Фитотестирование почв и техногенных поверхностных образований в урбанизированных ландшафтах

В почвенном покрове современных природнотехногенных ландшафтов широко представлены деградированные почвы и техногенные поверхностные образования, которые существенно отличаются от природных почв [Герасимова и др., 2003;]. Глубокая трансформация почвенного покрова ха рактеризует техногенные и урбанизированные территории Пермского края [Еремченко и др., 2013]. Оптимизация окружающей среды невозможна без учета свойств и экологических функций токсичных компонентов почвенного покрова [Ковалева и др., 2015]. Пониженная биологическая активность и токсичность деградированных почв и почвоподобных образований может быть обусловлена как их

неблагоприятными свойствами, так и разнообразными загрязнителями (тяжелые металлы, соли, нефтепродукты), что делает экологическую оценку их состояния весьма трудоемкой, длительной и дорогостоящей.

В настоящее время при оценке биологической активности и токсичности почв применяют животных, микроорганизмы, растения; однако приоритет следует отдать высшей растительности, создающей фотосинтезирующий покров на поверхности, являющейся основой трофических отношений в биоценозах [Терехова. 2011]. Метод фитотестирования способен давать достоверную информацию о качестве почв, обладает высокой чувствительностью, универсальностью, интегральностью и простотой [Воронина, 2009].

В РФ разработано много методик биотестирования почв, около 10 из них внесены в федеральный реестр (ФР) как рекомендованные для целей практического токсикологического контроля [Терехова, 2011]. Разработаны методы биотестирования на дафниях, цериодафниях, хлорелле, инфузориях, бактериях, проростках высших растений [Бардина, 2014]. В основе большинства методов лежит тестирование почвенных водных вытяжек, что имеет лишь опосредованное отношение к состоянию реальной трехфазной почвенной системы. В другой группе методов почвы тестируют проростками растений, реакцию на загрязнение оценивают относительно незагрязненной почвы. Международным стандартом ISO 11269-2 определена необходимость использовать как минимум два вида растений, при этом одно должно быть однодольным, а другое двудольным [Международный стандарт ISO 11269-2]. Этот же стандарт рекомендует использовать в качестве тест-культуры ячмень обыкновенный (Hordeum vulgarе).

Проблема применения методов тестирования на городских почвах и техногенных поверхностных образованиях (ТПО) заключается в выборе контроля. В природе не существует аналогов этих образований, их токсичность и низкая биоактивность могут быть обусловлены множеством загрязнителей и общими неблагоприятными свойствами. Оптимальным контролем могла бы служить система с воспроизводимыми свойствами, благоприятными для роста и развития растений. В некоторых работах используется вода [Русанов и др., 2015], что, на наш взгляд, занижает уровень контрольного состояния растений и не позволит правильно оценить почвоподобное образование.

Известны основные свойства плодородных почв, обеспечивающие максимальную продуктивность природных фитоценозов и культурных растений: реакция среды, близкая к нейтральной, высокое содержание и благоприятный состав гумуса, доступность питательных элементов, водопрочная зернистая или комковатая структура, высокая микробиологическая и биохимическая активность и т.д. Ранее проведенные в регионе исследования показали перспективность использования кресс-салата Lepidium sativum L. для тестирования почв Пермского края. Данная культура показала положительную реакцию на содержание гумуса и питательных веществ, насыщенность основаниями, отрицательную реакцию - на загрязнение тяжелыми металлами, кислую и щелочную реакцию, засоление [Еремченко и др., 2014; Лузина, Демакина, 2014; Митракова, 2015]. Неблагоприятная почвенная среда способствовала снижению высоты и массы кресс-салата, кроме того, токсичность почв сопровождалась повышением редокс-активности экстрактов этих растений [Еремченко и др., 2014].

Для практического использования метода фитотестирования требуется наличие «эталона сравнения», относительно которого будет оцениваться состояние трансформированных почв и почвоподобных образований. Свойства зональных типов почв Пермского края (дерново-подзолистые, подзолистые подзолы) не способны обеспечить высокую фитопродуктивность. Полагаем, что тест-контролем может служить корневой субстрат, при выращивании на котором кресс-салат будет показывать наилучшие значения; такой тест-контроль послужит для сравнительной оценки биологической активности и токсичности трансформированных почв и почвоподобных образований.

