Биоиндикация загрязненных почв

Содержание

Введение

Глава 1. Биоиндикация загрязнения почвы

1.1 История  развития и изучения биоиндикации  почвы

1.2 Структура  животного населения почвы и  факторы его разнообразия

Глава 2. Трофическая структура почвенных  беспозвоночных

Глава 3. Деятельность беспозвоночных животных в почвообразовании

Глава 4. Материалы и методы проведения исследований

4.1 Деятельность  млекопитающих как почвообразующий  фактор

4.2 Фаунистическая  биоиндикация

4.3 Закономерности  зонального распределения комплексов  почвенных беспозвоночных

Глава 5. Сообщества мезопедобионтов в критических  состояниях

5.1 Влияние  техногенного загрязнения на  почвенных беспозвоночных

5.2 Влияние  других внешних факторов

Выводы

Список  литературы

Введение

«Человек, в сущности, совершенно не думает о том, что у него под  ногами. Всегда мечется… И самое  большее – взглянет, как прекрасны  облака у него над головой… И  ни разу не поглядит себе под ноги, не похвалит: как прекрасна почва!» (Карел Чапек).

Основой жизни на Земле являются круговорот веществ и поток энергии  в биосфере. Высокое разнообразие животного мира обусловливает и  его разнообразную роль в этих процессах. Связи животных друг с  другом, с растениями, микроорганизмами определяют устойчивость биоценозов и  экосистем. Животные участвуют в  формировании ландшафтов, в почвообразовании, определяют продуктивность различных  биогеоценозов и т. д.

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 (Израэль, 1972; Бурдин, 1985; Криволуцкий, 1994), 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 (Гиляров, 1965; Edwards, Bohlen, 1995; Бутовский, 2001), 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 (Криволуцкий, 1983; Hopkin, 1994; Панцирные  клещи, 1995; van Straalen, Lokke, 1997; Кузнецова, 2002). Несовпадение реакций разных групп  беспозвоночных затрудняет объяснение результатов биоиндикационных исследований (Pokarzhevskii et al., 2003). Среди причин нелинейности ответов популяций одними из основных являются:

1) изменчивость, на уровне «исследуемой  точки» (в смысле Мэгарран, 1992), пространственного  распределения животных и факторов  среды, влияющих на это распределение  (Nielsen, 1955; Чернова, Чугунова, 1967; Marinussen, van der Zee, 1996; Ettema, Wardle, 2002);

2) полнота и достоверность учета  биоразнообразия (Гиляров, Стриганова, 1975; Edwards, 1995);

3) экологические механизмы отклика  популяций на загрязнение (Гиляров,  Криволуцкий, 1971; Покаржевский, 1994; Филимонова  и др., 2000). Недостаток доступных  и сравнимых методов оценки  функционирования комплексов почвенных  животных в трансформированных  почвах (Rombke, Moltmann, 1996) также снижает  ценность получаемых биоиндикационных  оценок.

В соответствии с этим были выбраны  цели и задачи курсовой работы.

Цель работы – изучение особенностей и выявление общих закономерностей  структуры и функционирования сообществ  мезопедобионтов в естественных и антропогенно изменённых условиях. Задачи исследования:

1. Изучить видовой состав, численность,  биомассу, биотопическую приуроченность, трофическую структуру, распределение  по почвенному профилю мезонаселения  в основных растительных сообществах  региона.

2. Выявить роль крупных беспозвоночных  в разложении опада и миграции  биогенных элементов.

3. Провести трофологические исследования  почвенных зоомикробных комплексов. Показать их экобиотехнологические  возможности.

4. Выяснить общие принципы структурной  и функциональной перестройки  сообщества мезопедобионтов, проявления  его устойчивости под влиянием  природных и антропогенных факторов.

5. Изучить содержание тяжёлых  металлов в почвенных беспозвоночных  на заповедных и освоенных  территориях, проанализировать определяющие  факторы. Опробовать аборигенные  виды в биоиндикации и экотоксикологическом  нормировании загрязнения.

6. Выявить основные факторы организации  сообществ и поддержания видовой  избыточности мезопедобионтов.

Глава 1. Биоиндикация загрязнения почвы

1.1 История развития и изучения  биоиндикации почвы

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.

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. В этом блоке исследований выделяются работы казанских педобиологов (Т. И. Артемьева и др.) по изучению роли почвенных беспозвоночных в процессах естественного восстановления биогеоценозов на загрязненных при нефтедобыче территориях и биологической рекультивации. 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. Необходимо отметить одно из главных отличий экотоксикологии от классической токсикологии — она исследует реакцию популяции, сообщества и экосистемы на воздействие загрязняющего вещества, а не отдельного организма.

Успешно развивается радиоэкологическое направление, которое прежде всего  связано с именем Д. А. Криволуцкого. В биоиндикации радиоактивных загрязнении  используется новый для этой области  показатель — состояние почвенной  биоты. На базе популяционной радиоэкологии  можно решать проблемы экологического нормирования и определять факторы  биологического риска.

