Микробиологическое нормирование загрязнения почв тяжелыми металлами

Общие принципы нормирования содержания тяжелых металлов в почве. Наиболее общим положением всех научных дисциплин, имеющих своим объектом почву, является признание ее полифункциональности. Этот принцип следует считать основополагающим и для исследователей, которые решают проблему нормирования антропогенных воздействий на почву (Ильин, 1986). Изучением загрязнения почвы как естественного природного тела занимаются почвоведы разного профиля. Почва выступает как среда обитания и субстрат для растений, животных и микроорганизмов, поэтому ее исследуют экологи разных специальностей. Почва имеет ведущее значение в производстве продуктов питания, кормов, сырья для многих видов промышленности и сельского хозяйства: с этих позиций она должна изучаться как объект и средство сельскохозяйственного и промышленного производства. Наконец, почва представляет интерес для медицинской санитарии и гигиены как природный резервуар, содержащий патогенные микроорганизмы.

В настоящее время каждая область исследований, изучающая какую-либо из функций почвы в условиях ее загрязнения тяжелыми металлами, недостаточно разработана. Тем более еще нет возможности для обобщения всех данных. Накопление данных может позволить в будущем сделать необходимую обобщающую оценку. Задачей, стоящей перед почвенной микробиологией, является оценка воздействия тяжелых металлов на почву как на среду обитания почвенных микроорганизмов. Практически все исследователи указывают на необходимость выявления реакции на загрязнение почвенной микробиоты, а, по мнению Г.В. Добровольского с соавторами (1985), именно микробиологические показатели в наибольшей степени подходят для ранней диагностики загрязнения почв.

В основу теории и практики нормирования экзогенных химических веществ (например, тяжелых металлов) в почве положен принцип, допускающий возможность поступления и содержания этих веществ в виде примесей к естественному ее составу в количествах, безопасных для человека и окружающей среды. Это означает, что в постановке проблемы охраны природной среды следует исходить из тезиса о невозможности полного предотвращения загрязнения биосферы. Следовательно, не всякое поступление загрязнителей в почву следует рассматривать как ее загрязнение. Специалисты различных профилей считают, что превышение содержания тяжелых металлов в почве над фоновым является нормальным в условиях современной цивилизации. По вполне обоснованному мнению В. Б. Ильина (1986), почвы, в которых содержание тяжелых металлов превышает фоновое, но не является еще опасным для здоровья человека и состояния окружающей среды, следует считать слабозагрязненными, или имеющими низкий уровень загрязнения. Существует мнение, что за «точку отсчета», т.е. за настоящий «чистый» фон, следует принимать те концентрации различных веществ, которые содержались в почвах до начала научно-технической революции, т.е. более 200 лет назад (Хотинский, 1977; Степанов, 1985). Информацию об этих концентрациях можно получить, используя различные методы экстраполяции, химические анализы палеопочв, изотопный анализ микроэлементов и т.д. Естественно, что при таком подходе практически все современные почвы окажутся загрязненными тяжелыми металлами.

До конца неясно, в каких формах находятся тяжелые металлы в почвах и как их следует учитывать, хотя большинство исследователей отдают приоритет необходимости изучения содержания тяжелых металлов в почвах в подвижных формах соединений. Еще более усложняет этот вопрос тот факт, что в биосфере все химические вещества не могут существовать длительное время в отдельности, а взаимодействуют друг с другом. В результате образуются парагенетические структуры, токсичность которых в ряде случаев более высока, чем у исходных соединений. Это подтверждается обнаружением в биосфере таких острых токсикантов, как метил ртуть, сульфат и хлорид кадмия, соединения свинца, цинка с детергентами и пестицидами. В итоге в природе уже сейчас обнаружено более миллиона различных антропогенных веществ, образующих с природными веществами огромное количество новообразований, токсичность которых остается неизученной. Поэтому Г. В. Добровольский с соавторами (1985) считают: « ... Более важно своевременно обнаружить не изменения содержания того или иного вещества (элемента), а изменения состояния почвы или биоты, влекущие за собой негативные последствия».

Еще одним общим принципом нормирования можно считать положение о том, что критерием загрязняющего действия различных экзогенных химических веществ (в частности, тяжелых металлов) является их негативное воздействие на объект исследования, приводящее к нарушению его функций. С позиций почвенной микробиологии представляется обоснованной точка зрения специалистов по медицинской санитарии и гигиене, утверждающих, что под порогом вредного биологического действия следует подразумевать такое действие, при котором количественные физиологические, биохимические или структурные изменения переходят в качественные, имеющие негативный характер, или, используя медицинский термин, характер предпатологии. В связи с этим основной задачей микробиологического нормирования загрязнения почвы являются поиск в общей закономерности изменений почвенной; биоты, вызванных загрязнением почвы, обнаружение перехода количественных изменений в качественные и установление негативного характера этих изменений. Только количественные изменения не могут быть использованы в нормировании антропогенных воздействий, так как непонятно, в чем их отличие от аналогичных изменений, вызванных естественными причинами; то же можно сказать и о качественных изменениях, не имеющих характера патологии. Выявив качественные негативные изменения в состоянии почвенной микробиоты, вызванные загрязнением, можно правильно сформулировать представление о диагностических признаках различных уровней загрязнения почвы и вести поиск научно обоснованных методов индикации этих уровней с позиций почвенной микробиологии.

