4. Биологическая индикация загрязнения почвенной среды, самоочищение и самовосстановление почв, санитарное почвоведение.

Из статьи Куракова:

Естественное восстановление нефтезагрязненных почв протекает за длительный период, который можно разделить на несколько этапов.

Первый этап: в результате физ-хим выветривания происходит удаление из почвы наиболее низкомолек составляющих нефти – газообразных и летучих соединений. (эти фраукции наиболее токсичны для биоты и растений) =>увеличение углеводород окисляющих МО

Второй этап (микроб/етественнойдеград нефти): процессы биодеградации поллютанта идут в 2 противоположных направлениях. С одной стороны, окисление нефти приводит к упрощению ее структуры, что связано с деятельность МО (разложение нормальных алканов и простых ароматических углеводородов) Появляются различные эфиры, кетоны, альдегиды и кислоты. С дургой стороны в почве могут конденсироваться различные промежуточные продукты. Т.е. на этом этапе исчезают низкомолексоставл, и почва обогащается полициклическими ароматическими углеводородами, смолами и асфальтенами.

Третий этап: наиболее длительный и малоизученный. В этом периоде самые сложные компоненты нефти, не разлагаемые МО. Для большинства этих соединений известны главным образом кометаболические пути деградации.

Кометаболизм (cometabolism) [лат. co (cum) — вместе и греч. metabole — перемена, превращение] — способность микроорганизма окислять не только его основной источник энергии, но и др. органические соединения. Явление К. может быть использовано, напр., при очистке промышленных сточных вод, содержащих плохо поддающиеся разложению синтетические продукты, вместе со сточными водами из населенных пунктов в тех же самых водоочистных сооружениях.

Таким образом, естественная деградация нефти в природных условиях протекает в течение длительного периода времени и включает последовательное разложение компонентов возрастающей сложности и конденсацию промежуточных продуктов. На разных этапах разложения нефти ведущую роль играют различные процессы: физико-химическое выветривание, разрушение соединений нефти в результате микробного метаболизма и, наконец, кометаболические процессы их деструкции. Данная последовательность строго детерминирует очередность и определяет своевременность применения тех или иных технологических операций. В этом и состоит один из основных принципов оптимизации биотехнологии рекультивации нефтезагрязненных почв.

Из интернета:

Показатели, характеризующие состояние почвеннойбиоты и биологическую активность почв, можно использовать для контроля за теми изменениями в почвах, которые возникают при включении в них разного рода посторонних веществ, чаще всего антропогенного происхождения. Различают следующие типы и характер загрязнения почв:

1) химическое загрязнение пестицидами, тяжелыми металлами, радионуклидами, нефтяными углеводородами, минеральными удобрениями;

2) биологическое загрязнение объектами микробиологического про изводства белка и белково-витаминных концентратов (БВК), энтомопатогенными бактериями, которые используются для борьбы с вредителями леса.

Общепризнанная система биоиндикации загрязнений почв отсутствует, хотя известно, что микроорганизмы чутко реагируют на изменения почвенных условий или на присутствие в ней загрязняющих веществ. В связи с этим, исходя из положения об иерархическом строении биологических систем, предложен новый подход к биоиндикации почвы, при котором биоиндикационные показатели отражают влияние загрязнителей на различных уровнях: доклеточном, клеточном, популяционном и ценотическом.

На доклеточном уровне организации биологической системы почвы чувствительными к изменению факторов внешней среды являются ферменты. Из большого разнообразия ферментов, выявленных в почве, для биоиндикации использовали аскорбатоксидазную активность. Этот фермент относится к группе оксидоредуктаз, которые связаны с транспортом электронов, участвующих в «дыхании» почвы. Внесенные в почву ионы меди и ртути угнетали активность аскорбатоксидазы на 33 52 % в течение всего периода наблюдений. Внесение в почву ионов кадмия понижало аскорбатоксидазную активность только в первые трое суток инкубации.

Различия в ферментативной активности почвы можно использовать в качестве одного из биодиагностических показателей на загрязнение тяжелыми металлами. Роль ферментов в почве, а также методы определения их активности (каталазы, инвертазы) рассматриваются в работе Ю.Г. Гельцера.

