опреде ляемого вещества в почве к его фоновому содержанию) и суммарный показатель загрязнения (по валовому содержанию), данные расчетов приведены в таблице 3.
Таблица Оценка уровня химического загрязнения серых лесных почв и урбанозёмов г. Курска Zn Cd Pb Cu № Место отбора поч ZC п/п венных проб КС КС КС КС 1. Агробиостанция КГУ 0,2 1,6 0,1 0,4 Урочище 2. 0,9 0,7 1,5 0,1 Знаменская роща Парк им. Героев 3. 4,4 1,3 3,4 3,2 Гражданской войны 4. Завод «Счетмаш» 11,9 4,9 0,1 15,8 Парк имени 5. 28,8 0,6 5,2 0,1 Ф.Э. Дзержинского 6. «Курский кожзавод» 16,1 3,1 4,6 0,1 «Курская городская 7. 46,3 4,3 5,9 0,5 типография» КС – коэффициент концентрации химического вещества ZC – суммарный показатель загрязнения На основании полученных данных и в соответствии с МУ 2.1.7.730- почвы с территории агробиостанции КГУ (ZC = 2), урочища Знаменская роща (ZC = 3) и парка им. Героев Гражданской войны (ZC = 12) относятся к допусти мой категории загрязнения (величина ZC16). Однако, показатель ZC для почв парка им. Героев Гражданской войны заметно увеличивается по сравнению с пробами с территорий агробиостанции КГУ и урочища Знаменская роща, что вероятно связано с автотранспортной нагрузкой на данный объект. Почвы с территорий завода «Счетмаш» (ZC = 33), парка им. Ф.Э. Дзержинского (ZC = 35) и предприятия «Курская городская типография» (ZC = 57) относятся к опасной категории загрязнения (величина ZC = 32 – 128). Значительное увеличение зна чения ZC для почвы территории типографии обусловлено наличием как про мышленного, так и автотранспортного загрязнения, в отличие от проб террито рий вблизи завода «Счетмаш» (где присутствует практически только промыш ленное загрязнение) и парка Дзержинского (где присутствует только авто транспортное загрязнение). Почва с территории кожзавода (ZC = 24) относится к умеренно опасной категории (величина ZC = 16 – 32), т.к. загрязнение обуслов лено только деятельностью завода.
Глава IV. Оценка уровня токсичности урбанозёмов г. Курска методом биотестирования 4.1. Фитотестирование серых лесных почв и урбанозёмов г. Курска Результаты фитотестирования серых лесных почв и урбанозёмов пред ставлены в таблице 4.
По результатам тестирования с учетом как тест-функции энергии прорас тания, по сравнению с контролем (агробиостанция КГУ), в пробе с территории урочища Знаменская роща установлено достоверное (Р=0,05) снижение энергии прорастания ячменя. В пробе с территории парка им. Героев Гражданской вой ны отмечено снижение энергии прорастания как ячменя, так и овса. В пробе с территории завода «Счетмаш» отмечено увеличение энергии прорастания яч меня и снижение энергии прорастания редиса. В пробах с территорий «Курско го кожзавода» и предприятия «Курская городская типография» наблюдается снижение энергии прорастания овса и увеличение энергии прорастания ячменя.
Проба с территории парка им. Ф.Э. Дзержинского не вызвала достоверных из менений данной тест-функции для всех трех растительных тест-организмов.
Таким образом, в результате фитотестирования установлено неоднознач ное изменение значений энергии прорастания как одной из тест-реакций цвет ковых растений на одно и то же воздействие поллютантов. Так в целом наблю дается достоверное снижение энергии прорастания овса и редиса, для ячменя отмечено как снижение, так и стимуляция этого параметра.
По результатам тестирования с учетом как тест-функции длины проростка, по сравнению с контролем (агробиостанция КГУ), отмечено, что вытяжка пробы с территории урочища Знаменская роща не вызвала достоверных изменений Таблица Значения тест-реакций высших растений при биотестировании серых лесных почв и урбанозёмов г. Курска Avena sativa L. Hordeum vulgare L. Raphanus sativus L.
