авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Оценка экологического состояния почв урбанизированных территорий, загрязненных нефтепродуктами и тяжелыми металлами (на примере г. владимира)

На правах рукописи

Феоктистова Ирина Дмитриевна ОЦЕНКА ЭКОЛОГИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ПОЧВ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ, ЗАГРЯЗНЕННЫХ НЕФТЕПРОДУКТАМИ И ТЯЖЕЛЫМИ МЕТАЛЛАМИ (НА ПРИМЕРЕ Г. ВЛАДИМИРА) Специальность 03.02.08 – Экология (биология)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Владимир 2012 2

Работа выполнена на кафедре экологии факультета химии и экологии Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» (ВлГУ) Научный руководитель Доктор биологических наук, профессор Трифонова Татьяна Анатольевна

Официальные оппоненты:

Доктор биологических наук, профессор, Российский государственный аграрный университет имени К.А.Тимирязева, зав. кафедрой земледелия и агрометеорологии Мазиров Михаил Арнольдович Доктор сельскохозяйственных наук МГУ им. М. В. Ломоносова, факультет почвоведения ведущий научный сотрудник Карпова Дина Вячеславовна

Ведущая организация: ГНУ Владимирский научно-исследовательский институт сельского хозяйства Россельхозакадемии

Защита состоится 20 апреля 2012 г. в 10.00 часов на заседании диссертаци онного совета ДМ 212.025.07 во Владимирском государственном универси тете имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, кор. 1, ауд. 335.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ВлГУ.

Автореферат разослан _ 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат биологических наук, доцент Н. В. Мищенко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований. В настоящее время отмечается по вышенный интерес к исследованию экологического состояния объектов ок ружающей среды урбанизированных территорий. Изучение почв и почвен ного покрова в таких исследованиях занимает важное место.

Городские почвы это совершенно особые, до сих пор мало изучен ные биологические системы, отличные по ряду свойств от природных. Они характеризуются высокой мозаичностью и неравномерностью профиля, значительным уплотнением, щелочной реакцией среды, загрязнением раз личными токсическими веществами.

Почвы урбанизированных территорий несут повышенную антропо генную нагрузку. Вследствие этого происходит процесс деградации поч венных профилей, их нормальное функционирование становится невоз можным. И в то же время почвы выполняют разнообразные экологические функции, главными из которых являются: пригодность для произрастания зеленых насаждений, способность сорбировать в толще загрязняющие ве щества и удерживать их от проникновения в почвенно-грунтовые воды и т.д.

Анализ соответствующей литературы и документальных данных по казывает, что в настоящее время при оценке экологического состояния тер риторий городов вопросы изменения комплекса показателей биологической активности почв, загрязненных нефтепродуктами, их самовосстанавливаю щая способность и загрязненность подвижными формами тяжелых метал лов (ТМ) могут служить ранними диагностическими признаками, позво ляющими заметить негативные изменения на начальных стадиях.

Изучение комплекса этих показателей позволит более точно понять направленность изменений, происходящих в городских почвах, а органам местного самоуправления принимать управленческие решения, направлен ные на устойчивое развитие урбанизированных территорий. Кроме того, следует учитывать, вопрос о безопасности для здоровья человека урожая, собранного в садах и огородах, находящихся на территории города.

Актуальность исследований обусловлена определением уровня за грязнения урболандшафтов с учетом их почвенных характеристик при ком плексном загрязнении.

Таким образом, в настоящей работе представлены результаты ис следований экологического состояния почв урбанизированных территорий крупного промышленного центра (г. Владимира), имеющих разные антро погенные нагрузки на почвенно-растительный покров.

Цель и задачи исследований. Целью исследования явилось изуче ние экологического состояния городских почв, находящихся в зонах антро погенного воздействия автозаправочных станций, промышленных зонах и районах, прилегающих к основным автотранспортным магистралям.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

- определить основные показатели физико-химического состояния трансформированных почв, в их числе: активную кислотность, массовую долю нефтепродуктов, накопление тяжелых металлов;

- составить карту загрязнения почв территории г. Владимира ТМ;

- провести модельный опыт по оценке миграционных свойств ТМ;

- изучить микробиологическую активность почв урбанизированных территорий г. Владимира по содержанию представителей р. Azotobacter и активность фермента уреазы;

- дать математическое описание дозо-ответной реакции активности фермента уреазы на комбинированное техногенное воздействие нефтепро дуктов и ТМ.

