Лекция 4. Причины и виды загрязнения почвы и их биоиндикация

План:

  • 1. Загрязнение и его виды.
  • 2. Физическое изменение почвы.
  • 3. Химическое загрязнение почвы.
  • 4. Биологическое загрязнение почвы.

1. Загрязнение и его виды

Под загрязнением понимают привнесение в среду или возникновение в ней новых, обычно не характерных для нее физических, химических, информационных или биологических агентов или превышение в рассматриваемое время естественного среднемноголетнего уровня (в пределах его крайних колебаний) концентрации перечисленных агентов в среде, нередко приводящее к негативным последствиям (Реймерс, 1990).

Известно большое число примеров прямых антропогенных, а также опосредованных человеком воздействий окружающей среды на почву, способствующих ее загрязнению. Будучи частью всех наземных экосистем, почва активно участвует во многих важных процессах преобразования веществ.

Когда происходит количественное изменение долгое время державшихся на одном уровне факторов окружающей среды, или вступают в действие совершенно новые экологические факторы, влияющие на почву, могут возникнуть нагрузки, которые нанесут вред почвенным организмам или даже изменят систему ценотических взаимоотношений между ними.

Загрязнение почвы вызывается различными по масштабу и по территориальному размаху явлениями, поэтому при их определении и оценке с помощью биоиндикаторов используют различные предпосылки и соответственно различные способы.

Выделяют:

  • 1) широкомасштабное территориальное (глобальное) загрязнение почвы, вызываемое совокупностью большого числа отдельных источников, не поддающихся более детальной идентификации;
  • 2) территориально ограниченное загрязнение, причиной которого является в большинстве случаев более или менее известное небольшое число ограниченных по своему территориальному влиянию источников;
  • 3) локальное узкоограниченное загрязнение почвы с кратко- или долговременным воздействием на отдельные организмы и экосистемы.

Загрязнение почвы проявляется в основном в трех формах.

1. Физическое изменение связано с различными, прежде всего механически действующими, агентами, способными, особенно если они влияют на ризосферу, привести к существенным нагрузкам на соответствующие экосистемы. Они могут быть связаны с химическими изменениями или часто приводят к таким изменениям.

  • 2. Химическое загрязнение вызвано веществами, действующими в виде газов, растворов (в большинстве случаев водных) или твердых тел и не вызывающими при этом, по крайней мере, в начальной стадии, изменений физического характера.
  • 3. Биологическое загрязнение связано с попаданием в почву чужеродных микроорганизмов, бытовых и сельскохозяйственных отбросов и отходов, а также за счет отходов микробиологических производств.
  • 2. Физическое изменение почвы

В случае необрабатываемых почв изменение вследствие антропогенных физических нагрузок в близких к природным экосистемах (например, лесах), как правило, относительно невелико. В экосистемах с повышенной антропогенной нагрузкой оно может принять более широкие масштабы.

Как правило, сильно подвержены физическим нагрузкам все имеющие антропогенное происхождение, т.е. сильно измененные почвы. Это относится к большей части почв (по крайней мере, на начальных стадиях), возникающих в процессе рекультивации бывших горных разработок, на месте поселений или промышленных предприятий.

Причинами физических нагрузок на почву являются:

  • 1) прямые механические воздействия:
    • • повышенное давление на поверхность почвы (транспорт, например, тракторы; вытаптывание);
    • • особые агротехнические мероприятия, проводимые в пахотном слое почвы или в подпочве;
  • 2) процессы, связанные с перемещением почвы:
    • • водная эрозия;
    • • эоловые отложения (особенно вследствие промышленных выбросов).

Изменение почвенных параметров касается, прежде всего, сложения и структуры почвы, например, ее порозности и плотности горизонтов, что может привести к уменьшению вентиляции и дренажа.

