 |
|
|
БИОЛОГИЯ ПОЧВ |
Глава 3. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ И ПРИКЛАДНЫЕ АСПЕКТЫ БИОЛОГИИ ПОЧВ
|
Смотрите также:
Мейен - Из истории растительных династий
Биографии биологов, почвоведов
|
БИОЛОГИЧЕСКАЯ ИНДИКАЦИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ПОЧВЕННОЙ СРЕДЫ И САМООЧИЩЕНИЕ ПОЧВ
Показатели, характеризующие состояние почвенной биоты и биологическую активность почв, можно использовать для контроля за теми изменениями в почвах, которые возникают при включении в них разного рода посторонних веществ, чаще всего антропогенного происхождения.
Различают следующие типы и характер загрязнения почв. 1. Химическое загрязнение (пестициды, тяжелые металлы, радионуклиды, нефтяные углеводороды, минеральные удобрения). 2. Биологическое загрязнение объектами микробиологического производства белка и БВК (белково-витаминных концентратов), патогенными, условно-патогенными и энтомопатогенными бактериями, которые используют для борьбы с вредителями леса.
Пестициды — это новый экологический фактор, появившийся в природе в связи с широким применением человеком чужеродных соединений для борьбы с сорняками (гербициды), насекомыми-вредителями (инсектициды), фитопатогенными грибами (фунгициды). Мировой ассортимент пестицидов насчитывает около сотни тысяч препаратов на основе 900 химических соединений. И он непрерывно растет.
Пестициды попадают в почву путем непосредственного внесения или же с протравленными семенами, отмирающими частями растений и трупами насекомых. Из почвы они поступают в воды, корма и пи- щевые продукты. Пестициды оказывают разное воздействие на почвенную биоту и биохимическую активность почв. Особую опасность представляют стойкие и кумулятивные пестициды, персистентность которых достигает нескольких лет. К ним относятся, например, препараты на основе триазинов и симтриазинов, а также хлорорганические инсектициды, такие как ДДТ, хлордан, гептахлор, обнаруживаемые в почвах через 8, 10 и даже 12 лет после применения. В основном пестициды накапливаются в верхнем слое почвы, а в лесах — в подстилке, но далее они могут мигрировать вглубь по профилю до 1 м и более. Скорость и глубина проникновения зависят как от самого пестицида (его химических свойств), так и от особенностей почвы, в том числе от состава биоты. Поступающие в почву пестициды адсорбируются глинистыми минералами, вступают в химические реакции, разлагаются или трансформируются микроорганизмами. Одно из направлений в изучении взаимодействия пестицидов с почвенной биотой — исследование деградации и трансформации пестицидов чистыми культурами почвенных микроорганизмов. Известны четыре пути превращения пестицидов (Alexander, 1970): 1) энзиматическое воздействие, которое ведет к полной потере токсических свойств препарата, к его инактивации и детоксикации; 2) трансформация в токсические вещества — активация; 3) трансформация в другие вещества с иным спектром ин- гибируюшего действия; 4) трансформация с образованием соединения- стимулятора.
В природной среде, в почве, существенную роль в разложении пестицидов микроорганизмами играют такие явления,-как кометабо- лизм и синтрофия. В первом случае скорость минерализации пестицида, относящегося к группе так называемых «устойчивых», повышается при наличии в среде дополнительного соокисляемого субстрата, а во втором случае на пестицид действует смешанная популяция микроорганизмов, и его разложение протекает более активно, чем в условиях чистых культур. Имеются попытки интенсифицировать процесс деградации, например хлорароматических кислот, внесением в почву соответствующих косубстратов — специфических индукторов для повышения активности почвенной микрофлоры.
В процессе самоочищения почвы от пестицидов участвуют не только микроорганизмы, но и многие группы почвенных животных. Ного- хвостки, клещи и другие обитатели почв инактивируют пестициды, изменяя их химический состав. Крупные беспозвоночные, такие как дождевые черви, а также другие роющие животные (кроты, землеройки), перемешивая почву, способствуют перемещению загрязненной почвы верхнего горизонта в глубокие слои.
