Влияние загрязнения тяжелыми металлами на биологические свойства почв городов Ростовской области. Монография

31

1984) и бактерии, использующие минеральный азот (Евдокимова, Мозгова, 1978; Летунова и др., 1976; Наплекова, Степанова, 1981; Стефурак, 1982).

Однако не во всех случаях наблюдалось снижение численности почвенных микроорганизмов. В ряде работ отмечено увеличение общей численности микрофлоры (Кобзев, 1980; Булавко, 1982; Загуральская, Зябченко, 1994). По предположению некоторых исследователей, это объясняется гибелью чувствительных микроорганизмов и активным развитием устойчивых форм, использующих в качестве питания энергетический материал погибших клеток.

Увеличение численности при загрязнении почвы ТМ особенно характерно для микроскопических грибов (Евдокимова и др., 1984; Марфенина, 1985). У них отмечена меньшая чувствительность к воздействию ТМ (Пахотина, 1958; Скворцова, Якушкина, 1980; Наплекова, Степанова, 1981;

Перцовская и др., 1982; Косинова, 1985; Tatsuyama et al., 1975; Gingell et al., 1976). Устойчивость грибов объясняют их физиологическими особенностями — тем, что в процессе жизнедеятельности они выделяют органические кислоты, которые нейтрализуют токсическое действие ТМ, образуя с ними комплексы, менее токсичные, чем свободные ионы (Gingell et al., 1976; Gadd, Griffiths, 1978).

Для большинства дрожжевых организмов пределы устойчивости к повышенному содержанию ТМ довольно широки (Левин, Григорьева, 1988).

Ряд авторов сообщает об отсутствии достоверных изменений количества микроорганизмов в загрязненных почвах (Wainwright, 1980; Williams, Vollum, 1981; Wang, 1984). Эти высказывания выглядят вполне обосновано, учитывая большую природную вариабельность численности микроорганизмов (Звягинцев, Голимбет, 1983; Левин и др., 1989). Некоторые авторы полагают, что по численности отдельных групп микроорганизмов (споро-

32

вых бактерий, грибов, актиномицетов) невозможно обнаружить достоверных отличий в действии ТМ на почву в концентрациях, в несколько раз превышающих фоновые (Тонкопий и др., 1981). Достоверные изменения численности обнаруживаются только при концентрации загрязнителя на два порядка превышающей фоновую (Левин и др., 1989).

Загрязнение ТМ отражается на активности биохимических процессов в почве. ТМ изменяют ее ферментативную активность. Высокие концентрации ТМ ингибируют активность ферментов: каталазы, дегидрогеназы, инвертазы, уреазы, амилазы, фосфатазы (Шиндерук, 1976; Григорян, Галстян, 1979; 1986; Григорян, 1980; Паникова, Перцовская, 1982; Асеева и др., 1988; Ефремова и др., 1988; Tyler, 1974; Hertkort-Obst, Frank, 1980). В

ряде случаев ТМ могут даже полностью инактивировать некоторые ферменты (Белицина и др., 1989).

Ингибирующее действие ТМ неодинаково по отношению к разным ферментам. Разные авторы наиболее чувствительными называют разные ферменты: инвертазу (Григорян, 1980), дегидрогеназу (Rogers, Li, 1985), уреазу (Hertkort-Obst, Frank, 1980). В то же время сравнительную токсичность металлов большинство авторов считают приблизительно постоянной и убывающей в ряду: Cd>Pb>Zn (Левин и др., 1989; Doelman, Haanstra, 1979; Duxbury, 1985; Rogers, Li, 1985). В отличие от высоких концентра-

ций, низкие концентрации ТМ могут оказывать слабое стимулирующее действие на активность ферментов (Краснова, 1982; Левин и др., 1989; Wainwright, 1980).

Загрязнение почв ТМ оказывает существенное влияние на трансформацию азотсодержащих соединений. В наибольшей степени ТМ ингибируют активность азотфиксации (Умаров, Азиева, 1980; Евдокимова и др., 1984; Гришина и др., 1984; Скворцова и др., 1984; Клевенская, 1985; Родынюк,1985; Левин и др., 1989; Tyler, 1974). Токсическое действие ТМ на

33

азотфиксацию в значительной степени зависит от природы металла и убывает в следующем ряду: Cо>Cu>Zn>Pb (Умаров, Азиева, 1980; Vesper, Weidensaul, 1978). Малые дозы свинца могут даже стимулировать азотфиксирующую активность (Умаров, Азиева, 1980).

