«Изучение почвенных беспозвоночных города Брянска: состав, распространение, роль в обеспечении экологических функций почвы»

Всероссийский конкурс исследовательских работ учащихся

“ШАГИ В НАУКУ”

Направление: экология

Тема: «Изучение почвенных беспозвоночных города Брянска: состав, распространение, роль в обеспечении экологических функций почвы»

Лисютин Владимир

МБОУ «Центр образования структурное подразделение лицей им. Героя Советского Союза И. Е. Кустова »

Научный руководитель:
Шевко О.А.

г. Брянск, 2012/2013 учебный год

СОДЕРЖАНИЕ

1 Введение………………………………………………………………….1

2 Экологические проблемы урбанизированных территорий…………2-3

3 Методы исследований…………………………………………………4-5

4 Характеристика почв города Брянска………………………………..6-7

5 Видовое разнообразие дождевых червей, их распространение и способность к биоаккумуляции тяжелых металлов:

5.1 Видовое разнообразие дождевых червей……………………...8-9

5.2 Влияние дождевых червей на свойства почвы………………….-

5.3 Дождевые черви как биоиндикаторы……………………………-

5.4 Биоаккумуляция дождевыми червями тяжелых металлов……10

6 Заключение…………………………………………………………….11

1 ВВЕДЕНИЕ

В целой серии исследований в различных странах мира было доказано, что с ростом численности населения городов увеличивается их промышленный потенциал и, соответственно, степень загрязнения окружающей среды и напряженности экологической ситуации. Это хорошо прослеживается и на примере города Брянска. В 2009 году на территории города хозяйственную деятельность, связанную с природопользованием, осуществляло свыше 10 тыс. субъектов различных отраслей экономики. По данным управления по технологическому и экологическому надзору Ростехнадзора по Брянской области в 2009 году промышленными предприятиями и автотранспортом города Брянска выброшено в атмосферный воздух 53,14 тыс. т различных загрязняющих веществ. Особым компонентом урбонизированных экосистем является почва. Она претерпевает ряд серьезных изменений и преобразований под действием антропогенных факторов, но она выполняет ряд важных экологических функций, от которых зависит не только состояние других биологических компонентов экосистемы, но и здоровье человека. Мезофауна оказывает серьезное воздействие на почву и во многом определяет ее свойства. В последнее десятилетие XX века появились две важные концепции: - беспозвоночные, как экосистемные инженеры; - концепция дрилосферы (ходы червей).

Они основаны на том, что беспозвоночные и особенно дождевые черви серьезно влияют на почвенные процессы.

Цель исследования: изучить роль дождевых червей в почвенных процессах в урбанизированной экосистеме города Брянска.

Задачи: - выявить видовой состав сообществ дождевых червей в почвах города Брянска; - составить карты загрязнения почв тяжелыми металлами (Pb, Zn, Ni); - определить особенности почв города Брянска; - установить степень биоаккумуляции тяжелых металлов дождевыми червями; - на основе литературных данных и собственных исследованиях оценить роль дождевых червей в обеспечении функций городов; - оценить возможность использования дождевых червей для улучшения городских почв.

2 ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОБЛЕМЫ УРБАНИЗИРОВАННЫХ ТЕРРИТОРИЙ

Так как современные города интенсивно расширяются и развиваются, знания о функционировании городских экосистем приобретают огромную важность в городском планировании и позволяют минимизировать отрицательное воздействие на окружающую среду и здоровье человека.

Самой существенной особенностью почв урбоэкосистем является их загрязнение. Они создают риск для здоровья человека, так как сами становятся источником загрязнения. Подобные риски особенно высоки при загрязнении тяжелыми металлами. Установлено, что загрязнители могут проникнуть в организм человека тремя основными путями: через пищу, воздух и контакт с кожей. Кроме того они могут мигрировать по пищевой цепи, если продукты питания были произведены на загрязненной почве. Ряд исследователей обращают внимание на необходимость мониторинга состояния почв на территориях детских садов, парков, детских площадок во дворах и других городских территориях, где люди могут иметь тесный контакт с почвой. Урбоэкосистемы еще не достаточно изучены. Например, на данный момент не выработан единый подход к проблеме составления генетической классификации городских почв. Дождевые черви - один из важных компонентов мезофауны, кроме того они относятся к группе «экосистемных инженеров». То есть они имеют возможность значительно влиять на процессы в экосистеме и прежде всего в почве благодаря своей активной роющей деятельности и питанию органическими веществами.

