Каталазная активность почв в оценке экологического состояния г. Сыктывкара

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Ловин-Лович  П.А. 1

---

1Государственное образовательное учреждение «Коми республиканский лицей при Сыктывкарском государственном университете»

Макарова  Л.А. 1Бобров  Ю.А. 2

---

1Государственное образовательное учреждение «Коми республиканский лицей при Сыктывкарском государственном университете»

2ФГБОУ ВО «СГУ им. Питирима Сорокина»

Работа в формате PDF

792.1 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение

Сохранение экологической чистоты в городе - одна из самых сложных задач на сегодняшний день во всем мире. Это связано прежде всего с отходами транспорта, промышленной деятельности, строительной, с бытовыми отходами и многими другими источниками загрязнения. Всё это оказывает большое негативное влияние на окружающую среду, при этом почвенная система подвергается наиболее значительному воздействию, что приводит к изменению большинства ее компонентов. Микробиота, биохимические параметры почвы, ее биологическая активность под влиянием антропогенного воздействия изменяются в первую очередь, и считаются наиболее чувствительными показателями состояния почвенного покрова при загрязнении [8]. Установлено, что увеличение антропогенной нагрузки приводит к снижению каталазной активности почвы.

Цель работы: оценить экологическое состояние почвы городского района на основании показателей каталазной активности.

Задачи:

1. Определить каталазную активность почв исследуемого участка и дать оценку по шкале степени обогащения почв.

2. Определить зависимость каталазной активности почвы в точках наблюдения от положения предполагаемого источника загрязнения.

3. Рассмотреть зависимость каталазной активности почв от других показателей: от температуры, влажности, уплотнения почвенного покрова, нарушения растительного покрова и корневой системы растений.

4. Сравнить каталазную активность почв Сыктывкара с аналогичными данными по другим городам.

Наше исследование показывает результат влияния антропогенной деятельности на биологическую активность почв в городе, что является на данный момент актуальным. Именно поэтому нас интересовала тема загрязненности почв в родном городе.

1. Обзор литературы

1.1. Биологическая активность почвы

Биологическая активность почвы – это совокупность биологических процессов в почве. Она обусловлена суммарным содержанием в почве определенных запасов ферментов.

Ферменты — это катализаторы химических реакций белковой природы, отличающиеся специфичностью действия в отношении катализа определенных химических реакций. Они являются продуктами биосинтеза всех живых почвенных организмов. [8].

Источниками почвенных ферментов служит все живое вещество почвы: растения, микроорганизмы, животные, грибы, водоросли и т.д.

Функции ферментов в почве:

- разрушение первичного органического вещества и синтез вторичного, обогащение почв биогенными элементами и гумусом;

- катализаторы энергетического и вещественного обменов в почве;

- регуляторы связей географических систем;

- превращение минеральной массы почвы.

Величина и соотношение активности ферментов определяется гидротермическим режимом данного региона, химическими, физико-химическими свойствами, содержанием органического вещества, кислотностью. [14].

1.2. Каталазная активность почвы

Каталазная активность почвы — потенциальная способность почвы разлагать перекись водорода. Обусловлена активностью ферментов-каталаз, относящихся к группе дыхательных ферментов, и наличием в почве неорганических катализаторов этого процесса.

2Н2О2 = О2 + 2Н2О [14].

В результате ее активирующего действия происходит расщепление перекиси водорода, токсичной для живых организмов, на воду и свободный кислород. Большое влияние на каталазную активность минеральных почв оказывает растительность. Как правило, почвы, находящиеся под растениями с мощной глубоко проникающей корневой системой, характеризуются высокой каталазной активностью. Особенность активности каталазы заключается в том, что вниз по профилю она мало изменяется, имеет обратную зависимость от влажности почв и прямую — от температуры. [3].

Тенденция к уменьшению каталазной активности с глубиной отбора проб сохраняется как в почвах парков и лесопарка, так и в почвах скверов и бульваров. Это можно объяснить тем, что каталаза в почве синтезируется по большей части аэробными микроорганизмами, численность которых, вероятно, снижается с глубиной в связи с уменьшением содержания кислорода в почве. Кроме того, активность каталазы выше в верхнем горизонте почвенного покрова потому, что в нем наибольшее количество гумуса, также на каталазную активность оказывает влияние гранулометрический состав почвы, который становится менее благоприятным с глубиной.

Для рекреационных территорий города характерна более низкая каталазная активность по сравнению с пробами почвы ненарушенных территорий. Вероятно, снижению активности этого фермента способствует уплотнение почвенного покрова рекреационных территорий, а также антропогенная нагрузка, испытываемая ими в условиях города [8].

