1.2 Якість ґрунту як складова стійкості екосистеми
Сучасна концепція якості ґрунту розвинулася від розуміння різноманітних функцій, які виконує ґрунт в екосистемі. Якість ґрунту визначається як ключова у стійкості екосистеми. На відміну від функцій води та повітря, які прямо пов’язані із здоров’ям людини, функції ґрунту чинять опосередкований вплив (Warkentin, 1995).
Якість ґрунту – це здатність виконувати функції в межах природних чи керованих екосистем, щоб підтримувати біологічну продуктивність рослин і тварин, забезпечувати якість довкілля, сприяти здоров’ю людини (Doran et al., 1996).
Властивості ґрунту, які визначають його якість, можна поділити на постійні (мінеральна складова, гранулометричний склад) та динамічні (вміст гумусу, рН, мікробіота). Саме динамічні компоненти потребують постійного спостереження для відслідковування змін (Carter, 1996).
Визнано, що ґрунти є необхідними для нормального функціонування екосистем, що сприяють здатності системи витримувати несприятливі наслідки таких порушень, як посухи, шкідники, забруднення, експлуатація людиною, включаючи сільське господарство. Стійкість проти деградації та здатність відновитися після порушення є важливими показниками функціонування ґрунту.
Екологічний погляд на ґрунт розглядає вплив його функції на інші компоненти екосистеми (наприклад, воду, атмосферне повітря і біту), а також прилеглі до них екосистеми. Таким чином ґрунт змінює хімічний склад опадів і перерозподіляє водуу в навколишньому середовищі, бере участь у підтриманні балансу води і тепла, газів атмосфери і служить в якості резервуара для біорізноманіття та генетичного матеріалу.
Існує кілька підходів до визначення функцій грунту в екосистемі:
· Soil Science Society of America (1995): підтримання біологічної продуктивності, різноманітності; регулювання та розподіл води і розчинених потоком речовин; фільтрація, буферизація, іммобілізація і детоксикації органічних і неорганічних речовин; зберігання та включення в колообіг поживних речовин та інших елементів в біосфери Землі.
· Blum and Santelises (1994): виробництво біомаси; ґрунт як реактор (фільтри, буфери, перетворює матерію); ґрунт як середовище існування і депо генетичних резервів
· Warkentin (1995):утилізація та рециркуляція органічних матеріалів із вивільненням поживних речовин та енергії; розподіл опадів на поверхні ґрунту; підтримання стабільної структури для протистояння водної та вітрової ерозії; буферизація швидких змін температури і вологості, вмісту хімічних елементів; підтримання різноманітності місць проживання, створюючи широкий спектр розмірів пор та пустот у ґрунті; зберігання та поступове вивільнення поживних речовин і води; розподіл енергії на поверхні ґрунту.
Ґрунт як одна із фундаментальних абіотичних складових екосистеми є важливим об’єктом екологічного моніторингу. Ця значущість випливає також із взаємозв’язку усіх компонентів екосистеми через кругообіг речовин. При деградації ґрунту негативному впливу піддаються й інші компоненти екосистем. Речовини, які є ґрунті, можуть включатися у трофічні ланцюги, які можуть закінчуватися людиною. Полютанти здатні мігрувати у ґрунтові води, які стають носіями токсичних речовин (Kоrdel, 2001).
Для нормативної оцінки якості ґрунту визначають загальну концентрацію забруднюючих речовин, отриману за допомогою фізико-хімічних методів аналізу. Однак, для вивчення потенційного впливу на екосистему необхідною є оцінка через серію біотестів (Banks, 2005).
1.3 Оцінка якості ґрунту за допомогою тест-систем
Отримати інформацію про рекцію біологічних систем можна за допомогою методів біоіндикації та біотестування. Методи біоіндикації дозволяють отримати дані, що характеризують відгук біоценозів на антропогенний вплив. Характерно, що реакція формується протягом досить тривалого проміжку часу, тому може включати накладання різних чинників, їх коливання та адаптаційні механізми виду-індикатора (Семенов, 1984). Біоіндикатори не можуть миттєво реагувати на зміну екологічних умов, тому що їх індикаторними властивостями є популяційні процеси та процеси угруповання в цілому. Методи біотестування, на відміну від біоіндикації, являють собою характеристику ступеня впливу на біоценози. За допомогою цих методів можна отримати дані про токсичність конкретної проби води, ґрунту, забрудненої хімічними речовинами – антропогенного чи природного походження в даний час. Таким чином, методи біотестування близькі до методів хімічного аналізу. У той же час, на відміну від хімічних методів, вони дозволяють дати реальну оцінку токсичних властивостей води або іншого середовища, обумовлених присутністю комплексу забруднюючих хімічних речовин та їх метаболітів (Саксонов и др., 2007).