Место Глубина Длина корня, Длина корня, Длина корня, прорастания, прорастания, прорастания, № отбора проростка, проростка, проростка, отбора, Энергия Энергия Энергия Длина Длина Длина п/п почвенных см см см см см см см % % % проб 96,4 4,73 8,09 78,4 5,16 7,11 94,8 3,32 8, 1. Агробиостанция КГУ 0 – ±0,748 ±0,093 ±0,158 ±0,748 ±0,097 ±0,040 ±1,020 ±0,007 ±0, Урочище 97,2 4,80 8,53* 68,8* 5,18 6,90 93,2 3,71* 8,95* 2. 0 – Знаменская роща ±0,490 ±0,015 ±0,019 ±1,020 ±0,135 ±0,119 ±0,490 ±0,135 ±0, Парк им. Героев 94,0* 6,63* 9,82* 64,4* 7,0* 8,34* 95,2 3,77* 8,50* 3. 0 – Гражданской войны ±0,632 ±0,022 ±0,024 ±2,315 ±0,133 ±0,119 ±0,490 ±0,133 ±0, 95,6 6,41* 10,11* 86,8* 9,14* 10,40* 78,8* 3,45 9,69* 4. Завод «Счетмаш» 0 – ±0,748 ±0,072 ±0,157 ±1,855 ±0,092 ±0,017 ±0,490 ±0,092 ±0, Парк имени 97,2 6,72* 9,83* 79,6 7,80* 9,43* 97,2 2,49* 8, 5. 0 – Ф.Э. Дзержинского ±0,490 ±0,030 ±0,063 ±2,315 ±0,009 ±0,016 ±0,490 ±0,009 ±0, 90,0* 6,84* 9,88* 92,0* 8,62* 10,27* 96,8 3,78* 8, 6. «Курский кожзавод» 0 – ±0,894 ±0,036 ±0,035 ±0,894 ±0,092 ±0,025 ±0,490 ±0,081 ±0, «Курская городская ти- 92,0* 7,96* 13,18* 91,2* 9,15* 8,82* 96,4 2,69* 9,66* 7. 0 – пография» ±0,632 ±0,043 ±0,288 ±1,020 ±0,138 ±0,147 ±0,40 ±0,116 ±0, * средние значения тест-реакций достоверно отличающиеся (на 95% уровне значимости) от контроля (проба № 1 – территория Агробио станции КГУ), на основании расчета t-критерия (критерия Стьюдента) длины проростков овса и ячменя, но оказала стимулирующее действие на дан ный параметр для редиса. Для проб с территорий парка им. Героев Гражданской войны и завода «Счетмаш» отмечена стимуляция роста проростков овса и яч меня, также стимулирующее действие оказала проба с территории «Курского кожзавода» на данную тест-реакцию редиса. В то же время пробы с территорий парка им. Ф.Э. Дзержинского и предприятия «Курская городская типография» оказали ингибирующее действие на изучаемый параметр редиса.
При учете как тест-функции длины корня отмечено стимулирующее дейст вие вытяжек всех проб на рост корня овса (по сравнению с контролем – агробио станция КГУ), и за исключением с территории урочища Знаменская роща – на рост корня ячменя. Для данной тест-функции редиса, также как и для длины проро стков редиса, получены неоднозначные данные. Так в пробах с территорий урочи ща Знаменская роща, завода «Счетмаш» и предприятия «Курская городская ти пография» наблюдается стимуляция этого параметра, а для пробы с территории парка им. Героев Гражданской войны его угнетение.
Таким образом, в результате фитотестирования были отмечены неоднознач ные изменения длины проростков и корней как тест-реакции высших растений на одно и то же воздействие поллютантов. Наблюдалось достоверное (Р=0,05) увели чение длины проростка и корня овса и ячменя, тогда как для редиса наблюдается неоднозначная реакция – как увеличение, так и снижение значений этих тест функций. Это указывает на разницу в реакциях на загрязнение однодольных и дву дольных растений при использовании их как тест-организмов в биотестировании.
