- показатели устойчивости почв к загрязнению: емкость почвенного поглощающего комплекса, содержание и запасы гумуса, щелочно-кислотные условия, окислительно-восстановительные условия и др. [14]
Выбор показателей для мониторинга эколого-функционального состояния почв, должен основываться на следующих критериях:
- информативность показателя (тесная корреляция между показателем и антропогенным фактором);
- высокая чувствительность показателя;
- хорошая воспроизводимость результатов;
- незначительное варьирование показателя;
- небольшая ошибка опыта;
- простота, малая трудоемкость и высокая скорость метода определения;
- широкая распространенность метода в стране и за рубежом, соответствие принятым стандартам.
С другой стороны, нет смысла определять необоснованно большое количество разнообразных показателей эколого-функционального состояния почвы. Практика показала, что для объективной достоверной оценки эколого-функционального состояния почвы достаточно определения набора наиболее информативных показателей.
Выбор показателей для мониторинга и диагностики эколого-функционального состояния почв должен проводиться в зависимости от целей и задач исследования, вида антропогенного воздействия на почву, имеющейся лабораторно-аналитической базы, подготовки персонала и других критериев.
Определение всего комплекса показателей загрязнения является очень трудоемким и дорогостоящим мероприятием и возможно только в очень редких случаях. Более целесообразным представляется определить узкий набор показателей, достаточно объективно отражающих последствия загрязнения. Очевидно, что это должны быть показатели изменения свойств почв под действием загрязнителей (показатели второй группы), поскольку степень их изменения уже зависит от параметров загрязнения (показатели первой группы) и от устойчивости почв к загрязнению (показатели третьей группы). Далее из показателей изменения свойств почв (вторая группа) следует отдать предпочтение биологическим показателям, так как они первыми реагируют на антропогенное воздействие. И, наконец, из большого количества биологических показателей следует выбрать наиболее чувствительные и наименее вариабельные.
Не все биологические показатели, используемые в настоящее время в научных исследованиях, одинаково хорошо подходят для мониторинга и диагностики состояния почв. Различные свойства почвы по-разному и в неодинаковой степени реагируют на внешнее воздействие, в частности, на загрязнение объектами железнодорожного транспорта [6].
2.2 Ферментативная активность и ее значимость для оценки эколого-функционального состояния почвы
Ферментативная активность почв[от лат. fermentum- закваска] -способность почвы проявлять каталитическое воздействие на процессы превращения экзогенных и собственных органических и минеральных соединений благодаря имеющимся в ней ферментам. Характеризуя ферментативную активность почв, имеют в виду суммарный показатель активности. Ферментативная активность различных почв неодинакова и связана с их генетическими особенностями и комплексом взаимодействующих экологических факторов. Уровень ферментативной активности почв определяется активностью различных ферментов (инвертазы, протеаз, уреазы, дегидрогеназ, каталазы, фосфатаз), выражаемой количеством разложенного субстрата за единицу времени на 1 г почвы [15].
Источниками почвенных ферментов служит все живое вещество почв: растения, микроорганизмы, животные, грибы, водоросли и т. д. Накапливаясь в почве, ферменты становятся неотъемлемым реактивным компонентом экосистемы. Почва является самой богатой системой по ферментному разнообразию и ферментативному пулу. Разнообразие и богатство ферментов в почве позволяет осуществляться последовательным биохимическим превращениям различных поступающих органических остатков. Ферментативная активность затрагивает наиболее важные повторяющиеся превращения в биохимических циклах углерода, азота, фосфора, серы и других соединений. Под действием ферментов органические вещества распадаются до различных промежуточных и конечных продуктов минерализации. При этом образуются доступные растениям и микроорганизмам питательные вещества. А также высвобождается энергия.
Экологическая значимость ферментативной активности определяется следующим:
- уникальное богатство почв ферментами;
- главнейшая экологическая функция ферментов - разрушение первичного органического вещества и синтез вторичного, обогащение почв биогенными элементами и гумусом;
- ферменты выполняют роль катализаторов энергетического и вещественного обмена в почве;
- ферменты почв являются регуляторами связей между компонентами географических экосистем;
- ферменты почв участвуют в превращениях минеральной массы почв, как главной составляющей ее вещественного состава;
- ферменты участвуют в формировании гумусного состояния почв как интегрального показателя плодородия земель.[16]
Какова же значимость ферментативной активности для оценки эколого-функционального состояния почвы? Был проведен сравнительный анализ разных методов оценки состояния почвы. В основу анализа положено сравнение вариабельности полученных данных и чувствительности методов к выявлению разных уровней загрязнения почвы. Зафиксирован следующий ряд биологических свойств почв по степени их устойчивости к загрязнению объектами железнодорожного транспорта: активность катализы > активность инвертазы > активность уреазы = активность фосфатазы > скорость разложения мочевины > целлюлозолитическая способность > интенсивность накопления свободных аминокислот > фитотоксичность > численность микроскопических грибов > численность актиномицетов > численность бактерий > численность спорообразующих бактерий.[6]
Д.Г. Звягинцевым с соавт [14] установлено, что данные, полученные биохимическими методами, имеют относительно низкие коэффициенты варьирования – в интервале 2-20%, в среднем 5-10%, в то время как данные, полученные микробиологическими методами (посев и определение биомассы), находятся в интервале 5-100%, в среднем 20-40%. Кроме того, биохимические показатели являются более чувствительными к возрастанию доз загрязнений. Об этом свидетельствуют коэффициенты корреляции между показателями и содержанием в почве.
