АННОТАЦИЯ 3
ВВЕДЕНИЕ 4
1 История изучения влияния микропластика на окружающую среду 9
2 Условия почвообразования территории исследования 13
2.1 Рельеф 14
2.2 Климат 16
2.3 Растительность 20
2.4 Почвообразующие породы 24
2.4 Почвы исследуемой территории 25
3 Объекты и методы исследования 27
4 Агрофизические и агрохимические свойства исследуемых агропочв 57
5 Методы и методики детекции микропластика 65
5.1 Методы детекции микропластика 65
5.2 Методики детекции микропластика 80
6 Основные характеристики микропластика в агропочвах Западной Сибири и его
воздействие на компоненты окружающей среды 84
6.1 Количественные и качественные характеристики 84
6.2.1 Источники микропластика в почвах 84
6.2.2 Влияние микропластика на свойства почв 98
6.2.3 Влияние микропластика на почвенных беспозвоночных 100
6.2.4 Влияние микропластика на растения 104
6.2.5 Влияние микропластика на динамику и интенсивность CO2 105
ВЫВОДЫ 108
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 110
ПРИЛОЖЕНИЕ А 121
ПРИЛОЖЕНИЕ Б 121
ПРИЛОЖЕНИЕ В 129
ПРИЛОЖЕНИЕ Г 135
ПРИЛОЖЕНИЕ Д 154
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 156
Актуальность исследования: Пластик - незаменимый материал, необходимый для жизни современного человека. Однако его широкое использование и недостаточно надлежащее обращение с отходами привело к накоплению пластиковых фрагментов в мировом океане (Klingelhofer et al., 2020), почвенной среде (Zhang et al., 2021) и стало новой глобальной экологической проблемой.
Поступившие в природные условия пластиковые изделия под действием естественных условий, таких как течение и волновая динамика в водных экосистемах, солнечное излучение, некоторые группы микроорганизмов и почвенных беспозвоночных, которые вызывают медленную деградацию и фрагментацию пластиковых предметов, привнося в окружающею среду большое количество макро-, микро- и наночастиц.
Как не странно, но на фоне нынешней обеспокоенности из-за загрязнения окружающей среды пластиком, производство первого синтетического пластика (форма нитроцеллюлозы) было направлено именно на защиту слонов как представителей окружающей среды и связано со снижением спроса на слоновую кость, из которой делались бильярдные шары (Сапрыкин и др., 2021).
С течением времени и накопленных материалов, появилась необходимость разделять формы пластика. Frias J. et al (2019) предложили следующее определение микропластика: “Любые синтетические твердые частицы или полимерные матрицы правильной или неправильной формы, размером от 1 мкм до 5 мм первичного или вторичного производственного происхождения, которые нерастворимы в воде”.
Исследования микропластика показали, что частицы синтетических полимеров можно обнаружить во всех природно-климатических поясах, начиная от арктического морского льда, воды отдаленных горных озер, и заканчивая сельскохозяйственными почвами.
Согласно статистике, годовой объем производства пластмасс в 2017 году превысил 348 миллионов тонн, и предполагается, что к 2050 году во всем мире он может быть увеличен до 33 миллиардов тонн (Bilal et al., 2023).
Из-за деятельности человека, такой как, использование пластиковой мульчи в сельском хозяйстве, орошение сточными водами, внесение удобрений, ирригации загрязненной пластиком водой и передачи по воздуху, почва стала крупнейшим резервуаром МП, который может быть в 4-23 раза больше, чем в океане (Nizzetto et al., 2016).
Предполагается, что урбанизированные и сельскохозяйственные почвы особенно склонны к загрязнению МП, поскольку, именно они наиболее подвержены антропогенному воздействию деятельности человека (Moller et al., 2020).
Поэтому нельзя упускать из виду высокую концентрацию МП в почве, так как он представляет потенциальную угрозу для окружающей среды, изменяет химические и физико-химические свойства почв, влияет на микробную активность почвы, уничтожает почвенную фауну, уменьшает подвижность и доступность питательных веществ и диффузию влаги в почве, влияет на рост растений, замедляя развитие корней во время прорастания (Qi et al., 2018).