На уровне фитоценозов это сказывается в затруднении прорастания семян и проникновения корней в почву с последующим замедлением роста корней и побегов. Следует различать воздействия, проявляющиеся первично только в почве, и те, которые затрагивают одновременно напочвенный ярус или связаны в основном с ним (нагрузка на растительность в результате вытаптывания). В почвенных ценозах происходит снижение активности и обилия микроорганизмов, разлагающих органические вещества. Параллельно в лаборатории и в поле можно пронести исследования важных экологических параметров (прорастание, рост побегов и корней, продуктивность). Подорожник Plantago major демонстрирует, например, видоспецифичные различия в отношении к уплотнению почвы (вытаптыванию). В результате представляется возможным путем оценки популяционно-экологических параметров названных видов использовать полученные данные для биоиндикации. Действие на фитоценозы можно проследить, анализируя описания растительности или с помощью длительных наблюдений на экспериментальных квадратах.

3. Химическое загрязнение почвы

Загрязнение почвы, обусловленное химическими причинами, значительно превосходит по своему воздействию как в количественном, так и в качественном отношении все виды ее физического изменения. При этом прямое и косвенное загрязнение удается разграничить не всегда (рис. 4).

Отложение

На фитоценозе (адсорбция, ассимиляция)

Рис. 4. Влияние фитоценоза на процесс выпадения веществ из атмосферы на почву

Химическое загрязнение почвы вызывается разными причинами. Оно происходит либо сознательно (например, в результате применения средств защиты растений), либо непреднамеренно (в случае промышленных выбросов). В соответствии с этим в большинстве случаев с территориальной точки зрения различными могут быть и радиус действия, и интенсивность загрязнения. Исходя из агрегатного состояния (газообразного, жидкого, твердого) и способа действия загрязнителей, упрощенно их можно подразделить на следующие группы.

  • • газы (особенно серосодержащие промышленные выбросы, галогениды и окислы азота);
  • • пыль (зола, известковая пыль, частицы, содержащие тяжелые металлы, особенно промышленные выбросы);
  • • соли (переносимые воздухом и водой, особенно при посыпании зимой улиц для удаления льда или при добыче и переработке соли);
  • • агрохимикаты (средства защиты растений, удобрения);
  • • органические газы и жидкости (прежде всего продукты ископаемых видов топлива);
  • • радиоактивные осадки (главным образом при загрязнении ими воздуха).

Изменение химических параметров почвы отражается спустя короткий или длительный период на росте и продуктивности отдельных видов, их популяций или приводит к более или менее сильным нарушениям структуры фитоценозов и даже к развитию сукцессии.

Консументы и деструкторы часто испытывают при этом косвенное влияние в результате изменений структуры фитоценозов, количественных или качественных перемен в доступности пищи. Это, в свою очередь, отражается на их активности и обилии. Химические изменения почвы часто приводят в силу своей сложности к структурным изменениям на нескольких трофических уровнях.

По причине физико-химической специфики отдельных почв при одинаковой интенсивности и продолжительности действия химического стрессора степень и форма возникающего химического загрязнения может быть различной. Для биоиндикации это важно, поскольку между химической обстановкой и ее влиянием на биоценоз не обязательно существует линейная зависимость. По этой причине решающее значение для действия на биологическом уровне имеет соотношение интенсивности стрессора и специфической реакции буферной системы почвы.

Загрязнение сернистым газом

Загрязнение почв сернистым газом (или соответствующими продуктами его окисления — SO2, SO3) в полевых условиях, как правило, происходит вместе с загрязнением другими газами (прежде всего МхОу) или пылью, и потому его непосредственное влияние вряд ли поддается определению. Действие сернистого газа в зависимости от интенсивности загрязнения выражается прежде всего в подкислении почвы, захватывающем главным образом ее поверхностные горизонты.

По сравнению с оценкой загрязнения воздуха газообразным сернистым газом экологическая оценка его вредного воздействия на почву затруднена прежде всего тем, что часто одновременно происходит оседание пыли, имеющей главным образом основную реакцию. В зависимости от доли каждого из этих стрессоров уже в воздухе может начаться частичная нейтрализация. В случае известковой пыли этот процесс может быть настолько интенсивным, что приведет к нейтрализации и даже подщелачиванию почвы. При известном источнике на этой основе возможно разграничение различных зон загрязнения.

