Спосіб оцінювання екологічного стану ґрунтів

Реферат: Спосіб оцінювання екологічного стану ґрунтів включає діагностування ступеня забруднення ґрунтів важкими металами за чисельністю та фізіолого-біохімічною активністю клітин азотобактера. А також чисельністю та часткою меланінсинтезувальних мікроміцетів у загальній кількості грибів. UA 105876 U (54) СПОСІБ ОЦІНЮВАННЯ ЕКОЛОГІЧНОГО СТАНУ ҐРУНТІВ UA 105876 U UA 105876 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Галузь техніки: екологія. Корисна модель належить до екології ґрунтів і призначена для оцінювання їхнього екологічного стану на основі показників чисельності меланінсинтезувальних мікроміцетів і азотобактера. Рівень техніки: Для визначення ступеня забруднення ґрунтів використовують різноманітні біологічні показники: чисельність безхребетних тварин [RU 2007146582 A, H02G 7/00, опуб. 27.06.2009], нематод, дощових черв'яків, кліщів, павуків, мурашок, жуків, молюсків та ін. [RU 2001134832, GO IN 33/24, G01N 33/18; опуб. 20.06.2003]. Вибрані групи індикаторів використовують для визначення якості середовища, встановлюючи ступінь забрудненості ґрунтів за зниженням чисельності організмів-біоіндикаторів. Однак, існує складність підрахунків кількості і видового складу ґрунтових безхребетних через трудомісткість, довготривалість обліків, а також жорсткість вимог щодо відповідної кваліфікації виконавців визначення видової приналежності ґрунтових тварин. Відомий спосіб біотестування забруднених ґрунтів за їх токсичністю, що визначається за шкалою градації зміни довжини кореня і стебла рослин та порівнянням кривих фактичного і нормального розподілу лінійних ознак за t-критерієм Стьюдента, які отримують за допомогою додатка Miscrosoft Excel (Windows) і математичного аналізу. Однак, цей спосіб не враховує стан мікробного угруповання ґрунту і ґрунтових ферментів, що знижує достовірність визначення ступеня забрудненості ґрунту. Підвищення достовірності оцінювання ступеня забрудненості ґрунту важкими металами вирішено у патенті SU 1092412, G 01N33/24 (опублік. 15.05.1984), в якому запропоновано діагностування ступеня забрудненості за зміною стабільності мікробних угруповань, що дозволяє враховувати буферні властивості ґрунтів, а також природу полютанта і форму його надходження у ґрунт. Діагностування екологічного стану ґрунту найбільш чітко можна проводити за мікробіологічними показниками, які дозволяють виявити зміни на початкових етапах і які неможливо виявити іншими методами [4-11]. Перевагами мікробіологічних методів досліджень є також те, що вони дозволяють дослідити спрямованість саме агрономічно значимих процесів: мінералізації та іммобілізації азотовмісних сполук, нітрифікації, азотофіксації, денітрифікації, розкладання органічних речовин, гумусу і т.і. Найближчим до запропонованого є винахід, який описано у патенті № RU 2 501 009 СІ від 10 грудня 2013 під назвою "Способ комплексной оценки экологического состояния почв" [12], в якому наводиться метод комплексного оцінювання екологічного стану ґрунтів. Він полягає у дослідженні результатів аналізів проб із наступним розрахуванням інтегрального показника біологічного стану ґрунту (ІПС) для незабрудненого фонового і ґрунту, забрудненого важкими металами або нафтою і нафтопродуктами. У кожній парі зразків