Биодиагностика устойчивости предгорных и горных почв западного кавказа к загрязнению нефтью и нефтепродуктами
На правах рукописи
Татлок Руслан Кимович БИОДИАГНОСТИКА УСТОЙЧИВОСТИ ПРЕДГОРНЫХ И ГОРНЫХ ПОЧВ ЗАПАДНОГО КАВКАЗА К ЗАГРЯЗНЕНИЮ НЕФТЬЮ И НЕФТЕПРОДУКТАМИ 03.02.08 – экология (биологические наук
и)
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук Ростов-на-Дону - 2011 2
Работа выполнена на кафедре землеустройства Майкопского государственного технологического университета
Научный консультант: доктор сельскохозяйственных наук, профессор Колесников Сергей Ильич
Официальные оппоненты: доктор биологических наук, доцент Минкина Татьяна Михайловна доктор биологических наук, профессор Калиниченко Валерий Петрович
Ведущая организация: Институт биологии Уфимского НЦ РАН
Защита диссертации состоится 24 июня 2011 г. в 15.00 на заседании дис сертационного совета Д 212.208.32 по биологическим наукам при Южном фе деральном университете (344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Большая Садовая, 105, ЮФУ, ауд. 304, e-mail: [email protected], факс: (863) 263-87-23).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южного федерально го университета (344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148).
Автореферат разослан «20» мая 2011 г. и размещен в сети Интернет на сайте ЮФУ www.sfedu.ru
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук Т.В. Денисова
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность исследования. В 2014 году в г. Сочи пройдут зимние олим пийские игры. Развитие инфраструктуры в районе проведения олимпийских игр неминуемо негативно отразится на состоянии почвенного покрова предгорий и гор Западного Кавказа. Одним из предполагаемых негативных экологических по следствий будет химическое загрязнение почв, в результате строительства и экс плуатации дорог, автозаправок, котельных и т.д. В случае реализации проекта строительства дороги (дорог) к Красной поляне через Республику Адыгея и/или Карачаево-Черкесскую Республику, площадь негативного воздействия на окру жающую среду значительно расширится.
Почвенный покров Западного Кавказа уникален и чрезвычайно разнообра зен: от черноземов до альпийских почв. В силу существенных различий эколого генетических свойств этих почв, таких как содержание гумуса, реакция среды, поглотительная способность, оструктуренность, интенсивность биологических процессов и др. (Вальков и др., 2008), почвы сильно различаются по устойчиво сти к химическому загрязнению.
Устойчивость почв региона к загрязнению тяжелыми металлами была ис следована ранее в работах З.Р. Тлехас (2007, 2008) и С.И. Колесникова с соавт.
(2008, 2009, 2010), а для оценки устойчивости к загрязнению нефтью и нефтепро дуктами было проведено настоящее исследование.
Цель и задачи исследования. Цель работы — оценить устойчивость пред горных и горных почв Западного Кавказа к загрязнению нефтью и нефтепродук тами по биологическим показателям в условиях модельного эксперимента.
В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:
1. Выявить закономерности изменения биологических свойств почв пред горий и гор Западного Кавказа в условиях загрязнения нефтью и нефтепродукта ми, таких как активность каталазы и дегидрогеназы, обилие бактерий рода Azoto bacter, показателей прорастания и начального развития редиса и др.
2. Исследовать изменения свойств почв в зависимости от природы загряз няющего вещества (нефть, мазут, бензин, солярка) и его концентрации в почве.
3. Оценить устойчивость к загрязнению нефтью и нефтепродуктами пред горных и горных почв Западного Кавказа: черноземов выщелоченных слитых, бурых лесных, серых лесных, дерново-карбонатных и горно-луговых субальпий ских почв.
4. Провести сравнительный анализ возможности и целесообразности ис пользования различных биологических показателей в целях оценки экологиче ского состояния почв, загрязненных нефтью, мазутом, бензином, соляркой.
5. Установить количественные ориентиры для разработки региональных нормативов содержания нефти, мазута, бензина и солярки в предгорных и горных почвах Западного Кавказа.
Основные положения, выносимые на защиту.
Загрязнение предгорных и горных почв Западного Кавказа нефтью и неф тепродуктами в подавляющем большинстве случаев вызывает ухудшение их био логических свойств.
По степени устойчивости к загрязнению нефтью и нефтепродуктами почвы предгорий и гор Западного Кавказа образуют следующий ряд: черноземы выще лоченные слитые = дерново-карбонатные почвы = серые лесные почвы = горно-луговые почвы = бурые лесные почвы.
По степени токсичности к биологическим свойствам исследованных почв нефть и нефтепродукты образуют следующую последовательность: нефть = мазут = бензин = солярка.
Предложены количественные ориентиры для разработки региональных нормативов содержания нефти, мазута, солярки, бензина в предгорных и горных почвах Западного Кавказа с учетом их эколого-генетических особенностей.
Научная новизна работы. Впервые для предгорных и горных почв Запад ного Кавказа установлены закономерности изменения основных биологических свойств, таких как активность каталазы и дегидрогеназы, обилие бактерий рода Azotobacter, показателей прорастания и начального развития редиса и др. в усло виях загрязнения нефтью, мазутом, бензином, соляркой. Дана оценка устойчиво сти к загрязнению нефтью и нефтепродуктами предгорных и горных почв Запад ного Кавказа: черноземов выщелоченных слитых, бурых лесных, серых лесных, дерново-карбонатных и горно-луговых субальпийских почв. Проведен сравни тельный анализ возможности и целесообразности использования различных био логических показателей в целях оценки экологического состояния почв, загряз ненных нефтью, мазутом, бензином, соляркой. Установлены количественные ориентиры для разработки региональных нормативов содержания нефти, мазута, бензина и солярки в предгорных и горных почвах Западного Кавказа.