Для получения сопоставимых результатов нами был предложен индекс фитотоксичности, рассчитываемый по формуле:
( Д + Д К + Э П ) опыт ИФ = lg Р, ( Д Р + Д К + Э П ) контр.
где ДР – длина ростка, ДК – длина корня, ЭП – энергия прорастания. Результаты рас чета индекса интегральной фитотоксичности представлены в таблице 5.
Комплексный индекс (ИФ), как видно по результатам, для культуры овса наиболее тесно (R=0,89, при уровне значимости 0,05) коррелирует с ZC, в то время как для ре диса связь отсутствует, а для ячменя является наименее тесной. Среднее значение индекса, рассчитанное по трем культурам также коррелирует с ZC (R=0,68, на уров не значимости 0,01).
Таким образом, предложенный индекс интегральной фитотоксичности (ИФ) позволяет представлять воздействия вытяжек из загрязненных почв на тест-реакции высших растений более объективно.
Также для тест-культуры Avena sativa L. тесные положительные корреляцион ные зависимости наблюдались между тест-функциями (длина проростка, длина корня, энергия прорастания) и содержанием в урбаноземах г. Курка подвижных форм фосфора, калия, гумуса и минеральных форм азота. Для тест-культуры Hordeum vulgare L. наиболее тесные связи установлены между тест-функциями и содержанием гумуса и аммонийного азота.
Таблица Индекс интегральной фитотоксичности при биотестировании серых лесных почв и урбанозёмов г. Курска Индекс фитотоксичности (ИФ) Место отбора ZC ИФСР Avena Hordeum Raphanus почвенных проб sativa vulgare sativus Агробиостанция КГУ 1,12 1,19 1,10 1, Урочище 1,14 1,24 1,13 1, Знаменская роща Парк им. Героев 1,24 1,38 1,11 1, Гражданской войны Завод «Счетмаш» 1,24 1,35 1,22 1, Парк имени 1,23 1,34 1,06 1, Ф.Э. Дзержинского «Курский кожзавод» 1,27 1,31 1,11 1, «Курская городская 1,36 1,29 1,11 1, типография» Коэффициент Связь 0,89 0,59 0, корреляции с ZC отсутствует Установлены тесные положительные корреляционные связи между длиной корня овса, ячменя и редиса при проращивании в водных вытяжках урбанозе мов и со значениями валового содержания в почвах Zn, Cd, Pb и Cu. В резуль тате регрессионного анализа получены серии уравнений, по которым возможно рассчитать отклик цветковых растений различной видовой принадлежности на воздействие поллютантов.
Для редиса при увеличении концентрации тяжелых металлов при высоких коэффициентах обратной корреляции отмечено снижение энергии прорастания и длины проростка. Так, зависимость энергии прорастания как тест-функции реди са от валового содержания меди описывается уравнением y=95,731-0,0574·Cu (K=-0,92), от содержания подвижных форм меди y=97,256-2,6304·Cu (K=-0,81), от содержания подвижных форм цинка y=97,806-0,0577·Zn (K=-0,58), от содер жания водорастворимых форм цинка y=96,569-2,2657·Zn (K=-0,81). Зависимость длины проростка как тест-функции редиса от содержания водорастворимых форм свинца описывается уравнением y=3,647- 4,523·Pb (K=-0,75).
4.2. Альготестирование серых лесных почв и урбанозёмов г. Курска Результаты альготестирования серых лесных почв и урбанозёмов пред ставлены на рисунке 1.
% Chlorella vulgaris Scenedesmus quadricauda - - Scenedesmus quadricauda Зн П ам Chlorella vulgaris ар З ен к д ск П Ге "С ар ая Ко ро че кД ро ев Ти жз тм щ зе ав по аш а рж од гр " ин а фи ск я о го Рис. 1. Влияние водных вытяжек урбаноземов на численность одноклеточных зеленых водорослей Chlorella vulgaris и Scenedesmus quadricauda В результате альготестирования по сравнению с контролем (агробиостан ция КГУ) для всех проб, за исключением пробы с территории «Курского кожза вода», установлено достоверное (Р=0,05) снижение численности клеток водо росли Chlorella vulgaris. Однако, за исключением территории завода «Счет маш», отмечено достоверное (Р=0,05) увеличение численности клеток водорос ли Scenedesmus quadricauda.