Научная новизна работы. Впервые проведены комплексные ис следования по оценке экологического состояния почв г. Владимира. Изуче ны изменения и составлены карты свойств почв, несущих повышенную ан тропогенную нагрузку в результате длительного воздействия на них хими ческих веществ органического происхождения (нефтепродуктов) и тяжелых металлов в связи с функциональным использованием территорий. Установ лены корреляционные зависимости между полученными показателями. Рас считана математическая модель дозо-ответной реакции почв по параметру уреазной активности (УА, ч–1) в зависимости от содержания нефтепродук тов (Cнi, мг/кг) и суммарного показателя загрязнения почв тяжелыми ме таллами (Zci). Оценены значимость и последствия антропогенной деятель ности, тенденция развития техногенного загрязнения почв урбанизирован ных территорий.





Основные положения, выносимые на защиту:

- повышенными значениями содержания нефтепродуктов характе ризуются верхние слои почвы АЗС, находящихся в эксплуатации более лет;

- наибольшим уровнем аккумуляции тяжелых металлов отличаются почвы промышленных зон и исторического ядра г. Владимира;

- рост активности азотобактера наблюдается в почве при повышен ном и пониженном содержании нефтепродуктов;

- фермент уреаза играет существенную роль в процессе самоочище ния городских почв, загрязненных нефтепродуктами и тяжелыми металла ми.

Практическое значение работы.

В условиях г. Владимира проведено комплексное многокомпонент ное исследование почв городских ландшафтов. Его результаты позволяют судить об изменении биологической активности почв урбанизированных территорий, что может служить теоретической основой для разработки мер по охране городских почв.

Доказано, что биоиндикационные исследования в совокупности с физико-химическими анализами являются информативными признаками для изучения экологической ситуации крупного промышленного центра.

Результаты работы могут быть использованы при оценке экологиче ского состояния почв природоохранными, производственными и научными организациями в землепользовании, планировании градостроения. Особен но они важны в области экологической экспертизы и нормирования, в про гнозировании антропогенного воздействия на окружающую среду. Инфор мационная база полученных результатов может использоваться при состав лении почвенных карт-схем экологического атласа г. Владимира.

Апробация работы.

Основные положения диссертации докладывались на Международ ных научно-практических конференциях «Экология речных бассейнов» 2002, 2005, 2009, 2011 гг;

Материалы IV-го Докучаевского общества почво ведов, 2004 г;

4th International Conference on Soils Urban Industrial, Traffic and Mining Areas, Nanjing, China, 2007г;

III Юбилейной международной научно практическая конференции «Экология регионов» 2010 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано девять ра бот, в том числе две статьи в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации.

Диссертация изложена на 160 страницах, состоит из введения, трех глав (литературный обзор, объекты и методы исследования, результаты ис следований и их обсуждение) выводов и восьми приложений. Работа со держит 11 таблиц, 35 рисунков. Список литературы включает 150 источни ков, из них 25 работ зарубежных авторов.

Благодарности. Автор выражает особую признательность своему научному руководителю д. б. н., профессору Татьяне Анатольевне Трифо новой за пристальное постоянное внимание к работе, ценные советы и ре комендации. Автор признателен за поддержку и методическую помощь к. т. н., профессору Н. В. Селивановой, к. б. н., доценту О. Н. Сахно, к. т. н., доценту А. Н. Краснощекову, к. х. н., доценту Л. А. Ширкину, также благо дарен всем сотрудникам кафедры экологии ВлГУ за помощь, оказанную в работе.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Глава 1. Литературный обзор В главе рассматривается экологическая роль почв в городской среде.

Изложены некоторые подходы к классификации городских почв (Н. С. Ка симов, 1995;

Н. В. Герасимова и др., 2003;

М. Н. Строганова, 1997, 2005;

).

Дан обзор литературы, раскрывающий воздействие атмотехногенного за грязнения почв и почвенного покрова нефтепродуктами и тяжелыми метал лами (Н. М. Исмаилов, 1988;



М. А. Глазовская 1988;

В. С. Гузеев, 1989;

E. M. Bridges, 1989;

Г. В. Добровольский, 1997;

С. Л. Давыдова, 2002, Д. С. Орлов, 2002 и др.)). Описано их воздействие на организм человека.

Рассмотрены вопросы биологической диагностики и мониторинга состоя ния почв урболандшафтов (А. Х. Мукатанов, 1980;

Н. М. Исмаилов, 1988;

А. В. Кураков, М. А. Глазовская, 1988, 1992;

Б. М. Латыпов, 2000;

С. А. Трифанов, 2000).

В этом загрязнении большую роль играют не только стационарные промышленные предприятия, но и мобильные источники, особенно авто транспорт, количество которого с увеличением размеров городов и их насе ления постоянно повышается. Если 15 20 лет назад атмосферу города за грязняли в основном отходы промышленности и энергетики, то сегодня «пальма первенства» перешла к «химическим фабрикам на колесах» авто транспорту, на долю которого приходится до 90 % всех выбросов в атмо сферу.