Один из путей изучения поведения пестицида в почве — внесение его меченого препарата и определение выделяющейся ИС02. В случае быстрой деградации пестицида почвенными микроорганизмами его рекомендуют к применению. Другой путь — оценка действия пестицида на почвенную биоту и биохимическую активность почв разными методами.
Много фактов свидетельствует о том, что производственные дозы применяемых гербицидов не подавляют заметно развития почвенной биоты при редких обработках или однократном внесении. Дело в том, что расчетные дозы препаратов не соответствуют тем концентрациям, которые создаются в отдельных локусах почвы. В почве всегда имеются участки, где концентрация гербицида может быть в 5—10 раз выше расчетной, а в других местах — очень низкой, вплоть до полного отсутствия. Биота иногда не только не повреждается, но даже стимулируется за счет поступления в почву органических остатков в результате массовой гибели сорняков после применения гербицида. Однако многократное применение, приводящее к накоплению препарата, или использование очень высоких доз может вызвать избирательное угнетение части биоты или отдельных биохимических процессов. Особенно резко проявляется действие фунгицидов, которые применяют против фитопатогенных грибов. Они могут подавлять также сапрофитные почвенные микромицеты и другие микроорганизмы, вызывая эффект частичной стерилизации почвы.
Гербициды триазинового ряда вызывают последействие в отношении таких ферментов, как инвертаза и уреаза (их активность увеличивается), протеаза (слабо подавляется) и фосфатаза (по-разному в зависимости от почвы). При многолетнем применении хлорорганиче- ских пестицидов происходит подавление активности фосфатазы на 30—60%. Ингибиторами нитрификации являются галогированные фенолы, нитрофенолы, хлориды, хлораты и особенно 2-хлор-6 (трихлор- метил)-пиридин. Подавление этими препаратами нитрификации на 70% и более происходит за счет ингибирования цитохромной системы микроорганизмов. Наиболее сильным ингибирующим действием на нитрификацию в почве отличается прометрин. Его применяют для подавления процессов превращения азота и снижения его потерь.
Тяжелые металлы и другие техногенные элементы рассеиваются в природе в результате производственной деятельности человека. Появляются «геохимические аномалии», обязанные накоплению в высоких концентрациях, иногда в 100 и 1000 раз выше природных, тех элементов, которые ранее обнаруживались в почвах в следовых количествах. Если в древнее время человек использовал лишь 18 элементов, в XIX в..— 29, а в начале XX в.—<62, то в настоящее время в поле деятельности человека вовлечены все известные в земной коре элементы.
Загрязнение почв происходит через атмосферу, воду и путем непосредственного поступления с отходами. Если в осадках содержится большое количество серы в виде серных соединений и серной кислоты, то происходит непрерывное подкисление почв. Это сказывается на составе микроорганизмов и биологической активности почв, что особенно резко проявляется в случае слаборазвитых природно-кислых почв — тундровых и подзолистых. Опасными загрязнителями почв являются ртутные соединения, в особенности диметилртуть, которая содержится в промышленных отходах. Из годовой добычи ртути около половины теряется в процессе использования. Ртуть характеризуется значительной химической устойчивостью и свойством аккумулироваться в звеньях пищевой цепи. Микроорганизмы почвы могут давать устойчивые к ртути популяции, которые превращают металлическую ртуть в токсические для высших организмов вещества. Некоторые водоросли, грибы и бактерии, способные аккумулировать ртуть в клетках, могут быть использованы для ее извлечения из сточных вод.