Действие ТМ на биологическую активность и другие свойства почв, прежде всего, зависит от природы элемента и его концентрации в почве. Кроме того, важным фактором является форма химического соединения металла. Свободные ионы металлов являются более токсичными, чем их недиссоциированные соли или практически нерастворимые оксиды (Левин и др., 1989). Также действие ТМ зависит от того, образует ли данный элемент органические или неорганические комплексные соединения, т.к. образование металлом хелатных комплексов снижает его токсичность (Anderson, Nilsson, 1976). Степень токсичности ТМ также зависит от присутствия конкурирующих ионов, независимо от того токсичны они или нет (Громов, Павленко, 1989).

Важным фактором устойчивости почв к загрязнению являются свойства самой почвы. Бедные, малобуферные почвы, как правило, более чувствительны к загрязнению, чем черноземы (Левин и др., 1989).

Хроническое загрязнение металлами в низких дозах может вызывать больший токсический эффект, чем однократное в высоких (Doelman, 1986).

Таким образом, можно констатировать тот факт, что результаты загрязнения почв ТМ не всегда однозначны. В большинстве случаев отмечается снижение биологической активности почвы, однако при незначительном загрязнении не редки случаи увеличения численности микроорганизмов, интенсивности микробиологических процессов, ферментативной активности почвы и т.д.

Токсическое (генотоксическое и цитотоксическое) воздействие ТМ на биологические системы обусловлено тем, что они легко связываются с

34

сульфгидрильными группами белков (в том числе и ферментов), подавляя их синтез, и тем самым нарушая обмен веществ в организме. Ионы ТМ гораздо прочнее связываются с большинством органических лигандов, чем, например, ионы магния и кальция. В результате между перечисленными ионами возникают конкурентные взаимоотношения за места связывания в активных центрах многих ферментов (термолизина, щелочной фосфатазы, РНК-полимераз, ДНК-полимераз, карбоангидразы альдолаз класса П, некоторых алкогольдегидрогеназ и супероксиддисмутазы и др.), что приводит к их инактивации. Кроме того, ионы ТМ легко связываются с остатками рибозы, дезоксирибозы и фосфорной кислоты, а также с азотистыми основаниями, входящими в состав ДНК и РНК, и их макроэргическими производными (ДТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ и ТТФ). Следствием этого является нарушение процессов транскрипции и трансляции, а также клеточного дыхания (Громов, Павленко, 1989; Торшин и др., 1990; Биогеохимический цикл тяжелых металлов в экосистеме Нижнего Дона, 1991).

Большое количество исследований посвящено изучению механизмов сопротивляемости живых организмов действию ТМ (Барсукова, 1997; Antonovics et al., 1971; Cox, Hutchinson, 1980; Foy et al., 1978 и др.).

Наиболее существенным последствием воздействия ТМ на живые организмы, проявляющимся на биогеоценотическом и биосферном уровнях организации живого вещества, является блокирование процессов окисления органического вещества. Это приводит к снижению скорости его минерализации и накоплению в экосистемах. В то же время, увеличение концентрации органического вещества приводит к связыванию им ТМ, что временно снимает нагрузку с экосистемы. Снижение скорости разложения органического вещества за счет снижения численности организмов, их биомассы и интенсивности жизнедеятельности считают пассивной реакцией экосистем на загрязнение ТМ.

35

Активное противостояние организмов антропогенным нагрузкам проявляется лишь в ходе прижизненной аккумуляции металлов в телах и скелетах. Ответственными за этот процесс являются наиболее устойчивые виды.

Устойчивость живых организмов, прежде всего растений, к повышенным концентрациям ТМ и их способность накапливать высокие концентрации металлов могут представлять большую опасность для здоровья людей, так как допускают проникновение загрязняющих веществ в пищевые цепи (Колесников и др., 2000).

От химического состава почвы зависит химический состав продуктов растительного и животного происхождения. В зависимости от геохимических условий производства пища человека может удовлетворять потребности человека в минеральных элементах, быть дефицитной или содержать превышающее их количество, становясь более токсичной, вызывая заболевания и даже смерть.

