БИОИНДИКАЦИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ПОЧВЫ

1. Причины и виды загрязнения почвы.

2. Индикация физико-химических параметров почв.

3. Загрязнение газами;

4. Загрязнение пылью и золой;

5. Загрязнение солями металлов;

6. Загрязнение агрохимикатами;

7. Загрязнение органическими и радиоактивными веществами.

Причины и виды загрязнения почвы. Почва, будучи частью всех наземных экосистем, активно участвует во многих важных процессах преобразования вещества. Когда происходит количественное изменение долгое время державшихся на одном уровне факторов среды или вступают в действие совершенно новые экологические факторы, влияющие на почву, могут возникнуть нагрузки, которые нанесут вред почвенным организмам или даже изменяют систему ценотических взаимоотношений между ними.

Загрязнение почвы вызывается различными по масштабу и по территориальному размаху явлениями, поэтому при их определении и оценке с помощью биоиндикаторов используют раз­личные предпосылки и соответственно различные способы. Выделяют:

1. Широкомасштабное территориальное (глобальное) загрязнение почвы, вызываемое совокупностью большого числа отдельных источников, трудно идентифицируемых;

2. Территориально ограниченное загрязнение, причиной которого является в большинстве случаев более или менее известное число ограниченных по своему территориальному влиянию источников;

3. Локальное узкоограниченное загрязнение почвы с кратко или долговременным воздействием на отдельные организмы и экосистемы.

Индикация физико-химических параметров почв. Индикация плодородия почв, глубины залегания грунтовых вод, кислотности почв и других характеристик проводится с использованием методов альгоиндикации, биомониторинга, с помощью высших растений и сообществ почвенных животных. Анализ состояния почвенного микробиоценоза может быть осуществлен количественным учетом различных групп (видов) или измерением интегральных параметров функционирования. К ним относят почвенное дыхание, скорость разложения целлюлозы и других субстратов, интенсивность включения глюкозы и накопления аминокислот, активность азотфиксации и нитрификации. Информативным параметром является изменение видового состава почвенных сообществ, биомассы почвенных микроорганизмов. Индикаторным параметром может служить репродуктивная функция актиномицетов. По результатам индикации выделяют несколько состояний почв, характеризующих переход от благоприятных к неблагоприятным условиям существования под влиянием антропических нагрузок:

1. сохранение стабильности состава сообщества (зона гомеостаза),

2. перераспределение доминантных популяций (зона стресса),

3. преимущественное развитие устойчивых популяций (зона резистентности),

4. полное подавление роста и развития микроорганизмов в почве (зона репрессии).

Различают несколько типов изменения почв, вызванных разными причинами и приводящих к нарушению структурно-функциональных связей почвенных сообществ. Физическое изменение связано с различными, прежде всего механически действующими агентами, способными, особенно если они влияют на ризосферу, привести к существенным нагрузкам на соответствующие экосистемы. Они могут быть связаны с химическими изменениями или часто приводят к таким изменениям. Химическое загрязнение вызвано веществами, действующими в виде газов, растворов (в большинстве случаев водных) или твердых тел и не вызывающими при этом, по крайней мере в начальной стадии, изменений физического характера.

Физическое изменение почвы. В случае необрабатываемых почв изменение вследствие антропогенных физических нагрузок в близких к природным экосистемах (например, лесах), как правило, относительно невелико. В экосистемах с повышенной антропогенной нагрузкой оно может принять более широкие масштабы.

Физическим нагрузкам сильно подвержены все имеющие антропогенное происхождение (т.е. сильно измененные) почвы. Это относится к большей части почв, возникающих в процессе рекультивации бывших горных разработок, на месте поселений или промышленных предприятий. Причины физических нагрузок на почву:

1) прямые механические воздействия:

- повышенное давление на поверхность почвы (транспорт, вытаптывание);

- особые агротехнические мероприятия, проводимые в пахотном слое почвы или в подпочве;

2) процессы, связанные с перемещением почвы:

- водная эрозия;

- эоловые отложения (особенно вследствие промышленных выбросов).

Изменение почвенных параметров касается, прежде всего, сложения и структуры почвы, например ее порозности и плотности горизонтов, что может привести к уменьшению вентиляции и дренажа.

На уровне фитоценозов это сказывается в затруднении прорастания семян и проникновения корней в почву с последующим замедлением роста корней и побегов. В почвенных ценозах происходит снижение активности и обилия организмов (микроартропод и микробов), разлагающих органические вещества. Наблюдаемое в полевых условиях и экспериментально полученное уплотнение почвы определяется пенетрометрически. Параллельно в лаборатории и в поле можно провести исследования важных экологических параметров (прорастание, рост побегов и корней, продуктивность).

