Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Характеристика почв антропогенно нарушенных территорий (обзор литературы) 10
1.1 Почвенный покров как основной составляющий элемент природной экосистемы 10
1.2 Антропогенное воздействие на почвы городских ландшафтов 15
1.3 Виды функциональных зон городских территорий 21
1.4 Методы экологического мониторинга городских почв 26
ГЛАВА 2 Объект исследования 36
2.1 Эколого-географическая характеристика города Саратова 36
2.2 Объект исследования 61
ГЛАВА 3 Материалы и методы исследования 67
3.1 Методы микробиологических исследований 67
3.2 Методы биохимических исследований 69
3.3 Определение интегрального показателя биологического состояния почвы 77
2.2.4 Статистическая обработка данных 78
ГЛАВА 4 Микробиологический и биохимический анализ состояния почв овражно-балочной сети г. Саратова 80
4.1 Характеристика микробоценозов почв разных функциональных зон г. Саратова 80
4.2 Характеристика показателей ферментативной активности и «дыхания» почв разных функциональных зон г. Саратова 88
ГЛАВА 5 Оценка городских почв овражно-балочной сети по значениям интегрального показателя биологического состояния 100
заключение 104
Выводы 107
Используемые сокращения 109
Список использованной литературы 110
- Виды функциональных зон городских территорий
- Объект исследования
- Методы биохимических исследований
- Характеристика показателей ферментативной активности и «дыхания» почв разных функциональных зон г. Саратова
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Совершенствование экологического мониторинга состояния городских почв является одной из актуальных задач в области прикладной экологии и востребовано в практической деятельности экологических служб.
Проблема оценки степени антропогенной нагрузки на городские почвы требует особого внимания, поскольку влияние промышленности, процессов строительства, негативное воздействие отработанных газов автотранспорта приводит к изменению почти всех свойств городских почв, выполняющих важнейшие экологические функции (Яшин, 2000; Строганова, 2001; Макаров, 2002; Сизов,2006; Байбеков, 2007; Мотузова, 2007; Яковлев, 2011).
Пути решения проблемы негативного воздействия на городские почвы и методологические подходы к изучению их состояния в промышленных центрах изложены в ряде работ (Березин, 2013; Гродницкая, 2013; Корчагина, 2014;Писарчук, 2014), в каждой из которых предложена своя система выбора показателей для экологического мониторинга. Несмотря на большое количество исследований в этой сфере, до настоящего времени не создана единая система мониторинга и оценки экологического состояния городских почвенных экосистем.
Количественное содержание микроорганизмов в почве является достоверным
биологическим индикатором, характеризующим состояние урбосистем и
осуществляющих в ней важные биохимические процессы (Жиляков, 2008; Фомина, 2013; Бородулина,2014).С функциональной активностью микроорганизмов тесно связана и интегральная ферментативная активность почв (Улигова, 2009; Бурлакова, 2010; Конышева, 2011; Денисова, 2012). Вместе эти показатели определяют для общейбиологической характеристики почв и вычисления интегрального показателя биологического состояния – ИПБС (Казеев, 2003; Бабаев, 2009; Колесников, 2013; Яковишина, 2013).
В настоящее время использование геоинформационных технологий в экологическом мониторинге городских почв может позволить более быстро и точно произвести анализ биологических показателей окружающей среды и, следовательно, сделать более точные прогнозы и расчеты экологических рисков (Бобырев и др., 2010; Тихомирова и др., 2011; Подольский и др., 2012). Данный подход позволяет провести анализ больших объемов необходимой информации, на основании которой далее вырабатываются научно обоснованные и эффективные решения в области экологической реабилитации загрязненных сред (Баренбойм, 2008; Бобырев и др., 2009-2013; Зилова, 2004).
Для г. Саратова решение проблемы совершенствования экологического
мониторинга почв имеет особое значение, поскольку он относится к числу
крупнейших городов Нижнего Поволжья. На территории города находится большое
количество крупных промышленных предприятий химии, нефтехимии,
нефтепереработки, стройиндустрии, машиностроения, энергетики, имеющих
федеральное значение. В тоже время по ландшафтно-географическим особенностям г. Саратов относится к типичным правобережным городам Поволжья с преобладанием овражно-балочной сети, с характерным ветровым потенциалом и формированием «островов тепла» (Макаров и др., 2001; Яшков, 2008; Быкова, 2012).
