Detection of toxicity of heavy metal pollution in soils based on their respiratory activity in native soils and simulated substrates (a case-study of the protected area “Yamskaya steppe”)

Во многих работах продемонстрировано, что минерализаци-онная или дыхательная активность почвенных микроорганизмов может являться сенситивным индикатором загрязнения почв тяжелыми металлами (ТМ) на естественных территориях вокруг промышленных предприятий (Berg et al., 1991; Aceves et al., 1999; Филимонова и др., 2000; Евдокимова, Зенкова, 2003) . Однако отклик микробного сообщества на загрязнение бывает неоднозначным и выражен в разной степени. Во многих случаях обнаружено не угнетение, а стимуляция учитываемых тест-реакций (Кабиров и др., 1997; Яковлев, 2000; Девятова, 2005; Шунелько, Федорова, 2006; Терехова, 2007) , что приводит к необходимости поиска причин этого явления. Поэтому продолжение исследований в данном направлении с привлечением разных подходов весьма актуально.

Участок “Ямская степь” государственного природного заповедника “Белогорье” расположен на северо-востоке Белгородской области, где на относительно небольшой площади сосредоточены предприятия горно-добывающей промышленности: Лебединский ГОК, Стойленский ГОК, комбинат “КМАруда”, Оскольский металлургический комбинат, ТЭЦ и др. Ямская степь граничит непосредственно с Лебединским ГОК, и при сильном ветре, стоя на ее территории, можно наблюдать клубы пыли, поднимающиеся с отвалов предприятия. Роза ветров ближайшего к заповедному участку пункта метеонаблюдений (г. Губкин) представлена на рис. 1, из которого видно, что, хотя преимущественные ветра дуют мимо Ямской степи, вероятность ветров Ю, ЮЗ и ЮВ направления, захватывающих территорию заповедника, составляет около 40%, что тоже немало. Значительные объемы перерабатываемого сырья для выплавки металла, технологические “хвосты” и отходы, недостаточно утилизируемые пылегазовыбросы создают избыточную техногенную

с

—Z Z"-

Ветер ю ■ Штиль

Рис. 1. Роза ветров, г. Губкин (по данным ресурса World Weather).

нагрузку на экосистемы окружающих территорий, прежде всего, на почву, загрязняя ее ТМ, поступающими по воздуху вместе с пылью из цехов и отвалов.

Цель работы – оценка токсичности загрязнения почв и ландшафтов участка “Ямская степь” заповедника “Белогорье” ТМ на основе изучения сети мониторинговых площадок ( МП ). При этом комплексные почвенные исследования проводили с использованием традиционных методов исследования общих свойств почв, с одной стороны, и чувствительных к загрязнению микробиологических тестов, с другой.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ

Вокруг Ямской степи в Белгородской области в 2013–2015 гг. заложили сеть пунктов комплексных наблюдений (мониторинговых площадок) за воздействием Лебединского ГОК на экосистемы этого заповедного участка. В 2013–2014 гг. исследовали 21-у мониторинговую площадку (табл. 1). Провели морфогенетический анализ полнопрофильных почвенных разрезов, названия почв даны согласно Классификации и диагностики почв России (2004).

Со всех МП отобрали пробы с глубины 0–5 см. В пробах определяли содержание органического углерода (Сорг) по Тюрину, рН водной вытяжки, гранулометрический состав методом пипетки с диспергацией пирофосфатом натрия и содержание валовых форм ТМ. Определение содержания ТМ проводили масс-спектральным методом с индуктивно-связанной плазмой, или атомноэмиссионным методом с индуктивно-связанной плазмой. Содержание Mn, Cd, Fe определяли атомно-абсорбционным методом в ацетатно-аммонийной вытяжке (рН 4.8).

В пробах, отобранных с глубины 0–5 см, в лабораторных условиях измеряли микробиологическую активность почв ( V basal ) по интенсивности выделения СО 2 при увлажнении, соответствующем 65– 70% от ППВ, и температуре 24^оС в трехкратной повторности. Скорость субстрат-индуцированного дыхания ( V sir ) измеряли при внесении в почву избытка доступного для микробов субстрата – глюкозы (Anderson, Domsch, 1978) . На основе измеренных V basal и V sir рассчитывали содержание микробного углерода (С mic ) и метаболический коэффициент ( q CO 2 ) (Благодатская и др., 1995) .

