Биологическая индикация загрязнения почвенной среды и самоочищения почв

Показатели, характеризующие состояние почвенной биоты и биологическую активность почв, используют для контроля за теми изменениями в почвах, которые происходят при включении в них разного рода посторонних веществ, чаще всего антропогенного происхождения. Обычно для получения более точных результатов необходимо исследовать также контрольную чистую почву. Различают следующие типы химических загрязнений: нефтепродуктами (углеводородами), тяжелыми металлами, радионуклидами, пестицидами, избыточными или загрязненными минеральными удобрениями, искусственными полимерами, различными отходами химических производств, в том числе и отравляющими газами и многочисленными мутагенами. Иногда происходит загрязнение почв посторонними микроорганизмами особенно из сточных вод или микробиологических производств.

Пестициды — это новый экологический фактор, появившийся в природе в связи с широким применением неприродных веществ для борьбы с сорняками (гербициды), насекомыми- вредителями (инсектициды), грызунами (зооциды), фитопатогенными грибами (фунгициды), препаратами, вызывающими гибель листьев (дефолиантами). Мировой ассортимент пестицидов насчитывает тысячи препаратов на основе нескольких сотен химических веществ и он непрерывно растет. Все без исключения пестициды относятся к ядам широкого действия. Они попадают в почву при непосредственном внесении или же с протравленными семенами, отмирающими сорняками и трупами насекомых, а из почвы попадают в сельскохозяйственные растения, пищевые продукты и природные воды. Постоянно расширяется список запрещенных к использованию пестицидов. Наблюдается такая закономерность: чем дольше используется пестицид, тем больше обнаруживается его вредное действие и тем больше его шанс попасть в список запрещенных. Особенно вредны пестициды, которые не разлагаются или слабо разлагаются почвенными микроорганизмами и накапливаются в почве и живых организмах (персистентные пестициды). Так первый хлорорганический инсектицид ДЦТ был признан абсолютно безопасным в тех малых дозах, в которых он применялся первое время, и за его разработку была дана Нобелевская премия. Однако позже выяснилось, что он почти не разрушается в окружающей среде и очень сильно аккумулируется в пищевых цепях организмами. Его концентрация в организмах увеличивается в тысячи раз, и он становится резко токсичным. Птицы начинают нести яйца без скорлупы. Применение ДДТ было запрещено, но в Средней Азии еще долго применяли этот инсектицид, в результате чего почвы оказались сильно загрязненными. Помимо всего прочего появились расы насекомых, устойчивые к этому веществу. Поэтому идеальная научная концепция для разрешения на применение пестицида формулируется следующим образом: пестицид в малых концентрациях должен уничтожать вредный организм, оказывая на другие организмы лишь слабое действие. Он должен в короткие сроки и полностью разлагаться микроорганизмами и не накапливаться в окружающей среде. Если речь идет о почве, то в почвенные образцы нужно внести пестицид, меченный по всем входящим в него элементам, проинкубировать этот образец и убедиться, что внесенное вещество полностью разложилось за несколько месяцев. Только тогда с микробиологической точки зрения пестицид можно рекомендовать к применению. Ранее применяли другой подход: изучали трансформацию и разложение пестицида набором чистых культур микроорганизмов. Было установлено, что иногда микроб в один-два этапа превращает малотоксичное вещество в сильнотоксичное. Пути трансформации и разложения пестицидов оказались весьма многообразными. Превращения, которые удается осуществить в лаборатории, не происходят в природе. Так, после долгих поисков удалось найти микроорганизм, который разрушает ДДТ, но заставить его «работать» в почве не удается.

В природной среде, в почве, существенную роль в разложении пестицидов микроорганизмами играют такие явления, как кометаболизм и синтрофия. В первом случае скорость минерализации пестицида, относящегося к группе персистентных, повышается при наличии в среде дополнительного соокисляемого субстрата, а во втором случае на пестицид действует комплекс культур микроорганизмов и его разложение проходит более успешно, чем в условиях чистых культур.

В процессе самоочищения почвы от пестицидов участвуют не только микроорганизмы, но и многие группы почвенных животных, такие как дождевые черви, а также роющие животные (кроты, землеройки). Перемешивая почву, они способствуют перемещению загрязненной почвы верхнего горизонта в глубокие слои. Специфическая микрофлора пищеварительного тракта способствует деградации пестицидов.