В этой связи актуальным и востребованным в практике является комплексный подход к мониторингу городских почв овражно-балочной сети с использованием
наиболее информативных показателей, позволяющих адекватно судить о степени антропогенной нагрузки разных функциональных зон промышленного города (санитарно-защитных, транспортных и селитебных зон).
Цель и задачи исследования. Цельработы – исследование экологического состояния городских почв по комплексу микробиологических и биохимических показателей и определение степени антропогенной нагрузки на различные функциональные зоны с учетом особенностей овражно-балочной сети города Саратова.
Для достижения установленной цели решались следующие задачи:
1. Провести мониторинг состояния почв в различных функциональных зонах города Саратова (санитарно-защитных, транспортных и селитебных) за период 2010-2014 гг.
2.Оценить качественный и количественный состав почвенных
микроорганизмовв различных функциональных зонах с учетом особенностей овражно-балочной сети.
3.Охарактеризовать ферментативную активность и почвенное «дыхание» в разных функциональных зонахс учетом особенностей овражно-балочной сети.
4.Построить ряды степени нарушенностипочв по определяемым показателям микробного состава, ферментативной активности и почвенного «дыхания».
5.Составить карты экологического состояния городских почв с использованием современных ГИС-технологий и определить степень антропогенной нагрузки на различные функциональные зоны с учетом особенностей овражно-балочной сети города Саратова.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
При мониторинге экологического состояния городских почв овражно-балочной сети по комплексу биологических показателей необходим выбор точек забора проб не только по принадлежности к различным функциональных зонам, но и с учетом микроформ рельефа территорий города.
-
По рассматриваемым показателям: качественному и количественному составу групп микроорганизмов, активности ферментов и почвенному «дыханию» за период с 2010 по 2014 гг. по степени нарушенностипочв функциональных зон образован следующий ряд: санитарно-защитные зоны > транспортные зоны > селитебные зоны.
-
Построениекарты экологического состояния городских почв по данным интегрального биологического показателя позволяетвыявитьстепень антропогенной нагрузки на различные функциональные зоны с учетом особенностей овражно-балочной сети города Саратова.
Научная новизна. В работе впервые представлены результаты экологического мониторингасостояния городских почвразличных функциональных зон с учетом овражно-балочной сети (на примере г. Саратова).Получена база данных комплекса биологических показателей: качественного и количественного состава микроорганизмов, активности ферментов и почвенного «дыхания» за период с 2010 по 2014 гг. Установлены различия в содержании микромицетов, актиномицетов, гетеротрофных, азотфиксирующихицеллюлозоразрушающих микроорганизмов в почвах разных функциональных зон города. Дана характеристика активности ферментов: каталазы, дегидрогеназы, инвертазы, фосфатазы, уреазы,сульфитоксидазы и целлюлазы, а также почвенного «дыхания» территорий разных функциональных зон города. На основании
полученных результатов построены ряды степени нарушенностипочв функциональных зон г. Саратова. Данныеинтегрального биологического показателя были использованы для построения карт экологического состояния городских почв с учетом микроформрельефа территорий города. Обоснованы различия определяемых показателей в пределах одной функциональной зоны, но связанные с элементами овражно-балочной сети города Саратова.
Теоретическая и практическая значимость. По составленным картам экологического состояния городских почв города Саратова разработаны экологически обоснованные рекомендации по реабилитации наиболее нарушенных территорий. Предложенный методический подход коценке состояния городских почвс учетом особенностей овражно-балочной сети может быть использован для экологического мониторингадругих городских территорий в пределах Приволжской возвышенности. Полученные результаты были представлены в информационных материалах для подготовки «Докладов о состоянии и об охране окружающей среды в Саратовской области» (2013-2014), а также использованы в учебном процессе кафедры «Экология» ФГБОУ ВО СГТУ имени Гагарина Ю.А. по курсу дисциплин «Прикладная экология» и «Экологический мониторинг», при написании курсовых и квалификационных работ по направлению «Экология и природопользование».