Практическая значимость. Результаты исследования можно использовать при биомониторинге и биодиагностике состояния почв и экосистем, загрязнен ных нефтью и нефтепродуктами, оценке воздействия на окружающую среду и проведении экологической экспертизы, оценке риска природных и антропоген ных катастроф, разработке региональных нормативов содержания нефти и нефте продуктов в почвах, рекультивации загрязненных нефтью и нефтепродуктами почв, оценке, сертификации и паспортизации земель, в других природоохранных и производственных мероприятиях. Кроме того, результаты исследования ис пользуются в учебном процессе в Майкопском государственном технологическом университете и Южном федеральном университете при преподавании следующих дисциплин: «Экология», «Почвоведение», «Рациональное природопользование и охрана природы», «Мониторинг и биоиндикация», «Экологическая экспертиза», «Нормирования качества окружающей среды».
Связь работы с научными программами. Исследование выполнено при финансовой поддержке Президента РФ (грант по государственной поддержке ве дущих научных школ РФ НШ-5316.2010.4), ФЦП «Научные и научно педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (государствен ные контракты П169, П1298, П322), Российского фонда фундаментальных иссле дований (грант 07-04-00690-а).
Личный вклад автора. Диссертационная работа является обобщением ре зультатов исследований автора, проведенных в 2008-2011 гг. Тема, цель, задачи, объекты, методы и программа исследования определены автором совместно с на учным руководителем. Полевые исследования и отбор почв для модельных экс периментов осуществлены автором совместно с участниками комплексной экспе диции. Лабораторные модельные опыты и анализы проведены лично автором или с его участием. Анализ и обобщение полученных результатов, формулировка вы водов и основных защищаемых положений сделаны лично автором при направ ляющем и корректирующем участии научного руководителя.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на Еже годной научной конференции в ЮФУ «Неделя науки. Секция экологии и приро допользования» (Ростов-на-Дону, 2009, 2010, 2011), Межрегиональной научно практической конференции «Социально-экономическое и экологическое развитие Северо-Кавказкого региона» (Белореченск, 2009), Международной конференции «Экокультура и фитобиотехнологии улучшения качества жизни на Каспии» (Аст рахань, 2010), Научной конференции «Актуальные проблемы экологии и биоло гии почв» (Ростов-на-Дону, 2010), Всероссийской научной конференции «Мо дернизация науки и образования». Секция 1: «Биологические науки» (Махачкала, 2011), Научной конференции «Актуальные проблемы экологии и природопользо вания» (Ростов-на-Дону, 2011), IV Международной научно-практической конфе ренции «Экологические проблемы природных и урбанизированных территорий» (Астрахань, 2011).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 научных работ, объе мом 6,6 п.л., из них 4 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК. Доля участия ав тора в публикациях составляет 50% (3,3 п.л.).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 160 страницах печатного текста. Состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы. Содержит 24 таблицы, 34 рисунка, 10 фотографий. Список литературы включает 222 источника, из них 25 на иностранных языках.
Автор глубоко признателен за помощь в работе своему научному руково дителю — заведующему кафедрой экологии и природопользования ЮФУ, д.с. х.н., профессору С.И. Колесникову, сотрудникам кафедры землеустройства МГТУ и кафедры экологии и природопользования ЮФУ.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
ГЛАВА 1. ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ И ФУНКЦИОНИРО ВАНИЕ ПОЧВ В УСЛОВИЯХ ЗАГРЯЗНЕНИЯ НЕФТЬЮ И НЕФТЕ ПРОДУКТАМИ В главе представлена химическая и экотоксикологическая характеристики нефти и нефтепродуктов, описаны источники загрязнения ими окружающей сре ды, проведен анализ их поведения и трансформации в почве, влияния на морфо логические, физические, физико-химические, химические, биологические и био химические свойства почвы, микроорганизмы, растения, животных и человека, описаны факторы, определяющие экологические последствия загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами, освещены проблемы нормирования и рекультивации нефтезагрязненных земель.
ГЛАВА 2. ПРЕДГОРНЫЕ И ГОРНЫЕ ПОЧВЫ ЗАПАДНОГО КАВКАЗА В качестве объектов исследования были использованы все основные пред горные и горные почвы Западного Кавказа: черноземы выщелоченные слитые, серые лесные, бурые лесные, дерново-карбонатные (рендзины) и горно-луговые субальпийские почвы. Эти почвы занимают основную территорию предгорий и гор Западного Кавказа. При этом они существенно различаются по эколого генетическим характеристикам, таким как содержание гумуса, щелочно кислотные и окислительно-восстановительные условия, содержание карбонатов, поглотительная способность, биологическая активность и другим свойствам, оп ределяющим устойчивость почвы к химическому загрязнению.
Почва для модельных опытов была отобрана в следующих районах Западно го Кавказа: чернозем выщелоченный слитой (окрестности г. Белореченск, Красно дарский край);
серая лесная почва (окрестности с. Даховская, Республика Адыгея);
бурая лесная кислая почва (окрестности п. Никель, Республика Адыгея);
дерново карбонатная выщелоченная почва (Азишский хребет, Краснодарский край);
горно луговая субальпийская почва (плато Лаго-Наки, Республика Адыгея). Почва для модельных экспериментов была отобрана из верхнего слоя 0-20 см. Именно в этом слое накапливается основное количество загрязняющих почву веществ.
Основные эколого-генетические и эколого-биологические показатели почв предгорий и гор Западного Кавказа представлены в табл. 1.
ГЛАВА 3. МЕТОДИКА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ Была проведена серия модельных экспериментов, позволивших решить по ставленные задачи.