Особую тему для изучения составила проблема влияния пестицидов на биологическую активность почв. Биологическая активность почв оценивалась многими показателями. Действие разных препаратов специфично, но, в общем, был сделан вывод, что производственные дозы обычно не оказывают существенного действия на биологическую активность почв. Исключение составляют фунгициды, которые, подавляя фитопатогены, одновременно ведут к подавлению сапротрофных грибов. Если пестициды вносятся многократно или в больших количествах, они существенно влияют на биологическую активность почв и ведут к перестройкам в микробоценозах.

Тяжелые металлы в последнее время стали опасными загрязнителями почв, понижающими их биологическую активность, снижающими продуктивность и ухудшающими качество сельскохозяйственой продукции. Многие тяжелые металлы являются необходимыми для нормального роста организмов микроэлементами и в малых дозах они нужны для работы многих ферментов. Однако сверхвысокие концентрации этих веществ, а также тяжелых металлов, не являющихся микроэлементами, приводят к негативным последствиям. Прежде всего, они подавляют нормальную работу ферментов.

Тяжелые металлы могут сильно понижать биологическую активность почв. Прежде всего, они понижают ферментативную активность почв, снижают уровень азотфиксации и дыхания почв, а также ведут к перестройкам в микробных сообществах, приводя к доминированию резистентных видов. Попытки найти виды, индикаторные на загрязнение тяжелыми металлами, не увенчались успехом.

Рассматривалась также и другая проблема о возможности детоксикации тяжелых металлов, загрязняющих почву, с помощью микроорганизмов. Здесь есть несколько путей, которые, однако, не являются радикальными. С помощью микроорганизмов можно перевести ионы тяжелых металлов в металлорганические соединения, где они не будут проявлять свою токсичность. Таким образом, очищается природная вода от металлов, которые оседают вместе с илом на дно водоема. Однако осушить такой водоем и использовать его под пашню уже не представляется возможным. Можно на время закрепить их в составе гумуса, но потом они освободятся. С помощью органоминеральных соединений, возможно, опустить металлы в нижние горизонты почвы, но ими можно загрязнить фунтовые воды. Некоторые металлы (например, ртуть) подвергаются метилированию и поступают в атмосферу, но при этом загрязняется атмосфера. Основной вывод, который из этого следует, — нельзя допускать загрязнения почв тяжелыми металлами.

Загрязнение почв нефтью и продуктами ее переработки (углеводородами). Углеводороды синтезируются и разлагаются микроорганизмами. В каждой почве содержатся микроорганизмы, утилизирующие все углеводороды. Одни разлагаются быстро, другие — очень медленно. В естественных почвах нет проблемы накопления углеводородов. Однако в последнее время она очень остро встала в связи с колоссальным загрязнением почв углеводородами в местах их добычи, около нефтепроводов, нефтехранилищ, железных и шоссейных дорог, бензоколонок, полей (от сельскохозяйственной техники) и др.

Загрязнение почв нефтью приобрело катастрофические размеры: ухудшаются физические, химические и биологические свойства почв. Иногда полностью теряется плодородие, и растения на таких загрязненных участках не могут расти. Восстановление почв возможно только при не очень сильном загрязнении и в условиях благоприятного гидротермического режима. Существует фитомелиорация, когда высаживаются растения, устойчивые к нефтепродуктам, и микробиологическая мелиорация, когда стимулируется развитие углеводородокисляюших микроорганизмов.

Загрязнение почв избыточными и несбалансированными количествами минеральных удобрений. Минеральные удобрения в высоких дозах в определенных условиях вызывают отрицательный эффект. Вблизи гранул удобрений микробы погибают. При больших количествах минеральных азотных удобрений развиваются процессы денитрификации и нитрификации. Нитраты вымываются в фунтовые воды и превращаются в закись азота или в газообразный азот и уходят в атмосферу. Разрушается естественный микробиоценоз и развивается большое количество грибов- токсинообразователей, подавляющих рост растений. Под влиянием повышенных доз минерального азота, вносимых в почву, происходит микробное разрушение гумуса и деградация почвы с потерей ею структурности, снижением емкости поглощения катионов и т.д. При усиленной нитрификации происходит подкисление среды, повышается подвижность тяжелых металлов, повышается содержание нитратов в растениях (особенно в огурцах, арбузах и дынях). По цепям питания вредные вещества передаются человеку.

Образующаяся закись азота обладает парниковым эффектом и является одним из факторов разрушения озонового экрана в атмосфере, играющего защитную роль в предохранении живых существ на Земле от жесткого ультрафиолетового облучения.