Апробация работы. Результаты исследования были представлены и обсуждены
на: XV- XVII международных экологических студенческих конференциях «Экология
России и сопредельных территорий» (Новосибирск, 2010-2012); Всероссийской
научно-практической конференции «Экология: синтез естественно-научного,
технического и гуманитарного знания» (Саратов, 2010); II-III Всероссийских научно-
практических форумах «Экология: синтез естественно-научного, технического и
гуманитарного знания» (Саратов, 2011-2012); V Всероссийской научно-практической
конференции «Формирование и реализация экологической политики на региональном
уровне» (Ярославль, 2011); 50-51-й Международных научных студенческих
конференциях «Студент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2012-2013);
16-й Международной Пущинской школе-конференции молодых ученых «Биология -
наука ХXI века» (Пущино, 2012); Четвертом молодежном экологическом Конгрессе
«Северная Пальмира» (Санкт-Петербург, 2012); Международной школе-семинаре
молодых ученых «Антропогенная трансформация природной среды. Научные чтения
памяти Н. Ф. Реймерса и Ф. Р. Штильмарка» (Пермь, 2012); Международной
конференции «Биодиагностика в экологической оценке почв и сопредельных сред»
(Москва, 2013); 6-7-й Всероссийских научно-практических конференциях с
международным участием «Экологические проблемы промышленных городов»
(Саратов, 2013, 2015); Международной молоджной научной конференции с
международным участием «Человек, экология, культура: современные практики и
проблемы» (Саратов, 2014);IV Международном экологическом конгрессе «Экология и
безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов» (VI
Международная научно-техническая конференция), научном симпозиуме
«Экологический мониторинг промышленно-транспортных комплексов» ELPIT (Тольятти – Самара, 2013, 2015).
Публикации.По теме диссертации опубликовано 29 работ, в том числе 4 статьи в изданиях из перечня ВАК РФ.
Личноеучастие автора. Автором самостоятельно проведен детальный анализ данных литературы по теме диссертации. Постановка задач, целей, выбор объектов и
методов исследования осуществлены совместно с научным руководителем. Все лабораторные и полевые исследования в период с 2010 г. по 2014 г. проведены автором лично или в составе научной группы. Анализ и обсуждение полученных результатов, формулировка выводов и основных защищаемых положений проведены лично автором.
Структура и объем диссертации.Диссертация состоит из введения, обзора литературы, главы «Объект исследования», «Материалы и методы» и 2-х глав экспериментальных исследований, заключения и выводов, а также списка использованной литературы.Работа изложена на 148 страницах машинописного текста, содержит 25 таблиц, 24 рисункаСписок использованной литературы включает 206 источников, в том числе 28 на иностранных языках.
Конкурсная поддержка работы.Исследования выполнены в рамках НИР «Совершенствование технологий мониторинга и прогнозирования состояния антропогенно нарушенных территорий, предотвращения и ликвидации их загрязнений» Госзадания(ОНН СГТУ 2012–2014), а также в рамках гранта ФЦП на НИР «Разработка инновационной IT-методологии мониторинга и прогнозирования состояния экосистем в условиях повышенной антропогенной нагрузки» (СГТУ-7, 2012-2013 гг.).
Благодарности. Автор глубоко признателен за помощь в работе своему научному руководителю — заведующей кафедрой экологии Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А., д.б.н., профессору Е.И. Тихомировой, а также всем сотрудникам кафедры «Экологии».
Виды функциональных зон городских территорий
Почвенный покров составляет одну из главных частей биологических оболочек планеты, где происходит постоянный поток вещества и энергии, здесь происходит накапливание различных тонкодисперсных материалов, всевозможных газовых веществ, химических элементов и т.д. В почве происходят разнообразные химические, физические, биологические процессы, участвующие в поддержании глобальных функций планеты. Исторически сложилось, что почвенный покров обладает функцией самоочищения и саморегуляции (Вальков, Казеев, Колесников, 2006). Но за последние десятилетия сложилась негативная ситуация в городских системах, где антропогенез настолько увеличился в масштабе своего действия, что последствия его стали весьма негативны для естественных биологических функций почв. Почвенный покров настолько изменился в своем составе и структуре, что стал представлять собой абсолютно новую, другую составную часть литосферы, определенно отличающуюся от природного почвенного покрова (Капралова, 2011).
