"Влияние противогололедных материалов и проблема фитотоксичности почвогрунтов придорожных территорий в городах ХМАО-Югры" - читать интересную книгу автора
Журнал "Проблемы региональной экологии": № 3, 2006г.: Раздел 1. Экологическая оценка и картографирование
Раздел 1. Экологическая оценка и картографирование Ю.Н. Козицкая, С.А. Шавнин, И.А. Юсупов, Н.В. Марина, Г. Н. Новоселова, Д.Ю. Голиков. Влияние противогололедных материалов и проблема фитотоксичности почвогрунтов придорожных территорий в городах ХМАО-Югры Излагаются данные результатов изучения влияния противогололедных материалов, используемых для обработки дорожного полотна в зимний период, на фитотоксичность почвогрунтов вблизи автодорог. Исследования проводились в пяти городах ХМАО-Югры – Сургуте, Нижневартовске, Ханты-Мансийске, Мегионе, Покачах.
ООО «Сибирский научно-исследовательский институт рационального природопользования», Уральский государственный лесотехнический университет
Введение. С целью уменьшения степени отрицательного воздействия на природную среду противогололедные материалы (ПГМ) можно представить в последовательности: хлористый натрий, хлористый кальций, хлористый магний, природные озерные и подземные рассолы, мочевина [1]. Наибольший ущерб окружающий среде наносится в результате превышающего норму использования ПГМ. Применение ПГМ на дорогах может стать причиной увеличения содержания солей в снежном покрове и придорожных почвогрунтах, в результате этого изменяются геохимические условия произрастания древесных и травянистых растений. Снег с проезжей части переносится на газоны в непосредственной близости от дорожного полотна, а аэрозоль водно-солевой смеси разносится ветром на расстояние до 200 м. Траектория перемещения загрязняющих веществ (ЗВ) определяется особенностями планировки населенного пункта, структуры ландшафта и организации движения автотранспорта [2]. Механические барьеры (сооружения, здания, деревья) препятствуют переносу аэрозолей, что приводит к накоплению солей вблизи дороги. Использование технических солей позволяет устранить снег, однако, это приводит к увеличению износа дорожного покрытия под действием металлических шипов резины автошин. Таким образом, объем поступления ЗВ в придорожные почвогрунты увеличивается. Вместе с тем, применение фрикционных (песок и др.) материалов и удаление верхней части грунтов на обочинах в процессе чистки дорог, интенсивная солнечная радиация, высокая температура и обилие осадков способствуют снижению их содержания в почвогрунтах [3].
Материалы и методы. В качестве материалов исследований использовались технические соли (натрий хлористый карьерный, соль каменная техническая и концентрат минеральный галит), применяемые в городах ХМАО, а также химически чистая соль хлорида натрия. Кроме того, отбирались пробы почвогрунтов в районе перекрестков и линейных участков автомобильных дорог, обрабатываемых и необрабатываемых (контроль) ПГМ в пяти городах ХМАО-Югры – в Ханты-Мансийске, Покачах, Мегионе, Сургуте и Нижневартовске. В районе автодорог образцы отбирались в июле и октябре до глубины 10 см с интервалом 0,5 м по трансекте (длина 1,5–3,5 м) перпендикулярно дорожному полотну.
В пробах почвогрунтов и ПГМ массовая доля хлорид-ионов оценивалась меркуриметрическим методом с индикатором дифенилкарбазон [4]. Концентрация тяжелых металлов в почвогрунтах определялась в азотнокислых вытяжках атомно-абсорбционным методом анализа с электротермической атомизацией пробы с помощью вольфрамового спирального атомизатора «Спираль-14», в ПГМ – атомно-абсорбционным методом с индуктивно связанной плазмой. Оценка фитотоксичности осуществлялась методом биотестирования в трех биологических повторностях водных растворов ПГМ, химически чистой соли NaCl и экстрактов почвогрунтов по изменению оптической плотности биомассы одноклеточной водоросли Chlorella. Навески почвогрунтов, высушенных до воздушно-сухого состояния, смешивались с водой в соотношении 1:1 и выдерживались при температуре 90ºС в течение 2 час., а затем фильтровались. Полученные экстракты смешивались в соотношении с водой 1:2, 1:4, 1:5, 1:8 и 1:10. Биотестирование проводилось в течение 24 час. при температуре 34–36оС и интенсивности света 80 Вт/м2 в «Фитотестере-03». Степень токсического воздействия водорастворимых веществ оценивалось методом сравнения суточного прироста биомассы клеток (по оптической плотности), выращенных на среде Тамия без внесения трилона Б с выращенными на исследуемых растворах солей и экстрактах почвогрунтов. Проявление фитотоксической активности концентрации растворенных веществ считается достоверным при коэффициенте токсичности (КТрост) превышающем 0,2 относительной единицы [5]. При этом, положительные значения КТрост свидетельствуют об ингибировании ростовых процессов тест-объекта, а отрицательные – о стимуляции.