Большую роль в загрязнении почв играют такие тяжелые металлы, как свинец, кадмий, цинк и др. На каждую тонну добываемого свинца теряется 25 кг. При мировой добыче его 2 млн. т/год потери ежегодно составляют 50 тыс. т. Свинец поступает в почву через атмосферу с осадками и пылью. Увеличение содержания цинка в почвах может происходить как за счет промышленных отходов, так и за счет применения суперфосфатных удобрений, в состав которых входит цинк. Повышенная концентрация тяжелых металлов в почвах отмечается вблизи крупных автотрасс, мест добычи или промышленных центров. Степень загрязнения почв тяжелыми металлами зависит от физико- химических свойств почв, в частности от рН. В нейтральных и щелочных почвах подвижность металлов меньше, они мигрируют слабее, чем в кислых. Скорость самоочищения почв от поступающих элементов весьма низкая. Металлы связываются с органическими продуктами микробной деятельности и мигрируют в органо-минеральной форме. На миграцию и аккумуляцию элементов оказывают влияние и почво- обитаюшие животные. Например, термиты в некоторых пустынных районах Средней Азии накапливают в своих телах более двух десятков химических элементов, в том числе серебро, стронций, хром, титан, никель, медь и др. Такая особенность может быть использована в целях биоиндикации. Лихеноиндикация разрабатывает методы определения степени загрязнения среды по химическому составу лишайников. Вычисляют коэффициенты их биологического поглощения, которые рассчитывают как отношение содержания элемента в лишайнике к его концентрации в корнеобитаемом слое почвы. Это дает возможность оценить относительную способность разных видов лишайников одного местообитания концентрировать элементы и выявить таким образом виды-индикаторы. Показано, что напочвенные лишайники имеют более постоянный ряд поглощения, чем эпифитные.
Биоиндикаторами на загрязнение почв тяжелыми металлами могут быть разные группы почвенных микроорганизмов, а также отдельные виды и биохимические процессы. Хорошим показателем повышенного содержания в почве тяжелых металлов служит, например, уровень азотфиксирующей активности, определяемый ацетиленовым методом.
Радиоактивные элементы, например 90Sr, попадают в почву с осадками, образуемыми в результате ядерных испытаний, или с отходами атомных электростанций и предприятий по производству ядерного горючего и ядерного оружия. В местах естественных понижений стронций-90 может накапливаться в почве в результате поверхностного стока. Он поступает в растения и далее передается по пищевым цепям. Почвенные микроорганизмы способны аккумулировать радиоактивные элементы, что можно определить методами радиоавтографии. На этом принципе возможна разработка методов использования микробных популяций для выявления геохимических провинций с высоким содержанием указанных элементов в почвах.
Загрязнение почв нефтью и продуктами ее переработки приводит к заметному сдвигу в составе биоты. Почва обогащается микроорганизмами, способными разлагать углеводороды. Классические работы по использованию углеводородов микроорганизмами были выполнены В. О. Таусоном еще в 20-е годы. В 60-е годы эта проблема стала актуальной в связи с разработкой способов промышленного использования процесса биосинтеза микробного белка из углеводородов нефти.
Количественное определение содержания в почвах углеводород- окисляющих микроорганизмов было положено в основу метода биологической индикации на газовые и нефтяные месторождения (Могилев- ский, 1939, 1940). Газообразные углеводороды, главным образом метан и пропан, поступают в почву из газоносных слоев и частично «прорываются» через микробный барьер в атмосферу. В верхних слоях почвы в аэробных условиях они окисляются почвенными микроорганизмами. Было показано, что численность пропанокисляющих бактерий более резко падает с глубиной, чем метанокисляющих. Последние распространены довольно широко и встречаются не только в почвах газоносных районов, но и там, где идет энергичный распад органических веществ в анаэробных условиях с образованием газообразных углеводородов биологическим путем. Микроорганизмы, использующие высшие гомологи метана, — обычные обитатели нефтеносных почв и служат индикаторами на нефтяные месторождения или на загрязнение почв нефтяными продуктами антропогенного происхождения.
Газоиспользующие микроорганизмы — это в основном представители группы аэробных грамотрицательных бактерий родов Pseudotno- nas, Methylococcus, Methylobacter, Methylosirtus и др. В самые последние годы обнаружены метанокисляющие дрожжи среди родов Candida и Rhodotorula.
