Биоиндикация радиоактивного загрязнения почв

                                 Введение

Интерес к почвенно-зоологическим  исследованиям возрос в 40— 50-е годы XX века. Выдающуюся роль в этом сыграли  исследования академика М. С. Гилярова и созданной им первой в СССР лаборатории  почвенной зоологии (1956), координировавшей исследования в стране. Монография М. С. Гилярова «Особенности почвы как  среды обитания и ее значение в  эволюции насекомых» (1949), удостоенная  Сталинской премии, стала основополагающим трудом в новой области естествознания — почвенной зоологии, вобравшей  в себя достижения зоологии, генетического  почвоведения, эволюционной теории, а  автор — признанным во всем мире основателем почвенной зоологии и ее лидером. В этой книге сформулированы теоретические основы и методологические принципы исследования почвообитающих животных.          Международная система экологического мониторинга, созданная на основе рекомендаций I Международной конференции ООН  в Стокгольме в 1972 г. как средство оценки качества окружающей среды и ее изменений, рассматривает биоразнообразие как один из основных показателей функционирования биоты, в том числе и почвенной. Между тем нелинейная зависимость данных на основе этих показателей порождает трудности введения этого показателя в практику, что определяется несколькими причинами.                                        В биоиндикации и экотоксикологии почв чаще оценивают структуру населения, биоразнообразие и состояние популяций крупных почвенных беспозвоночных, для которых средой обитания является почва как целое. С другой стороны, обитатели почвенных полостей и пор (панцирные клещи, погохвостки, энхитреиды) и обитатели пленок почвенной влаги (нематоды, простейшие) оказываются, в ряде случаев, в большей степени зависимы от действия антропогенных факторов. Несовпадение реакций разных групп беспозвоночных затрудняет объяснение результатов биоиндикационных исследований.

 

Среди причин нелинейности ответов  популяций одними из основных являются:

1) изменчивость, на уровне «исследуемой точки», пространственного распределения животных и факторов среды, влияющих на это распределение;

2) полнота и достоверность учета биоразнообразия;

3) экологические механизмы отклика популяций на загрязнение. Недостаток доступных и сравнимых методов оценки функционирования комплексов почвенных животных в трансформированных почвах также снижает ценность получаемых биоиндикационных оценок.

 В обширном научном наследии М. С. Гилярова, кроме названного труда, выделяются фундаментальные монографии: «Зоологический метод диагностики почв» (1965), удостоенная Государственной премии СССР; «Закономерности приспособлений членистоногих к жизни на суше» (1970), отмеченная премией Московского общества испытателей природы. При непосредственном его участии и под общим руководством вышли «Определитель обитающих в почве личинок насекомых» (1964) и «Определитель обитающих в почве клещей» в 3-х томах (1975—1987), удостоенные Государственных премий СССР.                                                                             Почвенная зоология в настоящее время — многоплановая научная дисциплина, изучающая взаимодействие обитающих в почве животных с их средой (почвой) в индивидуальном и историческом развитии.

Почвенно-зоологические исследования охватывают широкий круг современных  проблем, связанных с изучением: популяционной структуры и динамики сообществ; специфики биотических  связей в сапротрофном зоомикробном комплексе (ЗМК) и структурных особенностей пищевых цепей в почве; роли почвенной  биоты в системе биоиндикации антропогенных воздействий на природные  экосистемы и биомониторинга окружающей среды. Биоиндикация антропогенных  факторов — это определение биологически и экологически значимых антропогенных  нагрузок на основе реакций разных организмов и их сообществ (Д. А. Криволуцкий). Почвенная фауна оказывается  более чутким индикатором изменений, чем растения, обладающие значительной инерцией по отношению к ним. Использование  почвенных беспозвоночных в качестве индикаторных видов оправдано и  потому, что наиболее чувствительные к антропогенному воздействию стадии их жизненного цикла проходят в почве: яйца, личинки, куколки.

Биоиндикация — главный метод биологического мониторинга, т. е. мониторинга биоты экосистемы. Но в биомониторинге используются и другие методы. Например, химический анализ содержания загрязняющих веществ в живых организмах.