Почвы городских систем в основном образованы, как и естественные ландшафты и выполняют те же самые биологические функции, но ведущим фактором почвообразования здесь является антропогенное воздействие. Городские системы всегда подвержены очень сильным, критическим нарушениям с высокой степенью интенсивности воздействия, из-за чего происходит исчезновение многих компонентов почвенной системы и как итог, возникновению нового почвенного покрова. Городские почвы являются целостными структурами, внутри которых происходит взаимодействие многочисленных компонентов, с характерными определенными свойствами для каждого. Изменение свойств одного компонента влечет за собой изменение всей целостности системы (Капралова, 2011).
В процессе урбанизации, одной из главных современных тенденций, происходят непоправимые изменения в растительном и животном мире почвенного покрова, изменяются направления потоков вещества и энергии, их качественность. Как итог урбанизации – создание новых урбоэкосистем, где важным элементом и является новая, антропогенно преобразованная почва, с новыми структурами и компонентами, почва, отличающаяся от природной своей морфологией, физическими и химическими свойствами, новая почвенная структура (Васенев, 2011).
Успешным решением экологической проблемы благополучного состояния городов, является сбор информации, которая должна основываться на характере и условиях загрязнения почв городских мегаполисов, а также на специфике воздействия этих загрязнителей на отдельные составляющие почв городских территорий (Герасимова, 2003).
Урбанизированные почвы представляют собой важнейшую составляющую городской окружающей среды. Конечно, они серьезно отличаются своей составляющей частью от природных почвенных горизонтов, но так или иначе, выполняют все необходимые важные функции. Это и обеспечение питательными веществами растений, которые являются естественными фильтрами окружающей городской среды, и участие в биохимических процессах, которые влияют на состав не только почвенного покрова, но воздушного и водного. Одним словом, городские почвы являются тем самым ресурсом, который влияет на жизненное состояние всего природного комплекса (Галстян, 1978).
Из-за усиления техногенного пресса чаще всего случается, что городские почвы становятся непригодными даже для роста растений. Почвенный профиль, который создавался в течение большого времени, разрушается, погибают все живые составляющие почвы, меняются воздушный и водный режимы.
От экологического состояния почвенного покрова городских ландшафтов также зависит здоровье населения городов. В почве содержатся патогенные микроорганизмы, споры грибов, различные токсины, которые являются аллергенами для человека. Почвенный покров – самая благоприятная среда для размножения и развития многих патогенных микроорганизмов, некоторых яиц гельминтов, личинок различных насекомых, которые являются переносчиками кишечных инфекций, гельминтоза и паразитарных заболеваний. Ведь почвенный покров выполняет важную санитарную функцию, обладая при этом антисептическими свойствами, трансформируя продукты жизнедеятельности и ликвидируя патогенную микрофлору. Выживаемость болезнетворных микроорганизмов в первую очередь зависит от экологического благополучия почвенного покрова. Поэтому в современном мире самой актуальной задачей, является поддержание состояния почвенного покрова в удовлетворительном состоянии, чтобы состав и структура почвы соответствовали условиям, не наносящим вред здоровью человека (Галстян, 1978; Сторчак, 2012).
Для решения задачи поддержания экологического благополучия почвенного покрова, необходимо в первую очередь выяснить специфику загрязнителей почвы, узнать какие поллютанты и ксенобиотики попадают в почву, как они могут повлиять на функционирование различных компонентов системы, и как это отразиться на окружающей среде в целом. Ведь почвенный покров рассматривают не только, как отдельный целостный объект, но и как составляющую часть единой глобальной системы, в которую входят водные ресурсы и атмосферные. Поэтому привнесение каких-либо изменений хотя бы в одну составляющую этого комплекса может отразиться на всей системе (Козлова, 2006).
Необходимо заметить, что почвенный покров, в отличие от остальных составляющих глобальной биогеосистемы, не только является накопителем всех загрязняющих веществ, попадающих в нее, но и выступает в роли природного буфера, который контролирует распространение и аккумуляцию загрязнителей в атмосфере и гидросфере. Зная специфику действия тех или иных загрязняющих веществ на биологические системы, становится возможным разрабатывать различные методы контроля и предотвращения загрязнения окружающей природной среды (Тихомирова, 2013).
Объект исследования
Морфологическое строение Глебучева оврага довольно сложное. Кроме русла с постоянным водостоком выделяют также спорадическиую пойму, надпойменную террасу и крутые эродируемые склоны хорошо разработанной долины – балки. Русло оврага берет начало вдоль флексуры, отделяющей Приволжскую котловину от Соколовогорского массива, этим можно объяснить глубокий врез оврага. Данная тектоническая особенность способствует появлению оползней, подтоплению и в итоге разрушению зданий.
