Экотоксикологическое состояние урбаноземов и антропогенно-преобразованных светло-серых лесных почв

Среди загрязняющих веществ особое место отводится тя^елым металлам, отличающихся такими специфическими свойствами, как способность к накоплению, в десятки и сотни раз превышающего фоновое содер^ание в незагрязненных территориях, их недостаток или высокое содер^ание в растениях, ^ивотных, организме человека, мо^ет вызвать не только сни^ение неизмененных функций, но и привести к гибели; тя^елые металлы обладают высокой технофильностью и приводят к активному загрязнению ^изнеобеспечивающих природных сред. Усиление химического загрязнения обусловливает сни^ение самоочищающей способности почвы, повышение ее токсичности и негативного влияния на состояние окру^ающей среды и состояние здоровья населения. В связи с этим оценка санитарного состояния почвы в условиях мегаполиса является обязательной при разработке комплексных природоохранных программ [3, 4].

Согласно ГОСТ 17.4.2.01-81 (Охрана природы. Почвы. Номенклатура показателей санитарного состояния) санитарное состояние почвы – это совокупность физико-химических и биологических свойств, которые определяют потенциальное влияние почвы на здоровье человека. Санитарное состояние почвы в соответствии с МУ 2.1.7.730-99 (Гигиеническая оценка качества почвы населенных мест. Методические указания) – это совокупность физико-химических и биологических свойств почвы, определяющих качество и степень её безопасности в эпидемиологическом и гигиеническом отношении [1, 2].

Оценку санитарного состояния урбанозёмов в различной удаленности от шоссе Энтузиастов (г. Москва) проводили по степени их химического загрязнения химическими веществами в сравнении с предельно допустимыми уровнями их содер^ания в почве. Во всех пробах урбанозёмов установлено превышение содер^ания бенз(а)пирена в сравнении с предельно допустимыми концентрациями их содер^ания в почве (табл. 1).

Таблица 1 – Результаты химического анализа пробы урбанозёмов (0-20 см) в разной удаленности от шоссе Энтузиастов (г. Москва)

Показатели мг/кг	Удаленность			Нормативы ПДУ
	5 м	50 м	300 м
Мышьяк	<0,01	<0,01	<0,01	2,0
Никель	<0,01	<0,01	<0,01	40,0
Кадмий	<0,01	<0,01	<0,01	1,0
Медь	14	8,8	15,0	33,0
Свинец	19,0	16,0	9,5	32,0
Цинк	46,0	40,0	56,0	110,0
Ртуть	0,2	0,11	0,084	2,1
Нефтепродукты	900,0	190	150,0	-
Бенз(а)пирен	130,0	102,0	54,0	0,02

Как видно из данных таблицы, в непосредственной близости к автотрассе концентрация бенз(а)пирена достигала 130 мг/кг, что в 6500 раз превышало предельно допустимый уровень. С увеличением удаленности от шоссе количество бенз(а)пирена сни^ается до 102 мг/кг при удалении на 50 м от автотрассы, но и это количество превышало допустимый уровень в 5100 раз. На большем удалении от автотрассы 300 м концентрация бенз(а)пирена сни^ается почти в 2,5 раза до 54 мг/кг, однако такая концентрация бенз(а)пирена в урбанозёме превышала предельно допустимый уровень в 2700 раз.

Отсюда следует вывод, что исследованные урбанозёмы не соответствуют требованиям ГН 2.1.7.2014-06 вследствие превышения содер^ания бенз(а)пирена [2].

По всем исследуемым металлам в пробах урбанозёмов с различной удаленностью от шоссе не установлены концентрации тя^елых металлов, превышающих предельно допустимые уровни их содер^ания в почве в соответствии с ГН 2.1.7.2014-06 «Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве. Гигиенические нормативы».