Таблица Эколого-генетические и эколого-биологические характеристики почв предгорий и гор Западного Кавказа № Почва мг ТФФ /10 г поч каталазы, мл О2/г Обилие бактерий рода Azotobacter, дегидрогеназы, почвы за 1 мин метрический Содержание вы за 24 часа % комочков Активность Активность гумуса, % обрастания Грануло состав рН Чернозем выщелочен 1.
глинистый 9,7 7,0 7,1 12,6 ный слитой Серая лесная почва тяжелосуглинистый 2. 7,3 7,3 7,9 11,7 Бурая лесная кислая 3.
тяжелосуглинистый 1,8 5,8 2,1 9,7 почва Дерново-карбонатная 4.
тяжелосуглинистый 14,4 7,6 7,4 13,1 выщелоченная почва Горно-луговая 5.
среднесуглинистый 6,8 6,1 3,5 2,2 субальпийская почва Исследовали загрязнение почв нефтью, мазутом, бензином и дизельным топливом (соляровым маслом, соляркой, газолином). Использовали нефть сред ней плотности, со средним содержанием серы и хлористых солей, низким содер жанием механических примесей;
топочный мазут 40, IV вида, со средним содер жанием серы, средней зольности, температурой застывания — минус 15°С;
бен зин автомобильный неэтилированный Регуляр-92, экологический класс 2;
топли во дизельное марки Л (летнее), экологический класс 2.
ПДК нефти, мазута, бензина и солярки в почве не разработаны. Для выра жения их концентрации в почве использовали процентное содержание. Изучали действие разных концентраций нефти, мазута, бензина и солярки — 1, 5 и 10 % от массы почвы.
Загрязнение почвы нефтью, мазутом, бензином и соляркой в исследован ном диапазоне до 10 % от массы почвы и более часто встречается в районах неф тедобычи, транспортировки и переработки нефти, получения, транспортировки и потребления нефтепродуктов (Пиковский, 1993;
Трофимов и др., 2000, Рубанова, Цхадая, 2000).
Исследовали равномерное загрязнение нефтью и нефтепродуктами всего объема почв. Для этого после внесения загрязняющего вещества почву в сосуде перемешивали. Нефть и нефтепродукты вносили во влажную почву.
Почву инкубировали в вегетационных сосудах при комнатной температуре (20-22 С) и оптимальном увлажнении (60% от полевой влагоемкости) в трехкрат ной повторности.
Биологические параметры состояния почв определяли через 30 суток после загрязнения. При оценке химического воздействия на почву этот срок является наиболее информативным (Колесников и др., 2006).
Через указанный срок всю массу почвы извлекали из вегетационного сосу да и перемешивали, тем самым получали «средний образец», из которого отбира ли пробы на определение биологических показателей — по 3 из каждого сосуда.
Лабораторно-аналитические исследования выполнены с использованием общепринятых в биологии и экологии почв методов в модификации К.Ш. Казеева, С.И. Колесникова (Казеев и др., 2003). Определяли обилие бакте рий рода Azotobacter, активность каталазы и дегидрогеназы, целлюлозолитиче скую активность, фитотоксические свойства почв и другие показатели. Обилие бактерий рода Azotobacter учитывали методом комочков обрастания на среде Эшби (Методы почвенной микробиологии и биохимии, 1991). Целлюлозолитиче скую способность определяли по степени разложения хлопчатобумажного полот на (Гельцер, 1986), экспонированного в почве в течение 30 дней. Активность ка талазы измеряли по методике Галстяна (1978), дегидрогеназы — по методике Галстяна в модификации Хазиева (1990). О фитотоксичности почв судили по из менению показателей прорастания семян (всхожесть, энергия прорастания, друж ность прорастания, скорость прорастания) и интенсивности начального роста проростков (длина корней, длина надземных побегов) (Бабьева, Зенова, 2004). В качестве тест-объекта использовали редис (сорт Корунд). Содержание гумуса оп ределяли по методу Тюрина со спектрофотометрическим окончанием (Орлов, Гришина, 1981). Реакцию почв (рН) определяли потенциометрическим методом (Практикум по почвоведению, 1986). Содержание гумуса и реакцию почв (рН) определяли только на контроле — в незагрязненной почве.
С целью выявления общих закономерностей воздействия того или иного негативного фактора, в частности загрязняющего вещества, на экологическое со стояние почв С.И. Колесников, К.Ш. Казеев, В.Ф. Вальков (2001) рекомендуют использовать интегральный показатель биологического состояния (ИПБС) почвы, который определяется на основе наиболее информативных показателей биологи ческой активности почвы. В настоящем исследовании ИПБС был рассчитан по следующим показателям: обилие бактерий рода Azotobacter, активность каталазы и дегидрогеназы, целлюлозолитическая активность, длина корней редиса (фито токсичность). Бактерии рода Azotobacter традиционно и успешно используют как индикатор химического загрязнения почвы. Каталазная, дегидрогеназная и цел люлозолитическая активность отражают интенсивность различных биологиче ских процессов в почве. При этом активность ферментов служит показателем по тенциальной биологической активности почвы, а скорость разложения полотна характеризует актуальную активность. Каталаза и дегидрогеназа принадлежат к окислительно-восстановительным ферментам – наиболее чувствительным к неф тяному загрязнению. Длина корней редиса отражает фитотоксические свойства загрязненной почвы. Таким образом, представленный набор показателей дает ин формативную картину о протекающих в почве биологических процессах и о ее экологическом состоянии.
Для расчета ИПБС почвы значение каждого из пяти указанных выше пока зателей в контроле (в незагрязненной почве) принимали за 100% и по отношению к нему выражали в процентах значения в остальных вариантах опыта (в загряз ненной почве). Затем определяли среднее значение пяти выбранных показателей для каждого варианта. Использованная методика позволяет интегрировать (объе динить) относительные значения разных показателей, абсолютные значения ко торых не могут быть суммированы, так как имеют разные единицы измерения.