Почвенная зоология исследует механизмы  миграции экотоксикантов в почвах и  биологической деградации их. Экотоксикант — токсичное и устойчивое в  условиях окружающей среды вещество, способное накапливаться в организмах до опасных уровней концентрации (соединения тяжелых металлов, мышьяка, фтора, углеводородов). Загрязняющие вещества накапливаются в биомассе и мигрируют  по пищевым цепям, поэтому в экотоксикологических исследованиях необходимо определять величины биомассы различных групп  организмов почвы. В разрушении химических веществ в почве участвуют  различные группы организмов: животные, бактерии, грибы, актиномицеты, растения. Они поглощают и перерабатывают химические соединения. Исследования в производственных условиях дополнены полевыми опытами в почвах лесотундровых, средне- и южно-таежных, лесостепных ландшафтов и в сухих субтропиках. Установлена четкая корреляция естественного восстановления комплекса педобионтов со скоростью распада нефти в почве и техногенной сукцессией растительности. Интенсивность процессов увеличивается с севера на юг: на севере они лимитируются низкими температурами, а в сухих субтропиках — недостатком влаги.

 

            Загрязнение почв тяжѐлыми металлами

Микромицеты. При загрязнении почв тяжѐлыми металлами у многих

микромицетов происходит усиление споруляции. Так, при содержании

кадмия 100мг/кг почвы количество грибных  спор возрастает в 2-5 раз. На-

против, содержание мицелия почвенных  микромицетов при высоком за-

грязнении тяжелыми металлами может  снижаться в 2-3 раза (Марфенина,

1985).185

При промышленном и транспортном загрязнении тяжѐлыми метал-

лами комплекс почвенных  микромицетов обедняется, снижается  разнооб-

разие видов, упрощается структура, индекс разнообразия Шеннона  умень-

шается в 1,5-2 раза. Чем  беднее почвы, тем более сильное  влияние оказы-

вают тяжѐлые металлы  на микромицеты. При небольших дозах  загрязне-

ния разнообразие видов  может несколько увеличиваться. При высоком за-

грязнении соединениями ртути и кадмия в дерново-подзолистых  почвах

начинают преобладать  виды аспергиллус чѐрный и земляной, не типичные

для этих почв.

Наибольшая чувствительность к тяжѐлым металлам проявляется  у

видов, имеющих узкие  ареалы распространения. В оподзоленных почвах

один из самых чувствительных видов – мортнерелла римская, в чернозѐ-

мах – пенициллиум  шерстистый. Более устойчивы к  загрязнению виды с

широкими ареалами. В  чернозѐмных почвах с высоким  содержанием тяжѐ-

лых металлов обильно  представлены грибы рода пенициллиум (шерсти-

стый и красный). Они  устойчивы также к внесению высоких  доз удобре-

ний. Высокие концентрации кадмия выдерживает пациломицесс лилие-

видный.

Устойчивые к высоким  загрязнениям тяжелыми металлами виды ро-

да пенициллиум обладают фитотоксичным действием на прорастание  се-

мян. У чувствительных видов тяжѐлые металлы тормозят развитие споран-

гиев, снижают скорость спорообразования, прорастания спор, роста мице-

лия. Макромицеты. Высшие шляпочные грибы – макромицеты  из группы

гименомицетов класса базидиальных – как микоризообразователи, вступая

в симбиотические отношения  с корнями древесных растений, способству-

ют транслокации элементов  минерального питания, в том числе  и микро-

элементов, из почвы и  лесной подстилки в деревья. Иными  словами, мико-

ризообразующие грибы  как передаточное звено усиливают  поступление 186

химических элементов, в частности тяжѐлых металлов, в деревья. К высо-

комикотрофным древесным  породам относятся дуб, берѐза, осина, бук,

граб, лещина, ель, сосна. Микоризу на корнях образуют грузди, подберѐзо-

вик, подосиновик, рыжик, боровик, маслята и др.

Хорошим показателем загрязнения  почв тяжѐлыми металлами явля-

ется их содержание в  плодовых телах шляпочных грибов. Для этого в про-

бу отбираются несколько экземпляров  плодовых тел грибов. После высу-

шивания они озоляются при 3500С, зола растворяется в одном из раствори-

телей (HF, HNO3 и др). В растворах определяют содержание тяжелых ме-

таллов. При установлении индикационных  связей в качестве показателя

микроэлементной нагрузки используются концентрации металлов в верх-

них двух сантиметрах почвы, взятой в точке отбора грибов, при выпадении 

тяжѐлых металлов из воздуха. Коэффициент  корреляции между содержа-

нием свинца и кадмия в почве  и капрофорах подберезовиков, подосинови-

ков и груздей составляет около 0,7. При росте концентрации в почве  меди,

цинка и марганца степень их накопления в капрфорах уменьшается.

