Влияние тяжелых металлов на биологическую активность подзолистой почвы

Естественнонаучный институт при Пермском университете, 614990, Пермь, ул. Генкеля, 4

В модельных опытах при оптимальном водном режиме изучено влияние разных доз свинца, вносимого по фону низких доз меди, цинка и коры, на биологическую активность подзолистых почв и фитотоксичность. Установлено, что активность эмиссии СО2 является более информативным показателем загрязнения подзолистых почв тяжелыми металлами, чем активность каталазы.

Защита окружающей среды от загрязнения в последние годы становится веб более актуальной на фоне усиливающейся антропогенной и техногенной нагрузки. Вследствие такой нагрузки в почве могут аккумулироваться различные поллютанты. Значительное место среди загрязняющих веществ, особенно в городских агломерациях, занимают тяжёлые металлы. Максимальное тяжело-металльное загрязнение почв наблюдается вблизи промышленных предприятий, теплоэлектростанций, крупных автомагистралей.

Отмечено наиболее высокое содержание в почвах таких элементов, как Zn, Си, Сг, РЬ, они часто превышают ПДК. Известно, что подвижность тяжёлых металлов в системе почва - растение во многом определяется физико-химическими свойствами почв, содержанием органического вещества и деятельностью микроорганизмов, принимающих активное участие в трансформации веществ в почве.

Представляло интерес изучить влияние наиболее часто встречающихся тяжёлых металлов на биогенность дерново-подзолистых почв, на начальные этапы роста и развития растений, установить зависимость этих показателей от дозы поллютанта в обычной почве и на фоне вносимых органических удобрений.

Исследования проводились в модельном опыте на подзолистой суглинистой почве Предуралья, характеризующейся следующими показателями (слой 0-20 см): гумус 1,2%, рНС0Л 5,0. Схема модельного опыта включала внесение загрязняющих веществ (Pb(NO3)2*3H2O) в дозах, равных 1, 2 и 3 ПДК (200, 400, 600 мг/кг), цинк и медь в дозе 1 ПДК (Zn-100, Cu-50 мг/кг). Микроэлементы вносили в виде порошка, тщательно перемешивали с почвой, которую увлажняли до 60% от полной влагоёмкости. Размельченную кору, блокирующую подвижность тяжёлых металлов, вносили в дозе 1/10 от веса почвы.

Опыт проводили в замкнутых сосудах, почву периодически перемешивали. О влиянии тяжёлых металлов на биогенность почв судили по эмиссии СО2 на 3-е, 10-е, 20-е сут., активности окислительных ферментов во влажных и стерильных образцах. Рост и развитие растений определяли по изменению величины роста и веса надземной и подземной фитомассы пшеницы, высеваемой на почвенные пластины (по Красильникову).

Наблюдение за эмиссией СО2 показало, что свинец, внесённый в дозе 1 ПДК, не оказывает существенного ингибирующего воздействия на деятельность микроорганизмов, на 20-е сут. в этом варианте активность выделения СО2 была даже выше, чем в контрольных вариантах. С повышением дозы свинца ингибирующее действие на микроорганизмы усиливалось, что отразилось и на биохимической активности почв, особенно сильно проявилось снижение эмиссии СО2 из почвы в этих вариантах на 20-й день экспозиции (рис. 1).

Внесение низких доз цинка и меди на первых этапах даже усиливало эмиссию СО2 в опыте, со временем (на 20-й день) уровень выделения СО2 в этом варианте был немного ниже чем в контрольном. Суммарно за 3 срока количество СО2 было близким к аналогичному показателю в контрольных вариантах. Установлено, что свинец на фоне других загрязнителей (цинка и меди) (рис. 1) усиливал ингибирующее воздействие на микроорганизмы, с увеличением дозы свинца на фоне Zn и Си уровень «дыхания» снижался до минимума (рис. 1). '

Внесение низких доз цинка и меди на фоне органических отходов (кора) повышало эмиссию СО2, и она была выше, чем в контроле на протяжении всего опыта. Даже высокие дозы свинца на фоне полиметалльного загрязнения (Си и Zn) при

Рис. 1. Изменение динамики активности дыхания почвы при моно- и поликомпонентном загрязнении почв тяжёлыми металлами:

1 - почва (контрольная); 2 - почва + РЬ (в дозе 1 ПДК); 3 - почва + РЬ (2 ПДК); 4 - почва + РЬ (3 ПДК);

5 - почва + Zn + Си (1 ПДК); 6 - почва + Zn + Си + РЬ (1 ПДК); 7 - почва + Zn + Си + РЬ (2 ПДК); 8 - почва + Zn + Си + РЬ (3 ПДК); 9 - почва + Zn + Си (1 ПДК) + кора; 10 - почва + Zn + Си + РЬ (2 ПДК) + кора; 11 -почва + Zn + Си + РЬ (3 ПДК) + кора

может быть частично снижено внесением органических удобрений даже при высоком содержании тяжёлых металлов в почве. Наибольшее различие между вариантами по эмиссии СО2 были на 20-е сут наблюдений.

Пагубное воздействие высоких доз свинца отразилось и на активности окислительных ферментов (рис. 2). Определение активности каталазы показало низкий уровень активности фермента при совместном внесении РЬ и других тяжёлых металлов (Zn+Cu). Внесение коры в почву снижало отрицательное воздействие тяжёлых металлов на активность ферментов. Следует отметить, что при тяжелометалльном загрязнении показатель активности каталазы был менее информативен, чем уровень «дыхания», и тяжёлые металлы не оказывали существенного влияния на активность иммобилизованной каталазы.

Действие тяжелых металлов проявилось в замедлении роста растений. Тяжёлые металлы, вносимые в почву, ингибировали развитие растений только при высоких дозах. Низкие дозы свинца даже на фоне поликомпонентного загрязнения способствовали нарастанию надземной фитомассы, но задерживали развитие корневой системы. Показатель длин надземной фитомассы к размеру корней свидетельствует о пагубном воздействии повышенного свинцового загрязнения на корневую

Рис. 2. Активность каталазы (за 5 минут):

а- иммобилизованная; Ь - в биогенноактивной почве; 1,2, 3... - Xs вариантов

внесении коры были менее токсичны для микроорганизмов.

В целом ингибирующее действие тяжеломе-талльного загрязнения на микроорганизмы, участвующие в деструкции органического вещества, систему (рис. 3.). Этот показатель был обратно пропорционален концентрации загрязнителя.

Из всего вышеизложенного следует, что повышенные дозы свинца (2-3 ПДК) ингибируют деятельность микроорганизмов, отрицательно влияют

Рис. 3. Влияние тяжелометалльного загрязнения на начальные этапы развития растений (отношение длин надземной части к корням, см; 1,2, 3...- № вариантов)

на активность «дыхания», в меньшей мере на активность окислительного фермента каталазы и на нарастание надземной фитомассы. Ингибирующее действие свинца усиливается на фоне других компонентов и может быть частично снято внесением органических удобрений, в частности коры. Суммарное количество СО2, улавливаемое в течение различных сроков наблюдений, является информативным показателем биологической активности и может быть использовано при диагностике тяжелометалльного загрязнения подзолистых почв.