Регистрация / Вход
Прислать материал

Изучение токсичности почвенного покрова в зоне длительного влияния отходов производства серной кислоты контактными методами биотестирования

Сведения об участнике
ФИО
Бардина Тамара Викторовна
ФИО (на английском языке)
Bardina T.V.
Название организации
Санкт-Петербургский научно-исследовательский центр экологической безопасности РАН
Информация о докладе
Вид доклада
Устный доклад
Секция
Биотестирование в нормировании и токсикологическом контроле
Название доклада
Изучение токсичности почвенного покрова в зоне длительного влияния отходов производства серной кислоты контактными методами биотестирования
Соавторы доклада (ФИО, организация, город, страна)
Чугунова М.В., Бардина В.И., Капелькина Л.П., Санкт-Петербургский научно-исследовательский центр экологической безопасности РАН, Санкт-Петербург, Россия
Аннотация
Рассмотрена возможность применения контактных методов биотестирования для определения токсичности почв промышленной зоны, расположенной вокруг отвала отходов производства серной кислоты (пиритного огарка) без инженерных средств защиты. Оценку токсичности почв проводили в лабораторных условиях с помощью аттестованной методики биотестирования с использованием в качестве тест - организма семян пшеницы, а также микробного и ферментативного биотестов. Проведенные исследования показали высокую чувствительность и эффективность примененных контактных методов биотестирования при выявлении уровня токсичности почв вблизи зон длительного хранения промышленных отходов.
Ключевые слова
токсичность, биотестирование, тест - организмы, протеазная активность, микроорганизмы, контактный метод
Введение

Отвалы с длительным хранением промышленных отходов являются источником повышенной экологической опасности. Они оказывают существенное влияние на все компоненты окружающей природной среды в результате накопления в своей толще больших количеств токсичных веществ, образующихся в ходе биохимического разложения отходов. Особенно подвержена этому загрязнению почва, которая аккумулирует загрязняющие вещества, а потом распределяет их по другим компонентам среды. В Ленинградской области такие отвалы в большинстве случаев эксплуатируются без средств инженерной защиты и иногда расположены в водоохранных зонах.

Для решения вопроса дальнейшего использования территории вблизи объектов прошлого экологического ущерба по видам разрешенного землепользования необходима оценка загрязнения почвенного покрова. Провести ее только на основе результатов химического анализа практически невозможно, так как химико-аналитический контроль не может выявить реальную токсичность загрязненных почв, а лишь показывает наличие концентрации загрязнителей, которые сравниваются с существующими санитарно-гигиеническими нормативами (ПДК и ОДК). Эту проблему можно решить, если в систему экологического контроля ввести методы биотестирования, позволяющие получить интегральную экотоксикологическую оценку почв зоны влияния промышленных объектов. [1]

По мнению исследователей для адекватной оценки токсичности почв с помощью биотестирования не достаточно тестировать только водную вытяжку (элюатное биотестирование), а необходимо применять и субстатное, иначе контактное, биотестирование. [2; 3]. Этот способ обеспечивает непосредственный контакт тест-организма с исследуемым образцом и, таким образом, позволяет установить уровень воздействия твердых загрязнителей.

В связи с этим целью наших исследований было установление уровня токсичности почв, находящихся в зоне длительного влияния отвала, образующегося при промышленном производстве серной кислоты, с помощью методов контактного биотестирования.

Методы и материалы

Исследования проводились в Ленинградской области на территории вокруг отвала, сложенного токсичными отходами производства серной кислоты: огарки серного колчедана, промышленный шлак, вторичные метаболиты. Складирование прекращено в 1978 году. Отвал высотой 8 м сложен слабо уплотненным техногенным грунтом. Отходы в отвале имеют сложный компонентный состав с преобладанием железа и набора металлов, характерных для сульфидных железных руд [4].

Объектами исследования служили почвы, прилегающие к отвалу. Пробы почв были отобраны с 6-ти мониторинговых площадок. Отбор проб почв для экотоксикологической оценки осуществлялся в соответствии с государственными стандартами (ГОСТ 17.4.4.02-84) из горизонтов 0-5 и 5-20 см.

 Методы исследования почв включали определение физико-химических показателей, а также определение валовых форм тяжелых металлов методом масс-спектрометрии и содержания органических токсикантов методом газовой хроматографии.

Работы по биотестированию выполнялись в лабораторных условиях. Уровень токсичности почв определяли тремя контактными методами с использованием в качестве тест-культур высших растений, природного комплекса микроорганизмов, содержащегося непосредственно в почвенной пробе, а также почвенных ферментов – протеаз.