Из методов математической статистики были использованы дисперсион ный анализ с последующим определением наименьшей существенной разности (НСР), корреляционный и регрессионный анализы (Доспехов, 1979;
Дмитриев, 1995). Для расчетов использовали компьютерную программу Statistica 6.0.
ГЛАВА 4. ИЗМЕНЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЧВ ЗАПАДНОГО КАВКАЗА ПРИ ЗАГРЯЗНЕНИИ НЕФТЬЮ И НЕФТЕПРОДУКТАМИ Сравнительная оценка токсичности нефти и нефтепродуктов. В ре зультате исследования было установлено, что загрязнение нефтью и нефтепро дуктами почв Западного Кавказа вызвало ухудшение их биологических свойств.
В таблице 2 представлены результаты влияния нефти и нефтепродуктов на биологические свойства чернозема выщелоченного слитого. Данные о влиянии загрязнения на серые и бурые лесные, дерново-карбонатные и горно-луговые почвы содержатся в диссертационной работе.
Таблица Влияние загрязнения нефтью и нефтепродуктами на биологические свойства чернозема выщелоченного слитого Элемент Доза загрязняющего вещества Контроль НСР 1% 5% 10 % Активность каталазы, мл О2 на 1 г почвы за 1 мин Нефть 7,1 5,9 4,2 2,9 0, Мазут 7,1 5,3 4,2 2,2 0, Бензин 7,1 7,2 7,0 6,9 0, Солярка 7,1 6,5 6,1 5,1 0, НСР05 0,4 0,5 0, Активность дегидрогеназы, мг ТФФ на 10 г почвы за 24 часа Нефть 9,7 8,4 7,1 5,0 1, Мазут 9,7 7,2 6,9 4,7 1, Бензин 9,7 8,4 8,2 6,7 1, Солярка 9,7 8,7 8,9 7,8 1, НСР05 0,7 0,8 0, Целлюлозолитическая активность, % от контроля Нефть 100 48 16 7 Мазут 100 70 45 33 Бензин 100 29 10 4 Солярка 100 36 12 5 НСР05 8 8 Обилие бактерий рода Azotobacter, % комочков обрастания Нефть 89 46 42 42 Мазут 89 50 38 34 Бензин 89 78 58 53 Солярка 89 80 63 69 НСР05 6 5 Длина корней редиса (фитотоксичность), % от контроля Нефть 100 77 61 53 Мазут 100 87 77 54 Бензин 100 60 56 34 Солярка 100 95 75 37 НСР05 6 6 Степень снижения значений биологических показателей зависела от при роды загрязняющего вещества, его концентрации в почве и эколого-генетических особенностей почвы.
В большинстве случаев, степень снижения значений биологических пока зателей находилась в прямой зависимости от концентрации в почве загрязняюще го вещества.
Нефть и нефтепродукты образуют следующие ряды токсичности по отно шению к исследованным почвам предгорий и гор Кавказа (ряды усреднены по дозам загрязняющего вещества).
По отношению к черноземам выщелоченным слитым: нефть мазут = бензин = солярка. По отношению к серым лесным почвам: нефть = бензин мазут = солярка. По отношению к бурым лесным почвам: нефть мазут бензин солярка. По отношению к дерново-карбонатным почвам: мазут = нефть солярка = бензин. По отношению к горно-луговым субальпийским почвам: нефть = мазут = бензин = солярка.
По степени токсичности к исследованным почвам предгорий и гор Запад ного Кавказа (в среднем) нефть и нефтепродукты образуют следующую последо вательность: нефть = мазут = бензин = солярка.
Нефть и мазут оказали несколько более сильное угнетающее действие на большинство биологических показателей, чем бензин и солярка. По-видимому, это связано с тем, что бензин и солярка представлены более легкими углеводо родными фракциями и частично испаряются из почвы. Кроме того, они легче раз лагаются микроорганизмами, так как имеют более короткие углеводородные це пи.
Схожая закономерность была установлена ранее на черноземах обыкно венных М.Л. Татосян и С.И. Колесниковым (2003, 2006, 2007).
Негативное действие нефти и нефтепродуктов на биологические процессы в почве объясняют обволакиванием нефтяными углеводородами почвенных час тиц, содержанием в нефти тяжелых металлов, ароматических углеводородов, фе нолов, накоплением в почве продуктов окисления углеводородов, таких как гек садециловый спирт, пальмитиновая, бензойная, салициловая кислоты и др., зна чительным увеличением соотношения C:N и др. (Киреева и др., 1998).
Статистически достоверных случаев стимулирующего действия нефти и нефтепродуктов на биологические свойства почв в настоящем исследовании за фиксировано не было.
Сравнительная оценка устойчивости биологических свойств почв За падного Кавказа к загрязнению нефтью и нефтепродуктами. Результаты ис следования представлены в табл. 3 и на рис. 1.
Таблица Степень снижения интегрального показателя биологического состояния почвы (ИПБС) (значения усреднены по дозам), % от контроля № Почва Нефть Мазут Бензин Солярка Среднее значение Чернозем выщелоченный слитой 1. 65 69 70 72 Серая лесная почва 2. 61 70 62 73 Бурая лесная почва 3. 58 62 65 69 Дерново-карбонатная почва 4. 65 62 72 69 Горно-луговая субальпийская почва 5. 62 64 65 68 Среднее значение 62 65 67 70 А % Чс Сл Бл Дк Гл Контроль 1% 5% 10% Б % Чс Сл Бл Дк Гл Контроль 1% 5% 10% В % Чс Сл Бл Дк Гл Контроль 1% 5% 10% Г % Чс Сл Бл Дк Гл Контроль 1% 5% 10% Рис. 1. Устойчивость предгорных и горных почв Западного Кавказа к загрязнению нефтью (А), мазутом (Б), бензином (В), соляркой (Г) (по степени снижения ИПБС, % от контроля):
Чс — черноземы выщелоченные слитые, Сл — серые лесные почвы, Бл — бурые лесные почвы, Дк — дерново-карбонатные почвы, Гл — горно-луговые субальпийские почвы Почвы предгорий и гор Западного Кавказа образуют следующие ряды ус тойчивости к загрязнению нефтью и нефтепродуктами (ряды усреднены по дозам загрязняющего вещества).
