Оценка степени антропогенной нагрузки на урбосистемы г. саратова по данным экологического мониторинга снежного покрова

На правах рукописи

БЫКОВА МАРИНА АЛЕКСЕЕВНА

Оценка степени антропогенной нагрузки

на урбосистемы г. Саратова по данным Экологического мониторинга снеЖНого покрова

03.02.08 – экология (биология)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Ульяновск, 2012

Работа выполнена на кафедре экологии в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.»

Научный руководитель:	Абросимова Ольга Владимировна кандидат биологических наук, доцент
Официальные оппоненты:	Романова Елена Михайловна доктор биологических наук, профессор,
	заведующая кафедрой биологии, ветеринарной генетики, паразитологии ФГБОУ ВПО «Ульяновская государственная сельскохозяйственная академия имени П.А. Столыпина»
	Сергеева Ирина Вячеславовна доктор биологических наук, профессор,
	заведующая кафедрой ботаники и экологии ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова»
Ведущая организация:	Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Южный федеральный университет», г. Ростов-на-Дону

Защита состоится «27» декабря_ 2012 г. в 12.00 на заседании диссертационного совета Д 212.278.07 при ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный университет» по адресу: г. Ульяновск, ул. Набережная реки Свияги, д. 106, корпус 1, ауд. 703.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Ульяновского государственного университета, с авторефератом – на сайте вуза www.uni.ulsu.ru и на сайте Высшей аттестационной комиссии при Министерстве образования и науки Российской Федерации http://vak.ed.gov.ru

Отзывы на автореферат отправлять по адресу: 432017 г. Ульяновск, ул. Л. Толстого, д. 42, Ульяновский государственный университет, управление научных исследований.

Автореферат разослан «___» __________ г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат биологических наук, доцент С.В. Пантелеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Современные экологические проблемы во многом порождены стремительным процессом роста городов, в следствии которого природные территории изменяются в результате деятельности человека. Городские агломерации, разрастаясь, захватывают все большие территории. В крупных городах коренным образом изменяется структура и состав природных геосистем; создаются условия небезопасные для здоровья человека (Макаров, 2001; Артамонова, 2007; Иванов и др., 2010, 2011).

Саратов относится к числу крупнейших городов Нижнего Поволжья. В нем сосредоточены крупные предприятия химии, нефтехимии, нефтепереработки, стройиндустрии, машиностроения, энергетики, имеющие федеральное значение. На территории города размещено более 500 промышленных площадок, находятся нефтяной промысел и подземное газохранилище, работают аккумуляторные заводы.

При изучении закономерностей распространения загрязняющих веществ в окружающей среде г. Саратова следует учитывать его сложную территориальную систему, развитие которой обусловлено как социально-экономическими, так и природными факторами.

Идеальным индикатором загрязнения воздушного бассейна города является снежный покров, накапливающий весь спектр атмосферных поллютантов. Загрязнение снежного покрова отражает время накопления загрязнения, начиная с момента появления устойчивого снежного покрова до даты его отбора (Ардаков, 2004; Валетдинов, 2006; Перельман, 2000).

Мониторинг снежного покрова на территории г. Саратова на содержание химических контаминантов проводится только в течение последних 15 лет (Молостовский, 1999; Макаров, 2001). В тоже время для более полной и объективной экологической оценки степени антропогенной нагрузки представляется важным и актуальным сравнительный анализ содержания экотоксикантов и уровня токсичности, а также качественного и количественного состава микроорганизмов в снежном покрове с использованием базовых принципов геоинформатики.

Цель работы: оценка экологического состояния окружающей среды на основе микробиологического, химико-аналитического и экотоксикологического анализа снежного покрова урбосистем г.  Саратова за период 2007-2012 гг.

Для достижения указанной цели были поставлены и решались следующие задачи:

1. определить качественное и количественное содержание микроорганизмов в снежном покрове модельных полигонов г. Саратова, провести сравнительный анализ видового состава микробных ассоциаций в снежном покрове разных функциональных зон;

2. изучить химико-аналитические характеристики снежного покрова модельных полигонов г. Саратова: pH, содержание хлорид-, нитрат-, сульфат-ионов, тяжелых металлов (железа, меди, никеля, свинца, кадмия, цинка и кобальта).

3. оценить токсичность проб снега, отобранных из разных функциональных зон урбосистем г. Саратова методами комплексного биотестирования на тест-объектах: Chlorella vulgaris Beijer, Daphnia magna Straus, Lemna minor L., Raphanus sativus L., Triticum durum (Desf.) Thell.

4. разработать тест-систему для анализа и мониторинга снежного покрова урбосистем с учетом наиболее информативных показателей;

5. построить карты-схемы распространения загрязнителей в снежном покрове модельных полигонов г. Саратова;

6. оценить степень антропогенной нагрузки и экологическое состояние урбосистем г. Саратова на основе данных снегомерной съемки.

Научная новизна работы

Впервые проведено комплексное исследование экологического состояния урбосистем г. Саратова на основе микробиологического, химико-аналитического и экотоксикологического анализа снежного покрова модельных участков. Определены приоритетные загрязнители – тяжелые металлы (никель и кадмий) снежного покрова на территории г. Саратова. Установлен характер распределения ксенобиотиков в урбосистемах овражно-балочного типа ландшафта (на примере г. Саратова). Показано, что по суммарному показателю загрязнения лидируют площадки в центре города (Zc=140-154) за счет формирования «острова тепла» вследствие местных воздушных потоков, движущихся с окраинной части города в центр.