Подорожники Plantago major, P. lanceolata, P. media демонстрируют, например, видоспецифичные различия в отношении к уплотнению (вытаптыванию) почвы. В результате представляется возможным путем оценки популяционно-экологических параметров названных видов использовать полученные данные для биоиндикации.

Химическое загрязнение почвы. Загрязнение почвы, обусловленное химическими причинами, значительно превосходит по своему воздействию, как в количественном, так и в качественном отношении все виды ее физического изменения. При этом прямое и косвенное загрязнение удается разграничить не всегда.

Химическое загрязнение почвы вызывается разными причинами. Оно происходит либо произвольно (например, в результате применения средств защиты растений), либо непреднамеренно (в случае промышленных выбросов). В связи с этим в большинстве случаев с территориальной точки зрения различными могут быть и радиус действия, и интенсивность загрязнения. Исходя из агрегатного состояния и способа действия загрязнителей, их делят на группы:

1) газы (особенно серосодержащие промышленные выбросы, галогениды и окислы азота);

2) пыль (зола, известковая пыль, частицы, содержащие тяжелые металлы, особенно промышленные выбросы);

3) соли (переносимые воздухом и водой, особенно при посыпании зимой улиц или при добыче и переработке соли);

4) агрохимикаты (средства защиты растений, удобрения);

5) органические газы и жидкости (прежде всего продукты ископаемых видов топлива);

6) радиоактивные осадки (гл. образом при загрязнении ими воздуха).

Изменение химических параметров почвы отражается спустя короткий или длительный период наросте и продуктивно­сти отдельных видов, их популяций или приводит к более или менее сильным нарушениям структуры фитоценозов и даже к развитию сукцессии.

По причине физико-химической специфики отдельных почв при одинаковой интенсивности и продолжительности дей­ствия химического стрессора степень и форма возникающего хим. загрязнения может быть различной. Для биоиндикации это важно, поскольку между химической обстановкой и ее влиянием на биоценоз не обязательно существует линейная зависимость. Решающее значение для действия на биологическом уровне имеет по этой причине соотношение интенсивности стрессора и специфической реакции буферной системы почвы.

Загрязнение газами. Загрязнение почвы сернистым газом происходит вместе с загрязнениями другими газами или пылью, поэтому его непосредственное влияние трудно поддается определению. Действие сернистого газа выражается, прежде всего, в подкислении почвы, захватывающем, главным образом, ее верхние горизонты. Но при одновременном воздействии на почву пыли, имеющей основную реакцию, может начаться частичная ней­трализация или даже подщелачивание. Поэтому важно оценивать соотношение этих двух видов загрязнителей при их одновременном действии.

Подкисление почвы приводит к дефициту важных минеральных веществ в результате повышения их подвижности и вымывания, токсичности растворимых при рН ниже 4 ионов А13".

При оценке влияния кислотного дождя на почву средствами биоиндикации можно использовать следующие возможности:

1) опыты по стандартизированному выращиванию специально подобранных кислотоустойчивых или кислоточувствительных видов на субстратах с соответствующим химическим затизнением. В зависимости от цели нарушения изучаются на биохимическом, физиологическом, морфометрическом или продуктивно-экологическом уровне;

2) оценка изменений естественных фитоценозов по соответствующим структурным параметрам вдоль градиента загрязнения.

Загрязнение пылью и золой. Экологически существенные воздействия при загрязнении пыль оказывает в двух основных отравлениях:

1. изменение общей насыщенности основаниями;

2. накопление металлов (прежде всего тяжелых).

Обе формы загрязнений могут выступать как независимо, так и совместно. Биоиндикацию этих нарушений можно осуществлять на разных уровнях. У продуцентов изучается популяционная динамика соответствующих видов, на уровне фитоценозов оцениваются структурные параметры на площадках длительного наблюдения. Оценка загрязнения почвы тяжелыми металлами возможна с помощью аккумулирующих биоиндикаторов, которые потребляют тяжелые металлы вместе с пищей и включают их в обмен веществ. Доля отдельных элементов в общем содержании ТМ различна в почвах, обогащенных ими как природным, так и антропогенным путем. Естественные почвы с высоким содержанием ТМ существуют в разных частях света, как существуют и устойчивые к ТМ популяции растений. Но следует иметь в виду, что не существует тотальной устойчивости к ТМ, она носит избирательный характер.

Возможные методы биоиндикации:

1. оценка нагрузки на первичный обмен веществ по активности ферментов;

2. опыты по культивированию разных по устойчивости видов растений на субстратах со ступенчато изменяющейся концентрацией загрязнителей. При этом оцениваются выживаемость, рост корней и побегов, некрозы;

3. для оценки уже имеющейся у растений устойчивости к ТМ проводят сравнительное измерение роста корней и метод сравнительной протоплазматики;

4. использование активности и обилия почвенных микроорганизмов в качестве биоиндикаторов содержания в почве ТМ.