Материалы и методы исследований

Природные почвы Пермского края - дерновоподзолистая, серая почвы и темно-серая и чернозем были использованы для обоснования при выборе тест-контроля. Объектами фитотестирования послужили урбостратоземы и квазиземы с территории района разноэтажной застройки г. Перми, которые диагностировали в соответствии с новыми систематическими подходами [Прокофьева и др., 2014].

Для выращивания кресс-салата использовали темногумусовый горизонт чернозема (слои 2-12 и 15-25 см) и темно-серой почвы (2-12 и 12-22 см), серогумусовый (2-20 см) и гумусово-элювиальный (20-30 см), горизонты серой почвы, серогумусовый горизонт дерново-подзолистой почвы (2-10 см). С территории городского участка для тестирования использовали пробы поверхностных слоев (0-15 см) урбостратоземов и квазиземов.

Для тест-контроля растения выращивали на питательном растворе Кнопа, в качестве субстрата использовался вермикулит. Вермикулит не образует нерастворимых соединений со всеми компонентами питательных растворов, при правильном применении не пересыхает и не переувлажняется, что предотвращает загнивание и пересыхание корневых волосков растений [Иванова и др., 2006]. Раствор Кнопа содержит необходимые элементы питания и широко используется при культивирова- нии растений [Практикум по физиологии..,, 2004]. Питательный раствор внесен в вермикулит один раз перед посевом, затем растения поливали водой.

В пробах почв определили содержание органического углерода - по Тюрину. рНвод и рНсол - на иономере «Экотест», сумму оснований (£осн) - по Каппену - Гильковицу, гидролитическую кислотность (Нгк) - по Каппену. Емкость катионного обмена (ЕКО) рассчитали путем сложения суммы оснований и гидролитической кислотности.

Для оценки биологической активности и токсичности почв кресс-салат выращивали в течение 10 дней. Затем измеряли высоту и массу растений в 30-кратной повторности, общую редокс-активность растительных экстрактов - в 3-кратной повторности по методу Петта в модификации Прокошева [Практикум по физиологии..,. 1972]. Общую редокс-активность растительных экстрактов рассматривают в качестве тест-реакции при токсичности корневой среды. В ранее проведенных экспериментах редокс-активность растений повышалась при загрязнении корневой среды тяжелыми металлами и солями, также с повышением почвенной кислотности [Еремченко и др.. 2014; Лузина. Демакина. 2014; Митракова. 2015].

Оценку достоверности различий между вариантами оценили по критерию Стьюдента и Фишера (статистический и дисперсионный анализы). Для установления связи между величинами использовали корреляционный и регрессионный анализы.

Результаты и их обсуждение

Свойства природных почв Пермского края оценили по критериям, предложенным В.Ф. Вальковым и др. [2004]. Чернозем и темно-серая почва характеризуются очень высоким содержанием гумуса (таблица). У серой почвы отмечено среднее содержание гумуса, а в маломощном серогумусовом горизонте дерново-подзолистой почвы установлено высокое содержание гумуса.

Агрохимические свойства почв

Почва	Глубина, см	Гумус, %	рНвод	рНсол	Нгк	£осн, МГ- экв/100	ЕКО,мг-экв/100	Степень насыщенности, %
Чернозем глинистоиллювиальный	2-12	13.7	5.4	4.6	16.4	67.3	83.7	80.4
	15-25	11.8	5.3	4.6	6.8	58.2	65	89.5
Темно-серая	2-12	12.1	5.8	4.8	15.2	35.9	51.1	70.2
	12-22	11.1	5.7	4.7	15.8	36	51.8	69.5
Серая	2-20	4.0	6.0	5.2	5.3	16.2	21.5	24.6
	20-30	3.5	6.2	5.1	4.5	15.8	20.3	22
Дерново-подзолистая	2-10	8.8	5.3	4.4	13.4	13.4	26.8	50

Величина актуальной кислотности показала слабокислую реакцию почвенного раствора исследуемых почв. Они обладают также обменной формой кислотности. В темногумусовых горизонтах чернозема и темно-серой почвы заметно выражена гидролитическая кислотность, обусловленная ёмкостью поглощения этих высокогумусированных почв. Ёмкость катионного обмена чернозема и темно-серой почвы крайне высокая, а серая и дерново-подзолистая почвы характеризуются средней величиной ЕКО.