Результаты и обсуждение. Исследования влияния растворов натрия хлористого карьерного, соли каменной технической и концентрата минерального галита показали, что они не оказывают токсического действия на ростовые параметры хлореллы до концентрации хлоридов 1% (КТрост составляет 0,448, 0,619 и 0,560 отн. ед., соответственно), после достижения которой зависимость «доза-эффект» имеет экспоненциальный вид. В ХМАО-Югре применяются технические соли с содержанием примесей от 3 до 6%. Согласно проведенным химическим анализам, в исследуемых технических солях содержание тяжелых металлов в % к сухому весу вещества составляют: Cd и Cu 910-6, Co – менее 110-5, Ni – 310-5, Pb – 610-5, Fe – не более 510-3 и Mo – не более 210-4. Эти данные позволяют заключить, что концентрация тяжелых металлов исключительно мала и не влияет на фитотоксичность ПГМ. Основным действующим веществом исследуемых ПГМ является хлорид натрия, который при массовой доле хлорид-ионов в растворе до 0,3% оказывает слабое стимулирующее (0>КТрост>-0,2) действие на рост биомассы водоросли (рис. 1).
Рис. 1. Зависимость коэффициента токсичности водных растворов хлорида натрия от массовой доли аниона в растворе
По-видимому, это является результатом мобилизации неспецифических защитных реакций клеток. Ионы хлорида и металлов при низких концентрациях являются физиологическими (слабыми) стрессорами, которые индуцируют избыточную активацию метаболизма и адаптивных механизмов клетки [6]. Увеличение количества хлорид-ионов до 0,5% вызывает агрегацию клеток хлореллы. На графике это явление указано увеличенным маркером. При культивировании тест-объекта на стандартной среде такое явление не наблюдается, независимо от плотности суспензии. Гибель клеток водоросли характеризует высокую степень токсичности тестируемого образца [7]. Следует отметить, что методика определения биомассы клеток водоросли по оптической плотности раствора рассчитана на однородную среду. При появлении агрегатов разрушенных клеток суспензия становится гетерогенной, поэтому значения оптической плотности, полученные в таких условиях, являются неадекватными. Наличие агрегации является показателем острой токсичности концентрации водорастворимых веществ. Возможно, агрегация обусловлена изменением поверхностных свойств клеток в результате нарушения процесса образования клеточной стенки у автоспор хлореллы.
Водные экстракты почвогрунтов, отобранных в летний период в г. Ханты-Мансийске на ул. Чкалова (не обрабатывается ПГМ) и ул. Калинина (обрабатывается ПГМ) в районе перекрестков, обладают острой фитотоксичностью, выражающейся в агрегировании клеток водоросли (рис. 2). Фитотоксическое действие почвогрунтов, отобранных на трансекте около дороги, обрабатываемой ПГМ, проявляется в большей степени. Почвогрунты на расстоянии до 0,5 м от ул. Калинина вызывают агрегацию клеток даже при десятикратном снижении концентрации водорастворимых веществ (рис. 2 Б).
Рис. 2. Зависимость фитотоксичности от степени разбавления экстрактов почвогрунтов, отобранных в г. Ханты-Мансийске на ул. Чкалова (А) и Калинина (Б) на разном расстоянии от дорог.
По мере удаления от дороги, КТрост снижается (в неагрегированных суспензиях), а гибель клеток наблюдается только при меньшей степени разведения исходного экстракта почвогрунтов. Накопление ЗВ в районе перекрестков дорог непосредственно около проезжей части зависит от особенностей распределения выбросов, которые определяются метеорологическими условиями, механическим составом почвогрунтов, интенсивностью движения и структурой ландшафта прилегающей территории [2, 3].
Однако, токсическое действие водных экстрактов почвогрунтов проявляется не только в агрегации клеток хлореллы, но и в стимуляции роста биомассы (экстракты с неагрегированными клетками характеризуются КТрост < -0,2 отн. ед.) (рис. 2). Стимуляция ростовых процессов может быть связана с содержанием в почвенном экстракте органического вещества и макроэлементов больше, чем в стандартной лабораторной среде. Известно, что хлорелла лучше развивается при наличии в среде органического субстрата, при этом она способна изменять способ получения энергии с автотрофного на гетеротрофный [8, 9]. Другим возможным механизмом стимуляции является активация защитно-приспособительных реакций и нарушение энергетических процессов водоросли в ответ на низкое содержание ЗВ в растворе, высокая концентрация которых вызывает агрегацию клеток [7].
Аналогичные закономерности распределения ЗВ и влияния водных экстрактов на ростовые процессы хлореллы отмечаются при исследовании почвогрунтов в районе перекрестков автодорог на территории остальных исследованных городов. Вместе с тем, содержание хлорид-ионов в почвогрунтах контрольных и экспериментальных трансект в летний период фиксируется примерно в одинаковом количестве (табл.), которое в 10–100 раз ниже фитотоксического значения – 0,5% (рис.) и в большинстве случаев не превышает максимальной недействующей концентрации для травянистых (0,005%) и древесных (0,010%) растений [10]. Таким образом, фитотоксичность почвогрунтов обусловлена не повышенным содержанием хлоридов, а, по-видимому, присутствием других ЗВ.