Следует выделить направление, связанное  с изучением участия животных в биогенном круговороте химических элементов, их биогеохимической деятельности. Объемный материал по этой проблеме сведен в монографии А. Д. Покаржевского  «Геохимическая экология наземных животных» (1985), первой такого плана в почвенной  зоологии.

В последние годы приобрели большую  актуальность исследования формирования и особенностей структуры экотонных  сообществ. Экотоны — переходные пространства между различными природными системами, буферные территории, характеризующиеся  постоянно высокой изменчивостью  факторов среды. Растущие антропогенные  нагрузки увеличивают контрастность  и мозаичность экосистем и  ландшафтов и, как следствие, формируются  новые пограничные экотонные  системы и сообщества. В экотонах возникают физические и биогеохимические барьеры для миграции загрязняющих веществ. Почвенные беспозвоночные в таких зонах становятся уязвимыми. В то же время экотоны служат местом сохранения биологического разнообразия.

Среди направлений почвенной экологии, связанных с задачами почвоведения — охрана животного мира почвы. Эффективная  система охраны комплексов почвенной  фауны возможна при соблюдении двух основных принципов (М. С. Гиляров, Д. А. Криволуцкий, А. Д. Покаржевский). Первый принцип — это охрана экосистем  в целом, а не отдельных их компонентов, т. к. контроль каждого вида невозможен. При этом необходимо учитывать, что  каждому типу почв соответствует  определенный комплекс животных. Второй принцип — это создание системы  охраняемых экосистем почв во всех областях страны.

Традиционным, одним из ведущих  направлений является изучение почвообразовательной роли почвенных животных. Оно многопланово: изучает влияние отдельных видов  на свойства почв (механическое размельчение растительных остатков и вовлечение их вглубь, рассеивание в пространстве экскрементов и т. д.); исследует роль комплексов беспозвоночных в разложении органических остатков и их взаимосвязи  с почвенными микроорганизмами в  этих процессах. Практический выход  имеют работы по использованию отдельных  групп беспозвоночных (дождевых червей, диплопод) в зоомелиорации почв. Большое значение придается результатам  изучения влияния организационно-хозяйственных  мероприятий (распашка земель, орошение, осушение болот, вырубка лесов и  др.) на состояние комплексов животных почвы.

Экологический метод диагностики  почв, разработанный М. С. Гиляровым, основан на анализе состава животного  населения почв, соотношения отдельных  его компонентов, численности и  экологических особенностей входящих в них популяций. Эти показатели могут быть использованы как индикатор  свойств почвы, ее плодородия: каждый вид заселяет те местообитания, где  создаются оптимальные условия  для его жизнедеятельности. Этот метод с успехом применялся и  в тех случаях, когда коррелятивная  связь между типом растительности и типом почвы выражена не четко  и возникали затруднения в  определении типа, разновидности  почвы. По степени сходства почвенной  фауны сравниваемых участков можно  говорить об идентичности типов почв.

1.2 Структура животного населения  почвы и факторы его разнообразия

В наземных экосистемах во всех районах  Земли обитателями почвы являются 50—99% всех видов животных и на их долю приходится 60—90% наземной зоомассы. Число особей на единицу площади  у некоторых групп достигает  фантастических величин (до 1 млн. клещей, ногохвосток на 1 кв. м в лесных и луговых почвах). Причины высокого обилия различных представителей почвенного населения изложены в книгах М. С. Гилярова.

Почва представляет очень сложную, многокомпонентную среду. Это трехфазная и полидисперсная система, в которой  промежутки между твердыми частицами  и их агрегатами заполнены воздухом и водой с растворенными в  ней солями. Полидисперсность почвы, или ее гранулометрия, выражается в  содержании механических элементов  разного размера, от отдельных ионов  почвенного раствора до каменистых включений. Разное соотношение фаз создает  гамму условий и поэтому для  разных размерных групп организмов почва представляет неодинаковую среду, что является одним из факторов высокого разнообразия ее биоты.

В почвенной зоологии принято выделять размерные группы животных, различающихся  способами использования среды  обитания:

- нанофауна (размеры от микрон  до долей мм) – микроскопические  объекты, которые могут наблюдаться  только с помощью инструментальных  методов: простейшие (корненожки, жгутиконосцы, инфузории), мелкие нематоды и  коловратки, тихоходки;

- микрофауна (доли мм – доли  см) — более крупные немикроскопические  организмы: клещи, нематоды, энхитреиды, пауки, коллемболы (ногохвостки), протуры,  симфилы, мелкие жуки;

- мезофауна (доли см – несколько  см) — крупные беспозвоночные, хорошо  различаемые невооруженным глазом, легко учитываемые в полевых  условиях при ручной разборке  проб почвы: кольчатые и плоские  черви, многоножки, пауки, мокрицы,  брюхоногие моллюски, насекомые  на разных стадиях развития;