По степени устойчивости к загрязнению нефтью: черноземы выщелоченные слитые = дерново-карбонатные почвы горно-луговые почвы = серые лесные почвы бурые лесные почвы. По степени устойчивости к загрязнению мазутом:
серые лесные почвы = черноземы выщелоченные слитые горно-луговые почвы = дерново-карбонатные почвы = бурые лесные почвы. По степени устойчивости к загрязнению бензином: дерново-карбонатные почвы = черноземы выщелочен ные слитые горно-луговые почвы = бурые лесные почвы = серые лесные поч вы. По степени устойчивости к загрязнению соляркой: серые лесные почвы = черноземы выщелоченные слитые = дерново-карбонатные почвы = бурые лес ные почвы = горно-луговые почвы.
По степени устойчивости к загрязнению нефтью и нефтепродуктами (в среднем) почвы предгорий и гор Западного Кавказа образуют следующую после довательность: черноземы выщелоченные слитые = дерново-карбонатные поч вы = серые лесные почвы = горно-луговые почвы = бурые лесные почвы.
Как видно из табл. 3, разница в степени снижения значений ИПБС разных почв была незначительная. Другими словами устойчивость разных почв предго рий и гор Кавказа к загрязнению нефтью и нефтепродуктами приблизительно одинаковая, несмотря на существенные различия в генетических свойствах этих почв.
Как было установлено ранее З.Р. Тлехас и С.И. Колесниковым (2008, 2009, 2010), устойчивость этих же почв к загрязнению тяжелыми металлами (хромом, медью, никелем и свинцом) различается в значительно большей степени. Но при этом сама последовательность почв по устойчивости к загрязнению такая же. То есть, черноземы слитые и дерново-карбонатные почвы в обоих случаях более ус тойчивы к загрязнению, чем горно-луговые и бурые лесные почвы, но при загряз нении тяжелыми металлами разница в устойчивости значительная, а при загряз нении нефтью и нефтепродуктами — незначительная.
Установленная последовательность почв предгорий и гор Кавказа по ус тойчивости к загрязнению нефтью и нефтепродуктами определяется эколого генетическими свойствами этих почв. Чем лучше оструктуренность почвы, а, следовательно, и окислительные условия, а также чем выше биологическая ак тивность почвы, тем выше ее устойчивость к загрязнению нефтью и нефтепро дуктами.
Оценка возможности использования биологических показателей в диагностике устойчивости предгорных и горных почв Западного Кавказа к загрязнению нефтью и нефтепродуктами Определение информативности показателей. Степень информативности показателя можно оценить по тесноте корреляции между показателем и содержа нием в почве загрязняющего вещества. Коэффициенты корреляции исследован ных биологических показателей представлены в табл. 4.
Таблица Коэффициенты корреляции (r) между содержанием в почве нефти и нефтепродуктов и показателями биологической активности ( =0,05) Среднее № Показатель Нефть Мазут Бензин Солярка значение Активность каталазы 1. -0,94 -0,88 -0,94 -0,93 -0, Активность дегидрогеназы 2. -0,90 -0,87 -0,85 -0,85 -0, Целлюлозолитическая 3.
-0,79 -0,90 -0,72 -0,80 -0, активность Обилие бактерий рода Azotobacter 4. -0,78 -0,84 -0,84 -0,90 -0, Длина корней редиса 5. -0,85 -0,89 -0,87 -0,95 -0, ИПБС 6. -0,86 -0,89 -0,84 -0,91 -0, По степени информативности (по тесноте корреляции между показателем и содержанием в почве загрязняющего вещества) исследованные биологические показатели образовали следующие последовательности.
При загрязнении нефтью: активность каталазы активность дегидроге назы длина корней (фитотоксичность) целлюлозолитическая способность = обилие бактерий рода Azotobacter.
При загрязнении мазутом: целлюлозолитическая способность = длина корней (фитотоксичность) = активность каталазы = активность дегидро геназы обилие бактерий рода Azotobacter.
При загрязнении бензином: активность каталазы длина корней (фито токсичность) = обилие бактерий рода Azotobacter = активность дегидроге назы целлюлозолитическая способность.
При загрязнении соляркой: длина корней (фитотоксичность) = актив ность каталазы обилие бактерий рода Azotobacter активность дегидрогена зы целлюлозолитическая способность.
При загрязнении нефтью и нефтепродуктами в целом (в среднем): актив ность каталазы длина корней (фитотоксичность) = активность дегидроге назы обилие бактерий рода Azotobacter целлюлозолитическая способность.
Таким образом, наиболее информативным показателем из исследованных является активность каталазы, а наименее информативным — целлюлозолитиче ская способность почвы. Как будет видно ниже, по чувствительности наблюдает ся обратная картина.
Все пять показателей, использованных для определения ИПБС, имеют ко эффициенты корреляции больше 0,7 (с 0,78 до 0,95). Следовательно, эти показа тели биологической активности находятся в тесной (0,7) зависимости от содер жания в почве нефти или нефтепродукта и их целесообразно использовать для определения ИПБС.
Коэффициенты корреляции незначительно зависят от природы вещества.
