Биотестирование и химический анализ состояния почв. На примере нескольких районов Санкт-Петербурга

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Иванов Д.Е. 1

---

1ГБОУ гимназия 171 Санкт-Петербург

Осадчая М.А. 1

---

1ГБОУ гимназия 171 Санкт-Петербург

Работа в формате PDF

0.9 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Основная проблема исследования, его актуальность и новизна

Почва является естественным фильтром для атмосферных загрязнений, поглощая и удерживая вредные вещества. Эти загрязнения могут проникать в грунтовые воды, а также снова испаряться в атмосферу. Проводя исследования загрязнения почв, мы также получаем косвенные сведения об уровне загрязнения воздуха, что особенно важно для принятия мер по обеспечению здоровья населения в больших городах.

Однако до сих пор при оценке токсичности почвы используются в основном традиционные дорогие трудоемкие физико-химические методы. Они, к тому же, не могут дать комплексную оценку пригодности почвы для проживания. Во многом это объяснятся, на наш взгляд, тем, что мало изучена сопоставимость, сравнимость недорогого быстрого экологичного метода – биотестирования – и обычных способов мониторинга качества почвы.

Проблема: насколько сопоставимы результаты биотестирования и физико-химические методы?

Впервые в литературе проведено прямое сравнение результатов биоиндикации и традиционного мониторинга почвогрунта в Санкт-Петербурге.

Цель

Выявить сопоставимость результатов биотестирования и традиционных исследований почвогрунта на примере нескольких районов Санкт-Петербурга.

Задачи

1. Изучить научную литературу по данной проблематике. Сформулировать гипотезу.

2. Спланировать и провести исследование влияния загрязнения почвы в нескольких районах Санкт-Петербурга на кресс-салат.

3. Сравнить полученные результаты с результатами традиционного мониторинга и сделать выводы об их сопоставимости.

Предмет исследования

Сравнение оценки загрязненности почвенных проб традиционным методом и биотестированием.

Гипотеза. Мы полагаем, что биотестирование является надежным методом определения токсичности почвы и поэтому ее результаты должны в основном совпасть с картой загрязненности почвы в Санкт-Петербурге.

Краткий обзор литературы

Биотестирование и биоиндикация схожи в том, что они отражают реакцию растений на среду. Например, если в лесу проложить высоковольтную ЛЭП, то у близко стоящих деревьев начнет редеть хвоя и листва. И наоборот, если садовник вовремя внесет нужные удобрения в почву, его ждет хороший урожай.

Отличие биоиндикации в том, что наблюдатель должен исследовать растения или другие живые организмы в условиях их обитания. А для биотестирования нужна лаборатория, где будут проведены эксперименты.

В разных источниках при определении биоиндикации делается акцент на различные стороны. Так, Мелехова подчеркивает антропогенные и естественные нагрузки как главный фактор реакции живых организмов. [1]. Туровцев считает, что биологические объекты должны быть хорошо заметны и доступны. [2] Емкое определение биоиндикации дал А.А. Корчагин в работе «Использование растительных сообществ как индикаторов среды» писал: "Каждый вид (растений) можно уподобить приборчику, который даѐт характеристику различных факторов среды".

Биотестирование – это определение токсичности пробы почвы для данной культуры организмов в лабораторном эксперименте.

Физико-химический анализ почвы отражается в санитарно-гигиенические и токсикологические нормативы (предельно допустимые концентрации — ПДК — поллютантов, предельно допустимые уровни воздействия — ПДУ).

На основе изучения источников можно показать преимущества биологических методов изучения состояния почвы, см. Табл. 1.

Таблица 1. Биотестирование и физическо-химические методы

мониторинга качества почвы

Для качественной оценки и прогноза состояния природной среды необходимо их сочетание. Таким образом, физико-химический и биологический мониторинг не исключают, а дополняют друг друга.

Несмотря на большой интерес к биоиндикации и биотестированию, вопрос о сопоставимости этих методов и химических анализов почв недостаточно разработан. В работах по этой теме авторы обычно ограничиваются лабораторными экспериментами над растениями с помощью различных химических соединений. В то же время, химический анализ почв в Санкт-Петербурге за последние 30 лет позволил ученым и практикам создать карты загрязненности. Это стало основой для данного исследования.

Методы исследования

Методы исследования – эксперимент, сравнение, анализ.

