40 почвенные беспозвоночные как индикаторы состояния

Международная молодежная Школа-семинар «Геохимия живого вещества»
содержания определенных элементов в золе растений
позволило четко определить границы между разными породами, перекрытыми рыхлыми отложениями (рис. 7) в
различных ландшафтных условиях Джунгарского Алатау и
Центрального Казахстана. Выбор растений для картирования и пары коррелирующихся элементов осуществляется
путем сравнения отношения фонового содержания элементов в растениях, произрастающих на участках с известными коренными породами.
Так как к разрывным нарушениям часто приурочены
подземные воды зон разломов, значительное количество
металлов в рыхлых отложениях над ними находится в
виде водорастворимых солей, наиболее доступных для
растений. В связи с этим над разрывными нарушениями и
зонами рассланцевания обычно выявляются контрастные
биогеохимические линейные аномалии (рис. 8). Сдвиг аномалий по отношению к разломам не превышает 40 м даже
при крутизне склона до 40° и мощности рыхлых отложений
20–30 м.
Почвенные беспозвоночные как индикаторы состояния территории
А.C. Бабенко
Национальный исследовательский Томский государственный
университет, Томск, Россия, andrey.babenko.56@mail.ru
Soil invertebrates as indicator of territory pollution
А.S. Babenko
National Research Tomsk State University, Tomsk,Russia, andrey.babenko.56@mail.ru
Abstract. The possibilities of soil invertebrates as indicator of natural and disturbed territories have been studied. It
was shown significant importance of soil meso- and macro-fauna (especially Carabidae and Staphylinidae beetles) as
indicators of soil pollution by heavy metals.
Под биологическими индикаторами принято понимать
организмы, которые показывают изменения в окружающей
среде своим присутствием или отсутствием, изменением внешнего вида, химического состава, поведения. При
экологическом мониторинге загрязнений использование
биологических индикаторов часто дает более ценную информацию, чем прямая оценка загрязнения приборами,
так как биологические индикаторы реагируют сразу на весь
комплекс загрязнений.
В ряду биоиндикаторов состояния наземных экосистем
часто рекомендуется использовать различные группы беспозвоночных животных, преимущественно обитателей почвы и подстилки. Отмечено, что сообщества почвенных
беспозвоночных реагируют на антропогенные воздействия
более отчетливо и раньше, чем это можно обнаружить на
основе химических анализов почвы. По всей видимости это
объясняется тем, что подавляющая доля поступающих в
окружающую среду экотоксикантов удерживается верхними слоями почвы из которой они вовлекаются в биогенный
круговорот [3].
Принято выделять два типа биоиндикаторов: «индикаторы аккумуляции» или индикаторы химического состава
среды и «индикаторы активного мониторинга» или организмы для наблюдения за текущим состоянием окружающей среды. Считается, что виды с широкой экологической
амплитудой (эврибионты) мало пригодны для индикационных целей, в то время как стенобионты служат хорошими
индикаторами определенных условий среды Однако перспективными индикаторами могут быть виды как с узкой,
так и с широкой толерантностью к антропогенным влияниям. При изменении условий в экосистеме могут исчезнуть
40
виды с узкой экологической амплитудой, а численность
видов с широкой амплитудой может повышаться [2, 3].
Отдельные виды животных могут быть хорошими индикаторами физических, химических и биохимических
свойств почв. Например, связь беспозвоночных с механическим составом определяется, во-первых, механическими особенностями почвы как субстрата и может быть
диагностирована с помощью размеров, внешних и морфологических особенностей животных (мелкие формы
характерны для более легких почв, блестящие покровы у
обитателей легких почв и тусклые, матовые – у обитателей
тяжелых, отсутствие выростов на головной капсуле личинок насекомых, обитающих в тяжелых почвах). Во-вторых,
механический состав определяет аэрацию, особенности
гидротермического режима почв.