Фитоксичность почв определялась по методике, разработанной нами в НИЦЭБ РАН, включенной в Федеральный Реестр [5]. Тест-организмом служили семена пшеницы мягкой (Triticum aestivum). Степень токсичности устанавливали на основании определения изменения всхожести семян (N1) и роста корней (N2) по сравнению с контрольной пробой.

Микроорганизмы являются чуткими индикаторами биологического состояния почв и могут служить оптимальными тест-культурами для контактного биотестирования [2,3]. Уровень токсичности исследованных почв с помощью микроорганизмов определяли на основе статистически значимых изменений интенсивности их почвенного дыхания (ПД) по сравнению с контрольным субстратом (N3). Интенсивность почвенного дыхания загрязненных и контрольных проб устанавливали по количеству выделившегося СО2 адсорбционным способом [6]. В лабораторных условиях был также проведен ферментативный биотест по сравнительному изучению активности протеаз исследованных и контрольных почв (N4). Уровень протеазной активности фиксировали по расщеплению желатинового слоя фотопленки [7]. Результаты данного аппликационного метода проходили компьютерную обработку.

При проведении контактного биотестирования большое значение имеет выбор контроля. Согласно методикам контрольная проба должна не подвергаться техногенному воздействию и по физико-химическим и физическим свойствам являться природным аналогом испытуемых почв. С учетом этого при биотестировании изучаемых почв в качестве контроля была использована чистая незагрязненная почва, отобранная вне зоны воздействия отвала.

Полученные результаты

Результаты химического анализа

В результате проведения химического анализа было установлено, что исследованные почвы вокруг отвала загрязнены тяжелыми металлами (ТМ) 1,2,3 классов опасности. Содержание металлов в почвах в среднем составляло: свинца - 2,6 ПДК, цинка - 3,9 ОДК, меди - 2,6 ОДК, а также мышьяка - 26,3 ПДК. Коэффициент суммарного загрязнения (Zc) почв ТМ и мышьяком составил 29,9 ед., что позволяло отнести их к категории «умеренно опасных» согласно СанПиНу 2.1.7.1287-03. Содержание таких органических загрязнителей, как 3,4 бенз(а)пирен, нефтепродукты, полихлорированые бифенилы, в почвах не превышало принятые нормативы. Исследованные почвы обладали кислой реакцией (рН 2,5-4,9), обусловленной окислением серы в составе отходов (табл. 1).

Результаты контактного биотестирования

Таблица 1. Значения кислотности и фитотоксичности почв

№ площадки, глубина, см.

рН водный

Всхожесть N1, %

Длина корня N2, %

 

Степень токсичности почвы

1, 0-5

2,45

-62,9

-90,4

II

1, 5-20

2,55

-99,4

-97,5

II

2, 0-5

3,25

-65,7

-88,3

II

2, 5-20

3,07

-22,9

-84,8

II

3, 0-5

2,70

-52,5

-77,7

II

3, 5-20

2,80

-55,0

-78,7

II

4, 0-5

4,80

-14,3

-44,2

IV

4, 5-20

4,92

-8,6

-47,9

IV

5, 0-5

2,95

-17,5

-87,8

II

5, 5-20

3,07

-32,5

-88,3

II

6, 0-20

2,90

-81,7

-58,4

III

Примечание: n=3, Р= 0,95, N, % -степень изменения тест-функции по сравнению с контролем; II- опасно токсичные, III- умеренно токсичная, IV- малотоксичная, V-практически не токсичная почва

По результатам контактного фитотестирования опасная степень токсичности (II), была выявлена на большинстве мониторинговых площадок (табл.1). Исключение составила площадка №4, где зафиксирована слабая степень фитотоксичности (IV), что обусловлено, по всей вероятности, меньшей, чем в остальных пробах, киcлотностью.

В результате проведения ферментативного биотеста было выявлено, что активность протеаз, участвующих в процессах превращения азотсодержащих органических веществ и обеспечивающих появление в почве доступных для растений форм азота, значительно подавлена и составляет 2,5-4,0% от контроля (табл. 2). Это может быть связано с кислой реакцией почвенной среды, вызванной ее загрязнением токсикантами.

Таблица 2. Результаты контактных микробных биотестов

№ площадки, глубина, см.