По степени насыщенности почв основаниями определяют необходимость известкования почвы. Чернозем и темно-серая почва не нуждаются, а серая и дерново-подзолистая почвы сильно нуждаются в известковании.

У растений, выращенных на пробах из чернозема. высота понижена на 27-33% по сравнению с тест-контролем (рис. 1). На темно-серой почве, несмотря на высокое содержание гумуса и высокую емкость поглощения, растения были ниже уже на 54-63%. У растений на серой почве высота снизилась на 60-73%. а у растений на серогумусовом горизонте дерново-подзолистой почвы - на 57% относительно контроля. Таким образом, наиболее благоприятными для растений были свойства тем ногумусового горизонта чернозема, однако, растения были все же на 30% ниже, чем на вермикулите с питательным раствором. По-видимому, наиболее важной для кресс-салата являлась доступность пи тательных веществ, которая в почве понижена из-за ее поглотительной способности.

Рис. 1. Высота тест-культуры. мм:

1 - вермикулит; 2 - чернозем, 2-12 см; 3 -чернозем, 15-25 см; 4 - темно-серая, 2-12 см; 5 -темно-серая, 12-22 см; 6 - серая, 0-20 см; 7 -серая, 20-30 см; 8 - дерново-подзолистая, 2-10 см

Средняя масса одного растения на тест-контроле на 33-44% выше, чем на черноземе, на 63-70% ниже, чем на темно-серой почве и на 63-

74% ниже, чем на серой и дерново-подзолистой почвах (рис. 2).

Рис. 2. Масса тест-кулыуры. мг:

1 - вермикулит; 2 - чернозем, 2-12 см; 3 -чернозем, 15-25 см; 4 - темно-серая, 2-12 см; 5 -темно-серая, 12-22 см; 6 - серая, 0-20 см; 7 -серая, 20-30 см; 8 - дерново-подзолистая, 2-10 см

Таким образом, масса проростков, как и высота. зависит, по-видимому. от степени доступности питательных веществ, поэтому она повышена при выращивании на вермикулите с питательным раствором. Из почв наиболее благоприятными были пробы чернозема, но и на них растения были в среднем ниже на 33-44%. чем на тест-контроле.

Редокс-активность, как показатель окислительного стресса растений, возрастает при токсичности корневой среды [Еремченко и др., 2014]. Исследуемые почвы не подвержены загрязнению, поэтому. в эксперименте не отмечено заметного увеличения этого показателя (рис. 3).

Рис. 3. Общая редокс-активность проростков кресс-салата, мл KJ на 100 г сухой массы:

1 - вермикулит; 2 - чернозем, 2-12 см; 3 -чернозем, 15-25 см; 4 - темно-серая, 2-12 см; 5 -темно-серая, 12-22 см; 6 - серая, 0-20 см; 7 -серая, 20-30 см; 8 - дерново-подзолистая, 2-10 см

Существенно возросла редокс-активность проростков на пробе из гумусово-элювиального горизонта серой почвы. Вероятно, имеет место реакция растений на избыток протонов. Растения формируют электрохимический градиент водорода на поверхности мембраны клеток, что обеспечивает проницаемость мембран, синтез АТФ [Лукаткин. 2002]. Избыток протонов в корневой среде может нарушить электрохимический градиент протонов и. следовательно# важнейшие функции мембран. Известно, что в кислых почвах возрастает под вижность алюминия, марганца; их токсическое действие на растения может также активизировать антиоксидантную систему, что проявляется в усилении редокс-активности растительных экстрактов.

Таким образом, кресс-салат, выращенный на вермикулите с питательной средой можно использовать в качестве тест-контроля при оценке состояния почв и почвоподобных образований. На этом варианте прослежена более высокая продуктивность кресс-салата десятидневного возраста, чем у растений, выращенных на плодородных почвах (чернозем, темно-серая почва) Пермского края. В отличие от почв данная корневая среда просто воспроизводится, питательный раствор Кнопа имеет определенный состав.

В проведенном эксперименте рост редокс-активности прослежен лишь на одном варианте и связан с оподзоленностью серой почвы. Таким образом. еще раз показано, что редокс-активность кресс-салата является информативной тест-реакцией на токсичность почвенной среды.