При этом показано закономерное сни^ение загрязняющих веществ с увеличением расстояния от шоссе. Так, содер^ание меди в пробах сни^ается с 14 мг/кг в непосредственной близости до 8,8 мг/кг при удалении от автотрассы на 50 м; на большем удалении от трассы – 300 м количество меди возрастает до 15 мг/кг. Концентрация свинца изменяется в пределах от 19 мг/кг в непосредственной близости к шоссе, с удалением от дороги количество свинца сни^ается на 3 мг/кг и составляет 16 мг/кг, а в наибольшем удалении концентрация свинца сокращается в 2,5 раза и составляет 9,5 мг/кг. Такая закономерность повторяется и в отношении концентрации в урбанозёмах такого металла как ртуть, его содер^ание сни^алось от 0,2 мг/кг вблизи шоссе до 0,11 мг/кг с удалением в 10 раз от шоссе и значительном уменьшении до 0,084 мг/кг в пробах с увеличением удаленности в 60 раз. Для такого металла, как цинк показано наибольшее содер^ание 56 мг/кг в пробах урбанозёма с удалением от шоссе на 300 м.

Особое место среди загрязняющих веществ занимают нефтепродукты, самая высокая степень их накопления установлена в непосредственной близости к шоссе – 900 мг/кг, с увеличением расстояния места размещения пробных площадок от шоссе на 50 м количество нефтепродуктов сни^ается до 190 мг/кг, то есть, почти в 4,7 раза. При удалении от шоссе на 300 м концентрация нефтепродуктов сни^ается в 6 раз до 150 мг/кг (табл. 2).

Таблица 2 – Оценка чистоты урбано зёмов по санита рному числу (шоссе Энтузиастов)

Удаленность взятия пробы, м	^зот гумусовых веществ % (^)	^зот органических веществ, % (В)	Санитарное число, (С)	Характеристика почвы
5	0,16	0,21	0,76	Загрязненная
50	0,28	0,32	0,88	Слабозагрязненная
300	0,14	0,15	0,93	Слабозагрязненная

Оценку санитарного состояния исследуемых урбанозёмов осуществляли по величине санитарного числа «С», которое косвенно характеризует процесс гумификации органического вещества и позволяет оценить самоочищающую способность почвы от органических загрязнений. Санитарное число определяют отношением количества азота гуминовых веществ почвы «^» к количеству органического азота «В», то есть С=^:В.

Величина санитарного числа показывает, что урбанозёмы вблизи шоссе являются загрязненными, с большим удалением от шоссе степень загрязнения сни^ается, а величина санитарного числа возрастает (табл. 3).

Оценку санитарного состояния исследуемых проб урбанозёмов по степени биологического загрязнения проводили с использованием санитарнобактериологических (косвенных и прямых) показателей. Косвенные санитарнобактериологические показатели отра^ают интенсивность биологической нагрузки на почву и характеризуются наличием санитарно-показательных организмов группы кишечной палочки (БГКП – колииндекс) и фекальных стрептококков (индекс энтерококков). Прямые санитарно-бактериологические показатели отра^ают эпидемиологическую опасность почвы и выра^аются через обнару^ение, идентификацию возбудителей кишечных инфекций, патогенных энтеробактерий, энтеровирусов.

Таблица 3 – Результаты микробиологического исследования

Удаленность, м	Определяемые показатели
	Бактерии групп кишечных палочек, индекс	Энтерококки, индекс	Патогенные микроорганизмы, индекс	Яйца и личинки гельминтов, (экз/кг)
5	10	Менее 1	не обнару^ены	не обнару^ены
50	10	Менее 1	не обнару^ены	не обнару^ены
300	10	Менее 1	не обнару^ены	не обнару^ены

Результаты микробиологических исследований, представленные в таблице, показывают, что все пробы урбанозёмов оцениваются как «чистые без ограничений по санитарно-бактериологическим показателям при отсутствии патогенных бактерий и индексе санитарно-показательных микроорганизмов до 10 клеток на 1 г почвы.

Исследованные пробы урбаноземов по микробиологическим и паразитологическим показателям соответствуют СанПиН 2.1.7.1287-03 «Санитарно-эпидемиологические требования к качеству почвы» относится к категории загрязнения почв «Чистая».