Дополнительно провели опыты с пылью, загрязненной ТМ (полученной из цехов Лебединского ГОКа), получали искусственные смеси этой пыли с почвой, методику вырабатывали в ходе эксперимента, поэтому ее описание поместили в следующий раздел.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Общие свойства почв МП и дыхательная активность нативных почв. Содержание С орг в верхнем слое (0–5 см) гумусовоаккумулятивного горизонта на изученных пунктах наблюдений варьирует от 3.69 (6.3% в пересчете на гумус) (МП Галичи, разр. Н4) до 2.06 (3.6% в пересчете на гумус) (МП Ямская степь, Суры, разр. Н11) (рис. 2А).

Поверхностные горизонты почв отличаются слабокислой, близкой к нейтральной, и нейтральной реакцией среды, т.е. условиями, необходимыми для проведения исследования по интенсивности выделения СО 2 микроорганизмами. Показатели кислотности всех точек наблюдения лежат в пределах 5.0–6.4 ед. pH (МП Романово, разр. Н1 и МП Барское, разр. Н7 соответственно) (рис. 2Б).

По гранулометрическому составу почвы МП незначительно различаются, это и средне- и тяжелосуглинистые отложения с содержанием физической глины от 42 до 54%.

Дыхательная активность микроорганизмов изменяется в широком диапазоне: от 0.6 (МП Ямская степь, Суры, разр. Н11, МП Садки, разр. Н33) до 2.2 мкг С/(г ч) (МП Барское, разр. Н7) (рис. 3).

Таблица 1. Сеть пунктов комплексных наблюдений за воздействием Лебединского ГОК на экосистемы Ямской степи

№	Пункт,	Почва	Ближай-	Бас-	Расстоя-	Азимут
раз-	координаты,		ший пункт,	сейн	ние от	к центру
реза	положение в рельефе		администр ативный район	реки	центра/ границы промзоны ЛебГОК, км	ЛебГОК
Н11	Ямская степь, Суры, 51°11'59.085"N 37°38'32.407"E, наветренное	Стратозем темногумусовый сверхмощный тяжелосуглинистый профильно оглеен-ный на овражнобалочных наносах	Загорный, Губкинский	Чуфи-чка	6.9 1.0	9°
Н13	Ямская степь, плакор, 51°11'23.8"N 37°38'46.403"E, некосимый участок, наветренное	Чернозем миграционно-мицелярный среднемощный тяжелосуглинистый средне карбонатный на карбонатных лёссовидных суглинках	Загорный, Губкинский	Чуфи-чка-Дубе-нка	7.9 2.0	6°
Н12	Ямская степь, плакор, 51°11'23.8"N 37°38'46.403"E, косимый участок, наветренное	Чернозем миграционно-мицелярный мощный среднесуглинистый глубоко карбонатный на карбонатных лёссовидных суглинках	Загорный, Губкинский	Чуфи-чка-Дубе-нка	7.9 2.0	6°
Н21	Ямская степь, Еремкин Лог, 51°10'38.4"N 37°39'02.9"E, подветренное	Чернозем глинистоиллювиальный среднемощный тяжелосуглинистый на бурых глинах	Загорный, Губкинский	Дубе-нка	9.1 3.0	4°
Н6	Должик, 51°9'8.594"N 37°33'15.987"E, наветренное	Темно-серая тяжелосуглинистая среднемощная на бескарбонатных лёссовидных суглинках	Дубравка, Губкинский	Дубе-нка	14.0 6.0	31°
Н9	Хмелеватое, 51°6'42.64"N 37°26'37.207"E, наветренное	Чернозем глинистоиллювиальный тяжелосуглинистый среднемощный на бескарбонатных лёссовидных суглинках	Мелавое, Губкинский	Орлик	22.4 12.7	43°

