Введение к работе
Актуальность проблемы. Долгое время человечество развивало всю свою деятельность на основе представлений о неограниченности природных ресурсов и самоочищащей способности природных экосистем, что привело к деградации качества среды в региональных и глобальных масштабах, обусловив тем самым, по данным ВОЗ, до 80 болезней человека. Особенно неустойчивы к антропогенным воздействиям экосистемы Крайнего Севера в силу замедленности в них энерго- к мае сообмена. Биота почв высоких широт характеризуется относительно небольшим видовым разнообразием, короткими трофическими пенями, а следовательно, и ограниченными возможностями в утилизации различных поступающих извне соединений, нарушающих эволюционно сложившийся баланс биологического круговорота.
Охране почв уделяется значительно меньше внимания, чем это требуется в настоящее время. В СССР установлены ПДК для 800 различных веществ, загрязняющих воду, для 400 - загряэняощих атмосферный воздух и только для 20 веществ, загрязняющих почву, из них 9 ПДК по тяжелым металлам. Оценка степени загрязнения почвы и методы ее очистки разработаны слабее, чем для воды и воздуха. Между тем почва является не только природным телом, обладающим плодородием и обеспечивающим человечество продуктами питания, но и 'относится к важнейшим компонентам биосферы. Через почвенный покров осуществляются процессы обмена веществ между земной корой, атмосферой к гидросферой. Почва является местообитанием для множества живы» существ, создающих гумус, трансформирующих различные природные и имеющие антропогенное происхождение вещества, осуществляющих процессы самоочищения среды. Заражение ее токсичными химическими веществами особенно опасно для природы, а следовательно, и человечества, так как оно длительное время может не проявляться в силу высокой буферности почвы и огромной ее адсорбирующей поверхности; химическое загрязнение менее очевидно, чем разрушение почвы вследствие ветровой и водной эрозии.
Микроорганизмы являются показательными объектами для изучения загрязнения почвы промшлеиными выбросами. Они тесно связаны с растительным и почвенным покровом и принимают непосредственное участие в почвообразовательных процессах. Концептуальной основой эколого-микро-биологического подхода к охране почв от химического загрязнения явилось рассмотрение жизнедеятельности микробного компонента со следующих позиций: индикаторная роль микроорганизмов для определения качестга среды обитания; регуляторная функция микроорганизмов в миграции и трансформации загрязняющих веществ, акку^лирущая роль микробного компонента, сюшаюдая"то"ксич?^^^^ал^ч^Г?ННЁЖ^ПЭчз и, наконец, дерг-
j РУЧНАЯ Ь^/.ЛОТЕК.А' j 3
і : -осн. сольскохо.) .тглдзым І п.*. К. А. Типяриара> '
ЫиънЖШЫ .;
рукционная деятельность почвенной биоты, разлагавшей загрязняощие вещества до простых минеральных соединеинй.
Цель работы. Комплексное исследование организации, функционирования и закономерностей антропогенных изменений почвенной микробном в различных зкотоксикологическнх ситуациях в условиях Крайнего Севера как основы для разработки методов охраны и рационального использования почв, предотвращения изменения их экологических функций и возможного их восстановления.
Задачи исследований. Для достижения поставленной цели необходимо было решение ряда конкретных задач: I) оценить состояние и тренды загрязнения тяжелыми металлами естественных и окультуренных подзолистых почв; 2) выявить закономерности взаимодействия тяжелых металлов и почвенных микроорганизмов; 3) исследовать сезонку» и многолетнею динамику биохимических процессов в техногенных почвах; 4) изучить изменения физико-химических и агрохимических свойств почв при загрязнении; 5) провести поиск микробов-индикаторов и разработать биохимические тесты на загрязнение почв металлами с целъв ранней диагностики зтого процесса; 6) оценить генетнчесхув активность загрязнения металлами почв в тестах с микроорганизмами; 7) исследовать бноаккуыуллцис металлов микроорганизмами я роль микробного компонента в снижении почвенного токсикоза; в) изучить защитные свойства почвы, противостоящие загрязнение, и изыскать приемы восстановления утраченного плодородия.
Объекты и методы исследований. Объектами исследований явились окультуренные и целинные подзолистые почвы* находящиеся в зоне воздействия промышленных выбросов предприятия цветной металлургия (на приме* ре комбината "Североннкель"). Наблюдения за воздействием выбросов на почву и биологические процессы, протекающие в ней, проводили в многолетнем полевом опыте с насыпной первоначально незагрязненной почвой (1976-1966 гг.); в полевом опыте по реверсии (возврату) этих почв в "чистые" условия (1966-1968 гг.); на мониторинговых площадках с естественными почвами, длительное время (от 40 до 50 лет) испытывающими влияние выбросов; на полях совхозов мурманской области и в серии мик-рололевых к лабораторных опытов. Исследовались преобладающие на территории Кольского полуострова почвы: иллщвиахьно-гумусовые подзолистые (AI-Ре-гумусовые подзолы) как естественные, так и окультуренные и тор-фяно-болотные окультуренные.