Центральный подрайон Приволжской котловины находится между слабонаклонной нерасчлененной поверхностью Северного подрайона (от пос. Агафоновка) и бассейном реки Назаровки. Границы данного подрайона слабо выражены и проходят по водораздельным пространствам, которые отделяют литогенную часть подрайона от прилегающих частей котловины. Важной особенностью Центрального подрайона города является наличие суглинистого и глинистого делювиального чехла, сформированного на отложениях располагавшихся здесь морей. Гидрологический режим почвы обусловлен тяжелым субстратом – глинистым и суглинистым черноземом, в связи с капиллярным подъемом влаги происходит засоление почв.
Созданию двух видов урочищ способствовало то, что уступ Лысогорского плато в пределах подрайона оказался сильно изрезанным верховьями балок и оврагов – вогнутых циркообразных и ущелеобразных склонов с развитой древесной флорой и выпуклых эродируемых травянистых склонов. Для покатых расчлененных склонов с пролювиальным шлейфом характерны неполноразвитые южные хрящеватые черноземы в средней и нижней частях разреза. Почвообразующими породами здесь являются слабозасоленные делювиальные чехлы.
Южный подрайон Приволжской котловины расположен гипсометрически ниже. Это объясняется тектоническими особенностями – влиянием Карамышской депрессии. Пониженный рельеф оказывает характерное влияние на всю Приволжскую котловину. Структура ландшафта подрайона сложная, что объясняется развитой сетью эрозий и специфичностью геологического строения. Слабая водопроницаемость и хороший водоупор обусловлены распространением нижнемеловых глин. Это оказало влияние на развитие разветвленной речной сети, а в условиях волжского берега – оползней. Преобладание в целом мелкоземистого грунта. Гидроморфные почвы получили развитие в условиях речных долин. В данном районе большое количество прудов, самый крупный из которых -Назаровский.
Административным центром Саратовской области является город Саратов. По правому берегу реки Волги протяженность города составляет свыше 50 километров, а сама площадь города – 392,5 км (Легенькая, 1973; Молостовский).
В естественной котловине расположены центральная и южная части города. Котловина окружена невысокими горами Приволжской возвышенности с трёх сторон.
В городе по состоянию на 1 января 2012 года общая численность постоянно проживающего населения составила 836,8 тыс. человек (Легенькая, 1973; Молостовский).
Заводской район является самым южным и одним из самых населенных районов города, также является важным промышленным центром города. Заводской район – второй район Саратова по площади после Ленинского района (площадь – 113,64 км2).
Население района насчитывает 188,9 тыс. человек, что составляет от общего количества населения города Саратова примерно 22,6%. Заводской район является крупным транспортным узлом Саратова, благодаря тому, что в нем действуют все виды транспорта. Заводской район насчитывает около 57 крупных и средних промышленных предприятий (ОАО «СНПЗ», ОАО «СПЗ», «Завод АИТ»).
Октябрьский район является важным промышленным, транспортным, научным и социальным районом города Саратова. Размер территории Октябрьского района составляет 23,89 км2, численность населения, проживающего на территории района – 122,6 тыс. человек. На территории Октябрьского района находится большое количество социальных учреждений, что делает данный район социально направленной территорией города Саратова. На территории района сконцентрировано большинство городских лечебных учреждений и ВУЗов.
Промышленная составляющая района представлена крупными и средними предприятиями следующих отраслей промышленности: комплексы машиностроительных предприятий, металлообработки, легкой промышленности, полиграфической, комбикормовой, пищевой и т.д. В пределах города выделяют три ландшафтных района, два из которых находятся на исследуемых территориях. Выделение районов происходило в соответствии с четким разделением элементов природной экосистемы, которое вызвано их различным положением высот и составляющими элементами пород. А подстилающие породы, в свою очередь определяют состав почвы и ее свойства, а также ее способность влияния на характер процессов обмена водой между почвой, атмосферой и первым подземным горизонтом (Макаров, 2002).
Лысогорское плато охватывает 40% Октябрьского и 20% Заводского районов. Является наиболее возвышенной частью города Саратова, так как имеет абсолютные отметки высоты около 220-281,1 метров с общим понижением высот в юго-западом направлении.
