Введение к работе
Актуальность темы исследования. Почвенный покров является саморегулирующейся биологической системой, важнейшей частью биосферы в целом (Галстян,1961; Звягинцев, 1978; Кауричев, 1979; Бабьева, 1989; Вальков, 1995; Саловарова, 1996; Вальков, 2004; Ананьева, 2007).
Воздействие человека на почву – составная часть общего влияния человеческого общества на земную кору и ее верхний слой, на природу в целом. В связи с ростом населения, особенно в развивающихся странах, деградацией почвенного покрова, его загрязнения, эрозии и так далее, а также вследствие отвода земель под застройку городов, поселков и промышленных предприятий, количество пашни на душу населения резко сокращается (Рева, 1978; Григорян, 1980; Муравьев, 1999; Герасимова, 2003).
Среди множества техногенных факторов, отрицательно воздействующих, на почвенный покров, особое место занимает загрязнение почв тяжелыми металлами (ТМ), такими как цинк, свинец, кадмий (Беспамятнов, 1985; Алексеев, 1987; Александров, 1990; Орлов, 1991; Колесников , 2001; Казеев, 2003; Латышевская, 2010). В этой связи особенно остро стоит вопрос о способах очистки почв от ТМ.
Знание особенностей воздействия химических веществ на биологические процессы в почве и механизмов устойчивости почв и растений к загрязнению должно стать основой для разработки методов предотвращения негативных последствий загрязнения (Колесников, 2006).
В настоящее время хорошо изучены различные способы очистки воды, но вопрос ремедиации почвы до сих пор остается открытым. По вопросу санации почв, загрязненных ТМ, существует два основных подхода. Первый направлен на очищение почвы от ТМ. Очищение может производиться путем промывок, путем извлечения ТМ из почвы с помощью растений, путем удаления верхнего загрязненного слоя почвы и т.п. Второй подход основан на закреплении ТМ в почве, переводе их в нерастворимые в воде и недоступные живым организмам формы. Для этого предлагается внесение в почву органического вещества, фосфорных минеральных удобрений, ионообменных смол, природных цеолитов, бурого угля, известкование почвы и т.д. Однако любой способ закрепления ТМ в почве имеет свой срок действия. Рано или поздно часть ТМ снова начнет поступать в почвенный раствор, а оттуда в живые организмы (Вальков, 2004).
В связи с вышесказанным представляло интерес провести исследования в лабораторных условиях по оценке эффективности сорбционной технологии ремедиации почв с использованием различных комбинаций природных сорбентов.
Цель исследований: оценка в лабораторных условиях экологического состояния разных типов почв, загрязненных тяжелыми металлами, в процессе ремедиации с использованием различных комбинаций сорбентов.
Задачи исследований:
-
Провести химико-аналитический контроль содержания ионов тяжелых металлов (Zn2+, Pb2+, Cd2+, Ni2+) в разных типах загрязненных почв (чернозем типичный, дерново–подзолистая и каштановая) в процессе ремедиации с использованием различных комбинаций сорбентов.
-
Оценить токсичность проб почв, загрязненных тяжелыми металлами, методами биотестирования на разных тест-объектах в процессе ремедиации с использованием различных комбинаций сорбентов.
-
Определить активность почвенного дыхания проб почв, загрязненных тяжелыми металлами, в процессе ремедиации с использованием различных комбинаций сорбентов.
-
Изучить качественный и количественный состав микроорганизмов проб почв, загрязненных тяжелыми металлами, в процессе ремедиации с использованием различных комбинаций сорбентов.
-
Провести сравнительный анализ эффективности сорбционной технологии ремедиации разных типов почв, загрязненных тяжелыми металлами, с использованием различных комбинаций сорбентов.
-
Разработать рекомендации для использования сорбционной технологии при очистке разных типов почв, загрязненных тяжелыми металлами.
Научная новизна работы
Впервые проведено комплексное исследование в лабораторных условиях эффективности использования сорбционной технологии для ремедиации разных типов почв и дана оценка их экологического состояния на основе химико-аналитического, экотоксикологического и микробиологического анализов. Установлено достоверное снижение концентраций ионов ТМ от исходных 100 ПДК до 1 и ниже в течение 30 суток в экспериментальных пробах почв при использовании комбинаций сорбентов: КАУ + клиноптилолит и КАУ + вермикулит. Выявлена взаимосвязь уровня токсичности проб почв для тест-объектов (Chlorella vulgaris Beijer и Daphnia magna Straus) с остаточным содержанием ионов ТМ. Показана высокая информативность определения активности почвенного дыхания как интегрального показателя для оценки экологического состояния почв в экспериментальных условиях в процессе ремедиации с использованием комбинаций сорбентов.
Выявлены закономерности изменения качественного и количественного состава микроорганизмов разных типов почв, загрязненных ТМ, в процессе ремедиации в зависимости от приоритетного загрязнителя и основных характеристик почв. Установлено резкое снижение микробного состава в пробах почв при одномоментном загрязнении 100 ПДК ТМ. Отмечено некоторое увеличение общей численности бактерий и флуктуационные изменения микробной системы, затрагивающие интенсивность микробиологических процессов, на 7 – 14 сутки ремедиации. Восстановление численности гетеротрофных бактерий, дрожжеподобных грибов и актиномицетов в разных типах почв, загрязненных ТМ, происходило к 30-м суткам при использовании комбинаций сорбентов. Установлено, что большей эффективностью обладает комбинация сорбентов КАУ + клиноптилолит (соотношение 1 : 3).