Микробные биотесты

Почвенное дыхание N3, %

Протеазная активность N4, %

1, 0-5

-62,1

3,0

1, 5-20

-59,8

2,8

2, 0-5

-62,9

3,0

2, 5-20

-56,7

2,5

3, 0-5

-46,1

2,8

3, 5-20

-58,7

2,8

4, 0-5

-62,5

3,2

4, 5-20

-37,4

4,0

5, 0-5

-37,9

3,8

5, 5-20

-29,3

4,0

6, 0-20

-40,8

3,2

Примечание: n=4, Р= 0,95, N, % -степень изменения тест-функции по сравнению с контролем

Как показывают данные, приведенные в таблице 2, дыхательная активность микроорганизмов всех исследованных почв, находящихся в зоне влияния промышленных отходов была значительно ниже, чем в контроле. Ее снижение в зависимости от выбранной площадки и глубины взятия образца варьировала в пределах 29,3-62,9%. Известно, что критический порог устойчивости почвенных систем составляет потерю не более 30% биоорганического потенциала от фонового или контрольного уровня [8]. Таким образом, полученные результаты свидетельствуют о значительной деградации микробоценозов исследованных почв, что в свою очередь указывает на низкую устойчивость изученных почвенных систем в целом к токсическому воздействию загрязняющих веществ, содержащихся в промышленных отходах. 

Заключение

Результаты выполненных токсикологических исследований с помощью предложенных контактных методов биотестирования показали высокую чувствительность примененных биотест-систем к присутствию токсикантов в почвенном покрове промышленной зоны.

Токсикологический анализ почв, проведенный с помощью авторской методики фитотестирования [5] на семенах пшеницы, выявил наличие опасной степени токсичности почв на мониторинговых площадках в зоне длительного хранения отхода производства серной кислоты.

Применения контактных микробных тестов выявило высокую степень токсичности загрязненных почв для содержащихся в них микробоценозов, что свидетельствует о низкой устойчивости изученных почвенных систем к ингибирующему воздействию токсичных веществ, содержащихся в пиритных огарках.

 

Цитируемая литература
1. Бардина Т.В., Кулибаба В.В., Чугунова М.В., Бардина В.И. Диагностика экотоксичности почв промышленных объектов прошлого экологического ущерба с помощью биотест-систем // Проблемы региональной экологии. 2016. №2. С. 20 - 25.
2. Селивановская С.Ю., Галицкая П.Ю. Оценка токсичности почв с использованием контактного метода биотестирования // Токсикологический вестник. 2006. №4. С. 12-15.
3. Терехова В.А. Биотестирование почв: подходы и проблемы //Почвоведение. 2011. №2. С. 190-198.
4. Сараев А.К., Симаков А.Е., Питулько В.М., Кулибаба В.В., Токарев И.В., Тезкан Б. Инвентаризация и оценка погребенных объектов прошлого экологического ущерба в почвах и грунтовых водах с использованием новой технологии радиомагнитотеллурических зондирований // Региональная экология. 2015. №1 (36). С. 7-21.
5. Методика выполнения измерений всхожести семян и длины корней проростков высших растений для определения токсичности техногенно загрязненных почв. ФР.1.39.2006.02264. СПб. 2009. 19с.
6. Головко Э.А. О методах изучения биологической активности торфяных почв. Мат. научн. конф. по методам микробиологических и биохимических исследований почв. Киев, 28-31 окт., 1971. Киев. 1971. С.68-76.
7. Мишустин Е.Н., Востров И.С. Аппликационные методы в почвенной микробиологии
// Микробиологические и биохимические исследования почв. Киев. 1971. 110с.
8. Яковлев А.С., Евдокимова М.В. Экологическое нормирование почв и управление их качеством // Почвоведение. 2011. №5. С. 582-596.
Благодарности
Не заполнено
Название, авторы, резюме (на английском языке)

 THE STUDY OF THE SOIL TOXICITY IN THE AREA OF LONG-TERM IMPACT OF SULFURIC ACID PRODUCTION WASTE BY THE CONTACT BIOASSAY METHODS

Bardina T.V, Chugunova M.V., Bardina V.I., Kapelkina L.P.

St.-Petersburg Scientific Research Center for Ecological Safety RAS

The possibility of using of the contact bioassay methods to determine the toxicity of the industrial zone soils, located around the blade of the sulfuric acid production waste (roasted pyrite) without environmental engineering is discussed. The assessment of soil toxicity was carried out in the laboratory by a certified bioassay method using the wheat seeds as a test -organism, plus by microbial and enzymatic biotests.

Studies have shown the high sensitivity and efficiency of bioassay contact methods in detecting the soil toxicity level near the zones of long-term industrial waste storage.

Key words: soils, industrial wastes, toxicity, contact bioassay methods, test –organisms, phytotesting, proteasic activity, microorganisms.