Приволжская котловина захватывает 60% Октябрьского и 75% Заводского районов. Приволжская котловина находится в низине ландшафтного района (высота не более 15-150 м), вся изрезана овражно-балочной сетью. Данная территория является наиболее освоенной частью города Саратова, из-за чего актуальной становится проблема плохого дренажа почвы и слабого проветривания воздуха.
Методы биохимических исследований
Наибольшее их количество, по сравнению с контрольными образцами, было выделено из проб почв, собранных на территориях селитебных зон, представленных заброшенными пустырями и газонами с травяным покровом и порослями деревьев (72-84 107 КОЕ/г). Этот факт можно расценивать как потенциальную способность к самоочищению исследуемых городских почв этих селитебных зон. В тоже время в пробах почв, собранных около автомобильных дорог в центре города, актиномицеты и микромицеты практически отсутствовали (5-20 107 КОЕ/г). Это свидетельствует о чувствительности данной группы микроорганизмов к негативным факторам воздействия в этих зонах: выхлопным газам автомобилей, которые аккумулировались в почве на протяжении многих лет, и к уплотнению почвы, а также затруднением в образовании воздушного мицелия и, как следствие, нарушением репродуктивной функции и снижением их количества. Данный факт обуславливает минимальные значения содержания данных групп микроорганизмов в зонах с большим количеством жилых и социально-культурных застроек, и практически полное отсутствие процессов самоочищения этих городских почв (Меркулова, 2013-2014).
По количественному содержанию микромицетов и актиномицетов в почвах г. Саратова были построены ряды степени нарушенности почв функциональных зон: санитарно-защитные зоны селитебные зоны транспортные зоны. Известно, что микроорганизмы, фиксирующие молекулярный азот, широко распространены в почвенных биоценозах и являются одним из важных звеньев азотного цикла. В первую очередь высокая активность азотфиксаторов влияет на произрастание растений в почвах, которое, в свою очередь, благоприятно влияет на условия жизни населения.
В наших исследованиях максимальная численность азотфиксирующих микроорганизмов выявлена в почвах городского парка и в зонах вокруг промышленных предприятий – санитарно-защитных зонах (195-246 103 КОЕ/г), минимальная численность – на территории селитебных зон и вокруг автомобильных дорог (14-53 103 КОЕ/г). Все полученные данные сравнивались с контрольными показателями.
Полученные данные по оценке численности азотфиксирующих групп микроорганизмов почв территорий г. Саратова представлены на рис. 4.1.5.
На основании полученных результатов по количественному содержанию групп азотфиксирующих микроорганизмов в почвах г. Саратова были построены ряды степени нарушенности почв функциональных зон: санитарно-защитные зоны транспортные зоны селитебные зоны. Целлюлозоразрушающие микроорганизмы в почве имеют большое значение в процессах трансформации органических веществ (Меркулова и др., 2015). Максимальное количество целлюлозоразрушающих бактерий (50-80 % от общего количества) выделено из проб почв, собранных в селитебных зонах, также вдоль автодорог, где загруженность автомобилями низкая, а количество зеленых насаждений максимальное, минимальное – на территории санитарно-защитных зон (10-20 % от общего количества). Полученные данные по оценке численности целлюлозоразрушающих групп микроорганизмов почв территорий г. Саратова представлены на рис. 4.1.6.
Источником энергии целлюлозоразрушающих микроорганизмов является целлюлоза, главный компонент растительных остатков, поэтому для стимуляции активности данной группы микроорганизмов в городских почвах необходимо внесение определенного количества органо-минеральных удобрений, что будет способствовать процессам самоочищения. На основании полученных результатов по количественному содержанию групп целлюлозоразрушающих микроорганизмов по сравнению с контрольными образцами в почвах территорий г. Саратова были построены ряды степени нарушенности функциональных зон: селитебные зоны транспортные зоны санитарно-защитные зоны. Известно, что на количественную и качественную составляющую микроорганизмов сильное влияние оказывает не только экологические, а также ландшафтные характеристики города, климатические особенности, условия аэрации почвы, количество зеленых насаждений, а самое главное – вид функциональной зоны и источники интразональной антропогенной активности. По данным, представленным на рисунках 4.1.3 – 4.1.6 можно проследить взаимосвязь гетеротрофных, азотфиксирующих групп микроорганизмов с группами микромицетов и актиномицетов, минимальное количество которых находится в селитебных зонах, а максимальное – в санитарно-защитных зонах. На основании полученных результатов количественного содержания групп всех микроорганизмов в почвах г. Саратова были построены ряды степени нарушенности функциональных зон: санитарно-защитные зоны транспортные зоны селитебные зоны. Установленная последовательность свидетельствует о более высокой степени самоочищения почв санитарно-защитных зон промышленных территорий, где устойчивость микроорганизмов к негативным факторам (основным загрязнителям) максимальная и менее нарушена структура почв.
