Индикация загрязнения почв тяжелыми металлами с использованием микробиологических показателей (на примере заповедного участка «Ямская степь»

Бакунович Н.О.¹, Хохлова О.С.¹, Русаков А.В.², Шаповалов А.С.³

¹ Институт физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН.

² Санкт-Петербургский государственный университет.

³ ФГБУ Государственный заповедник «Белогорье».

Введение.

Участок «Ямская степь» государственного природного заповедника «Белогорье» расположен на северо-востоке Белгородской области, где на относительно небольшой площади сосредоточен целый ряд предприятий горно-добывающей промышленности: Лебединский ГОК, Стойленский ГОК, комбинат «КМАруда», Оскольский металлургический комбинат, ТЭЦ и др. Ямская степь граничит непосредственно с Лебединским ГОК-ом и при сильном ветре, стоя на ее территории, можно наблюдать клубы пыли, поднимающиеся с отвалов предприятия. Значительные объемы перерабатываемого сырья для выплавки металла, технологические «хвосты» и отходы, недостаточно утилизируемые пылегазовыбросы и др. создают избыточную техногенную нагрузку на экосистемы окружающих территорий, прежде всего – на почвы, являющиеся ключевым и связующим звеном биогеоценоза.

Целью работы является оценка загрязнения почв и ландшафтов участка «Ямская степь» заповедника «Белогорье» тяжелыми металлами (ТМ) и другими микроэлементами на основе изучения мониторинговых площадок. При этом комплексные почвенные исследования проведены с использованием традиционных методов исследования общих свойств почв, с одной стороны, и чувствительных к загрязнению микробиологических тестов, с другой.

Объекты и методы исследования.

В 2013-14 гг. было исследовано 27 мониторинговых площадок (МП), все они имели названия, упоминаемые ниже. На всех МП были проведены полные описания растительного покрова и морфогенетический анализ полнопрофильных почвенных разрезов, даны названия почв согласно «Классификации и диагностики почв России» (2004). На 21 МП отбирались пробы на исследование микробиологической активности, из них в 17-ти - микробиологические исследования проведены дважды: в 2013-14 гг. В пробах со всех МП, отобранных с глубин 0-5 и 5-10 см, определялись содержание органического углерода, рНвод, гранулометрический состав и содержание тяжелых металлов (валовые формы). Определение содержания микроэлементов проводилось масс-спектральным методом с индуктивно-связанной плазмой (MS), либо атомно-эмиссионным методом с индуктивно-связанной плазмой (AES). Определение содержания Mn, Cd, Fe атомно-абсорбционным методом в ацетатно-аммонийной вытяжке (рН=4,8).

Микробиологическую (дыхательную) активность почв (Vbasal) измеряли в лабораторных условиях по интенсивности выделения СО₂ из почвы при увлажнении, соответствующем 65-70% от ППВ, и температуре 24^оС в 3-х кратной повторности. Также измерили скорость субстрат-индуцированного дыхания (VSIR) при внесении в почву избытка доступного для микробов субстрата – глюкозы (Anderson, Domsch, 1978). На основе измеренных Vbasal и Vsir рассчитали содержание микробного углерода (Сmic) и метаболический коэффициент (qCO2), (Благодатская и др., 1995).

Результаты и обсуждения.

Содержание С орг в верхнем слое (0-5 см) гумусово-аккумулятивного горизонта на изученных пунктах наблюдений варьирует от 3,69% (6,3% в пересчете на гумус) (МП Н4 Галичи) до 2,06 (3,6% в пересчете на гумус) (МП Н11 днище Суры) (рис. 1а). Поверхностные горизонты почв отличаются слабо кислой, близкой к нейтральной и нейтральной реакцией среды, то есть условиями, необходимыми для проведения микробиологического тестирования. Показатели кислотности большинства точек

а

б

Рис.1. Содержание органического углерода (а) и рНвод (б) в пробах с глубины 0-5 см МП.

наблюдения лежат в пределах 5,0 (МП Романово) – 6,4 (МП Барское) единиц pH. По гранулометрическому составу почвы МП довольно сходны и характеризуются средне- и тяжелосуглинистым составом, содержание физической глины варьирует от 42% до 54%.