Также микропластик, который находится в почве имеет высокую вероятность передачи человеку, создавая угрозу для его здоровья, поскольку микропластик в конечном итоге передается животным и биоаккумулируется в пищевой цепи (Elizalde-Velazquez et al., 2021; Zhou et al.,2021).
Однако фактические масштабы загрязнения почвы микропластиком все еще неизвестны. Так как, исследования МП в почвах до сих пор проводятся редко, а существующие публикации часто несопоставимы из-за использования различных методов отбора проб, детекции и анализа. В основном это объясняется отсутствием в мире стандартизированных методик определения МП в почвах. Учитывая, что почва сложная биокостная, полидисперсная система, нужно найти подходящий и эффективный метод стандартизированного анализа микропластика.
При анализе почв на содержание микропластика, необходимо принимать во внимание морфологическое строение и основные физические и физико -химические свойства почв, чтобы минимизировать потенциальное влияние на детекцию МП и последующий количественный анализ.
Цель исследования - изучить влияние микропластика на почву, как связующего звена между компонентами окружающей среды, определить подходы к его качественному и количественному определению и выявить основные морфологические характеристики в агропочвах трех природно-климатических зон Западной Сибири.
Для решения данной цели были поставлены следующие задачи:
1. Описать условия почвообразования земледельчески освоенных территорий таежно-лесной, лесостепной и степной зоны Западной Сибири и определить зональные типы почв, используемые в сельском хозяйстве на данных территориях;
2. Изучить агрофизические и агрохимические свойства исследуемых агропочв;
3. Опираясь на исследования российских и зарубежных ученых, выявить и проанализировать влияние МП на свойства почв, почвенных беспозвоночных, растения, динамику и интенсивность CO2, существующие методики определения микропластика в агропочвах;
4. Адаптировать методики детекции микропластика с дальнейшей оценкой применимости солевых растворов в данных методиках для агропочв с разным уровнем содержания гумуса;
5. Определить количественный характер загрязнения и основные морфологические характеристики микропластика в агропочвах Западной Сибири.
Объекты исследования:
Объектами исследования выступали агропочвы Западной Сибири, а именно агрочерноземы обыкновенные, типичные и южные, агросерые лесные и агротемно-серые лесные трех природно-климатических зон: таежно-лесной, лесостепной и степной.
Предмет исследования:
Микропластик, методика детекции и его основные морфологические
характеристики.
Научная новизна и практическая значимость:
Впервые были установлены количественные и морфологические характеристики микропластика в агропочвах трех природно-климатических зон Западной Сибири, а также процент загрязнения им. Представленная работа может применяться в экологии, экологии почв, токсикологии и других смежных сферах исследования для мониторинга загрязнения агропочв микрочастицами пластика, сравнения характера загрязнения по количеству и морфологическим характеристикам микрочастиц пластика в разных природноклиматических зонах Западной Сибири, а также динамики состояния основных агрохимических и агрофизических свойств агропочв, так как микропластик изменяет функционирование микрофлоры, а та в свою очередь изменяет направленность процессов гумификации, что влияет на количественные показатели органического углерода и на изменения гранулометрического состава почв и других свойств.
Апробация работы:
Результаты работы представлены на:
1. LXX научной студенческой конференции Биологического института Национального исследовательского Томского государственного университета «Старт в науку» (Томск, 2021);
2. Международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию кафедры почвоведения БГСХА «Современные проблемы использования почв и повышения их плодородия» (Горки, 2022);
3. LXXI научной студенческой конференции Биологического института Национального исследовательского Томского государственного университета «Старт в науку» (Томск, 2022);
4. I Всероссийская конференция с международным участием по загрязнению окружающей среды микропластиком «MicroPlasticsEnvironment-2022 (МРЕ-2022)» (Хакасия, 2022);
5. XXV Международной экологической студенческой конференции «Экология России и сопредельных территорий. МЭСК-2022» (Новосибирск, 2022);
6. XX Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Биодиагностика состояния природных и природно-техногенных систем» (Киров, 2022);
7. XVIII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Экология родного края: проблемы и пути их решения» (Киров, 2022);
8. Международной научно-практической конференции по окружающей среде, природным ресурсам и устойчивому природопользованию «EnREM-2023» (Барнаул, 2023).