Специфическое воздействие подкисления почвы на растения объясняется во многих случаях не столько их непосредственной чувствительностью к снижению pH, сколько:

  • 1) дефицитом важных минеральных веществ в результате повышения их подвижности и вымывания (прежде всего кальция, магния, калия);
  • 2) токсичностью растворимых ионов алюминия, появляющихся при падении pH ниже 4, и косвенными последствиями их растворимости (в частности, связыванием фосфат-иона).

Если необходимо оценить влияние кислотного дождя на почву средствами биоиндикации, т.е. по растительности, имеются следующие возможности:

  • • опыты по стандартизированному выращиванию специально подобранных кислотоустойчивых или кислоточувствительных видов на субстратах с соответствующим химическим загрязнением. В зависимости от постановки опыта (определение краткосрочных или долгосрочных воздействий стрессора) нарушения изучаются на биохимическом, физиологическом, морфометрическом пли продуктивно-экологическом уровне;
  • • оценка изменений естественных фитоценозов по соответствующим структурным параметрам вдоль градиента загрязнения. Использование данных, полученных на площадках, для длительных наблюдений.

Загрязнение пылью и золой

Воздействие пыли на почвы и наземные экосистемы в целом существенно различается в зависимости от ее происхождения и, следовательно, состава. Экологически существенные воздействия при загрязнении пылью оказывает в двух основных направлениях:

  • 1) изменение общей насыщенности основаниями (интегрированным выражением этого являются в основном сдвиги pH, преимущественно в нейтрально-основную область);
  • 2) накопление металлов (прежде всего тяжелых).

Обе формы загрязнения могут выступать как в более или менее независимой друг от друга форме, так и совместно.

Большое значение имеют пылевые известковые выбросы, приводящие прежде всего в слабо забуфсренных кислых почвах к изменению pH до нейтральных и основных значений.

Особенно страдают от подобных изменений почвенного субстрата фитоценозы и живущие в почве группы организмов, разлагающих органические вещества. Примеры оценки таких изменений на трофическом уровне продуцентов можно получить как на основе популяционной динамики соответствующих видов, так и по структурным параметрам фитоценозов на площадках длительных наблюдений.

Биоиндикационные выводы о градиентах загрязнения должны учитывать и другие абиотические факторы, которые важны для отбора, а также оценки пригодности биоиндикаторов.

Особое значение имеет загрязнение почвы пылью, содержащей тяжелые металлы, что связано с высокой чувствительностью многих организмов к повышенному содержанию этих элементов. Это в особенности относится к группам организмов, которые потребляют тяжелые металлы вместе с питательными веществами непосредственно из почвы и включают их таким образом в свой обмен веществ.

К тяжелым металлам относятся как микроэлементы, имеющие более или менее важное значение для питания организма (магний, цинк, медь, кобальт и молибден), так и элементы с ограниченными (никель, ванадии) или до сих пор недостаточно изученными физиологическими функциями и экологической ролью (кадмий, мышьяк, уран, свинец, хром, ртуть).

Доля отдельных элементов в общем содержании тяжелых металлов весьма различна в почвах, обогащенных ими как природным, так и антропогенным путем. Почвы, обогащенные тяжелыми металлами без участия человека (например, у выходов рудных жил), в которых концентрация перечисленных микроэлементов может достигать уровня макроэлементов, существуют в различных частях света. Их наличие дает основу для эволюционного развития устойчивых к тяжелым металлам популяций растений, которые существовали еще до антропогенного загрязнения почв тяжелыми металлами.

Растениям, не обладающим такой устойчивостью, при загрязнении почвы тяжелыми металлами наносится большой вред, что выражается в соответствующих токсикологических симптомах. Вопреки ранее существовавшим утверждениям, сегодня можно с уверенностью говорить, что не существует общей устойчивости к тяжелым металлам. Она вырабатывается лишь по отношению к одному или нескольким из них, находящимся в данном местообитании в избытке.