В последнее десятилетие во всем мире интерес к тяжелым металлам как загрязнителям окружающей среды возрос. Прежде всего, это связано с фактами острых токсикозных эффектов, вызванных попаданием в организм человека ТМ.

Глава 2. Объекты и методы исследований Исследования были проведены на почвах г. Владимира, являющего ся крупным промышленным и культурным центром ЦФО России. Населе ние города около 360 тыс. чел.;

в поселках, входящих в городскую черту, проживает до 13 тыс. чел. Площадь города 7940 га, в том числе территория городской застройки 6880 га;

селитебная зона – 2030 га. Город расположен на границе двух различных природных районов – лесной Мещеры и Опо лья.

Основные почвы области и города трансформированные светло серые лесные и дерново-подзолистые. Почвы характеризуются небольшой мощностью дернового горизонта, сравнительно низким содержанием гуму са и питательных веществ. Они бедны валовыми запасами и подвижными формами азота и фосфора. В центре Владимира почвы формируются на мощном культурном слое – наследии прошлых эпох, а на окраинах, в рай онах нового строительства, почвообразование развивается на свежих на сыпных или перемешанных грунтах.

Естественный почвенный покров на большей части городских тер риторий уничтожен и сохранился лишь островками в городских лесопарках.

Характерны отсутствие генетических горизонтов и наличие различных по окраске и мощности слоев искусственного происхождения. В промышлен ных зонах преобладают химически загрязненные индустриземы, вокруг АЗС формируются интруземы, пропитанные масляно-бензиновыми жидко стями, а в районах новостроек – почвоподобные тела (реплантоземы).

Город Владимир – крупный промышленный центр (свыше 50 круп ных и средних предприятий), поэтому на его территории сложилось не сколько функционально промышленных зон.

Объектами исследования послужили почвы города в местах распо ложения автозаправочных станций на магистральных потоках и федераль ной трассе Москва Казань, а также территорий, находящихся под воздей ствием промышленных предприятий. В качестве контрольных образцов бы ла использована необрабатываемая огородная почва в экологически чистом районе. Анализировались верхние горизонты (1-й слой – 0 10 и 2-й – 10 20 см).

Отбор проб почвы проводился в соответствии с ГОСТ 17.4.4.02- "Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химиче ского, бактериологического, гельминтологического анализа". Точечные пробы отбирались из поверхностных горизонтов методом конверта, по диа гонали.

Для проведения исследований было отобрано более 400 почвенных проб, проведено около 2000 анализов.

Активную кислотность определяли методом потенциометрии на универсальном иономере «Электрон-001». Определение массовой доли нефтепродуктов в почвах проводили на анализаторе жидкости «Флюорат 02-2М» по ПНДФ 16.1.21-98. Рентгенофлуоресцентное определение содер жания тяжелых металлов проводили на приборе спектроскан «МАКС G».

При исследовании биологической активности городских почв оце нивали численность индикаторных бактерий рода Azotobacter на безазоти стой среде Эшби методом почвенных комочков (Кутузова Р. С. Микробио логическая трансформация, 1994). Ферментативную активность исследуе мых почв определяли по активности фермента уреазы экспресс-методом (Аристовская Т. В. Экспресс-метод определения, 1989).

Многофакторный регрессионный анализ по мониторинговым дан ным почв города осуществлен в среде Mathcad с применением метода наи меньших квадратов и алгоритма оптимизации Левенберга-Маркварда.

Расчет верхней оценки концентрации ТМ произведен на основе тео ремы Шеннона как верхней оценке границы концентрации.

Статистическую обработку результатов проводили с использовани ем программ Excel с последующим транспонированием. Результаты анали зировались в программах Statistica, MapInfo.

Глава 3. Результаты исследований и их обсуждение 3.1. Активная кислотность исследуемых почв. Активная кислот ность (pH) является одной из наиболее важных характеристик при исследо вании деградационных изменений почв урбанизированных территорий. Не смотря на простоту определения, значение pH зависит от множества взаи модействующих природно-техногенных факторов и служит информатив ным показателем возможного содержания питательных веществ в почве, пригодности ее для произрастания растений и т.п.

Результаты наших исследований показали, что реакция почв повы шенная по отношению к контролю. Среднее значение рН составило 7,41, максимальное – 8,18;

минимальное – 6,64 (рис. 1).

