Біоіндикація забруднень ґрунту

Причини і види забруднення грунту.Грунт, будучи частиною всіх наземних екосистем, бере активну участь у багатьох важливих процесах перетворення речовини. Коли відбувається кількісна зміна факторів середовища, що тривалий час трималися на одному рівні або вступають в дію абсолютно нові екологічні фактори, що впливають на ґрунт, можуть виникнути навантаження, які завдадуть шкоди ґрунтовим організмам або навіть змінять систему ценотичних взаємин між ними.

Забруднення ґрунту викликається різними за масштабом і за територіальним розмахом явищами, тому при їх визначенні та оцінці за допомогою біоіндикаторів використовують різні передумови і різні способи. Виділяють:

1. широкомасштабне територіальне (глобальне) забруднення ґрунту, що викликається сукупністю великої кількості окремих джерел, що важко ідентифікуються;

2. територіально обмежене забруднення, причиною якого є в більшості випадків більш-менш відома кількість обмежених за своїм територіальним впливом джерел;

3. локальне вузькообмежене забруднення ґрунту з коротко- або довготривалим впливом на окремі організми та екосистеми.

Індикація фізико-хімічних параметрів ґрунтів.Індикація родючості ґрунтів, глибини залягання ґрунтових вод, кислотності ґрунтів та інших характеристик проводиться з використанням методів альгоіндикації, біомоніторингу за допомогою вищих рослин та угруповань ґрунтових тварин. Аналіз стану ґрунтового мікробіоценозу може бути здійснений кількісним обліком різних груп (видів) або виміром інтегральних параметрів функціонування. До них відносять ґрунтове дихання, швидкість розкладання целюлози та інших субстратів, інтенсивність включення глюкози та накопичення.амінокислот, активність азотфіксації та нітрифікації. Інформативним параметром є зміна видового складу ґрунтових угруповань, біомаси ґрунтових мікроорганізмів. Індикаторним параметром може бути репродуктивна функція актиноміцетів. За результатами індикації виділяють кілька станів ґрунтів, що характеризують перехід від сприятливих до несприятливих умов існування під впливом антропічних навантажень:

1) збереження стабільності складу спільноти (зона гомеостазу),

2) перерозподіл домінантних популяцій (зона стресу),

3) переважний розвиток стійких популяцій (зона резистентності),

4) повне придушення зростання та розвитку мікроорганізмів у ґрунті (зона репресії).

Розрізняють кілька типів зміни ґрунтів, викликаних різними причинами і які призводять до порушення структурно-функціональних зв'язків ґрунтових угруповань.Фізична змінапов'язана з різними, насамперед механічно діючими агентами, здатними, особливо якщо вони впливають на ризосферу, призвести до суттєвих навантажень на відповідні екосистеми. Вони можуть бути пов'язані з хімічними змінами або часто призводять до таких змін. Хімічне забрудненнявикликане речовинами, що діють у вигляді газів, розчинів (у більшості випадків водних), або твердих тіл і не викликають при цьому, принаймні на початковій стадії, змін фізичного характеру.

Фізична зміна ґрунту.

У разі необроблюваних ґрунтів зміна внаслідок антропогенних фізичних навантажень у близьких до природних екосистем (наприклад, лісах), як правило, відносно невелика. В екосистемах з підвищеним антропогенним навантаженням воно може набути ширших масштабів.

Фізичним навантаженнямсильно піддаються всі мають антропогенне походження (тобто сильно змінені) грунту. Це стосується більшої частини ґрунтів, що виникають у процесі рекультивації колишніх гірничих розробок, на місці поселень чи промислових підприємств.

Причини фізичних навантажень на ґрунт:

1) прямі механічні дії:

- Підвищений тиск на поверхню ґрунту (транспорт, витоптування);

- особливі агротехнічні заходи, що проводяться в орному шарі ґрунту чи підґрунті;

2) процеси, пов'язані з переміщенням ґрунту:

- еолові відкладення (особливо внаслідок промислових викидів).

Зміна ґрунтових параметрів стосується, перш за все, складання та структури ґрунту, наприклад його порізності та щільності горизонтів, що може призвести до зменшення вентиляції та дренажу.