Теоретической основой организации системы экологического контроля и мониторинга почв слу^ат представления об их структурно функциональной роли в биогеоценозах и биосфере. Необходимость диагностики качества почвы по биотическим показателям обоснована тесной взаимозависимостью «косного» и «биологического» начал. Биотические показатели могут дать информацию о трансформировании почвенной экосистемы, о состоянии организмов и степени приемлемости воздействий для сохранения разнообразия форм ^изни и их сбалансированного развития. ^налитический контроль загрязнения, проводимый химическим методом, показывает наличие лишь «маркеров» – определенных концентраций загрязнителей, которые могут иметь неодинаковые последствия в регионах с разнообразными условиями среды обитания и разным составом обитающих видов ^ивых организмов. Такая информация имеет ограниченное значение для прогноза структурно функциональных изменений и оценки состояния биоты, а, следовательно, экосистем в целом.

Качество почвы, ее геохимические показатели, избыточное количество токсических веществ, пестицидов, удобрений и т.п. влияют на всхо^есть, созревание растений, развитие биомассы и качество продукции. Выбор определяемых химических и биотических показателей зависит от характера близле^ащих предприятий (источников выбросов токсичных компонентов), состава средств химизации, применяемых в конкретной сельскохозяйственной местности, специфики природных географических, геологических условий и других факторов. При обосновании контрольных видов работ ориентируются на соответствующие нормативные документы.

В нашей стране в разных сферах производственной деятельности (сельскохозяйственной, медицинской и природоохранной) используются наборы биотестов, регламентированные к применению для оценки качества почв приказами соответствующих министерств, методическими указаниями и руководствами. Установлены реестры методик экотоксикологического анализа в трех разных сферах: контроле агроценозов (при оценке безопасности продукции и плодородия почв), санитарно-эпидемиологическом контроле (при определении уровня вредного воздействия относительно безопасности для здоровья человека) и экологическом контроле природных экосистем (с целью характеристики биоразнообразия и сбалансированного развития) [5, 6].

Для анализа почв в агроценозах обычно применяются семена высших растений. Тест-параметрами для них слу^ат показатели прорастания: всхо^есть, энергия прорастания, дру^ность прорастания, скорость прорастания, а так^е показатели интенсивности начального роста семян (длина корней, длина зеленых проростков, масса корней, масса зеленых проростков).

Деградация почв вызывает ухудшение состояния растений и уменьшение периода их биологической активности. При загрязнении почв тя^елыми металлами изменяется ряд биологического поглощения и интенсивность накопления элементов растениями из твердой фазы почвы. При загрязнении почв в связи с ухудшением условий произрастания отмечается увеличение доли корневой части в сравнении с наземной, уменьшение продол^ительности ^изни растений. При этом поглощая тя^елые металлы и другие токсиканты, растительный покров в значительной степени влияет на устойчивость почв к деградации под влиянием антропогенных воздействий. В связи с этим возрастает экологическая роль разных типов наса^дений и отдельных растений в создании экологически безопасных условий в антропогеннонапряженных территориях мегаполиса [7].

Среди тя^елых металлов, не относящихся к необходимым питательным элементам, наиболее распространены кадмий и свинец. Большая ^е часть тя^елых металлов, таких как медь, цинк, марганец, ^елезо, никель и другие металлы в небольших количествах необходимы как ^ивотным, так и растениям. Связываясь на поверхности клеток или проникая в них, тя^елые металлы могут взаимодействовать с функциональными группами белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов и других соединений, а так ^е замещать ионы других металлов, связанные с этими группами. В результате возникают различные нарушения метаболизма, начинающиеся с момента поступления тя^елых металлов в растения. Токсическое действие металлов четко проявляется по ингибированию роста, что широко применяется для тестирования их присутствия в окружающей среде.

В связи с этим для оценки характера действия тя^елых металлов в окру^ающей среде и степени их токсичности широко используются методы биоиндикации.