Таким образом, оценка токсичности урбаноземов методом альготестиро вания также как и при фитотестировании показала неоднозначную реакцию зе леных одноклеточных водорослей различной видовой принадлежности на одно и то же воздействие поллютантов.
Были установлены положительные корреляционные связи между увели чением численности клеток Scenedesmus quadricauda и индексом суммарного загрязнения ZC (R = 0,88). В то же время отмечалась отрицательная корреляци онная связь между численностью клеток Scenedesmus quadricauda и содержани ем гумуса и аммонийного азота в урбаноземах.
4.3. Зоотестирование серых лесных почв и урбанозёмов г. Курска с использованием простейших (Paramecium caudatum) и низших рако образных (Daphnia magna) Результаты биотестирования водных вытяжек серых лесных почв и урбано зёмов с использованием в качестве тест-организмов Paramecium caudatum пред ставлены на рисунке 2.
Выживаемость, % 97, 93, 75, 71, 70, 61, 40 46, Агробиостания Знамеснкая З-д "Счетмаш" Парк им. Парк им. Ф.Э. "Курский "Курская КГУ (контроль) роща Героев Дзержинского кожзавод" городская Гражданской типография" войны Критерий токсичности: выживаемость ниже 90%;
выживаемость ниже 50% - острая токсичность.
Рис.2. Влияние водных вытяжек серых лесных почв и урбанозёмов на выживае мость простейших Paramecium caudatum Во всех пробах при тестировании природных объектов отмечается досто верное (Р=0,05) снижение численности Paramecium caudatum. Проба территории «Курского кожзавода» вызвала острое токсическое действие на Paramecium caudatum. Остальные образы вызвали менее выраженное токсическое действие.
При использовании инфузорий в качестве тест-организмов установлена высокая чувствительность к загрязнению: положительные корреляционные связи между снижением численности клеток и суммарным показателем загрязнения ZC (К = 0,74). В тоже время низшие ракообразные Daphnia magna проявили высокую ус тойчивость к загрязнениям, о чем свидетельствует полное отсутствие летально го эффекта при воздействии почвенных вытяжек.
Глава V. Оценка уровня токсичности модельно загрязненной серой лесной почвы методом биотестирования С целью оценки количественного проявления тест-функции каждого вы бранного тест-организма на различное содержание тяжелых металлов, было проведено тестирование искусственно загрязненных почв. Уровень загрязнения в лабораторных условиях создавался в соответствии с таковым в выбранных ес тественных объектах с учетом фонового содержания (таблица 4).
Таблица Уровень создаваемого загрязнения серых лесных почв Zn Pb Cu Уровень Концентрация, Уровень Концентрация, Уровень Концентрация, мг/кг мг/кг мг/кг ПДК ПДК ПДК 2,5 250 1 32 1 5 500 1,5 48 2 7,5 750 2 64 3 10 1000 2,5 80 4 15 1500 3 96 5 17,5 1750 — — — — 20 2000 — — — — 25 2500 — — — — 28 2800 — — — — ПДК* 100,0 ПДК* 32,0 ПДК* 55, * Почва, очистка населенных мест, бытовые и промышленные отходы, санитарная охрана почвы. Гигиеническая оценка качества почвы населенных мест. Hygienic evaluation of soil in residential areas. Методические указания МУ 2.1.7.730-99. Утв.
главным санитарным врачом Российской Федерации Г.Г. Онищенко 07. 02. 1999 г.
Введены 05. 04. 1999 г.
5.1. Фитотестирование модельно загрязненной серой лесной почвы При фитотестировании модельно загрязненной серой лесной почвы учи тывали энергию прорастания, длину корневой и стеблевой частей проростка.
