Один из основных показателей качества почвы. Контроль показателей качества почвы. Зоны санитарной охраны водоемов

Мурашкина Ирина Дмитриевна

Ларина Ирина Игоревна

Степанова Олеся Викторовна

Воробьев Иван Викторович

студенты 3 курса лечебного факультета

Холмогорская Оксана Викторовна

научный руководитель, канд.биол.наук., доцент кафедры биологии с экологией

Стаковецкая Ольга Константиновна

научный руководитель, старший преподаватель кафедры биологии с экологией

Калинина Нина Геннадьевна

научный руководитель, канд.биол.наук., доцент кафедры общей и биоорганической химии

Ивановская государственная медицинская академия, г. Иваново

Сохранение качества окружающей среды и здоровья населения является одной из самых острых проблем современности. В последние годы наблюдается устойчивая тенденция загрязнения всех составляющих биосферы (почвы, воды, воздуха и т. д.). Антропогенные воздействия на почвы обширней, чем на другие компоненты экосистемы .

Почва, как депонирующий компонент городской среды, отражает интенсивность поступления и накопления загрязняющих веществ. Различные соединения естественного и антропогенного происхождения, накапливаясь в почве, обуславливают ее загрязненность и токсичность . Поступление загрязняющих веществ в почву осуществляется разнообразными путями. Важнейшие из них - выбросы при высокотемпературных процессах в металлургических производствах, при сжигании минерального топлива, а также от автомобильного транспорта. Кроме того, источником загрязнения почв могут служить орошение водами с повышенным содержанием тяжёлых металлов, внесение осадков бытовых сточных вод в качестве удобрения, поступление тяжёлых металлов при постоянном внесении высоких доз органических, минеральных удобрений и пестицидов, содержащих тяжёлые металлы. Рост концентрации тяжелых металлов в окружающей среде способствует увеличению их концентрации во всех компонентах экосистем и их передвижению по трофическим цепям. Ряд тяжелых металлов обладает кумулятивным эффектом и канцерогенным действием (кадмий, свинец, медь и др.). Техногенные перемещения тяжелых металлов приводят к их накоплению в почве, растениях . Загрязнение почвенного слоя тяжелыми металлами приводит к деградационным процессам, подавлению активности почвенных микроорганизмов и убыванию плодородия, следствием которого является снижение продуктивности экосистем. Загрязнение поверхности земли транспортными и дорожными выбросами возрастает постепенно, в зависимости от числа проходов транспортных средств, и сохраняется очень долго даже после ликвидации дороги . Конечной мишенью становится организм человека, где тяжелые металлы вызывают болезни желудочно-кишечного тракта, крови, нервной, эндокринной, выделительной и других систем.

Целью настоящей работы являлась оценка состояния почв в различных районах городов Иваново, Ковров, Гусь-Хрустальный.

В процессе достижения этой цели решались следующие задачи.

1. Оценка динамики кислотности, засолённости, фитотоксичности и активности протеолитических ферментов вблизи автодорог и на удалении от них в городах Иваново, Ковров, Гусь-Хрустальный.

2. Определение состояния почв в парках г. Иваново (Харинка, парк им. Степанова, им. Революции 1905 года).

3. Сравнение качества почв, собранных в разных городах.

Материалы и методы исследования

Для исследования почвы отбирали смешанные образцы с глубины в 10 см, упаковывали в полиэтиленовые мешки и маркировали. Каждый смешанный образец составлял 20 индивидуальных почвенных проб, взятых равномерно со всех исследуемых территорий: парка им. Степанова (образец 1), парка им. Революции 1905 года (образец 2), парка Харинка (образец 3) г. Иваново, в городах Иваново (образцы 4-6) и Ковров (образцы 7-9) - на разном расстоянии от полотна дороги, а в городе Гусь-Хрустальный (образцы 10-12) - от хрустального завода (0-10 м, 10-50 м, 50-100 м). В лабораторных условиях из почвы удаляли посторонние предметы и просеивали ее через сито.

Навеску почвы для анализа отбирали методом «квартования». Для этого просеянный образец рассыпали тонким слоем (около 0,5 см) на листе бумаги в виде квадрата и делили его шпателем на четыре сектора. Содержимое двух противоположных секторов отбрасывали, а два оставшихся снова смешивали. После многократных повторений оставшуюся пробу высушивали до воздушного состояния, после чего производили исследование образцов различными методами.

