Биологическая активность почв урболандшафтов г. Ростова-на-Дону и г. Азова (стр. 1 )

на правах рукописи

БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ПОЧВ УРБОЛАНДШАФТОВ

Г. РОСТОВА-НА-ДОНУ И Г. АЗОВА

03.00.27 – почвоведение

03.00.16 – экология

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Ростов-на-Дону

2008

Работа выполнена на кафедре биохимии и микробиологии Южного федерального университета

Научныe руководители: доктор биологических наук,

профессор

кандидат биологических наук,

доцент

Официальные оппоненты: доктор биологических наук,

профессор

доктор сельскохозяйственных наук,

профессор

Ведущая организация: Южный научный центр РАН

Защита диссертации состоится « 6 » мая 2008 г в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д 212.208.16 по биологическим наукам в Южном федеральном университете ( г. Ростов-на-Дону, , ЮФУ, ауд. 205).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЮФУ ( г. Ростов-на-Дону, ).

Автореферат разослан « » ______________ 2008 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Общая характеристика работы

Актуальность исследований. В настоящее время исследованию состояния объектов окружающей среды урбанизированных территорий и оценке их экологического состояния уделяется большое внимание (Макаров, 2002; Герасимова и др., 2003; Приваленко, Безуглова, 2003; Хакимов, 2003; Строганова, 2005). Важное место в таких исследованиях занимает изучение почв и почвенного покрова. Городские почвы, выполняя важные экологические функции и являясь универсальным очистителем природной среды, подвергаются значительно более интенсивным нагрузкам, чем естественные или используемые в сельском хозяйстве. При этом почвенные биосистемы города подвергаются существенным преобразованиям, и это выражается, прежде всего, в изменении биологической активности почв в пределах почвенного профиля.

В настоящее время влияние урбанизации на показатели биологической активности почвы является малоизученной проблемой. В последнее время появилось несколько работ, посвященных биологической активности городских почв (Горбов, 2002; Талалайко, 2005; Люлин, 2007). Но следует отметить, что в них в основном исследована или только биохимическая, или только микробиологическая составляющая биологической активности. Избирательно показатели биологической активности почвы изучаются ФГУЗ Роспотребнадзора в соответствии с МУ 2.1– 99 только при необходимости углубленной оценки ее санитарного состояния и способности к самоочищению. В то же время изменения комплекса показателей ферментативной и микробиологической активности могут служить ранними диагностическими признаками, позволяющими заметить негативные изменения уже на начальных стадиях. Функциональные группы микроорганизмов поддерживают равновесие уровня содержания органического вещества, азота и других элементов. Активность почвенных ферментов затрагивает превращения углерода, азота и окислительно-восстановительных процессов и, следовательно, отражает функциональное состояние почвенного населения. Изучение данных показателей в совокупности позволит более точно понять направленность изменений биологической активности, происходящих в городских почвах. Следует ожидать, что выявленные закономерности могут быть использованы в целях биодиагностики.

Кроме того, изучение биологической активности почв в городах имеет важное значение, так как на городских территориях жители выращивают овощи и фрукты, которые затем употребляют в пищу. В этом случае важно учитывать насколько изменились характеристики почв при антропогенном воздействии, может ли она выполнять полноценно свои функции и, как следствие, безвредны ли данные продукты для здоровья человека.

Таким образом, в настоящее время назрела необходимость комплексного изучения антропогенно трансформированных почв в целях оценки сложившейся ситуации и выработки стратегических, научно обоснованных подходов к использованию почв человеком.

Цели и задачи исследований. Целью исследования явилось изучение биологической активности почв урболандшафтов мегаполиса Ростова-на-Дону и провинциального города Азова.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

- изучить микробиологическую активность почв урболандшафтов г. Ростова-на-Дону и г. Азова по численности основных физиологических групп: бактерий, актиномицетов и грибов, по содержанию представителей р. Azotobacter и по интегральному показателю дыхания почвы;

- изучить ферментативную активность исследуемых почв по активности каталазы, полифенолоксидазы, инвертазы и уреазы;

- сравнить исследуемые показатели биологической активности почв разных урболандшафтов г. Ростова-на-Дону и г. Азова;

- исследовать сезонные изменения биологической активности почв в городах и сравнить их;

- изучить и сравнить корреляционные связи между микробиологическими и биохимическими показателями биологической активности почв г. Ростова-на-Дону и г. Азова.