№	Пункт,	Почва	Ближай-	Бас-	Расстоя-	Азимут
раз-	координаты,		ший пункт,	сейн	ние от	к центру
реза	положение в рельефе		администр ативный район	реки	центра/ границы промзоны ЛебГОК, км	ЛебГОК
Н8	Водяное, 51°4'57.059"N 37°31'17.585"E, наветренное	Темногумусовая мощная тяжелосуглинистая на карбонатных лёссовидных суглинках, подстилаемых элювием меловых отложений	Дальняя Ливенка, Губкинский	Орлик	21.9 13.8	26°
Н19	Вислое, 51°2'11.772"N 37°24'34.846"E, наветренное	Чернозем глинистоиллювиальный тяжелосуглинистый мощный на бескарбо-натных лёссовидных суглинках	Конь-шино, Губкинский	Ольшанка	30.3 21.2	36°
Н3	Сенное, 51°12'28.663"N 37°30'30.343"E, наветренное	Стратозем темногумусовый сверхмощный тяжелосуглинистый на овражно-балочных наносах	Сергиев-ка, Губкинский	Оско-лец	11.9 2.5	61°
Н18	Воробьево, 51°02'0.057"N 37°28'30.003"E, наветренное	Чернозем глинистоиллювиальный мощный тяжелосуглинистый на бескарбонатных лёссовидных суглинках	Коньши-но, Губкинский	Ольшанка	28.3 19.9	28°
Н1	Романово, 51°13'48.398"N 37°28'55.447E, наветренное	Чернозем глинистоиллювиальный оподзоленный среднемощный тяжелосуглинистый глубокооглеенный на пролювиальноделювиальных переотложенных бурых глинах	Сергие-вка, Губкинский	Оско-лец	12.6 4.6	75°
Н5	Кленовенькое, 51°11'2.679"N 37°28'20.497"E, подветренное	Стратозем темногумусовый сверхмощный тяжелосуглинистый	Пугачи, Губкинский	Орлик	15.4 5.7	57°
Н4	Галичи, 51°10'28.892"N 37°28'1.038"E,	Темногумусовая мощная тяжелосуглинистая на	Пугачи, Губкинский	Орлик	16.3 6.6	55°

№ разреза	Пункт, координаты, положение в рельефе	Почва	Ближайший пункт, администр ативный район	Бассейн реки	Расстояние от центра/ границы промзоны ЛебГОК, км	Азимут к центру ЛебГОК
Н7	наветренное Барское,	бескарбонатных лёссовидных суглинках, подстилаемых меловыми отложениями Темногумусовая	Копцево,	Орлик	17.2	14°
Н14	51°6'38.209"N 37°35'55.922"E, подветренное Осинник,	маломощная тяжелосуглинистая на красно-бурых глинах Темногумусовая	Губкинский Старох-	Орлик	10.4 23.9	1°
Н16	51°3'1.629"N 37°39'14.739"E, наветренное Косино,	глинисто-иллювииро-ванная среднемощная тяжело суглинистая на бурых глинах, подстилаемых меловыми отложениями Темногумусовая	мелевое, Чернян-ский Кочегуры,	Оль-	17.1 26.8	10°
Н15	51°1'21.529"N 37°35'52.563"E, подветренное Резников Яр,	слитизированная мощная тяжелосуглинистая на бурых глинах Темно-серая	Чернян-ский Ольша-	шанка Оль-	20.2 27.1	0°
Н32	51°1'0.736"N 37°39'41.024"E, подветренное Обручное,	стратифицированная маломощная тяжелосуглинистая на бурых глинах Темногумусовая	нка, Черня-нский Ковыли-	шанка Ха-	20.9 33.9	359°
Н33	50.95613°N 37.67445°E, подветренное Садки,	глинисто-иллювииро-ванная остаточно карбонатная среднемощная тяжелосуглинистая на бурых глинах, подстилаемых переотложенными меловыми отложениями Темногумусовая	но, Чер-нянский Верхнее	лань Ха-	– 40.1	7°
	50.90226°N 37.59580°E, наветренное	метаморфизованная глинисто-иллювииро-ванная среднемощная тяжелосуглинистая на бурых глинах	Кузькино, Чернян-ский	лань	–