Для стимуляции процессов самоочищения почвы в зоне автомобильных дорог, где степень активности микроорганизмов средняя, необходимы также приемы их реабилитации с внесением органоминеральных удобрений.
Данная последовательность отмечает критический уровень экологического состояния почвы селитебных зон города, в частности – об отсутствии благоприятной среды для активных процессов жизнедеятельности изучаемых групп микроорганизмов (Меркулова и др., 2015). Способность к самоочищению почв исследуемых территорий в пределах данных зон маловероятна. Это типичные техноземы с отсутствием естественной структуры, испытывающие постоянную антропогенную нагрузку. Они, в первую очередь, подлежат рекультивации самыми радикальными методами очистки (полная замена грунта, сорбционная очистка, внесение микробных композиций и т.д.).
Характеристика показателей ферментативной активности и «дыхания» почв разных функциональных зон г. Саратова
Активность инвертазы, являющейся одним из важнейших ферментов, характеризует биологическую активность почв. В цикле углерода фермент инвертаза, высвобождая хорошо растворимые низкомолекулярные сахара, предоставляет источник питания для микроорганизмов. Низкая степень активности инвертазы в селитебной зоне напрямую коррелирует с низкими показателями содержания микроорганизмов в данной зоне.
На основании полученных результатов по активности фермента инвертазы в почвах г. Саратова были построены ряды степени нарушенности функциональных зон: санитарно-защитные зоны транспортные зоны селитебные зоны. Определение целлюлозолитической активности исследуемых почв г. Саратова показало, что на общем фоне более низких показателей, по сравнению с контролем, более высокие значения были характерны для проб почв селитебных зон, особенно вблизи Саратовского ГПКиО им. М. Горького. Эти данные коррелируют с численностью целлюлозоразрушающих микроорганизмов в этих же зонах. Низкие показатели активности целлюлазы (0,57-3,53 % от исходного веса) отмечены в пробах почв из санитарно-защитных зон, что косвенно свидетельствует об их критическом состоянии и слабых процессах самоочищения (Меркулова, 2015).
На основании полученных результатов были построены ряды степени нарушенности почв функциональных зон: селитебные зоны транспортные зоны санитарно-защитные зоны Важную роль в обеспечении растений элементами минерального питания играет фосфатаза – фермент, отвечающий за минерализацию органического фосфора. Активность фосфатазы в исследованных почвах в основном характеризовалась как низкая (0,03 мг фенолфталеина/г почвы за 1 ч) и средняя (0,42 мг фенолфталеина/г почвы за 1 ч), данные представлены на рисунке 4.2.6. Минимальное содержание ферментов фосфатазы и сульфитоксидазы (рис. 4.2.3) свидетельствует о необходимости внесения в почвенный покров органоминеральных удобрений, для увеличения содержания необходимых элементов в почве, которые поддерживают циклы фосфора и серы в почвах.
На основании полученных результатов по активности фермента фосфатазы в почвах г. Саратова были построены ряды степени нарушенности функциональных зон: транспортные зоны санитарно-защитные зоны селитебные зоны. мг фенолфта-леина /г почвы за 1 ч Учет активности фермента фосфатазы в пробах почв, собранных на территории г. Саратова за период исследований 2010-2014 гг. Активность уреазы напрямую зависит от активности всех ведущих организмов азотного метаболизма, в том числе, азотфиксирующих микроорганизмов. В наших исследованиях показатели активности этого фермента в пробах почв коррелировали с численностью в них азотфиксирующих микроорганизмов, так максимальные значения, по сравнению с контролем, были в почвах санитарно-защитных зон, а минимальные – в почвах селитебных зон. Отличались данные активности этого фермента только в нескольких пробах почв, собранных на участках с невысокой степенью антропогенной нагрузки (0,09 мг N-NH4 на 1 г почвы за 4 ч). Во всех остальных пробах показатели находились на достаточно низком уровне (0,03-0,08 мг N-NH4 на 1 г почвы за 4 ч). Данные по активности фермента уреазы в почвах г. Саратова представлены на рисунке 4.2.7.