Выявлены закономерности изменения качественного и количественного состава микроорганизмов и их физиологических особенностей в зависимости от выделения из снежного покрова различных функциональных зон города. Установлено доминирование бактерий рода Bacillus и высокие значения содержания бактерий родов Staphylococcus и Enterococcus в верхнем 10-сантиметровом слое снега. Показано, что гетеротрофные бактерии находятся во всех слоях снежного покрова в виде ассоциаций пигментированных форм. Выявлено значительное увеличение содержания микромицетов по всей глубине снежного покрова урбосистем и преобладание форм с темным пигментом.

Обосновано использование комплекса тест-объектов для анализа токсичности снежного покрова урбосистем промышленных городов, включающего C. vulgaris Beijer, D. magna Straus, R. sativus L., T. durum (Desf.) Thell. Предложенный метод картирования снежного покрова урбанизированных территорий на основе комплексного экологического мониторинга может быть использован для диагностики состояния окружающей среды промышленных городов.

Теоретическая и практическая значимость. Полученные данные вносят существенный вклад в разделы прикладной экологии, изучающие влияние антропогенных факторов на экосистемы различных уровней с целью разработки экологически обоснованных норм воздействия хозяйственной деятельности человека на живую природу, и факториальной экологии для оценки влияния абиотических факторов на живые организмы в природных и лабораторных условиях с целью установления пределов толерантности и устойчивости организмов к внешним воздействиям.

Результаты исследования могут быть использованы: в научных целях при мониторинге экологического состояния окружающей среды и экологическом прогнозировании последствий деятельности человека на данной территории; при создании карт экологического состояния территорий; оценке риска воздействия человека на окружающую среду; в учебном процессе при преподавании дисциплин экологического профиля – экологического мониторинга, прикладной экологии, экотоксикологии, экологии микроорганизмов, рационального природопользования, охраны окружающей среды и др. – в Саратовском государственном техническом университете имени Гагарина Ю.А. и других высших учебных заведениях при подготовке бакалавров и магистров по направлению «экология и рациональное природопользование», а также при организации и проведении научно-исследовательских работ студентов, написании курсовых и дипломных работ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. В снежном покрове территорий г. Саратова содержание микроорганизмов количественно превышает контрольные (фоновые) значения; преобладают ассоциации пигментированных форм гетеротрофных микроорганизмов и микромицетов.

2. В снежном покрове территорий г. Саратова увеличивается содержание сульфатов, хлоридов и нитратов особенно вблизи мощных транспортных магистралей. Интенсивность аккумуляции (превышение фоновых концентраций) тяжелых металлов в снежном покрове г. Саратова убывает в ряду: Ni>Cd> Pb>Zn=Сu=Fe>Co.

3. Снежный покров г. Саратова характеризуется высокой и средней степенью токсичности по отношению к тест-объектам: наиболее чувствительными к комплексному загрязнению снежного покрова оказались тест-объекты C. vulgaris и D. magna.

4. Метод картирования снежного покрова урбанизированных территорий на основе микробиологического, химико-аналитического и экотоксикологического анализов может быть использован как диагностический показатель экологического состояния городских территорий.

Работа выполнена на кафедре экологии Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. в период с 2007 по 2012 гг. в рамках основных научных направлений ОНН 13 В «Разработка методов оценки и реабилитации загрязненных природных сред» (2005-2010 гг.) и 14 В «Экологические и биологические основы жизнедеятельности природных экосистем и человеческого общества» (2010-2012 гг.). Исследования поддержаны финансированием Федеральной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» (государственные контракты СГТУ-7, 2012) и «Мониторинг природно-территориальных комплексов водосборных бассейнов малых рек в условиях их хозяйственного освоения с использованием GIS-технологий» (СГТУ-67, 2012).

Апробация работы. Материалы диссертации были представлены на конференциях различного уровня: Международной Пущинской школе-конференции молодых ученых «Биология – наука ХХI века» (Пущино, 2008, 2009, 2010); II Санкт-Петербургском международном экологическом форуме «Окружающая среда и здоровье человека» (Санкт-Петербург, 2008); 4-ой Всероссийской конференции с международным участием «Экологические проблемы промышленных городов» (Саратов, 2009); Всероссийской научно-практической конференции «Социальные проблемы медицины и экологии человека» (Саратов, 2009); 14-ой Международной научно-практической конференции «Экологические проблемы современности» (Майкоп, 2009); XIII межрегиональном конкурсе научных работ молодых ученых, аспирантов и студентов вузов Приволжского федерального округа «Безопасность жизнедеятельности» (Уфа, 2009); Региональной научной конференции «Исследования молодых ученых в биологии и экологии» (Саратов, 2009); IX конференции молодых ученых «Научные основы сохранения биотического разнообразия» (Львов, 2009); Международных экологических студенческих конференциях «Экология России и сопредельных территорий» (Новосибирск, 2009, 2010); VIII Международной научно-практической конференции «Природноресурсный потенциал, экология и устойчивое развитие регионов России» (Пенза, 2010); 1-ых международных Беккеровских чтениях (Волгоград, 2010); Международной конференции «Антропогенная трансформация природной среды» (Пермь, 2010); II Всероссийской научной конференции «Научное творчество XXI века» (Красноярск, 2010); Всероссийской научно-практической конференции «Экология: синтез естественнонаучного, технического и гуманитарного знания» (Саратов, 2010); Всероссийской научно-практической конференции молодежи «Экология родного края: проблемы и пути их решения» (Киров, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 работ, в том числе три статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Личный вклад автора. Диссертант принимал непосредственное участие в разработке программы исследований, отборе образцов снега и их комплексном анализе. Полевые и экспериментальные исследования выполнялись автором лично или при непосредственном участии в составе научной группы. Обработка полученных данных, их интерпретация и оформление, а также разработка в итоге практических предложений осуществлены автором самостоятельно. Доля личного участия в публикациях составляет от 50 до 75%.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 134 страницах. Состоит из введения, 6 глав, выводов, списка литературы. Содержит 22 таблицы и 28 рисунка. Список литературы включает 159 наименований, из них 14 на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, задачи, научная новизна и практическая значимость работы, приведены положения, выносимые на защиту, изложена структура диссертации.

