Экотоксикологическая оценка почв в окрестностях алюминиевого завода города Красноярска методами биотестирования

Введение. Почвенный покров Земли представляет собой важнейший компонент биосферы. Почва представляет собой сложную систему, которая взаимодействует с остальными компонентами биосферы. При нарушении функционирования данной системы необратимо нарушится и весь порядок взаимодействия компонентов всей биосферы. Поэтому необходимо уделять внимание контролю состояния почвенного покрова, его использования в деятельности человека [1, 2, 5]. Эффективным методом оценки потенциальной опасности химического, физического и биологического воздействия на почву считается биотестирование. Биотестирование осуществляется экспериментально с использованием тест-культур путем регистрации изменений биологически важных показателей (тест-реакций), таких как выживаемость, ингибирование роста. Состояние тест-культур оценивается в соответствии с выбранными критериями токсичности (в данном случае по критерию Стьюдента).

Алюминиевый завод является одним из главных загрязнителей окружающей среды в окрестностях города Красноярска. На сегодняшний день глобальная деградация природы в большей степени обусловлена чрезвычайным загрязнением почвенного покрова.

Цель исследования : токсикологическая оценка почв по выживаемости инфузорий Paramecium caudatum , активности проростков семян кресс-салата Lepidium sativum L . и результатам рентгенофлуоресцентного анализа тест-объектов (далее – РФА).

Для достижения цели были поставлены следующие задачи :

– оценить токсичность почв в зоне влияния алюминиевого завода в окрестностях г. Красно- ярска по выживаемости Paramecium caudatum, ингибированию роста проростков семян кресс-салата Lepidium sativum L. и показателям РФА;

– провести сравнительный анализ результатов токсичности почв по выживаемости Paramecium caudatum , по динамике роста проростков семян кресс-салата Lepidium sativum L . и количественному содержанию некоторых химических элементов .

Объекты и методы исследования. Для определения степени токсичности исследуемых почв, взятых с окрестностей алюминиевого завода Красноярска, проводились эксперименты по выживаемости тест-культуры инфузории Paramecium caudatum и ингибированию роста корней и ростков семян кресс-салата Lepidium sativum L . [3, 4, 6], а также тест-объекты были подвергнуты рентгенофлуоресцентному анализу с использованием специализированного оборудования.

Статистическая обработка результатов проводилась с использованием программы Excel дисперсионно и корреляционно.

Пробы почвы отбирались в июле 2013–2015 гг. из поверхностного горизонта почвы с глубины 0–10 см; из перегнойного (гумусового) горизонта – с глубины 10–30 см; из горизонта вымывания (элювиального) – с глубины 30–45 см; из перехода элювиального горизонта в иллювиальный – с глубины 45–60 см со следующих станций, находящихся в зоне влияния алюминиевого завода в г. Красноярске. Местоположение отбора проб представлено на рисунке 1:

– станция 1 – 100 м от территории предприятия;

– станция 2 – 500 м от территории предприятия на северо-восток;

– станция 3 – 1 км от территории предприятия на северо-восток;

– станция 4 – 5 км от территории предприятия на северо-восток;

– станция 5 – 10 км от территории предприятия на северо-восток;

– станция 6 – 20 км от территории предприятия на северо-восток.

Рис. 1. Карта-схема г. Красноярска: станции отбора проб (июль 2013–2015 гг.)

Отбор проб производился в трехкратной повторности, далее путем перемешивания готовилась интегральная проба. Станции отбора проб были установлены согласно стабильности направления ветра (розы ветров) для данной территории.

Один из методов определения токсичности, используемых в анализе, – метод индивидуальных линий парамеций ( Paramecium caudatum ). Выживаемость тест-культуры, которая фиксируется по числу выживших парамеций, информирует о наличии токсичности.

Достоверность различий между контрольными и опытными вариантами оценивалась по индексу токсичности и по критерию Стьюдента.

(Тi): Тi= ((Тik- Тi o) / Тik )·100%, где Тi = 0–0,25, токсичность допустимая; Тi = 0,26–0,70, токсичность умеренная; Тi > 0,71, токсичность высокая.

Достоверное различие контрольных и опытных показателей по критерию Стьюдента является показателем стрессового воздействия, т. е. токсичности.

Тест-объектом был выбран кресс-салат Lepidium sativum L. По каждому варианту вычислялся процент угнетения роста корней и побегов по сравнению с контрольным образцом. Фитотоксическая активность в процентах ингибирования вычислялась по формуле

Аф = 100 – (Дх/Дк)·100, где Аф – фитотоксическая активность ингибирования, %; Дх – средняя длина корней/побегов на опытном варианте, мм; Дк – средняя длина кор-ней/побегов на контроле, мм.

Ингибирование роста корней и побегов тест-культуры на 50 % является критерием вредного воздействия. Достоверность различий опытных и контрольных показателей определяется по критерию Стьюдента.

Рентгенофлуоресцентный анализ использовался для получения качественных и количественных показателей в пробах почвы следующих химических элементов: As, Co, Cr, Cu, Fe 2 O 3 , Mn, Ni, Pb, Sr, V, Zn, – относительно ПДК. Данные элементы являются обязательным и факультативными для контроля выбросов металлургических заводов.