Основные положения, выносимые на защиту:

1.  Почвы различных урболандшафтов города значительно отличаются между собой по показателям биологической активности, особенно по численности актиномицетов и активности каталазы. Эти различия наиболее выражены в верхнем слое почвы (0-20 см).

2.  В урболандшафтах, подверженных сильному антропогенному воздействию, почвы характеризуются достаточно низкой ферментативной активностью и высокой численностью микроорганизмов.

3.  Для городских почв характерно наличие сильных корреляционных зависимостей между микробиологическими и ферментативными показателями. Их число резко уменьшается с увеличением территории города и масштабов антропогенного воздействия.

Научная новизна результатов исследований. Впервые при изучении биологической активности почв г. Ростова-на-Дону и Азова по совокупности показателей ферментативной и микробиологической активности выявлены закономерности их изменений в почвах разных урболандшафтов городов и на разных глубинах. Сравнение исследуемых показателей почв двух городов позволило установить различия между ними и определить их изменения в зависимости от масштабов антропогенного воздействия. Выявлены сезонные изменения показателей микробиологической и ферментативной активности. Установлены корреляционные зависимости между исследуемыми показателями.

Практическая значимость исследований. Результаты исследования позволяют судить об изменении биологической активности почв при урбанизации территорий, что может служить теоретической основой для разработки мер охраны городских почв.

Результаты работы могут быть использованы для биодиагностики при оценке экологического состояния почв природоохранными, производственными и научными организациями при организации землепользования, а так же планировании градостроения.

Полученные результаты используются в учебном процессе при проведении общих («Микробиология», «Биология почв») и специальных курсов («Микроорганизмы в охране окружающей среды») в Южном федеральном университете.

Апробация результатов исследований. Основные положения диссертации докладывались и опубликованы в трудах научных конференций: IV Международная научная конференция «Биотехнология – охране окружающей среды», Москва, 2006 г.; Международная научная конференция «Экология и биология почв: проблемы диагностики и индикации», Ростов-на-Дону, 2006 г.; Международная научная конференция «Современные проблемы адаптации и биоразнообразия», Махачкала, 2006 г.; XIV Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Ломоносов-2007», Москва, 2007 г.; X Международный конгресс молодых ученых, студентов и аспирантов «Перспектива-2007», Нальчик, 2007 г.; XXVII Российская школа по проблемам науки и технологий, Миасс, 2007; студенческая научно-практическая конференция ЮФУ «Неделя науки», 2007 г.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 145 страницах машинописного текста, состоит из введения, 6 глав (обзор литературы, объекты исследования, методы исследования, результаты исследования и их обсуждение), выводов и 3 приложений. Работа содержит 19 таблиц и 9 рисунков. Список литературы включает 204 источника, из них 43 – работы зарубежных авторов.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ, общим объемом 0,7 печатного листа, в том числе одна статья в издании, определенном Высшей Аттестационной Комиссией. Личный вклад автора составил 75 %.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1.  Городские почвы

Дан обзор литературы, раскрывающий масштабы воздействия современного процесса урбанизации на условия формирования и эволюцию почв урболандшафтов. Изложены проблемы антропогенной трансформации почв, описываются различные воздействия человека на почвенный покров. Изложены некоторые подходы к классификации городских почв. Приведено описание специфических свойств, характерных для урбаноземов.

2.  Биологическая активность почв

По данным литературы описаны основные показатели биологической активности почв. Рассмотрено влияние различных факторов на показатели микробиологической и ферментативной активностей урбаноземов.

3.  Объекты исследования

Исследования проводились на территории двух городов Ростовской области: г. Ростова-на-Дону и г. Азова.