В естественных почвах лиственных лесов функциональная активность почвенных микроорганизмов выше, чем в антропогенно – нарушенных, так как почвы урбоэкосистем характеризуются малым поступлением растительного опада, а также большей загрязненностью (тяжелыми металлами и другими химическими токсикантами), что в совокупности приводит к угнетению жизнедеятельности почвенных организмов [12].

2. Организация, район и методы исследования

2.1. Район исследования

Для исследования был выбран отрезок, который соединил железнодорожный вокзал и предприятие Сыктывкарская центральная водогрейная котельная. Схема маршрута обозначена на рисунках 2.1 и 2.2

Железнодорожный вокзал

Рисунок 2.1. – Точки сбора почвы 1-13 (перекресток улиц Коммунистическая и Морозова – Катаева).

Центральная водогрейная

котельная

Рисунок 2.2. - Точки сбора почвы 14 - 28 (Катаева: магазин Магнит - ЦВК).

2.2. Организация исследования

Отбор почв мы производили согласно ГОСТ 17.4.4.02-84. Отбирался верхний слой почвы под дерном, с глубины 0 – 15 см. Образцы почвы были взяты в 3-х повторностях. Всего было собрано 84 пробы с 28 точек. На месте осуществили заполнение паспорта исследуемого участка и сопроводительный талон для получения точных сведений о местности и условиях отбора проб каждой точки.

Затем почву доводили до сухого состояния.

2.3. Методика исследования

Каталазная активность определялась в лаборатории почвоведения Института естественных наук ФГБОУ ВО «СГУ им. Питирима Сорокина».

За 1-2 суток почву увлажняли для того, чтобы запустить ферментативные процессы. Перед работой собирали газометрический прибор. Использовали двухколенный каталазник, в одно колено аккуратно помещали почву массой 1 г, к которой добавляли 0,5 г карбоната кальция и смешивали, а в другую по бюретке вливали 5 мл 1% перекиси водорода. Затем присоединяли каталазник к прибору, изолируя соединение, и устанавливали водяную шкалу на нулевой отсечке. Резким, но аккуратным движением смешивали содержимое обоих колен и, продолжая периодические перемешивания, наблюдали выделение кислорода, который двигал водяную шкалу. Определяли объём выделившегося газа за минуту.

Данные заносили в таблицу (Приложение А).

Одновременно с проведением эксперимента определяли влажность почвы. В лаборатории влажную почву в бюксах взвешивали на технических весах и сушили в сушильном шкафу при температуре 105°С, в течение 1 часа, далее охлаждали почву в течение 30 минут, взвешивали и снова закладывали в сушильный шкаф на 30 минут. После второй сушки взвешивали массу почвы с бюксом и высчитывали массу почвы [1].

Влажность почвы определяют по формуле:

где βв - искомая влажность, % от массы сухой почвы;

В - масса пустого алюминиевого стаканчика, г;

В1 - масса стаканчика с влажной почвой до сушки, г;

В2 - масса стаканчика с сухой почвой после сушки, г. [7].

С учетом влажности почвы пересчитывали каталазную активность на массу сухой почвы.

Полученные результаты сравнивали по шкале Д.Г.Звягинцева для оценки степени обогащения почв ферментами каталазы. [1].

Таблица 2.3. - Степень обогащения почв ферментами каталазы (Д.Г. Звягинцев)

3. Результаты исследования и обсуждение

3.1. Определение каталазной активности почв исследуемого участка и оценка по шкале степени обогащения почв

Данные по результатам определения каталазной активности представлены в таблице 1 (Приложение Б), таблице 3.1.

Таблица 3.1. - Степень обогащения почв ферментами каталазы по шкале Д.Г.Звягинцева (1978 г.)

Среднее значение, полученное в наших исследованиях, равно 2,15±0,20 О2 см³/г за 1 мин. Все почвы характеризуются низкой ферментативной активностью, варьирующей между очень бедной и среднем количеством каталазы. Более половины точек (61%) имеют бедную степень обогащения почв ферментами каталазы, находятся в пределах 1,03±0,04 О2 см³/г за 1 мин – 2,99±0,04 О2 см³/г за 1 мин.

Возможно, это связано с недостаточным поступлением свежего органического вещества, т.к. наиболее высокие показатели зафиксированы в точках 2, 4, 5, 7, 8, 16, 18, имеющих древесную и травянистую растительность. По опубликованным данным это так же связано с развитой корневой системой. Исключение составляют точки 1 и 3 со средней степенью активности, но не имеющие древесной растительности.

3.2. Зависимость уровня каталазной активности почвы на участке исследования от положения предполагаемого источника загрязнения

Точки с исследуемого участка были скомпонованы по участкам по принципу внешнеквартальные, расположенные на автомобильных дорогах, и внутриквартальные (таблица 3.2).