В основном наблюдает ся следующая закономерность:

верхний горизонт почвы отли чается от нижнего более высо кой щелочностью, что под тверждает техногенное загряз нение почв. Подщелачивае мый эффект достигается в ре зультате попадания в почву через поверхностный сток и дренажные воды хлоридов кальция и натрия, а также дру Рис. 1. Активная кислотность в гих солей, которые использу исследуемых почвах ют для посыпания тротуаров и дорог в зимнее время года. Другой причиной могут быть соединения каль ция, которые высвобождаются под действием кислотных осадков, из об ломков строительного мусора, цемента и кирпича, имеющих щелочную среду;

щелочные пылевые выпадения, а также временное складирование отходов производства.

Выявлена чет кая корреляционная зависимость активной кислотности в почвен ных слоях (рис.2). Это способствует депони рованию загрязнителей в верхнем слое, поэто му при рекультивации целесообразно снимать верхний слой загряз ненной почвы. Рис. 2. Корреляционная зависимость активной кислотности в почвенных слоях 3.2. Загрязнение почв нефтепродуктами. Это особый вид загрязне ния, который приводит к глубокому изменению практически всех основных характеристик почвы, а нередко и к формированию новых свойств. Основ ная причина – химический состав нефти, которая представляет собой смесь нескольких десятков индивидуальных веществ.

Особенностью нефтяного загрязнения в условиях городских экоси стем является его стационарное состояние, поэтому мы можем рассматри вать такое понятие как концепция критических нагрузок, которая основана на биогеохимических принципах и предполагает определение того уровня поступления поллютантов, когда начинается их вредное воздействие на эко системы. Содержание нефтепродуктов в исследованных почвах АЗС коле балось в пределах от 40 до 4961 мг/кг почвы (рис. 3).

Повышенные концентра ции нефтепродуктов вы явлены в почвах АЗС, на ходящихся в эксплуата ции длительное время (более 30 лет) (№ 4, 11, 15, 16, 21, 25).В целом, выявлена следующая за висимость содержания нефтепродуктов в поч венных горизонтах: в верхнем – содержание массовой доли нефтепро Рис. 3. Массовая доля нефтепродуктов дуктов больше, чем в в исследованных почвах АЗС нижнем.

(т. 26 и 27 – территория парковой зоны) Исключение составляют АЗС, на которых проведена рекультивация:

удаление верхнего, наиболее загрязннного слоя почвы, его захоронение и нанесение на загрязннную почву слоя чистой плодородной земли мощно стью до 10 см.

Полученные нами результаты позволяют отнести почвы г. Владими ра по содержанию массовой доли нефтепродуктов: к незагрязненным и сла бозагрязненным – 25 % (почвы АЗС, прошедшие санитарно-гигиеническую обработку);

к средней степени загрязнения – 50 % и к сильнозагрязненным – 25 %.

Также отмечается закономерность, что при высоких значениях рН содержание нефтепродуктов наибольшее в обоих исследуемых слоях поч вы.

3.3. Загрязнение городских почв тяжелыми металлами.

Были исследо ваны образцы почв на содержание тяжелых металлов всех трех классов опасно сти (Zn, Cu, Ni, MnO, Fe2O3, Pb, Cr, As, Sr, TiO2, V, Co) (рис. 4).

В почвах города соз дается положитель ный баланс тяжелых металлов, в результа те чего практически повсеместно имеет Рис. 4 Карта отбора проб место превышение их фонового содержания и верхней оценки границы кон центрации (табл. 1).

Таблица Содержание тяжелых металлов в почвах г. Владимира (слой 0 10 см),мг/кг Зона Свинец Цинк Медь Кобальт Хром Никель Фон 14,9 47,3 - 4,6 84,0 35, Верхняя оценка границы концентрации 46,8 71,9 17 16,7 101,8 113, Превышение (%) от обще го количества проб к 57,5 77,5 84,5 24,0 7,0 0, верхней оценке границы Цинк является приоритетным загрязнителем исследуемой террито рии по отношению к верхней оценке границы концентрации (77,5 %). Наи более отчетливо дифференциация функциональных зон по распределению цинка выражена в местах размещения отходов (гальваношламов) на терри ториях промышленных предприятий.

Содержание свинца превышает примерно в 5 раз фоновое значение на территории с интенсивным воздействием промышленных факторов и зон транспортных магистралей. Различия между отдельными функциональны ми зонами незначительны. Исключение составляют естественные ландшаф ты, расположенные за пределами интенсивного влияния техногенных фак торов.

Уровень загрязнения почв города медью также весьма значителен (84,5 % от общего количества проб). Максимальное содержание элемента характерно для промышленной зоны, где в среднем верхняя граница оценки концентрации превышена в восемь раз. Наибольший уровень аккумуляции, как и в случае с цинком, характерен для почв площадок размещения произ водственных отходов (гальваношламов). Значительное содержание отмече но в транспортной зоне с высокой интенсивностью движения.