Так наиболее высокие коэффициенты корреляции имеет солярка (в среднем по пяти показателям -0,91), затем следуют мазут (-0,89), нефть (-0,86) и бензин ( 0,84).
Определение чувствительности показателей. О степени чувствительно сти показателя можно судить по степени снижения его значений в вариантах с за грязнением по сравнению с контролем. Значения степени снижения исследован ных биологических показателей представлены в табл. 5. Они усреднены по дозам и типам почв.
Таблица Степень снижения исследованных биологических показателей (значения усреднены по дозам и типам почв), % от контроля Среднее № Показатель Нефть Мазут Бензин Солярка значение Активность каталазы 1. 70 57 87 81 Активность дегидрогеназы 2. 73 65 64 66 Целлюлозолитическая 3. 16 42 11 19 активность Обилие бактерий рода Azotobacter 4. 41 45 60 64 Длина корней редиса 5. 47 58 58 74 ИПБС 6. 50 53 56 60 По степени чувствительности (по степени снижения значений) к загрязне нию нефтью и нефтепродуктами исследованные биологические показатели рас полагаются следующим образом.
По отношению к загрязнению нефтью: целлюлозолитическая способность обилие бактерий рода Azotobacter длина корней (фитотоксичность) ак тивность каталазы = активность дегидрогеназы.
По отношению к загрязнению мазутом: целлюлозолитическая способность = обилие бактерий рода Azotobacter активность каталазы = длина корней (фитотоксичность) активность дегидрогеназы.
По отношению к загрязнению бензином: целлюлозолитическая способ ность длина корней (фитотоксичность) = обилие бактерий рода Azotobacter активность дегидрогеназы активность каталазы.
По отношению к загрязнению соляркой: целлюлозолитическая способность обилие бактерий рода Azotobacter = активность дегидрогеназы = длина корней (фитотоксичность) активность каталазы.
По отношению к загрязнению нефтью и нефтепродуктами в целом (в сред нем): целлюлозолитическая способность обилие бактерий рода Azotobacter длина корней (фитотоксичность) активность дегидрогеназы активность каталазы.
Таким образом, наиболее чувствительным показателем при загрязнении нефтью, мазутом, бензином или соляркой является целлюлозолитическая актив ность почвы, наименее чувствительным — активность каталазы.
При этом активность каталазы является наиболее информативным показа телем, а целлюлозолитическая активность наименее информативным.
Следовательно, эти показатели хорошо взаимодополняют друг друга и должны определяться совместно при оценке биологического состояния загряз ненных почв.
Результаты настоящего исследования в основном совпадают с данными, полученными ранее другими исследователями (Звягинцев, 1978;
Татосян, 2003;
Азнаурьян, 2009;
Гайворонский, 2009;
Ротина, 2010;
Колесников и др., 2000, 2006). Интересно, что активность каталазы и обилие бактерий рода Azotobacter были более чувствительны к тяжелым фракциям углеводородов — мазуту и неф ти.
Особо следует отметить высокую чувствительность всех пяти использо ванных биологических показателей даже при относительно невысоком — одно процентном содержании нефти и нефтепродуктов в почве.
Таким образом, высокие информативность и чувствительность использо ванных в работе биологических показателей состояния почв позволяют рекомен довать их для диагностики устойчивости предгорных и горных почв Кавказа к за грязнению нефтью и нефтепродуктами.
Нормирование загрязнения предгорных и горных почв Западного Кавказа нефтью и нефтепродуктами. В последнее время и в России, и за рубе жом, при оценке состояния окружающей среды и нормировании ее качества эко логический подход стал доминирующим. Нами предлагается оценивать степень негативного воздействия химического загрязнения на основе «эмерджентного» подхода по степени нарушения экологических и хозяйственных функций, выпол няемых почвой в природной экосистеме, агроэкосистеме или урбосистеме. В ка честве критерия степени нарушения экофункций предлагается использовать ин тегральный показатель биологического состояния (ИПБС) почвы, определенный на основе набора наиболее информативных биологических показателей, первыми реагирующими на антропогенное воздействие. Колесниковым С.И. с соавт. (2002) было установлено, что если значения ИПБС уменьшились менее чем на 5 %, то почва выполнят свои экологические функции нормально, при снижении значений ИПБС на 5-10% происходит нарушение информационных экофункций, на 10- % — биохимических, физико-химических, химических и целостных, более чем на 25 % — физических (классификация экосистемных функций почв дана по Добро вольскому Г.В., Никитину Е.Д. (1990)).
По результатам проведенных исследований были определены уравнения регрессии, отражающие зависимость снижения значений ИПБС от содержания в почве того или иного загрязняющего вещества. По этим уравнениям были рас считаны концентрации загрязняющих веществ, при которых происходит наруше ние тех или иных групп экологических функций почвы.
В результате предложена региональная схема экологического нормирова ния загрязнения предгорных и горных почв Западного Кавказа нефтью и нефте продуктами по степени нарушения экофункций (табл. 6). Предложенный подход и полученные количественные значения содержания нефти и нефтепродуктов в почве, вызывающие нарушение разных групп экологических функций, представ ляется целесообразным использовать при экологическом нормировании, где главной целью должно быть сохранение экологических функций почвы.
Использованную технологию оценки экологических последствий деграда ции почв на основе нарушения ее экологических функций можно использовать при проведении целого ряда научных и природоохранных мероприятий: при оценке воздействия на окружающую среду (разработке ОВОС);
при биоиндика ции и биодиагностике деградационных изменений в почве;
при биомониторинге состояния почв, а также естественных и антропогенно нарушенных экосистем в целом;
при экологическом нормировании загрязнения почв и других деградаци онных процессов, разработке региональных ПДК или ОДК;
при определении сте пени ответственности (размера штрафа и др.) предприятий при нерациональном природопользовании;
при разработке методов санации (восстановления) загряз ненных почв;
при определении предельно допустимой антропогенной нагрузки на территорию;
при создании экологических карт (районирования, фактологиче ских и прогнозных);
при прогнозировании экологических последствий хозяйст венной деятельности на данной территории;
при оценке риска катастроф;
при проведении экологической экспертизы, паспортизации, сертификации террито рии или хозяйственного объекта и т.д.