3 МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Исследования проводились в летний период 2010 года на территории Фокинского района города Брянска. Это типичное городское образование, на котором можно выделить следующие зоны: промышленная, жилая, зеленая. Через центр района проходят две расположенные перпендикулярно друг другу транспортные артерии: Московский проспект и ветвь московской железной дороги.

Для проведения исследований на территории района было заложено 25 пробных площадей 5х5 м. Для пробных площадей выбирались участки, на которых не производились какие-либо земельные и ландшафтные работы на протяжении 5 лет.

Технология полевых исследований включала:

- Составление общей характеристики площадок, описание размещения площадок растительности, ее видовой состав, наличие признаков ослабленных растений.

- Отбор проб почвы из поверхностного слоя. На каждой площадке отбирали 3-5 почвенных проб, что обеспечивало получение 1 порции материала для изучения их загрязнения тяжелыми металлами. Такой способ отбора исключал возможность влияния факторов локального (случайного) загрязнения.

- Описание почвенных разрезов.

- Отбор ненарушенных образцов почвы для физико-механических исследований.

На каждой пробной площади отбирались пробы (блоки) размером 25×25 см для сбора дождевых червей стандартным методом.

Требования к почвам населенных мест определяются в зависимости от приоритетности компонентов загрязнения в соответствии со списком ПДК (ОДК) химических веществ в почве и их класса опасности, согласно государственного стандарта (табл. 1, см.приложение). По степени опасности в санитарно-эпидемиологическом отношении почвы населенных мест могут быть разделены на следующие категории по уровню загрязнения: чистая, допустимая, умеренно опасная, опасная и чрезвычайно опасная (табл. 2, см. приложение). Данная градация загрязнения почв была использована при составлении карт-моделей загрязнения почв Фокинского района города Брянска тремя тяжелыми металлами (Pb, Zn, Ni). Сами карты были созданы в геоинформационной компьютерной программе ArcGIS 9.2 на основе данных о географических координатах мест отбора почвенных проб и валовой концентрации загрязнителей в почве.

4 ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЧВ ГОРОДА БРЯНСКА (на примере Фокинского района)

В процессе формирования города Брянска на протяжении более чем 1000 лет сформировалась типичная урбоэкосистема - природно-городская система, состоящая из фрагментов природных экосистем, окруженных домами, промзон, автодорог и т.д.(табл.3, см. приложение)

Эти экосистемы обладают меньшей рекреационной ценностью по сравнению с ненарушенными природными экосистемами (например, лесами), нарушенностью биокруговорота, сокращением биоразнообразия как по составу, так и по структурно-функциональным характеристикам, увеличением количества патогенных микроорганизмов. На территории Фокинского района можно обнаружить весь спектр поверхностных природных образований. Наши исследования в большей степени были сосредоточены на антропогенно-поверхностно-преобразованных и антропогенно-глубоко-преобразованных почвах. Антропогенно-поверхностно-преобразованные почвы (урбо-почвы) имеют горизонт «урбик» мощностью менее 50 см и ненарушенную срединную и нижнюю части профиля. Преимущественно это урбодерново-подзолистая почва. Антропогенно-глубоко-преобразованные почвы образуют группу собственно городских почв - урбаноземов, в которых урбиковый горизонт имеет мощность более 50 см. Почвы формируются на культурном слое или на насыпных, намывных и перемешанных грунтах. Урбаноземы значительно отличаются от естественных почв по физическим свойствам (табл. 4, см. приложение).

Среди основных показателей выделяется загрязнение городских почв. Большинство экологов считает, что все городские почвы загрязнены тяжелыми металлами. Для многих крупных городов мира установлено, что тяжелые металлы поступают в почву в основном из воздуха. На территории городов наибольшее внимание привлекает загрязнение такими элементами, как Pb, As, Сu, Zn, Cd, Ni. Распространение никеля в почвах Фокинского района показывает, что загрязнение этим металлом не значительно превышает ПДК. Большая часть территории района имеет загрязнение меньше ПДК. Анализируя пространственный разброс максимальных показаний содержания загрязнителя в почве можно сделать вывод, что основным источником Ni для почвы является железнодорожный транспорт. Именно на территории ветки Московской железной дороги и обслуживающих ее предприятий зафиксировано превышение валового ПДК. Московский проспект, как главная транспортная артерия для автомобильного транспорта также вносит вклад в загрязнение, но не значительный. Так пробная площадь в 3 метрах от дороги имеет загрязнение 6,7 мг/кг, на удалении 1 км – 4,9 мг/кг и на расстоянии 2 км – 4,0 мг/кг (табл.6 см. приложение)

5 ВИДОВОЕ РАЗНООБРАЗИЕ ДОЖДЕВЫХ ЧЕРВЕЙ, ИХ РАСПРОСТРАНЕНИЕ И СПОСОБНОСТЬ К БИОАККУМУЛЯЦИИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ

5.1 Видовое разнообразие дождевых червей

На пробных площадях всего было собрано 775 экземпляров 8 видов, которые были идентифицированы по определителям дождевых червей. Список видов с краткой характеристикой морфологических, видовых и экологических особенностей представлен ниже.