При возрастании валового содержания тяжелых металлов в модельных образ цах почвы нами не отмечено однотипных реакций всех тест-растений на увели чение интенсивности воздействия отдельных металлов.
Энергия прорастания семян ячменя была достоверно (Р=0,05) ниже по срав нению с контролем в вариантах с содержанием цинка от 2,5 до 28 ПДК. Однако не выявлено выраженного линейного характера уменьшения данной тест-функции при увеличении содержания цинка в почве. При использовании в фитотестирова нии семян овса и редиса не отмечено значимых для фитотестирования изменений тест-функции при возрастании металлиндуцированной нагрузки.
Для вариантов с возрастающим содержанием свинца в почве (от 1 до ПДК) у всех тест-растений отмечено достоверное (Р=0,05) снижение энергии прорастания семян. Показательно, что при фитотестировании урбаноземов так же отмечено снижение энергии прорастания семян ячменя и овса. Однако такая тест-реакция отмечена у ячменя при воздействии водных экстрактов из город ских почв с содержанием свинца 1,5 ПДК. Соответствие характера ответной ре акции семян овса на действие модельно загрязненной почвы и урбанозема от мечено при содержании свинца 2 и 3 ПДК.
При модельном загрязнение медью энергия прорастания снижалась у яч меня только в варианте с максимальным содержанием в 5 ПДК;
для овса отме чено угнетение энергии прорастания семян и при 1 ПДК меди. Энергию про растания семян овса также угнетали водные вытяжки урбаноземов, загрязнен ные при содержании меди 5 ПДК.
Угнетение энергии прорастания семян редиса отмечено во всех вариантах с модельным загрязнением почвы свинцом.
Достоверное уменьшение длины корневой и стеблевой части проростка семян ячменя отмечено во всех вариантах с внесением свинца. Аналогичные тест-реакции присутствовали и у овса во всех вариантах, но с модельным за грязнением цинком. У ячменя угнетение корневой части проростка наблюда лось только при 17,5 и 28 ПДК цинка в почве. Снижение роста стеблевой части у этого растения отмечено только в варианте с 17,5 ПДК цинка, так же как и при фитотестировании урбаноземов. Угнетение роста стебля и корня у редиса происходило только в вариантах с внесением цинка в количествах, соответст вующих 7,5-28 ПДК и меди – 5 ПДК. Однако при таком содержании меди в почве у ячменя и овса отмечена достоверная стимуляция роста корней и стеб левой части проростка.
Увеличение длины стеблевой и корневой части проростка отмечено для ячменя в интервале концентраций цинка от 2,5 до 10 ПДК. Стимулирующее действие на данные характеристики проростков отмечено для овса и редиса во всех вариантах с использованием свинца как загрязнителя.
Таким образом, на основе анализа данных фитотестирования модельно за грязненных почв можно заключить, что наибольшей чувствительностью к за грязнителям по комплексу тест-реакций обладает овес. У этого растения наблю далось угнетение роста корневой и стеблевой части проростка во всем диапазоне применяемых концентраций цинка;
угнетение энергии прорастания семян при содержании свинца в почве от 1 до 3 ПДК и снижение энергии прорастания при значительном загрязнении медью (5 ПДК). В вариантах с использованием свинца и меди у овса отмечены тест-реакции, аналогичные вариантам с использованием урбаноземов г. Курска с одинаковым уровнем содержания этих металлов.
Семена редиса и ячменя также проявили некоторую отзывчивость на воз действие водных экстрактов почв, загрязненных в модельных условиях. Однако эти реакции не охватывали весь диапазон концентраций тяжелых металлов, не носили комплексный характер как в варианте с овсом. В ряде случаев тест реакции имели противоположный характер по сравнению с результатами фито тестирования урбаноземов.
5.2. Альготестирование искусственно загрязненной серой лесной почвы Для всех металлов и по всем концентрациям установлено снижение чис ленности водоросли Scenedesmus quadricauda от 92 до 96%.