Глава 1 Обзор литературы

Глава включает описание антропогенно-нарушенных экосистем как феномена и объекта современных экологических исследований, содержит характеристику антропогенного воздействия крупных промышленных городов на окружающую среду и здоровье человека. В главе приводится анализ публикаций, монографий, обзорных и оригинальных статей отечественных и зарубежных авторов, касающихся вопросов экологического мониторинга урбосистем. Обосновано использование снежного покрова как показателя загрязнения территории, также рассмотрены возможные эффекты усиления или ослабления тех или иных загрязнителей при воздействии на них определенных условий окружающей среды (природных факторов). Все это позволило подобрать адекватные методы и модели для оценки состояния урбосистем г. Саратова на основе микробиологического, химико-аналитического и экотоксико-логического анализа снежного покрова.

Глава 2 Эколого-географическая характеристика г. Саратова

В главе дана общая ландшафтно-географическая характеристика территории г. Саратова, представлена особенность архитектурно-планировочной композиции функциональных зон города.

Город Саратов протянулся на 33 км вдоль правого берега реки Волги и занимает территорию общей площадью около 377 км2. В пределах г. Саратова выделены четыре ландшафтных района: Лысогорское плато, Приволжская котловина, Елшанско-Гусельская равнина и акватория Волгоградского водохранилища. Для каждого из этих районов характерна определенная специфика природных условий. Наибольший интерес представляет Приволжская котловина, так как здесь сформированы основные жилые промышленные зоны. Приволжская котловина изрезана овражно-балочной сетью и окружена с трёх сторон невысокими горами Приволжской возвышенности: Соколовая (165 м), Лысая (286 м), Лопатина (274 м), Алтынная (251 м), Увек (135 м).

Для климата г. Саратова характерна скачкообразная смена времени года. Сезоны года неравномерны по продолжительности, главными из которых являются летний и зимний, которые длятся 4,5-5 месяцев, и переходные – около месяца. Атмосферные осадки умеренные, в среднем в год выпадает 416 мм осадков, из них около 35% приходится на осадки холодного периода (ноябрь-март). Устойчивый снежный покров устанавливается в конце ноября и достигает 40-50 см.

Общая циркуляция атмосферы обусловливает преобладание в Саратове северо-западного, западного и южного ветра. Средняя годовая скорость ветра в городе равна 2,8 м/с. Штили чаще отмечаются в ночные часы. В течение всего года в городе преобладают слабые ветра – 1-5 м/с.

На формирование ветрового режима города большое влияние оказывает: рельеф города и его окрестностей, характер городской застройки, долина р. Волги и акватория Волгоградского водохранилища. Районы (Заводской, Октябрьский, Волжский) прилегающие к Волгоградскому водохранилищу испытывают влияние долины реки Волги. Высота распространения бризового потока с воды составляет 100-150 метров, а глубина проникновения на открытых участках 2 км, в условиях же городской застройки глубина их проникновения внутрь городских кварталов не превышает 0,5 км. Направление долины р. Волги влияет на ориентацию и скорость ветров: в Заводском районе скорость ветра несколько выше (на 0,5 м/с), чем в пределах других районов города и Лысогорского плато.

Почвенный покров территории г. Саратова отличается значительным разнообразием и пестротой, представленный реликтами природных и городских почв. На территории города произрастает более 100 видов деревьев и 87 кустарников. Однако, несмотря на довольно широкий видовой состав, основную массу деревьев и кустарников составляют породы, имеющие низкую эстетическую ценность, но устойчивые к тяжелым климатическим условиям города, загрязнению окружающей среды и отсутствию ухода за зелеными насаждениями.

Саратов является крупным промышленным городом и оказывает существенное воздействие на состояние окружающей среды. Основными источниками загрязнения атмосферы являются химическое производство, производство нефтепродуктов, электроэнергии. Так же существенное вклад в загрязнение города вносит все увеличивающийся поток автотранспорта.

Архитектурно-планировочная композиция города представляет собой конгломерат разных функциональных зон, перемежающихся друг с другом. Застройка склоновых территорий и прибрежной полосы перпендикулярно стоковым и бризовым ветрам, плотная застройка центральной части и естественных коридоров проветривания, отсутствие широких проспектов в сочетании с низким природным потенциалом самоочищения усиливают и без того высокий потенциал накопления примесей. Значительная площадь города способствует формированию «острова тепла» и стимулирует формирование местных воздушных потоков, движущихся с окраинной части города в центр, формируя более сложный рисунок загрязнения атмосферы города (Макаров, 2001).

Анализ территорий позволяет обосновать выбор в качестве полигона исследования Заводской район, так как здесь сформирована мощная производственная зона. Большой интерес представляет центральная, наиболее застроенная часть города, так как имеет своеобразные архитектурно-планировочные композиции и эколого-географические характеристики.

Глава 3 Объекты и методы исследования

Объектом исследования являлись пробы снежного покрова, отобранные на территории г. Саратова в феврале-марте 2007-2011 гг. в Заводском, Волжском и Фрунзенском районах со строгой картографической привязкой к местности (см. рис. 1). Были выбраны территории с разной степенью антропогенной нагрузки (территории вблизи промышленных предприятий, вдоль железных дорог, автомагистралей, социальных объектов, парках города и т.д.). В качестве фоновой территории выбрана условно чистая лесопарковая зона в районе летнего оздоровительного лагеря «Ударник».

