Почвы - это базис всех наземных экосистем, от успешного выполнения ими биоценотических функций зависит состояние живых организмов и оптимизация параметров окружающей среды. Использование растений и микроорганизмов, а также показателей их активности может дать необходимые оперативные данные о воздействии комплекса неблагоприятных факторов, которые включают в себя не только токсичные элементы, содержащиеся в почве, но и изменения свойств и режимов, имеющих место в антропогенно-преобразованных почвах. Биологическое тестирование отражает степень нарушения биогеоценотических функций почв, существующую угрозу для биоты, связанную с антропогенной деятельностью [1, 3, 7, 8]. Выбор биологических показателей должен быть обоснован их информативностью и, по возможности, простотой определения.
Цель исследований
Целью данной работы являлось обоснование применения некоторых биологических показателей при оценке нарушений биогеоценотических функций почв Пермского края. Исследуемые тесты включали высоту и массу растений тест-культуры - кресс-салата, содержание пероксида водорода в надземных органах растений, каталазную активность и «дыхание» (эмиссией углекислого газа) почвы. Их выбор обоснован следующим.
Lepidium sativum (кресс-салат) как тест-культура характеризуется быстрым ростом и почти стопроцентным прорастанием семян, он используется для исследования загрязненных почв [1].
Повышенное содержание пероксида водорода отражает нарушение процессов в растительных клетках, вызванное содержанием в почве поллютантов. Относительно долго живущий Н2О2, в числе других активных форм кислорода (АФК), продуцируют мембранные белки, транспортирующие электроны. АФК имеют высокую реакционную способность и могут повреждать внутриклеточные компоненты. В настоящее время АФК рассматриваются не только как деструкторные молекулы, но и как важнейшие сигнальные молекулы в клеточной регуляции [2, 3, 5, 6].
Активность почвенных ферментов является устойчивым и чувствительным показателем экологического состояния почв, она складывается в результате совокупности процессов поступления, иммобилизации и действия ферментов в почве. Ферментативная активность отражает ранние стадии нарушения биологических процессов в почвах при загрязнении тяжелыми металлами [4, 8, 10]. Каталаза, как и другие ферменты, продуцируется живыми организмами; она широко представлена в клетках растений. Все микробы, кроме некоторых анаэробных, способны выделять в почвенную среду каталазу, разлагающую пероксид водорода на воду и кислород.
«Дыхание» почв - это процесс выделения углекислого газа почвой, связан прежде всего с ферментативным разрушением органических соединений - продуктов жизнедеятельности; рассматривается как показатель степени замкнутости биологического круговорота веществ в биогеоценозе.
Материалы и методы исследований
Для биотестирования были взяты почвы из природно-сельскохозяйственных ландшафтов Пермского края, пробы из верхней и нижней части темногумусовых горизонтов чернозема и темно-серой почвы, из серогумусового и субэлювиального горизонтов серой почвы, из серогумусового и элювиального горизонтов дерново-подзолистой почвы, из переходного минерального горизонта псаммозема. Почвенные образцы загрязнили сульфатом кадмия из расчета Cd 500 мг/кг почвы, нитратом свинца из расчета Pb 1000 мг/кг почвы. Свинец вносился в количестве, соответствующем высокому уровню загрязнения, отмеченному в техногенных ландшафтах Пермского края. Токсичность кадмия в 2-10 раз выше других тяжелых металлов, поэтому его дозу сократили в два раза относительно свинца.
Растения кресс-салата сорта Данский выращивали в небольших сосудах в течение 14 дней, после чего были измерены высота и масса растений, определено количество пероксида водорода по ферротиоционатному методу [5]. Каталазная активность установлена в воздушно-сухих образцах почв по Ф. Х. Хазиеву [8]. Дыхание оценивали по количеству углекислого газа, выделяемого почвой в течение 24 часов при температуре 28 0 С и влажности в 60 % от полной влагоемкости адсорбционным методом по И. Н. Шаркову. Содержание органического углерода в почвах определено по Тюрину, солевое рН - потенциометрическим методом.
Результаты исследований и их обсуждение
Образцы почв существенно отличались содержанием гумуса, количество которого достигало максимальных величин в верхней части темно-гумусового горизонта чернозема (14 %), минимальных - в элювиальном горизонте дерново-подзолистой почвы и минеральном горизонте псаммозема (1-2 %). Величина рНсол также варьировала - от сильно-кислой (3,6) в дерново-подзолистой почве и псаммоземе, до слабокислой (5,1) в черноземе.