Почвенные беспозвоночные являются чуткими индикаторами влажности почвы. Встречаемость тех или иных
видов может быть показателем влажности или сухости местообитания. Однако, характеристики гидротермического
режима по встречаемости тех или иных видов имеют относительный, географически обусловленный характер и
популяции одного вида в разных частях широкого ареала
характеризуются часто разным диапазоном требований в
отношении гидротермических условий (согласно правилу
смены стаций). Также представители почвенной фауны
могут быть индикаторами солевого режима почв. Например, в солончаках наблюдается специфический состав
беспозвоночных-галофилов (стафилиниды рода Bledius,
чернотелки), которые, как и растения галофиты, могут
быть индикаторами процессов засоления. Некоторые беспозвоночные, являющиеся в большей или меньшей степе-
Посвящено 150-летию со дня рождения В.И. Вернадского (1863–2013 гг.), г. Томск, 2–5 июня 2013 г.
ни калькофилами (моллюски, диплоподы, мокрицы), могут
быть индикаторами богатства почвы кальцием.
Не все группы почвенных беспозвоночных равнозначны как индикаторы. В частности, из числа индикаторов приходится исключить многих представителей микрофауны,
отличающихся космополитизмом. Из простейших основной
группой для целей биоиндикации служат раковинные амебы (тестации), так как они относительно легко определяются по строению раковин, которые хорошо сохраняются в
почве. Характерной особенностью тестаций является наличие у многих видов экологических преферендумов по отношению к среде обитания. В результате, все разнообразие
форм раковин группируется в несколько эколого-морфологических типов раковин. Каждый из экоморфотипов соответствует определенному местообитанию от водной среды
болот до минеральных почвенных горизонтов.
Достаточно сложно использовать в качестве индикаторов почвенных микроартропод (клещи, коллемболы), так
как они достаточно трудны для идентификации, а также могут быть связаны с определенными видами растений. Однако, набор видов и соотношение численности основных
групп микроартропод (клещей и коллембол) характерны
для каждого типа почв и резкие изменения в окружающей
среде приводят к достаточно быстрой реакции комплекса
микроартропод, поэтому эти педобионты удобны при индикационных работах на уровне комплекса видов. К числу
преимуществ микроартропод относится то, что они часто
являются единственными представителями животных организмов в сильно измененных экосистемах (агроценозах,
отвалах промышленных предприятий, свалках и т.п.), что
позволяет рекомендовать их для индикации нарушенных
территорий.
Наиболее удобны для биоиндикационных работ крупные почвенные животные (представители мезо- и макрофауны). Как правило, среди них достаточно много истинных
педобионтов, что обусловливает тесную и ярко выраженную связь этих животных с изменениями, происходящими в
почве. Важно, что среди представителей мезофауны много видов-полифагов, т.е. мало связанных с определенным
типом пищи. Наиболее удобны в качестве индикаторов
дождевые черви, щелкуны и их личинки, крупные хищные
насекомые (жужелицы и стафилиниды), некоторые виды
мокриц и диплопод, в аридных зонах – тараканы, чернотелки и их личинки. В целом, выбор определенной группы
или вида беспозвоночных в качестве индикатора почвенных условий должен основываться на его доминировании
в естественных (или эталонных) местообитаниях.
В исследованиях, проведенных на юге Сибири отмечено, что почвенные и напочвенные коротконадкрылые жуки
(стафилиниды) и жужелицы относятся к числу наиболее
удобных для целей биоиндикации наземных организмов.
В частности, они отвечают всем основным требованиям,
предъявляемым к организмам – индикаторам промышленных загрязнений. К числу этих требований относятся: достаточная многочисленность в сравниваемых экосистемах,
доступность в большом спектре местообитаний на протяжении года, быстрое чередование генераций, способность
аккумулировать загрязняющие вещества, способность лег-
ко содержаться в культуре в лабораторных условиях. Хищные стафилиниды и жужелицы удобны как индикаторная
группа еще и потому, что они занимают высокое положение в пищевых сетях наземных сообществ [2].