Для микробиологического анализа пробы снега собирали по общепринятой методике в стерильную посуду. Посевы осуществляли в день отбора образцов по 0,1 мл талой воды поверхностным способом на твердые питательные среды. Для выделения и количественного учета гетеротрофных микроорганизмов использовали ГРМ-агар, а для выделения микромицетов – среду Сабуро. Учет численности микроорганизмов производили на 3-7 сутки и выражали в колониеобразующих единицах (КОЕ) в 1 мл талой воды (Нетрусов, 2005).

Отбор проб для химико-аналитического исследования и биотестирования осуществляли методом конверта при помощи весового снегомера ВС-43. В талой снеговой воде определяли содержания тяжелых металлов (Cu, Fe, Zn, Ni, Cd, Pb, Co) методом пламенной атомно-абсорбционной спектрофотометрии в соответствии с ПНД Ф 14.1:2.214-06. Исследование выполняли на атомно-абсорбционном спектрофотометре марки WFX-120. Для оценки накопления тяжелых металлов и уровня их содержания использовали геохимические показатели Кс (коэффициент концентрации) и Zc (показатель суммарного загрязнения, который характеризует превышение уровня элементов в твердом осадке снега, отобранного в черте города над фоновой территорией) в соответствии с МУ 2.1.7.730-99.

Рис. 1. Места отбора проб снега на территории г. Саратова

Макрокомпонентный состав (содержание хлорид-, сульфат- и нитрит-ионов) талой снеговой воды определяли в соответствии со стандартными методиками (ПНД Ф 14.1:2.159-2000, ПНД Ф 14.1:2:4.3-95,  ПНД Ф 14.1:2:4.111-97). Водородный показатель определяли при помощи рН-метра марки рН-150МП.

Биотестирование снеговых проб осуществляли по стандартным методикам с помощью тест-объектов, принадлежащих к разным систематическим группам: Chlorella vulgaris Beijer (ФР.1.39.2004.01143), Daphnia magna Straus (ПНД Ф 14.1:2:4.12-06 (ПНД Ф Т 16.1:2:3:3.9-06)), Lemna minor L. (Цаценко, Малюга, 2003), Raphanus sativus L. сорт Красный с белым кончиком, Triticum durum (Desf.) Thell. сорт Фаворит (ГОСТ 12038-84; ГОСТ Р ИСО 22030-2009). Для получения сопоставимых результатов по итогам тестирования рассчитывали индекс токсичности оцениваемого фактора (ИТФ) (Кабиров, 1997).

Обработку полученных данных проводили по общепринятым методикам с использованием t-критерия Стьюдента (Зайцев, 1991). Также использовали приложение Exсel, Word из пакета Microsoft Office 2007, Statistica 6.0. Построение карт осуществляли с помощью Surfer 8.0, MapInfo Рrofessional 9.5.

Глава 4 Оценка содержания микроорганизмов

в снежном покрове г. Саратова

Оценку численности гетеротрофных микроорганизмов и микромицетов осуществляли по всей глубине снежного покрова на модельных полигонах на территории г. Саратова. Максимальное количество гетеротрофных микроорганизмов в снежном покрове фоновой территории составило 1210 КОЕ/мл, микромицетов – 125 КОЕ /мл.

При сравнительном количественном анализе численности гетеротрофных микроорганизмов (табл. 1) наибольшее число КОЕ зафиксировано в пробах, собранных вблизи промышленных зон предприятий в Заводском районе (пробы № 5-7, 9), на территории Детского парка (пробы №25, 26) и Театральной площади (проба № 27) г. Саратова. Максимальное количество гетеротрофных бактерий зафиксировано в верхних слоях снежного покрова. Превышение по отношению к фону в верхнем 10-сантиметровом слое снега составило в Детском парке и на Театральной площади в 12 раз, в промзоне Заводского района в 9 раз. Следует отметить, что в этих же точках зафиксированы максимальные значения по всей глубине снежного покрова. Во всех пробах доминировали бактерии родов Bacillus, Staphylococcus, Enterococcus.

Анализ содержания микромицетов выявил сходное с гетеротрофными микроорганизмами распределение обилия по глубине снежного покрова (см. табл. 1), однако их количество варьировало в интервале от 10 до 7050 КОЕ/мл, что было ниже показателей, полученных для бактерий. Наибольшая степень микологического загрязнения – превышение составило в 55 раз – установлена на тех же территориях, что и для гетеротрофных микроорганизмов.

Таблица 1

Оценка численности микроорганизмов в снежном покрове

на территории г. Саратова

№ пробы	Содержание КОЕ в 1 мл талой воды
	Гетеротрофные микроорганизмы			Микромицеты
	0-10 см	40-60 см	100 см	0-10 см	40-60 см	100 см
1	220±12	360±23	1050±68	30±12	80±22	300±16
2	260±24	890±35	1240±32	90±16	280±23	990±45
3	190±15	870±42	140±22	50±9	70±12	90±16
4	1150±27	1200±23	1170±24	150±15	170±56	130±45
5	360±23	420±15	340±21	150±23	170±12	100±12
6	7200±45	11190±77	1060±15	5300±77	2640±56	3280±74
7	7900±65	9100±48	8060±16	6580±16	3640±12	3310±46
8	360±24	130±16	110±24	60±12	60±12	50±12
9	390±17	6860±39	4400±33	3890±29	6710±22	6530±56
10	490±18	370±35	560±12	610±12	450±45	690±45
11	790±23	1150±23	650±12	590±23	1160±12	630±76
12	720±25	190±22	610±26	940±45	570±22	730±12
13	1150±24	450±15	110±22	560±46	1200±23	1500±46
14	240±18	290±23	340±24	440±12	460±45	550±42
15	1100±36	1000±24	1200±34	120±11	30±12	190±16
16	170±12	300±16	240±12	240±16	450±46	300±19
17	1490±22	2650±24	2980±38	3480±27	430±22	2180±45
18	800±19	110±10	190±23	3500±33	2960±46	3100±23
19	780±26	130±12	520±22	730±34	400±12	290±15
20	430±33	140±13	80±15	70±11	780±16	420±16
21	2530±24	2790±27	3070±16	670±16	890±74	700±28
22	1720±72	217±31	225±22	460±22	750±15	650±45
23	520±12	10±2	270±24	740±42	670±16	160±41
24	240±15	672±22	290±16	560±45	570±12	1120±23
25	5470±65	6240±26	15000±89	3100±62	3980±44	6030±45
26	4160±56	3680±45	7880±73	1150±31	2760±12	1540±12
27	14210±73	8320±43	13240±89	7000±33	3950±16	7050±35
28	360±12	400±22	430±23	10±5	670±13	180±23
29	1360±24	2040±45	1400±52	1360±26	1580±46	1080±16
30	3600±42	1200±24	5600±55	300±13	150±12	430±12
Фон	1030±13	510± 9	1210±15	92±10	85±7	125±12