Закладка эксперимента проводилась согласно методике определения токсичности почвы Т.Г. Мирчинк (метод почвенных пластинок). В соответствии с методикой провели опыт на кресс-салате с подсчетом проросших семян и измерением длины проростков. Опыт закладывался троекратно. Результаты были вычислены как среднеарифметическое значение.

Для эксперимента были взяты семена кресс-салата. Кресс-салат — однолетнее овощное растение, весьма чувствительное к загрязнению среды тяжелыми металлами. Достаточно семи дней для получения результата, так как кресс-салат быстро прорастает. (Приложение 1)

Отбор земли был произведен в 18 точках Санкт-Петербурга, в 7-ми районах: Центральный, Адмиралтейский, Московский, Петроградский, Василеостровский, Приморский, Фрунзенский. (Рис. 1). При планировании мест отбора мы ориентировались на районы отбора почвы в рамках государственного мониторинга.

Мы сфокусировались на местах проживания и работы людей, чтобы оценить там экологическую обстановку. В этом отличие нашего исследования от традиционного, когда 3 пробы из 4-х отбираются около транспортных магистралей, в промышленных зонах и в рекреационных зонах (парки, сады и т.д.).

Рис. 1 Точки отбора почвы для исследования загрязненности почвы. Санкт-Петербург, 2025-26

2. Основная часть

2. 1. Биотестирование почвы в 7-ми районах Санкт-Петербурга

Для определения токсичности почвы мы воспользовались стандартным делением на группы в зависимости от всхожести семян и изменения длины корешков и проростков тест-растения, выращенных на исследуемых почвах, по отношению к контролю, выраженное в процентах. В результате наблюдений за ростом кресс-салата мы получили следующие данные по всхожести (Табл. 2):

Табл. 2 Всхожесть семян кресс-салата, по адресам, Санкт-Петербург, 2025

Выделены следующие уровни токсичности: загрязнение отсутствует — всхожесть семян достигает 90–100%, всходы дружные, проростки крепкие, (контроль); слабое загрязнение — всхожесть семян 60–90%, проростки почти нормальной длины, крепкие; среднее загрязнение — всхожесть семян 20–60%, проростки по сравнению с контролем короче и тоньше, возможны уродства; сильное загрязнение — всхожесть семян очень слабая (менее 20%), проростки мелкие.

На основании полученных данных мы создали карту загрязненности почвы с помощью сервиса Гугл. (Рис.3)

Рис. 3 Карта загрязненности почвы в Санкт-Петербурге, биотестирование кресс-салатом в 18 локациях,

2025-26

Наблюдения за всхожестью и ростом кресс-салата, а также измерение его ростков и корней позволило сделать следующие выводы:

1. Загрязненность почвы имеет неравномерный характер в различных точках города. (Табл.2)

2. Самые загрязненные почвы были обнаружены в Центральном и Петроградском районах, менее загрязненная почва оказалась в Василеостровском, Московском и Фрунзенском районах.

3. Существует прочная связь между энергией всхожести и длиной ростков. Коэффициент Пирсона 0.6681(Рис.4)

4. Всхожесть более чувствительна к токсичности почвы, чем высота ростков кресс-салата.

Рис. 4 Всхожесть и высота стебля кресс-салата по адресам, Санкт-Петербург

Рассматривая самые загрязненные места из 18 обследованных улиц Санкт-Петербурга, следует отметить их общую черту: данные локации – это бывшие промзоны. Так, на ул. Моисеенко раньше была типография, на ул. Попова - завод по производству свинцовых аккумуляторов, на ул. Красных Курсантов – трикотажная фабрика. Ул. Туристская проложена в месте промышленных свалок прошлого века.

2. 1. Сопоставление результатов биотестирования с химическим анализом почв в 7-ми районах Санкт-Петербурга

На территории Санкт-Петербурга с 1991 г. проводятся планомерные мониторинговые исследования почвогрунтов. Стоит отметить трудный доступ к материалам по токсичности почвы в Санкт-Петербурге. Нам удалось найти лишь несколько источников в сети Интернет по этой тематике.

При выборе карты загрязнений почвы как фоновой в рамках нашего исследования мы остановились на карте на сайте «Экология Санкт-Петербурга - карты загрязнений тяжелыми металлами, свинцом, диоксином, бензапиреном, радоном» [5], где собраны сведения из официальных источников.