Решающим при токсичном действии тяжелых металлов на растительные организмы является не столько их общее содержание в почве, сколько концентрация в доступном для организма состоянии. Эта концентрация вблизи природных местонахождений тяжелых металлов бывает повышена по сравнению с «нормальной» в 10-10000 раз; таких же величин она может достигать в антропогенно обогащенных тяжелыми металлами почвах.

Для биоиндикации экологических воздействий загрязненных тяжелыми металлами почв используются в зависимости от поставленных задач различные способы.

Как известно из исследований многих авторов, загрязнение субстратов тяжелыми металлами приводит у растений из нормальных местообитаний к изменениям активности ферментов. Поэтому можно оценить нагрузку на первичный обмен веществ с помощью раннедиагностического тестирования о возможностях биоиндикации влияния на растения, например, свинца по особенностям ферментов (эстеразы, малатдегидрогеназы, кислой фосфатазы, пероксидазы) с одновременным учетом их ферментативной активности.

Для определения косвенной оценки вреда, наносимого росту и продуктивности растений, можно использовать опыты по культивированию. Двухгодичные саженцы деревьев с различной чувствительностью исследуются на экспериментальных субстратах со ступенчато изменяющейся концентрацией загрязнителей. Для целей биоиндикации пригодны следующие параметры: выживаемость, рост корней и побегов, некрозы листьев и хвои.

В целях сохранения близкой к природной растительности, а также для растениеводческих и лесоводческих целей в условиях антропогенного загрязнения особое значение придается вопросу о том, насколько имеющиеся растения уже обладают устойчивостью к тяжелым металлам. Для проверки этого существует несколько способов, например, сравнительное измерение роста корней.

Следует также упомянуть о возможности использования почвенных организмов для оценки влияния загрязнения тяжелыми металлами. Установление соответствующих параметров жизнедеятельности может дать указания об изменении деструкторных возможностей почвенных организмов и тенденциях в этом направлении.

Загрязнение солями щелочных и щелочно-земельных металлов

Антропогенное загрязнение почвы растворенными или твердыми солями щелочных и щелочно-земельных металлов возникает в результате:

  • • недостаточной эффективности дренажных систем при орошении сельскохозяйственных культур в аридных зонах;
  • • деятельности соледобывающих или солеперерабатывающих предприятий;
  • • применения солей (в растворе или твердых) для очистки улиц ото льда. От этого страдают в первую очередь относительно узкие полосы земли вдоль шоссе в населенных пунктах и вне их.

Физиолого-биохимическое воздействие солевого стресса и реакция на него как солечувствительных гликофитов, так и более или менее солеустойчивых галофитов исследованы уже достаточно детально.

Для биоиндикации в каждом конкретном случае важно знать причины различий в солевом стрессе у отдельных видов при равной интенсивности загрязнения. Весьма неодинаковый ущерб, наносимый солью растущим вдоль шоссе деревьям, объясняют прежде всего видоспецифичным поглощением соответствующих ионов (N3‘, С Г). Несколько иными причинами вызываются различия в ущербе, наносимом деревьям и травяной растительности. Последняя в силу недолговечности ассимиляционных органов (в частности, побегов), очевидно, меньше повреждается солями, поскольку не происходит их накопления в результате многолетнего поступления в организм. После быстрого вымывания токсичных хлоридов из корневой области даже при достаточно высокой концентрации катионов (например, Mg+2) можно наблюдать положительное воздействие на продуктивность.

В отношении биоиндикации солевого загрязнения можно рекомендовать оценку кратковременного воздействия загрязненных почв на травянистые растения в экспериментах по определению прорастания и развития этих растений.

Опыты с прорастанием семян особенно пригодны для оценки загрязнения поверхности почвы и ее верхних горизонтов (0.. .5 или 0... 10 см глубины). С этой целью семена соответствующих видов, иногда солеустойчивых, высеваются в чашках Петри (диаметром от 9 до 12 см) на различных почвах. Как было показано в экспериментах, вместе с повышением концентрации солевого раствора в почве происходило сильное замедление прорастания семян, и заметно уменьшался процент всхожести.