Результаты проведенного исследования [6] полностью подтверждают выводы, полученные Д.Г. Звягинцевым с соавт. [14] для загрязненных дерново-подзолистых почв. Аналогичные закономерности зафиксированы для черноземов обыкновенных, загрязненных объектами железнодорожного транспорта.
Таким образом, несмотря на то, что микробиологические показатели первыми реагируют на загрязнение, их реакция хуже коррелирует (или вовсе не коррелирует) с содержанием в почве загрязнений от объектов железнодорожного транспорта, чем реакция биохимических показателей. Кроме того, микробиологические показатели отличаются намного более значительным варьированием, по сравнению с биохимическими показателями. И, наконец, микробиологические показатели являются существенно более трудоемкими и дорогостоящими в определении, а также требуют исполнения высококвалифицированным персоналом. Поэтому, при проведении мониторинга и диагностики состояния почв, в первую очередь, следует определять биохимические показатели как более чувствительные, менее варьирующие, менее трудоемкие и менее дорогостоящие по сравнению с микробиологическими показателями.
Из биохимических показателей, в первую очередь, рекомендуются показатели изменения ферментативной активности: каталазы, инвертазы, уреазы, фосфатазы и ряда других почвенных ферментов. Именно активность ферментов наилучшим образом коррелирует с содержанием в почве загрязнений, поскольку ингибирование каталитической активности ферментов является характерным свойством загрязнений от объектов железнодорожного транспорта, основным механизмом их токсического действия. Таким образом, изменение ферментативной активности является ведущим показателем влияния загрязнения объектов железнодорожного транспорта на свойства почвы. Показатели микробиологической активности, фитотоксичности почвы, состояния растений и почвообитающей фауны являются вторичными, опосредованными через ингибирование загрязнениями железнодорожного транспорта ферментов живых организмов.[17]
В пользу особого значения ферментативной активности как показателя происходящих в почве процессов также свидетельствует следующий факт. Ферментативный пул является результатом реализации реально функционирующей части генофонда данного микробного сообщества (и даже генофонда всей экосистемы).[18]
В том, что ферментативная активность лучше остальных показателей применима для диагностики состояния почв можно убедиться, обратившись к табл.4.
Таблица 4
Оценка применимости биологических методов исследования почв для биодиагностики и биоиндикации [19]
| Показатель | Метод | Информативность | Чувствительность | Производительность анализа | Временные флуктуации | Пространственная неоднородность | Оборудование и реактивы | Сложность анализа | Воспроизводимость | Точность(ошибка определения) | Квалификация исполнителей | Средний балл по методу |
| Численность микрофлоры | Чашечный метод Коха | 4 | 8 | 5 | 2 | 2 | 3 | 5 | 4 | 4 | 5 | 4,1 |
| Качественный состав микрофлоры | Морфо-физиологическая диагностика | 7 | 10 | 2 | 2 | 2 | 2 | 1 | 1 | 1 | 2 | 3,1 |
| Численность микрофлоры | Прямое микроскопирование | 8 | 7 | 8 | 5 | 5 | 4 | 8 | 6 | 6 | 8 | 6,3 |
| Ферментативная активность | Определение концентрации субстрата(продукта реакции) | 8 | 10 | 10 | 8 | 8 | 8 | 9 | 8 | 10 | 9 | 8,8 |
| Численность мезофауны | Метод раскопок | 5 | 7 | 7 | 3 | 3 | 9 | 9 | 7 | 6 | 8 | 6,2 |
| Биомасса мезофауны | Весовой метод | 5 | 7 | 7 | 5 | 4 | 10 | 9 | 7 | 6 | 10 | 6,7 |
| Состав мезофауны | Метод раскопок | 6 | 8 | 5 | 1 | 2 | 8 | 3 | 2 | 3 | 3 | 4,2 |
| Микроартроподы | Электронная выгонка с последующим определением | 6 | 7 | 4 | 2 | 6 | 7 | 2 | 2 | 3 | 2 | 4,3 |
| Водоросли | Разные методы | 6 | 9 | 6 | 1 | 1 | 6 | 6 | 2 | 6 | 5 | 4,8 |
| «Дыхание» | Адсорбционный метод поглощения СО2 | 8 | 9 | 8 | 1 | 6 | 10 | 10 | 3 | 8 | 10 | 7,0 |
| Нитрификация | Накопление субстратов после инкубации образца | 7 | 9 | 6 | 8 | 8 | 7 | 7 | 4 | 8 | 8 | 7,1 |
| Разложение мочевины | Экспресс-метод Аристовской, Чугуновой | 7 | 7 | 9 | 8 | 8 | 10 | 10 | 4 | 8 | 10 | 7,9 |
| Содержание гумуса | Мокрое озоление хромовой смесью по Тюрину | 8 | 5 | 9 | 9 | 8 | 8 | 8 | 5 | 10 | 9 | 7,8 |
| Состав гумуса | Фракционно-групповой состав по Пономаревой-Плотниковой | 8 | 7 | 4 | 8 | 7 | 7 | 6 | 3 | 8 | 7 | 6,4 |
| Продуктивность, урожайность | Весовой метод | 10 | 7 | 4 | 8 | 8 | 8 | 6 | 4 | 8 | 8 | 7,0 |
| Средний балл по категории | 6,9 | 7,8 | 6,3 | 4,7 | 5,2 | 7,1 | 6,6 | 4,1 | 6,3 | 6,9 | 6,1 | |
2.3 Изменение ферментативной активности почвы в зависимости от загрязнения