Отбор почвенных образцов провопили ежемесячно с мая по октябрь в трехкратной повторности. В свежих образцах определяли численность микроорганизмов на широком наборе плотных и жидких питательных сред общепринятыми методами посева, а также прямыми методами учета численности бактерий и грибов, минимальный микробный пул определяли как наименьшее
значение показателей численности микроорганизмов в изучаемом типе почв путем ежедневных учетов в течение месяца, а максимальный (избыточный) -как наибольшее значение этих показателей. Исследования по генетической активности загрязненных металлами почв выполнены в тестах с микроорганизмами: сальмонеллой (тест Эймса), кишечной палочкой, дрожжами - сахаромицетами.
В высушенных почвенных образцах определяли состав я свойства почв по общепринятым методикам почвенного анализа; количество тяжелых металлов - атомно-абсорбционным методом на спектрофотометре AAS- Is. Биологическую активность почв определяли газохроматографическим методом, а также прямыми аппликационными методами. Фитотоксичность почв - по всхожести семян и развитию проростков на почвенных пластинках и по величине урожая. Статистическую обработку экспериментальных материалов проводили на ЭВМ "Правец".
Защищаемые положения. I. Структурно-Функциональная организация и антропогенные изменения микробного компонента в почвах Крайнего Севера при промышленном воздействии. 2. Система микробиологических и биохимических показателей для мониторинга почвенного покрова, характеризующая основные этапы техногенного воздействия и состоящая из следующих елементові структуры и видового разнообразия микробного компонента, величины его пула, а также показателей биохимической активности ряда процессов, осуществляемых микроорганизмами. 3. Характеристика защитных свойств почвы, противостоящих отрицательному влиянию химического загрязнения. Шкала оценки степени токсичности почв, загрязненных тяжелыми металлами, основанная на отношении суммы обменных оснований к количеству металлов в почве. Экологически допустимые промышленные воздействия на почвенную биоту, свидетельствующие о высокой резистентной ус-тойчивоети микробиоты к действию тяжелых металлов. 4. Характеристика мутагенной активности почв,"загрязненных промышленными выбросами предприятия цветной металлургии, в тестах с микроорганизмами.
Научная новизна. Впервые в экстремальных природных и антропогенных условиях Кольской Субарктики проведено комплексное исследование воздействия выбросов предприятия цветной металлургии на свойства почвы и почвенную микробйоту как в естественных экосистемах, так н в агропе-ноэах. Сформулирована концепция экологочяпсробиологического подхода к охране почв от химического загрязнения, основанная на индикаторной, регуляторной, аккумулирующей и деструкцноннок деятельности микроорганизмов.
Разработана система микробиологических и биохимических показателей, пригодная для мониторинга почвенного покрова и характеризующая основные этапы техногенного воздействия на почву и биоту. Показано,
что функциональные <с|>едорегулирущне) показатели чувствительнее к действии тяжелых металлов, чей численность и структура микробоценоэа. Установлены экологически допустимые воздействия меди и никеля на почвенную биоту, свидетельствующие о высокой резистентной устойчивости микробиоты к загрязнению среды этими элементами.
Получены новые сведения о биоаккумуляции металлов микромицетами, дана оценка их роли в снижении почвенного токсикоза и в самозащите микробных сообществ от вредного действия тяжелых металлов за счет образования малоподвижных внеклеточных комплексных соединений между продуктами жизнедеятельности грибов и ионами металлов, а также активного их закрепления в биомассе.
Впервые проведена оценка генетической активности загрязненных тяжелыми металлами почв в тестах с широким набором микроорганизмов, позволяющая сделать вывод об отсутствии мутагенной активности соединений, выделенных иа почв, содержащих различные концентрации с«, #1, Со, А1, 2в, Иа.
Выявлены защитные механизмы почвы, противостоящие загрязнению, разработана шкала оценки степени фитотоксичности почв, загрязненных медью и никелем, и изысканы мелиоративные приемы, ускоряющие процесс восстановления утраченных свойств почвы.
В многолетнем оригинальном опыте с насыпными почвами установлены изменения биологических и химических свойств окультуренных почв при их аэротехногенном загрязнении, а затем изучено восстановление их при возврате почвы в "чистые" условия; рассчитан период удаления меди и никеля из окультуренной подзолистой почвы, свидетельствующий о трудновосстановимых, необратимых на глазах одного поколения изменениях в живой природе.