1)Allolobophora chlorotica (Savigny, 1826) - Дождевой червь желтовато-зеленый. Типичен в садах, лесах, поймах рек. Характерен для зоны распространения смешанных лесов в Центральной Европе, известен как преимущественно синантропный вид. Однако на Русской равнине встречается преимущественно в западных районах. Длина 30-85 мм, ширина 4-5 мм. Пигментация зеленая либо отсутствует. Форма тела цилиндрическая. Щетинки сильно сближены попарно.

2) Aporrectodea caliginosa (Savigny, 1826) - Обычно является доминирующим в садах и сельскохозяйственных почвах, поймах рек. Предпочитает делать горизонтальные ходы. Этот вид имеет две группы. Одна группа делает горизонтальные ходы и образует небольшие холмики земли около выхода норки на поверхности. Вторая группа делает глубокие вертикальные ходы и образует более крупные холмики. В лесостепи встречается в лесах, произрастающих по склонам балок и на речных террасах. На востоке Русской равнины, начиная с Поволжья. Длина 60-160 мм, ширина 4-7 мм. Непигментирован. Тело в послепоясковой части слегка уплощено. Расположение мышечных волокон перистого типа.

3)Aporrectodea longa (Ude, 1885). Распространен в садах и на сельскохозяйственных почвах, а также на пастбищах в суглинистых и меловых почвах. Обычно часто встречается в поймах рек и озер. Дождевые черви большого размера, темно-красные. Длина 120-160 мм, ширина 6-8 мм. Пигментация бурая. Хвостовой конец тела расширен и уплощен. Щетинки сильно сближены попарно.

4)Aporrectodea rosea (Savigny, 1826) - Розовый червь. Лесной вид, широко распространен в Европейской части России. Дождевые черви белесых оттенков, довольно медлительны в передвижении. Длина 35-150 мм, ширина 3-6 мм. Непигмен-тирован. Тело цилиндрическое. Щетинки сильно сближены попарно. Продольная мускулатура переходного типа.

5)Lumbricus castaneus (Savigny, 1826) - Малый подстилочный червь. Любит почву с высоким содержанием органических веществ. Неморальный подстилочный вид, маленького размера, красноватый, быстро передвигается в почве. Встречается под разлагающейся опавшей листвой, старой опавшей древесиной. Длина 30-85 мм, ширина 3-5 мм. Пигментация пурпуровая. Щетинки сильно сближены попарно.

6)Lumbricus rubellus (Hoffmeister, 1843) - Малый красный выползок. Любит почву с высоким содержанием органических веществ. Питается опадом лиственных пород. Встречается в разлагающейся листве, под камнями, в поймах рек и парках, также на огородах и вблизи хозяйственных построек. Длина 50-150 мм, ширина 4-6. Пигментация пурпуровая. Хвостовой конец тела уплощен. Щетинки сильно сближены попарно

7)Lumbricus terrestris (Linnaeus, 1758) - Обыкновенный дождевой червь, большой выползок, большой красный червь. Обитает только в достаточно хорошо дренированных почвах. Преимущественно встречается на лугах, реже в лесу. Предпочитает почвы с высоким содержанием глины. Длина 90-300 мм, ширина 6-9 мм. Пигментация в предпоясковой части пурпуровая, за пояском имеет вид темно-красной срединной полосы. Хвостовой конец сильно уплощен. Щетинки сильно сближены попарно.

8)Dendrobaena octaedra (Savigny, 1826). В РФ наиболее распространенный в европейской части страны. На Русской равнине встречается повсеместно, причем и в лесостепи относится к числу видов, населяющих плакорные лесные ценозы. Длина 25-40 мм, ширина 2-4 мм. Окраска от темно-красной до фиолетовой. Тело за пояском четырехгранное. Щетинки не сближены. Продольная мускулатура перистого типа.