Для определения фитотоксичности почвы в стеклянную колбу на 100 мл наливали 50 мл дистиллированной воды, добавляли 20 г воздушно-сухой почвы, взбалтывали в течение 5-10 минут, а затем отфильтровывали. В каждую чашку Петри на уровне 3-5 мл наливали получившуюся почвенную вытяжку и опускали туда кусочек хлопчатобумажной ткани, на который выкладывали семена кресс-салата (по 50 штук). Затем закрывали чашки крышками и оставляли на 72 часа при комнатной температуре (21-23 0 С). В качестве контроля использовали две порции семян по 50 штук, залитые дистиллированной водой. По окончании экспозиции проростки осторожно вынимали, подсчитывали и измеряли их длину. В зависимости от результатов опыта субстратам присваивали один из четырёх уровней загрязнения: 1) загрязнение отсутствует - всхожесть семян достигает 90-100 %; 2) слабое загрязнение (60-90 %); 3) среднее загрязнение (20-60 %); 4) сильное загрязнение (менее 20 %). В качестве дополнительного показателя загрязнения учитывалась длина проростков.

Общую биологическую активность почвы можно оценить по активности ферментов, вырабатываемых почвенными грибами и микроорганизмами во внешнюю среду, т. е. по так называемой протеазной активности. Активность протеолитических ферментов определялась методом аппликаций на рентгеновской плёнке, эмульсия которой разрушается микроорганизмами. Основу эмульсии составляет желатин - продукт питания для микроорганизмов, разрушающих белки с помощью протеаз. Для определения биологической активности почвы сухие образцы (по 20 г) помещали в чашки Петри и добавляли небольшое количество воды до получения пастообразного состояния. Рентгеновскую пленку нарезали на полоски размером 2x5 см и взвешивали. В каждую чашку закладывали по 1 полоске пленки и оставляли на 72 часа. Все опытные образцы находились в одном помещении при комнатной температуре. По окончании экспозиции полоски осторожно вынимали, промывали под струей воды, высушивали, взвешивали. Оценивали разность массы плёнки до и после экспозиции.

Для определения актуальной (активной) кислотности почвы пробы (25 г) тщательно растирали в фарфоровой ступке, помещали в колбу ёмкостью 200 мл и приливали 50 мл дистиллированной воды. Содержимое колбы тщательно взбалтывали и отстаивали в течение 5-10 минут, а затем отфильтровывали в колбу ёмкостью 100 мл. В полученных вытяжках определяли актуальную кислотность при помощи рН-метра.

Качественное определение химических элементов в почве проводили по следующим реакциям.

1. Определение карбонат-ионов: Nа 2 СО 3 + 2НСI= 2NаCI+ CO 2 +Н 2 О

2. Определение сульфат-ионов: SO42- + Ba2+ = BaSO4↓

3. Определение хлорид-ионов: NaCI+AgNO 3 = AgCI↓ + NaNO 3

4. Определение ионов кальция: CaCl 2 + (NH 4) 2 C 2 O 4 = CaC 2 O 4 ↓ + 2NH 4 Cl

5. Определение ионов свинца: Pb 2+ + CrO 4 2- = PbCrO 4 ↓

Результаты исследования

По проценту проросших семян кресс-салата слабое загрязнение обнаружено во всех пробах из Гуся-Хрустального, а также в парке им. Степанова. Длина проростков во всех пробах превышает контрольные показатели на высоком уровне значимости (р<0,01), кроме проб из г. Гусь-Хрустальный, где различия контрольных и опытных значений статистически не достоверны (табл. 1).

Таблица 1

Показатели фитотоксичности почвы

При оценке протеазной активности почв наиболее высокие показатели выявлены в парке им. Степанова, в Коврове (проба 9), в Гусе-Хрустальном (пробы 10 и 12), минимальные показатели - в г. Иваново (проба 4), в парках им. Революции 1905 г., Харинка, в г. Коврове (проба 8). В г. Иваново и г. Ковров отмечается повышение биологической активности почв по мере удаления от автодорог (табл. 2).

Таблица 2

Протеазная активность почв

Определение актуальной кислотности позволило установить, что рН в различных образцах колеблется от 7,0 до 8,1. Большинство проб имеет слабощелочную реакцию, в парке им. Революции 1905 года почва нейтральная, а в г. Гусь-Хрустальный (проба 11) - щелочная (табл. 3) .

Таблица 3

Актуальная кислотность

При определении карбонат-ионов обнаружено, что в почвах парков г. Иваново они почти отсутствуют. Все остальные пробы содержат карбонаты, причём интенсивность реакции, а, следовательно, количество карбонатов уменьшается по мере удаления от автодорог. Максимальное количество хлоридов, сульфатов и кальция выявлено в г. Гусь-Хрустальный (проба 11), парке им. Революции 1905 года, в г. Коврове (проба 9), парке им. Степанова. При постановке качественных реакций для определения свинца результат во всех образцах оказался отрицательным (табл. 4).