На основании полученных результатов по активности фермента уреазы в почвах г. Саратова были построены ряды степени нарушенности функциональных зон: санитарно-защитные зоны транспортные зоны селитебные зоны.
Почвенное «дыхание» занимает важное место во всей биологической диагностике городских почв, поскольку интенсивность выделения углекислоты из почвы дает возможность судить о степени напряженности микробиально-биохимических процессов, о направленности трансформации органики в почве, и о самоочищающей способности почв.
В наших исследованиях установлено, что в целом для почв г. Саратова характерна низкая интенсивность выделения углекислоты (0,20±0,05 мг CO2 за 1 ч). Более высокие значения из полученных, зафиксированы в пробах почв с газонов транспортных зон, а минимальные – на участках с сильным уплотнением грунта в санитарно-защитных зонах. Эти данные коррелируют с минимальным содержанием в этих пробах городских почв важных групп микроорганизмов, отвечающих за метаболическую активность почвенной микрофлоры, корневых систем растений и почвенной фауны. Данные по анализу интенсивности «дыхания» почв представлены на рис. 4.2.8.
На основании полученных результатов по активности «дыхания» почв г. Саратова были построены ряды степени нарушенности функциональных зон: транспортные зоны селитебные зоны санитарно-защитные зоны. Особенности количественного состава и жизнедеятельности почвенной микрофлоры отражаются на активности биохимических процессов в почве, поэтому наряду с изучением основных групп микроорганизмов определение активности основных ферментов, играющих важную роль в трансформации органических веществ и мобилизации питательных элементов, дает более полное представление о биологическом состоянии почвы.
На основании полученных результатов активности ферментного состава почв г. Саратова были построены ряды степени нарушенности функциональных зон: санитарно-защитные зоны транспортные зоны селитебные зоны. Анализ данных показал, что в исследуемых пробах почв санитарно-защитных зон на фоне низких значений ферментов целлюлазы, фосфатазы и сульфитоксидазы более высокой была активность ферментов: каталазы, дегидрогеназы, сульфитоксидазы, уреазы, а также почвенного «дыхания», однако оставаясь ниже контроля и оцениваясь по шкале сравнительной оценки ферментативной активности почвы, как слабая. Почвы селитебных и транспортных зон отличались минимальной активностью исследованных ферментов, что коррелировало с минимальным содержанием микроорганизмов в этих почвах (Меркулова и др., 2015).
Установленная последовательность свидетельствует о повышенной устойчивости почв санитарно-защитных зон к различным загрязнителям. В данной зоне проявляли высокую активность следующие ферменты: каталаза, дегидрогеназа, сульфитоксидаза, уреаза и проявлялась высокая интенсивность «дыхания» почв. Минимальные значения выявлены у фермента целлюлаза, что свидетельствует о низком содержании в почвах целлюлозы – источника энергии данного фермента.
Во всех функциональных зонах являлась низкой активность ферментов фосфатаза и сульфитоксидаза, что говорит, о необходимости восполнения городских почв необходимыми органическими элементами для увеличения активности данных ферментов и, следовательно, для увеличения степени самоочищения городских почв.
Селитебные и транспортные зоны отличаются минимальной активностью исследованных групп ферментов, что связано с минимальным содержанием микроорганизмов в почве, поддерживающих важные экологические функции почвы. Это подтверждает критическое состояние городских почв данных функциональных зон и требует их радикальной рекультивации.
Результаты микробиологического и биохимического анализов показали прямую зависимость степени активности ферментов от количественного содержания микроорганизмов в городских почвах г. Саратова (Меркулова и др., 2015). Следовательно, в условиях антропогенного пресса возможно изменение активности данных ферментов при увеличении численности групп микроорганизмов, для чего необходимо создание благоприятных условий увеличения их количественного и качественного состава. И, как следствие, может произойти восстановление одной из главных функций почв – поддержание экологического равновесия всей урбоэкосистемы.