Концентрация подвижных форм тяжелых металлов в почвогрунтах исследуемых городов варьирует в значительной степени и в отдельных случаях превышает ПДКп (табл.). Наиболее загрязненными тяжелыми металлами являются почвогрунты г. Сургута, наименее – г. Покачи. По-видимому, это определяется интенсивностью движения транспортных средств, в результате эксплуатации которых в окружающую среду поступают горюче-смазочные материалы, продукты сгорания топлива, износа автомобильных шин и дорог. Вместе с тем, корреляции между содержанием подвижных форм тяжелых металлов в почвогрунтах и фитотоксчисностью их водных экстрактов не установлено. Так, с увеличением расстояния от дороги фитотоксичность почвогрунтов на контрольной трансекте г. Ханты-Мансийска снижается (рис. 2), а содержание свинца, кобальта и кадмия возрастает в 1,5–2,5 раза. При этом, концентрация никеля изменяется нелинейно и максимальные его концентрации отмечаются на расстоянии 1 м от дороги.
Таблица
Диапазон концентраций хлоридов (%) и подвижных форм тяжелых металлов (мг/кг) в почвогрунтах придорожных территорий в пяти городах ХМАО-Югры
Город Месяц Наименование вещества
Хлориды Свинец Медь Никель Кобальт Кадмий
Покачи Июль 0,004–0,006 5,7–16,9 1,8–4,7 1,4–1,7 0,004–0,025 0,002–0,024
Октябрь 0,002–0,006 – – – – –
Мегион Июль 0,002–0,008 3,5–11,4 3,1–7,1 1,5–4,5 2,6–19,7 0,017– 0,070
Октябрь 0,001–0,003 – – – – –
Ханты-Мансийск Июль 0,002–0,059 2,6–11,3 2,6–10,6 0,7–3,1 1,8–4,5 0,008–0,152
Октябрь 0,003–0,010 1,7–3,8 2,3–4,0 1,4–2,3 1,9–3,3 0,007–0,009
Нижневартовск Июль 0,002–0,003 8,7–14,9 2,2–7,7 0,8–3,7 0,6–2,9 0,010–0,046
Октябрь 0,002–0,003 4,5–12,2 3,7–9,5 1,0–3,0 1,3–4,3 0,008–0,034
Сургут Июль 0,001–0,008 4,3–31,9 0,8–8,3 0,3–13,1 1,2–18,4 0,003–0,485
Октябрь 0,002–0,005 0,6–21,7 1,7–6,4 0,41–2,4 0,5–2,0 0,002–0,008
ПДКп Нет 6,0 3,0 4,0 5,0 0,3
Примечание. Прочерком указывается отсутствие результатов анализов
В период с июля по октябрь концентрация хлорид-ионов и тяжелых металлов снижается (табл.). По-видимому, это связано с выпадением дождевых осадков и движением грунтовых вод, обусловливающих миграцию экотоксикантов по почвенному профилю в радиальном и латеральном направлениях. В некоторых случаях это сопровождается снижением фитотоксичности почвогрунтов (рис. 2А, рис. 3). Почвогрунты, отобранные в октябре на расстоянии 1 и 2 м от ул. Чкалова (контроль) в г. Ханты-Мансийске, содержат большое количество веществ в значительной степени стимулирующих рост хлореллы (КТрост < -0,2). Вместе с тем, агрегация клеток отмечается только в экстрактах почвогрунтах, отобранных в непосредственной близости от дороги при разведении до 5 раз и на расстоянии 1–2 м – до 2 раз. С увеличением степени разведения экстрактов почвогрунтов значения КТрост снижаются. Отсутствие фитотоксического действия наблюдается при 8–10-кратном снижении концентрации загрязняющих веществ в экстракте (рис. 3). Аналогичным образом в период с июля по октябрь наблюдалось изменение степени фитотоксической активности водорастворимых веществ почвогрунтов, отобранных в других изученных городах.
Рис. 3. Фитотоксичность почвогрунтов, отобранных в октябре на разном расстоянии от
ул. Чкалова.
Таким образом, степень фитотоксичности почвогрунтов в районе автодорог обусловливается не только применением технической соли, но и действием дополнительных существенных факторов. Во время остановок транспортных средств на светофорах или при заторах на дороге происходит многократное увеличение количества выхлопных газов от работы двигателя на холостых оборотах, маневрирования и т. д. При этом, движение транспорта происходит с очень низкой скоростью (до 20 км/ч), поэтому основная часть ЗВ осаждается в придорожном пространстве. В г. Сургуте (ул. Кукуевицкого) и г. Нижневартовске (ул. Чапаева) в июле были отобраны почвогрунты в районе участков дорог, обрабатываемых ПГМ, но удаленных от перекрестков и мест стоянки автотранспорта.
Анализ результатов биотестирования почвогрунтов придорожных территорий улиц Чапаева и Кукуевицкого показал, что при удалении от дорожного полотна фитотоксичность проб увеличивается. Это, главным образом, выражается в инициировании агрегации клеток хлореллы водорастворимыми веществами в экстрактах почвогрунтов даже при 8- и 10-кратных разведениях (рис. 4).
Рис. 4. Зависимость фитотоксичности от степени разведения водных экстрактов почвогрунтов, отобранных на разном расстоянии от ул. Чапаева (А) и Кукуевицкого (Б).