Цинк в концентрациях 2,5 и 7,5 ПДК, а также свинец и медь во всех кон центрациях вызывают угнетение численности клеток водоросли Chlorella vul garis. Для цинка в концентрациях 17,5 и 28 ПДК отмечено стимулирующее действие на численность клеток данной тест-культуры. Цинк в концентрации 10 ПДК заметного влияния на Chlorella vulgaris не оказывал.
На основании полученных данных тестирования урбаноземов и искусст венно загрязненных почв можно отметить, что Chlorella vulgaris не чувстви тельна к содержанию свинца в концентрации 2 ПДК, а тест-реакция ее как тест объекта проявляется в снижении численности клеток.
Scenedesmus quadricauda как тест-объект не чувствителен к содержанию меди в концентрации 5 ПДК, в остальных вариантах тест-реакция его проявля ется в стимуляции численности клеток.
ВЫВОДЫ 1. Изучение физико-химических свойств урбаноземов г. Курска показало высокую степень их неоднородности по гумусу, кислотности, содержанию ми неральных форм азота, подвижных форм фосфора и калия.
2. Уровень загрязнения урбаноземов г. Курска достаточно высок, а при оритетным загрязнителем, по всем формам содержания, является цинк: валовое содержание его варьировало от 266 до 2777 мг/кг, содержание подвижных форм от 60 до 244 мг/кг, содержание водорастворимых форм от 0,25 до 6,9 мг/кг.
3. В урбаноземах г. Курска установлено превышение ПДК по валовому со держанию Pb и Cu, содержание которых достигало для Pb – 83 мг/кг, для Cu – мг/кг;
содержание подвижных форм (ацетатно-аммонийный буфер, рН=4,8) соста вило 38 мг/кг и 6 мг/кг соответственно, а водорастворимых – 0,18 и 0,008 мг/кг.
4. Уровень загрязнения исследуемых объектов, по коэффициенту ZС, оценивается как опасный (ZС от 53 до 110) и чрезвычайно опасный (ZС от до 265), а степень загрязнения урбаноземов оценивается как очень сильная.
5. Установлены тесные положительные корреляционные связи между длиной корня овса, ячменя и редиса при проращивании в водных вытяжках ур баноземов и валовым содержанием в почвах Zn, Cd, Pb и Cu.
6. Для тест-культуры Avena sativa L. тесные положительные корреляци онные зависимости наблюдались между тест-функциями (длина проростка, длина корня, энергия прорастания) и содержанием в урбаноземах г. Курка под вижных форм фосфора и калия, гумуса, минеральных форм азота. Для тест культуры Hordeum vulgare L. наиболее тесные связи установлены между тест функциями и содержанием гумуса и аммонийного азота.
7. Предложенный индекс интегральной фитотоксичности (ИФ) тесно корре лировал с уровнем загрязнения почвы и позволил оценивать воздействие водных вытяжек урбанозёмов на тест-реакции цветковых растений более объективно.
8. Оценка токсичности изучаемых урбаноземов методом альготестирова ния показала неоднозначную реакцию различных видов зеленых одноклеточ ных водорослей на загрязнение почв: происходила стимуляция численности клеток водоросли Scenedesmus quadricauda и угнетение численности клеток во доросли Chlorella vulgaris.
9. Установлены положительные корреляционные связи между увеличени ем численности клеток Scenedesmus quadricauda и индексом суммарного за грязнения ZC (R = 0,88), в то же время отмечалась отрицательная корреляцион ная связь между численностью клеток Scenedesmus quadricauda и содержанием гумуса и аммонийного азота в урбаноземах.
10. При использовании Paramecium caudatum в качестве тест-культуры установлена высокая чувствительность к загрязнению: положительные корре ляционные связи между снижением численности и суммарным показателем за грязнения ZC (R = 0,74). Изучение токсичности урбаноземов с использованием низших ракообразных показало высокую устойчивость Daphnia magna к за грязнениям, о чем свидетельствует полное отсутствие летального эффекта при воздействии почвенных вытяжек.
