XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Оценка загрязнения почв города Пензы и Леонидовского лесничества тяжелыми металлами и способы восстановления их микробиологической активности

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Федорова В.В. 1

---

1ФГБОУ ВО Пензенский государственный технологический университет, Колледж Технологический, г. Пенза

Катанцева О.П. 1

---

1ФГБОУ ВО Пензенский государственный технологический университет, Колледж Технологический, г. Пенза

Работа в формате PDF

117.8 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Цель проекта:В настоящее время острота экологических проблем, начавшихся с локальных загрязнений, выросла до угрозы глобальных катастроф. Человечество к началу XXI века вошло в экологический кризис, когда состояние окружающей среды уже угрожает дальнейшему его существованию. Техногенная нагрузка на биогеоценозы Среднего Поволжья в отдельных районах превышает среднероссийские показатели.

Одним из наиболее опасных факторов воздействия на биосферу и особенно почву являются химические соединения, выделяющиеся при технологически необоснованных приемах уничтожения химического оружия. Почвы медленно накапливают загрязняющие вещества, но играя барьерную роль, они постепенно сами подвергаются загрязнению, и на каком-то этапе оно может достичь таких уровней, когда почвенный покров становится мало пригодным для сельскохозяйственного использования. На таких почвах для получения экологически чистой продукции растениеводства необходимы приемы, ограничивающие подвижность загрязняющих веществ и ведущие к снижению токсического действия на растения. Вместе с тем в условиях лесостепного Среднего Поволжья, где основной продовольственной культурой является яровая пшеница, количественный учет изменений показателей плодородия необходим как для понимания процессов, происходящих в загрязненных тяжелыми металлами почвах, так и для разработки практических мероприятий, направленных на оптимизацию условий питания культуры с учетом региональных особенностей. При этом решается задача сохранения экологически безопасной среды обитания.

В связи с этим, целью проекта является: экологические последствия мест уничтожения химического оружия на территории Пензенской области ( ст.Леонидовка), разработка мероприятий по улучшению состояния почвы в условиях техногенного воздействия, определение наличия содержания тяжелых металлов в почвенном и растительном покрове, поступление их в городскую экосистему.

Задачи проекта: Для достижения поставленных целей необходимо решить следующие задачи:

− оценить уровень загрязнения почв тяжелыми металлами в районе исследования (Леонидовский лесной массив Пензенской области);

проследить за влиянием удобрений и химической мелиорации на микробиологическую активность почвы;

определить фитоиндикационную роль морфолого-физиологических показателей древесных растений при аэротехногенном загрязнении(АОПЗ-24 и п.Ахуны г.Пензы);

выявить эколого-микробиологический статус почв под воздействием техногенеза.

Этапы реализации проекта: Исследования проводились в 2014-2019 годах в Леонидовском лесничестве Пензенского района Пензенской области, территория которого входит в правобережную лесостепь Среднего Поволжья. В данном районе размещался один из крупных арсеналов химического оружия, где хранилось до 17,2 % всего химического оружия России. Это зарин, зоман, иприт, люизит и другие, снаряженные в корпусе боеприпасов [12].

1 этап. В 1994 году природоохранными органами были обнаружены три места предполагаемого уничтожения химического оружия. В этих точках отмечено значительное количество цис- и транс – изомеров хлорвиниларсиноксида, ряд циклических серосодержащих соединений, диоксинов и дибензафуранов, а также мышьяка.

При оценке загрязнения почвы Леонидовского лесничества тяжелыми металлами проводили определение валовых и подвижных форм металлов в образцах серой лесной легкосуглинистой почвы в зависимости от источника загрязнения места уничтожения химического оружия (УХО). Результаты этих определений сравнивались с фоновыми значениями на незагрязненной почве. Исследуемый участок почвы располагался на расстоянии 1800–6000 м от мест УХО, 5000–6000 м от складов, где хранится химическое оружие. Образцы отбирались из слоев 5–15 см в лесном массиве и 0–15 см – на пашне по разным румбам и на разном расстоянии: от места УХО – 50,100,200,500, 1000 и 2000 м. В качестве фона была выбрана серая лесная почва такого же гранулометрического состава, с примерно одинаковым содержанием гумуса (2,2–2,8%), рН_KCl (5,1–5,25), находящаяся в более чем 20 км от места УХО.