Почва представляет собой систему связанных ферментов. Ферментативные реакции осуществляются не только в ненарушенных клетках. Значительное количество ферментов выделяется в окружающую среду почву. При этом часть их закрепляется на почвенных частицах (иммобилизуется), часть остается в незакрепленном состоянии, часть разрушается. Вся масса ферментного фонда находится в связи с гумусовыми веществами и минеральными коллоидами почвы, то есть в иммобилизованном состоянии. Иммобилизованные в почве ферменты обладают необычной для живых клеток устойчивостью. Каталитическая активность ферментов сохраняется при нагревании почвы до 100 оC в течение трех часов. Благодаря высокой устойчивости иммобилизованных ферментов, велика их роль в экстремальных условиях, когда жизнедеятельность микроорганизмов подавлена (повышенная влажность, воздействие антибиотических препаратов, пестицидов, тяжелых металлов).

Ферменты накапливаются в почве в результате жизнедеятельности почвенных организмов, мезофауны и корневой системы растений, участвуют в биохимических процессах, обеспечивают разрушение первичного органического вещества и синтез вторичного, обогащают почву биогенными элементами и гумусом, обеспечивают важнейшую биогеоценотическую функцию почвы трансформацию веществ и энергии, уже находящихся в ней или поступающих, формируют почвенное плодородие.

Активность ферментов во многом зависит от свойств среды, например, концентрации водородных ионов, температуры, концентрации субстрата. Ферментативная активность является одним из диагностических критериев самоочищения почвы, так как, с одной стороны, она легко определяется в лабораторных условиях с низкой погрешностью, а с другой - очень чутко реагирует на изменение внешних условий. Ее используют при оценке плодородия, окультуренности, эффективности агроприемов, загрязненности. Наиболее часто о биологической активности почвы судят по ферментам, характеризующим процессы материально-энергетического обмена в почве.

На следующем, клеточном уровне организации биологической системы почвы исследуют влияние токсикантов на микробную клетку, определяют степень мутагенного воздействия на нее загрязненных почв. Наиболее распространенными тест-культурами являются E.coli (штаммы WP2 (B), WP67, CM871), а также дрожжи Saccharomycescerevisiae (штамм р.2089, 1732288, Т.7).

В иерархической системе биоиндикации почв важным этапом являются исследования на популяционном уровне. Влияние тяжелых металлов на популяционном уровне изучали на примере культур стрептомицетов. Наблюдения за этими микроорганизмами, выделенными из почв, загрязненных тяжелыми металлами, позволили выявить нейтральную, положительную и отрицательную их реакции на загрязнения. Первая и вторая характеризовались хорошим ростом стрептомицетов, сохранением всех культуральных признаков. Отрицательная реакция популяций стрептомицетов на присутствие тяжелых металлов проявлялась в ухудшении или полном отсутствии их роста. Бактериостатическое воздействие тяжелых металлов вызывало уменьшение количества колоний, их измельчение, частичную или полную утрату культурами воздушного мицелия, обесцвечивание оставшегося воздушного мицелия, утрату пигмента у пигментообразующих культур. Были выделены культуры стрептомицетов, чувствительных к тяжелым металлам, которые могут служить индикаторами загрязнения почв этими металлами: Streptomycesgriseoalbus, S.viridogenes и S. filamentosus.

Следующий иерархический уровень биологической системы почвы ценотический. На этом уровне изучается изменение структурных и функциональных характеристик микробных сообществ почв, загрязненных, например, тяжелыми металлами. В качестве показателей структуры микробногоценоза определяли численность микроорганизмов разных экологотрофических и систематических групп. В работе [1] было показано, что реакция разных трофических блоков микробного ценоза на загрязнения тяжелыми металлами однотипна. В первые трое суток после попадания металлов в почву наблюдался больший или меньший угнетающий эффект, а в последующие сроки численность микроорганизмов восстанавливалась. Основываясь на однотипных реакциях различных трофических групп микроорганизмов, использовали для их объединения формулу расчета интегрального коэффициента сохранности системы, предложенную А.М. Степановым (1991 г.) для характеристики растительных обществ. Интегральный коэффициент сохранности микробной системы (Sm) рассчитывали следующим образом:

где n — число показателей; Хц и yiv — значения i-го показателя в опыте и контроле соответственно.

Этот коэффициент отражает меру изменения численных значений структуры микробного ценоза в загрязненной почве по сравнению с незагрязненной. Значения Sm 100 % на его стимуляцию.