Таблица 3.2. – Исследуемые участки

Снижена каталазная активность в участках 3, 5, 7, которые располагаются на автомобильных дорогах. Прослеживается влияние автомобильного транспорта, который вносит значительную долю выбросов. Исключение участок 1 (точка 1).

Заметно выше значение в участках 2 (2.65±0,09 О2 см³/г за 1 мин) и 4 (2.77±0,17 О2 см³/г за 1 мин), которые располагаются внутри кварталов. Можем судить о влиянии выбросов железнодорожного транспорта.

Значения 1.71±0,09 О2 см³/г за 1 мин (участок 6) и 1.35±0,11 О2 см³/г за 1 мин (участок 7), могут свидетельствовать о влиянии предприятия теплоэнергетики (ЦВК).

Пространственное расположение всех точек на участке представлено на рисунке 3.2. В целом прослеживается тенденция по укрупненным группам, но есть некоторые исключения.

Рисунок 3.2. - Изменение каталазной активности по направлению ж/д вокзал – ЦВК.

Таким образом снижение активности каталазы при усилении загрязнения почвы является показателем нестабильной экологической обстановки мест наблюдения. Можно утверждать о снижении показателей в зависимости от источника загрязнения: автомобильный транспорт и предприятия теплоэнергетики.

3.3. Зависимость каталазной активности почв от других показателей

Низкий показатель каталазной активности в точке 6 (1,59±0,05 О2 см³/г за 1 мин) объясняется снижением активности этого фермента, которому способствует уплотнение почвенного покрова (детская игровая площадка). Это отмечено в работе Забелиной О.Н.

Снижение каталазной активности в точке 10 (0,69±0,04 О2 см³/г за 1 мин) из-за высокой влажности (увлажнённый участок стадиона СОШ № 38). Известно, что каталазная активность имеет обратную зависимость от влажности почв. Это соответствует опубликованным данным.

Каталазная активность в точке 17 (1,52±0,09 О2 см³/г за 1 мин) снижена, по сравнению с точками 16 и 18 (3,94±0,37 О2 см³/г за 1 мин и 3,42±0,13 О2 см³/г за 1 мин), которые находятся в роще Сыктывкарского гуманитарно-педагогического колледжа им. И.А. Куратова, из-за нарушения растительного покрова и корневой системы (использование жителями для выкапывания дождевых червей). Как правило, почвы, находящиеся под растениями с мощной глубоко проникающей корневой системой, характеризуются высокой каталазной активностью.

3.4.Показатели каталазной активности почв в городе Сыктывкаре и других городах

Данные по каталазной активности в различных регионах приведены в таблице 3.4.

Таблица 3.4. – Данные каталазной активности почв в различных регионах

Сравнивая данные из таблицы, мы видим, что минимальные значения количества каталазы приблизительно равны. Это можно объяснить тем, что во всех городах преобладают антропогенно трансформированные городские почвы. Различия в максимальных количествах каталазы в почве вероятно связаны со следующими почвенно-климатическими факторами.

Степень каталазной активности в городе Сыктывкаре ниже показателей города Ростов-на-Дону, который находится южнее, характеризуется высокими температурами всех сезонов. Прослеживается прямая зависимость от температуры, и это соответствует опубликованным данным.

Владивосток имеет бедную и очень бедную степень обогащения почв ферментом каталаза. Не смотря на южное широтное положение, регион имеет муссонный климат с обильными осадками. Известно, что каталазная активность имеет обратную зависимость от влажности почв. Каталазная активность ниже.

Уфа расположена южнее Сыктывкара и имеет меньшее увлажнение. Каталазная активность почв выше, чем в Сыктывкаре.

Петрозаводск расположен примерно на одной широте с Сыктывкаром. Имеет более высокие температуры зимой. Активность каталазы в этом городе выше.

Таким образом, степень обогащения почв зависит от географического положения исследуемой территории (температура, влажность воздуха, характер осадков). Отмечена общая тенденция уменьшения каталазной активности к северу, где степень оценивается как очень бедная – средняя.

Заключение и выводы

Нами отмечено, что исследований по данной теме недостаточно.

Мы не можем в целом говорить о неблагоприятной экологической обстановке в нашем городе по низкой каталазной активности, так как в северных регионах этот показатель снижен. Но в пределах исследуемой нами территории мы можем выявить участки с заметным антропогенным воздействием.

Выводы:

Почвы Сыктывкара характеризуются низкой каталазной активностью, среднее значение которой составляет 2,15 О2 см³/г за 1 мин и которая варьирует между очень бедной и средней степенью обогащения почв каталазой. Большая часть точек (61%) имеют бедную степень обогащения почв ферментами каталазы.