Почва в опытах – серая лесная легкосуглинистая малогумусная – характеризовалась среднекислой реакцией среды (рН_KCl 5,1), сумма поглощенных оснований – 11,8 мэкв/100 г почвы, степень насыщенности основаниями – 80,9%, низким содержанием щелочногидролизуемого азота и подвижного фосфора, средним – обменного калия [3],[4]. Количество валовых форм мышьяка превышало ПДК на 6,0, цинка – на 6,7, марганца –на 11,5%, кадмия – в 2 раза. Содержание свинца, меди, ртути и никеля не превышало ПДК.

В полевом опыте изучались физико-химические и биологические свойства серой лесной почвы, загрязненной тяжелыми металлами.

С целью изучения возможности использования вермикомпоста (биогумуса) на техногенно-загрязненной почве, был заложен и проведен опыт по схеме: (4х2)х4 со следующими факторами и градациями: система удобрения (1 – контроль; 2 – N₃₀P₄₀K₄₀; 3 – биогумус 3 т/га; 4 – биогумус 6 т/га). Повторность в опыте 4-х кратная, расположение вариантов – рендомизированное в два яруса, размер делянок первого порядка 108 м², второго – 36 м², учетная площадь – 10м².

2 этап. Все наблюдения, анализы и учёты проводили по общепринятым методикам. В почве биологическую активность почв изучали прямым методом по количественному учёту микроорганизмов (на мясопептонном и крахмалоаммиачном агарах).

Активность ферментов, катализирующих процессы гумусообразования, полифенолоксидазы (ПФО) и пироксидазы (ПО) – определяли по Галстяну (1974), каталазы – по Джонсону и Темпле (1964), протеазы – по Леду и Батлеру (1972) в изложении Хазиева (1990), инвертазы – по Чундеровой (1971), уреазы – по Щербаковой (1983).

Анализ образцов почвы на наличие тяжелых металлов проводился методом атомно-адсорбционной спектрометрии. Данные обрабатывались статистическим методом бесповторностного дисперсионного анализа в Региональном Центре Государственного Экологического Контроля и Мониторинга по Пензенской области ФГУ «ГосНИИЭНП».

3 этап. С 2016-2019 г. предметом изучения являлся: растительный покров вокруг крупных (в городе Пенза) объектов теплоэнергетики и сети автомобильных дорог разного назначения.

На объекте исследования - район АОПЗ-24 были заложены почвенные разрезы на расстоянии 50, 100, 200, 500, 1000, 2000 метров от котельной завода АОПЗ-24 в сторону п. Сосновки.

Для определения подвижных форм тяжелых металлов (ТМ) почвенные образцы отбирались на расстоянии 50, 500, 1000, 2000 м (от объекта). Отбор производился в конце октября. Почвенные образцы брались с глубины 0-10, 10-20, 20-30 см.

Обследование состояния посадок древесных растений на объектах исследования и в курортной зоне (п. Ахуны) проводили с октября по май. Нами было проведено исследование 12 деревьев каштана конского и 10 деревьев липы мелколистной и 12 деревьев клена американского, 10 деревьев липы мелколистной, 10 деревьев тополя черного (в районе АОПЗ-24) и сравнивали их с теми же видами в районе п. Ахуны на пораженную и мертвую ткань листа.

Площадь поверхности листьев определяли весовым методом с учетом переводного коэффициента. Всего было изучено 2000 листовых пластинок разных древесных пород в районе АОПЗ-24. Результаты морфометрических измерений были обработаны статистически.

