Использование методов биотестирования для оценки антропогенного загрязнения почвы

- физическое  изменение  связано  с  различными, прежде всего механически действующими  агентами, способными осо бенно 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.

Причинами физических нагрузок на почву являются:

а)  прямые механические воздействия:

—  повышенное давление на  поверхность     почвы   (транспорт,  например, тракторы; вытаптывание);

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

б)  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.

  Химическое загрязнение почвы значительно превосходит по своему воздействию как в количе­ственном, так и в качественном отношении все виды ее физи­ческого изменения.

Химическое загрязнение почвы вызывается разными причинами.  Исходя из агрегатного состояния (газообразного, жидкого, твердого) и способа действия загрязнителей, автор подразделяет их на следующие группы:

— газы (особенно серосодержащие промышленные выбросы, окислы азота);

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

— соли (переносимые воздухом и водой, особенно при посыпании зимой улиц для удаления льда или при добыче и переработке соли);

— агрохимикаты (средства защиты растений, удобрения);

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

— радиоактивные  осадки   (главным  образом  при  загрязнении  ими  воздуха).

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

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

—  изменение общей насыщенности основаниями;

—  накопление металлов (прежде всего тяжелых)

  Страдают от подобных изменений почвенного субстрата осо­бенно фитоценозы и живущие в почве группы организмов, раз­лагающих органические вещества. Особое значение загрязнение почвы пылью, содержащей тя­желые металлы, связано с высокой чувствительностью многих организмов к повышенному содержанию этих элементов. Это в особенности относится к группам организмов, которые потреб­ляют тяжелые металлы вместе с питательными веществами непосредственно из почвы и включают их таким образом в свой обмен веществ.

К тяжелым металлам (плотность которых выше 5,0) отно­сятся как микроэлементы, имеющие более или менее важное значение для питания организма (железо, магний, цинк, медь, кобальт и молибден), так и элементы с ограниченными (никель, ванадий) функциями и экологической ролью (кадмий, мышьяк, уран, свинец, хром, ртуть). Доля отдельных элементов в общем содержании тяжелых металлов весьма различна в почвах, обо­гащенных ими как природным, так и антропогенным путем. Решающим при токсичном действии тяжелых металлов на растительные организмы является не столько их общее со­держание в почве, сколько концентрация в доступном для ор­ганизма состоянии. Для биоиндикации экологических воздействий загрязненных тяжелыми металлами почв используются в зависимости от по­ставленных задач различные способы.

В целях сохранения близкой к природной растительности, а также для растениеводческих и лесоводческих целей в усло­виях антропогенного загрязнения особое значение придается вопросу, насколько имеющиеся растения уже обладают устой­чивостью к тяжелым металлам.

Загрязнение солями щелочных и щелочноземельных металлов. Антропогенное загрязнение почвы растворенными или твер­дыми солями щелочных и щелочноземельных металлов возника­ет в результате:

—  недостаточной эффективности дренажных систем при оро­шении сельскохозяйственных культур в аридных зонах;

—  деятельности  соледобывающих  или  солеперерабатывающих предприятий;

—  применения солей (в растворе или твердых) для очистки улиц от льда в странах с холодными зимами. От этого страдают в первую очередь относительно узкие полосы земли вдоль шоссе в населенных пунктах и вне их.

В отношении биоиндикации солевого загрязнения можно рекомендуют оценку кратковременного воздействия загрязненных почв на травянистые растения в экспериментах по определению прорастания и развития этих растений.

Опыты с прорастанием семян особенно пригодны для оценки загрязнения поверхности почвы и ее верхних горизонтов (0—5 или 0—10 см глубины). С этой целью семена соответствующих видов, иногда солеустойчивых высеваются в чашках Пет­ри (диаметром от 9 до 12 см) на различных почвах [2].

1.2.2 Биологическая  диагностика почвы

Биодиагностика антропогенных изменений относится к экспрессным методам анализа и, кроме того, дает комплексную оценку экологического состояния почвы. Существует множество биологических показателей, с помощью которых оценивается состояние почв. Наиболее важными являются интегральные показатели биологической активности: токсичность, «дыхание», количество свободных аминокислот и белков. Интенсивность дыхания почвы является исключительно вариабельной величиной и зависит от большого количества факторов (температурного режима, влажности, состояния фитоценоза и др.). Для оценки экологического влияния загрязнений необходимо проводить сравнение данных, полученных на разных участках в максимально близких условиях. Информативными являются и другие показатели, например, ферментативная активность [1].