Концентрация хлорид-ионов в почвогрунтах обеих трансект с удалением от дороги снижается от 0,004 до 0,002%. Содержание подвижных форм меди и кобальта изменяется незначительно и в среднем составляет в почвогрунтах в районе ул. Чапаева 3×ПДКп и 10×ПДКп, а в районе ул. Кукуевицкого – 2,7×ПДКп и 9,7×ПДКп, соответственно. Концентрация свинца варьирует в значительной степени, максимальное значение на трансекте ул. Чапаева равно 13,54 мг/кг (2,25×ПДКп) и отмечается в непосредственной близости от дорожного полотна, а ул. Кукуевицкого – 23,59 мг/кг (3,93×ПДКп) – на расстоянии 1,5 м. Данные улицы характеризуются высокой скоростью и интенсивностью движения транспортных средств, а также отсутствием многоярусной древесно-кустарниковой и травянистой растительности, препятствующей распространению ЗВ в газообразном и дисперсном состоянии. В связи с этим можно заключить, что корреляция между фитотоксичностью почвогрунтов и содержанием хлоридов отсутствует. Высокая концентрация тяжелых металлов, в несколько раз превышающая значения ПДКп в некоторой степени отражается на фитотоксическом действии экстрактов почвогрунтов.
На основании проведенных исследований в пяти городах ХМАО можно сделать следующие выводы:
1. Экстракты почвогрунтов вызывают стимуляцию ростовых процессов хлореллы, что, по-видимому, в большей степени обусловливается присутствием органических веществ.
2. В экстрактах почвогрунтов присутствуют вещества, высокие концентрации которых вызывают агрегацию клеток хлореллы. При увеличении степени разведения экстракта фитотоксический эффект снижается.
3. Степень разведения экстракта, при которой концентрация растворенных в воде веществ вызывает агрегацию клеток может использоваться как показатель фитотоксичности почвогрунтов.
4. Концентрация хлорид-ионов в исследованных почвогрунтов низкая и не является причиной фитотоксической активности водных экстрактов почвогрунтов.
5. Содержание тяжелых металлов в исследованных ПГМ незначительное и не влияет на фитотоксичность почвогрунтов.
6. Концентрация ЗВ в почвогрунтах в районе перекрестков и линейных участков автодорог изменяется нелинейно при удалении от дорожного полотна и зависит от особенностей их распределения в атмосферном воздухе.
7. Фитотоксичность почвогрунтов, по-видимому, обусловлена комплексным влиянием продуктов сгорания топлива, механического разрушения автомобильных шин, дорожного покрытия и горюче-смазочных материалов, накапливаемых на придорожных территориях в результате эксплуатации автотранспорта.
Резюмируя изложенное, можно отметить, что применяемые технические соли на основе хлорида натрия не оказывают существенного негативного влияния на фитотоксичность почвогрунтов на придорожных территориях. Природно-климатические условия ХМАО-Югры, характеризующиеся обилием осадков, высоким уровнем горизонта грунтовых вод и преимущественно легким механическим составом почвогрунтов, в течение бесснежного периода обеспечивают снижение поступающих химических веществ до безопасного для растений уровня.
Библиографический список
1. Руководство по борьбе с зимней скользкостью на автомобильных дорогах. № ОС–548р. – М.: Росавтодор, 2003. – 72 с.
2. Куров Б. А. Как уменьшить загрязнение окружающей среды автотранспортом // Россия в окружающем мире: 2000 (Аналитический ежегодник). Отв. ред. Н. Н. Марфенин / Под общей редакцией: Н. Н. Моисеева, С. А. Степанова. – М.: Изд-во МНЭПУ, 2000. – 328 с.
3. Луканин В. Н., Трофименко Ю. В. Промышленно-транспортная экология: Учеб. для вузов / Под ред. В. Н. Луканина. – М.: Высш. шк., 2001. – 273 с.
4. Практикум по агрохимии / Под ред. Минеева В.Г. – М.: Изд-во МГУ, 1989. – 304 с.
5. Экология: Лабораторный практикум для учащихся школ и студентов вызов, проводимый на базе учебной экологической лаборатории, разработанной на кафедре экологии Красноярского государственного университета / Сост. Ю. С. Григорьев, И. К. Григорьева. Красноярск: Краснояр. гос. ун-т, 1997. – 30 с.
6. Шакирова Ф. М. Неспецифическая устойчивость растений к стрессовым факторам и ее регуляция. – Уфа: Гилем., 2001. – 160 с.
7. Никаноров А. М., Хоружая Т. А., Бражникова Л. В. и др. Мониторинг качества вод: оценка токсичности. – СПб.: Гидрометеоиздат, 2000. – 159 с.
8. Курс низших растений/ под ред. М. В. Горленко. – М.: Высшая школа, 1981. – 504 с.
9. Huang, S.W., Liao, V.C., Chen, H.C., Lin, L.P. Growth and ultrastructure of Chlorella pyrenoidosa. 13th Annu. Meet. Chin. Soc. Microbiol. And 12th Sci. Meet. 1989. P. 18–19.