Анализ данных по содержанию хрома в почвах города позволяет сделать вывод: максимальная аккумуляция элемента в промышленной зоне, наблюдается снижение в транспортной и близкое к фоновому содержание на других территориях. Уровень накопления элемента не высок, что связано с его слабой эмиссией от выбросов промышленных предприятий.

Повышенный уровень загрязнения почв города кобальтом отмечен более чем в 24 % исследованных проб. Аккумуляция элемента по сравне нию с верхней границей оценки концентрации в среднем составила три раза.

В исследуемых урболандшафтах никель не является приоритетным загрязнителем. Максимальное содержание элементов никеля и кобальта (превышение почти в 10 раз) характерно для промышленной площадки на стыке машиностроительных предприятий.

Отмечено повышенное содержание мышьяка на большей части территории города (максимальное в 25 раз): одна – историческое ядро (Вла димир один из древнейших городов России, в котором жили кузнецы, гон чары и оружейники);

другая – территории, примыкающие к промышленным предприятиям.

Данные наших исследований выявили повышенное содержание ванадия по отношению к фоновому значению (максимальное в 3 раза) вдоль трассы Москва – Нижний Новгород, исторический центр города, а также район Доброго на производственных площадках, прилегающих к ТЭЦ.

Превышение содержания титана отмечено вдоль автотрассы Моск ва – Нижний Новгород, район завода «Электроприбор».

Повышенное содержание железа отмечено практически на всей тер ритории г. Владимира. Превышение валового содержания железа имеется на ул. Добросельская, в районе тепличного хозяйства и др. Высокий уро вень накопления элемента обусловлен, по-видимому, повышенной фоновой концентрацией для данной почвенно-геохимической ассоциации.

Марганец, как и железо не относится к токсичным загрязнителям.

Анализ наших исследований показал, что содержание элемента по отноше нию к фоновому значению превышает этот показатель в историческом цен тре города, вдоль автомагистрали Москва – Нижний Новгород.

Превышение концентрации стронция обнаружено на промышлен ных территориях Тракторного завода и завода «Точмаш», Электромоторно го завода, Владимирского завода керамических изделий.

Разработаны карты аккумуляции тяжелых металлов на исследуемой территории и выявлены зоны с повышенным фоновым значением и превы шением верхней оценке границы концентрации.

На рис. 5 пред ставлен суммарный по казатель загрязнения почвы, характеризую щий степень химиче ского загрязнения об следуемых территорий, который зависит не только от набора и уровня содержания конкретных элементов, но и особенностей их Рис. 5. Суммарный показатель загрязнения взаимного воздействия почв г. Владимира тяжелыми металлами на биоту.

Таким образом, на основе изучения содержания исследуемых тяже лых металлов в поверхностных горизонтах почв г. Владимира выявлено, что превышение фонового значения элементов отмечено практически на всей территории города. Наибольшая аккумуляция ТМ наблюдается на сты ке промышленных зон, чему сопутствуют особенности характерной рель ефной дисперсии.

Миграция и трансформация ТМ в почвенных образцах в раз личных физико-химических условиях. С целью исследования миграции ТМ в различных физико-химических условиях были поставлены модельные опыты на образцах почв, отобранных из верхнего генетического гори зонта А.

В почвах урболандшафтов наблюдается повышенная активная ки слотность. Но под влиянием кислотных выпадений рН почв неизменно уменьшается. Исследование миграции ТМ проводили на образцах почв го могенного состава в различных физико-химических условиях: рН = 3 и рН = 5;

ТМ в форме растворимых солей и гидроксидов. Кроме того, отдель но исследовалась миграция свинца.

Большая часть соединений металлов аккумулируется в верхнем слое почвенных образцов. Поэтому миграционную способность тяжлых метал лов наилучшим образом характеризуют результаты балансовых расчтов (табл. 2), где показано соотношение доли элемента, аккумулировавшегося верхним четырехсантиметровым слоем почвы (1-й слой) и доли этого эле мента, прошедшей в нижележащие слои (2-й слой). Расчт осуществлялся относительно дозы металла, внеснной в образцы почв.

Таблица Результаты балансовых расчтов (процент от внеснного количества металла) Cr Co Ni Cu Zn Pb pH 1 2 1 2 1 2 1 2 1 2 1 5,0 44,3 55,7 100 0,0 11,9 88,1 9,9 90,1 10,0 90,0 3,4 96, 3,0 37,9 62,1 71,2 28,8 7,5 92,5 7,7 92,3 6,5 93,5 16,2 83, Наибольшую миграционную способность во всех почвенных образ цах проявляют медь, свинец и цинк, а наименьшую – кобальт. Эта тенден ция выдерживается устойчиво независимо от состава почвенных образцов и pH промывных вод.