Для оценки симметрии определяли образцы следующих древесных пород: липы мелколистной, тополя черного, каштана конского, березы повислой. Результаты измерений обработаны статистически.

Тяжелые металлы в почвенном и растительном покрове определяли в НИИ Промышленной экологии и Региональном Центре Государственного Экологического Контроля и Мониторинга по Пензенской области ФГУ «ГосНИИЭНП».

Результаты проекта: Основная доля загрязнителей от уничтожения химического оружия приходится на мышьяк, цинк, марганец, медь, однако соединения мышьяка, представляют большую опасность для здоровья людей.

Исследованиями установлено, что уничтожение химического оружия оказывало существенное влияние на накопление одного из самых токсичных элементов – мышьяка. При этом содержание его валовых форм вблизи оз. Моховое больше, чем на не загрязненной почве в 77-98 раз, подвижных форм – в 27-98 раз. Вместе с тем следует учесть, что фактическое загрязнение до уровня превышающего ПДК отмечается на расстоянии до 2000 м от источника загрязнения, что свидетельствует об его антропогенном происхождении. Что касается других изученных нами тяжелых металлов, то в их содержании не выявлено четкой закономерности в зависимости от места отбора почвенных проб (Приложение 1).

Токсичность мышьяка хорошо известна. В организм человека он поступает с воздухом, водой и пищей, и поэтому представляет интерес выявление его влияния на ферментативную активность почвы. В результате проведенных исследований установлено, что техногенное загрязнение подавляет ферментативную активность почвы. С увеличением степени загрязнения ее мышьяком резко снижается активность ферментов: уреазы, каталазы, инвертазы и протеазы (Приложение 2).

По степени устойчивости к загрязнению мышьяком почвенные ферменты располагаются следующим образом: уреаза > инвертаза > протеаза > каталаза. Установленные связи позволяют использовать показатели ферментативной активности почв в качестве индикаторов загрязнения почв мышьяком. Таким образом, антропогенное влияние на содержание тяжелых металлов и мышьяка в почве может быть весьма значительным и поэтому необходим поиск путей для снижения возможного поступления их в сельскохозяйственные культуры.

Помимо микроорганизмов в почвенных процессах определенное значение имеют и накапливающиеся там ферменты. Активность ферментов в почве не стабильна – она изменяется во времени. На ферментативную активность большое влияние оказывает влажность почвы, температура, ее окультуренность. Ферменты катализируют в почве разнообразные биогеохимические реакции, что во многом определяет обеспеченность почв элементами питания и уровень их плодородия.

Результаты исследований показали, что ферментативная активность в течение 4-х лет зависела как от внесения различных удобрений, так и от погодных условий (Приложение 3).

Так, биогумус в дозе 3 и 6 т/га повышал активность уреазы. Активность уреазы не была одинакова как по годам исследований, так и в течение вегетационного периода. Активность инвертазы характеризует темпы превращения в почве веществ углеводной природы. В наших исследованиях инвертазная активность также зависела от внесенных удобрений. При внесении биогумуса (3 т/га) она была на 3,5 выше, чем на контроле, причем при увеличении дозы биогумуса она возросла на 5,5 5 глюкозы на 100 г почвы. Более высокий уровень ферментативных реакций в вариантах с биогумусом отчетливо прослеживался в течении всех трех вегетационных периодов. Высокая чувствительность инвертазы к изменению содержания органического вещества почвы может служить показателем биохимического состояния ее плодородия. Из окислительно-восстановительных ферментов наибольший интерес представляет каталаза. Активность каталазы мало зависела от погодных условий. Действие удобрений на катализационную активность различно. При внесении биогумуса активность ее увеличивается по сравнению с контролем на 1,07, 1,21 мг на 0,1 н КMnO₄ (в среднем за 4 года). Поскольку оба процесса – синтез и разложение гумуса – происходят в почве одновременно, то количество гумуса в почве определяется соотноше-нием этих двух противоположно направленных процессов. Таким образом, удобрения повышали энзиматическую активность серой лесной почвы. Под действием биогумуса увеличивалась активность гидролитических и окислительно-восстановительных ферментов.