Ростовые опыты заключаются в высаживании стандартизированных видов фитоценозов в интересующих исследователя местообитаниях в открытый грунт или в сосуды, причем диапазон применяемых концентраций и продолжительность опыта варьируют.

Долговременное воздействие засоленных почв можно проследить на древесных породах.

У долгоживущих растений существует тесная взаимосвязь между специфическим для каждого органа содержанием поступивших ионов солей (Na+ и С Г) и степенью повреждения.

Причиной ущерба наряду с идущим поступлением солей может быть и их накопление в прошедшие годы. В экспериментах установлена взаимозависимость между содержанием соли в древесине и коре у особо солечувствительной и потому сильно страдающей у обочин дорог липы мелколистной.

Содержание солей в коре деревьев позволяет провести раннюю диагностику степени повреждения. Если в средних и внутренних слоях коры у липы превышены показатели 7,5 мг-экв С1 и 5,0 мг-экв Mg, следует ожидать от среднего до тяжелого поражения дерева.

Существуют методы оценки ущерба в результате длительного воздействия солей путем измерения годичных колец.

Оценка повреждения солями и солеустойчивости при подъеме грунтовой воды или затоплении может применяться не только для морских побережий, но и для берегов рек с относительно высокой концентрацией солей.

Загрязнение агрохимикатами

Загрязнение почвы, вызванное использованием агрохимикатов, связано, прежде всего, с применением средств защиты растений, регуляторов роста и удобрений. В зависимости от их назначения эти вещества воздействуют на биоценозы по-разному.

Среди средств защиты растений (СЗР), вероятно, наиболее широкомасштабное воздействие на пространственные и функциональные отношения в экосистемах оказывают гербициды. Их воздействие зависит в каждом отдельном случае от химического состава, применяемой концентрации и степени их стойкости и проявляется после поступления в почву и адсорбции (порядка 30...50 %) на гумусных и глинистых коллоидах. Разложение гербицидов происходит как абиотическим (химическим), так и биотическим (прежде всего микроорганизмами) путем.

С точки зрения биоиндикации интерес представляют следующие вопросы:

  • 1) определение стойкости гербицидов в связи с отрицательным воздействием на культурные растения их остатков (например, у гербицидов с многомесячной стойкостью типа триазинов) методом ранней диагностики в опытах с высшими растениями и микроорганизмами;
  • 2) определение изменений на уровне популяции уничтожаемых организмов (сорняков). Это относится как к их ценозам, так и к консументам и деструкторам, взаимодействующим с ними в данной экосистеме.

Экологически высокозначимы, но еще недостаточно изучены (особенно с точки зрения длительности) прямые и косвенные изменения агроэкосистем под действием гербицидов. Как показали исследования последних лет, их применение приводит к длительным изменениям на уровне консументов и деструкторов. Перечисленные на примере гербицидов возможности биоиндикации при оценке воздействия загрязненной почвы на автотрофные и гетеротрофные организмы применимы и для других групп СЗР.

В то время как СЗР всегда используются для подавления определенных групп организмов, цель внесения азотных удобрений — повышение урожаев культурных растений в результате улучшения плодородия почвы. При значительном внесении азота в экосистемы может возникнуть иногда существенное загрязнение. Оно влияет на чувствительные культуры за счет накопления токсичных концентраций нитратов, а кроме того, приводит к изменению или нарушению структуры ценозов. В фитоценозах это выражается в стимуляции нитрофильных видов, которые вытесняют другие, менее конкурентоспособные растения. До сих пор еще недостаточно изучено воздействие на уровне деструкторов.