 

                  

Использование грибов для биологической  очистки почв

 

В настоящее время грибы-микромицеты  эффективно используются

для очистки земель от нефтепродуктов при авариях. Например, 1 апреля

1990 г. в Сызранском районе  Самарской области в результате  аварии на 

нефтепроводе «Дружба» было загрязнено нефтью около 20 га пахотных

земель. В июне 1990 г. было проведено  рыхление загрязнѐнной почвы

рыхлителем, и на ее поверхность  с помощью опрыскивателя была нанесена

суспензия спор микромицета, размножающегося  в слое нефтепродуктов и 

усваивающего парафиновую фракцию. Интенсивное потребление нефти 

грибом началось через 3-5 суток  после его внесения. В течение  месяца

грибы обеспечили утилизацию до 98% нефти  на глубину до 10-15 см при 

температуре 27оС. Через два, года в  апреле 1992 г. общее содержание неф-

ти в почве загрязненного  участка составило около 7%.

Несовершенные грибы-гифомицеты родов  пенициллиум, альтерна-

рия, аспергиллус, кладоспориум, триходерма используются для очистки 

сточных вод от тяжелых металлов, включая радионуклиды. Они способны

извлекать и растворять до 45% ионов  хрома, 23-99% - стронция90

и це-

зия137. Под действием гриба альтернария  противостоящая в сточных водах 

г. Тольятти концентрация цинка, меди, никеля, марганца, свинца, алюми-

ния снизилась на 35-95%.

Штаммы грибов, устойчивые к тяжѐлым металлам, первоначально

выделяют из внешней среды. Затем  с помощью селекции получают наибо-

лее эффективные клоны грибов, и  используют для очистки сточных  вод. В 

частности, полученные клоны грибов рода пенициллиум обладают способ-

ностью сорбировать кадмий из растворов  при pH 4,5-8,5. Сорбция кадмия

осуществляется наружной клеточной  стенкой гриба. При этом 10-40%

кадмия связываются необратимо. При дополнительном ацетонировании

растворов стенки гриба связывают 60-70% кадмия. Другой штамм гриба 

рода пенициллиум переводил  до 95% кадмия из раствора в нерастворимую 

форму в виде игольчатых кристаллов.

 

                  Биотестирование загрязнений почвы

 

Для тестирования остатков пестицидов, нитратов, тяжелых металлов в 

почве и воде используют стандартный  микробиотест, позволяющий опре-

делить эффект суммарного присутствия  всех токсикантов и токсическое 

действие широкого круга загрязнителей. С этой целью в питательную  сре-

ду на основе почвенной водной вытяжки (почва: вода = 1 : 10) высеивают 

культуру фотобактерий фосфорных. Количественную оценку содержа-

щихся в почве токсикантов дают по степени ингибирования фермента лю-

цеферазы, что регистрируется биолюминаметром  БАМ 8101 по изменению 

замедленной флюоресценции (Пшеничников, Закирова и др., 1995).

Классическим тест-объектом на загрязнения  почв является однокле-

точная зеленая водоросль хлорелла обыкновенная. Метод основан на

оценке влияния токсикантов  на продолжительность жизни и  продуктив-

ность тест-системы, численность живых  клеток хлореллы обыкновенной и 

динамику ее фитомассы в загрязненной почве (Круглов, 1991). Имеющие 

зеленый цвет зеленые и диатомовые водоросли под действием токсикан-

тов в загрязненной почве меняют окраску на густо-коричневую, обесцве-

чиваются или теряют тургор и  легко повреждаются (Jain, Sarbhoy, 1987).

Для тестирования почвы, загрязненной тяжелыми металлами, проводят

учет биологического разнообразия водорослей на единице площади. Ис-

чезновение зеленых и особенно желтозеленых водорослей происходит уже 

при незначительном загрязнении почвы.

При оценке экологических  последствий применения химических

средств защиты растений проводится определение остаточных количеств 

этих препаратов в почве и в меньшей степени  в получаемой продукции 

возделываемых культур. Однако это определение  не дает полной объек-

тивной информации о токсичности, поскольку она  обуславливается не

только остаточными  количествами препаратов в почве  и в меньшей сте-

пени в получаемой продукции возделываемых культур. Однако это опре-

деление не дает полной объективной информации о  токсичности, по-

скольку она  обуславливается не только остаточными  количествами препа-