Влияние автомобильного транспорта, по-видимому, прослеживается на ул. Катаева (участок 3: 1,36 О2 см³/г за 1 мин), Оплеснина (участок 5: 1,27 О2 см³/г за 1 мин), Орджоникидзе (участок 7: 1,35 О2 см³/г за 1 мин). Внутри кварталов каталазная активность выше: 2,65 О2 см³/г за 1 мин (участок 2), 2,77 О2 см³/г за 1 мин (участок 4). Возможное влияние предприятия теплоэнергетики видно на ул. Орджоникидзе: 1,71 О2 см³/г за 1 мин (участок 6) и 1,35 О2 см³/г за 1 мин (участок 7).

На каталазную активность могут влиять уплотнение почвенного покрова, нарушение растительного покрова и корневой системы растений, а также высокая увлажнённость почв.

Степень обогащения почв каталазой может зависеть от географического положения исследуемой территории (от температуры, влажности воздуха и характера осадков). Отмечена общая тенденция уменьшения каталазной активности к северу, где степень оценивается как очень бедная – средняя.

Используемая литература

Мелехова, О.П. Биологический контроль окружающей среды: биоиндикация и биотестирование: учеб. Пособие для студ. Высш. Учеб. Заведений / О.П.Мелехова [и др.]. – М.: издательский центр «Академия»: 3-е изд., 2010. – 288 с.

Вальков, В.Ф. Почвоведение: учебник для вузов / В.Ф. Вальков, К.Ш. Казеев, С.И. Колесников. – М.: ИКЦ «Март», 2004. – 496 с.

Ганжара Н., Борисов Б. Почвоведение с основами геологии [Электронный ресурс] http:// -почвоведение-с-основами-геологии/387-ферментативная-активность-почв.html

Горбов С.Н. Биологическая активность почв городских территорий (на примере г. Ростов-на-Дону) / С.Н. Горбов // Научный журнал КубГАУ. – 2013. - №85(01) . - С. 12-26.

Городские почвы https://studfiles.net/preview/4456846/page:25/

Государственный доклад «О состоянии окружающей среды Республики Коми в 2014 году» / Министерство природных ресурсов и охраны окружающей среды Республики Коми, ГБУ РК «ТФИ РК». Сыктывкар, 2015. стр. 122, илл. 11, табл. 70.

Доспехов Б.А. Практикум по земледелию / Б.А. Доспехов, И.П. Васильев, A.M. Туликов // Учебник для вузов//2-е изд. перераб. и доп. - М.: Агропромиздат, 1987. - С.57-58.

Забелина О.Н., Оценка экологического состояния почвы городских рекреационных территорий на основании показателей биологической активности (на примере г. Владимира), Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук / О.Н. Забелина. - Владимир, 2014. - 147 с.

Казакова Н.А. Микробный ценоз почв как индикатор трансформации почвенного покрова / Н.А. Казакова, Н.А. Ильина. // Вестник Ульяновского государственного университета. - 2010. - № 4. - С. 30-31.

Касеева К.А., Оценка биологической активности почв г. Сыктывкара. Выпускная квалификационная работа / К.А. Касеева. – Сыктывкар, 2017. - 61 с.

Кацнельсона Р.С., Ершова В.В. Определение каталазной активности[Электронный ресурс] https://studfiles.net/preview/6321355/

Кулабухова Д.Ю., Каталазная активность почв уфимского района Башкирский Государственный Университет / Д.Ю. Кулабухова // Теория и практика современной науки. - 2015. - №6(6)

Почвы городов и населённых пунктов http://studopedia.ru/2_99503_pochvi-gorodov-i-naselennih-punktov.html

Пуртова Л.Н. Каталазная активность в почвах урбанизированных территорий юга дальнего востока / Л.Н Пуртова, Е.А.Жарикова // Известия Самарского научного центра Российской академии наук, том 15. - 2013. - №3(3). - С. 1009-1011.

Федорец Н. Г. Методика исследования почв урбанизированных территорий / Н.Г. Федорец. - Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2009. - 84 с.

Федотов Г.Н. Каталазная активность и почвенные гелевые структуры / Г.Н. Федотов, Е.И.Пахомовю // Лесной вестник, 2/2006 - С. 213-217.

Характеристика природных условий города Сыктывкар [Электронный ресурс] http://сыктывкар.рф/administration/zhkkh/sektor-ekologii-i- zeleneniya/kharakteristika-prirodnykh-uslovij-goroda

Приложения

Приложение А

Протокол каталазной активности и определение влажности почвы

Приложение Б

Каталазная активность.