Сравнивая по относительной миграционной способности элементы в почвенных образцах, имеющих одинаковую плотность и средний диаметр частиц, но отличающихся по химическому составу, можно сделать вывод, что в верхних органогенных горизонтах скорость перераспределения тяж лых металлов оказывается в целом ниже, чем в нижележащих суглинистых, содержащих мало органического углерода. Процессы миграции ТМ из рас творов солей и гидроксидов качественно не отличаются.

Анализ результатов модельного опыта показал, что миграция тяже лых металлов при выпадении кислотных осадков будет происходить интен сивнее.

3.4. Микробиологическая активность исследуемых почв. Микроб ные сообщества почв города сохраняют некоторые природные экологиче ские ниши и в то же время начинают осваивать возникшие новые микрозо ны антропогенного характера.

Исследование биологической активности городских почв проводи лось по двум показателям: численности индикаторных бактерий рода Azotobacter и активности фермента уреазы.

Интенсивность развития Azotobacter chroococcum на загрязненной нефтепродуктами почве демонстрируют снимки, полученные с применени ем растрового электронного микроскопа Quanta 200 3D (рис. 6, 7).

Рис. 7. Компоненты коллоидной системы Рис. 6. Минеральная фракция почвенного образца в присутствии контрольного почвенного образца (горизонт А) Azotobacter chroococcum Было установлено, что азотобактер распределен в почвах г. Владими ра неравномерно как в пространстве, так и по почвенному профилю. Про слеживалась следующая тенденция содержания азотобактера: наибольшее его количество наблюдалось при слабом загрязнении почвы нефтепродук тами (до 1000 мг/кг);

при среднем загрязнении (до 2000 2500 мг/кг) – зна чения содержания азотобактера опускались до минимума, а при повышен ных содержаниях нефтепродуктов (более 2500 мг/кг) численность его опять начинала увеличиваться (табл. 3). Это связано с тем, что, по-видимому, в таких почвах увеличивается содержание легкодоступного органического вещества, что стимулирует рост и развитие азотобактера. Интенсификации азотфиксации способствует также слабощелочная реакция урбаноземов.

Таблица Содержание нефтепродуктов и азотобактера в урбопочвах автозаправочных станций Нефтепродукты Количество колоний рН Номер пробы 10-20 см, мг/кг азотобактера 10-20 см слой 10-20 см 1 38 49 7, 2 210 45 7, 3 220 48 7, 4 350 48 7, 5 710 48 7, 6 107- 39 7, 7 1160 38 7, 8 1180 38 6, 9 1550 45 7, 10 1600 44 7. 11 2780 48 7, 12 3510 47 7, 13 4780 50 7, Контроль 22 2 6, Выявлена корреляционная зависимость количества колоний азото бактера между нижним и верхним почвенными слоями на всей исследо ванной территории. На рис. 8 показана корреляционная зависимость меж ду активной кислотностью почвы и количеством колоний азотобактера.

Рис. 8. Зависимость количества колоний азотобактера от активной кислотности Очевидно, что количество колоний азотобактера увеличивается при подщелачивании среды, характерной для урбаноземов. Возможно, при оп ределенных условиях загрязнения почв происходят перераспределение до минирования среди активно функционирующих в почве микроорганизмов, отбор устойчивых популяций азотобактера и установление нового динами ческого состояния.

Одним из диагностических критериев самоочищения почвы являет ся ферментативная активность, так как, с одной стороны, она достаточно достоверно определяется в лабораторных условиях, а с другой очень чут ко реагирует на изменение внешних условий. Фермент уреаза обладает строгой специфичностью действия: расщепляет только мочевину и не воз действует на ее производные соединения. Активность уреазы в исследован ных почвах неодинаковая: при слабом загрязнении почвы нефтепродуктами – минимальной, причем в некоторых случаях она оставалась неизменной в течение 9 ч;

при среднем – скорость разложения мочевины была высокой, а при сильном загрязнении (более 2000 мг/кг) – происходило постепенное снижение активности уреазы (рис. 9).

В зонах с высокой антропогенной на грузкой активность уреазы была наи большей, причем в некоторых случаях pH достигало мак симального значе ния уже через 4 ч опыта. Мочевина также энергично разлагалась в кон трольном образце.

