1.2 Последствия загрязнения городских почв и грунтов

Городские почвы, как было сказано выше, выполняют разнообразные экологические функции. Однако в крупных городах – мегаполисах, особенно в крупных промышленных городах происходит значительная деградация экологических функций городских почв в результате загрязнения. Загрязнение почв представляет собой более сложный процесс, с более тяжелыми последствиями (по сравнению с загрязнением атмосферного воздуха или природной воды). Естественное самоочищение почвы путем выщелачивания происходит в течение многих лет. Выполнение городскими почвами экологических функций является основой нормального функционирования урбоэкосистемы.

В городских условиях сильно видоизменены основные экологические факторы (загрязнение, запыление воздушной среды, температура, световой и гидрологический режим, почвенный покров и т.д.), которые зачастую негативно отражаются на жизнедеятельности растительных организмов [39].

Почвенные факторы в городских условиях весьма своеобразны. В городских посадках использование насыпных почв, строительного мусора и т. д. ухудшает качество почвы, кроме того, недостаточная мощность почвенных горизонтов, ограничение площади питания растений при посадках в лунки и при асфальтовом покрытии делают невозможным нормальное развитие корневых систем. Обрезка корней при посадке и пересадке нарушает их всасывающую деятельность [40].

Значительные площади современных городов занимают так называемые «экранированные почвы», закрытые асфальтовым или бетонным покрытием. Ухудшается аэрация почвы, изменяется ее водный, газовый и тепловой режим, при этом нормальное развитие корневых систем становится невозможным. В городах ежегодно при уборке и сжигании листвы из круговорота веществ изымаются необходимые питательные вещества, кроме того, это увеличивает глубину промерзания почвы. В то же время городские почвы загрязняются тяжелыми металлами, солями, нефтепродуктами, пылью, цементной крошкой, органическими веществами и др. Минеральное питание растений в городе затруднено тем, что часто отмечается недостаток необходимых, жизненно важных элементов (азот, фосфор, калий, кальций и др.) [41]. Помимо этого всё большее значение приобретает действие других экологически неблагоприятных факторов: переуплотнения корнеобитаемого слоя и захламления поверхности, истощения и нарушения органопрофиля, сокращения биоразнообразия, микрофлоры и почвенной мезофауны и её структурных изменений, заражения патогенными микроорганизмами, внедрения загрязняющих веществ, источниками которых являются внутригородские и аварийные выбросы и глобальные массопереносы, загрязнения тяжёлыми металлами и другими токсичными веществами, изменения кислотности и щёлочности почв [39, 41].

Химические элементы, попадая в почву, аккумулируются в основном в гумусово-аккумулятивном горизонте в количествах, превышающих естественное (фоновое) содержание в 2-10 и более раз.

Химические элементы, накапливаясь в гумусово-аккумулятивном горизонте, оказываются в контакте с корневыми системами растений, с микроорганизмами, почвенной энтомофауной, отрицательно воздействуя на их развитие. Это в итоге приводит к уменьшению в почве запасов биомассы, снижает процессы гумусообразования, в результате чего уменьшается запас питательных веществ, а, следовательно, снижается уровень плодородия почв. Одновременно может измениться характер геохимических, биохимических и биогеохимических процессов, протекающих в почвах. Но самое главное последствие загрязнения почв – ухудшение условий произрастания растений [42].

Растительный покров городов обычно представлен "культурными насаждениями", поэтому структура антропогенных фитоценозов не соответствует зональным и региональным типам естественной растительности. Развитие зеленых насаждений городов протекает во многом в искусственных условиях, что приводит к сильному угнетению их функционального состояния [43].

Большой ущерб почвам наносят антропогенные кислотные загрязнения. В течение десятилетий кислотные загрязнения действуют на буферную емкость почвы. В отношении многих почв отмечается вымывание ионов, важных для питания растений. Попадающие в почву протоны замещают катионы, сорбционно связанные с коллоидными частицами почвы, и в результате эти катионы мигрируют в глубинные слои, становясь недосягаемыми для корней деревьев. Поэтому, даже если рН почвы остается постоянным, плодородие почвы падает. Продолжающееся закисление почвы можно определить, например, по понижению концентрации ионов Fe²⁺ и Mg²⁺ [44]. Поступающие в почву ионы водорода могут замещаться находящимися в почве катионами, в результате чего происходят либо выщелачивание кальция, магния и калия, либо их седиментация в обезвоженной форме. Далее возрастает также мобильность токсичных тяжелых металлов (марганец, медь, кадмий и др.) в почвах с низкими значениями рН. Кислотность почвы увеличивает подвижность большинства металлов (Мn, Сu, В, Zn).

В почвах чаще всего анализируется валовое содержание основных металлов. Но оценить опасность загрязнения почвы для растений на основе определения только валового содержания невозможно. Токсическое действие поллютантов зависит от их форм, степени окисления элемента с переменной валентностью, характера закрепления металлов минеральными и органическими носителями и др. Среди носителей тяжелых металлов основную роль играют гумусовые вещества и глинистые минералы, а также оксиды марганца и железа. Последние выполняют важную роль в фиксации тяжелых металлов такими новообразованиями, как Fe-Mn ортштейны [45].