Индикация загрязнения среды - это качественное обнаружение и количественное определение физико-химических веществ в объектах окружающей природной среды. Антропогенное загрязнение атмосферы значительно влияет на высшие растения, часто это проявляется морфологически: появляются изменения окраски листьев, некроз, опадание листвы, изменение формы и ветвления и другие. Видимые микроскопические изменения листьев наиболее чувствительных древесных растений можно использовать для первоначальной оценки аэротехногенного загрязнения городов.

Результаты исследования объектов показали, что на объектах уже в начальный период вегетации - в первой декаде июня были отмечены видимые поражения листовых пластинок, что выражается в появлении «медной росы» (особенно у лип и клена американского), потеря тургора, возникновение хлорозов, изменение окраски (пожелтение, побурение), появление некрозов (точечных, межжилковых, краевых), искривление пластинок и возникновения уродливых форм листьев. Все негативные изменения проявлялись особенно в условиях жаркого лета 2005 года, что привело к тому, что уже в конце июля начале августа у некоторых пород деревьев (каштана конского, липы мелколистной, клена американского) в данном районе листья имели 50-60% хлоротично - некротической поверхности.

При определении асимметрии использовались растительные образцы липы мелколистной, тополя черного, каштана конского, березы повислой. Результаты исследований показали, что средняя асимметрия листьев всех изученных нами древесных растений в городских условиях была выше, чем в курортной зоне п. Ахуны (Приложение 4).

Из большого числа разнообразных химических веществ, поступающих в окружающую среду из антропогенных источников, особое место занимают тяжелые металлы (ТМ). В связи с увеличивающимся загрязнением биосферы особый интерес и важное практическое значение имеет с одной стороны, познание механизмов и закономерностей поведения и распределения ТМ в окружающей среде, с другой тот факт, что свыше 90% всех болезней человека прямо или косвенно связано с состоянием окружающей среды, которая является либо причиной возникновения заболевания, либо способствует их развитию[1].

В большинстве наземных растений на загрязнённых территориях -концентрация тяжёлых металлов существенно (до п х 1000) возрастает. Зафиксировано накопление в некоторых растениях определённых тяжёлых металлов, что используется для уменьшения загрязнённости почв на большой площади [2].

В задачу исследований входило определение содержания подвижных форм свинца и других тяжелых металлов в растениях на объекте исследования.

Результаты исследований показали, что в районе (АОПЗ - 24) почвенный покров незначительно загрязнен ТМ (содержание вредных ингредиентов в почве не превышает ПДК (Приложение 5).

При сгорании газа не происходит выбросов ТМ в воздух, однако, район исследований окружен сетью автомобильных дорог, а согласно литературным данным в придорожной почве и в растениях тяжелых металлов и других элементов значительно больше.[2],[8]. Учитывая насыщенность района исследования предприятиями (такими как «Биосинтез», «ЖБИ», автобаза, нефтебаза и др.) неблагоприятными в экологическом отношении, считаем необходимым проводить комплексное изучение их влияния на окружающую среду и по возможности рекомендовать мероприятия по улучшению ситуации.

Зеленые насаждения в городах - неотъемлемая часть городской среды. Являясь важнейшим компонентом структуры ландшафта города, они формируют экологическую среду, благотворно влияют на микроклимат, гигиенические условия, нервно-психологическое состояние горожан.

Поэтому нами и была изучена концентрация тяжелых металлов в ветвях деревьев, находящихся в непосредственной близости около автомобильной дороги соединяющей г. Пензу с г. Заречным. Результаты исследования показали, что защитные зеленые насаждения улавливают существенное количество опасных загрязнений. Уход за ними должен включать удаление срезанных ветвей и опавшей листвы в отведенные для отходов места (табл.6).

