Модельный опыт изучения влияния тяжёлых металлов на биологическую активность почв

Научное общество учащихся гимназии № 4

Модельный опыт изучения

влияния тяжёлых металлов

на биологическую

активность почв

Выполнили:

Гаврилова Ольга, 10 б

Махинова Ксения, 10 а

Головченко Людмила, 106

Научный руководитель:

,

к. б.н., ст. науч. сот. инст. леса им. Сукачёва

Красноярск 2002

Введение

Проблема нарушения и загрязнения окружающей среды достаточно остро стоит в Красноярском крае и особенно в промышленно-индустриальных районах [1].

Крупные промышленные предприятия, выбрасывая в атмосферу загрязняющие вещества, в том числе и тяжёлые металлы, наряду с мощным загрязнением воздуха наносят огромный вред почвенному покрову.

К тяжелым металлам относятся металлы, имеющие атомную массу более 56, то есть расположенные в Периодической системе после железа; к ним же традиционно причисляют мышьяк и селен, т. к. их токсическое действие на организмы аналогично. Тяжелые металлы являются одним из важнейших загрязнителей почв [1]. Аккумуляция тяжёлых металлов в почве обусловлена, прежде всего, естественными ассоциациями химических элементов в природных комплексах [2]. (См. приложение 1) Однако увеличение количества металлов, вовлечённых в биологический круговорот, и их накопление в отдельных звеньях трофических цепей происходит благодаря активной деятельности человека [3].

Выделяют фоновое загрязнение почв, которое включает в себя естественное количество металлов (См. приложение 1), содержащихся в почве, с добавлением их количества за счёт глобального переноса и загрязнения почв, связанное с относительной близостью источников эмиссии.

В связи с усилением влияния антропогенного фактора на природные процессы, загрязнение окружающей среды тяжёлыми металлами представляет экологическую проблему.

Основными источниками антропогенного поступления тяжёлых металлов в окружающую среду является деятельность промышленных предприятий, особенно металлургические заводы, тепловые электростанции,

карьеры и шахты по добыче полиметаллических руд, транспорт [4].(См. приложение 2) По степени опасности тяжёлых металлов, выделяют 3 класса и 4 уровня загрязнения.

Высокие концентрации тяжёлых металлов оказывают негативное влияние на отдельные компоненты природных экосистем и, прежде всего, на почвенное население [5].

Почвы характеризуются не только составом и численностью разных групп биоты, но и их суммарной активностью., а также и активностью их биохимических процессов, обусловленных наличием в почве определённого запаса ферментов, выделенных прижизненно в результате деятельности растений и микроорганизмов, а также аккумулированных почвой после разрушения клеток. Все эти показатели включаются в общее понятие биологической активности почв.

Наиболее информативными для диагностики почвенного состояния являются такие показатели, как «целлюлозоразложение» и «дыхание».

Целлюлотическая активность свидетельствует о напряженности биологических процессов в почве. Чем интенсивнее разлагается целлюлоза, тем быстрее осуществляется биологический круговорот элементов.

Выделение окиси углерода с поверхности почвы (почвенное «дыхание») можно наряду с чистой первичной продукцией рассматривать в качестве одного из интегральных параметров, характеризующих функциональное состояние экосистемы [6]. Выделение углекислого газа тесно связано с функциональной активностью живых организмов, обитающих в почвах.

Быстрая и адекватная реакция живых организмов на негативное воздействие, обусловливает их высокую индикационную ценность при оценке влияния антропогенных факторов на почву и окружающую среду в целом.

Для того чтобы оценить влияние различных концентраций таких тяжёлых металлов, как цинк и медь, на биологическую активность серых лесных почв, был поставлен оригинальный лабораторный модельный опыт. Реализация цели складывалась из решения следующих задач;

• оценить влияние различных концентраций меди и цинка на скорость разложения лесных подстилок;

•  определить влияние тяжёлых металлов на такие показатели биологической активности почв, как «дыхание» и целлюлозоразл ожение;

•  оценить роль дождевых червей в процессах деградации биологической активности при загрязнении почв медью и цинком.