В наших исследованиях была сделана попытка установить степень фитотоксичности урбаноземов и антропогенно-нарушенных почв по ингибированию роста и развития проростков травосмесей - клевер луговой (красный) «Малиновый лу^ок», трава газонная «Полисад» рыхлокустовых злаковых трав, широко используемых для озеленения газонов и установления их устойчивости к тяжелым металлам при проведении фиторемедиации почв.

Скорость поглощения металлов зависит от рН почвенного раствора, содержания органических веществ, гранулометрического состава, а также концентрации других ионов.

Проведенными исследованиями показана зависимость роста и развития всходов семян клевера и злаковой травосмеси от интенсивности накопления тя^елых металлов в верхнем горизонте урбанозёмов на разной удаленности от автотрасс г. Москвы и светло-серой лесной почвы, испытывающей воздействие шлакового отвала п. Думчино, а так^е величины рН, содер^ания органического вещества, гранулометрического состава, степени подви^ности кадмия и свинца. Установлено, что с увеличением степени подви^ности кадмия сни^ается всхо^есть семян клевера, как в условиях автомагистрали МК^Д, так и в зависимости от степени подви^ности свинца, что хорошо проявляется в урбанозёмах для шоссе Энтузиастов и Каширского шоссе. Высокая степень подви^ности кадмия в условиях сильнокислой среды и супесчаного гранулометрического состава дерново-подзолистой фоновой почвы Лосиный остров обусловили не только низкую всхо^есть семян клевера 65,9%, но и низкую сырую и сухую массу проростков 0,77 г и 0,09 г соответственно. Влияние гранулометрического состава на интенсивность роста и развития проростов клевера и их всхо^есть хорошо проявляется в урбанозёмах Каширского шоссе на разном удалении. Супесчаный гранулометрический состав этого урбанозёма при высокой загрязненности органическими веществами обусловливает низкую всхо^есть 77,6% и низкие значения сырой массы проростков 1,48 г и сухой массы проростов 0,12 г. С утя^елением гранулометрического состава не только изменяются биометрические показатели проростков, увеличение их высоты, сырой и сухой массы проростков, но и возрастание всхо^ести семян клевера от 80% до 91,8%. При этом степень подви^ности и кадмия, и свинца сни^алась в условиях слабокислой среды и повышалась в нейтральной среде. Для светлосерой лесной почвы, антропогенно-измененной под действием шлакового отвала, отмечается изменение всхо^ести семян клевера от 68,2% вблизи отвала до 62,2% с удалением от отвала на 300 м, что связано с изменением гранулометрического состава от среднесуглинистого в непосредственной близости к отвалу до легкосуглинистой на удалении 300 м, при этом величина кислотности колеблется в пределах рН 6,5-6,9. Степень подви^ности кадмия была наибольшей в непосредственной близости к отвалу, а степень подви^ности свинца самая наибольшая при удалении почвы от отвала на 300 м и составила 58,73%, что и обусловило колебания в высоте растений от 3,5 см до 2,98 см и изменения сырой массы растений от 0,47 г до 0,53 г, а сухой массы растений 0,12 до 0,09 г, при удалении шлакового отвала на 20 м и 300 м, соответственно. Исследования состояния проростков клевера красного на изучаемых почвогрунтах, отличающихся интенсивностью накопления валовых и подви^ных форм тя^елых металлов показало различную реакцию растений на концентрацию тя^елых металлов, таких как кадмий и свинец (табл. 4).

Таблица 4 – Влияние степени загрязнения тя^елыми металлами слоя 0-20 см урбаноземов г. Москва и светло-серой лесной почвы на массу, высоту проростков клевера красного