Результаты исследования и их обсуждение. Анализ проб почвенного покрова, взятых со станций отбора в районе алюминиевого завода и исследованных методом индивидуальных линий парамеций, показал следующие результаты: показатели токсичности на уровне допустимо токсичных (T i = 0,0–0,23; p > 0,05) и умеренно токсичных (T i = 0,27–0,69; p > 0,05). Исключение составили пробы, отобранные с горизонтов станции 4 (горизонт А0 и А2), которые показали высокую токсичность (T i = 0,72– 0,80; p < 0,05) (рис. 2).

Рис. 2. Токсичность почвенного покрова по реакции выживаемости инфузории Paramecium caudatum, в 60 мин экспозиции

Пробы почвы также подверглись оценке по фитотоксической активности роста корней (рис. 3) и побегов (рис. 4) кресс-салата Lepidium sativum L .

Анализ фитотоксической активности роста корней тест-культуры показал следующие результаты: почвенный покров оценивается как достоверно токсичный (Ip = 40,9–94,6 %; p < 0,05). Исключение составили пробы, взятые со станции 5 и 6, которые показали малотоксичные и нетоксичные результаты (Ip = 4,8–30,6 %; p > 0,05), т. е. состав данной пробы не вызывает видимого ингибирования роста корней семян тест-культуры (см. рис. 3).

Анализ фитотоксической активности роста побегов семян тест-культуры показал достоверно токсичные результаты (I p = 47,4–94,4 %; p < 0,05). Исключение составили пробы, отобранные со станций 5 и 6, фитотоксические показатели которых находятся на уровне малотоксичных и нетоксичных (I p = 1–42 %; p > 0,05), т. е. почвенный покров не вызывает видимого ингибирования роста побегов семян тест-культуры (см. рис. 4).

Рис. 3. Токсичность почвенного покрова по фитотоксичности роста корней кресс-салата Lepidium sativum L.

■ А0

■ А1

■ А2

■ А2В

Рис. 4. Токсичность почвенного покрова по фитотоксичности роста побегов кресс-салата Lepidium sativum L.

По результатам проведенного анализа почвенных проб по ингибированию роста корней и побегов семян кресс-салата Lepidium sativum L. токсичность почвенного покрова в районе алюминиевого завода оценивается по фитотоксиче-ской активности в основном как токсичные (Ip = 40,9–94,6 %; Ip = 47,4–94,4 %), за исключением проб, отобранных со станций 5 и 6, где отмечены низкие показатели фитотоксичности (1–42 %). Фитотоксический эффект проявился в пределах 43 % и выше.

Метод РФА используется в основном для выявления причин токсичности почвы и определения количественного содержания заявленных химических элементов. В результате рентгенофлуоресцентного анализа было выявлено превышение концентрации Cr, Cu, Ni, Pb и Zn относительно ПДК (рис. 5–10). Степень концентрации As, Co, Fe 2 O 3 , Mn, Sr, V оценивается как допустимая, т. е. на уровне или ниже ПДК.

Рис. 5. Количественное содержание некоторых химических элементов, отобранных со станции 1

Рис. 6. Количественное содержание некоторых химических элементов, отобранных со станции 2

Рис. 7. Количественное содержание некоторых химических элементов, отобранных со станции 3

Рис. 8. Количественное содержание некоторых химических элементов, отобранных со станции 4

Рис. 9. Количественное содержание некоторых химических элементов, отобранных со станции 5

Рис. 10. Количественное содержание некоторых химических элементов, отобранных со станции 6

Содержание Cr, Cu, Ni и Pb превышает предельно-допустимые концентрации в 2 раза, за исключением станции 5 и 6, где значение дан- ных элементов не превышает либо незначительно превышает значение ПДК. Содержание Zn на станциях 2 и 3 превышает значение ПДК в

6–7 раз, на станциях 1 и 4 – в 2 раза, на станциях 5 и 6 превышение ПДК не наблюдается.

Заключение. Анализ состояния почвы по содержанию контролируемых элементов (Cr, Cu, Ni, Pb и Zn) свидетельствует о техногенном происхождении данных элементов в почвенном покрове, влияющих на токсичность почвенного покрова. Пробы почвенного покрова, отобранные со станций в районе алюминиевого завода и подвергнутые анализу методом индивидуальных линий парамеций, показали результаты на уровне допустимо токсичных (Т i = 0,0–0,23;

p > 0,05) и умеренно токсичных (Т i = 0,27–0,69; p < 0,05), исключение составили пробы, отобранные со станции 4 (горизонт А0 и А2). Данная проба показала высоко токсичный результат (Т i = 0,72–0,80; p < 0,05). Анализ фитотокси-ческой активности роста побегов и корней семян кресс-салата оценивается как достоверно токсичный (I p = 47,4–94,4 %; p < 0,05). Исключение составили пробы, отобранные со станций 5 и 6, которые показали малотоксичный и нетоксичный результат (p > 0,05). Такой показатель проявляется при незначительном ингибировании роста корней и побегов семян тест-культуры (I p =1–42 %).