Практическая ценность и реализация работы. В результате познания современных химических и биологических процессов, происходящих s подверженных техногенному влиянию почвах, выявлены экологически допустимые промышленные воздействия на почву и почвенную биоту, разработаны мероприятия по оптимальному землепользованию в экстремальных природных и антропогенных условиях.
Результаты исследований явились научным обоснованием практических рекомендаций "Определение степени токсичности загрязненных металлами почв и некоторые способы ее снижения" (1985), принятых к внедрению хозяйствами мурманской области, находящимися в зоне воздействия металлургических предприятий. Они являются основой для проведения мероприятий по охране почв и их мелиорации. Выполнена оценка состояния загрязненности тяжелыми металлами полей совхозов Мурманской области, проведено ранжирование их по степени пригодности для сельскохозяйственного 6
производства, прослежена миграция тяжелых металлов по пищевой цепочке почва-растение-молоко. На основании полученных материалов некоторые участки пашни переведены в земли "несельскохозяйственного назначения"; перенесено строительство нового тепличного комбината в экологически безопасную зону. Методика по определению токсичности почв использована при оценке пригодности для сельскохозяйственного производства новых земель в районе г.Мончегорска.
материалы диссертации включены в спецкурсы по экологии и охране природы на факультете почвоведения МГУ, в Кировском сельскохозяйственном институте и используются при проведении экскурсий и занятий со специалистами в Центральном музее почвоведения г.Ленинграда.
Результаты исследовании по загрязнению естественных и окультуренных почв, а также растительности в зоне действия комбината "Северони-кель" на протяжении 6 лет (1963-1988 гг.) входили в "Ежегодник загрязнения почв Советского Союза", изд.Госкомгидромет, информация которых используется центральными партийными и хозяйственными органами, материалы исследований вошли в сводный том "Охрана атмосферы и предельно допустимые выбросы (ЛДВ)" (1983) и были использованы при нормировании промышленного воздействия на воздушный бассейн г.Мончегорска. Все внедрения подтверждены документально.
Апробация. Результаты исследовании, изложенные в диссертации, доложены и обсуждены-на следующих научных собраниях: Всесоюзная конференция "Вопросы численности, биомассы\и продуктивности почвенных микроорганизмов" (Ленинград, 1969); Второе региональное совещание почвоведов северо- и среднетаежнык подзон европейской части СССР (Сыктывкар, 1972); научная сессия Северного филиала Географического общества СССР (Апатиты, 1972); Первый, Второй и Третий симпозиумы по биодинамике поив' (Таллин, 1974, 1979, 1988); Первая, Вторая и Третья Всесоюзные конференции "Микробиологические методы борьбы с'загрязнением окружающей среды" (Пущнно, 1975, 1979, 1968); Пятый (Ереван, 1975), Шестой (Рига, 1980) и Седьмой (Алма-Ата, 1985) съезда Всесоюзного микробиологического общества, Четвертая конференция по аллелопатин (Киев, 1976); Всесоюзное совещание 'Проблемы и методы биологической диагностики и индикации почв" (Москва, 1976); Пятый делегатский съезд Всесоюзного общества почвоведов (Минск, 1977); Республиканская конференция "Агробиологические процессы в почвах и урожайность сельскохозяйственных культур" (Вильнюс, 1978); Третье, Четвертое и Пятое Всесоюзные совещания "Миграция загрязнкщих веществ в почвах и сопредельных средах" (Обнинск, 1978, 1983, 1987); Восьмой (Апатиты, 1979); Девятый (Сыктывкар, 1981) и Одиннадцатый (Якутск, 1986) симпозиумы "Биологические проблемы Севера"; Всесоюзное совещание "Влияние промьшленнкх предприя-
тий на окружающую среду" (Звенигород, 1964); Третья Всесоюзная научная конференция "Микроорганизмы в сельском хозяйстве" (Ііосква, 1966); Вторая Всесоюзная конференция "Тяжелые металлы в окружающей среде и охрана природы" (Москва, МГУ, І96Я); Международный симпозиум "Геохимия окружающей среда в Северной Европе" (Рованиеми, Финляндия, 1969); Всесоюзная конференция "Проблемы комплексного использования природных ресурсов Кольского полуострова" (Апатиты, 1989); Всесоюзная конференция "Растения и промышленная среда" (Днепропетровск, 1990).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 45 печатных работ, в том числе 3 - в международных изданиях и I монография.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, практических рекомендаций и списка литературы (43 источника ка русском языке, 118 - на иностранных), б приложений. Она включает 275 страниц машинописного текста, 44 рисунка и 134 таблицы.