10. ВСН 8–99. Инструкция по охране природной среды при строительстве, ремонте и содержании автомобильных дорог. – М., 1999. – 41 с.
Раздел 1. Экологическая оценка и картографирование Ю.Н. Козицкая, С.А. Шавнин, И.А. Юсупов, Н.В. Марина, Г. Н. Новоселова, Д.Ю. Голиков. Влияние противогололедных материалов и проблема фитотоксичности почвогрунтов придорожных территорий в городах ХМАО-Югры Излагаются данные результатов изучения влияния противогололедных материалов, используемых для обработки дорожного полотна в зимний период, на фитотоксичность почвогрунтов вблизи автодорог. Исследования проводились в пяти городах ХМАО-Югры – Сургуте, Нижневартовске, Ханты-Мансийске, Мегионе, Покачах.
ООО «Сибирский научно-исследовательский институт рационального природопользования», Уральский государственный лесотехнический университет
Введение. С целью уменьшения степени отрицательного воздействия на природную среду противогололедные материалы (ПГМ) можно представить в последовательности: хлористый натрий, хлористый кальций, хлористый магний, природные озерные и подземные рассолы, мочевина [1]. Наибольший ущерб окружающий среде наносится в результате превышающего норму использования ПГМ. Применение ПГМ на дорогах может стать причиной увеличения содержания солей в снежном покрове и придорожных почвогрунтах, в результате этого изменяются геохимические условия произрастания древесных и травянистых растений. Снег с проезжей части переносится на газоны в непосредственной близости от дорожного полотна, а аэрозоль водно-солевой смеси разносится ветром на расстояние до 200 м. Траектория перемещения загрязняющих веществ (ЗВ) определяется особенностями планировки населенного пункта, структуры ландшафта и организации движения автотранспорта [2]. Механические барьеры (сооружения, здания, деревья) препятствуют переносу аэрозолей, что приводит к накоплению солей вблизи дороги. Использование технических солей позволяет устранить снег, однако, это приводит к увеличению износа дорожного покрытия под действием металлических шипов резины автошин. Таким образом, объем поступления ЗВ в придорожные почвогрунты увеличивается. Вместе с тем, применение фрикционных (песок и др.) материалов и удаление верхней части грунтов на обочинах в процессе чистки дорог, интенсивная солнечная радиация, высокая температура и обилие осадков способствуют снижению их содержания в почвогрунтах [3].
Материалы и методы. В качестве материалов исследований использовались технические соли (натрий хлористый карьерный, соль каменная техническая и концентрат минеральный галит), применяемые в городах ХМАО, а также химически чистая соль хлорида натрия. Кроме того, отбирались пробы почвогрунтов в районе перекрестков и линейных участков автомобильных дорог, обрабатываемых и необрабатываемых (контроль) ПГМ в пяти городах ХМАО-Югры – в Ханты-Мансийске, Покачах, Мегионе, Сургуте и Нижневартовске. В районе автодорог образцы отбирались в июле и октябре до глубины 10 см с интервалом 0,5 м по трансекте (длина 1,5–3,5 м) перпендикулярно дорожному полотну.
В пробах почвогрунтов и ПГМ массовая доля хлорид-ионов оценивалась меркуриметрическим методом с индикатором дифенилкарбазон [4]. Концентрация тяжелых металлов в почвогрунтах определялась в азотнокислых вытяжках атомно-абсорбционным методом анализа с электротермической атомизацией пробы с помощью вольфрамового спирального атомизатора «Спираль-14», в ПГМ – атомно-абсорбционным методом с индуктивно связанной плазмой. Оценка фитотоксичности осуществлялась методом биотестирования в трех биологических повторностях водных растворов ПГМ, химически чистой соли NaCl и экстрактов почвогрунтов по изменению оптической плотности биомассы одноклеточной водоросли Chlorella. Навески почвогрунтов, высушенных до воздушно-сухого состояния, смешивались с водой в соотношении 1:1 и выдерживались при температуре 90ºС в течение 2 час., а затем фильтровались. Полученные экстракты смешивались в соотношении с водой 1:2, 1:4, 1:5, 1:8 и 1:10. Биотестирование проводилось в течение 24 час. при температуре 34–36оС и интенсивности света 80 Вт/м2 в «Фитотестере-03». Степень токсического воздействия водорастворимых веществ оценивалось методом сравнения суточного прироста биомассы клеток (по оптической плотности), выращенных на среде Тамия без внесения трилона Б с выращенными на исследуемых растворах солей и экстрактах почвогрунтов. Проявление фитотоксической активности концентрации растворенных веществ считается достоверным при коэффициенте токсичности (КТрост) превышающем 0,2 относительной единицы [5]. При этом, положительные значения КТрост свидетельствуют об ингибировании ростовых процессов тест-объекта, а отрицательные – о стимуляции.