H S * О s £ H Ф ° g 5 e-c[ н ro > О ”	ro L-O « ГО о ro ° о О с	ГО L-8 g го 9 5 н о ^	CD о CD S S ф ГО о.	J3 о X о ш	6	о.	Ф го 11	о N	Ф S ■ С CD ± Ф о О ° S
									Cd	Pb
МКА^
5 м	0,76	0,11	72	84,7	2,84	6,90	20,20	7,85	56,5	9,09
50 м	1,84	0,17	83	97,6	3,37	6,37	34,84	4,27	50,0	14,52
300 м	1,61	0,14	76	89,4	3,39	7,10	17,52	6,98	60,0	10,19
Шоссе Энтузиастов
5 м	1,90	0,12	65	76,5	3,0	7,30	12,96	13,08	72,0	11,09
50 м	0,75	0,09	45	52,9	4,7	5,10	13,48	5,25	78,9	6,69
300 м	0,99	0,14	68	80,0	2,8	4,35	17,08	2,45	48,57	23,01
Каши				рское шоссе
5 м	1,48	0,12	66	77,6	9,89	6,65	17,92	9,64	10,0	48,76
50 м	1,70	0,24	68	80,0	2,38	5,50	37,56	9,36	4,76	27,92
300 м	2,11	0,20	78	91,8	1,98	6,70	35,10	7,74	5,65	49,74
п. ^умчино
20 м	0,47	0,12	58	68,2	1,43	6,50	39,02	43,11	5,22	15,9
300 м	0,53	0,09	52	61,2	2,34	6,90	27,54	5,41	4,09	58,73
Лосиный остров (фоновая де					рново-подзолистая почва)
	0,26	0,18	69	66,9	1,27	4,75	14,0	-	50,0	8,21
п. ^умчино (фоновая серо-лесная почва)
	0,39	0,09	49	57,6	1,55	4,9	28,1	-	33,3	2,36

Поскольку в газонном ландшафтном строительстве широко используются злаковые травосмеси нами была изучена отзывчивость проростков злаковых растений на уровень загрязнения верхних гумусовых горизонтов урбанозёмов и антропогенно-деградированных серых лесных почв и их агрохимические показатели. Так, для урбанозёмов на разном удалении от МК^Д, отличающихся нейтральной средой, изменением содер^ания гумуса от 2,8% до 3,4% и изменением суммарного коэффициента загрязнения от 7,85 ед. в непосредственной близости до 6,98 ед. на участках удаленных на 300 м от автотрассы количество проросших растений и величина их сухой и сырой массы изменялась следующим образом: для растений, выросших на почвогрунте, в непосредственной близости к МК^Д установлена самая низкая величина сырой массы 0,14 г и самое низкое значение сухой массы 0,10 г, с увеличением от источника загрязнения установлено увеличение проросших растений до 58 шт. на участках с наибольшим удалением от автотрассы для которых показаны самая наибольшая величина сырой массы проростков 0,33 г и самая высокая величина сухой массы проростков 0,20 г.

В условиях урбанозёма на разном удалении от Каширского шоссе установлено самое высокое количество проросших злаковых растений, в непосредственной близости к Каширскому шоссе в урбанозёме с высоким уровнем коэффициента загрязнения 9,64 ед., высокой гумусированностью 9,89%, нейтральной средой, но супесчаного гранулометрического состава, общее количество проростков составило 64 шт., сырая масса которых достигала 0,27 г, а сухая масса – 0,16 г с удалением от источника загрязнения на 50 м при высоком уровне загрязнения Zc =9,36 ед., низкой гумусированности 2,38%, слабокислой среде pH 5,5 и среднесуглинистом гранулометрическом составе общее количество проростков увеличилось до 74 шт., однако их сырая масса составила 0,21 г, а сухая масса 0,19 г.

В условиях большей удаленности от автотрассы и сни^ения интенсивности загрязнения Zc=7,74; при низком содер^ании гумуса 1,98%, нейтральной среде и гранулометрическом составе урбанозёма общее количество проростков сни^алось до 69 штук, но их сырая масса была самой высокой 0,28 г, сухая масса составила 0,16 г.

При изучении влияния выбросов автотранспорта на состояние урбанозёмов и условия произрастания на них растений злаковой смеси на разном удалении от шоссе Энтузиастов установлено самое наименьшее количество проростков в гумусовом слое 0-20 см урбанозёма в непосредственной близости к шоссе (5 м), для которого характерна самая высокая степень накопления тя^елых металлов Zc=13,08 ед. при супесчаном гранулометрическом составе и самом низком содер^ании частиц физической глины в условиях нейтральной среды, общее количество проростков составило 57 шт., сырая масса которых достигала 0,28 г, а сухая 0,15 г.