-----------------------------------------------------------------------

Почва является важной составной частью биосферы, в которой происходит обезвреживание (детоксикация) основной массы поступающих в нее органических веществ: растений, деревьев, насекомых, животных – это белки, жиры, углеводы (Б,Ж,У) и продукты их обмена. Они распадаются до образования неорганических веществ – этот процесс называется минерализацией. В результате этого в почве образуется новое органическое вещество – гумус (греч. – перегной). А этот процесс называется гумификацией. Гумус не пахнет, медленно разлагается на составные части, которые усваивают растения. Он очень необходим растениям для полноценного роста.

Вместе оба процесса – минерализация и гумификация, направленные на восстановление первоначального состояния почвы, получили название процессов самоочищения почвы. Это сложный процесс, зависящий от химического состава почвы, ее физических свойств (пористости, воздухо- и влагопроницаемости (например, песок, глина и т.д.), обеспечивающих доступность воздуха и воды, состава микрофлоры и фауны почвы.

Переработка чужого для почвы органического вещества может осуществляться в аэробных и анаэробных условиях. И в тех, и в других условиях «работают» специально приспособленные для этих процессов организмы. Так процесс переработки в аэробных условиях называется гниением и осуществляется насекомыми, червями, грибами и, в основном, микроорганизмами. В анаэробных условиях органические вещества разлагаются неспороносными гнилостными микроорганизмами, вызывающие брожение.

Таким образом, при гниении (аэробном процессе) этапы очищения почвы состоят из: 1) аэрации (оксигенации) – поглощения кислорода; 2) минерализации – распада Б,Ж,У с образованием минеральных веществ и 3) гумификации – синтеза нового органического вещества - гумуса. При этом процессе переработки всегда выделяется тепло – энергия, способствующая размножению соответствующих насекомых и микроорганизмов. У человека процесс гниения наблюдается при застойных процессах в толстом кишечнике (запорах).

Очищение почвы путем брожения (анаэробном процессе) идет с поглощением энергии и образованием зловонных или горючих газов (метана, водорода, аммиака, меркаптанов и др.). Этот же процесс имеет место в кишечнике человека при «несварении желудка».

Рассмотрим процессы переработки Б,Ж,У в аэробных и анаэробных условиях.

Углеводы – в аэробных и анаэробных условиях окисляются до углекислого газа и воды, образуются карбонаты. Этот процесс называется карбонификацией. Часть углеводов идет на строительство организмов – микробов, насекомых, червей.

Жиры – в аэробных условиях медленно окисляются до образования глицерина, жирных кислот, серной кислоты и сульфатов, фосфорной кислоты и фосфатов – процессы сульфидизации и фосфатизации. В анаэробных условиях разложение идет до углекислого газа, водорода (горит с образованием воды - огни на могилах), сероводорода и зловонных газов.

Белки при анаэробном процессе разлагаются до аммиака. При аэробном процессе вначале также образуется аммиак, но в присутствии кислорода переводится микроорганизмами в азотистую кислоту и нитриты, затем при дальнейшем контакте с кислородом – в азотную кислоту и нитраты. Этот окислительный процесс минерализации белков называется нитрификацией и имеет гигиеническое значение: по нему судят о времени попадания белков в почву. При свежем загрязнении – в почве больше аммиака или нитритов, при старом – нитратов. Этими минералами питаются растения и микроорганизмы, строя свои телесные оболочки. Параллельно, другие микроорганизмы восстанавливают нитраты до аммиака и свободного азота. Этот обратный процесс идет с выделением этих газов и называется денитрификацией, вызывающей обеднение почвы полезными азотистыми веществами. То есть, в почве идут одновременно два параллельных процесса: более быстрый – нитрификации и более медленный – денитрификации

Санитарное почвоведение имеет большой круг задач в связи с проблемой обезвреживания различных промышленных, бытовых и сельскохозяйственных отходов; с проблемой географии болезней растений, животных и человека, включая эндемические болезни и патологии; с проблемой борьбы с патогенными и векторными организмами (переносчики инфекций), значительное число которых является почвообитающими; с проблемой защиты растений, животных и человека от радиационного заражения и поражения.

От Олега: по сути своей это экологический аспект связанный с почвой. определение в инете вроде подходит именно под такое восприятие. "Санитарное почвоведение - поиск полезных ископаемых, здравоохранение и охрана окружающей среды от порчи и загрязнения. "