Результаты и обсуждение. Исследования влияния растворов натрия хлористого карьерного, соли каменной технической и концентрата минерального галита показали, что они не оказывают токсического действия на ростовые параметры хлореллы до концентрации хлоридов 1% (КТрост составляет 0,448, 0,619 и 0,560 отн. ед., соответственно), после достижения которой зависимость «доза-эффект» имеет экспоненциальный вид. В ХМАО-Югре применяются технические соли с содержанием примесей от 3 до 6%. Согласно проведенным химическим анализам, в исследуемых технических солях содержание тяжелых металлов в % к сухому весу вещества составляют: Cd и Cu 910-6, Co – менее 110-5, Ni – 310-5, Pb – 610-5, Fe – не более 510-3 и Mo – не более 210-4. Эти данные позволяют заключить, что концентрация тяжелых металлов исключительно мала и не влияет на фитотоксичность ПГМ. Основным действующим веществом исследуемых ПГМ является хлорид натрия, который при массовой доле хлорид-ионов в растворе до 0,3% оказывает слабое стимулирующее (0>КТрост>-0,2) действие на рост биомассы водоросли (рис. 1).
Рис. 1. Зависимость коэффициента токсичности водных растворов хлорида натрия от массовой доли аниона в растворе
По-видимому, это является результатом мобилизации неспецифических защитных реакций клеток. Ионы хлорида и металлов при низких концентрациях являются физиологическими (слабыми) стрессорами, которые индуцируют избыточную активацию метаболизма и адаптивных механизмов клетки [6]. Увеличение количества хлорид-ионов до 0,5% вызывает агрегацию клеток хлореллы. На графике это явление указано увеличенным маркером. При культивировании тест-объекта на стандартной среде такое явление не наблюдается, независимо от плотности суспензии. Гибель клеток водоросли характеризует высокую степень токсичности тестируемого образца [7]. Следует отметить, что методика определения биомассы клеток водоросли по оптической плотности раствора рассчитана на однородную среду. При появлении агрегатов разрушенных клеток суспензия становится гетерогенной, поэтому значения оптической плотности, полученные в таких условиях, являются неадекватными. Наличие агрегации является показателем острой токсичности концентрации водорастворимых веществ. Возможно, агрегация обусловлена изменением поверхностных свойств клеток в результате нарушения процесса образования клеточной стенки у автоспор хлореллы.
Водные экстракты почвогрунтов, отобранных в летний период в г. Ханты-Мансийске на ул. Чкалова (не обрабатывается ПГМ) и ул. Калинина (обрабатывается ПГМ) в районе перекрестков, обладают острой фитотоксичностью, выражающейся в агрегировании клеток водоросли (рис. 2). Фитотоксическое действие почвогрунтов, отобранных на трансекте около дороги, обрабатываемой ПГМ, проявляется в большей степени. Почвогрунты на расстоянии до 0,5 м от ул. Калинина вызывают агрегацию клеток даже при десятикратном снижении концентрации водорастворимых веществ (рис. 2 Б).
Рис. 2. Зависимость фитотоксичности от степени разбавления экстрактов почвогрунтов, отобранных в г. Ханты-Мансийске на ул. Чкалова (А) и Калинина (Б) на разном расстоянии от дорог.
По мере удаления от дороги, КТрост снижается (в неагрегированных суспензиях), а гибель клеток наблюдается только при меньшей степени разведения исходного экстракта почвогрунтов. Накопление ЗВ в районе перекрестков дорог непосредственно около проезжей части зависит от особенностей распределения выбросов, которые определяются метеорологическими условиями, механическим составом почвогрунтов, интенсивностью движения и структурой ландшафта прилегающей территории [2, 3].
Однако, токсическое действие водных экстрактов почвогрунтов проявляется не только в агрегации клеток хлореллы, но и в стимуляции роста биомассы (экстракты с неагрегированными клетками характеризуются КТрост < -0,2 отн. ед.) (рис. 2). Стимуляция ростовых процессов может быть связана с содержанием в почвенном экстракте органического вещества и макроэлементов больше, чем в стандартной лабораторной среде. Известно, что хлорелла лучше развивается при наличии в среде органического субстрата, при этом она способна изменять способ получения энергии с автотрофного на гетеротрофный [8, 9]. Другим возможным механизмом стимуляции является активация защитно-приспособительных реакций и нарушение энергетических процессов водоросли в ответ на низкое содержание ЗВ в растворе, высокая концентрация которых вызывает агрегацию клеток [7].
Аналогичные закономерности распределения ЗВ и влияния водных экстрактов на ростовые процессы хлореллы отмечаются при исследовании почвогрунтов в районе перекрестков автодорог на территории остальных исследованных городов. Вместе с тем, содержание хлорид-ионов в почвогрунтах контрольных и экспериментальных трансект в летний период фиксируется примерно в одинаковом количестве (табл.), которое в 10–100 раз ниже фитотоксического значения – 0,5% (рис.) и в большинстве случаев не превышает максимальной недействующей концентрации для травянистых (0,005%) и древесных (0,010%) растений [10]. Таким образом, фитотоксичность почвогрунтов обусловлена не повышенным содержанием хлоридов, а, по-видимому, присутствием других ЗВ.