визначають чисельність амоніфікувальних бактерій, мікроміцетів, азотобактера, активність каталази, активність інвертази, схожість редису. ІПС ґрунту розраховують за формулою: ІПС = Σ(Пзагрі/Пфоні)*100 %/n, де Пзагрі - значення і-го показника (чисельність амоніфікувальних бактерій, млн./г; чисельність мікроскопічних грибів, млн./г; кількість бактерій роду Azotobacter, %; активність каталази, мл О2/хв.; активність інвертази, мл глюкози/24 год.; схожість редису, % для забрудненого ґрунту; Пфоні - значення і-го/хв.; показника для незабрудненого ґрунту; n - кількість показників (n=6). За зниженням ІПС визначають екологічний стан ґрунтів. Якщо значення ІПС у забрудненому ґрунті більше 95 % констатують нормальний екологічний стан ґрунту. При зниженні ІПС до 90-95 % констатують задовільний стан, до 75-90 % - неблагополучний, нижче 75 % - катастрофічний. Заявлений спосіб дозволяє швидко і точно оцінити екологічний стан ґрунту. Проте, недоліком прототипу є необхідність проведення досліджень активності ферментів (каталази – Н2O2: Н2О2-оксидоредуктази і інвертази-β-фруктофуранозидази), що потребує спеціальних приладів і субстратів. Задачею нашого винаходу є вдосконалення процедури визначення рівня забрудненості ґрунтів в умовах мікробіологічних лабораторій. Поставлена задача вирішується тим, що до індикаційних груп, які ідентифікують ступінь забруднення ґрунту важкими металами, ми пропонуємо віднести чисельність та фізіологобіохімічну активність клітин азотобактера, а також чисельність та частку меланінсинтезувальних мікроміцетів у загальній кількості грибів. Визначення чисельності та фізіолого-біохімічної активності клітин азотобактера проводиться на середовищі Ешбі протягом 14 діб у термостатній камері (27 °C) із підвищеною вологістю повітря. Підрахунок кількості оброслих азотобактером грудочок проводиться на 5, 7, 9, 11 і 14 добу з метою визначення вірогідності формування колоній азотобактера за методом S. Ishikuri and T. Hattori, який описано П.А. Кожевіним зі співавт. [13]. Чисельність та частка меланінсинтезувальних мікроміцетів у загальній кількості 1 UA 105876 U 5 10 15 20 грибів визначається на середовищі Чапека для грибів або спеціалізованому середовищі для грибів із 0,1 % стрептоміцину. Наведені дані (табл. 1, 2), отримані у варіантах із штучно створеними фонами цинку і свинцю: 3,4 - перевищення ГДК у 5 разів; 5,6 - перевищення ГДК у 10 разів; 7,8 - перевищення ГДК у 100 разів. Як контрольний зразок виступав ґрунт із природною концентрацією важких металів. При створенні фонів забруднення зважали на кислоторозчинну фракцію металів, оскільки саме вона вважається основною техногенною складовою у запасі важких металів ґрунту. За 8 діб до внесення важких металів у частину посудин висівали насіння кукурудзи. У контрольні посудини для вирівнювання вмісту азоту вносили розчин KNO3 у відповідній концентрації. Модельні досліди були проведені з використанням сірого лісового ґрунту стаціонарного досліду лабораторії інтенсивних технологій зернових колосових культур і кукурудзи ННЦ "Інститут землеробства НААН" (дослідне господарство "Чабани", КиєвоСвятошинський район Київської області): переліг - ґрунт, виведений із обробітку у 1987 році; екстенсивний агрозем - польова сівозміна без використання мінеральних і органічних