Теоретическая и практическая значимость. Полученные данные вносят существенный вклад в разделы факториальной экологии, изучающие действие тяжелых металлов на биологические характеристики почв, и прикладной экологии, связанные с разработкой методических подходов к реабилитации загрязненных почв и оценкой эффективности сорбционной технологии. Результаты исследования могут быть использованы:
– в научных целях при мониторинге экологического состояния антропогенно нарушенных почв, экологическом прогнозировании последствий деятельности человека на агроценозы и урбаноземы определенных территорий;
– в практике при подборе сорбентов в зависимости от характера и степени загрязнения почв и при использовании сорбционной технологии.
Результаты исследований внедрены в учебный процесс кафедры «Экология» СГТУ имени Гагарина Ю.А. при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Экология и рациональное природопользование», при чтении лекций и проведении практических занятий по дисциплинам: «Экологический мониторинг», «Прикладная экология», «Экотоксикология», «Экология микроорганизмов», «Почвоведение», при организации и проведении научно-исследовательских работ студентов, написании курсовых и дипломных работ. Результаты исследований внедрены также в учебный процесс кафедры «Микробиология и физиология растений» Саратовского государственного университета имени Н.Г. Чернышевского» по дисциплинам «Почвенная микробиология» и «Экология микроорганизмов».
Работа выполнена на базе Научно-образовательного центра «Промышленная экология» кафедры экологии СГТУ имени Гагарина Ю.А. в рамках НИР СГТУ 13 В «Разработка методов оценки и реабилитации загрязненных природных сред» (2009-2010 гг.) и ОКР «Почва» № госрегистрации 01200960905. Исследования поддержаны грантом Федеральной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (государственный контракт СГТУ-7, 2012-2013).
Основные положения, выносимые на защиту
-
Одномоментное загрязнение в лабораторных условиях разных типов почв: чернозема типичного, дерново-подзолистой и каштановой почвы тяжелыми металлами в концентрации 100 ПДК приводит к однотипному резкому снижению их биологической активности, выраженным изменениям качественного и количественного состава микробиоценозов.
-
Токсичность загрязненных проб почв коррелирует с содержанием в них ионов тяжелых металлов и снижением активности почвенного дыхания.
-
Использование комбинаций сорбентов: КАУ + клиноптилолит и КАУ + вермикулит с различным содержанием компонентов сопровождается снижением концентраций ионов тяжелых металлов в экспериментально загрязненных почвах до 1 ПДК и ниже и полным восстановлением количества гетеротрофных бактерий в составе микробоценозов в течение 30 суток.
Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на конференциях различного уровня: Международной конференции «Антропогенная трансформация природной среды» (Пермь, 2010); Международной экологической студенческой конференции «Экология России и сопредельных территорий» (Новосибирск, 2010); Международной научно-практической конференции «Вавиловские чтения 2010» (Саратов, 2010); XLIX 1-3 Всероссийских научно-практических конференциях «Экология: синтез естественно-научного, технического и гуманитарного знания» (Саратов, 2010-2012); Международной научной студенческой конференции «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2011); Международной Пущинской школе-конференции молодых ученых «Биология – наука ХХI века» (Пущино, 2011); Всероссийской научно-практической конференции молодежи «Экология родного края: проблемы и пути их решения» (Киров, 2011), 5-6 Всероссийских конференциях с международным участием «Экологические проблемы промышленных городов» (Саратов, 2011, 2013); Международной научно-практической конференции «Биотехнология: реальность и перспективы в сельском хозяйстве» (Саратов, 2013); Четвертом Международном экологическом конгрессе ELPIT-2013 (Тольятти, 2013); Шестой международной научно-технической конференции (Тольятти, 2013); I-м Кавказском экологическом форуме (Грозный, 2013) и Международном форуме «Евро-эко 2013» (Ганновер, Германия).
Личный вклад автора. Диссертант принимал непосредственное участие в проведении лабораторных химико-аналитических, экотоксикологических и микробиологических исследований. Обработка полученных данных, их интерпретация и оформление, а также разработка в итоге практических предложений осуществлены автором самостоятельно. Доля личного участия в публикациях составляет от 50 до 75%.
На основании материалов научного исследования были подготовлены проекты, с которыми автор участвовал в конкурсе «Лучший молодежный бизнес-проект СГТУ 2010» в рамках областной целевой программы «Развитие малого и среднего предпринимательства в Саратовской области» (проект поддержан грантом) и конкурсе «У.М.Н.И.К. – 2011» Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ, в том числе три статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 138 страницах. Состоит из введения, 6 глав, заключения и выводов, списка использованной литературы. Содержит 15 таблиц и 23 рисунка. Список литературы включает 176 наименований, из них 38 на иностранных языках.