Концентрация подвижных форм тяжелых металлов в почвогрунтах исследуемых городов варьирует в значительной степени и в отдельных случаях превышает ПДКп (табл.). Наиболее загрязненными тяжелыми металлами являются почвогрунты г. Сургута, наименее – г. Покачи. По-видимому, это определяется интенсивностью движения транспортных средств, в результате эксплуатации которых в окружающую среду поступают горюче-смазочные материалы, продукты сгорания топлива, износа автомобильных шин и дорог. Вместе с тем, корреляции между содержанием подвижных форм тяжелых металлов в почвогрунтах и фитотоксчисностью их водных экстрактов не установлено. Так, с увеличением расстояния от дороги фитотоксичность почвогрунтов на контрольной трансекте г. Ханты-Мансийска снижается (рис. 2), а содержание свинца, кобальта и кадмия возрастает в 1,5–2,5 раза. При этом, концентрация никеля изменяется нелинейно и максимальные его концентрации отмечаются на расстоянии 1 м от дороги.
Таблица
Диапазон концентраций хлоридов (%) и подвижных форм тяжелых металлов (мг/кг) в почвогрунтах придорожных территорий в пяти городах ХМАО-Югры
Город Месяц Наименование вещества
Хлориды Свинец Медь Никель Кобальт Кадмий
Покачи Июль 0,004–0,006 5,7–16,9 1,8–4,7 1,4–1,7 0,004–0,025 0,002–0,024
Октябрь 0,002–0,006 – – – – –
Мегион Июль 0,002–0,008 3,5–11,4 3,1–7,1 1,5–4,5 2,6–19,7 0,017– 0,070
Октябрь 0,001–0,003 – – – – –
Ханты-Мансийск Июль 0,002–0,059 2,6–11,3 2,6–10,6 0,7–3,1 1,8–4,5 0,008–0,152
Октябрь 0,003–0,010 1,7–3,8 2,3–4,0 1,4–2,3 1,9–3,3 0,007–0,009
Нижневартовск Июль 0,002–0,003 8,7–14,9 2,2–7,7 0,8–3,7 0,6–2,9 0,010–0,046
Октябрь 0,002–0,003 4,5–12,2 3,7–9,5 1,0–3,0 1,3–4,3 0,008–0,034
Сургут Июль 0,001–0,008 4,3–31,9 0,8–8,3 0,3–13,1 1,2–18,4 0,003–0,485
Октябрь 0,002–0,005 0,6–21,7 1,7–6,4 0,41–2,4 0,5–2,0 0,002–0,008
ПДКп Нет 6,0 3,0 4,0 5,0 0,3
Примечание. Прочерком указывается отсутствие результатов анализов
В период с июля по октябрь концентрация хлорид-ионов и тяжелых металлов снижается (табл.). По-видимому, это связано с выпадением дождевых осадков и движением грунтовых вод, обусловливающих миграцию экотоксикантов по почвенному профилю в радиальном и латеральном направлениях. В некоторых случаях это сопровождается снижением фитотоксичности почвогрунтов (рис. 2А, рис. 3). Почвогрунты, отобранные в октябре на расстоянии 1 и 2 м от ул. Чкалова (контроль) в г. Ханты-Мансийске, содержат большое количество веществ в значительной степени стимулирующих рост хлореллы (КТрост < -0,2). Вместе с тем, агрегация клеток отмечается только в экстрактах почвогрунтах, отобранных в непосредственной близости от дороги при разведении до 5 раз и на расстоянии 1–2 м – до 2 раз. С увеличением степени разведения экстрактов почвогрунтов значения КТрост снижаются. Отсутствие фитотоксического действия наблюдается при 8–10-кратном снижении концентрации загрязняющих веществ в экстракте (рис. 3). Аналогичным образом в период с июля по октябрь наблюдалось изменение степени фитотоксической активности водорастворимых веществ почвогрунтов, отобранных в других изученных городах.
Рис. 3. Фитотоксичность почвогрунтов, отобранных в октябре на разном расстоянии от
ул. Чкалова.
Таким образом, степень фитотоксичности почвогрунтов в районе автодорог обусловливается не только применением технической соли, но и действием дополнительных существенных факторов. Во время остановок транспортных средств на светофорах или при заторах на дороге происходит многократное увеличение количества выхлопных газов от работы двигателя на холостых оборотах, маневрирования и т. д. При этом, движение транспорта происходит с очень низкой скоростью (до 20 км/ч), поэтому основная часть ЗВ осаждается в придорожном пространстве. В г. Сургуте (ул. Кукуевицкого) и г. Нижневартовске (ул. Чапаева) в июле были отобраны почвогрунты в районе участков дорог, обрабатываемых ПГМ, но удаленных от перекрестков и мест стоянки автотранспорта.
Анализ результатов биотестирования почвогрунтов придорожных территорий улиц Чапаева и Кукуевицкого показал, что при удалении от дорожного полотна фитотоксичность проб увеличивается. Это, главным образом, выражается в инициировании агрегации клеток хлореллы водорастворимыми веществами в экстрактах почвогрунтов даже при 8- и 10-кратных разведениях (рис. 4).
Рис. 4. Зависимость фитотоксичности от степени разведения водных экстрактов почвогрунтов, отобранных на разном расстоянии от ул. Чапаева (А) и Кукуевицкого (Б).