Для оценки биохимической активности почв были использованы сведения по почвам г. Перми [9]. Каталазная активность темно-гумусовых горизонтов чернозема и темно-серой почвы превышает фоновые показатели для почв г. Перми; в гумусовом горизонте светло-серой почвы она находится на уровне фона и существенно ниже в субэлювиальном горизонте этой почвы, а также в пробах из дерново-подзолистой почвы и псаммозема.
Интенсивность «дыхания» оказалась повышенной только в верхней части темногумусового горизонта чернозема. Величину «дыхания» в пределах фона имели нижняя часть темногумусового горизонта этой почвы и верхняя часть этого горизонта темно-серой почвы. В пробах из серой и дерново-подзолистой почв, из псаммозема эмиссия углекислого газа была заметно ниже, чем в городских почвах.
Методами регрессионного анализа была установлена связь между исследуемыми биологическими показателями и элементами почвенного плодородия (табл. 1, 2). С содержанием гумуса связаны высота и масса тест-культуры. Более тесная связь прослежена с каталазной активностью и «дыханием», в соответствии с коэффициентом детерминации 60-70 % их изменчивости зависит от содержания гумуса в почвах. Все изучаемые показатели, кроме «дыхания», имеют связь с рНсол. При этом, чем ниже кислотность (выше рН), тем больше высота и масса растений, активнее каталаза в почве (табл. 2). В почвах и техногенных поверхностных образованиях г. Перми также установлена зависимость биохимической активности от содержания гумуса и кислотности [9].
Содержание пероксида водорода в растениях с ростом обменной кислотности почвы увеличивается; возможно, кислая почвенная среда влияет на катионно-анионное равновесие клеточных растворов, нарушает транспорт протонов и электронов через клеточные мембраны, вызывая сверхпродукцию АФК. Таким образом, испытуемые биологические показатели изменялись в связи с основными элементами почвенного плодородия - содержанием гумуса и обменной кислотностью.
Таблица 1
Зависимость между содержанием гумуса в почвах и биоиндикационными показателями
|
Показатель |
Уравнение регрессии |
|
Высота тест-культуры, мм |
y = 4,47 + 0,17 x; F = 3,37; p = 0,0119; R2 = 0,32 |
|
Сырая масса тест-культуры, мг |
y = 381 + 132 x; F = 9,26; p = 0,00015; R2 = 0,57 |
|
Содержание пероксида в тест культуре, мМ/г сырой массы |
Нет |
|
«Дыхание» почвы, СО2 / 100 г почвы за 24 ч |
y = 8,88 + 1,51 x; F = 10,7; p = 0,000093; R2 = 0,61 |
|
Каталазная активность, О2 см3 / г почвы за 1 мин |
y = 0,603 + 0,397 x; F = 17; p = 0,000027; R2 = 0,71 |
Таблица 2
Зависимость между pHсол почв и биоиндикационными показателями
|
Показатель |
Уравнение регрессии |
|
Высота тест-культуры, см |
y = 0,68 + 1,16 x; F = 7,39; p = 0,00036; R2 = 0,51 |
|
Сырая масса тест-культуры, мг |
y = -0,0029 + 963 x; F = 18,8; p = 0,000021; R2 = 0,73 |
|
Содержание пероксида в тест культуре, мМ/г сырой массы |
y = 0,0455 - 0,0072 x; F = 8,51; p = 0,0004; R2 = 0,59 |
|
«Дыхание» почвы, СО2 / 100 г почвы за 24 ч |
Нет |
|
Каталазная активность, О2 см3 / г почвы за 1 мин |
y = 1,14 + 0,59 x; F = 6,51; p = 0,00061; R2 = 0,48 |
На вариантах с внесением в почвенные пробы солей свинца и кадмия произошло изменение состояния растений (табл. 3). Растения кресс-салата, выращенные на образцах из верхней части темногумусового горизонта чернозема, загрязненных солью свинца и кадмия, не отличались по росту и массе от контрольных растений. Известно, что в плодородных почвах токсическое действие тяжелых металлов снижается благодаря сбалансированному питанию растений, а также связыванию поллютантов органо-минеральными коллоидами. На темно-серой и серой почвах также не проявилось токсическое действие нитрата свинца; однако соль кадмия обладает более высокой токсичностью, на ее фоне достоверно понижены рост и масса растений. На образцах из серогумусового горизонта низкоплодородной дерново-подзолистой почвы масса растений при внесении соли свинца и кадмия снизилась в 3 и 12 раз соответственно. На пробах из минерального горизонта псаммозема при общих низких показателях роста и массы растений действие нитрата свинца было не достоверным, а на фоне соли кадмия растения не развивались.
Содержание пероксида водорода в наземных органах растений оказалась более информативным показателем, чем рост и масса растений. Генерация этой АФК усилена в растениях кресс-салата, выращенных на загрязненных почвах вне зависимости от их плодородия, даже при отсутствии изменений в показателях роста и массы (табл. 3).
