Лекции.Орг


Поиск:




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





Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2016-11-20; Мы поможем в написании ваших работ!; просмотров: 1967 | Нарушение авторских прав


Поиск на сайте:

Лучшие изречения:

Надо любить жизнь больше, чем смысл жизни. © Федор Достоевский
==> читать все изречения...

1261 - | 1020 -


© 2015-2024 lektsii.org - Контакты - Последнее добавление

Ген: 0.01 с.