В промышленных районах и вблизи крупных автомагистралей г. Саратова преобладали микромицеты с темным цветом пигмента. По литературным данным известно, что появление такой пигментации является защитной реакцией микроорганизмов на действие тяжелых металлов (Марфенина, 1996, 2004; Клаустницер, 1990; Куимова и др., 2007).

Выявлены два участка с чрезвычайно высоким содержанием в снеговом покрове микроорганизмов. Первый участок – это промышленный центр Заводского района, в котором располагается большое количество крупных промышленных предприятий разных сфер деятельности, в том числе ТЭЦ-1. Второй участок – центральная часть города, которая в связи с особенностями ландшафтно-архитектурной застройки, расположением в Приволжской котловине, имеет специфическое распространение воздушных масс.

Глава 5 Оценка содержания химических контаминантов

в снежном покрове г. Саратова

Одними из чувствительных индикаторов загрязнения являются показатель pH, содержание хлорид-, сульфат- и нитрат-ионов.

Значения рН в пробах талого снега изменялись в диапазоне значений от 5,6 до 7,2 единиц (рис. 2). Значение pH снежного покрова условно чистой зоны составило 6,1 единиц. Эффект подщелачивания (рН = 7,19-7,20) отмечен в пробах талых вод, отобранных вблизи Авиационного завода (проба № 5) и на территории Детского парка (проба № 25).

Рис. 2 Значение водородного показателя снежного покрова г. Саратова

в токах пробоотбора

Содержание анионов в снежном покрове фоновой территории составило: хлоридов – 8,10 мг/ дм3, сульфатов – 5,14 мг/дм3, нитратов – 0,03 мг/ дм3. Концентрация хлоридов в исследуемых пробах снега изменялась в пределах от 3,55 до 68,16 мг/ дм3. Максимальное превышения контрольных значений составило 8,50 раз, и было зафиксировано в пробах, собранных вблизи крупных автомагистралей (№12, 16, 18, 27). Концентрация сульфатов в исследуемых пробах составила от 2,80 до 95,00 мг/ дм3. Максимальные значения обнаружены в пробах, собранных в районе Набережной города (№22) и вблизи автомагистралей (№ 9, 14). Нитраты в исследуемых пробах измерялись в диапазоне от 0,40 до 2,00 мг/ дм3. Наибольшие концентрации нитратов зарегистрированы в пробах, отобранных в Заводском районе города (№ 3, 14, 16). Максимальные значения содержания всех исследуемых анионов зафиксированы в пробах, отобранных на территории Заводского района (рис. 3).

Исследование снежного покрова на содержание тяжелых металлов, а именно меди, железа, цинка, никеля, кадмия, свинца, кобальта проводили по всей толще снежного покрова.

В пробах пригородной фоновой территории, содержание меди составило 0,01 мг/дм3, железа – 0,02 мг/дм3, цинка – 0,02 мг/дм3, никеля, кадмия, свинца и кобальта обнаружено не было. В среднем для снега, отобранного в пределах г. Саратова, характерно повышение концентраций тяжелых металлов по сравнению с фоновой территорией. Во всех пробах на территории г. Саратова кобальта обнаружено не было. Превышения содержания тяжелых металлов относительно фоновой территории составили: Cu (0,7-1,6), Fe (0,5-2,0), Zn (0,5-2,5), Ni (38,0-150,0), Cd (1,0-10,0), Pb (1,0-2,0). Максимальные превышения отмечены для никеля.

Рис. 3. Оценка содержания основных анионов в снежном покрове г. Саратова

Уровень содержания тяжелых металлов в снежном покрове на всей территории города выше фоновых значений. Картина распределения загрязнения по никелю носит монотонный характер с выделением локальных пятен с высоким уровнем загрязнения. Характер загрязнения по кадмию имеет ярко выраженный пятнистый рисунок. Значения Кс для свинца на всей территории города колеблется в интервале 1-2, максимальные концентрации Pb, также как и Сd обнаружены в Заводском районе. В целом для меди и железа характерно наличие нескольких ядер повышенного загрязнения, которые были зафиксированы в центре города. Сложный орнамент отмечен в распределении уровня загрязнения по цинку. С одной стороны, содержание цинка практически во всех пробах снега, собранных на территории города, было выше контроля. Исключением являются территории, расположенные в рекреационных зонах города. По суммарному показателю загрязнения территории города тяжелыми металлами в снеговом покрове лидируют площадки в Детском парке (пробы № 24, 25) и на Театральной площади (№ 27) (рис.4). Вероятнее всего, это обусловлено эффектом «острова тепла» и формированием специфической циркуляции воздуха в городах.