№	Пункт,	Почва	Ближай-	Бас-	Расстоя-	Азимут
раз-	координаты,		ший пункт,	сейн	ние от	к центру
реза	положение в рельефе		администр ативный район	реки	центра/ границы промзоны ЛебГОК, км	ЛебГОК
Н35	Репное, 50.98851°N 37.41460°E, наветренное	Чернозем глинистоиллювиальный среднемощный легкоглинистый на бурых глинах	Жилин Колодезь, Губкинский	Ольшанка	34.7 –	30°
Н36	Перелесок 2, координаты не определили	Чернозем глинистоиллювиальный мощный тяжелосуглинистый на бурых глинах	Кочегуры, Чернян-ский	Ольшанка	30.1 23.5	10°

Самые низкие значения зафиксированы в стратоземе темногумусовом, расположенном в днище балки (МП Ямская степь, Суры, разр. Н11); черноземе глинисто-иллювиальном (МП Воробье-во, разр. Н18) и темногумусовой метаморфизированной почве (МП Садки, разр. Н33). Наибольшие показатели базального дыхания обнаружены в темногумусовой маломощной почве (МП Барское, разр. Н7), темно-серой (МП Должик, разрез Н6), черноземе миграцион-но-мицелярном (МП Ямская степь, плакор, разр. Н12) и черноземе глинисто-иллювиальном (МП Ямская степь, Еремкин лог, разр. Н21). Таким образом, зависимость базального дыхания от типа почвы не прослеживается. Однако отмечена некоторая связь с режимом землепользования: на плакоре косимого участка Ямской степи (чернозем миграционно-мицелярный, разр. Н12) уровень V basal выше, чем на некосимом участке (та же почва, участки расположены в нескольких метрах друг от друга, разр. Н13).

Наибольшие значения содержания С mic обнаружены в тех же МП, что и в случае с V basal (МП 6, 7, 12, 21). Максимальные величины С mic достигают 168 мг C/100 г почвы (МП Барское, разр. Н7) в темногумусовой маломощной почве. Минимальные же значения зафиксированы в темно-серой стратифицированной почве (МП Резников Яр, разр. Н15) и черноземе глинисто-иллювиальном (МП Воробьево, разр. Н18), 30.1 и 20.6 мг C/100 г почвы соответственно. При этом уровень V basal на этих МП не был самым низким.

Hl H4 Нб Н8 НИ Н13   Н15   Н18    Н21 НЗЗ НЗб

Рис. 2. Содержание органического углерода (А) и рН (Б) в почвенных пробах с глубины 0–5 см на МП.

Следует отметить, что в почвах разр. Н15 (МП Резников Яр) и Н18 (МП Воробьево) наблюдаются самые высокие показатели метаболического коэффициента q CO 2 : 0.369 и 0.375 соответственно (рис. 4). Все остальные МП укладываются в диапазон значений от 0.052 до 0.143. На участках косимой (разр. Н12) и некосимой (разр. Н13) Ямской степи с черноземом миграционно-мицелярным

Рис. 3 . Содержание углерода микробной биомассы (А) и уровень базального дыхания (Б) в почвенных пробах с глубины 0–5 см на МП.

зафиксированы практически одинаковые значения q CO 2 . С точки зрения антропогенного загрязнения величины q CO 2 , превышающие 0.1–0.2, отражают угнетение и нарушение микробного сообщества (Благодатская и др., 1995) . Анализ удельной скорости базального дыхания ( V basal /С орг , мкг С/(г ч)) – величины, которая может служить косвенной характеристикой устойчивости

Рис. 4. Метаболический коэффициент qCO2 (А), отношение базального дыхания к содержанию органического углерода (Б) в почвенных пробах с глубины 0–5 см на МП.

органического вещества к разложению, показал, что наименьшие значения зафиксированы в МП Воробьево (разр. Н18) – 0.266 мкг С/(г ч) и Садки (разр. Н33) – 0.270 мкг С/(г ч). Чем ниже значения Vbasal/Сорг, тем менее подвержено органическое вещество почв минерализации и соответственно более стабильно (Мостовая и др., 2015). Наибольшие значения отмечены в Барском (разр. Н7) – 0.727 мкг С/(г ч) и на участках косимой и некосимой степи в заповеднике (разр. Н12 и Н13), 0.684 и 0.651 мкг С/(г ч) соответственно.

Для целей нашего исследования важно, что низкие значения удельной скорости базального дыхания означают уменьшение содержания легкодоступного субстрата в органическом веществе, которое может быстро разлагаться микроорганизмами, такие значения косвенно свидетельствуют об угнетенном состоянии микробного сообщества (в данном случае считали, что качество органического вещества одинаковое, так как почвы одного биоклима-тического ряда).