Для удобства постановки тестов на токсичность семена подбирают по размерам и скорости их прорастания. Часто используют семена редиса, кресс-салата, кукурузы, зерновых. В качестве тест-функции выступают показатели всхожести семян, дружности и времени появления всходов, скорости удлинения проростков, последний из которых считается наиболее чувствительным.

В основе принципа биологической диагностики почв лежит представление о том, что почва как среда обитания составляет единую систему с населяющими ее популяциями разных организ­мов.

Лучше других разработаны ботанические методы фитоиндикации и диагностики почв. Путем анализа состава и струк­туры растительных сообществ, распространения растений-индикаторов или определенных индикационных признаков у отдель­ных видов растений можно установить тип почвы, степень ее гидроморфизма, развитие процессов заболачивания, соленакопления и т.д. Среди растений обнаружены индикаторы на тот или иной механический и химический состав почв, степень обогащенности питательными элементами, на кислотность или щелочность, глу­бину протаивания мерзлотных почв или уровень грунтовых вод.

Теоретической предпосылкой применения почвенно-зоологического метода для целей диагностики почв является сформули­рованное М. С. Гиляровым в 1949 г. представление об «экологи­ческом стандарте» вида — потребности вида в определенном ком­плексе условий среды. Каждый вид в пределах своего ареала встре­чается только в тех местообитаниях, которые обеспечивают пол­ный комплекс необходимых для проявления жизнедеятельности условий. Амплитуда варьирования отдельных факторов среды ха­рактеризует экологическую пластичность вида. Эврибионты мало пригодны для индикационных целей, тогда как стенобионты слу­жат хорошими индикаторами определенных условий среды и свойств субстрата. Это положение представляет собой общий тео­ретический принцип в биологической диагностике. Однако ис­пользование для индикации одного вида не дает полной уверен­ности в правильности выводов (здесь имеет место «правило сме­ны местообитаний» и как следствие смена экологических харак­теристик вида). Лучше исследовать весь комплекс организмов, из которых одни могут быть индикаторами на влажность, другие — на температуру, третьи — на химический или механический со­став. Чем больше общих видов почвенных животных встречается на сравниваемых участках, тем с большей долей вероятности можно судить о сходстве их режимов, а следовательно, о единстве почво­образовательного процесса. Менее других полезны микроскопи­ческие формы — простейшие и микроартроподы (клещи, ногохвостки). Их представители отличаются космополитизмом в силу того, что почва для них не выступает как единая среда обитания: они живут в системе пор, капилляров, полостей, которые можно найти в любой почве. Из микроартропод наиболее хорошо изуче­ны индикаторные свойства панцирных клещей. Состав их комп­лексов сообществ зависит не только от почвенных условий, но и от характера и флористического состава растительности, поэтому данный объект перспективно использовать для индикации повреж­дающих воздействий на почву.

1.2.3 Организация наблюдений за загрязнением почв

В связи с тем, что в твердых средах (грунтах) токсиканты редко распределены равномерно, существуют определенные методики отбора проб, по-нюляющие нивелировать последствия мозаичности. Для определе­ния загрязнений промышленного происхождения отбор проб почвы производится один раз в год в летний период. Как правило, для | онтроля выбираются почвы, занятые культурными растениями.

Для определения точек отбора применяется азимутальный ме-м>д. Каждый год пробы отбираются вокруг промышленных цент­ров по четырем румбам на расстоянии 1; 2; 3; 5 и 10 км. Один раз и мять лет обследование почвы проводят более подробно по всем К) румбам и на расстояниях 0; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2; 3; 4; 5; 8; 10; 20; И); 50 км. Положение точек пробоотбора отмечается на карте.

Методика отбора почвенных образцов определяется поставлен­ными перед исследователем задачами. Во всех случаях образцы должны наиболее полно характеризовать исследуемую площадь. Анализируются индивидуальные и смешанные образцы.