5.2 Влияние дождевых червей на свойства почвы

От почвенной структуры зависит ряд важных процессов: аэрация, скорость поглощения питательных веществ корнями растений, развитие корневой системы, инфильтрация, эрозия и др. На формирование структуры влияет много факторов, в том числе биота, к которой относятся дождевые черви. Они питаются растительными остатками, образуют почвенные агрегаты, создают сеть ходов и способствуют разложению органических остатков. В результате улучшаются почвенная структура и условия для роста и развития растений. Дождевые черви с интенсивной роющей деятельностью могут способствовать некоторому высыханию почвы. 5.3 Дождевые черви как биоиндикаторы

Дождевые черви часто используются как биоиндикаторы состояния почвы, так как они являются важной частью почвенной экосистемы, их легко собрать и идентифицировать видовую принадлежность. Дождевые черви могут дать информацию о состоянии почв через следующие показатели: - численность и видовой состав фауны червей на конкретной территории; - поведение отдельных особей при контакте с субстратом (внедрение / избегание / активность); - накопление химических веществ почвы внутри организма; - биохимические/цитологические стресс-биомаркеры в дождевых червях.

5.4 Биоаккумуляция дождевыми червями тяжелых металлов.

В результате наших исследований было установлено, что Pb, Zn, Ni накапливаются в теле червей, то есть они способны к биоаккумуляции. Коэффициент биоаккумуляции (отношение концентрации загрязнителя в теле червей / концентрация в почве) больше единицы.(табл. 7, см. приложение)

Процесс биоаккумуляции зависти от концентрации, загрязнителя в почве, его способности образовывать различные вещества (химическая биодоступность), а также от пространственного распределения (физическая
6 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Поверхностный слой почв города Брянска загрязнен тяжелыми металлами (Zn, Pb, Ni). Наиболее не благополучная обстановка по Pb и Zn, уровень валового загрязнения превышает на многих участках ПДК в 2-3 раза.
Основными источниками загрязнения поверхностного слоя почвы тяжелыми металлами (Zn, Ni, Pb) являются автотранспорт, промышленные предприятия и свалки мусора.
Главная автотранспортная магистраль Фокинского района является источником загрязнения поверхностного слоя почвы Pb и Zn. Валовые концентрации этих поллютантов статистически достоверно снижаются при удалении от автотранспортной магистрали.
Почвы города Брянска по своим физическим и химическим свойствам, структуре, а также по истории происхождения значительно отличаются от естественных. Они относятся преимущественно к урбодерново-подзолистым почвам и представляют собой урбоноземы.
Почвы города Брянска выполняют ряд экологических функций, среди которых наиболее важная – протекторная. То есть почва аккумулирует и удерживает загрязнители, затрудняет их дальнейшее распространение в урбаноэкосистеме.
Наиболее важной и существенной по количеству особей и биомассе частью почвенной мезофауны городских почв являются дождевые черви. В урбоэкосистеме Брянска в почвах встречается 8 видов дождевых червей, которые относятся к разным экологическим группам этой группы животных.Имеется значимая корреляция между биоаккумуляцией Ni, Zn и Pb дождевыми червями и концентрацией металлов в почве и в организме червей. То есть при увеличении концентрации металлов в почве увеличивалась их концентрация в организме червей. Так для Dendrobaena octaedra и Lumbricus rubellus были получены следующие значения: Pb (R² = 0,54), Zn (R² = 0,48), (R² = 0,47).
Разные виды дождевых червей имеют разную способность к аккумуляции тяжелых металлов в своем организме. Лучше всего накапливается цинк, свинец и никель – примерно одинаково.
Дождевые черви играют важную роль в обеспечении экологических функций городских почв. Наибольший вклад они делают в протекторную функцию почвы.

ПРИЛОЖЕНИЯ

Таблица 1 - Классы опасности химических загрязняющих веществ

Классы опасности	Химическое загрязняющее вещество
1	Мышьяк, кадмий, ртуть, свинец, цинк, фтор, 3,4-бензопирен
2	Бор, кобальт, никель, молибден, медь, сурьма, хром
3	Барий, ванадий, вольфрам, марганец, стронций, ацетофенон

Таблица 2 - Оценка степени химического загрязнения почвы

Категории загрязнения	Содержание в почве (мг/кг)
	I класс опасности		П класс опасности		III класс опасности
	Органич. соединения	Неорганич. соединения	Органич. соединения	Неорганич. соединения	Органич. соединения	Неорганич. соединения
Чистая	от фона до ПДК
Допустимая	от 1 до 2 ПДК	от 2 фоновых значений до ПДК	от 1 до 2 ПДК	от 2 фоновых значений до ПДК	от 1 до 2 ПДК	от 2 фоновых значений до ПДК
Умеренно опасная					от 2 до 5 ПДК	от ПДК до Kmax
Опасная	от 2 до 5 ПДК	от ПДК до Kmax		от 2 до 5 ПДК	> 5ПДК	> Kmax
Чрезвычайно опасная	>5ПДК	> Kmax	>5ПДК	> Kmax