Ростов-на-Дону является крупным мегаполисом с населением свыше 1 млн. 60 тыс. человек. Это один из крупнейших городов Европейской части России площадью 348,5 км2. Ростов-на-Дону занимает высокий правый берег коренной террасы реки, охватывая водоразделы головной водной артерии и прилегающих балок. Главными видами воздействия на окружающую среду являются: промышленность (, , -Дон», Донской табак и т. д.), энергетика и транспорт.

Азов является небольшим городом с населением около 83 тыс. человек. При этом город интересен тем, что он является одним из самых старых не только на юге России, но и в стране. Несмотря на небольшие размеры территории – 67,5 км2, это достаточно крупный промышленный центр. Ряд предприятий, расположенных на территории г. Азова, имеют общероссийское значение (заводы АОМЗ, з-д КПО, з-д КПА, судоверфь). Город расположен в рукаве «Старый Дон» на левом берегу, в 42 км от Ростова-на-Дону.

Объектами исследования являлись почвы урболандшафтов указанных городов.

Отбор образцов почвы в г. Ростове-на-Дону проводили в жилой (частный сектор, п. Чкаловский), рекреационной (парк им. Островского) и промышленной зонах (западная промзона), а также в экологически опасной зоне (перекресток пр. Буденовского и ул. Красноармейской).

Для сравнения в г. Азове образцы были отобраны в аналогичных зонах: в жилой (частный сектор), рекреационной (парк «Жемчужина Азова») и промышленной (Кагальницкое шоссе), кроме зоны экологической опасности, поскольку она не определена для г. Азова.

Отбор образцов производился с глубин 0-20 см и 20-40 см на опытных площадках площадью 25 м 2, которые имели характерные черты, свойственные исследуемой зоне. Все площадки были расположены на газонной территории с хорошо развитым травянистым покровом в 7-8 метрах от проезжей части. При отборе проб отмечали примерно одинаковые погодно-климатические условия. Отбор проб производился в соответствии с ГОСТом и ГОСТом 17.4.4.02-84. Исследованию подвергались объединенные (интегральные) пробы.

Для исследуемых урболандшафтов были характерны следующие подтипы почв:

для жилых зон – урбаноземы частично экранированные с черноземами и урбаночерноземами;

для рекреационных – черноземы обыкновенные карбонатные, частично экранированные;

для промышленных - индустриземы с участием экранированных урбаноземов и реплантоземов;

для экологически опасной зоны г. Ростова-на-Дону – урбаноземы сильноэкранированные с реплантоземами.

В городской черте среднемощные виды немногим доминируют над мощными, что может служить подтверждением тенденции уменьшения протяженности профиля городских почв по сравнению с фоновыми, так как в Приазовье для этого подтипа черноземов характерно преобладание мощных видов.

По гранулометрическому составу естественные почвы исследуемых городов, равно, как и погребенные, отнесены к разновидности тяжелых, и в редких случаях средних суглинков, с преобладанием фракций крупной пыли и ила. Гранулометрический состав насыпных слоев очень разнообразен, но, как правило, характеризуется преобладанием песчаных фракций (Горбов, 1997, 1998).

Показатель рН в исследуемых почвах колебался от 7,1 до 8,1. Статистически достоверно по показателю кислотности различались только образцы индустриземов и черноземов обыкновенных карбонатных, отобранные в разных городах на глубине 20-40 см.

Разница в содержании гумуса между образцами из исследуемых городов была незначительной. Только в верхнем слое урбаноземов частично экранированных данный показатель в городе Азове был выше аналогичного ростовского показателя. Изменение содержания гумуса с глубиной отмечалось только в урбаноземах частично экранированных города Ростова-на-Дону, где на глубине 20-40 см фиксировалось его увеличение.

4.  Методы исследования

Биологическая активность городских почв оценивалась по микробиологическим и биохимическим показателям.

Учитывая большую роль микроорганизмов в процессах, происходящих в почве, исследовалась численность основных физиологических групп микроорганизмов – бактерий, актиномицетов и грибов. Также определялось относительное содержание свободноживущих аэробных азотфиксаторов, которые способны фиксировать азот из воздуха, и таким образом принимают участие в цикле азота. Одним из определяемых показателей было дыхание почвы, которое представляет собой важный процесс в глобальном цикле углерода на нашей планете.