Учитывая, что кресс-салат обладает особой чувствительностью к тяжёлым металлам, а также их высокой токсичностью для людей, мы выбрали в качестве фоновой карту загрязненности тяжелыми металлами территории Санкт-Петербурга. Затем мы совместили ее с картой биоиндикации (Рис. 3). Результат можно увидеть на Рис. 5. Как видно на совмещенных картах, в большинстве случаев (80%) оценки совпали.

Иными словами, сильное загрязнение по итогам биотестирования, например, на ул. Моисеенко отражено и на карте официального мониторинга. Точно так же, относительное «зеленое» благополучие, по биотестированию, на ул. Ак. Крылова, совпадает с аналогической оценкой территории на карте мониторинга. Таким образом, была показана сопоставимость результатов двух методов оценки состояния почвы в масштабах города: химического анализа и биотестирования.

Рис. 5 Сопоставление традиционного химического метода оценки загрязненности почвы тяжелыми металлами и биотестирование.

Санкт-Петербург, 2025-26

2. Заключение

В результате исследования мы пришли к следующим выводам:

1. Существует прочная связь между всхожестью и длиной ростков.

2. Всхожесть более чувствительна к токсичности почвы, чем высота ростков кресс-салата.

3. Загрязненность почвы имеет неравномерный характер в различных точках города. Самые загрязненные почвы были обнаружены в Центральном и Петроградском районах. Менее загрязненная почва оказалась в Василеостровском, Московском и Фрунзенском районах.

4. В работе показана сопоставимость результатов двух методов оценки состояния почвы в масштабах города: химического анализа и биоиндикации. Как видно на совмещенных картах (рис 5), в большинстве случаев (80%) оценки совпали.

Это означает, что биотестирование может быть органично встроено в систему традиционного мониторинга качества почв.

Рекомендации

Разумеется, требуются дополнительные усилия по калибровке оценок двух методов и разработка методик их совмещения. Для этого можно провести тестовые совместные исследования загрязненности. Тогда будет накоплен материал для гармонизации двух методик – химического мониторинга и биоиндикации.

Выводы и заключение

Поставленная в работе цель - выявить сопоставимость результатов биотестирования и традиционных исследований почвогрунта на примере нескольких районов Санкт-Петербурга - выполнена. Показана практика биотестирования на примере 18 локаций города.

Гипотеза о том, что биотестирование является надежным методом определения токсичности почвы и поэтому ее результаты должны в основном совпасть с картой загрязненности почвы в Санкт-Петербурге - оказалась верной.

Сделан обоснованный вывод о сопоставимости химического анализа почвы и биотестирования.

Практическое применение

Результаты работы позволяют использовать кресс-салат как доступный эффективный экспресс-тест на токсичность почвы. Это актуально при мониторинге качества почвы, планировании строительства жилых домов, при планировании рекультивации городских садов и скверов, при разбивке садов и огородов за городом.

При обнаружении биоиндикацией «красных зон» следует использовать химический анализ для уточнения источника проблемы.

4 Список литературы

1. Биологический контроль окружающей среды: биотестирование и биотестирование: учеб, пособие для студ. высш. учеб, заведений / О. П. Мелехова, Е. И. Егорова, Т. И. Евсеева и др.; под ред. О. П. Мелеховой и Е. И. Егоровой. — М.: Издательский центр «Академия», 2007. — 288 с.

2. В.Д. Туровцев, В.С. Краснов Т 88 Биотестирование: Учеб. Пособие. – Тверь: Твер. гос. ун-т, 2004. – 260 с.

3. В.В. Решетов, К.А. Коршак, И.А. МатвеевОценка загрязнения почвогрунтов Санкт- Петербурга по данным мониторинга.22 октября 2024. [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://tterra.ru/articles/otsenka-zagryazneniya-monitoringa/(дата обращения 09.10.2026)

4. Росол О.В., Выпуск 2008 №1 (44) ГИС на северо-западе . [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://arcreview.esri-cis.ru/2008/03/17/soil-spb/ (дата обращения 10.01.2026)

5. Экология Санкт-Петербурга - карты загрязнений тяжелыми металлами, свинцом, диоксином, бензапиреном, радоном. [Электронный ресурс]. Режим доступа:https://www.cottagesspb.ru/ekologiya/sankt-peterburga/index.html?theCenter=(59.9263,30.3278 (дата обращения 10.01.2026)

Приложение 1 Сбор почвы, закладка эксперимента, наблюдение

Рис. 1 Фото некоторых локаций

Рис.2 Подготовка образцов почвы и закладка эксперимента

Рис.3 Наблюдение за результатами эксперимента