Исследование возможностей стафилинид и жужелиц
аккумулировать в теле различные микроэлементы и абиогены проводилось на территориях с высоким уровнем
промышленной антропогенной нагрузки: в районе Северного промышленного узла (СПУ) г. Томска и на южной
окраине города с высоким уровнем промышленного воздействия (район Радиотехнического завода). Для сравнительного анализа содержания элементов был выбран ряд
массовых видов стафилинид и жужелиц, встречающихся
на всех сравниваемых территориях (Philonthus decorus
Grav., Philonthus rotundicollis Men., Tachinus rufipes DeGeer,
Drusilla canaliculata F., Poecilus cupreus Grav., Pterostichus
oblongopunctatus F.).
С помощью нейтронно-активационного анализа состава тела жуков, выявлен уровень накопления следующих
элементов: K, Na, Ca, Zn, Br, Sc, Cr, Fe, As, Co, Se, Rb, Hg,
Cs, Ba, La, Ce, Sm, Eu, Tb, Yb, Lu, Hf, Ta, Au, Th. Для таких
элементов, как Ag, Sb и U во всех пробах содержание элементов было меньше предела определения данным методом. Часть из вышеперечисленных тяжелых металлов
и редкоземельных элементов являются хемотоксичными
(Cr, Zn, As, Se, Ba, Hg) и радиотоксичными (Sr, Cs, Th). Поэтому основное внимание при дальнейшем анализе уделено возможностям жужелиц и стафилинид аккумулировать
эти элементы.
В ходе исследований было показано, что лучшим аккумулятором большинства загрязнений служит Philonthus
decorus Grav.; уровень накопления таких элементов, как Sc,
Cr, Fe, Rb, Cs, Ce, Eu, La, Yb и Hf вблизи очистных ТНХК
является максимальным среди всех обследованных территорий северной промышленной зоны. Сравнительно меньшими аккумулятивными возможностями обладает T.rufipes
DeGeer; так, у очистных сооружений жуки этого вида накапливали большинство элементов в 2–4 раза меньше, по
сравнению с P.decorus, а следов Rb, Cs, Eu и Yb в стафилинах этого вида не обнаружено. Непосредственно у производственных корпусов ТНХК в теле стафилинид отмечено
повышенное содержание cелена и ртути (P.decorus). Другие стафилиниды (P.rotundicollis, T.rufipes) аккумулируют
эти элементы в незначительном количестве. Максимальное содержание ртути и кобальта в теле жуков из всех
исследованных образцов отмечено вблизи г. Асино, в 90
км к северо-востоку от Томска. В данной точке аккумуляционные возможности T.rufipes и P.decorus приблизительно
одинаковы.
В южных пригородах Томска наибольший уровень накопления тяжелых элементов в теле жуков отмечается около
одного из крупнейших предприятий города – радиотехнического завода (РТЗ). В частности, концентрация бария в
теле P.decorus почти в 25 раз превышает аналогичные показатели для других территорий. Жуки этого вида в значительной степени аккумулируют около РТЗ также La и Co , а
содержание Se в теле P.decorus также заметно выше, чем
у других стафилинид. Эта тенденция прослеживается на
41
Международная молодежная Школа-семинар «Геохимия живого вещества»
большинстве обследованных участков. [1, 6].
Cравнительный анализ аккумулятивных возможностей
различных групп животных на обследованной территории
показал, что стафилиниды являются наиболее удобным
объектом для отслеживания распространения по территории ряда редкоземельных элементов (Th, Hf, Yb, Eu, Rb),
которые практически не улавливаются другими биоиндикаторами (амфибии, мышевидные грызуны).
Высокая индикационная ценность показана для хищных герпетобионтов как индикаторов промышленных загрязнений в ряде других регионов России. Так, в лесных
экосистемах по мере приближения к Косогорскому металлургическому комбинату (Тульская обл.) наблюдалось
снижение численности и видового разнообразия жужелиц;
возрастал уровень флуктуирующей асимметрии надкрылий модельного вида Pterostichus oblongopunctatus; присутствовали виды-индикаторы антропогенной нарушенности биоценозов (Carabus nemoralis). Ответы популяций
жужелиц не зависели от содержания в них тяжелых металлов. Плотность популяций почвенной мезофауны и общая
трофическая активность почвенной биоты на загрязненной
территории достоверно не отличались от фоновых участков. Реакция популяций геобионтов на воздействие комбината определялась не валовой величиной концентрации
тяжелых металлов в почве, а содержанием их подвижных
форм, которое максимально на удалении ок. 2–5 км от комбината.
