Використання біологічних тестів для оцінки впливу мінеральних добрив на агроекосистему (стр. 1 из 3)

Реферат

З дисципліни «Агроекологія»

На тему: «Використання біологічних тестів для оцінки впливу мінеральних добрив на агроекосистему»

Для оцінки негативного впливу агрохімікатів на агроекосистему сучасний рівень досліджень передбачає широке застосування методів біотестування, тобто використання відповідної реакції організму на вплив факторів середовища. Цей підхід до оцінки екологічного стану агроекосистеми є найоб'єктивнішим. Він базується на тому, що реалізація процесів, які відбуваються в організмі, зумовлена специфікою як організму, так і навколишнього середовища. Організм залежить від середовища передусім через характер його ресурсів і факторів, які впливають на метаболізм. У свою чергу, про стан середовища можна судити за кількістю або інтенсивністю розвитку різних видів, популяцій і цілих угруповань певних організмів. Чутливішими до впливу факторів середовища є види з низьким ступенем толерантності, які належать до стенобіонтів, тобто організмів з вузьким діапазоном життєвих можливостей при зміні певного фактора середовища, у тому числі антропогенного характеру. Ю. Одум (1976 р.) підкреслював, що організм часто перебуває під впливом не одного, а кількох лімітуючих факторів середовища і саме тому методи біоіндикації дають змогу врахувати не лише адитивні ефекти (як це відбувається при нормуванні впливу за рівнем ГДК), а і сумарні ефекти, завжди присутні у природних екосистемах.

Як показав Ю. Лібіх (1840 p.), лімітуючим фактором може бути не тільки нестача, але і надлишок якоїсь певної хімічної речовини, життєвість організмів характеризується екологічним мінімумом і максимумом, діапазон між цими двома величинами є межею екологічної толерантності. Більшість біологічних видів пристосовані не до визначених величин даного фактора, а до меж його мінливості у природі, та меж його тимчасових флуктуацій (коливань).

В основу екологічного тестування покладено реакцію організмів на вплив факторів середовища. Організм здатний виживати лише в діапазоні мінливості даного фактора, який ще називають амплітудою. Як дуже високі (максимальні), так і дуже низькі (мінімальні) значення факторів середовища можуть бути згубними для організму. Поро-гове значення даного фактора, виражене в певних одиницях, вище або нижче якого організм не може існувати, є критичною точкою. Між цими критичними значеннями розташована зона екологічної толерантності. У межах зони екологічної толерантності напруженість факторів середовища різна. Поряд з критичними точками розташовані песимальні зони, в яких активність організму значно обмежена дією зовнішніх умов. Далі розташовані зони комфорту, в яких відбувається чітке зростання екологічних реакцій організму. В центрі знаходиться зона оптимуму, яка є найсприятливішою для функціонування організму (рис. 1).

Рис. 1. Реакція організму на фактори середовища. Зони: І – песимуму; ІІ – комфорту; ІІІ – оптимуму

В. Ковальським 1974 р. було показано можливі негативні реакції організмів на недостатню і надлишкову кількість ХЕ у грунті. Саме надлишкова кількість ХЕ, які у такому разі виступають токсикантами, є предметом вивчення і контролю при застосуванні агрохімікатів.

Для біотестування впливу мінеральних добрив на Ґрунтову систему слід підбирати показники стану біоти, які характеризуються найменшими зонами оптимуму і комфорту. Порівняння амплітуд мінливості фактору, в яких реакція біоти переходить від зони оптимуму до зони комфорту і далі до зони песимуму, дає можливість встановити найчутливіші з них. За розмірами відхилення реакції організму від еталону (контролю), можна судити про можливий негативний вплив конкретного мінерального добрива на ґрунтову систему. При екоток-сикологічній оцінці засобів хімізації прийнято, що відхилення реакції від еталону менше ніж на 10% – малонебезпечний рівень, на 10– 25% – помірно небезпечний і понад 25% – небезпечний. Базуючись на цьому, реакцію організмів щодо мінеральних добрив можна оцінити так: зона оптимуму – зниження < 10%, зона комфорту – зниження на 10–25%, песимуму – зниження > 25%. Якщо зміни напруження екологічного фактора в зоні екотоксикологічного контролю виразити через умовні одиниці, а реакцію організму на зміну екологічного фактора – у відсотках до еталону (контролю), то за активністю переходу від зони оптимуму і комфорту до зони песимуму можна провести оцінку різних біотестових методів і встановити найчутливіші з них. Чим менше рівень активної толерантності (до 25% депресії), тим ефективніший метод тестування.

Для біотестування доцільно використовувати системи показників на молекулярному (біохімічні процеси), онтогенетичному (толерантність організмів на певних стадіях онтогенезу), біогеоценотичному (зміни кількості деяких видів організмів у ґрунтових системах) та інших рівнях організації життя.

Оцінювати різні біотести щодо мінеральних добрив доцільно виходячи з того, що потенційний негативний вплив МД може полягати у привнесені БАЕ у ґрунтову систему і педохімічно активному впливі на неї – зміні реакції ґрунтового середовища.