На рівні фітоценозів це позначається у скруті проростання насіння та проникнення коренів у ґрунт з подальшим уповільненням росту коренів та пагонів. У ґрунтових ценозах відбувається зниження активності та великої кількості організмів (мікроартропод і мікробів), що розкладають органічні речовини. Спостерігається в польових умовах та експериментально отримане ущільнення ґрунту визначається пенетрометрично. Паралельно в лабораторії та в полі можна провести дослідження важливих екологічних параметрів (проростання, зростання пагонів та коріння, продуктивність).

Подорожники Plantago major, P. lanceolata, P. media демонструють, наприклад, видоспецифічні відмінності щодо ущільнення (витоптування) ґрунту. В результаті можливим шляхом оцінки популяційно-екологічних параметрів названих видів використовувати отримані дані для біоіндикації.

Хімічне забруднення ґрунту.

Забруднення ґрунту, зумовлене хімічними причинами,значно перевершує за своїм впливом, як і кількісному, і у якісному відношенні всі види її фізичного зміни. У цьому пряме і опосередковане забруднення вдається розмежувати який завжди.

Хімічне забруднення ґрунту викликається різними причинами. Воно відбувається або довільно (наприклад, внаслідок застосування засобів захисту рослин) або ненавмисно (у разі промислових викидів). У зв'язку з цим найчастіше з територіальної погляду різними може бути і радіус дії, і інтенсивність забруднення. Виходячи з агрегатного стану та способу дії забруднювачів, їх ділять на групи:

ü гази (особливо сірковмісні промислові викиди, галогеніди та оксиди азоту);

ü пил (зола, вапняний пил, частинки, що містять важкі метали, особливо промислові викиди);

ü солі (перенесені повітрям і водою, особливо при посипанні взимку вулиць або при видобутку та переробці солі);

ü агрохімікати (засоби захисту рослин, добрива);

ü органічні гази та рідини (насамперед продукти викопних видів палива);

ü радіоактивні опади (головним чином при забрудненні ними повітря).

Зміна хімічних параметрів ґрунту відбивається через короткий або тривалий період на зростанні та продуктивності окремих видів, їх популяцій або призводить до більш менш сильних порушень структури фітоценозів і навіть до розвитку сукцесій.

Внаслідок фізико-хімічної специфіки окремих ґрунтів при однаковій інтенсивності та тривалості дії хімічного стресора ступінь і форма хімічного, що виникає. забруднення може бути різною. Для біоіндикації це важливо, оскільки між хімічною обстановкою та її впливом на біоценоз не обов'язково існує лінійна залежність. Вирішальнезначення для впливу біологічно має з цієї причини співвідношення інтенсивності стресора і специфічної реакції буферної системи грунту.

Забруднення газами. Забруднення ґрунту сірчистим газом відбувається разом із забрудненнями іншими газами або пилом, тому його безпосередній вплив важко піддається визначенню. Дія сірчистого газу виражається, перш за все, у підкисленні ґрунту, що захоплює, головним чином, її верхні горизонти. Але при одночасному впливі на ґрунт пилу, що має основну реакцію, може початися часткова нейтралізація або навіть підлужування. Тому важливо оцінювати співвідношення цих двох видів забруднювачів за їх одночасної дії.

Підкислення ґрунту призводить до дефіциту важливих мінеральних речовин в результаті підвищення їх рухливості та вимивання, токсичності розчинних при рН нижче 4 іонів Al 3+ .

При оцінці впливу кислотного дощу на ґрунт засобами біоіндикації можна використовувати такі можливості:

- Досліди зі стандартизованого вирощування спеціально підібраних кислотостійких або кислоточутливих видів на субстратах з відповідним хімічним забрудненням. Залежно від мети порушення вивчаються на біохімічному, фізіологічному, морфометричному чи продуктивно-екологічному рівні;

- Оцінка змін природних фітоценозів за відповідними структурними параметрами вздовж градієнта забруднення.

Забруднення пилом та золою. Екологічно суттєві впливи при забрудненні пил має у двох основних напрямках:

ü зміна загальної насиченості основами;

ü накопичення металів (насамперед важких).

Можливі методи біоіндикації:

оцінка навантаження на первинний обмін речовин за активністюферментів;
досліди з культивування різних за стійкістю видів рослин на субстратах зі ступінчастою концентрацією забруднювачів. При цьому оцінюються виживання, зростання коренів та пагонів, некрози;
для оцінки вже наявної у рослин стійкості до ТМ проводять порівняльний вимір росту коренів та метод порівняльної протоплазматики;
використання активності та великої кількості ґрунтових мікроорганізмів як біоіндикатори вмісту в ґрунті ТМ.