Возможным объяснением несоответствию реакций
геобионтов и герпетобионтов на воздействие загрязнения
являются экологические механизмы воздействия тяжелых
металлов на них: геобионты подвержены прямому влиянию токсикантов в почве, а на герпетобионтов влияет изменение структуры ценоза. Пространственное распределение почвенных животных и дерново-подзолистой почве
на уровне «исследуемой точки» на незагрязненных территориях в окрестностях Боровской станции МГУ в Калужской
обл. показывает высокую вариабельность как плотности
популяций, так и их биоразнообразия, которая на этом
масштабе исследований не коррелирует с изменчивостью
физико-химических параметров почвы [4, 5].
Литература
1. Бабенко А.С. Использование стафилинид (Coleoptera,
Staphylinidae) как индикаторов химического загрязнения
среды на техногенных территориях // Экология и рациональное природопользование на рубеже веков. Итоги и
перспективы. Матер. Междунар. Конф. – Томск, 2000. – T.II.
– С.16–18.
2. Богач Я. Жуки-стафилиниды (Coleoptera, Staphylinidae) как
биоиндикаторы экологического равновесия в ландшафте и
влияния человека на примере города Праги // Биоиндикация
в городах и пригородных зонах. – М.: Наука, 1993. – С.36–42.
3. Бутовский Р.О. Экотоксикология почвенных беспозвоночных животных. Тула. Изд-во Тульского пед. ун-та 2009. –
80 с.
4. Гонгальский К.Б. Почвенные беспозвоночные как биоиндикаторы промышленного воздействия в лесных экосистемах
Центра Европейской России: Дис. … канд. биол. наук. – М.,
2004. – 160 c.
5. Гонгальский К.Б. Различия реакции герпетобионтов и геобионтов на воздействие Косогорского металлургического
комбината (Тульская обл.) / К.Б. Гонгальский, Ж.В. Филимонова, А.Д. Покаржевский, Р.О. Бутовский // Экология, 2007.
– №1. – С.55–60.
6. Babenko A. Bioaccumulation possibilities of the rove beetles (Coleoptera, Staphylinidae) in the urban environment in Siberia // 1st
Russian SETAC Symp. Risk Assessment Environ. Contamination. Abstr. – St.-Petersburg, 1998. – P.48.
О некоторых тенденциях в изменении химического
состава живого вещества
Н.В. Барановская
Томский политехнический университет, Томск, Россия, nata@tpu.ru
On Some Tendencies in Changes of Living Matter Chemical Composition
N.V. Baranovskaya
Tomsk Polytechnic University, Russia, nata@tpu.ru
Abstract. The article discusses the history of idea development in living matter geochemistry, contribution of leading
scientists in its evolution. The data on biosphere evolution under the condition of technogenesis are presented. The
materials revealing local problems in element concentrations in animal and human tissues and organs.
История развития представлений о геохимии биосферы тесно связана с именем Владимира Ивановича Вернадского, создавшего учение о биосфере и впервые поднявшего вопрос о необходимости специального изучения
функций живого вещества, игравшего колоссальную роль
в перераспределении химических элементов в различных
средах, с которыми оно соприкасается. Идеи изучения де-
42
ятельности живых организмов с геологической точки зрения зародились у В.И. Вернадского еще в студенческие
годы, когда он участвовал в полевых экспедициях своего
учителя – почвоведа В.В. Докучаева. Затем они получили
развитие в годы пребывания на Украине (1916–1920) и во
Франции (1922–1926). А начиная с 1921 года, Владимир
Иванович организует систематические исследования по