Важливим показником рівня небезпечності мінеральних добрив може бути дія на ґрунтову біоту (зміна загальної кількості мезофауни, сапрофітної мікрофлори, активність протікання біохімічних процесів тощо). З усіх біотичних компонентів ґрунту мікробна спільнота найчутливіша до змін екологічної ситуації під час сільськогосподарської діяльності. У відповідь на антропогенне навантаження мікробна спільнота змінюється структурно-функціонально, що виражається у послідовній зміні чотирьох адаптивних зон. У першій зоні (зона гомеостазу), яка характерна для низького рівня навантаження, відбуваються зміни загальної біомаси мікробної спільноти при постійному складі та організації. Середні рівні навантаження спричиняють зміни в організації мікробної спільноти у вигляді перерозподілу популяцій за ступенем домінування, тоді як видовий склад залишається незмінним (зона стресу). При цьому у ґрунті розвиваються токсиноутворюючі мікроорганізми. Для третьої зони (зона резистентності), яка характеризується високим рівнем навантаження, характерні зміни складу мікробної спільноти. Його видовий склад різко скорочується через загибель більшості організмів, властивих контрольному ґрунту. Переважаючий розвиток одержують стійкі щодо певного фактору популяції. Подальше збільшення навантаження призводить до повного пригнічення росту і розвитку мікроорганізмів у ґрунті (зона репресії).

Тривале застосування мінеральних добрив сприяє збільшенню загальної чисельності мікроорганізмів у ґрунті. Але при застосуванні високих доз мінеральних добрив (понад 300 кг/га NPK) можливо пригнічення мікробіологічної діяльності (рис. 2).

Рис. 2. Вплив тривалого застосування мінеральних добрив на загальну чисельність мікроорганізмів у орному шарі темно-сірого опідзоленого ґрунту, млн/г ґрунту (ІЗ УААН)

На фоні загальної тенденції зменшення чисельності мікроорганізмів у ґрунті при застосуванні підвищених доз NPK (понад 180 кг/га NPK) можна спостерігати збільшення кількості таксономічних груп, здатних утворювати токсини, що характерно для зони стресу. Так, при тривалому застосуванні мінеральних добрив на темно-сірому опідзоленому грунті (ІЗ УААН) кількість грибів зросла з 113 до 154– 159 тис, стрептоміцетів – з 4,1 до 5,2–5,9 млн, або відповідно на 36,3-40,7% і 26,8-43,9% (рис. 3).

Рис. 3. Вплив тривалого застосування мінеральних добрив на чисельність токсиноутворюючих груп мікроорганізмів у темно-сірому опідзоленому ґрунті: -●- гриби ; -•- стрептоміцети

Встановлені в умовах багатьох стаціонарних дослідів особливості впливу мінеральних добрив на мікробоценоз свідчать про необхідність контролю за станом біоти при їхньому застосуванні.

Поширеним видом біотестування є фітотестування, тобто визначення умов середовища за станом рослин. Для фітотестування використовують широкий спектр тест-рослин, серед яких значне місце посідають злакові, бобові, мареві…

В умовах штучного забруднення ґрунту ВМ на дерново-підзолистому ґрунті в дослідах Інституту агроекології та біотехнології УААН одержано дані, які показали, що фітотестування не завжди можна з успіхом використовувати для оцінки мінеральних добрив як джерело БАЕ. Так, біопродуктивність тест-культури ячменю знижувалася лише при доволі високому рівні забруднення ґрунту – 1,0 ГДК Cd, Pb, Cu, Zn за валовими формами. Перехід рослин від зони оптимуму до зони песимуму спостерігали при забрудненні ґрунту – 5,0 ГДК. При забрудненні ґрунту ВМ – 0,5 ГДК проявлявся стимулюючий ефект на рослини ячменю – біопродуктивність порівняно з контролем зросла на 16,0%. Це свідчить, що такі концентрації ВМ не спричиняють руйнації толерантного потенціалу рослин і відіграють роль мікроелементів, тобто стимулюють фізіологічні процеси рослин. З мінеральними добривами у ґрунт надходить незначна кількість БАЕ, і перевищення рівня ГДК за їхніми валовими формами спостерігають у крайніх випадках, тому результати екотоксикологічної оцінки мінеральних добрив за показниками фітотоксичності можуть бути необ'єктивними.

Подібну залежність спостерігали і при використанні онтогенетичного підходу, тобто вивченні реакції тест-організму на певній стадії його онтогенезу. Встановлення токсичності грунту за показниками розвитку зернівки пшениці (І–II етапи органогенезу за Ф. Куперман) виявилося можливим лише за високого рівня забруднення ґрунту: 5,0 ГДК Cd, Pb, Zn, Cu. У цьому разі пригнічувався розвиток первинного (зародкового) кореня. При менших рівнях забруднення (0,5–1,0 ГДК) на початкових етапах онтогенезу активізувався ріст зародкового кореня і пагона з колеоптилем, тобто ВМ у такому разі виконували роль мікроелементів (табл. 1).