Забруднення солями металів. Забруднення грунту розчиненими або твердими солями металів виникає в результаті діяльності солодобувних та переробних підприємств, недостатньої ефективності дренажних систем при зрошенні, застосуванні солей для очищення вулиць від льоду та ін. Для біоіндикації в кожному конкретному випадку важливо знати причини відмінностей у сольовому стресі в окремих видів при рівної інтенсивності забруднення. Неоднаковий збиток пояснюють видоспецифічним поглинанням відповідних іонів. А якщо накопичення відбувається у недовговічних асиміляційних органах, то дія стресора може справляти незначний ефект. Щодо біоіндикації рекомендують оцінку короткочасного впливу забруднених ґрунтів на проростання (забруднення поверхні ґрунту та його верхніх горизонтів) та розвиток рослин (висаджування стандартизованих видів або основних едифікаторів фітоценозів у цікаві місця проживання).

Забруднення агрохімікатами.Забруднення ґрунту агрохімікатами пов'язане із застосуванням засобів захисту рослин, добрив та регуляторів росту. Залежно від призначення ці речовини впливають на біоценози по-різному.

Гербіциди, фунгіциди, інсектицидизмінюють просторові та функціональні відносини в екосистемах. Тому важливимипитаннями є визначення стійкості гербіцидів (діагностика в дослідах з вищими рослинами та мікроорганізмами: попередня екстракція, або безпосереднє підмішування гербіцидів до стандартизованих субстратів), визначення змін на популяційно-динамічному рівні у популяціях організмів, що вивчаються.

Для біотестування відпрацьовано чимало методів на різних культурах: білій гірчиці (Sinapis alba L.), озимій та ярій пшениці (Triticum aestivum L.), вівсі (Avena L.), гречки (Fagopirum L.), огірки (Cucumis L.), крес-салаті (Lepidium sativum L.), сої (>Glycine L.), льоні (Linum L.), еже збірної (Dactylis glomerata L.).

На гірчиці враховують ступінь інгібування первинного корінця проростка після обробки насіння протидводольним гербіцидом. Визначають також в'янення рослин, гальмування приросту листя надземної маси проростків. Овес і рис використовують як індикатори ґрунтових протизлакових гербіцидів, оскільки це найчутливіші види серед злакових культур. При цьому основним тестом є інгібування зростання зародкового кореня та листка. Редис є традиційним біотестом при дослідженні залишків пестицидів у ґрунті та кінцевої продукції рослинництва, оскільки має найбільш високу чутливість до фітотоксичних препаратів, що обумовлено високою енергією проростання його насіння та скоростиглістю культури.

На огірку та гречки тестують гербіциди – похідні сечовини та фенілкарбамади. При цьому в огірка враховують зростання первинного кореня, у гречки - потовщення стебла, деформацію зародкового листя, а також гальмування росту. Крес-салат використовується як тест-об'єкт для оцінки забруднення повітря та ґрунту. За наявності токсичних речовин знижується відсоток схожості таінгібується зростання зародкових корінців. Однак, цей тест є неспецифічним і не дозволяє встановити природу забруднювача. Очевидно, це пояснюється генетичною неоднорідністю культури.

Дія пестицидів на злаках виявляється за їх впливом на морфогенез рослин, що проявляється у змінах типів морфозів. У озимої пшениці, за високої пестицидної навантаженні (діален, лонтрел, тилі, байлетон, метафос) найпоширенішим і стійким типом морфозу є «мутування», тобто. збільшення числа колосків на уступі колосового стрижня Колосові морфози та фазовий індекс можуть бути успішно використані як діагностична тест-система.

Забруднення органічними та радіоактивними речовинами. Забруднення ґрунту цією групою речовин відбувається, головним чином, за різних аварій. Як біоіндикатори часто використовуються гідропонні культури, які надалі обробляються забруднювачами. Біоіндикація радіоактивних забруднень утруднена, перш за все, через небезпеку проведення дослідів. Але є літературні дані, згідно з якими акумулятивними біоіндикаторами можуть використовуватися лишайники.