В работе изучали содержание валовых форм ТМ (табл. 2). Повышенными концентрациями Сu выделяется МП Еремкин лог (разр. Н21); Zn – Резников Яр (разр. Н15); Zr – Барское (разр. Н7), Резников Яр (разр. Н15) и Косино (разр. Н15); Sn и Pb – Должик (разр. Н6) и Резников Яр (разр. Н15); As – Воробьево (разр. Н18). Лишь для одной из опробованных МП получена связь превышения ПДК с ингибированием микробного сообщества – это Резников Яр (разр. Н15), который характеризуется наибольшим содержанием Sr, Zn, Zr, Sn и Pb, коэффициент q CO 2 здесь составляет 0.369. В МП Воробьево (разр. 18), для которого получен высокий q CO 2 и наименьшая удельная скорость V basal – 0.375, отмечается повышенное относительно других опробованных МП содержание As, но не превышающее ПДК. Коэффициенты корреляции содержания валовых форм ТМ для изученных МП с q CO 2 представлены в табл. 2. Выявлена средняя корреляция (более 0.5) между Sr и q CO 2 , близкая к средней (0.44) для Co и слабые корреляции для остальных ТМ. Для других показателей корреляционный анализ показал слабые и очень слабые связи с содержанием ТМ, поэтому эти данные не приводятся.

Эксперименты с искусственными субстратами. Полученные результаты измерения дыхательной активности почв в нативных образцах не cмогли в полной мере ответить на поставленные задачи. Несмотря на локальные превышения концентраций ТМ и некоторое угнетение микробного сообщества почв, о котором судили по интегральным показателям дыхательной активности, было не ясно, является ли перенос с воздушными массами пыли из

Таблица 2. Содержание тяжелых металлов валовых форм, мкг/г

цехов и отвалов ГОК причиной ингибирования микробов в почвах МП. Поэтому, помимо исследований дыхательной активности нативных почв МП, провели два эксперимента с искусственными субстратами, которые основывались на определении скорости выделения СО 2 в специально полученной смеси почвы и пыли с высоким содержанием ТМ. Пыль брали из цехов Лебединского ГОКа; почву – с участка косимой степи (разр. Н12). В пыли, взятой для опытов, зафиксированы следующие концентрации ТМ (мкг/г): 28–52 V, 47–110 Cr, 15–59 Ni, 7–20 Cu, 12–35 Zn, 5.2–16 As, 11–110 Sr, 16–110 Zr, 5.1–12 Pb. Вариабельность содержания связана с тем, что в разных цехах пыль включала неодинаковые количества ТМ. В первом этапе эксперимента использовали пыль с условным названием РУ, во втором – ГО ФОК, содержание ТМ в них приведено в табл. 2.

Первый эксперимент включал в себя определение V basal и V sir в трех вариантах смесей: 90% почвы и 10% пыли, 50% почвы и 50% пыли, 10% почвы и 90% пыли при одинаковой навеске. Контролем к каждому варианту служили смеси прокаленной почвообразующей породы и той же почвы в тех же соотношениях: 90% почвы и 10% породы, 50% почвы и 50% породы, 10% почвы и 90% породы.

Второй эксперимент включал определение V basal и V sir в смесях, где к фиксированной навеске 5 г почвы добавляли по 1, 2, 3, 4, 5 г пыли. Контролем также служили смеси почвы и породы в тех же соотношениях. Дополнительным контролем для второго опыта являлись нативная почва, прокаленная порода и пыль. Во всех опытах повторность трехкратная.

В первом опыте стремились получить качественную реакцию, которая бы показала, каким образом загрязненная пыль влияет на дыхательную активность микробных сообществ. Выяснилось, что смесь прокаленной породы и почвы продемонстрировала ожидаемый результат: с повышением содержания породы, уменьшалась дыхательная активность вплоть до нулевых значений, когда в смеси 10% почвы и 90% породы V basal составило 0.01, а V sir – 0.08 мкг С/(г ч) (рис. 5). Это ожидаемый результат, поскольку при внесении в почву пустой или чистой (не загрязненной ТМ) породы происходит разбавление субстрата (в данном случае – нативной почвы), а, следовательно, нарушение среды обитания микрооргани-

А

Б

Содержание пыли/породы, %

Содержание пыли/породы, %

Рис. 5. Уровень базального (А) и субстрат-индуцированного (Б) дыхания в первом опыте с пылью, загрязненной ТМ, и чистой прокаленной породой: 1 – варианты с пылью, 2 – варианты с породой.