В результате техногенного загрязнения биосферы ТМ часто происходит приближение концентрации элементов в различных объектах биосферы к верхнему пороговому уровню, а иногда и превышение его. Быстрое в эволюционном отношении изменение окружающей среды не позволяет человеку адаптироваться к новому составу пищи, воды и воздуха, приводит к нарушениям в физиологических процессах, ставит под угрозу здоровье человека (Торшин с соавт., 1990).

Разные ТМ представляют опасность для здоровья человека в различной степени. Как показали работы Колесникова С.И. с соавт. (2006 и др.) ТМ по влиянию на состояние почвы не располагаются по классам опасности, разработанным применительно к здоровью людей. Поэтому по отношению к почвам необходимо разработать собственные классы опасности.

36

ГЛАВА 3. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследования проводились в 2010-2011гг. на кафедре экологии и природопользования Южного Федерального Университета.

Объектами исследования являлись почвы урболандшафтов городов: Ростова-на-Дону, Таганрога, Новочеркасска, Шахты, Азова, Гуково, Батайска.

Ростов-на-Дону является крупным мегаполисом с населением свыше 1 млн. 20 тыс. человек. Это один из крупнейших городов юга Европейской части России, расположенный в приустьевой части реки Дон, в 46 километрах от Таганрогского залива Азовского моря. К настоящему времени территория этого конгломерата составляет 348,5 км2. Ростов-на- Дону занимает высокий правый берег коренной террасы реки, охватывая водоразделы головной водной артерии и прилегающих балок. Современный Ростов-на-Дону - крупный промышленный центр юга России. Главными отраслями промышленности города являются машиностроение (ПО «Ростсельмаш»), пищевая (ПО «Ростпродмаш»), лёгкая, химическая промышленности (Горбов, 2002).

Город Таганрог — важный промышленный центр Юга России, с населением более 255 тыс. человек.

В городе развита машиностроительная промышленность: завод «Красный котельщик» (производство котельного оборудования для электростанций), «Прессмаш» (кузнечно-прессовое оборудование), «Виброприбор» (выпуск зерноуборочных комбайнов, торгового оборудования, электротермического оборудования), «Прибой» (судоремонт). Имеется ряд предприятий оборонной промышленности.

Новочеркасск является одним из крупнейших промышленных центров Ростовской области с населением свыше 170 тыс. человек.

37

Большинство крупных предприятий расположены в Промышленном районе города, отделённым от исторического центра поймой реки Тузлов.

Крупнейшее предприятие в городе является Таганрогский металлургический завод (ОАО «ТАГМЕТ»): производство стали, стальных труб для нефтяной и газовой промышленности, товаров народного потребления. Главными отраслями промышленности города являются машиностроение (Новочеркасский электровозостроительный завод), металлургия (Новочеркасский электродный завод), химическая (Новочеркасский завод синтетических продуктов) и др. (Горбов, 2002).

г.Шахты — город в Ростовской области на реке Грушевка. Численность населения — 245 155 человек. Является вторым по площади (после Ростова-на-Дону) и третьим по численности (после Ростова-на-Дону и Таганрога) городом в Ростовской области. В советское время вокруг города была развита добыча каменного угля. В городе находится завод «Стройфарфор», выпускающий керамическую плитку под названием «Шахтинская плитка».

В 2007 году запущен «Ростовский электрометаллургический завод» (РЭМЗ) компании «Эстар».

Гуково — город в Ростовской области, с населением – 68 тыс. человек. Город расположен в 123 км от Ростова-на-Дону, на границе с Украиной. Основная отрасль экономики — угледобывающая промышленность; в городе 1 действующая шахта (ш.Ростовская).

Азов является небольшим городом с населением около 83 тыс. человек. При этом город интересен тем, что он является одним из самых старых не только на юге России, но и в стране. Несмотря на небольшие размеры – 67,5 км2, это достаточно крупный промышленный центр. Ряд предприятий, расположенных на территории г. Азова, имеют

38

общероссийской значение (заводы АОМЗ, КПО, КПА, судоверфь). Город расположен в устье р. Дон на левом берегу, в 42 км от Ростова-на-Дону.