Тяжелые металлы антропогенного происхождения попадают из воздуха в почву в виде твердых или жидких осадков. Лесные массивы с их развитой контактирующей поверхностью особенно интенсивно задерживают тяжелые металлы, при этом в первую очередь деревья удерживают самые мелкие частицы. В отдельных случаях удалось получить данные о накоплении того или иного металла, особенно при наличии предварительных сведений о поступлении тяжелых металлов в почву и выводе их из нее [7].

Решающую роль при токсическом действии ТМ на растительные организмы играет не столько их общее содержание в почве, сколько концентрация в доступном для организма состоянии. Такая концентрация может быть повышена по сравнению с нормальной в 10-10000 раз в антропогенно обогащенных ТМ почвах. Многие тяжелые металлы ингибируют активность ферментов, образуют комплексные органические соединения, способные проникать через клеточные мембраны. Повреждение ферментов относится к главным факторам токсического действия тяжелых металлов [46].

Избыточные концентрации ТМ отрицательно влияют на синтез и функции многих биохимически активных соединений: ферментов, витаминов, пигментов и др. Повышенные по сравнению с фоном концентрации ТМ существенно влияют на фотосинтетическую деятельность растений [47].

В целом следует сказать, что тяжелые металлы вызывают у растений многочисленные изменения, происходящие на разных уровнях: молекулярном, субклеточном, клеточном, тканевом и организменном. Имея большое количество «мишеней» для своего действия, тяжелые металлы отрицательно влияют на многие стороны жизнедеятельности растений. Анализ литературы показывает, что степень ингибирования тяжелыми металлами физиологических процессов в большой степени определяется концентрацией металла в окружающей среде, а также зависит от его токсичности, продолжительности действия и чувствительности вида (сорта, генотипа). При невысоких концентрациях тяжелых металлов наблюдаемые в растениях изменения не нарушают основные физиологические процессы и их согласованность, а иногда даже вызывают активизацию части из них. Засоление корневой среды является многофакторным воздействием, вызывающим значительные изменения физиолого-биохимических процессов в растениях [48].

Высокая концентрация солей в почвах не только затрудняет поступление воды, но может прямо повреждать растения и даже нарушать структуру почвы, снижая ее пористость и ухудшая водопоглотительные свойства. Кусакина М. Г. [48] отмечает: при высоком содержании хлоридов в почве наблюдается значительное повышение активности фермента РНК-азы, с деятельностью которой связывают распад РНК, а также происходят уменьшение активности ферментов биосинтеза фенольных соединений, которые повышают устойчивость организмов. Наиболее вредное влияние оказывают ионы Na⁺ и Сl^- [37, 49]. Чтобы снизить этот эффект, наряду с уменьшением количества соли, используемой для посыпки дорог, целесообразно использовать удобрения, содержащие ионы Са^{2 +} и Mg²⁺, чтобы коллоидные частицы присоединяли катионы, с трудом вступающие в обмен. При этих условиях, если в почву и будет поступать соленая вода с ионами NaСl то последние вскоре будут вымываться снеговой и дождевой водой [7].

Таким образом, деградация почвенного покрова урбанизированных территорий представляет существенную экологическую проблему. В то время как загрязнение воздуха и воды можно заметить или обнаружить, загрязнение почвы может оставаться скрытым в течение длительного времени. Как правило, люди не входят с почвой в такой тесный контакт, как с воздухом и водой; почва не­прозрачна, в большинстве случаев обладает значительным буфер­ным действием, что позволяет загрязнениям оставаться незамеченными в течение длительного времени. В настоящее время большинство исследований городских почв направлено на изучение тяжелых металлов в почвах городов и других токсикантов, однако полученные сведения носят разрозненный и фрагментарный характер.

Загрязняющие вещества нарушают выполнение экологических функций городскими почвами, они вызывают у растений многочисленные изменения, происходящие на разных уровнях: молекулярном, субклеточном, клеточном, тканевом и организменном. Происходит ингибирование ферментов, нарушение процесса фотосинтеза, цитогенетические нарушения, подавление биосинтеза хлорофилла, нарушение водного баланса, реакции с сульфгидрильными группами и многое другое.

Комплекс почвенных микроорганизмов является наиболее мобильным индикатором, отражающим изменение условий среды и попадание в почву загрязняющих веществ.

Данные биоиндикации по состоянию микробного комплекса эффективно использовать для практических целей исследования состояния деградированных почв, прогнозирования экологических последствий хозяйственной деятельности человека.

Изучение особенностей городских почв, растительности, микробиологического комплекса, мониторинг их состояния, особенно в районах массовой застройки, представляет собой не только определенный теоретический интерес, но и насущную практическую задачу и необходимо для эффективного оздоровления окружающей среды и населения городов.