Автореферат: Сообщества мезопедобионтов юга Дальнего Востока России

6. Почвенная фауна в экологическом контроле

Содержание тяжёлых металлов в мезопедобионтах из заповедных и освоенных территорий: определяющие факторы.

Определены содержания тяжелых металлов (ТМ) I - III класса опасности в биомассе 50 видов беспозвоночных в разных вариантах встречаемости (Ганин, 1997). Концентрация элементов в значительной степени связана с особенностями биологии беспозвоночных (например, накопление стронция в раковине моллюсков или марганца в теле фитотрофных многоножек и жуков).

Показана видоспецифичность нижних пределов содержания ТМ-микроэл-ементов, т. е. устойчивое поддержание их минимально необходимого уровня вне зависимости от металлогении района (табл. 3). Установлено, что отличительной особенностью ТМ-абиогенов (ртуть и кадмий) является отсутствие нижнего предела содержания и их пассивное накопление в биомассе. Известно, что регуляция уровня кадмия в биомассе осуществляется, как правило, в очень узких границах (Челомин, 1998). Пространственная изменчивость биоконцентраций таких элементов контролируется, прежде всего, техногенными потоками и металлогенией региона. Всюду в районе исследования для кадмия характерен Кн>1. Аккумуляция ртути в загрязнённых почвах отмечается уже на уровне первичных консументов.

Таблица 3 - Диапазон содержания ТМ в видах-индикаторах на освоенных и заповедных территориях

Примечание - 1- Bradybaena maacki; 2 - Discus pauper; 3 - Eisenia nordenskioldi; 4 - Drawida ghilarovi; 5 - Arctogeophilus macrocephalus; 6 - Lithobius sibiricus; 7 - Carabus spp. Над чертой - освоенная, под чертой - заповедная территория. Концентрация дана в ppm для сухой массы; д по элементам составляет 9-16%.

У олигохет (организмов с низкими фоновыми концентрациями элементов) размах колебаний содержания ТМ в биомассе на загрязнённых участках отмечен для бульшего количества анализируемых элементов (табл. 3), чем у моллюсков (организмов с более высоким фоновым показателем). Тот факт, что на освоенной территории региона концентрации металлов в беспозвоночных могут быть ниже, чем на заповедной, подтверждает влияние на данный признак геохимического фона (Ивашов, 1993; Христофорова и др., 1993).

В условиях техногенно загрязненных почв выявлены повышенные концентрации ТМ в биомассе всех модельных видов, т. е. аккумуляция в равной степени проходит на всех трофических уровнях мезопедобионтов сразу (Ганин, 1992). Определяется это особенностями пищевых сетей в почве (облигатностью микробного звена, миксофагией и др.). Поэтому накопление ТМ на трофическом уровне хищников у одноразмерных педобионтов не является правилом и зависит в основном от видовых эколого-физиологических особенностей пары «продуцент-консумент» или «хищник-жертва».

В условиях природных концентраций безбарьерное аккумулирование в беспозвоночных и накопление металлов-микроэлементов по трофической цепи в почве не происходит ни в каких случаях. Это регулируется, вероятно, на уровне микроэволюционных процессов.

Анализ показывает, что факторы, по-разному влияющие на содержание ТМ в мезопедобионтах, по убыванию своей значимости распределяются в следующем порядке.

I. Геохимический фон территории, ландшафтные особенности миграции ТМ, их биодоступность - контролируют популяционные отличия.

II. Экологическая ниша вида с её важнейшими условиями и ресурсами (среда обитания, способ и объект питания).

III. Концентрация металлов в корме, их взаимодействия (синергизм/анта- гонизм).

IV. Эколого-геохимические свойства элементов, включающие биологическую роль и значение живого вещества в их миграции.

Обозначенные факторы являются существенными для отбора модельных видов. Близкородственные виды со сходными экологическими нишами могут быть использованы в качестве единого биоиндикатора такой нагрузки. Весь диапазон концентраций ТМ в биомассе вида составляет «ёмкость биоиндикатора» - показатель экологической толерантности к условиям среды.

Пороговый эффект у некоторых беспозвоночных при миграции тяжёлых металлов в трофической цепи «почва-педобионты».

Зависимость концентрации металла в биомассе трофически близких педобионтов от его содержания в почве чаще не носит линейный характер даже при безбарьерном типе накопления.

Установлено, что в случае загрязнения почвы Pb, Zn, Co, Sr (при потенциально равном количестве их биодоступных форм) у малозольных высокобелковых педобионтов одной размерной группы с наименьшими исходными фоновыми концентрациями таких микроэлементов раньше, чем у других беспозвоночных, повышается уровень этих металлов (рис. 8). Именно такие беспозвоночные (например, земляные черви или некоторые виды двупарноногих многоножек) являются наиболее чувствительными к природно-техногенным колебаниям содержания металлов в почве, что выражается в значении относительной величины Љ (Dr min/Do, где Dr - минимальная зарегистрированная тест-объектом доза, Do - доза поллютанта, попавшая в него). Данный параметр используется для межвидового сравнения и измеряется в долях единицы: чем меньше его значение, тем чувствительнее индикатор (Ганин, 2008а). Это имеет определяющее значение для ранней биоиндикации почвенного загрязнения и должно учитываться при нормировании предельных нагрузок на почву.

Зависимость между содержанием микроэлементов в беспозвоночных и среде их постоянного обитания выражается в общем виде адсорбционной кривой с четырьмя диапазонами (рис. 9).