Таким образом, можно заключить следующее, что в целом все выбросы в атмосферу как от автомобильного и железнодорожного транспорта, так и от объектов теплоэнергетики, отрицательно влияют на рост и развитие растений, в результате чего продолжительность их жизни намного короче, чем произрастающих вне города.

Значение проекта в сфере охраны окружающей среды на местном, региональном и федеральном уровнях:

1. Содержание тяжелых металлов (цинка, марганца и меди) не превышает предельно-допустимых концентраций на различных расстояниях от объектов исследования. Содержание свинца, кадмия и кобальта превышала в 1,6 раза ПДК вблизи автомобильной дороги и железнодорожного полотна. Почвы территории объекта в результате техногенной нагрузки имеют низкое эффективное плодородие.

2. Физико-химические характеристики почвы, подвергшейся воздействию техногенного загрязнения, незначительно отклонялись от нормы, что позволяет судить о высокой способности серых лесных почв лесостепного Поволжья к самовосстановлению и сопротивлению внешним негативным воздействиям. Применение вермикомпоста в условиях техногенного загрязнения является экологически целесообразным.

3. Количественная оценка загрязнения почв тяжелыми металлами и мышьяком важна для сравнения и оценки физико-химических свойств почв, неподверженных техногенному воздействию.

4. В биоценозах вблизи мест уничтожения химического оружия отмечена повышенная концентрация тяжелых металлов в серых лесных почвах. В отдельных пунктах имеет место 70-98-кратное превышение ПДК мышьякосодержащих соединений. По мере удаления от источника загрязнения мышьяком концентрация его уменьшается, но до двух километров наблюдается превышение его содержания по сравнению с ПДК.

5. Данные микробиологической и ферментативной активности почв в условиях загрязнения мышьяком можно использовать в качестве показателей диагностики экологического состояния. Микробиологическая активность серой лесной почвы вблизи источника загрязнения почти полностью подавлена и даже на расстоянии 2000 м от последнего не восстанавливается до уровня активности в незагрязненной почве.

6. Все выбросы в атмосферу как от автомобильного и железнодорожного транспорта, так и от объектов теплоэнергетики, отрицательно влияют на рост и развитие растений, в результате чего продолжительность их жизни намного короче, чем произрастающих вне города. На объектах уже в начальный период вегетации - в первой декаде июня были отмечены видимые поражения листовых пластинок, что выражается в появлении «медной росы» (особенно у лип и клена американского), потеря тургора, возникновение хлорозов, изменение окраски (пожелтение, побурение), появление некрозов (точечных, межжилковых, краевых), искривление пластинок и возникновения уродливых форм листьев.

Заключение

Использование опыта реализации проекта другими организациями:

1. Результаты исследования объектов были использованы для анализа экологического состояния некоторых промышленных объектов города Пензы. В районе (АОПЗ-24) уже в начальный период вегетации - в первой декаде июня были отмечены видимые поражения листовых пластинок, что выражается в появлении «медной росы» (особенно у лип и клена американского), потеря тургора, возникновение хлорозов, изменение окраски (пожелтение, побурение), появление некрозов (точечных, межжилковых, краевых), искривление пластинок и возникновения уродливых форм листьев. Все негативные изменения проявлялись особенно в условиях жаркого лета 2005 года, что привело к тому, что уже в конце июля начале августа у некоторых пород деревьев (каштана конского, липы мелколистной, клена американского) в данном районе листья имели 50-60% хлоротично-некротической поверхности. Почвенный покров в районе (АОПЗ - 24) незначительно загрязнен ТМ (содержание вредных ингредиентов в почве не превышает ПДК). При сгорании газа не происходит выбросов ТМ в воздух, однако, район исследований окружен сетью автомобильных дорог, а согласно литературным данным в придорожной почве и в растениях тяжелых металлов и других элементов значительно больше. Учитывая насыщенность района исследования предприятиями (такими как «Биосинтез», «ЖБИ», автобаза, нефтебаза и др.) неблагоприятными в экологическом отношении, считаем необходимым проводить комплексное изучение их влияния на окружающую среду и по возможности рекомендовать мероприятия по улучшению ситуации.