Таблица 4

Качественное определение химических элементов в почве

Обсуждение результатов

Проведенное исследование позволило установить слабую фитотоксичность в образцах из г. Гусь-Хрустальный, из парка им. Степанова и в пробах, собранных возле дорог в городах Иваново, Ковров. Фитотоксичность почвы - свойство почвы подавлять рост и развитие высших растений - является показателем загрязненности почвы ксенобиотиками и другими токсикантами. При оценке проб почвы по всхожести семян кресс-салата можно констатировать слабое загрязнение в г. Гусь-Хрустальный, где снижены как процент прорастания семян, так и длина проростков. В парке им. Степанова, несмотря на небольшое уменьшение процента проросших семян, длина проростков намного превышает контрольные показатели (р < 0,001), следовательно, загрязнение почвы незначительно.

Определение биологической активности почв позволяет косвенно судить о количестве и активности микроорганизмов, вырабатывающих протеазы. Ферменты протеазы в почве обуславливают динамику азота, который в доступной для высших растений форме выделяется при последовательном расщеплении белковых веществ. Наибольшая биологическая активность почв выявлена в парке им. Степанова, в г. Ковров на расстоянии 50-100 м от автодороги и г. Гусь-Хрустальный во всех точках, что свидетельствует о загрязнении почвы органическими остатками. Высокое содержание тяжёлых металлов приводит к сокращению численности микроорганизмов, вырабатывающих протеазы, поэтому по протеазной активности можно судить не только о способности почвы противостоять белковому загрязнению, но и об уровне загрязнения тяжёлыми металлами. При определении протеолитической активности почвенных микроорганизмов выявлено, что у автомагистралей (0-10 м) она минимальна, по мере удаления от дорог показатели возрастают. Таким образом, несмотря на то, что химическими методами обнаружить в пробах содержание свинца нам не удалось, по снижению протеазной активности можно предположить, что возле дорог он присутствует.

Большинство данных биоиндикации подтверждается и химическими методами. Содержание исследованных ионов ни в одной пробе не превышает нормы. Загрязнение почв карбонатами максимально выражено возле дорог, по мере удаления от автомагистралей их содержание уменьшается, в почвах парков г. Иваново они почти отсутствуют. Максимальное количество хлоридов, сульфатов и кальция (сотые доли %) выявлены в пробе из г. Гусь-Хрустальный на расстоянии 10-50 м от хрустального завода, тогда как на расстоянии 0-10 м и 50-100 м их содержание незначительно. Скорее всего, загрязнение в данной зоне не связано с работой хрустального завода, а обусловлено наличием других источников вредных выбросов. Высокое по сравнению с остальными пробами содержание хлоридов и сульфатов обнаружено в парке им. Революции 1905 года, хлоридов и кальция в парке им. Степанова, сульфатов в парке Харинка. Известно, что у железных дорог, шоссейных дорог с большим потоком автотранспорта, работающего на дизельном серосодержащем топливе, а также вблизи ряда специфичных промышленных предприятий наблюдается повышенное содержание серы. По-видимому, выявление серосодержащих соединений в пробах из парка им. Революции 1905 года и парка Харинка обусловлено их расположением возле железных дорог.

1. Методами биоиндикации обнаружена слабая фитотоксичность только в пробах из г. Гусь-Хрустальный.

2. Выявлено, что при удалении от крупных дорог по мере снижения загрязнений выбросами автотранспорта биологическая активность почв в г. Иваново и г. Ковров возрастает, а содержание карбонатов - уменьшается.

3. Установлено, что большинство проб имеет слабощелочную реакцию среды.

4. Максимальная засолённость почвы выявлена в пробе из г. Гусь-Хрустальный на расстоянии 10-50 м от хрустального завода.

5. Высокое по сравнению с остальными пробами содержание хлоридов и сульфатов, обнаружено в парке им. Революции 1905 года, хлоридов и кальция в парке им. Степанова, сульфатов в парке Харинка, что обусловлено их расположением возле железных дорог.