Рис. 4. Карта-схема пространственного распределения суммарного загрязнения тяжелыми металлами снежного покрова на территории г. Саратова

Глава 6 Биотестирование снежного покрова г. Саратова

Оценку токсичности снежного покрова г. Саратова проводили с помощью тест-объектов, принадлежащих к разным систематическим группам: C. vulgaris, D. magna, L. minor, R. sativus сорт Красный с белым кончиком, T. durum L. сорт Фаворит. Целесообразность применения этих тест-объектов обусловлена тем, что при таянии снега компоненты, входящие в его состав могут попадать в почву, поверхностные и грунтовые воды, а также возможна их транслокация в растительные организмы. Используемые тест-объекты являются обитателями водных и наземных экосистем.

По результатам биотестирования снеговых проб c помощью термофильного штамма одноклеточной зеленой водоросли C. vulgaris была установлена гипертоксичность проб, собранных в Заводском районе г. Саратова, в частности вблизи Авиационного завода (пробы № 5, 6), а также некоторых проб, отобранных в центре города вблизи автомобильных дорог (пробы № 26-28). Токсичными оказались пробы снегового покрова, отобранные на Набережной Космонавтов (пробы № 21-23). Не токсичными и слаботоксичными были пробы, отобранные в пешеходных зонах улиц и в жилой зоне города (пробы № 8, 10, 11, 13, 14, 18, 19, 25).

Оценка токсичности проб снега при помощи L. minor выявила практически во всех исследуемых пробах морфологические отклонения тест-объекта уже на вторые сутки, окраска листецов менялась до светло-зеленой, желтой и белой. Зеленый цвет листецов сохранился в пробах, собранных в жилых зонах Заводского района (пробы № 2, 4, 6, 11).

При исследовании проб снегового покрова с помощью тест-объекта D. magna установлено, что все пробы оказывали неблагоприятное или губительное действие на организм. Гипертоксичными оказались пробы, отобранные вблизи промышленной зоны Авиационного завода (пробы № 4, 5), ТЭЦ-1 (№ 12), а также в центре города в районе Детского парка (№ 24), высокотоксичными – большинство проб, отобранных в центре города (№ 26, 27), на Набережной (№ 21, 22), в Заводском районе (№ 13, 15, 17), исключение составили пробы, отобранные в скверах и жилых застройках Заводского района (№ 8, 10, 11).

Токсичность проб снега г. Саратова для тест-объекта R. sativus оценивали по способности подавлять или стимулировать всхожесть семян. По результатам биотестирования гипертоксичными (зафиксирована гибель тест-организма) оказались пробы, отобранные в Городском (№19, 20) и парке, на Театральной площади (№ 27), а также в жилом массиве, удаленном от промышленной зоны, Заводского района (№ 1). Высокотоксичными были пробы, отобранные вблизи промышленных зон предприятий на территории Заводского района (№ 2, №, 8, 10, 11) и вблизи транспортных потоков в центре города (№21, 26). Слаботоксичными и нетоксичными были пробы, отобранные в жилых и рекреационных зонах города (№ 4, 5, 17, 18, 23, 28).

Токсичность образцов снега для тест-объекта T. durum оценивали по всхожести семян и морфометрическим признакам. В результате исследования установлено, что гипертоксичными оказались пробы, отобранные вблизи Городского парка (19, 20) и Театральной площади (27). Несмотря на стимуляцию всхожести у T. durum отмечено угнетение ростовых процессов, приводящее к изменению морфометрических признаков, у растений пророщенных на пробах, собранных в районе Набережной Космонавтов (21, 22) и в Заводском районе на территориях, удаленных от промышленных зон (1-3, 16).

Стимуляция всхожести и увеличение морфометрических параметров по сравнению с контролем у тест-объектов выявлено при выращивании T. durum на пробах, собранных в Заводском районе на территориях с низкой степенью антропогенной нагрузки (№ 4, 6, 17), в центре города в районе Детского парка (№ 25) и сквера рядом с городским цирком (№ 28).

Морфометрические параметры на уровне контроля или незначительные отклонения отмечены у пшеницы, выращенной на пробах, отобранных в жилых массивах, удаленных от промышленных зон, в Заводском районе (№ 5, 13) и в районе Набережной города (№ 23).

Рис. 5 Значения ИТФ для тест-объекта T. durum проб снега, собранных на территории г. Саратова

(менее 0,5 – высокая токсичность; 0,5-0,7 – средняя токсичность;

0,71-0,9 – низкая токсичность; 0,91-1,1 – норма; более 1,1 – стимуляция)

Таким образом, по итогам тестирования наиболее чувствительным к интегральному загрязнению в снежном покрове г. Саратова оказались C. vulgaris и D. magna. В более половине проб зафиксирована гибель тест-объектов. При биотестировании с помощью D. magna практически во всех пробах отмечено подавление жизнеспособности организма. Неоднозначные результаты получены при оценке токсичности снежного покрова с помощью наземных растений. С одной стороны наблюдается стимуляция всхожести семян, однако дальнейшее развитие растений нестабильно.

Для получения сопоставимых результатов по итогам биотестирования определяли ИТФ по всем выбранным тест-объектам, данные представлены на рисунке 6.

По итогам тестирования установлено, что на территории города Саратова преобладала средняя и высокая токсичность снегового покрова (соответственно 53,3% и 39,4% площади исследуемой территории). Зоны средней токсичности представлены двумя изолированными пятнами. Первая зона имеет ярко выраженную форму окружности и расположена в приволжской части Заводского района. Вторая зона пальцеобразной формы занимает центральную часть города, вытягиваясь вдоль набережной. Внутри этих зон расположены многочисленные островки слабой токсичности (их доля в общей площади составляет 7,3%). Зона высокой токсичности занимает остальную часть исследуемой территории, отделяя зоны средней токсичности и спускаясь языком к реке Волга в районе п. Юриш.