1.3 Особенности использования растений в качестве биоиндикаторов

С помощью растений можно проводить биоиндикацию всех природных сред. Индикаторные растения используются при оцен­ке механического и кислотного состава почв, их плодородия, ув­лажнения и засоления, степени минерализации грунтовых вод и степени загрязнения атмосферного воздуха газообразными соединениями, а также при выявлении трофических свойств водоемов и степени их загрязнения поллютантами. Например, на содержа­ние в почве свинца указывают виды овсяницы, полевицы; цинка — виды фиалки, ярутки; меди и кобальта — смолевки, многие злаки и мхи.

Чувствительные фитоиндикаторы указывают на присутствие загрязняющего вещества в воздухе или почве ранними морфоло­гическими реакциями — изменением окраски листьев (появление хлорозов; желтая, бурая или бронзовая окраска), различной фор­мы некрозами, преждевременным увяданием и опаданием листвы. У многолетних растений загрязняющие вещества вызывают изме­нение размеров, формы, количества органов, направления роста побегов или изменение плодовитости. Подобные реакции обычно неспецифичны.

Некоторые естественные факторы могут вызывать симптомы, сходные с антропогенными нарушениями. Так, например, хлороз листьев может быть вызван недостатком железа в почве или ран­ним заморозком. Поэтому при определении морфологических из­менений у растений необходимо учитывать возможность действия других повреждающих факторов.

Индикаторы другого типа представляют собой растения-акку­муляторы. Они накапливают в своих тканях загрязняющее веще­ство или вредные продукты метаболизма, образуемые под дей­ствием загрязняющих веществ, без видимых изменений. При пре­вышении порога токсичности ядовитого вещества для данного вида проявляются различные ответные реакции, выражающиеся в из­менении скорости роста и длительности фенологических фаз, биометрических показателей и, в конечном счете, снижении про­дуктивности.

Получить точные количественные данные о динамике и вели­чине стрессовых воздействий на основе морфологических измене­ний невозможно, но можно довольно точно определить величину потерь продукции и, имея график зависимости «доза — эффект», рассчитать величину стрессового воздействия.

Б. В. Виноградов классифицировал индикаторные признаки ра­стений как флористические, физиологические, морфологические и фитоценотические. Флористическими признаками являются раз­личия состава растительности изучаемых участков, сформировав­шиеся вследствие определенных экологических условий. Индика­торное значение имеет как присутствие, так и отсутствие вида. К физиологическим признакам относятся особенности обмена ве­ществ растений, к анатомо-морфологическим признакам — осо­бенности внутреннего и внешнего строения, различного рода ано­малии развития и новообразования, к фитоценотическим при­знакам — особенности структуры растительного покрова: обилие и рассеянность видов растений, ярусность, мозаичность, степень сомкнутости.

Очень часто в целях биоиндикации используются различные аномалии роста и развития растения — отклонения от общих за­кономерностей. Ученые систематизировали их в три основные груп­пы, связанные: (1) с торможением или стимулированием нор­мального роста (карликовость и гигантизм); (2) с деформациями  стеблей, листьев, корней, плодов, цветков и соцветий; (3) с воз­никновением новообразований (к этой группе аномалий роста относятся также опухоли).

Гигантизм и карликовость многие исследователи считают уродствами. Например, избыток в почве меди вдвое уменьшает разме­ры калифорнийского мака, а избыток свинца приводит к карли­ковости смолевки.

В целях биоиндикации представляют интерес следующие де­формации растений:

                  фасциация — лентовидное уплощение и сращение стеблей, корней и цветоносов;

                  махровость цветков, в которых тычинки превращаются в ле­пестки;

                  пролификация — прорастание цветков и соцветий;

                  асцидия — воронковидные, чашевидные и трубчатые листья у растений с пластинчатыми листьями;

                  редукция — обратное развитие органов растений, вырождение;

                  нитевидность — нитчатая форма листовой пластинки;

                  филлодий тычинок — превращение их в плоское листовидное образование.

Биомониторинг может осуществляться путем наблюдений за отдельными растениями-индикаторами, популяцией определен­ного вида и состоянием фитоценоза в целом. На уровне вида обычно производят специфическую индикацию какого-то одного загряз­нителя, а на уровне популяции или фитоценоза — общего состо­яния природной среды [11].