Снижение каталазной активности почв произошло на вариантах загрязнения сульфатом кадмия. Несмотря на высокую дозу нитрата свинца, угнетение каталазной активности отмечено только в темно-серой почве, что, возможно, связано с положительным действием анионной части соли. На образцах псаммозема при очень низкой каталазной активности тяжелые металлы не изменили этот показатель.
«Дыхание» почв оказалось более стабильной величиной по сравнению с каталазной активностью, соль свинца не угнетала общую активность минерализационных процессов. Внесение сульфата кадмия достоверно снизило эмиссию углекислого газа из чернозема и дерново-подзолистой почвы.
В соответствии с данными по тестированию можно утверждать, что нитрат свинца из расчета Pb 1000 мг/кг почвы почти не нарушил биологические функции гумусовых горизонтов чернозема и серых почв. В серогумусовом горизонте дерново-подзолистой почвы на фоне свинца существенно ухудшилось состояние тест-культуры, хотя биохимические показатели почвы, обусловленные преимущественно микроорганизмами, при этом не пострадали по сравнению с контролем. Внесение сульфата кадмия из расчета Cd 500 мг/кг почвы привело к нарушению биологических функций почв, что отразилось в ухудшении состояния тест-культуры, каталазной активности и «дыхания» почв.
Таблица 3
Изменение биологических показателей при загрязнении почвенных проб солями свинца и кадмия
|
Почва |
Вариант опыта |
Высота растений, см |
Масса растений, мг |
Содержание Н2О2, мМ/г сырой массы |
Активность каталазы, О2 см3 / г почвы за 1 мин |
Интенсивность «дыхания», СО2 / 100 г почвы за 24 ч |
|
Чернозем |
Контроль |
6,9 |
1950 |
0,0137 |
6,3 |
30,8 |
|
Pb 1000 мг/кг |
7,5 |
2260 |
0,0235* |
6,2 |
29,2 |
|
|
Cd 500 мг/кг |
5,9 |
1412 |
0,0145 |
4,6* |
26,1* |
|
|
Темно-серая почва |
Контроль |
4,8 |
1337 |
0,0101 |
4,5 |
27,6 |
|
Pb 1000 мг/кг |
6,2 |
1125 |
0,0180* |
3,5* |
33,3 |
|
|
Cd 500 мг/кг |
3,9* |
687* |
0,0161* |
3,4* |
21,7 |
|
|
Серая почва |
Контроль |
5,6 |
1180 |
0,0150 |
3,8 |
14,1 |
|
Pb 1000 мг/кг |
5,6 |
1047 |
0,0196* |
3,6 |
13,5 |
|
|
Cd 500 мг/кг |
2,6* |
373* |
0,0595* |
2,9* |
13,8 |
|
|
Дерново-подзолистая почва |
Контроль |
5,9 |
1002 |
0,0191 |
1,9 |
24,2 |
|
Pb 1000 мг/кг |
4,7 |
319* |
0,0308* |
1,9 |
29,3 |
|
|
Cd 500 мг/кг |
1,6* |
78* |
- |
1,5* |
21,2* |
|
|
Псаммозем |
Контроль |
4,2 |
303 |
- |
1,6 |
11,7 |
|
Pb 1000 мг/кг |
3,4 |
332 |
- |
1,6 |
10,6 |
|
|
Cd 500 мг/кг |
- |
- |
- |
2,0 |
10,1 |
Примечание: * - достоверные отличия от контрольной величины.
Реакция псаммозема оказалась особенной, на фоне самой низкой биохимической активности отрицательного воздействия тяжелых металлов не установлено; одновременно растения на фоне кадмия не развивались.
Заключение
Испытанные методы тестирования с применением биологических показателей рекомендуем использовать при оценке состояния почв и нарушения их биогеоценотических функций в природно-техногенных ландшафтах Пермского края. Развитие кресс-салата, каталазная активность и интенсивность «дыхания» почв в разной степени отражают изменения в содержании гумуса и рН, загрязнение почв тяжелыми металлами, поэтому следует использовать их комплексно. Содержание пероксида водорода в тест-культуре рассматриваем как перспективный показатель в связи с нарушениями биогеоценотических функций, обусловленных физико-химическими и химическими свойствами почв.
Рецензенты:
Наумов Владимир Александрович, доктор геолого-минералогических наук, директор Естественнонаучного института при ФГБОУ ВПО Пермский государственный национальный исследовательский университет Минобрнауки России, г. Пермь.
Назаров Николай Николаевич, доктор географических наук, профессор, заведующий кафедрой физической географии и ландшафтной экологии, ФГБОУ ВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет» Минобрнауки России, г. Пермь.