Биологическая активность почвы и ее изменения под воздействием загрязнения

Согласно воззрениям современной биогеохимии, почва представляет собой открытую биокосную систему с наличием ряда прямых и обратных связей. Оцен­ка антропогенного воздействия и соответствующей степени загрязнения почв может быть выполнена как на основании данных по изменению химического со­става твердой и жидкой фазы, так и с использованием принципов биологической индикации загрязнения. В основе принципа биологической диагностики загряз­нения почв лежит представление о том, что почва как сфера обитания составляет единое целое с населяющими ее популяциями различных организмов. Изменение химического состава среды обитания сопровождается обязательным изменением

ва биоты, направленности биогеохимических превращений и состава тех геохимических компонентов, которые являются продуктами этих трансфор-1 и/или их агентами. Биологическая индикация загрязнения почв включает I методы оценки почвенной биоты (ботанические, зоологические), структу-жробиоценозов (микробиологические) и продуктов жизнедеятельности по-1ых организмов (биохимические).

этанические методы фитомониторинга загрязнения почв достаточно хоро-

13работаны и представляют собой сопряженный анализ биогеохимического

шорота загрязняющих веществ в системе почва-растение. Известны многие

:ния-индикаторы загрязнения, по их морфологическому виду и химическому

1ву можно с достаточной степенью уверенности судить о наличии поллютан-

почвах. Недостаток этого метода для мониторинга загрязнения почв связан

Сходимостью выполнения исследований на фоновых участках, выбор кото-

представляет ряд методических сложностей в условиях интенсивной антро-

гшой трансформации многих природных ландшафтов.

> последние годы сравнительно быстро развиваются почвенно-зоологиче-

принципы индикации загрязнения. Наиболее ценны и информативны комп-

ы крупных беспозвоночных (дождевые черви, многоножки, личинки насеко-

), которые менее космополиты, чем простейшие и микроартроподы. Естествен-

ареалы крупных беспозвоночных достаточно хорошо изучены и характери-

~ся определенным комплексом почвенно-климатических условий. Наличие

язнений, например, увеличение содержания тяжелых металлов в почвах, со-

юждается как изменением численности этих беспозвоночных, так и накопле-

л металлов в их организмах.

Зсновой для развития альгологических методов загрязнения почв служит воз-ность количественной оценки изменения состава водорослей и их пигмент-активности в условиях поступления различных уровней поллютантов. Одна-цениваться должны именно доминантные для данной почвы виды водорос-и их группы. Так, в подзолистых почвах распространена сравнительно простая та водорослей с преобладанием одноклеточных зеленых и желто-зеленых, жчивых к низким значениям рН. Для дернового процесса (серые лесные по-) характерно большое разнообразие видов с равным преобладанием синезеле-; и зеленых и значительной долей желто-зеленых и диатомовых. В степных вах (черноземы, каштановые) в группировке водорослей преобладают синезе-ые и одноклеточные зеленые-убиквисты. В условиях засоленных почв (солон-получают значительное развитие диатомовые водоросли. Пустынный про-с приводит к сокращению численности и разнообразию желто-зеленых и диа-овых и резкому доминированию нитчатых синезеленых водорослей, тогда как ггивоположный процесс заболачивания характеризуется исключительным нообразием видов с резким доминированием зеленых и наличием гидрофиль-<. видов. В то же время такие показатели, как общая численность водорослей и

Часть П. Природно-техногенные компоненты городской среды

их биомасса, подвержены сезонным колебаниям и не имеют большого значения для мониторинга загрязнения.

Микробиологическая и биохимическая индикация почвенного загрязнения -наиболее сложные, но и наиболее информативные показатели. Микроорганизмы - очень чуткие индикаторы, резко реагирующие как численностью отдельных видов, так и структурой микробного сообщества (микробиоценозы) на различ­ные изменения в среде. Численность микроорганизмов весьма изменчива как в пространстве, так и во времени, что требует проведения не только многократных анализов, но и многочисленности отбираемых образцов. Кроме того, еще не до конца разработана микробная систематика и идентификация видов в условиях их постоянных мутаций под воздействием физических и особенно химических факторов. Это, однако, не мешает все расширяющемуся применению микробио­логических методов для индикации наличия поллютантов в почвах.

Необходимо отметить, что почвы характеризуются не только составом и чис­ленностью различных групп биоты, но и их суммарной активностью, прежде всего активностью биохимических процессов. Именно биохимические процессы лежат в основе плодородия почв. Нарушение биохимических процессов вследствие из­менения химического состава и загрязнения почв приводит к нарушению и даже полному прекращению продуктивных функций различных почв, превращая их в безжизненные техногенные пустыни.

Показателями биологической активности почв могут служить количествен­ные характеристики численности и биомассы разных групп почвенной биоты, их общая продуктивность, некоторые энергетические данные, активность основных процессов, связанных с круговоротом элементов, ферментативная активность почв, а также количество и скорость накопления продуктов жизнедеятельности почвен­ных организмов.

Прямыми методами можно учесть количество почвенных беспозвоночных, простейших и водорослей. Зная численность клеток в единице объема или массы почвы, можно получить расчетную биомассу различных групп организмов в по­чве. Так называемые "прямые" методы учета бактерий, актиномицетов и грибов (микроорганизмы) сводятся к отделению клеток или мицелия от почвы в резуль­тате суспендирования в воде с последующим перенесением их на стекла или филь­тры, окраску и подсчет под микроскопом отдельных клеток или обрывков мице­лия.

Для определения размеров микробной биомассы и продуктивности использу­ют не только прямые методы подсчета числа клеток, но и косвенные методы. Так. биомассу водорослей можно определять по количеству хлорофилла, бактерий -по специфической для прокариот фумаровой кислоте, грибов - по хитину, входя­щему в состав их клеток. Микробную активность в почве определяют также по уровню АТФ, полифосфатов, содержанию ДНК и РНК, аминокислот и других биохимических продуцентов.

Наиболее общими являются методы, позволяющие оценить суммарные био­логические процессы по величинам исходных или конечных продуктов. Напри­мер, дыхание почв оценивается по поглощению О₂ и/или выделению СО₂; актив­ность азотфиксации - по восстановлению ацетилена; разложение и накопление продуктов метаболизма - по изменению структуры аппликационных материалов (целлюлозы, хроматографической бумаги, целлофана). К числу методов, позво­ляющих определить потенциальную биологическую активность почв, относятся методы определения активности отдельных ферментов, таких, как уреаза, фосфа-

таза и другие.

Один из широко применяемых современных методов оценки загрязнения почв по изменению их биологической активности связан с определением активности инициированного микробного сообщества, развивающегося в данной почве при внесении специфического вещества, например крахмала. При этом комплекс ами-лолитических микроорганизмов исследуют классическими методами почвенной микробиологии с применением сканирующего микроскопа. При нанесении по­лоски крахмала на почвенную пластину можно видеть сукцессию микроорганиз­мов по мере разложения крахмала в разных условиях загрязнения, моделируе­мых в эксперименте.

Показатели, характеризующие состояние биологической активности почв, можно использовать для контроля загрязнения почв. Загрязняющие вещества I можно условно подразделить на два большие класса:

1. Химическое загрязнение (тяжелые металлы, пестициды, нефтепродукты, радионуклиды, минеральные удобрения);

2. Биологическое загрязнение объектами биотехнологического производства (белки, белково-витаминные концентраты, лекарственные препараты, условно патогенные и патогенные микроорганизмы).