2. Модельный опыт изучения влияния тяжёлых металлов на биологическую активность почв

В сосуды поместили по 300 г лесной темно-серой почвы, взятой в районе Березовской ГРЭС и по 20 г подстилки из-под лиственницы (объем подстилки соответствует её запасам в естественных условиях). Сосуды были разделены на контрольные, где концентрация металлов соответствовала фоновой, и опытные, в которые внесли хлорид меди и хлорид цинка (табл.1). Их концентрация в одних опытных сосудах соответствовала ПДК, а в других очень высокому уровню загрязнения.

Таблица 1 Характеристика вносимых веществ

Элементы	Класс опасности	Принятые фоновые концентрации, мг/кг	ПДК, мг/кг	Высокий уровень загрязне ния, мг/к г
Медь	2	31	32	500
Цинк	1	74	100	3000

В половину сосудов поместили по 3 экземпляра дождевых червей.

Подстилка и почвы были увлажнены до оптимальной влажности (60% от полной влагоёмкости).

За период модельного опыта практически во всех вариантах произошла потеря в весе подстилок (рис.1). В контрольных вариантах с участием червей она составила 86,5%. Без червей скорость разложение подстилок в 5 раз ниже. В опытных вариантах с участием червей, где концентрация Си и 2п соответствовала ПДК, потеря в весе подстилок близка к контролю.

Отсутствие червей привело к значительному снижению скорости трансформации растительных остатков. Концентрация тяжелых металлов, соответствующая высокому уровню загрязнения привела практически к полному подавлению биологических и биохимических процессов разложения подстилок. В этих вариантах отмечена гибель червей.

Рис.1. Потеря в весе подстилок за период модельного опыта. 1 -

контроль, 2- концентрация Си = ПДК, 3 - концентрация Си = высокому уровню загрязнения, 4-концентрация 2п = ПДК, 5 - концентрация 7.П = высокому уровню загрязнения.

Для выявления влияния тяжёлых металлов на биологическую активность почв были использованы интегральные показатели - это целлюлозоразложение и почвенное «дыхание» Определение целлюлозоразложения проводили аппликационным методом, почвенное «дыхание» адсорбционным методом.

Сразу после внесения металлов была определена интенсивность «дыхания» подстилок в контрольных и опытных вариантах.

Различий между вариантами не выявлено, и интенсивность «дыхания»

",

составила 0,7 мг СО2/М. Активность целлюлозоразложения определилась через 2 месяца и составила в контрольных сосудах с червями - 36% , а в опытных сосудах с медью (концентрация меди равна ПДК) близка к контрольным сосудам, в сосудах с цинком (концентрация цинка равна ПДК) в 2-3 раза ниже, (табл.2) Во всех вариантах без червей активность в 2-6 раз ниже, чем в сосудах с червями. В сосудах с высоким уровнем концентрации цинка активность целлюлозоразложения полностью подавлена.

Таблица 2

Активность целлюлозоразложения в модельном опыте с тяжёлыми

металлами (%)

Варианты	Контроль	Си	2п
		ПДК	Высокий уровень загрязнения	ПДК	Высокий уровень загрязнения
С червями	36	24,5	23,5	11,5	0
Без червей	4,5	4	6,7	6,3	0

3. Выводы

1.  Высокий уровень загрязнения такими металлами, как цинком и медью, приводит к деградации процессов разложения лесных подстилок, что обусловлено резким снижением биологической активности почв и уничтожением отдельных групп почвенной биоты (целлюлозоразлагающие микроорганизмы, дождевые черви).

2.  Уровень концентрации тяжёлых металлов, близкий к ПДК, оказал

незначительное влияние на активность педобионтов, присутствие дождевых червей в почвах замедляет процессы деградации

биологической активности при загрязнении тяжёлыми металлами.

3. Даже при сильном загрязнении подстилок и почв тяжелыми металлами' черви активизируют сохранившуюся микрофлору и способствуют снижению процессов деградации биологической активности.