Таким образом, негативные последствия применения высоких доз азотных удобрений охватывают широкую область биосферы и не ограничиваются только почвой. Удобрения превращаются в фактор загрязнения и гидросферы за счет вымывания нитратов в водоемы и атмосферы из-за образования токсичных газообразных продуктов. Необходимо переходить к использованию биологического азота (азотфиксация), но пока эти способы не разработаны.

Микробные загрязнения почв происходят в результате попадания в почву бытовых и сельскохозяйственных отходов и отбросов, сточных вод, а также аэрозолей микробиологических производств. С отходами в почву попадают опасные микроорганизмы — патогенные, условно патогенные, токсинообразователи, способные вызвать различные заболевания. В почве очень хорошо сохраняются патогенные спороносные бактерии: возбудитель столбняка Clostridium tetani, сибирской язвы Bacillus anthracis, газовой гангрены Cl. perfringens. Энтомопатогенные препараты загрязняют почву спорами Bacillus thuringiensis. Эти препараты предназначены для уничтожения вредных насекомых в первую очередь непарного сибирского шелкопряда, поедающего листья деревьев, но в итоге споры бациллы попадают в почву, долго в ней сохраняются, размножаются и могут изменить состав комплекса почвенных микроорганизмов.

Нарушение экологической среды под влиянием разного рода токсикантов — одна из важнейших проблем современности, поэтому разработка принципов и методов ранней диагностики повреждения почвенной биоты под воздействием пестицидов, тяжелых металлов, нефтепродуктов, минеральных удобрений и других загрязнителей представляет собой насущную задачу биологии почв.

Один из общих принципов биологической оценки повреждений почвенной среды заключается в том, что микробная система почв при разного рода антропогенных загрязнениях реагирует сходным образом путем изменения состава активно функционирующих популяций, входящих в сообщество микроорганизмов. Последовательность этих изменений в градиенте концентраций загрязнителя следующая: сохранение стабильности сообщества (зона гомеостаза) — перераспределение доминирующих популяций (зона стресса) — преимущественное развитие устойчивых популяций (зона резистентности, зона развития резистентных видов) и полное подавление развития микроорганизмов (зона репрессии). Устойчивость почвенной системы по отношению к загрязняющим агентам оценивается по величине зоны гомеостаза, которая для разных почв варьирует в больших пределах. Таким образом, если за норму принять равновесное состояние биоты (зона гомеостаза), то степень повреждения оценивается по появлению изменений в сообществе на уровне последующих зон. Одна и та же концентрация загрязнителя может вызвать повреждения разной степени, поэтому при нормировании следует учитывать, что единого значения ПДК (предельно допустимая концентрация) для различных почв быть не может. Однако здесь описан лишь один из способов оценки. При разработке системы мониторинга состояния почвы в связи с антропогенными нагрузками необходимо использовать по крайней мере несколько показателей, характеризующих биологическую активность почв. Среди них должны быть показатели и реальной, и потенциальной биологической активности. Характеристика видового состава сообщества хороша, но трудна в исполнении. Поэтому часто характеризуют интенсивность дыхания, азотфиксации, денитрификации, ферментативную активность почв (4-8 ферментов), численность микроорганизмов прямыми микроскопическими методами или методом посева.

Слайды, презентации

Контрольные вопросы:

1.Ботаническая биоиндикация

2.Зоологическая биоиндикация

3.Почвенно-альгологическая индикация

4.Микробиологическая диагностика

5.Биологическая активность почв и её диагностика

6.Биологическая индикация загрязнения почвенной среды

7.Самоочищения почв и ПДК

8.Другие нормативные величины определения загрязнения почвенной среды и выращенной на ней с/х продукции

Литература:

8. Звягинцев Д.Г., Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв: Учебник. - 3-е изд., испр. и доп. - М.: Изд-во МГУ, 2005.

9. Звягинцев Д.Г. Микроорганизмы и почва. М.: МГУ, 1987.

10. Бабьева И.П., Зенова Г.М. Биология почв. М.: МГУ, 1989. с.336.

11. Мирчинк Т.Г.Почвенная микология.-М.: Изд. МГУ,1986.

12. Под ред. Черникова В.А., Черекеса А.И. Агроэкология. М., 2000 г.

13. Минеев В.Г., Ремпле Е.Х. Агрохимия, биология и экология почвы. М., 1990 г.

14. Экологические проблемы применения удобрений и воспроизводство почвенного плодородия (сборник научных трудов). Алматы, 1994 г.

Практическое занятие 1