Рис. 9. Уреазная активность почв г. Владимира В освоенной почве активность уреазы была невысокой, и процесс разложения мочевины развивался медленно, причем увеличение pH на 1 – единицы (по отношению к исходному уровню 6,0) запаздывало на несколь ко часов по сравнению с контролем. С одной стороны, это связано с не большим количеством органических веществ, а с другой – свидетельствует о низкой способности почв к самоочищению.

Оценка средних значений уреазной активности осуществлялась ме дианным методом. Среднее время нарастания составило 1,7 часа.

Для оценки отклика почв на комбинированное техногенное воздей ствие построена математическая модель дозо-ответной реакции по парамет ру уреазной активности (УА, ч–1) в зависимости от содержания нефтепро дуктов (Cнi, мг/г) и суммарного показателя загрязнения почв тяжелыми ме таллами (Zci). Она имеет вид двухмерного параболического гиперболоида в логарифмических координатах (рис.10):

УА a0 a1 ln Cн a2 ln Zc a3 ln 2 Cн a4 ln Cн ln Zc a5 ln 2 Zc где a0, a1, a2, a3, a4, a5 – эмпирические коэффициенты.

Область максимальных значений уреазной ак тивности наблюдается при концентрациях нефтепродуктов от до 5461 мг/кг и по пока зателю суммарного за грязнения тяжелыми металлами от 3 и до 11.

При концентрациях ТМ, близких к фоновым, предельное значение Рис. 10. Вид поверхности доза-ответ для показателя концентрации нефте- уреазной активности почв в двухмерном пространстве факторов продуктов составляет 253 мг/кг;

превышение этой величины приводит к угнетению уреазной активности. Для концентра ций ТМ, соответствующих Zc = 11, предельное значение концентрации нефтепродуктов составляет 34910 мг/кг, при этом уреазная активность дос тигает наивысших значений, а за пределами указанных значений уреазная активность нелинейно убывает.

Быстрое нарастание активности уреазы и высокий уровень ее в за грязненных образцах свидетельствует о высокой устойчивости этого фер мента к ингибирующим факторам;

следует полагать, что этот фермент иг рает большую роль в самоочищении таких почв.

С одной стороны, невысокая активность уреазы и медленное ее на растание в почвах с пониженной антропогенной нагрузкой, возможно, свя зано с небольшим количеством органических веществ, что неблагоприятно сказывается на функционировании данного фермента. С другой стороны, низкий уровень уреазы в почвах некоторых АЗС, возможно, свидетельству ет о низкой способности почв к самоочищению.

Полученные нами данные позволяют говорить об изменениях функ циональных (уреазная активность, активность азотобактера) характеристик микробных ценозов, о способности почв к самовосстановлению.

Влияние повышенных концентраций нефтепродуктов на биоло гическую активность. Для выявления влияния более высоких концентра ций нефтепродуктов в почве на активность азотобактера и фермента уреазы был поставлен модельный опыт. Максимальное содержание нефтепродук тов в почвах отобранных образцов составило 5000 мг/кг. В качестве мо дельных образцов использовались окультуренная почва и почвы с повы шенной антропогенной нагрузкой, в качестве модельных токсикантов – нефть Апшеронского месторождения (Азербайджан), нефть Тюменского месторождения и отработанные моторные масла.

Анализ результатов модельного опыта показал, что повышенные концентрации нефтепродуктов (10 и 20 кг/м2) не оказывают угнетающего влияния на рост и развитие бактерий рода Azotobacter. Они остаются мак симальными (100 %), а также не наблюдается изменений в нарастании уре азной активности, следовательно, азотобактер является оперативным инди катором загрязнения почв нефтепродуктами даже в малых их дозах.

ВЫВОДЫ 1. Исследованные почвы имеют выраженный слабощелочной характер.

Максимальный уровень рН отмечен в районе с наибольшей техногенной нагрузкой, что способствует депонированию загрязнителей в верхнем поч венном слое. Повышенные концентрации нефтепродуктов до 4961 мг/кг выявлены в почвах АЗС, находящихся в эксплуатации длительное время (более 30 лет).

2. Проведено зонирование городских почв Владимира по содержанию в них ТМ. Приоритетными загрязняющими веществами являются соедине ния меди, цинка и свинца. Наибольший уровень аккумуляции ТМ имеют почвы промышленных зон, где скопились отходы в виде гальваношламов.

Почвы исторического ядра города характеризуются глубинным реликтовым загрязнением, в состав которого входят мышьяк, марганец, хром, никель.

3. Моделирование процесса миграции ТМ показало, что наибольшую миграционную способность во всех почвенных образцах проявляют соеди нения меди, свинца и цинка, а наименьшую – кобальта. Процессы миграции ТМ из растворов солей и гидроксидов качественно не отличаются.