Показано было также, что нефть стимулирует рост некоторых почвенных грибов, например представителей родов Poecilomyces, Fusariutn. Некоторые виды Scolecobasidium обнаружены только в почве, насыщенной нефтепродуктами. Возможно использование таких видов в качестве индикаторов на загрязнение почв нефтью. Скорость самоочищения почв от нефти имеет отличия в разных природных зонах. В тех случаях, когда точно известно время загрязнения, состав и количество попавшей в почву нефти, можно сопоставить результаты очищения почв через определенные промежутки времени. В одном из таких исследований на территории СССР было показано, что на юге, в условиях недостаточного увлажнения, в серо- коричневых солонцеватых почвах содержание нефти за первые 12 месяцев снизилось на 65%. При этом полностью минерализовалась лишь 1/3 часть, а около 40% превратилось в различные другие органические продукты. В подзолистых и дерново-подзолистых почвах северных районов, в условиях переувлажнения, уменьшение содержания нефти происходило более активно. При этом часть нефти перераспределилась внутри почвы за счет циркуляции влаги. В этом случае опасности загрязнения подвергаются грунтовые воды. Через некоторое время после загрязнения в почве возрастает численность и активность многих групп микроорганизмов и в первую очередь — нефтеойисляющих (Глазов- ская, Пнковский, 1980). Зная естественные механизмы и скорость самоочищения почв, можно разрабатывать методы защиты почвенного покрова от загрязнения нефтью и нефтепродуктами.
Биологическое загрязнение почв чужеродными микроорганизмами происходит в результате попадания в почву бытовых и сельскохозяйственных отходов и отбросов, а также за счет биологических аэрозолей микробиологических производств. С бытовыми отбросами в почву могут попадать потенциально опасные микроорганизмы — патогенные и токсигенные, способные вызывать кишечные инфекции и пищевые отравления у человека, эпидемические заболевания у животных, токсикозы растений.
В санитарно-эпидемиологических почвенных исследованиях определяют содержание в почвах бактерий группы кишечной палочки (Escherichia coli) и патогенных клостридий и бацилл — возбудителе столбняка (CI. tetani)f сибирской язвы (Вас. anthracis), газовой гак грены (CL perfringens), ботулизма (CI. botulinum).
Бактериальные энтомопатогенные препараты (энтомобактери* дендробациллин, боверин, мускардин) содержат споры бацилл (Bat cereus, Вас. thuringiensis), которые в течение многих лет сохраняюте и размножаются в почве. При применении этих препаратов проти вредных насекомых методами аэрораспыления происходит массово обсеменение растительности и почвы спорами этих бактерий, что мо жет привести к нарушению природного равновесия в микробных сооб ществах.
Почва способна к самоочищению от несвойственных ей микроор ганизмов. Механизмы, лежащие в основе самоочищения почв, пок; остаются непознанными. Они могут быть разной природы. В первук очередь это связано с отсутствием в почвенной среде условий, необ ходимых для развития попадающих извне микроорганизмов, неблаго приятного действия физических и химических факторов (кислотность низкие значения температур, высушивание, солнечная радиация и т. д.) Опыты показали, что при попадании в почву дополнительных органи ческих субстратов происходит возрастание численности внесенных микроорганизмов. Другой механизм элиминации загрязняющих почву мик роорганизмов — взаимодействие с членами почвенной биоты — выедание, лизис и др.
В некоторых случаях, при загрязнении небольших территорий, рекомендуется применять для очистки почв химические дезинфектанть (формалин, окись этилена, тиазол и др.) или специфические препараты пестицидов. Опыт по влиянию пестицидов на санитарно-показательньк и патогенные микроорганизмы обобщен в книгах «Актуальные вопросы гигиены почвы» (1975) и «Материалы по гигиенической оценке пестицидов и полимеров» (1977).
|
|
|
|
К содержанию книги: И. П. БАБЬЕВА, Г. М. ЗЕНОВА, Д.Г.ЗВЯГИНЦЕВ
|
Последние добавления:
Вильямс. Травопольная система земледелия
Качинский - Жизнь и свойства почвы
Вернадский - химическое строение биосферы