Загрязнение органическими газами и жидкостями, а также радиоактивными веществами

Загрязнение почвы названными группами веществ происходит главным образом при различных видах аварий. К самым впечатляющим относятся, несомненно, аварии с нефтеналивными танкерами у морского побережья. Менее заметны, но не менее важны с точки зрения возможных последствий для организмов и пищевых цепей локальные загрязнения на суше (например, при выбросе из-под земли нефти). Сюда же относятся иногда вначале скрытые результаты загрязнения почвы при утечке газа или нефти из подземных газо- и нефтепроводов.

Именно в таких случаях биоиндикация создает благоприятные предпосылки для ранней диагностики нарушений.

Воздействие на почву неодинаково в зависимости от источника загрязнения. Здесь уместно привести пример с природным газом и возможностями использования биоиндикаторов: газ вызывает нарушения роста в подземных органах растений. Это связано в первую очередь с недостатком кислорода, влияние же самой газовой смеси в деталях еще недостаточно исследовано. При этом саженцы тополей показали себя очень чувствительными биоиндикаторами.

По биоиндикации загрязнения почвы радионуклидами пока отсутствуют обзорные работы. Труднодоступность материала и его анализа, а также возможная опасность подобных исследований обусловливают недостаток данных для широкой оценки применения аккумулятивных биоиндикаторов загрязнения (как фонового, так и в результате аварии). Однако создается впечатление, что лишайники накапливают большие количества радиоактивных веществ и потому могут использоваться в качестве аккумулятивных биоиндикаторов.

4. Биологическое загрязнение почвы

Загрязнение почв чужеродными микроорганизмами происходит в результате попадания в почву бытовых и сельскохозяйственных отходов и отбросов, а также за счет аэрозолей микробиологических производств. С бытовыми отбросами в почву могут попадать потенциально опасные микроорганизмы (патогенные и токсикогенные), способные вызывать кишечные инфекции и пищевые отравления у человека, эпидемические заболевания у животных, токсикозы растений.

В санитарно-эпидемиологических почвенных исследованиях определяют содержание в почвах бактерий группы кишечной палочки и патогенных клостридий и бацилл — возбудителей столбняка, сибирской язвы, газовой гангрены и др. Бактериальные энтомопатогенные препараты (энтомобактерин, дендробациллин, боверин, мускардин) содержат споры бацилл, которые в течение многих лет сохраняются и размножаются в почве. При применении этих препаратов методами аэрораспыления происходит массовое обсеменение растительности и почвы спорами этих бактерий, что приводит к нарушению природного равновесия в микробных сообществах.

Почва способна к самоочищению от несвойственных ей микроорганизмов. Механизмы, лежащие в основе самоочищения почв, могут быть разной природы.

В первую очередь это связано с отсутствием в почвенной среде условий, необходимых для развития попадающих извне микроорганизмов, а также неблагоприятного действия физических и химических факторов (кислотности, высушивания, солнечной радиации и т.д.).

Другой механизм элиминации микроорганизмов — взаимодействие с членами почвенной биоты: выедание, лизис и др. В некоторых случаях, при загрязнении небольших территорий, рекомендуется применять для очистки почв химические дезинфектанты (формалин, окись этилена, тиазол и др.) или специфические препараты пестицидов.

Нарушение экологической среды под влиянием разного рода загрязнителей — одна из важнейших проблем современности, поэтому разработка принципов и методов ранней диагностики повреждения почвенной биоты под их воздействием представляет собой одну из самых насущных задач биологии почв.

Контрольные вопросы:

  • 1. Что такое загрязнение?
  • 2. Классификация загрязнений.
  • 3. Дайте характеристику физического воздействия на почвы.
  • 4. Что такое химическое загрязнение почв?
  • 5. Охарактеризуйте загрязнение почв сернистым газом.
  • 6. Охарактеризуйте загрязнение почв пылью и золой.
  • 7. Охарактеризуйте загрязнение почв солями щелочных и щелочноземельных металлов.
  • 8. Охарактеризуйте загрязнение почв агрохимикатами.
  • 9. Охарактеризуйте загрязнение почв радионуклидами.
  • 10.Что такое биологическое загрязнение почв?
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >