Изменение биологических свойств почв Ростова-на-Дону при загрязнении тяжелыми металлами

Городские почвы испытывают значительный техногенный пресс, составной частью которого является загрязнение тяжелыми металлами (ТМ) [6, 7, 9, 10].

На территории крупных городов сконцентрировано большое количество различных источников ТМ (промышленные предприятия, транспорт, котельные, бытовые отходы и др.). Данные территории в настоящее время по интенсивности и площади загрязнения представляют собой техногенные геохимические и биогеохимические провинции.

Существенное значение для формирования геохимического «фона» городских почв имеют длительность и характер промышленного развития города в историческое время. Антропогенное геохимическое воздействие в доиндустриальный период привело к заметному загрязнению почв многих городов тяжелыми металлами. Содержание тяжелых металлов в этих слоях в среднем в 6−8 раз выше фона почвообразующих пород [2].

Города являются, с одной стороны, центрами концентрации веществ, поступающих в них с транспортными потоками, перерабатываемыми промышленностью и коммунальным хозяйством, с другой стороны, сами города являются мощными источниками техногенных веществ, включающихся в региональные миграционные циклы [5]. Это обусловливает разную интенсивность поступления и неоднородность состава загрязняющих почву веществ.

Считается, что среди химических элементов тяжелые металлы являются наиболее токсичными. Согласно классификации Дж. Вуда [3], к наиболее токсичным отнесены следующие химические элементы: Be, Co, Ni, Cu, Zn, Sn, As, Se, Te, Sb, Ag, Cd, Au, Hg, Pb, Sb, Bi, Pt, большинство из которых — металлы. В эту группу отнесены Mn, Zn, Cu, Co, Mo, известные как микроэлементы, но при высокой концентрации этих химических элементов в среде обитания они рассматриваются как тяжелые металлы.

Почва, взаимодействуя с загрязняющими веществами, аккумулирует их и трансформирует техногенные соединения, что находит отражение в изменении степени подвижности металлов в почвах и в изменении фракционного состава их соединений [8].

Ростов-на-Дону является классическим городом-миллионником, крупным промышленным центром юга России, на территории которого расположены предприятия машиностроительной, химической, пищевой промышленности, крупные автомагистрали и другие источники загрязнения окружающей среды ТМ.

Цель работы — исследование влияния загрязнения тяжелыми металлами на эколого-биологические свойства почв г. Ростова-на-Дону.

В соответствии с целью были поставлены следующие задачи:

• 1. Оценить уровень загрязнения тяжелыми металлами почв различных функциональных зон Ростова-на-Дону (промзон, авторазвязок, парковых зон).
• 2. Установить закономерности влияния загрязнения тяжелыми металлами на биологические свойства почв: численность и активность микроорганизмов, активность ферментов, фитотоксичность почв и др.

В качестве объектов данного исследования были использованы почвы Ростова-на-Дону. Этот город является мегаполисом с населением свыше 1 млн человек, крупным промышленным центром юга России. Главными отраслями промышленности города являются машиностроение (ОАО «Ростсельмаш», ОАО «Роствертол», ООО «Алмаз», ОАО «Десятый подшипниковый завод» (ГПЗ-10), пищевая («Регата», «Тавр») и химическая («Эмпилс»).

В качестве объекта исследования выступали почвы различных городских ландшафтов с разной функциональной нагрузкой: промзон, автомобильных перекрестков (авторазвязок) и парковых зон.

Отбор 26 образцов в г. Ростове-на-Дону проводили в рекреационных зонах (парк им. Островского, парк им. Вити Черевичкина, парк «Дружба», Студенческий парк ДГТУ, парк «Осенний и др.); в промышленных зонах (район ГПЗ-10, заводы «Эмпилс», «Молот», «Ростсельмаш)) и в зонах максимальной транспортной нагрузки (перекресток пр. Буденовского и ул. Красноармейской, ул. Вятской и ул. 50 лет Ростсельмаш, площадь Гагарина, площадь Энергетиков, площадь Страны Советов и др.).

В качестве фоновой использовали почву ОПХ ДонГАУ «Персиановская степь» в 40 км от Ростова-на-Дону.

Для исследования использовали общепринятые в биологии почв методы [1]. Обилие бактерий рода Azotobacter учитывали методом комочков обрастания на среде Эшби. Ферментативную активность почв оценивали по активности каталазы и дегидрогеназы. Активность каталазы измеряли по методике Галстяна, дегидрогеназы — по методике Галстяна в модификации Хазиева. Фитотоксичность почв фиксировали по изменению показателей прорастания семян (всхожесть, энергия прорастания, дружность прорастания, скорость прорастания) и интенсивности начального роста растений (длина корней, длина побегов). В качестве тест-объекта использовали редис сорта Корунд.

Для объединения различных биологических показателей была использована методика определения интегрального показателя биологического состояния (ИПБС) почвы[7]. В настоящем исследовании интегральный показатель биологического состояния почвы был рассчитан по следующим показателям: обилие бактерий рода Azotobacter, активность каталазы, активность дегидрогеназы, всхожесть семян редиса.

Для расчета ИПБС значение показателя в фоновой почве принимали за 100%, а значение показателя в почве г. Ростова-на-Дону выражали в процентах от фона (от 100%). Затем рассчитывали средние значения пяти выбранных для определения ИПБС биологических показателей. В результате для каждого почвенного образца получали значение ИПБС, которое выражено в процентах по отношению к фону (к 100%). Использованная методика позволяет интегрировать относительные (процентные) значения разных показателей, абсолютные значения которых не могут быть интегрированы, так как имеют разные единицы измерения.

Для оценки совокупного действия поллютантов в качестве интегрального показателя был применен суммарный коэффициент техногенного загрязнения, рассчитываемый на основе сложения коэффициентов техногенного загрязнения отдельных элементов [11]:

Zc=?Kc_i — (n-1),.

где Z_С — суммарный коэффициент техногенного загрязнения;

n — количество загрязнителей;

Ксi — коэффициент концентрации i-го загрязняющего компонента, равный кратности превышения содержания данного компонента над фоновым значением:

Кс=Сi/Cф, где Сi — фактическое содержание i-го элемента в пробе, мг/кг;

Сф — фоновое содержание i-го элемента, мг/кг.

Статистическая обработка данных была проведена с использованием корреляционного анализа. Для проведения математической обработки результатов исследования использовали компьютерную программу Statistica 6.0.

Уровень загрязнения почв Ростова-на-Дону оценивали по содержанию в верхнем слое (0−20 см) почвы валовых форм ТМ и на основе суммарного показателя загрязнения Z_С.

Оценка валового содержания ТМ в поверхностном слое почв Ростова-на-Дону показала наличие полиэлементного загрязнения. В городских почвах средние концентрации химических элементов (Cu, Zn, Pb, As) выше значений для естественных почв (табл. 1).

Таблица 1 — Содержание валовых форм ТМ (мг/кг) в почвах разных функциональных зон г. Ростова-на-Дону

Примечание: n — количество участков исследования; Z_c — суммарный показатель загрязнения.

В целом оценка полученных концентраций химических элементов в почвах города по шкале опасности загрязнения почв, составленной на основе величин показателя суммарного загрязнения (Z_c), выявила допустимый уровень загрязнения (Z_c от 1−15 усл. ед.) парковых зон и автомобильных развязок, умеренно опасный (Z_c от 16−32 усл. ед.) — промзон города.

Почвы центральной части города загрязнены ТМ больше, чем Западного жилого массива и Северного жилого массива. Это связано с продолжительным воздействием (с конца 19-го века) промышленных предприятий на почву в центре города и влиянием крупных авторазвязок в настоящее время. ростов биологический почва загрязнение В результате исследования, проведенного в мае 2010 г., было установлено, что в ряде случаев содержание в почве цинка, мышьяка, меди, свинца и никеля существенно превышает значения предельно допустимой концентрации (ПДК). Максимальное превышение ПДК — 2462 мг/кг (в 37 раз) было зафиксировано для цинка в районе завода «Эмпилс», крупнейшего российского производителя декоративных лакокрасочных покрытий и оксида цинка (цинковых белил), расположенного в центре города. Превышение ПДК для цинка также было отмечено во всех других образцах, включая образцы из парковых зон: парк «Плевен» — 92 мг/кг, парк «Дружба» — 100 мг/кг, парк «Осенний» — 133 мг/кг, парк ДГТУ — 437 мг/кг, парк Островского — 434 мг/кг.