Ферментативная активность исследуемых почв определялась по активности ферментов, принадлежащих к двум классам: оксидоредуктаз и гидролаз. Оксидоредуктазы были представлены каталазой, которая активно продуцируется микроорганизмами, и полифенолоксидазой, участвующей в превращении соединений ароматического ряда в компоненты гумуса. Гидролазы были представлены инвертазой, участвующей в разложении органических веществ, и уреазой, участвующей в процессе превращения азотистых соединений.

Для выделения и учета различных групп микроорганизмов использовали метод посева на агаризованные питательные среды. Численность исследуемых групп выражали в КОЕ / г почвы (Практикум по микробиологии, 2005).

Относительное содержание свободноживущих аэробных азотфиксаторов определяли методом комочков обрастания и выражали в процентах (Практикум по микробиологии, 2004).

Интенсивность дыхания определяли по методу Макарова в модификации Галстяна и выражали в мл СО2 на 100 г почвы / сутки (Макаров, 1957).

Активность каталазы определяли газометрическим методом и выражали в мл О2 / мин на г почвы (Методы почвенной микробиологии и биохимии, 1991).

Активность полифенолоксидазы определяли по образованию пурпурогаллина из пирогаллола и выражали в мг пурпургаллина на 100 г почвы за 30 мин (Галстян, 1974).

Активность инвертазы и уреазы определяли фотоколориметрическим методом и выражали соответственно в мг глюкозы / г почвы за 24 часа и в мг NH3 на 10 г почвы в сутки (Методы почвенной микробиологии и биохимии, 1991; Казеев и др., 2003).

Всего было отобрано 56 проб и проведено 448 определений.

Статистическую обработку результатов проводили с использованием t-критерия Стьюдента и параметрического коэффициента корреляции (Лакин, 1980).

5.  Результаты исследования и их обсуждение

5.1.  Микробиологическая активность исследуемых почв. При анализе показателей микробиологической активности почв исследуемых урболандшафтов установлено, что в городе Азове численность исследуемых физиологических групп микроорганизмов в почвах разных урболандшафтов изменялась незначительно, особенно в весенний период. Это можно объяснить тем, что в маленьком городе пресс антропогенного воздействия слабее и, как следствие, различия в экологическом состоянии функциональных зон города менее выражены, чем в мегаполисе.

В Ростове-на-Дону численность микроорганизмов в индустриземах и урбаноземах сильно экранированных была значительно выше, чем в урбаноземах частично экранированных и черноземах обыкновенных карбонатных. Такая тенденция была отмечена как в осенний (Табл. 1), так и в весенний период (Табл. 2); как на глубине 0-20 см, так и на глубине 20-40 см (Рис.1). Индустриземы города Азова также характеризовались достаточно высоким показателем численности бактерий по сравнению с черноземами и урбаноземами. Вероятно, загрязненность индустриземов оказывает стимулирующий эффект на микрофлору. Такие закономерности были установлены при исследовании воздействия тяжелых металлов и пестицидов на микроорганизмы (Либерштейн, 1984; Громов, Павленко,1989).

Численность бактерий в исследуемых почвах колебалась в пределах от 0,53±0,04×106 КОЕ до 15±2,31×106 КОЕ, что соответствует данным для черноземов обыкновенных карбонатных (Даденко, Репях, 2006). Сравнение содержания бактерий в разных слоях почв показало, что в осенний период в почвах разных урболандшафтов количество бактерий с глубиной изменялось по-разному. В урбаноземах частично экранированных и черноземах города Азова количество микроорганизмов с глубиной увеличивалось (в 3,2 и 2,3 раза соответственно). Такая же тенденция отмечалась и в урбаноземах сильно экранированных г. Ростова-на-Дону (численность бактерий снижалась в 1,4 раза). В индустриземах обоих городов и в урбаноземах частично экранированных города Ростова число бактерий с глубиной уменьшалось (в 1,5 - 2,5 раза).