Біотест – дослід, в якому зіставляються реакції певного організму в умовах токсичного забруднення і чистому середовищі (контроль). Під токсичністю розуміють властивість хімічних речовин проявляти пошкоджуючу або летальну дію на живі організми. Речовина, що має токсичну дію, називається токсикантом, а процес впливу токсиканта на організм – токсикація (на екосистему – токсифікація).
Основним показником в біотестуванні є тест-функція – функціональний показник, що реагує на токсичний вплив і може бути виміряний кількісно за допомогою певного методу. Тест-реакція – кількісний вираз зміни тест-функції (Гідроекологічна токсикологія та біоіндикація забруднень, 1995).
Тест-фукнкціі, що використовуються в якості показників біотестування для різних об'єктів відмінні: для інфузорій, ракоподібних, ембріональних стадій молюсків, риб, комах − виживання (смертність) тест-організмів; для ракоподібних, риб, молюсків − плодючість, поява аномальних відхилень у ранньому ембріональному розвитку організму, ступінь синхронності дроблення яйцеклітин; для культур одноклітинних водоростей та інфузорій − загибель клітин, зміна (приріст чи зменшення) чисельності клітин в культурі, коефіцієнт ділення клітин, середня швидкість росту, добовий приріст кореня та ін ( Брагинский, 1993).
За Н. С. Строгановим (Строганов, 1971), кількісно токсичність речовини для окремого організму визначається як величина, обернена до медіанної летальної концентрації: Т = 1/LC50. Проте LC50 можна визначити тільки для однієї речовини і тільки в експеремкнтальних умовах і для певного виду організму. Проте, усі ці показники токсичності є більш актуальними для гідробіонтів і використовуються для оцінки токсичності вод та ґрунтових витяжок (Гідроекологічна токсикологія та біоіндикація забруднень, 1995).
Методи біотестування широкого використовуються при проведенні гідрологічного моніторингу якості вод. У розвинених країнах при контролі якості води, крім гідрохімічних аналізів, обов'язковим є токсикологічний контроль. Показник „токсичність” як норматив при контролі стічних вод та видачу дозволів на їх скидання в природні водойми застосовується в таких країнах, як Данія, Франція, Германя, Ірландія, Нідерланди, Великобританія, Норвегія, Бельгія, Швеція, Швейцарія, Канада, США, Австралія, Бразилія, Японія (Саксонов и др., 2007).
Існує безліч біологічних показників, за допомогою яких оцінюється стан та якість ґрунтів. Найбільш важливими для цілей ґрунтового моніторингу на промислових об'єктах є інтегральні показники біологічної активності: токсичність, „дихання ”, кількість вільних амінокислот і білків. Інтенсивність дихання ґрунту є виключно варіабельною величиною і залежить від великої кількості факторів (температурного режиму, вологість, стану фітоценозу та ін.) Для оцінки екологічного впливу забруднень необхідно проводити порівняння даних, отриманих на різних ділянках в максимально близьких умовах. Інформативними є й інші показники, наприклад, ферментативна активність. Попадання нафти і нафтопродуктів у ґрунт призводить до трансформаційних змін активності основних ґрунтових ферментів, що впливає на обмін азоту, фосфору, вуглецю і сірки (Киреева, Новоселова и др., 2001). Стійкі зміни в активності деяких ґрунтових ферментів можуть використовуватися як діагностичні показники забруднення ґрунтів нафтою. Для цього зручними об’єктами є ферменти, що об'єднуються під загальною назвою ґрунтові уреази. По-перше, вони менше піддаються впливу інших екологічних факторів і, по-друге, прослідковується чітка залежність їх активності від ступеня забрудненняня ґрунтів (Киреєва и др., 2001).
Застосування мікроорганізмів для оцінки інтегральної токсичності ґрунту і створення на їх основі комплексної системи чутливих, достовірних і економічних біотестів є перспективним напрямком досліджень.Багато фізіологічних груп ґрунтових мікроорганізмів виявляють чутливість по відношенню до нафтових вуглеводнів. Загальна кількість мікроорганізмів, як правило, досить чітко відображає мікробіологічну активність ґрунту, швидкість розкладання органічних речовин і кругообігу мінеральних елементів. На підставі даного показника можна не тільки судити про ступінь забруднення ґрунту нафтою, а й про потенційну здатність до відновлення, а також про процеси розкладання нафти у природних умовах і при рекультивації забруднених ґрунтів (Киреева и др., 2003). Нафтове забруднення може також сприяти накопиченню в ґрунтів мікроскопічних грибів, які виділяють фітотоксини та викликають захворювання рослин. Безпосередній вплив нафти на рослинний покрив виявляється в тому, що сповільнюється ріст рослин, порушуються функції фотосинтезу і дихання, відзначаються різні морфологічні порушення, сильно страждають коренева система, листя, стебла і репродуктивні органи (Киреева и др., 2003).