В дополнение к трем, обозначенным А.Л. Ковалевским (1969), нами предложен еще один (IV) - диапазон аномально повышенного содержания биодоступных форм элементов в почве. При этих условиях в организме может начаться аккумуляция поллютанта. Уровень металла в его биомассе отражает загрязнение лишь при достижении в почве эффект-ориентированных критических концентраций. Содержание металла в теле в точке начала аккумуляции является порогом чувствительности биоиндикатора.

Рис. 8. Изменение содержания тяжёлых металлов (ppm) в модельных видах: А - свинец, Б - стронций и цинк, В - кадмий и кобальт. По оси абсцисс - места отбора проб на экологически чистых участках заповедников, по оси ординат - концентрация элемента в биомассе

Рис. 9. Кривая зависимости содержания микроэлементов в педобионтах от содержания в почве. Диапазоны содержания: I - малого, II - переходного, III - большого, IV - аномально повышенного

В связи с этим различаются две стратегии отношений педобионтов с ТМ:

· биоконцентрирование - генетически закреплённая способность организма концентрировать в себе определенные химические элементы из окружающей среды, что определяется биофильностью элемента и его физиологичными нормами, на абиогены не распространяется;

· биоаккумуляция - способность (часто приобретённая) увеличивать концентрации элемента в организме выше физиологичного значения, т.е. накопление поллютанта, проходящее исключительно в условиях техногенного загрязнения, распространяется на все группы металлов.

Для абиогенов, в силу отсутствия нижних пределов содержания и слаборазвитых способов их экскреции, пассивное накопление поллютантов носит практически безбарьерный характер.

Выбор вида для экологического контроля возможен на основе «рядов чувствительности биоиндикаторов» (Ганин, 1993). Исходя из конкретных условий биотопа, в качестве контроль-индикаторов загрязнения почвы беспозвоночные следуют в порядке убывания приоритета (учитывая концентрацию металла в теле, биохимический состав, а также доступность животного). Кадмий и ртуть таких рядов не имеют в силу абиогенности и связанных с этим особенностей накопления на загрязнённых участках.

Особенности выбора олигохет для биотестирования ксенобиотиков в разных почвенно-экологических условиях.

В ходе лабораторных экспериментов установлено, что близкие виды олигохет могут по-разному реагировать на один и тот же ксенобиотик, т. е. имеет место экотоксикологическое несходство между таксономически связанными видами (табл. 4), определяемое, вероятно, разностями экологической ниши. В связи с этим существует зависимость трактовки результатов биотестирования от выбранного модельного вида (Ганин, 2008г).

Таблица 4 - Биологические показатели токсичности трихлорэтилена в отношении модельных видов олигохет (M ±10%)

Примечание - ppm - часть на миллион; прочерк - нет данных; * - эффект при содержание в агаре в течение одного часа.

Существует наследственно закреплённая адаптация почвенных животных к абиотическим условиям (температура, влажность, pH и т. п.). Известно, например, что оптимум существования для тест-видов энхитреид Enchytraeus albidus составляет 15С, а для E. crypticus - 25С. Подобное наблюдается и у люмбрицид: компостный червь Eisenia fetida (оптимум 25С) и обитающие в толще почвы виды того же рода с физиологическим оптимумом 12-18С.

В то же время почвы объективно различаются по тепловым режимам. На Дальнем Востоке существует два их типа: длительно сезоннопромерзающие и сезоннопромерзающие (Димо, 1972). Поэтому в условиях региона в качестве тест-объектов ксенобиотической нагрузки целесообразно использовать аборигенных олигохет с соответствующим экологическим стандартом вида, которые являются частью зонального комплекса педобионтов.

Кроме того, при выборе тест-объекта важно учитывать степень структурной развитости/деградации конкретного почвенного покрова. Разноразмерные виды олигохет (дождевые черви и энхитреиды) являются представителями почвенных экосистем разных пространственно-временных иерархических уровней (Покаржевский и др., 2000). По мере деградации почвы её структурное упрощение может приводить к последовательному исчезновению таких уровней. И тогда одна и та же доза ксенобиотика, безвредная для доминирующей биоты ненарушенных почв (третий иерархический уровень), может оказаться уже запредельной для оставшейся более мелкой биоты (второй и первый уровни) деградированной почвы.

Анализ результатов биотестирования гербицидов и инсектицидов показывает, что в случае контактного воздействия зависимость «доза-эффект» не является линейной: в направлении от минимального действия концентрации к стопроцентной летальной (LOEC>LC50>LC100) отношение доза/эффект возрастает в несколько раз. Это предполагает селективную адаптацию червей к пестицидам при их умеренном использовании. Учитывая значимость олигохет в почвенных экосистемах, необходимо рекомендуемые дозы инсектицидов формировать с учётом реакции этой группы мезопедобионтов.

Полученные данные важно учитывать при нормировании техногенного загрязнения и экотоксикологической нагрузки на почву.

7. Зоомикробные комплексы: обоснование и возможности

Основой взаимодействия почвенных микроорганизмов и беспозвоночных является облигатная экзо- и эндотрофическая зависимость животных от микробиального звена в детритной пищевой цепи (Криволуцкий, Покаржевский, 1988; Бызов, 2006). В связи с этим трофологические исследования мезопедобионтов (Стриганова, 1980) являются необходимым этапом в освещении данной проблемы.