Батайск - город в Ростовской области с населением свыше 100 тыс. человек. Город расположен на реке Койсуг, в 8 км юго-восточнее Ростова- на-Дону и является его городом-спутником. Площадь его территории —

ландшафтов с учетом их функциональной нагрузки: промзоны, авторазвязоки и парковые зоны.

Отбор образцов в г.Ростове-на-Дону проводили в рекреационной зоне (парк «Плевен», парк им. Горького, парк им. Вити Черевичкина), промышленной зоне (завод «Эмпилс») и в зоне максимальной антропогенной нагрузки (перекресток пр. Буденовского и ул. Красноармейской, пл. Гагарина, перекресток пер. Буденовского и пр. Стачки, перекресток ул.Нариманова и пр. Нагибина).

Отбор образцов в г.Таганроге проводили в рекреационной зоне (парк 300-летия Таганрога), промышленной зоне (Таганрогский Металлургический завод, ПО «Красный котельщик») и в зоне максимальной антропогенной нагрузки (пл. Марцевский треугольник, ул. Транспортная).

Отбор образцов в г.Новочеркасске проводили в рекреационной зоне (Александровский парк), промышленной зоне (завод НЭВЗ, НЭД, НЗСП) и в зоне максимальной антропогенной нагрузки (пр. Платовкий).

Отбор образцов в г.Шахты проводили в рекреационной зоне (Городской парк культуры и отдыха), промышленной зоне (Завод «Шахтинской плитки», РЭМЗ) и в зоне максимальной антропогенной нагрузки (Автовокзал).

39

Отбор образцов в г.Гуково проводили в рекреационной зоне (Зона отдыха по ул. Мира), промышленной зоне (ш. Ростовская, ш. Гуковская) и в зоне максимальной антропогенной нагрузки (перекресток ул. К.Маркса и ул. Герцина).

Отбор образцов в г.Азове проводили в рекреационной зоне (Городской парк), промышленной зоне (завод АОМЗ) и в зоне максимальной антропогенной нагрузки (Автовокзал).

Отбор образцов в г. Батайске проводили в рекреационной зоне (Сквер Авиаторов), и в зоне максимальной антропогенной нагрузки (ул. Коммунистическая, ул. Энгельса)

Отбор образцов производился на опытных площадках площадью 25 м2, которые имели характерные черты, свойственные исследуемой зоне. Все площадки были расположены на газонной территории с хорошо развитым травянистым покровом в 7-8 метрах от проезжей части. При отборе проб отмечали примерно одинаковые погодно-климатические условия. Исследованию подвергался верхний слой почв. (0-15 см)

Для всех исследованных промзон и авторазвязок характерны урбочерноземы,.

Наиболее сохраненный почвенный покров парково-рекреационных зон городов был представлен черноземами обыкновенными карбонатными мощными и среднемощными преимущественно среднегумусными.

40

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТОЯНИЯ ПОЧВЫ И РАСТЕНИЙ

Лабораторно-аналитические исследования образцов почвы выполнены с использованием общепринятых в экологии, биологии и почвоведении методов (Практикум по агрохимии, 1989; Методы почвенной микробиологии и биохимии, 1991 и др.; Казеев и др., 2003). Определяли обилие бактерий рода Azotobacter, активность каталазы, дегидрогеназы, фитотоксические свойства почв, содержание гумуса, показатели роста и развития растений, содержание в почве исследованных ТМ и другие показатели.

Бактерии рода Azotobacter учитывали методом комочков обрастания на среде Эшби. Повторность 9-кратная (3 навески почвы на 3 чашки Петри).

Активность каталазы измеряли по методике Галстяна (1978), дегидрогеназы — по методике Галстяна в модификации Хазиева (1990).

Каталаза (Н2О2 : Н2О2 - оксидоредуктаза, КФ 1.11.1.6.) катализирует реакцию разложения перекиси водорода на воду и молекулярный кислород. Активность каталазы выражают в мл О2 на 1 г почвы, выделившегося за 1 минуту.

Дегидрогеназа (субстрат: НАД(Ф)-оксидоредуктазы, КФ 1.1.1) катализирует окислительно-восстановительные реакции путем дегидрирования органических веществ. Активность дегидрогеназ выражают в мг ТФФ на 1 г почвы за 24 часа.

О фитотоксичности почв судили по изменению показателей прорастания семян (всхожесть, энергия прорастания, дружность прорастания, скорость прорастания) и интенсивности начального роста