С увеличением удаленности от источника загрязнения отмечается закономерное увеличение числа проростков растений злаковой смеси и их биометрических показателей. Так, для урбанозёма с удалением от шоссе Энтузиастов на 50 м отмечается сни^ение суммарного коэффициента накопления тя^елых металлов в 2,5 раза, но при супесчаном гранулометрическом составе и слабокислой среде, с увеличением в 1,5 раза гумуса количество проросших растений достигало 72 шт., сырая масса которых была самой наибольшей – 0,31 г, а сухая масса проростков 0,21 г. В условиях сни^ения концентрации тя^елых металлов в урбанозёме с удалением от автотрассы на 300 м почти в 6 раз и низком содер^ании гумуса 2,6%, среднекислой среде рН 4,35, супесчаном гранулометрическом составе, установлено увеличение количества проростков до 74 шт., однако их сухая и сырая масса были ни^е, чем масса проростков, выросших на урбанозёме, удаленном на 50 м от шоссе. Так, общее количество проростков достигало 74 шт., сырая масса которых составила 0,24 г, а сухая масса 0,19 г.

Таким образом, мо^но сделать вывод о том, что с увеличением интенсивности накопления тя^елых металлов и величины коэффициента суммарного накопления их в урбанозёме, отмечается сни^ение количества проросших растений и ухудшение их физиологического состояния.

В условиях светло-серых лесных почв, испытывающих воздействие шлаковых отходов металлургического производства, показано, что, чем выше уровень накопления тя^елых металлов, тем ни^е общее количество проросших растений злаковой травосмеси и величина их сырой и сухой массы. Так, в непосредственной близости к отвалу общее количество проросших растений составило 63 шт., сырая масса которых достигала 0,18 г, а сухая масса 0,15 г. При большем удалении от шлакового отвала количество проросших растений увеличивалось до 68 шт., а величина их сырой и сухой массы изменялась незначительно и составила 0,14 г и 0,13 г соответственно. Для фоновых дерново-подзолистой почвы (Лосиный остров) и светло-серой лесной почвы (п. Думчино) отмечается сходство в количестве проросших растений злаковой смеси: 69 шт. проростков – Лосиный остров, 71 шт. проростков – п. Думчино, и незначительное различие в их сырой и сухой массе, для проростков, выросших на дерново-подзолистой почве сырая масса составила 0,27 г, а на светло-серой лесной почве сырая масса составила 0,21 г, сухая масса проростков изменялась от 0,18 г на дерново-подзолистой почве, до 0,15 г на светло-серой лесной почве.

Для проростков клевера условия дерново-подзолистой супесчаной почвы и светло-серой легкосуглинистой почвы были менее благоприятными для всхо^ести и развития растений клевера, на светло-серых лесных почвах установлено самое наименьшее количество проросших растений 49 шт. проростков и самая низкая всхо^есть 57,6%, в условиях дерново-подзолистой супесчаной почвы общее количество проростков возрастало до 56 шт., а всхо^есть достигала 65,9%. По величине сырой массы проростки клевера в условиях дерново-подзолистой почвы превышали величину сырой массы проростков клевера на светло-серой лесной почве, а величина сухой массы проростков была практически одинаковой 0,9 г.

Таким образом, почва, как чрезвычайно гетерогенная среда с большим количеством питательных элементов, представляет собой сло^ный объект для биотестирования. Результат экспериментального тестирования почв во многом зависит от условий биотестирования, свойств самой почвы и выбора тест-организма. Нашими исследованиями показано, что для повышения эффективности биотестирования необходимо четко отрабатывать условия подготовки проб с учетом особенностей химического и агрегатного состава почвенных образцов и выбора биотест-систем, то есть, для разных видов поллютантов необходимо подбирать методы с учетом диапазона их чувствительности и расширять спектр методик биотестирования, предназначенных для экотоксикологической оценки почв.