Таблица Региональная схема экологического нормирования загрязнения предгорных и горных почв Западного Кавказа нефтью и нефтепродуктами по степени наруше ния экофункций Не загряз- Слабо- Средне- Сильно Почвы ненные загрязненные загрязненные загрязненные 1 2 3 4 Степень снижения 5 – 10 % 10 – 25 % 5% 25 % интегрального показателя Химические, физи Нарушаемые ко-химические, био экологические – Информационные Физические химические;
целост функции ные Окончание таблицы 1 2 3 4 Активации абори- Использование пре генной углеводо- паратов с углеводо- Удаление загряз родокисляющей родокисляющими ненного слоя микрофлоры пу- микроорганизмами, почвы и замена Способы санации Санация не тем оптимизации применение мине- его новым эколо почв требуется агрофизических и ральных или органо- гически и сель агрохимических минеральных удоб- скохозяйственно свойств загряз- рений, посев много- полноценным ненных почв летних бобовых трав Черноземы выщелоченные слитые Вещество Содержание загрязняющего вещества в почве, % нефть 0,15 0,15-0,20 0,20-0,70 0, мазут 0,15 0,15-0,25 0,25-0,90 0, бензин 0,15 0,15-0,20 0,20-0,90 0, солярка 0,15 0,15-0,30 0,30-1,10 1, Серые лесные почвы Вещество Содержание загрязняющего вещества в почве, % нефть 0,10 0,10-0,20 0,20-0,50 0, мазут 0,15 0,15-0,20 0,20-0,90 0, бензин 0,10 0,10-0,15 0,15-0,50 0, солярка 0,15 0,15-0,30 0,30-1,10 1, Бурые лесные почвы Вещество Содержание загрязняющего вещества в почве, % нефть 0,10 0,10-0,15 0,15-0,45 0, мазут 0,15 0,15-0,20 0,20-0,60 0, бензин 0,15 0,15-0,20 0,20-0,70 0, солярка 0,15 0,15-0,25 0,25-0,90 0, Дерново-карбонатные почвы Вещество Содержание загрязняющего вещества в почве, % нефть 0,15 0,15-0,20 0,20-0,70 0, мазут 0,15 0,15-0,20 0,20-0,60 0, бензин 0,15 0,15-0,25 0,25-1,10 1, солярка 0,20 0,20-0,30 0,30-0,90 0, Горно-луговые почвы Вещество Содержание загрязняющего вещества в почве, % нефть 0,15 0,15-0,20 0,20-0,60 0, мазут 0,15 0,15-0,25 0,25-0,70 0, бензин 0,15 0,15-0,20 0,20-0,65 0, солярка 0,15 0,15-0,25 0,25-0,85 0, Примечание: 1.Определение интегрального показателя по С.И. Колесникову, К.Ш. Казееву, В.Ф. Валькову (2000). 2.Классификация экологических функций по Г.В. Добровольскому и Е.Д. Никитину (1990).
ВЫВОДЫ 1. Загрязнение предгорных и горных почв Западного Кавказа нефтью и нефте продуктами в подавляющем большинстве случаев вызывает ухудшение их биологических свойств. Как правило, степень снижения значений биологиче ских показателей находится в прямой зависимости от концентрации в почве загрязняющего вещества.
2. По степени устойчивости к загрязнению нефтью и нефтепродуктами почвы предгорий и гор Западного Кавказа образуют следующий ряд: черноземы вы щелоченные слитые = дерново-карбонатные почвы = серые лесные почвы = горно-луговые почвы = бурые лесные почвы. Такая последовательность определяется эколого-генетическими свойствами исследованных почв, прежде всего, окислительно-восстановительными условиями и биологической актив ностью.
3. По степени токсичности к биологическим свойствам исследованных почв нефть и нефтепродукты образуют следующую последовательность: нефть = мазут = бензин = солярка. Нефть и мазут оказали более сильное угнетаю щее действие на большинство биологических показателей, чем бензин и со лярка. По-видимому, это связано с тем, что бензин и солярка представлены более легкими углеводородными фракциями и частично испаряются из почвы, а также легче разлагаются микроорганизмами, так как имеют более короткие углеводородные цепи.
4. По степени информативности (по тесноте корреляции между показателем и содержанием в почве загрязняющего вещества) при загрязнении нефтью и нефтепродуктами биологические показатели располагаются следующим обра зом (обобщено для разных типов почв и загрязняющих веществ): активность каталазы длина корней (фитотоксичность) = активность дегидрогеназы обилие бактерий рода Azotobacter целлюлозолитическая способность.
5. По степени чувствительности (по степени снижения значений) к загрязнению нефтью и нефтепродуктами биологические показатели образуют следующий ряд (обобщено для разных типов почв, загрязняющих веществ и их доз): цел люлозолитическая способность обилие бактерий рода Azotobacter длина корней (фитотоксичность) активность дегидрогеназы активность ка талазы.
6. Использованные в работе биологические показатели (активность каталазы и дегидрогеназы, целлюлозолитическая способность, обилие бактерий рода Azotobacter, длина корней редиса) подтвердили свое соответствие необходи мым требованиям, предъявляемым к показателям, используемым для монито ринга, диагностики и нормирования химического загрязнения почв. Они отли чаются высокими информативностью и чувствительностью, достаточной вос производимостью, допустимым варьированием, небольшой ошибкой опыта, простотой, малой трудоемкостью, высокой скоростью и широкой распростра ненностью методов определения.