4. Установлены следующие особенности содержания азотобактера в загрязненных почвах: наибольшее его количество наблюдалось при слабом загрязнении почвы нефтепродуктами (до 1000 мг/кг);

при среднем загряз нении (до 2000 – 2500 мг/кг) значения содержания азотобактера опускались до минимума, а при повышенных содержаниях нефтепродуктов (более мг/кг) численность его опять начинала увеличиваться, что связано с повы шением содержания легкодоступного органического вещества, стимули рующего рост и развитие азотобактера.

5. В загрязненных городских почвах активность уреазы значительно возрастает по сравнению с контролем. Следует полагать, что уреаза играет существенную роль в процессах их самоочищения.

6. Повышенные концентрации тяжелых металлов стимулируют на растание уреазной активности в присутствии незначительных концентраций нефтепродуктов. Максимальные значения понижаются при повышении этих концентраций и по мере увеличения загрязненности почв ТМ.

7. Математическое моделирование дозо-ответной реакции по пара метрам уреазной активности в зависимости от содержания нефтепродуктов и суммарного показателя загрязнения почв (Zc) позволило определить об ласть ее максимальных значений. Повышенные концентрации ТМ (Zc от до 11) в присутствии нефтепродуктов в количестве 253 мг/кг способствуют значительному повышению уреазной активности. Это свидетельствует о высокой устойчивости данного фермента к ингибирующим факторам. Низ кий уровень уреазной активности в почвах может свидетельствовать о низ кой способности почв к самоочищению и необходимости рекультивации.

8. Основные показатели физико-химического состояния трансфор мированных почв: активная кислотность, массовая доля нефтепродуктов и накопление тяжелых металлов в совокупности с биологической диагности кой могут служить ранними диагностическими признаками, позволяющими оценить процессы деградации в урболандшафтах на начальных стадиях.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Феоктистова, И. Д. Оценка экологического состояния почв урбанизиро ванных территорий, загрязненных нефтепродуктами / И. Д. Феоктистова, О. Н. Сахно, А. Г. Журавлева // Известия Самарского научного центра РАН. – 2011. № 1(5). – С. 1233. – ISSN 1990-5378.

2. Феоктистова, И. Д. Диагностика процессов цикла азота в оценке биоло гической активности городских почв / И. Д. Феоктистова, О. Н. Сахно, А. Г. Журавлева, // Экология урбанизированных территорий. – 2011. – № 2. – С. 98. – ISSN 1816-1863.

3. Феоктистова, И. Д. Влияние загрязнения воды тяжелыми металлами на микроэлементный состав гидробионтов / И. Д. Феоктистова, Е. П. Гришина, А. Г. Ковалев // Экология речных бассейнов : тр. II Междунар. науч.-практ.

конф. – Владимир, 2002. – С. 296.

4. Чеснокова, С. М. Экологическая оценка почв городских ландшафтов, за грязненных нефтепродуктами / С. М. Чеснокова, И. Д. Феоктистова // Поч вы национальное достояние России : материалы 4-го Докучаевского об щества почвоведов. – Новосибирск : Наука-Центр, 2004. – С. 649.

5. Феоктистова, И. Д. Микробиологическая и ферментативная активность нефтезагрязненных почв урбанизированных территорий / И. Д. Феоктисто ва, О. Н. Сахно // Экология речных бассейнов : тр. III Междунар. науч. практ. конф. – Владимир, 2005. – С. 516.

6. Feoktistova, Irina. Urban soils technogenic pollution in the petrol station af fecting areas. 4th International Conference on Soils Urban Industrial, Traffic and Mining Areas. – Nanjing. China, 2007. – С. 183.

7. Феоктистова, И. Д.Оценка загрязнения почв урбанизированных террито рий нефтепродуктами (на примере г. Владимира) / И. Д. Феоктистова // Экология речных бассейнов : тр. IV Междунар. науч.-практ. конф. Влади мир, 2009. С. 280. – ISBN 978-5-93907-039-3.

8. Феоктистова, И. Д. Оценка активной кислотности почв городских ланд шафтов (на примере г. Владимира) / И. Д. Феоктистова // Экология региона:

тр. III Юбилейной междунар. науч.-практ. конф. Владимир, 2010. С. 79.

9. Феоктистова, И. Д. Ферментативная активность как один из показателей диагностического мониторинга загрязнения почв урболандшафтов / И. Д.

Феоктистова // Экология речных бассейнов : тр. VI Междунар. науч.-практ.

конф. Владимир, 2011. С. 190. ISBN 978-5-93907-063-8.



 


Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.