Kmax — максимальное значение допустимого уровня содержания элемента по одному из четырех показателей вредности

Таблица 3 - Систематика поверхностных тел городских территорий

Открытые незапечатанные территории
Почвы					Почвоподобные тела		Грунты
Природные с признаками урбогенеза	Антропогенно-преобразованные				Искусственно созданные сконструированные
	Поверхностно- преобразованные		Глубоко-преобразованные
	Урбо-почвы		Урбаноземы		Технозем		Грунт природный (насыпной, намывной, перемешанный и т.д.)	Грунт техногенный (шлаки, золы, про- мотходы и т.д.)
			физически	химически
Подзолистая, Аллювиальная, Примитивная дерновая на песках и пр.	Урбоподзолистая Урбоаллювиальная и пр.		Урбанозем, Культурозем, Некрозем	Интрузем, Индустризем	Реплантозем, Конструктозем
Закрытые запечатанные территории
Почвы и почвоподобные тела		Грунты искусственные и естественные				Застроенные
Под асфальто-бетонным и другим дорожным покрытием						Под фундаментами зданий и строений
Экранозем		Запечатанный грунт
По: природной почве урбо-почве урбанозему технозему		Запечатанные абралиты, петролиты, стратолиты, руделиты и т.д.

Таблица 4 - Изменение физических свойств поверхностных горизонтов городских почв

Свойства	Дерново-подзолистые почвы вне города	Урбаноземы
Плотность сложения, г/см³	1,1	1,6
Влагоемкость полевая, %	16	7

Таблица 5 - Сравнительная характеристика свойств поверхностных горизонтов урбаноземов г. Москвы и дерново-подзолистых почв Подмосковья (Строганова, Агаркова, 1992)

Свойства	Почвы
Свойства	урбаноземы	дерново-подзолистые почвы
С орг., %	2-7	2-4
рН _вод	6,5-9,0	4,5-6,5
Са²⁺, мг-экв/100 г почвы	5-100	5-10
Mg²⁺, мг-экв/100 г почвы	до 30	2-3
Степень насыщенности	до 100	60-70
основаниями, %	до 100	60-70
Р₂О₅, мг/100 г почвы	5-150	5-10
К₂О, мг/100 г почвы	2-60	7-15
SО₄^2-, мг/100 г почвы	до 220	Нет
Сl^-, мг/100 г почвы	до 40	Нет
Тяжелые металлы	Выше ПДК	Фоновое значение

Таблица 6 - Степень загрязнения почв пробных площадей

тяжелыми металлами (Zn, Ni, Pb)

Номер пробной площади	GPS точка	Содержание тяжелых металлов в почвенных пробах (мг/кг)
Номер пробной площади	GPS точка	Zn	Ni	Pb
1	48	80,3	6,7	55,5
2	49	25,2	4,9	12,7
3	51	24,3	4	9,6
4	52	56	14,9	41,1
5	54	54,2	8,9	21,8
6	55	51,6	5,4	40,5
7	56	64,1	6,6	25,6
8	57	75,2	7,2	38,4
9	58	56,9	7	21,8
10	59	66,7	4,8	39
11	61	77,2	7,2	33
12	62	23,3	5,6	11,5
13	63	154	18,1	179,1
14	64	69	7	45,3
15	65	84	5,6	31,3
16	66	114	9,5	43,2
17	67	51,3	4,1	11,8
18	68	84,2	6,7	27,9
19	69	190	23,2	49,2
20	70	101	5,5	25,9
21	71	96,2	7,2	32,1
22	72	134	6,7	34,8
23	73	69,4	5,9	23,9
24	74	59,9	5,1	31,5
25	75	79,2	8,9	16,4

Таблица 7 - Коэффициенты биоаккумуляции тяжелых металлов в дождевых червях (отношение концентрации загрязнителя в теле червей / концентрация в почве)

Виды червей	Zn	Pb	Ni
Dendrobaena octaedra	17	0,5	0,7
Lumbricus castaneus	8	0,1	0,3
Lumbricus rubellus	7	0,2	0,3
Aporrectodea caliginosa	13	0,8	0,6
Allolobophora chlorotica	5	0,8	0,7
Aporrectodea rosea	7	0,7	0,8
Lumbricus terrestris	11	0,7	0,7
Aporrectodea longa	7	0,6	0,5