Загрязнение солями металлов. Загрязнение почвы растворенными или твердыми солями металлов возникает в результате деятельности соледобывающих и перерабатывающих предприятий, недостаточной эффективности дренажных систем при орошении, применении солей для очистки улиц ото льда и др. Ятя биоиндикации в каждом конкретном случае важно знать причины различий в солевом стрессе у отдельных видов при равной интенсивности загрязнения. Неодинаковый ущерб объясняют видоспецифичным поглощением соответствующих ионов. А если накопление происходит в недолговечных ассимиляционных органах, то действие стрессора может производить ничтожный эффект. В отношении биоиндикации рекомендуют оценку кратковременного воздействия загрязненных почв на прорастание (загрязнение поверхности почвы и ее верхних горизонтов) и развитие растений (высаживание стандартизированных видов или основных эдификаторов фитоценозов в интересующие местообитания).

Загрязнение агрохимикатами. Загрязнение почвы агрохимикатами связано с применением средств защиты растений, удобрений и регуляторов роста. В зависимости от их назначения эти вещества воздействуют на биоценозы по-разному.

Гербициды, фунгициды, инсектициды меняют пространственные и функциональные отношения в экосистемах. Поэтому важными вопросами являются: определение стойкости гербицидов (диагностика в опытах с высшими растениями и микроорганизмами: предварительная экстракция, либо непосредственное подмешивание гербицидов к стандартизированным субстратам), определение изменений на популяционно-динамическом уровне в популяциях изучаемых организмов.

Для биотестирования отработано немало методов на различных культурах: белой горчице (Sinapis alba L), озимой и яровой пшенице (Triticum aestivum L). овсе (Avena L), гречихе (Fagopirum L), огурце (Cucumis L), кресс-салате (Lepidium sati-vum L), сое (Glycine L), льне (Linum L), еже сборной (Dactylis glomerata L).

На горчице учитывают степень ингибирования первичного корешка проростка после обработки семян противодвудольным гербицидом. Определяют также увядание растений, торможение прироста листьев надземной массы проростков. Овес и рис используют как индикаторы почвенных противозлаковых гербицидов, так как это наиболее чувствительные виды среди злаковых культур. При этом основным тестом является ингибирование роста зародышевого корня и листа. Редис является традиционным биотестом при исследовании остатков пестицидов в почве и конечной продукции растениеводства, так как обладает наиболее высокой чувствительностью к фитотоксичным препаратам, что обусловлено высокой энергией прорастания его семян и скороспелостью культуры.

На огурце и гречихе тестируют гербициды - производные мочевины и фенилкарбамады. При этом у огурца учитывают рост первичного корня, у гречихи - утолщение стебля, деформацию зародышевых листьев, а также торможение роста. Кресс-салат используется как тест-объект для оценки загрязнения воздуха и почвы. При наличии токсичных веществ снижается процент всхожести и ингибируется рост зародышевых корешков. Однако этот тест является неспецифичным и не позволяет установить природу загрязнителя. Очевидно, это объясняется генетической неоднородностью культуры.

Действие пестицидов на злаках обнаруживается по их влиянию на морфогенез растений, проявляющийся в изменениях типов морфозов. У озимой пшеницы, при высокой пестицидной нагрузке (диален, лонтрел, тилп, байлетон, метафос) наиболее распространенным и устойчивым типом морфоза является «мутовка» т.е. увеличение числа колосков на уступе колосового стержня. Колосовые морфозы и фазовый индекс могут быть успешно использованы в качестве диагностической тест-системы.

Загрязнение органическими и радиоактивными веществами. Загрязнение почвы этой группой веществ происходит, главным образом, при различных авариях. В качестве биоиндикаторов часто используются гидропонные культуры, которые в дальнейшем обрабатываются загрязнителями. Биоиндикация радиоактивных загрязнений затруднена, прежде всего, в связи с опасностью проведения опытов. Но есть литературные данные, срогласно которым в качестве аккумулятивных биоиндикаторов могут использоваться лишайники.

Вопросы для самоконтроля

1. С помощью каких методов можно оценить состояние основных параметров почвенного покрова?

2. Перечислите основные типы состояния почв, характеризующих влияние антропических нагрузок.

3. Какие факторы могут вызывать физическое изменение почвы и как это отражается на ее состоянии? Перечислите методы и средства диагностики физических изменений почв. Какие биоиндикаторы наиболее пригодны для этой цели?

4. Какие виды демонстрируют различия в отношении к изменению структуры почвы?

5. В чем опасность химического загрязнения почвенного покрова? Назовите виды-индикаторы химического загрязнения почв. Какие тестфункции видов (сообществ) являются наиболее адекватными для экологической оценки подобного воздействия?

6. Охарактеризуйте действие основных классов веществ-загрязнителей почв. Приведите возможные методы биоиндикации.