змов, интенсивность дыхания должна снижаться, что и наблюдали. В случае со смесью пыли, содержащей ТМ, и почвы наблюдалась такая же картина: чем больше становились пропорции пыли в почве, тем меньше выделение СО 2 как в нативной, так и в субстрат-индуцированной почве. Но здесь во всех трех вариантах выделение СО 2 происходило гораздо интенсивнее, чем в аналогичных в количественном отношении смесях почвы и породы. То есть в смесях с пылью, обогащенной ТМ, микроорганизмы не угнетались, а наоборот, показывали большую интенсивность дыхания, как базального, так и субстрат-индуцированного по сравнению с вариантами смесей с прокаленной породой, лишенной ТМ.

Второй этап эксперимента имитировал процесс постепенного накопления пыли в почве. Пошаговое повышение концентрации пыли в почве не проявлялось заметно в скорости базального дыхания и было практически одинаковым с чистой почвой (рис. 6А, сравниваем с вариантом 7) до тех пор, пока соотношение почва– пыль не достигло 1/1 (5 г почвы + 5 г пыли). Лишь в этом случае скорость выделения СО 2 заметно снизилась по сравнению с чистой почвой. При измерении скорости V sir видно постепенное уменьшение этого показателя от 1 к 5 г добавленной в почву пыли (рис. 6Б), скорость V sir начинает достоверно отличаться от дыхания чистой почвы уже начиная с варианта 3 г пыли на 5 г почвы. При этом варианты с чистой (без ТМ) породой показали постепен-

Образец

Рис. 6. Уровень базального (А) и субстрат-индуцированного (Б) дыхания во втором опыте с пылью, загрязненной ТМ, и чистой породой; образцы: 1, 2, 3, 4 и 5 – количество грамм пыли/породы, добавленное к 5 г почвы, 6 – контроль с прокаленной породой, 7 – контроль с почвой, 8 – контроль с пылью; а – варианты с пылью, б – варианты с прокаленной породой.

ное уменьшение скорости как базального, так и субстрат-индуцированного дыхания, и во всех вариантах уровень дыхания в смесях с породой был ниже, чем с пылью.

По сути, получили ту же картину, как и в опыте 1: в вариантах смесей с пылью, загрязненной ТМ, скорость дыхания была выше по сравнению с вариантами смесей с породой при том, что

“чистая” пыль и “чистая” порода в контролях (образцы 6 и 8 на рис. 6 соответственно) давали одинаковые и близкие к нулевым значения измеряемых показателей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Изучение нативных почв, отобранных на МП, не выявило зависимости базального дыхания от типа почвы, лишь слабо и единично – от типа землепользования. Вместе с тем, в некоторых случаях складываются стрессовые условия для микробного сообщества. Для них характерен максимум активности микробного сообщества и увеличение скорости минерализации органического углерода. Измерения валовых форм ТМ показали относительное (но не достигающее ПДК) превышение концентраций Сu, Zn, Zr, Sn, Pb, As.

Опыты с искусственными смесями подтвердили предположение о том, что добавление пыли, обогащенной ТМ, заметно сказывается на микробиологической активности, вызывая интенсификацию выделения СО 2 , как в случае измерения скорости базального, так и субстрат-индуцированного дыхания.

В результате опытов с искусственными субстратами установлено, что однозначный и статистически достоверный вывод о превышении скорости дыхания микроорганизмов по сравнению с обычной незагрязненной почвой для изучаемого региона может быть получен при значительной концентрации пыли в почве, доходящей до уровня 3 г пыли на 5 г почвы, а лучше 5 г пыли к 5 г почвы (1 к 1), что трудно представить в натурных условиях. Поэтому необходимо продолжить поиск более чувствительных индикаторов загрязнения изучаемых почв.

Institutskaya, 2