2. Данные проекта реализуются в Леонидовском лесничестве для восстановления почвенного и растительного покрова: использование вермикомпоста (биогумуса) на техногенно-загрязненной почве, позволяет улучшать физико-химические свойства почв.

Библиография

Акимова Т.А. Экология / Акимова Т.А., Хаксин В.В. – М.: ЮНИТИ, 1998-455 с.

Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почве и растениях / Алексеев Ю.В.// М.: Агропроиздат, 1987. – 140 с.

Викторов С.В. Ландшафтная индикация./ Викторов С.В., Чекшиев А.Г.- М.: Наука, 1990,-97 с.

Глазовская М.А. Опыт классификации почв мира по устойчивости к техногенным кислотным воздействиям. / Глазовская М.А. // Почвоведение.- 1990.-№9. с. 82-97

Окружающая среда. Энциклопедический словарь-справочник: Пер. с немецкого. М. Прогресс, 1993-640с.

Помазкина Л.В. Биогеохимический мониторинг и оценка режимов функционирования агросистем на техногенно загрязненных почвах \ Л.В. Помазкина, М.Г. Котова, Е.В. Лубинина \ Новосибирск. Наука. Сибирская издательская фирма РАН, 1999-208 с.

Ровинский Ф.Л. Тяжелые металлы: дальнейший перенос в атмосфере и выпадение с осадками \ Ровинский Ф.Л., Громов С.А. \\ Метеорология и гидрология.- 1994- № 10 -с.5-14.

Ушаков С.А. Экологическое состояние России. \ Ушаков С.А., Кац Я.Т. М.; 2002-127с.

Федорова А.И. Практикум по экологии и охране окружающей среды. Федорова А.И., Никольская А.Н.- Воронеж. Воронежский университет, 1997-305с.

Федорова А.И. Практикум по экологии и охране окружающей среды. Учебное пособие-/ Федорова А.И., Никольская А.Н. М. Гуманитарный изд. Центр ВЛАДОС, 2001-288с.

Фрид А.С. Методология оценки устойчивости почв к деградации. Фрид А.С.// Почвоведение - №3, с.399-404, 1999г.

Химическое загрязнение почв и их охрана.\ Отв.Ред. Лейкина Ю.М.,М., 1991 с.426

Приложение 1

Содержание валовых и подвижных форм тяжелых металлов и мышьяка

в зависимости от удаленности от объекта уничтожения химического оружия, мг/кг почвы, слой 5-15 см

Приложение 2

Ферментативная активность серой лесной легкосуглинистой почвы при загрязнении мышьяком

Примечание: Инвертаза – мг глюкозы на 100 г почвы; каталаза – в мл 0,1 Н КMnO₄; протеаза – в мк моль лейцина на 1 г почвы; уреаза - мг NH₄ на 100 г почвы за 20 ч.

Приложение 3

Ферментативная активность почвы в среднем за 4 года

Примечание: ПФО и ПО – в мг пурпургаллина на 100 г почвы за 30 мин; инвертаза – мг глюкозы на 100 г почвы; каталаза – в мл 0,1 Н КMnO₄; протеаза – в мк моль лейцина на 1 г почвы; уреаза - мг NH₄ на 100 г почвы за 20 ч.

Приложение 4

Средняя асимметрия листьев древесных растений

Приложение 5

Содержание подвижных форм ТМ в почвах в районе АОПЗ-24, мг/кг

Приложение 6

Концентрация ТМ в ветвях деревьев, мг/кг сухой массы (район АОПЗ-24)

Примечание: в числителе - со стороны дороги (5 м), в знаменателе - с противоположной стороны (50 м).