11. Из разных таксономических групп живых организмов наиболее чувст вительными к загрязнениям изучаемых урбаноземов являются: из высших рас тений – Avena sativa L., из одноклеточных зеленых водорослей Chlorella vul garis и простейшие – Paramecium caudatum.
Предложения производству 1. Поскольку результаты фитотестирования могут быть неоднозначны для различных тест-организмов и тест-реакций, при оценке токсичности город ских почв, экологическим службам города Курска рекомендуем учитывать от клик не менее трех тест-организмов и не менее трех тест-реакций. Целесооб разно использовать предложенный нами коэффициент для формирования окон чательных выводов о фитоэффектах.
2. При оценке токсичности загрязнений почв рекомендуем практиковать комплексное изучение объектов: не отказываться от химического анализа за грязненных почв и грунтов наряду с биотестированием, что в настоящее время в экологической практике довольно часто происходит, в связи с высокой стои мостью химических анализов.
Список работ, опубликованных по теме диссертации 1. Прусаченко А.В. Загрязнения почв города Курска тяжелыми ме таллами // Курский край. 2008. № 3-4 (104-105). С. 65-69.
2. Прусаченко А.В. Особенности городских почв // Курский край.
2008. № 7-8 (108-109). С. 128-131.
3. Прусаченко А.В. Проблемы изучения городских почв // Научные исследования студентов и аспирантов в реализации национального проекта «Развитие АПК»: сборник материалов межвузовской научной студенческой конференции. Курск, 2008. С. 73 – 77.
4. Прусаченко А.В. Влияние загрязнения почв города Курска на рас тительные сообщества // Современная экология – наука XXI века: сборник ма териалов международной научно-практической конференции (январь 2008 г.).
Рязань: РГУ, 2008. С. 84-87.
5. Проценко Е.П. Использование высших растений как тест-культур для биотестирования / Е.П. Проценко, А.В. Прусаченко // Агроэкологические проблемы повышения плодородия почв и продуктивности сельскохозяйствен ных культур: материалы научно – практической конференции Курского отделе ния МОО «Общество почвоведов имени В.В. Докучаева» (май 2008 г.). Курск:
Изд. центр ЮМЭКС, 2008. С. 32–36.
6. Прусаченко А.В. Биотестирование как метод экотоксикологиче ской оценки антропогенного загрязнения // Проблемы экологии в современном мире: материалы VI международной конференции (март 2009 г.). Тамбов: Ива новский ГЭУ, 2009. С. 47–51.
7. Прусаченко А.В. Возможность использования биотестирования при загрязнении городских почв тяжелыми металлами // Экология и безопас ность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов: сборник трудов молодых ученых II Международного экологического конгресса ELPIT 2009 (IV Международной научно-технической конференции), 24-27 сентября 2009 г. Тольятти: ТГУ, 2009. Том 2. С. 154–160.
8. Прусаченко А.В., Фитотестирование в оценке токсичности город ских почв / А.А. Проценко, С.Ю. Миронов, И.А. Гриненко, Н.А. Клеева, А.В.
Галяс // Экология урбанизированных территорий. 2010. № 2. С. 105–109.
9. Прусаченко А.В., Ростовые реакции Chlorella vulgaris и Scene desmus quadricauda при элюатном тестировании урбаноземов / Е.П. Про ценко, С.Ю. Миронов, Н.А. Клева, И.А. Гриненко, А.В. Галяс // Проблемы региональной экологии. 2010. № 4. С. 61–65.
Прусаченко Андрей Викторович ЭКОТОКСИКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЗАГРЯЗНЕНИЙ ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ УРБАНОЗЕМОВ ГОРОДА КУРСКА Автореферат ИД № 06248 от 12.11.2001 г.
Подписано в печать 14.02.2011 г.
Формат 60х90/16. Печать офсетная.
Объем 1,25 п.л. Тираж 100. Заказ Издательство Курского госуниверситета 305000, г. Курск, ул. Радищева, Отпечатано в лаборатории информационно-методического обеспечения КГУ