Таблица 1

Микробиологическая активность почв г. Ростова-на-Дону и г. Азова осенью 2005 г.

П/тип почв	Глубина	Бактерии (×106 КОЕ / г почвы)	Актиномицеты (×105 КОЕ / г почвы)	Грибы (×104 КОЕ / г почвы)	Azotobacter (%)
г. Ростов	г. Азов	г. Ростов	г. Азов	г. Ростов	г. Азов	г. Ростов	г. Азов
Урбаноземы частично экранирован.	0-20 см	15,00 ± 2,31 *; ↕;2;3	4,07 ± 0,43 *; ↕ ;2	0,67 ± 0,29 *;↕;1;2	1,97 ± 0,33 *;↕;1;2	4,00 ± 0,55 ↕;1;2	3,27 ± 0,82	100,00 ±0,01 1	100,00 ±0,01 2
20-40 см	8,00 ± 2,01 *; ↕;1	13,00 ± 0,58 * ;↕ 1; 2	2,50 ± 0,70 ↕	3,13 ± 0,32 ↕;1;2	2,02 ± 0,57 ↕;2;3	2,80 ± 0,85	100,00 ±0,01 1	100,00 ±0,01 2
Черноземы обыкновенные карбонатные	0-20 см	8,23 ± 2,29 4	3,83 ± 0,12 ↕; 4	5,07 ± 0,32 *;↕;1;5	0,43 ± 0,07 *;1;4	7,53 ± 1,35 ↕;1;4;5	5,27 ± 1,73	89,33 ± 1,76 *;1;4;5	99,33 ± 0,67 *;4
20-40 см	3,23 ± 0,58 *;1;4;5	8,80 ± 0,61 *; ↕; 1	3,43 ± 0,26 *;↕;5	0,37 ± 0,07 *;1	2,05 ± 0,14 ↕;4;5	2,40 ± 0,20	92,00 ± 1,15 *;1;5	100,00 ±0,01 *;4
Индустриземы	0-20 см	25,33 ± 1,86 *;↕;2;4;6	12,43 ± 0,35 * ;↕; 2;4	5,20 ± 1,04 *;↕;2;6	0,97 ± 0,07 *;2;4	12,27 ± 1,35 *;↕;2;4;6	5,33 ± 1,23 *	97,33 ± 1,33 *;4	53,00 ± 1,73 *;↕;2;4
20-40 см	10,03 ± 1,02 ↕;4	8,10 ± 1,84 ↕; 2	2,37 ± 0,50 ↕	1,30 ± 0,44 2	7,53 ± 1,56 *;↕;2;4	3,50 ± 0,56 *	99,33 ± 0,67 *	83,33 ± 1,76 *;↕;2;4
Урбаноземы сильно экранирован.	0-20 см	6,60 ± 0,35 ↕;3;6	-	2,30 ± 0,85 5;6	-	4,10 ± 0,46 ↕;5;6	-	100,00 ±0,01 5	-
20-40 см	9,23 ± 0,43 ↕;5	-	2,13 ± 0,48 5	-	7,33 ± 0,24 ↕;3;5	-	92,67 ± 5,46 5	-

Условные обозначения: * - статистически достоверные различия показателей в разных городах; ↕ - статистически достоверные различия показателей в разных слоях; 1 - статистически достоверная разница между показателями верхних слоев урбаноземов частично экранированных и черноземов обыкновенных карбонатных; 2 - статистически достоверная разница между показателями верхних слоев урбаноземов частично экранированных и индустриземов; 3 - статистически достоверная разница между показателями верхних слоев урбаноземов частично экранированных и урбаноземов сильно экранированных; 4 - статистически достоверная разница между показателями верхних слоев черноземов обыкновенных карбонатных и индустриземов; 5 - статистически достоверная разница между показателями верхних слоев черноземов обыкновенных карбонатных и урбаноземов сильно экранированных; 6 - статистически достоверная разница между показателями верхних слоев индустриземов и урбаноземов сильно экранированных; 1.2.3.4.5.6 (нижний индекс) – указывают на те же самые различия только в нижнем слое.