Максимальное превышение ПДК (в 2,7 раза) было зафиксировано для меди в районе завода «Эмпилс» — 82,3 мг/кг, высокое содержание меди также было в районе завода «Молот» — 71 мг/кг, на авторазвязке Нагибина / Нариманова — 70,1 мг/кг, где транспортный поток один из самых высоких в городе.

Максимальное превышение ПДК (в 4 раза) было зафиксировано для свинца в районе завода «Эмпилс» — 82,9 мг/кг, и на загруженных транспортным движением автомобильным развязках — на площади Гагарина — 60,7 мг/кг, на пересечении улицы Мечникова и проспекта Буденовского — 63,9 мг/кг, на пересечении улиц Добровольского и Королева — 59,9 мг/кг.

Результаты исследования биологических свойств почв представлены в таблице 2. На основе данных показателей были определены значения ИПБС исследованных почв.

Таблица 2 — Биологические свойства почв разных функциональных зон г. Ростова-на-Дону

Значение ИПБС варьирует от 88 до 56%. Максимальное значение ИПБС — 82% характерно для почвы, отобранной в парке «Плевен», 83% - в парке «Дружба», 88% - в парке им. В. Черевичкина. Минимальные значения ИПБС — 56% зарегистрированы в почвах, отобранных около завода «Ростсельмаш», 61% - около завода «Молот», 62% - в почве транспортного кольца РИИЖТа.

Выводы

В ряде случаев содержание в почве цинка, мышьяка, меди, свинца и никеля существенно превышает значения предельно допустимой концентрации (ПДК).

Установлен допустимый уровень загрязнения (СПЗ от 1−15 усл. ед.) почв парковых зон и автомобильных развязок, умеренно опасный (СПЗ от 16 — 32 усл. ед.) почв промзон города Ростова-на-Дону.

Уровень загрязнения ТМ почв различных функциональных зон г. Ростова-на-Дону нарастает в ряду: парковые зоны авторазвязки промзоны.

Уровень биологической активности почв находится в обратной зависимости от содержания в почве ТМ: промзоны авторазвязки парковые зоны.

В большинстве случаев наблюдалась прямая зависимость между концентрацией загрязняющего вещества и степенью ухудшения исследуемых свойств почвы.

Вальков В.Ф., Казеев К. Ш., Колесников С. И. Методология исследования биологической активности почв на примере Северного Кавказа // Научная мысль Кавказа. Изд-во СКНЦВШ. 1999. № 1. С. 32−37.

Евдокимова А. К. Тяжелые металлы в культурном слое средневекового Новгорода. // Вестн. Моск. ун-та. Сер. 5. География, 1986. № 3.

Ильин В. Б. Тяжелые металлы в системе почва — растение. — Новосибирск: Наука, 1991. — 151 с.

Казеев К.Ш., Колесников С. И., Вальков В. Ф. Биологическая диагностика и индикация почв: методология и методы исследований. Ростов н/Д: Изд-во Рост. ун-та, 2003. 204 с.

Касимов Н.С., Перельман А. И. Геохимическая систематика городских ландшафтов // Экогеохимия городских ландшафтов. — М.: Изд-во МГУ, 1995. — С. 13−20.

Колесников С.И., Казеев К. Ш., Вальков В. Ф. Экологическое состояние и функции почв в условиях химического загрязнения. Ростов н/Д: Изд-во Ростиздат, 2006. 385 с.

Колесников С.И., Пономарева С. В., Казеев К. Ш., Вальков В. Ф. Ранжирование химических элементов по степени их экологической опасности для почвы // Доклады РАСХН. 2010. № 1. С. 27−29.

Колесников С.И., Евреинова А. В., Казеев К. Ш., Вальков В. Ф. Изменение эколого-биологических свойств чернозема при загрязнении тяжелыми металлами второго класса опасности (Mo, Co, Cr, Ni) // Почвоведение. 2009. № 8. С. 1007−1013.

Мотузова Г. В. Почвенно-химический экологический мониторинг. М.: Изд-во МГУ, 2001. 86 с.

Приваленко В. В. Геохимическая оценка экологической ситуации в г. Ростове-на-Дону. — Ростов н/Д: МГП Геоинформ, 1993. — 167 с.

Снакин В.В., Присяжная А. А. Экологическая оценка состояния почв: Попытка количественного подхода // Изв. РАН. Сер. биол. — 1995. — № 1. — С. 105.