Диагностические признаки различных уровней нагрузки на почвенную микро6иоту. Микробиологическая диагностика загрязнения почвы тяжелыми металлами включает определение пороговых точек, которые разделили бы весь диапазон изменений почвенной микробиоты в градиенте концентраций загрязнителей на интервалы, характеризующиеся качественно отличными свойствами. Далее необходимо проанализировать эти свойства для выявления негативных аспектов действия тяжелых металлов на почвенную микробиоту, что позволило бы оценить это действие как загрязнение различного уровня. При этом указанные свойства можно будет рассматривать как диагностические признаки различных уровней загрязнения.

Исходя из общих принципов нормирования, за точку отсчета можно принять фоновое содержание тяжелых металлов в почвах конкретного региона. Почвы с такими концентрациями этих элементов можно считать незагрязненными.

Наибольшие трудности возникают при диагностике почв содержащих концентрации тяжелых металлов, в несколько раз превышающие фон. Диагностическими признаками данного уровня нагрузки могут быть изменения количественных показателей интенсивности микробиологических процессов в почвах без каких-либо качественных изменений состояния почвенной микробиоты. Однако значительная пространственная и временная вариабельность этих показателей практически не позволяет с позиций почвенной микробиологии отличить эти почвы от незагрязненных. Учитывая все это и принимая во внимание превышение концентраций тяжелых металлов в почве над фоном: предлагается считать данную нагрузку низким уровнем загрязнения, не превышающим допустимого.

При некотором накоплении тяжелых металлов в почве происходит перераспределение микроорганизмов по степени доминирования, в результате чего в микробной системе почвы можно обнаружить свойства, которые вполне определенно следует оценить как негативные и рассматривать их как изменения, имеющие характер патологии. Это позволяет говорить о превышении нормы, и на этом основании можно выделить средний уровень загрязнения.

В качестве диагностических признаков данного уровня загрязнения можно назвать следующие. С позиций общей экологии патологическим явлением для экосистемы следует считать сокращение видового богатства и разнообразия организмов в сообществе (Одум, 1986). Как негативный признак можно рассматривать увеличение в загрязненной почве доли микроорганизмов-токсинообразователей и тем более их доминирование, которое обнаружено при концентрациях тяжелых металлов, в 100 раз превышающих фон. О неблагоприятных изменениях, происходящих с растениями на загрязненной территории, свидетельствует увеличение в почве и на растениях количества эпифитных дрожжей, которые можно рассматривать как факультативные паразиты растений. Косвенным свидетельством негативных процессов является увеличение численности пигментированных форм микроорганизмов, которые обычны для почв, находящихся в экстремальных условиях: при избытке солнечной радиации, низком парциальном давлении кислорода, повышенном осмотическом давлении в среде и т. д. В качестве дополнительного признака среднего уровня загрязнения почвы можно отметить резкое сокращение вариабельности биохимических показателей, например активности азотфиксации. Этот признак не имеет негативного характера, однако он настолько резко отличается от аналогичных изменений в незагрязненных и слабозагрязненных почвах, что его можно считать диагностическим. Все перечисленные изменения почвенной микробиоты, характеризующие средний уровень загрязнения, обнаружены в широком диапазоне концентраций тяжелых металлов в почве: от превышающих фоновое содержание в несколько раз до более чем 100-кратного его превышения.

По-видимому, все изменения почвенной микробиоты, которые наблюдаются при загрязнении почвы тяжелыми металлами в концентрациях, более чем в 100 раз превышающих фоновое содержание, можно считать патологическими. Диагностическими признаками этого уровня загрязнения·являются резкое снижение микробиологической активности по многим показателям и развитие крайне ограниченного числа резистентных форм микроорганизмов. Почвы с такими концентрациями тяжелых металлов будут обладать общей высокой токсичностью не только по отношению к микроорганизмам, но и к высшим организмам, например растениям. По мнению В. Б. Ильина (1986), такие почвы можно рассматривать как антропогенные субстраты. Уровень техногенной нагрузки, характеризующейся такими диагностическими признаками, предлагается считать уровнем сильного загрязнения.

Уровень загрязнения, при котором почвы содержат концентрации тяжелых металлов, более чем на три порядка превышающие фон, можно назвать уровнем очень сильного, или катастрофического, загрязнения, так как в качестве его диагностического признака выступает практически полное подавление активности почвенных микроорганизмов.