На городских почвах кресс-салат отличался от тест-контроля только в сторону понижения высоты и массы. Из 28 вариантов посева растений 9 вариантов (32%) показали достоверно пониженную высоту (рис. 4) и 13 вариантов (48%) - пониженную массу (рис. 5). В целом относительно тест-контроля растения чувствовали себя на городских почвах не хуже, чем на черноземе. Известно, что городские почвы характеризуются повышенным содержанием питательных элементов, благоприятной реакцией среды, что и определило продуктивность растений.

Редокс-активность кресс-салата, выращенного на пробах урбостратоземов и квазиземов варьировала существенно (рис. 6). от тест-контроля этот показатель достоверно отличался лишь в сторону увеличения. На 12 из 28 проб редокс-активность растений достоверно увеличилась в 1.5-1.6 раза. По-видимому. рост показателя свидетельствует об активности антиоксидантной системы растений в условиях токсичности корневой среды. Причиной усиления редокс-активности кресс-салата может быть накопление загрязнителей разного состава (тяжелые металлы, нефтепродукты, соли и др.) в городских почвах.

При общем угнетении растений прослежена тенденция к повышению редокс-активности (рис. 7). однако сила связи показателей - средняя; коэффициент корреляции с высотой составил - 0.57, с массой растений - 0.62. По-видимому. адаптивные возможности растений позволяют до некоторой степени справиться с действием загрязнителей.

Таким образом, исследования показали, что экологическое состояние поверхностных горизонтов урбостратоземов и квазипочв с территории селитебной зоны разноэтажной застройки имеет удовлетворительный уровень. Почвы способны ниже уровня, полученного на черноземах иллюви-обеспечить высокую продуктивность растений, не ально-глинистых.

№№ проб

Рис. 4. Высота кресс-салата, выращенного на пробах поверхностных слоев (0-15 см) урбостратоземов и квазиземов:

* - различия достоверные с тест-контролем

Рис. 5. Масса кресс-салата, выращенного на пробах поверхностных слоев (0-15 см) урбостратоземов и квазиземов:

- различия достоверные с тест-контролем

Рис. 6. Редокс-активность кресс-салата, выращенного на пробах поверхностных слоев (0-15 см) урбостратоземов и квазиземов:

* - различия достоверные с тест-контролем

Подобные данные не противоречат фактам аккумуляции в городе разнообразных загрязнителей.

т.к. почвы обладают определенной устойчивостью. Так. известно, что устойчивость в отношении за- грязненности тяжелыми металлами обеспечивается содержанием и составом гумуса, нейтральнощелочной средой. Тяжелые металлы малоподвижны в гумусированных и слабокислых черноземах и темно-серых почвах [Митракова, 2012; Митрако-ва. Шестаков. 2015], в нейтральных почвах жилого района г. Перми [Еремченко и др.. 2014]. Органические загрязнители разрушаются почвенной микробиотой. которая характеризуется существенным разнообразием и активностью в почвах г. Перми, по сравнению с кислыми зональными почвами [Москвина. 2004]. Антигололедные соли малосущественно аккумулируются в почвах придорожных полос благодаря влажному климату и расчлененному рельефу территории города [Москвина. 2001].

Рис. 7. Зависимость между массой и ре докс -активностью растений

Заключение

Исследования показали перспективность использования кресс-салата для тестирования почв и ТПО урбанизированных территорий, при этом в качестве тест-контроля рекомендуем применять растения, выращенные на вермикулите с питательным раствором Кнопа. При тестировании снижение высоты и массы растений на 30% относительно тест-контроля считать допустимой величиной, т.к. подобные показатели имели растения, выращенные на пробах из чернозема глинистоиллювиального. характеризующегося высоким содержанием гумуса, высокой емкостью поглощения и слабокислой реакцией среды. Урбостратоземы и квазиземы селитебного района г. Перми показали удовлетворительный уровень биологической активности по сравнению с тест-контролем. Усиление редокс-активности растительных экстрактов следует рассматривать, по-видимому, как проявление токсичности городских почв, связанное с аккумуляцией в них загрязнителей разной природы.

Исследования выполнены в рамках государственного задания Министерства образования и науки РФ. проект «Технология оценки почвенных ресурсов, мониторинга и прогнозирования состояния почвенного покрова».