Список литературы:

1. Загрязнение почв и водной среды горюче-смазочными материалами - [Электронный ресурс]. - Режим доступаURL: http://www.jur-portal.ru/work.pl?act=law_read&subact=855722&id=34298 (дата обращения: 7.09.10).
2. Микробиологический мониторинг почв охранной зоны государственного музея-заповедника С.А. Есенина - [Электронный ресурс]. - Режим доступа - URL: http://library.rsu.edu.ru/archives/6531 (дата обращения: 7.09.10).
3. Очерет Н.П., Лиськова И.П., Бородкина О.В. Влияние антропогенных факторов на экологическое состояние почв и качество окружающей среды республики Адыгея //Экологические науки. - 2007. - № 4. - С. 31-34.
4. Романов О.В. Использование фитотестирования при оценке токсичности почв и снеговой воды - [Электронный ресурс]. - Режим доступаURL: http://www.kgau.ru (дата обращения: 7.09.10).

Почва – это поверхностный слой коры выветривания, который образуется и развивается в результате взаимодействия растительности, животных, микроорганизмов, горных пород и является самостоятельным природным образованием.

Важнейшим свойством почвы является плодородие, т.е. способность обеспечивать рост и развитие растений. Почва является гигантской экологической системой, которая оказывает на биосферу очень большое влияние (как и Мировой океан). Почва активно участвует в круговороте веществ в природе, в передаче энергии от Солнца к растениям и животным, поддерживает газовый состав атмосферы Земли.

Основателем научного почвоведения был выдающийся русский ученый В.В.Докучаев, который первым дал научное определение почвы и раскрыл сущность процесса почвообразования. Именно посредством почвы осуществляются экологические связи живых организмов с литосферой, гидросферой и атмосферой. Образование почвы – процесс очень длительный. Плодородие почвы определяется содержанием в них гумуса.

Гумус (от лат. humus – земля, почва) – это высокомолекулярное органическое вещество почвы, которое образуется за счет разложения животных и растительных остатков и продуктов их жизнедеятельности. Гумус имеет темную окраску. Наиболее богаты гумусом черноземы.

В середине ХХ столетия высокие потребности в продуктах питания вызвали коренные сдвиги в сельскохозяйственном производстве – произошла «зеленая революция». При существующем в тот период уровне используемой технологии был быстро достигнут предел биологической продуктивности земель. Дальнейший рост урожайности был обеспечен наращиванием производства минеральных удобрений.

В почвы нашей планеты за год вносится около 500 млн тонн минеральных удобрений и около 3 млн тонн ядохимикатов, треть которых смывается поверхностными стоками, разносится ветром, создавая глобальные и региональные антропогенные геохимические аномалии. Самое главное – все эти вещества включаются в экологические пищевые цепи, переходят из загрязненной почвы в растения, затем в животных и птиц и в конечном итоге попадают в пищу человека, концентрируясь на каждом этапе. Концентрация токсичных веществ нарушает нормальное функционирование почв. Показателем нормального функционирования почвы является биологическая продуктивность при отсутствии накоплений в биомассе растений загрязняющих элементов.

Почву ничем нельзя заменить. Она служит связующим звеном между живой и неживой природой. Почва также необходима как вода или воздух. Очень важно следить за загрязнением почвенного покрова. Оно отражает общее глобальное загрязнение атмосферы и, как следствие, почвы. Загрязнение снежного покрова служит важным источником информации, так как после таяния снега загрязняющие вещества поступят в данный ландшафт.

Качество почвы – степень соответствия состава и физико-химических свойств почвы потребностям людей, сельскохозяйственным, строительным и экологическим требованиям. Качество почвы, как воздуха и воды, определяется различными нормативными документами, в том числе ПДК загрязняющих почву веществ.

По степени возможного отрицательного влияния загрязняющих веществ на почву, растения, животных и другие живые организмы загрязняющие вещества подразделяются на три класса:высоко опасные,умеренно опасные и малоопасные вещества. Примерами веществ первого класса являются: мышьяк, кадмий, ртуть, селен, свинец, цинк, фтор, бенз(а)пирен; второго – бор, кобальт, никель, молибден, медь, сурьма, хром; третьего – барий, ванадий, вольфрам, марганец, стронций и другие. В настоящее время в России действует ПДК для более ста веществ в почве и для семидесяти веществ установлены расчетным путем ориентировочно допустимые концентрации.

Из составляющих качеств окружающей среды, рассмотренных выше (воздуха, воды и почвы), складываются понятия:качество городской среды -- степень соответствия условий города потребностям городского населения и обеспечения полноты их реализации и качество жизни – степень полноты удовлетворения физических, материальных, духовных, культурных и других потребностей людей в различных государствах и регионах современного мира.