Дыхательная активность почв выражается в довольно широком диапазоне (рис.2): от 0,6 мкгС/г*час (МП Н11 днище балки Суры, МП Н33 Садки) до 2,2 мкгС/г*час (МП Н7 Барское). Самые низкие значения зафиксированы на различных почвах: в стратоземе темногумусовом (днище балки Суры, МП Н11); черноземе глинисто-иллювиальном (Воробьево, МП Н18) и в темногумусовой метаморфизированной почве (Садки, МП Н33). Самые же высокие показатели базального дыхания обнаружены в темногомусовой маломощной почве (МП Н7 Барское) и в черноземе глинисто-иллювиальном (МП Н21 Еремкин лог), т.е. зависимость базального дыхания от типа почвы не прослеживается. Однако прослеживается некоторая зависимость от режима землепользования: на плакоре косимого участка Ямской степи (чернозем миграционно-мицелярный) уровень Vbasal выше, чем на плакоре некосимого участка (та же почва, участки расположены в нескольких метрах друг от друга).

Самые высокие значения содержания Сmic обнаружены в тех же МП, что и в случае с Vbasal. Максимальные значения Сmic достигают 168 мгC/100 г почвы (МП Н7, Барское) в темно-гумусовой маломощной почве. Минимальные же значения Сmic зафиксированы в темно-серой стратифицированной почве (МП Н15, Резников Яр) и в черноземе глинисто-иллювиальном (МП Н18, Воробьево), 30,1 и 20,6 мгC/100г почвы, соответственно. При этом уровень Vbasal на этих МП не был самым низким.

а

б

Рис.2. Содержание углерода микробной биомассы, мгC/100г почвы (а), уровень базального дыхания, мкгС/г*час (б).

Следует отметить, что в почвах МП Н15 (Резников Яр) и Н18 (Воробьево) наблюдаются самые высокие показатели метаболического коэффициента qCO₂: 0,369 и 0, 375, соответственно. Все остальные МП укладываются в диапазон от 0,052 до 0,143. На участках косимой Н12 и некосимой Н13 с черноземом миграционно-мицелярным Ямской степи были зафиксированы практически одинаковые значения qCO₂. С точки зрения антропогенного загрязнения, величины qCO₂, превышающие величины 0,1-0,2, отражают угнетение и нарушение микробного сообщества (Благодатская и др., 1995).

а

б

Рис.3. Метаболический коэффициент qCO2 (а), отношение базального дыхания к содержанию органического углерода (б).

Анализ удельной скорости базального дыхания (Vbasal/Сorg, мкгС/г*час), величины, которая может служить косвенной характеристикой устойчивости органического вещества к разложению, показал, что наименьшие значения зафиксированы в МП Воробьево (Н18) – 0,266 мкгС/г*час, и Садки (Н33) – 0,270 мкгС/г*час. Чем ниже значения Vbasal/Сorg, тем менее подвержено органическое вещество этих почв минерализации и соответственно более стабильно (Мостовая и др., в печати). Самые же высокие значения обнаружены в Барском (Н7) – 0,727 мкгС/г*час, и на участках косимой и некосимой степи (Н12, Н13) – 0,684 и 0,651 мкгС/г*час, соответственно. Для целей нашего исследования важно, что низкие значения удельной скорости базального дыхания означают уменьшение легкодоступного субстрата в органическом веществе, которое может быстро разлагаться микроорганизмами, и такие значения косвенно свидетельствуют об угнетенном состоянии микробного сообщества.

Изучение содержания ТМ было выполнено только для валовых форм и не в точках отбора проб, а в других местах в пределах МП. Повышенными концентрациями Сu выделяется МП Еремкин лог (Н21); Zn – Резников Яр (Н15); Zr – Барское (Н7), Резников Яр (Н15) и Косино (Н15); Sn и Pb – Должик (Н6) и Резников Яр (Н15); As – Воробьево (Н18). Лишь для одной из опробованных МП получена связь превышения ПДК с ингибированием микробного сообщества – это Резников Яр (Н15), который выделяется самым большим количеством превышений ТМ, по Zn, Zr, Sn и Pb, а коэффициент qCO₂ составляет здесь 0,369. Во второй МП, Воробьево (Н18), для которой получен самый высокий qCO₂ и в дополнение самая низкая удельная скорость Vbasal – 0,375, отмечается повышенное относительно других опробованных МП содержание мышьяка, которое, тем не менее, не превышает ПДК. В дальнейшем планируется выполнить определение концентраций ТМ в точках отбора проб, и не только валовых форм, но и подвижных, что позволит, на наш взгляд, получить более тесные корреляции между микробиологическими показателями и ТМ.

Список литературы

1. Благодатская Е.В., Ананьева Н.Д., Мякшина Т.Н. Характеристика состояния микробного сообщества по величине метаболического коэффициента // Почвоведение, 1995. № 2. С. 205–210.
2. Мостовая А.С., Курганова И.Н., Лопес де Гереню В.О., Хохлова О.С., Русаков А.В., Шаповалов А.С. Изменение микробиологической активности серых лесных почв в процессе естественного лесовосстановления // Вестник Воронежского гос. ун-та, серия Химия, биология, фармация. (Принято в печать)