Концентрация хлорид-ионов в почвогрунтах обеих трансект с удалением от дороги снижается от 0,004 до 0,002%. Содержание подвижных форм меди и кобальта изменяется незначительно и в среднем составляет в почвогрунтах в районе ул. Чапаева 3×ПДКп и 10×ПДКп, а в районе ул. Кукуевицкого – 2,7×ПДКп и 9,7×ПДКп, соответственно. Концентрация свинца варьирует в значительной степени, максимальное значение на трансекте ул. Чапаева равно 13,54 мг/кг (2,25×ПДКп) и отмечается в непосредственной близости от дорожного полотна, а ул. Кукуевицкого – 23,59 мг/кг (3,93×ПДКп) – на расстоянии 1,5 м. Данные улицы характеризуются высокой скоростью и интенсивностью движения транспортных средств, а также отсутствием многоярусной древесно-кустарниковой и травянистой растительности, препятствующей распространению ЗВ в газообразном и дисперсном состоянии. В связи с этим можно заключить, что корреляция между фитотоксичностью почвогрунтов и содержанием хлоридов отсутствует. Высокая концентрация тяжелых металлов, в несколько раз превышающая значения ПДКп в некоторой степени отражается на фитотоксическом действии экстрактов почвогрунтов.
На основании проведенных исследований в пяти городах ХМАО можно сделать следующие выводы:
1. Экстракты почвогрунтов вызывают стимуляцию ростовых процессов хлореллы, что, по-видимому, в большей степени обусловливается присутствием органических веществ.
2. В экстрактах почвогрунтов присутствуют вещества, высокие концентрации которых вызывают агрегацию клеток хлореллы. При увеличении степени разведения экстракта фитотоксический эффект снижается.
3. Степень разведения экстракта, при которой концентрация растворенных в воде веществ вызывает агрегацию клеток может использоваться как показатель фитотоксичности почвогрунтов.
4. Концентрация хлорид-ионов в исследованных почвогрунтов низкая и не является причиной фитотоксической активности водных экстрактов почвогрунтов.
5. Содержание тяжелых металлов в исследованных ПГМ незначительное и не влияет на фитотоксичность почвогрунтов.
6. Концентрация ЗВ в почвогрунтах в районе перекрестков и линейных участков автодорог изменяется нелинейно при удалении от дорожного полотна и зависит от особенностей их распределения в атмосферном воздухе.
7. Фитотоксичность почвогрунтов, по-видимому, обусловлена комплексным влиянием продуктов сгорания топлива, механического разрушения автомобильных шин, дорожного покрытия и горюче-смазочных материалов, накапливаемых на придорожных территориях в результате эксплуатации автотранспорта.
Резюмируя изложенное, можно отметить, что применяемые технические соли на основе хлорида натрия не оказывают существенного негативного влияния на фитотоксичность почвогрунтов на придорожных территориях. Природно-климатические условия ХМАО-Югры, характеризующиеся обилием осадков, высоким уровнем горизонта грунтовых вод и преимущественно легким механическим составом почвогрунтов, в течение бесснежного периода обеспечивают снижение поступающих химических веществ до безопасного для растений уровня.
Библиографический список
1. Руководство по борьбе с зимней скользкостью на автомобильных дорогах. № ОС–548р. – М.: Росавтодор, 2003. – 72 с.
2. Куров Б. А. Как уменьшить загрязнение окружающей среды автотранспортом // Россия в окружающем мире: 2000 (Аналитический ежегодник). Отв. ред. Н. Н. Марфенин / Под общей редакцией: Н. Н. Моисеева, С. А. Степанова. – М.: Изд-во МНЭПУ, 2000. – 328 с.
3. Луканин В. Н., Трофименко Ю. В. Промышленно-транспортная экология: Учеб. для вузов / Под ред. В. Н. Луканина. – М.: Высш. шк., 2001. – 273 с.
4. Практикум по агрохимии / Под ред. Минеева В.Г. – М.: Изд-во МГУ, 1989. – 304 с.
5. Экология: Лабораторный практикум для учащихся школ и студентов вызов, проводимый на базе учебной экологической лаборатории, разработанной на кафедре экологии Красноярского государственного университета / Сост. Ю. С. Григорьев, И. К. Григорьева. Красноярск: Краснояр. гос. ун-т, 1997. – 30 с.
6. Шакирова Ф. М. Неспецифическая устойчивость растений к стрессовым факторам и ее регуляция. – Уфа: Гилем., 2001. – 160 с.
7. Никаноров А. М., Хоружая Т. А., Бражникова Л. В. и др. Мониторинг качества вод: оценка токсичности. – СПб.: Гидрометеоиздат, 2000. – 159 с.
8. Курс низших растений/ под ред. М. В. Горленко. – М.: Высшая школа, 1981. – 504 с.
9. Huang, S.W., Liao, V.C., Chen, H.C., Lin, L.P. Growth and ultrastructure of Chlorella pyrenoidosa. 13th Annu. Meet. Chin. Soc. Microbiol. And 12th Sci. Meet. 1989. P. 18–19.
10. ВСН 8–99. Инструкция по охране природной среды при строительстве, ремонте и содержании автомобильных дорог. – М., 1999. – 41 с.