Рис. 6. Карта-схема пространственного распределения индекса токсичности снегового покрова на территории г. Саратова

Таким образом, наиболее чувствительным и информативным тест-объектом при оценке токсичности снежного покрова г. Саратова оказались обитатели водоемов: C. vulgaris и D. magna, соответственно их можно рекомендовать для включения в тест-систему для оценки качества урбосистем, используя в качестве депонирующей поллютанты среды – снежный покров. При оценке токсичности снежного покрова с помощью ряски выявлена быстрая гибель тест-объекта, что делает этот объект нецелесообразным для применения. Использование высших наземных растений позволяет дополнить результаты токсичности, полученные для обитателей водоемов. Можно рекомендовать в качестве тест-объектов обитателей водоемов – одноклеточную зелёную водоросль C. vulgaris Beijer, планктонных ракообразных D. magna Straus, а также высшие наземные растения R. sativus L., T. durum (Desf.) Thell.

Сопоставление данных химико-аналитического, экотоксико-логического и микробиологического анализов за период 2007-2012 гг. позволило оценить экологическое состояние и степень антропогенной нагрузки на урбосистемы г. Саратова. Разработанная тест-система для анализа и мониторинга снегового покрова города Саратова может быть рекомендована для мониторинга урбосистем других городов с овражно-балочным типом ландшафта и выраженной антропогенной нагрузкой.

ВЫВОДЫ

1. Наибольшее число гетеротрофных микроорганизмов зафиксировано в поверхностном слое проб, отобранных в промышленных зонах Заводского района (превышение фоновых значений в 9 раз) и жилых районах центральной части города (превышения фоновых значений в 12 раз); установлено доминирование бактерий рода Bacillus и высокие значения содержания бактерий родов Staphylococcus и Enterococcus; гетеротрофные бактерии выделялись по всей толщине снежного покрова в виде ассоциаций пигментированных форм.

2. Выявлено значительное увеличение (в 55 раз) содержания микромицетов по всей глубине снежного покрова урбосистем по сравнению с фоновыми показателями; во всех пробах преобладали микромицеты с темным пигментом.

3. Водородный показатель снежного покрова урбосистем на территории г. Саратова изменялся в диапазоне от 5,6 до 7,2; максимальные значения отмечены в пробах, отобранных вблизи промышленной зоны авиационного завода и на территории Детского парка.

4. Установлен сложный характер распределения химических веществ в снежном покрове модельных полигонов в г. Саратове; приоритетными ксенобиотиками являются никель и кадмий. По суммарному показателю загрязнения лидируют площадки в центре города (Zc=140-154).

5. Снежный покров г. Саратова характеризуется высокой (53,3%) и средней (39,4%) токсичностью по отношению к тест-объектам. Наиболее чувствительным и информативным при оценке токсичности снежного покрова оказались тест-объекты C. vulgaris и D. magna.

6. Использование комплекса тест-объектов, включающего обитателей водоемов – одноклеточную зелёную водоросль C. vulgaris Beijer, планктонных ракообразных D. magna Straus, а также высшие наземные растения – R. sativus L. и T. durum (Desf.) Thell., является наиболее информативным при токсикологическом анализе снежного покрова урбосистем промышленных городов.

7. Сопоставление карты индекса биологического состояния с картой токсичности снежного покрова свидетельствует о высоком пространственном совпадении зон повышенного содержания микроорганизмов с зонами низкой токсичности. Метод картирования снежного покрова урбанизированных территорий на основе микробиологического, химико-аналитического и экотоксикологического анализов позволяет проводить диагностику экологического состояния промышленных городов.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Гудкова (Быкова), М.А. Оценка микробиологического состава снежного покрова города Саратова / М.А. Гудкова (Быкова), О.В. Абросимова, Н.В. Сахранова // Вестник Российской Военно-Медицинской Академии, – 2008 №3 (23) приложение 2, часть II. – СПб.: 2008. – С. 324-325.
2. Быкова, М.А. Особенности загрязнения снежного покрова г. Саратова / М.А. Быкова, О.В. Абросимова, Е.И. Тихомирова // Естественные и технические науки. – 2012. - №1 (57). – С. 94-97.
3. Быкова, М.А. Комплексная оценка состояния окружающей среды г. Саратова по данным химического и микробиологического загрязнения / М.А. Быкова, О.В. Абросимова, Е.И. Тихомирова, А.А. Макарова // Фундаментальные исследования. – 2012. – №5, Часть 1. – С. 133-137.