7. Проведенное исследование подтвердило необходимость разработки регио нальных нормативов содержания нефти и нефтепродуктов в почвах с учетом их эколого-генетических особенностей. Предложены количественные ориен тиры для разработки региональных нормативов содержания нефти, мазута, со лярки, бензина в предгорных и горных почвах Западного Кавказа с учетом их эколого-генетических особенностей.
СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК:
1. Колесников С.И., Тлехас З.Р., Татлок Р.К., Казеев К.Ш., Денисова Т.В., Даденко Е.В. Оценка устойчивости дерново-карбонатных почв Северного Кавка за к химическому загрязнению по биологическим показателям // Экология и про мышленность России. 2010. № 12. С. 48-51. (20 %, 0,2 п.л.) 2. Татлок Р.К., Колесников С.И. Биодиагностика устойчивости бурых лес ных почв Северо-Западного Кавказа к загрязнению нефтью и нефтепродуктами // Вестник Майкопского государственного технологического университета. 2011. № 1. С. 31-35 (50 %, 0,3 п.л.) 3. Татлок Р.К., Колесников С.И. Изменение биологических свойств суб альпийских почв Адыгеи при загрязнении нефтью, мазутом, бензином и соляркой // Вестник Адыгейского государственного университета. 2011. № 1 (76). С. 28- (50 %, 0,3 п.л.) 4. Татлок Р.К., Колесников С.И. Влияние загрязнения нефтью и нефтепро дуктами на биологические свойства слитых черноземов // Труды Кубанского го сударственного аграрного университета. 2011. № 3. С. 39-43 (50 %, 0,3 п.л.) Статьи и тезисы в других изданиях:
5. Татлок Р.К., Тлехас З.Р., Колесников С.И. Биодиагностика устойчиво сти предгорных и горных почв Северного Кавказа к загрязнению нефтью // Мате риалы межрегиональной научно-практической конференции «Социально экономическое и экологическое развитие Северо-Кавказкого региона». Белоре ченск. 2009. С. 189-190. (33 % 0,1 п.л.) 6. Татлок Р.К., Тлехас З.Р., Колесников С.И. Изменение биологических свойств горно-луговых почв Кавказа при химическом загрязнении // Актуальные проблемы экологии и биологии почв. Ростов-на-Дону. 2010. С. 101-111. (33 % 0, п.л.) 7. Татлок Р.К., Тлехас З.Р., Колесников С.И. Влияние химического загряз нения на биологические свойства бурых лесных почв Адыгеи // Актуальные про блемы экологии и биологии почв. Ростов-на-Дону. 2010. С. 91-100. (33 % 0,3 п.л.) 8. Колесников С.И., Татлок Р.К., Тлехас З.Р. Разработка региональных нормативов содержания нефти в почвах юга России // Материалы Международ ной конференции «Экокультура и фитобиотехнологии улучшения качества жизни на Каспии». Астрахань. 2010. С. 264-267. (33 % 0,3 п.л.) 9. Татлок Р.К., Колесников С.И. Влияние загрязнения нефтью, мазутом, бензином, дизтопливом на биологические свойства горно-луговых почв Северно го Кавказа // Материалы Всероссийской научной конференции «Модернизация науки и образования». Секция 1: «Биологические науки». Махачкала. 2011. С.
153-154. (50 % 0,1 п.л.) 10.Татлок Р.К., Колесников С.И. Биодиагностика устойчивости высоко горных почв Кавказа при загрязнении нефтью и нефтепродуктами // Материалы научной конференции «Актуальные проблемы экологии и природопользования».
Ростов-на-Дону. 2011. С. 111-114. (50 % 0,3 п.л.) 11.Татлок Р.К., Тлехас З.Р., Колесников С.И. Изменение биологического состояния черноземов выщелоченных слитых при химическом загрязнении // Ма териалы научной конференции «Актуальные проблемы экологии и природополь зования». Ростов-на-Дону. 2011. С. 122-128. (33 % 0,3 п.л.) 12.Татлок Р.К., Тлехас З.Р., Колесников С.И. Влияние химического за грязнения на биологические свойства серых лесных почв Адыгеи // Материалы научной конференции «Актуальные проблемы экологии и природопользования».
Ростов-на-Дону. 2011. С. 114-121. (33 % 0,3 п.л.) 13.Хоружая Д.О., Чумак Я.С., Колесникова Д.В., Татлок Р.К., Колесни ков С.И. Определение реакции среды предгорных и горных почв Кавказа для оценки устойчивости к химическому загрязнению // Материалы ежегодной науч ной конференции студентов и аспирантов Южного федерального университета «Неделя науки-2011». Секция «Экология и природопользование». Ростов-на Дону. 2011. С. 137-138. (20 % 0,1 п.л.) 14.Никитенко К.С., Татлок Р.К., Шабанова А.А., Колесникова Д.В., Ко лесников С.И. Влияние нефти и нефтепродуктов на активность каталазы дерново карбонатной почвы // Материалы ежегодной научной конференции студентов и аспирантов Южного федерального университета «Неделя науки-2011». Секция «Экология и природопользование». Ростов-на-Дону. 2011. С. 82-84. (20 % 0, п.л.) СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ Бл — бурые лесные почвы, Гл — горно-луговые почвы, Дк — дерново-карбонатные почвы, ИПБС — интегральный показатель биологического состояния почвы, НСР — наименьшая существенная разность, ПДК — предельно допустимая концентрация, ОДК — ориентировочно допустимая концентрация, Сл — серые лесные почвы, ТФФ — трифенилформазан, Чс — черноземы слитые.