добрив з 1987р.; інтенсивний агрозем - польова сівозміна з насиченістю мінеральними добривами N96P108K112,5 по фону заорювання побічної продукції рослинництва. За даними табл. 1, чисельність азотобактера зменшується пропорційно дозі важких металів: за 5 ГДК у варіанті без рослин - на 90,8 %; у кореневій зоні фітоценозу - на 50,0 %; за 10 ГДК на 83,3 і 141,7 % відповідно; за 100 ГДК - на 114,9 і 190,0 % відповідно. Показник фізіологобіохімічної активності клітин азотобактера можна вважати індикаційним при рівнях забрудненості 5-100 ГДК за відсутності рослинного покриву, при рівнях забруднення 10-100 ГДК - на ґрунтах із фітоценозом. Таблиця 1 Чисельність (% оброслих грудочок) та фізіолого-біохімічна активність -1. -2 клітин азотобактера (вірогідність формування колоній (λ, год. 10 ) у сірому лісовому ґрунті різного типу використання залежно від строку забруднення важкими металами Варіант Контроль без рослин Контроль + фітоценоз 5 ГДК без рослин 5ГДК+фітоценоз 10 ГДК без рослин 10 ГДК+фітоценоз 100 ГДК без рослин 100 ГДК+фітоценоз НІР05 25 30 35 40 1 доба 34,8 Переліг 32 доби Чисельність Вірогідність клітин формування колоній 0,67 0,723 Інтенсивний агрозем 1 доба 32 доби 58,7 60,0 37,4 4,00 2,12 94,0 62,0 19,6 43,2 20,4 14,4 17,4 12,0 3,00 0,01 90,7 0,67 10,0 20,0 4,67 1,82 0,010 1,95 0,010 0,010 0,332 0,134 45,3 75,3 0,07 30,7 0,67 0 1,94 22,7 31,0 9,00 17,6 0 0 1,95 Забруднення ґрунту нафтопродуктами і важкими металами вже через добу приводить до інтенсифікації синтезу меланіноподібних пігментів і збільшення чисельності меланінсинтезувальних мікроміцетів за 5 ГДК у 4,40 рази, за 10 ГДК - 5,90, за 100 ГДК - у 3,75 разу. Із підвищенням рівня забрудненості суттєво зростає не лише чисельність меланінсинтезувальних мікроміцетів, а й їх частка у загальній кількості мікроміцетів, особливо за 100 ГДК. На 21-шу добу інкубування у кореневій зоні рослин чисельність меланінсинтезувальних мікроміцетів зростає залежно від дози важких металів: за 5 ГДК у 1,56 разу; за 10 ГДК - 2,33; за 100 ГДК - у 1,20 рази. Після 6 місяців інкубування забрудненого ґрунту частка (%) меланінсинтезувальних мікроміцетів у загальній кількості зростає без фітоценозу за 5 ГДК у 1,40 разу; за 10 ГДК - 2,19; за 100 ГДК - у 2,07 разу; із фітоценозом за 5 ГДК у 1,33 разу; за 10 ГДК - 1,74; за 100 ГДК - у 1,56 разу. При інкубуванні забрудненого ґрунту 24 місяці варіанти із забрудненням 100 ГДК починають характеризуватися меншою кількістю меланінсинтезувальних мікроміцетів, ніж ґрунти із нижчим ступенем забруднення. При цьому загальна кількість мікроміцетів у варіантах із максимальним ступенем забруднення різко зростає. Це свідчить про те, що за тривалого забруднення сірого лісового ґрунту починають діяти інші механізми захисту клітин мікроміцетів від руйнівної дії важких металів. Отже, кількість і частка меланінсинтезувальних мікроміцетів у загальній кількості мікроміцетів може бути 2 UA 105876 U використана як діагностична ознака ступеня забруднення ґрунтів високими дозами важких металів за строків забруднення, не триваліших за 2 роки. Таблиця 2 Вплив строку забруднення важкими металами на загальну чисельність мікроміцетів (1) та їх меланінсинтезувальних форм (2) у сірому лісовому ґрунті (екстенсивний агрозем) Строк інкубування 1 доба 21 доба 