Методы контроля качества почвы

Тонкий почвенный покров земли является биологическим поглотителем, способным разрушать вредные вещества, попадающие в нее из атмосферы и от промышленных предприятий. Большую экологическую опасность представляют собой фенолы, диоксиды, тяжелые металлы, органические и неорганические составы. Исследовать грунт на наличие токсических веществ можно с помощью специального оборудования, включая «Эксперт 003», В 1200 и другие фотометры . Уровень радиоактивного загрязнения грунта выявляет лабораторный гамма-спектрометрический анализ с использованием устройств «СРП-88» или «Белла». Исследования помогают проверить почву на наличие патогенной микрофлоры, а также пестицидов, фунгицидов, гербицидов и т. д.

Параметры плодородия

Немаловажными являются и показатели продуктивности почвы, определяемые несложными методами. О способности грунта поглощать и удерживать влагу, без которой растения обречены на гибель, можно узнать, собрав его в ком. Если он рассыпается при падении, то влагоемкость равна 30-50%, не скатывается - не больше 25%, сохраняет форму - 75-90%. За биологическую активность земли отвечают гумус, полезные микроорганизмы и питательные вещества. Выявить ее уровень можно, закопав в разных участках фильтрованную бумагу. Чем сильнее истлеет лист через месяц, тем богаче грунт. Механический состав почвы определяется скатыванием влажного шарика диаметром 4 см. Фигурка не получилась? В земле преобладает песок. Если удалось соорудить:

• шнур - почва супесчаная;
• неломающееся колечко - легкий суглинок;
• бублик с трещинами - тяжелый суглинок.

Кислотность почвы определяется посредством специальной лакмусовой бумаги, а также по преобладающим растениям. Полевой хвощ и щавель говорят о том, что земля очень кислая, грунт с умеренными показателями обживает клевер, а щелочные почвы выбирают горчица полевая и дрема белая. С помощью сита с ячейками от 0,5 до 1 мм выявляется степень крупности фракций грунта. В этом случае пробу нужно брать на глубине 10-15 см. Наилучшей пористостью обладает грунт с 80% частиц от 0,5 до 1 мм, 5% - больше 1 мм и 15% - меньше 0,5 мм. В заключение необходимо сказать о спелости земли, то есть о ее готовности к обработке. Как правило, хорошая почва не пылит, не крошится и не прилипает к лопате.

Основы учения о факторах почвообразования заложил В. В. Докучаев. Он установил, что почва формируется в результате взаимодействия почвообразующих пород, климата, растительности, рельефа местности и возраста страны (времени). В дальнейшем был выделен еще один фактор почвообразования - производственная деятельность человека.

Почвообразующая порода является материальной основой почвы и передает ей свой механический, минералогический и химический состав, а также физические, химические и физико-химические свойства, которые в дальнейшем постепенно изменяются в различной степени под воздействием почвообразовательного процесса придавая определённую специфику каждому виду почв.

Почвообразующие породы различаются по происхождению, составу, строению и свойствам. Они делятся на магматические, метаморфические и осадочные горных пород.

Минералогический, химический и механический состав пород определяет условия произрастания растений, оказывает большое влияние на гумусонакопление, оподзоливание, оглеение, засоление и другие процессы.

В одних и тех же природных условиях, но на различных материнских породах могут формироваться разные почвы.

От материнских пород зависят биологическая продуктивность, скорость разложения растительных остатков и образование гумуса. Так, в таежно-лесной зоне на алюмосиликатной морене формируются малоплодородные подзолистые почвы, а на карбонатной морене - почвы с высоким плодородием, имеющие хорошо развитый гумусовый горизонт. В южных зонах на засоленных породах образуются солончаки и солонцы.

Климат . С этим фактором почвообразования связано поступление в почву воды, необходимой для жизни растений и для растворения минеральных питательных веществ. От климата зависит активность биологических процессов.

Большое значение имеют такие элементы климата, как атмосферные осадки, испарение и температура.

В процессе обмена тепла и влаги между почвой и атмосферой устанавливается определенный гидротермический режим почвы. В каждой природной зоне климат характеризуется температурными условиями и увлажнением.

Выделение термических групп климатов основано на показателях суммы температур выше 10 °С за вегетационный период: холодные - 600 °С, холодно-умеренные - 600...2000 °С, тепло-умеренные - 2000...3800 °С, теплые - 3800...8000 °С, жаркие - более 8000 °С. Эти группы климатов располагаются в виде широтных поясов.

По условиям увлажнения выделяют шесть групп климатов: очень влажные - коэффициент увлажнения более 1,33, влажные - 1,33...1,00, полувлажные - 1,00...0,55, полусухие - 0,55...0,33, сухие - 0,33...0,12, очень сухие - менее 0,12.