Микробиологическая индикация загрязнения почв тяжелыми металлами. Важнейшей задачей в области охраны окружающей среды являются поиск и обоснование надежных критериев и способов индикации загрязнения почвы. Попытки решения проблемы микробиологической индикации загрязнения почв сопровождаются значительными трудностями. Использование традиционных методов почвенной микробиологии не позволяет добиться успеха в ранней индикации. С одной стороны, препятствует маскирующее действие длительно сохраняющихся в почве покоящихся форм микроорганизмов, а с другой - значительные флуктуационные колебания численности и биохимической активности микроорганизмов отдельных систематических групп. Многочисленные усилия по поиску индикаторных видов микроорганизмов также не позволили найти общего решения проблемы. Не отрицая причинно-следственных связей между действием загрязнителя и изменениями в микробной системе почвы, следует иметь в виду, что для каждого небольшого участка ландшафта при низком и среднем уровнях загрязнения изменения будут касаться разных видов микроорганизмов: Более того, резко отличные по своему действию загрязнители могут вызывать аналогичные изменения. Все это сильно затрудняет интерпретацию полученных результатов и делает бесперспективным поиск индикаторных видов микроорганизмов для ранней индикации загрязнения почв.

Условность границы между незагрязненной и почвой с низким уровнем загрязнения, а также значительная вариабельность микробиологических показателей не позволяют проводить микробиологическую индикацию низкого уровня загрязнения. В этом случае следует довольствоваться химическим анализом, который несравненно проще в исполнении и может определенно зафиксировать факт превышения концентраций тяжелых металлов в изучаемой почве над фоном или отсутствие такового. При этом необходимо иметь в виду, что данные, касающиеся значений фоновых концентраций, единые для всех почв, имеют относительную ценность. Поэтому следует использовать фоновые концентрации тяжелых металлов, характерные для конкретных почвенно-геохимических провинций.

Превышение концентраций тяжелых металлов в почве над фоновым содержанием этих элементов позволяет отделить незагрязненные почвы от почв с низким уровнем загрязнения. Однако, используя этот признак, невозможно обнаружить границу перехода от низкого уровня загрязнения к следующему – среднему уровню. Для индикации этого уровня загрязнения в наибольшей степени подходят микробиологические показатели, так как именно со средним уровнем связаны изменения почвенной микробиоты, приводящие к негативным последствиям. Из анализа диагностических признаков этого уровня видно, что проявление почвой отрицательных свойств непосредственно связано с перераспределением активности отдельных компонентов комплекса почвенных микроорганизмов. В связи с этим для целей индикации важно обнаружить факт перераспределения в какой-либо группе микроорганизмов, причем это перераспределение должно быть непосредственно связано с действием загрязнителя. На основании сказанного можно предложить способ индикации загрязнения почв тяжелыми металлами основанный на внесении в почву загрязнителя в дозе, равной удвоенной концентрации, характерной для зоны гомеостаза, с использование инициированного микробного сообщества. Внесение такой дозы в незагрязненную почву должно вызвать перераспределение по степени доминирования микроорганизмов инициированного сообщества. Если это происходит, значит, изучаемая почва либо не загрязнена, либо имеет низкий уровень загрязнения. Если почва характеризуется средним уровнем загрязнения, то дополнительное внесение указанной дозы не должно вызвать описанных изменений, так как они уже произошли.

В качестве дополнительного индикационного признака, по-видимому, следует использовать изменения отдельных показателей биохимической активности почвенных микроорганизмов, например азотфиксирующую активность и особенно изменения вариабельности этой активности, При описании реакции почвенной микробиоты на средний уровень загрязнения желательно выявлять такие изменения, которые имеют негативный аспект, например, снижение видового богатства и разнообразия почвенных микроорганизмов, доминирование в его составе микромицетов-токсинообразователей и др. Для индикации высокого уровня загрязнения почв тяжелыми металлами подходят почти все микробиологические показатели, так как при данном уровне нагрузки большинство из них должно резко отличаться от аналогичных показателей в нормальной незагрязненной почве того же типа. Наиболее показательным изменением почвенной микробиоты в сильно загрязненной почве может быть выявление резистентных форм микроорганизмов, которые способны проявлять специфическую устойчивость к определенному загрязнителю и, более того, активно развиваться в его присутствии. Именно такие микроорганизмы используются в геологической микробиологии. Несмотря на то, что высокий уровень загрязнения почв тяжелыми металлами, по-видимому, довольно легко устанавливать по микробиологическим показателям, более целесообразно для этого использовать другие тесты. Так как почвы при данном уровне загрязнения будут обладать общей высокой токсичностью, более удобно, наглядно и просто определять наличие этого уровня с использованием реакции растений, а также таких показателей, как накопление тяжелых металлов в фитомассе и т. д.