1* 2* %** 1 2 % 1 6 місяців 2 % Контроль без 11,0 2,14 19,5 20,2 4,32 21,4 13,0 рослин Контроль +фітоцен 15,1 3,48 23,0 16,9 6,03 35,7 16,9 оз 5 ГДК без 13,0 8,78 67,5 35,1 7,25 20,7 9,68 рослин 5ГДК+фі 8,33 3,62 43,5 32,2 9,41 29,2 8,72 тоценоз 10 ГДК без 18,2 11,5 63,2 28,8 5,84 20,3 10,0 рослин 10 ГДК+фіт 10,2 4,11 40,3 48,6 14,1 29,0 8,89 оценоз 100 ГДК без 7,65 7,60 99,3 16,9 8,07 47,8 31,7 рослин 100 ГДК+фіт 6,22 5,92 95,2 25,1 7,26 28,9 31,2 оценоз НІР05 0,44 0,14 0,82 0,55 0,48 12 місяців 1 2 % 18 місяців 1 2 % 24 місяців 1 2 % 3,65 28,1 22,8 5,43 23,8 12,5 4,20 33,6 35,3 4,99 14,1 5,79 36,0 9,11 5,10 56,0 16,3 5,00 30,7 48,3 9,96 20,6 3,68 38,0 9,80 4,35 44,4 13,5 5,50 40,4 34,4 5,23 52,3 4,17 47,8 14,4 5,00 35,7 14,6 4,30 29,5 51,0 10,8 21,2 6,14 61,4 12,5 4,42 35,4 13,6 5,01 36,8 27,1 6,59 24,3 5,56 62,5 8,80 10,1 12,5 10,1 4,92 48,5 39,6 4,56 11,5 18,5 58,3 47,4 3,31 6,98 74,5 5,72 7,65 123, 2,23 1,80 3 17,5 56,0 38,6 16,9 43,8 119, 32,3 27,0 96,5 2,25 2,33 6 0,30 0,81 0,32 0,60 0,30 0,80 0,30 Примітка: 1*, 2* - тис. КУО*/г абсолютно сухого ґрунту, ** - частка меланінсинтезувальних форм у загальній кількості мікроміцетів, % 5 10 15 20 Джерела інформації: 1. Патент SU 1092412, G01N 33/24; опуб. 15.05.1984. 2. Патент RU 2001134832, G01N 33/24, G01N 33/18; опуб. 20.06.2003. 3. Патент RU 2007146582 A, H02G 7/00, опуб. 27.06.2009. 4. Почвы и микробное разнообразие / Т.Г.Добровольская, Л.В. Лысак, Д.Г. Звягинцев//Почвоведение.-1996.- №6. - С. 699-704. 5. О показателях структуры бактериальных сообществ / Т.Г.Добровольская, И.Ю.Чернов, Д.Г. Звягинцев // Микробиология.-1997. - Т.66, №3. - С. 408-414. 6. Теоретические основы экологической оценки микробных ресурсов почв / Д.Г. Звягинцев, Т.Г.Добровольская, Л.М. Полянская, И.Ю.Чернов, /// Почвоведение.-1994. - №4. - С.65-73. 7. Полянская Л.М. Микробная сукцессия в почве: Автореф. дис. … д-ра биол. Наук: 03.00.07/Полянская Лариса Михайловна, МГУ. -. М., 1996.-96 с. 8. Почвенные организмы как компонент биогеоценоза / Под ред. Е.Н. Мишустина. - М.: Наука, 1984.-246 с. 9. Цветкова Л.А. Биологическая активность почв рекультивируемых ланшафтов Западного Донбасса в связи с диагностикой их состояния: Автореф. дис. …канд. биол. Наук: 03.00.07. - М., 1987.-24 с. 10. Аристовская Т.В. Теоретические аспекты проблемы численности, биомассы и продуктивности почвенных микроорганизмов / Т.В. Аристовская // Вопросы численности, биомассы и продуктивности почвенных микроорганизмов. - Л.: Наука, 1972. - С.7-20. 3 UA 105876 U 5 11. Биоиндикация на уровне экосистем / A.M. Степанов // Биоиндикация и биомониторинг. М.:Наука, -1991. - С. 59-64. 12. Патент RU 2 501 009 С1 опубл. 10.12. 2013 "Способ комплексной оценки экологического состояния почв". 13. Кожевин П.А. Определение состояния бактерий в грунте / П.А. Кожевин, Л.С. Кожевина, И.Н. Болотина // Доклады АН СССР.-1987. - т.297., № 5. -С. 1247-1249. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 Спосіб оцінювання екологічного стану ґрунтів, при якому визначають ступінь забруднення ґрунтів важкими металами за чисельністю та фізіолого-біохімічною активністю клітин азотобактера, а також чисельністю та часткою меланінсинтезувальних мікроміцетів у загальній кількості грибів. Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4