Публикации в других изданиях

4. Гудкова (Быкова), М.А. Оценка общего микробного числа в снеговом покрове г. Саратова / М.А. Гудкова (Быкова), Н.В. Сахранова // Биология – наука ХХI века: сб. тезисов 12-ой международной Пущинской школы-конференции молодых ученных (10-14 ноября 2008). – Пущино, 2008. – С. 260-261.
5. Гудкова (Быкова), М.А. Оценка сезонной динамики численности микроорганизмов в приземном слое воздуха и снеговом покрове промышленных районов г. Саратова / М.А. Гудкова (Быкова), О.В. Абросимова // Экологические проблемы промышленных городов: сб. науч. тр. 4-ой Всероссийской конференции с международным участием. – Саратов: Изд-во Сарат. гос. тех. ун-та, 2009. – часть II. – С. 3-5.
6. Гудкова (Быкова), М.А. Анализ численности микроорганизмов в приземном слое воздуха и снеговом покрове вблизи некоторых промышленных районов и автотрасс г. Саратова / М.А. Гудкова (Быкова) // Исследование молодых ученых в биологии и экологии: сб. тр. – Саратов: Изд-во Сарат. гос. ун-та, 2009. – Вып.7. – С. 26-29.
7. Гудкова (Быкова), М.А. Сравнительный анализ численности микроорганизмов в приземном слое воздуха и снеговом покрове разных функциональных зон г. Саратова и Энгельса / М.А. Гудкова (Быкова), О.В. Абросимова, И.С. Ракова, Е.В. Горбунова // Биология – наука ХХI века: сб. тезисов 13-ой международной Пущинской школы-конференции молодых ученных (28 сентября – 2 октября 2009). – Пущино, 2009. – С. 197.
8. Гудкова (Быкова), М.А. Анализ тренда численности микроорганизмов в приземном слое воздуха транспортных магистралей на примере промышленного узла Саратов–Энгельс / М.А. Гудкова (Быкова), И.С. Ракова, Е.В. Горбунова // Экология России и сопредельных территорий: сб. тезисов XIV международной экологической студенческой конференции. – Новосибирск, 2009. – С. 55-56.
9. Гудкова (Быкова), М.А. Микробиологический анализ снегового покрова и приземного воздуха территорий вблизи промышленных объектов и автодорог г. Саратова / М.А. Гудкова (Быкова), О.В. Абросимова // Социальные проблемы медицины и экологии человека: материалы Всероссийской научно-практической конференции. – Саратов: Изд-во Саратовского медицинского университета, 2009. – С. 57-59.
10. Гудкова (Быкова), М.А. Оценка сезонной динамики бактериального загрязнения приземного слоя воздуха и снегового покрова территорий промышленных объектов и автодорог г. Саратова / М.А. Гудкова (Быкова), О.В. Абросимова // Наукові основи збереження біотичної різноманітності: матеріали дев’ятої наукової конференції молодих учених (Львів, 1-2 жовтня 2009 року). – Львів, 2009. – С. 136-138.
11. Гудкова (Быкова), М.А. Биомониторинг атмосферных осадков различных функциональных зон агломерации Саратов – Энгельс (по результатам снегомерной съемки) / М.А. Гудкова (Быкова), О.В. Абросимова, И.С. Семенова, Е.В. Горбунова // Безопасность жизнедеятельности: материалы докладов XIII межрегионального конкурса научных работ молодых ученых, аспирантов и студентов вузов Приволжского федерального округа. – Уфа, 2009. – С.211-212.
12. Гудкова (Быкова), М.А. Микробиологический анализ снегового покрова различных функциональных территорий агломерации Саратов-Энгельс / М.А. Гудкова (Быкова), О.В. Абросимова, И.С. Семенова, Е.В. Горбунова // Экологические проблемы современности: сб. статей и тезисов XIV Международной научно-практической конференции. – Майкоп: Изд-во МГТУ, 2009. – С. 168-170.
13. Гудкова (Быкова), М.А. Особенности микробиологического загрязнения приземного слоя воздуха и снегового покрова различных функциональных территорий города Саратова / М.А. Гудкова (Быкова), О.В.Абросимова // Природно-ресурсный потенциал, экология и устойчивое развитие регионов России: сб. статей VIII Международной научно-практической конференции. – Пенза: РИО ПГСХА, 2010. – С. 5-7.
14. Гудкова (Быкова), М.А. Анализ численности микроорганизмов в приземном слое воздуха вблизи транспортных магистралей агломерации Саратов-Энегльс / М.А. Гудкова (Быкова), О.В. Абросимова, И.С.Семенова, Е.В. Горбунова // Первые Международные Беккеровские чтения: сб. науч. трудов (27-29 мая 2010 г.). – Волгоград, 2010. – Часть II. – С. 376-377.
15. Гудкова (Быкова), М.А. Микробиологический анализ снегового покрова территорий г. Саратова / М.А. Гудкова (Быкова), О.В. Абросимова // Биология – наука XXI века: сб. тезисов 14-ой Пущинской международной школы-конференции молодых ученых (19-23 апреля 2010 г.). – Пущино, 2010. – Т.2. – С. 221-222.
16. Гудкова (Быкова), М.А. Сравнительная оценка микробиологического загрязнения снегового покрова агломерации Саратов-Энгельс / М.А. Гудкова (Быкова), О.В. Абросимова // В мире научных открытий. – 2010. – №4(10). – часть 7. – С. 122-124.
17. Гудкова (Быкова), М.А. Микробиологический анализ снегового покрова г. Саратова / М.А. Гудкова (Быкова), Е.В. Горбунова // Экология России и сопредельных территорий: сб. тезисов XV Международной экологической студенческой конференции. – Новосибирск, 2010. – С. 130.
18. Гудкова (Быкова), М.А. Оценка химических и биологических контаминантов снегового покрова г. Саратова / М.А. Гудкова (Быкова), О.В. Абросимова // Экология: синтез естественнонаучного, технического и гуманитарного знания: Всероссийская научно-практическая конференция (19-22 октября 2010 г.). – Саратов: Изд-во Сарат. гос. тех. ун-та, 2010. – C. 111-112.
19. Гудкова (Быкова), М.А. Оценка загрязнений химического и биологического характера снегового покрова г. Саратова / М.А. Гудкова (Быкова), О.В.Абросимова // Антропогенная трансформация окружающей среды: сб. мат. международной конференции (18-20 октября 2010 г.). – Пермь: Изд-во Пермского гос. ун-та, 2010. – Т.3. – С. 87-91.
20. Гудкова (Быкова), М.А. Оценка токсичности талых вод снегового покрова города Саратова с использованием комплекса биотест-объектов / М.А Гудкова (Быкова), Е.С. Трояновская, О.В. Абросимова, Е.И. Тихомирова // Антропогенная трансформация окружающей среды : материалы Междунар. конф. (18-21 октября 2010 г.). – Пермь: Изд-во Пермского гос. ун-та, 2010. – Т. 3. – С. 227-231.

Благодарности. Автор глубоко признателен за помощь в работе своему научному руководителю — к.б.н. доценту кафедры экологии О.В. Абросимовой, заведующей кафедрой экологии факультета экологии и сервиса Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А., д.б.н., профессору Е.И. Тихомировой и всем сотрудникам кафедры.