Публикации:
1. Ручкина К. В. Микропластик в агрогенных серых лесных почвах Томского района // Старт в науку : материалы LXX научной студенческой конференции Биологического института, Томск, 26-30 апреля 2021 г. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2021. - С. 41.
2. Ручкина К.В. Методика определения микропластика в агропочвах таежно-лесной и степной зоны Западной Сибири / К. В. Ручкина, О. Э. Мерзляков // Современные проблемы использования почв и повышения их плодородия : сборник статей по материалам Международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию кафедры почвоведения БГСХА : в 2 ч. - Горки, 2022. - Ч. 2. - С. 72-75.
3. Мерзляков О. Э. Микропластик в почвах: разработка методик детекции на примере агропочв Западной Сибири / О. Э. Мерзляков, К. В. Ручкина // Материалы I Всероссийской конференции с международным участием по загрязнению окружающей среды микропластиком "MicroPlasticsEnvironment-2022" (MPE-2022), п. Шира, Хакасия, 02-06 августа 2022 г. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 2022. - С. 91-94.
4. Ручкина К. В. Основные этапы детекции микропластика в почвах // Экология
России и сопредельных территорий. МЭСК-2022 : материалы XXV Международной
экологической студенческой конференции. - Новосибирск: ИПЦ НГУ, 2022. - С. 8.
5. Ручкина К. В. Загрязнение почв микропластиком. Морфологическое определение его свойств микроскопическим методом / К. В. Ручкина, О. Э. Мерзляков // Биодиагностика состояния природных и природно-техногенных систем : материалы XX Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, г. Киров, 1 декабря 2022 г. - Киров: Вятский государственный университет, 2023. - С. 143-148.
6. Ручкина К. В. Микропластик и методики его определения в агропочвах Западной Сибири // Старт в науку : материалы LXXI научной студенческой конференции Биологического института, Томск, 26-30 апреля 2022 г. - Томск, 2022. - С. 9.
7. Ручкина К. В. Основные правила отбора и подготовки проб почв для детекции микропластика / К. В. Ручкина, О. Э. Мерзляков // Экология родного края: проблемы и пути их решения : материалы XVIII Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, 24-25 апреля 2023. Кн. 2. - Киров: Вятский государственный университет, 2023. - С. 99-103.
Свидетельство на БД:
Была сформирована база данных морфологических характеристик микропластика в исследуемых агропочвах и получено свидетельство интеллектуальной собственности № 2023621561 «База данных для учета микрочастиц (от 1 мкм до 5 мм) пластика и их морфологических характеристик в агропочвах Западной Сибири (БД)».
Структура и объем диссертации:
Магистерская диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов и 6 приложений, изложена на 157 страницах компьютерного текста, включает список литературы из 134 наименований, включая 91 источник на иностранном языке, 40 рисунков.
Благодарности:
Выражаю искреннюю благодарность научному руководителю Олегу Эдуардовичу Мерзлякову, за ценные советы, практические рекомендации, конструктивную критику, постоянное внимание, поддержку и помощь на протяжении всего времени, Юлии Александровне Франк за приобретенные знания и навыки, а также всему педагогическому составу кафедры почвоведения и экологии почв Томского государственного университета.
1. Таежно-лесная, лесостепная и степная зоны Западной Сибири существенно различаются по условиям почвообразования и зональным типам почв, используемых в сельском хозяйстве. Почвенный покров сельскохозяйственных угодий таежно-лесной зоны разнообразен: серые лесные (три подтипа), серые лесные глеевые, луговочерноземные, подзолистые (тип дерново-подзолистые), аллювиальные дерновые и луговые, пойменно - луговые. В составе пахотных угодий степи и лесостепи преобладают черноземы различной степени гумусированности и мощности гумусового слоя, каштановые почвы.
2. Исследуемые агропочвы имеют тяжелый гранулометрический состав: от среднесуглинистого до легкоглинистого. Различаются разным уровнем содержания гумуса: от малого до очень высокого. По содержанию легкогидролизуемого азота относятся к высокой степени обеспеченности. По содержанию доступного фосфора: к средней и высокой степени обеспеченности.
3. Пластиковые частицы в почве могут влиять на некоторые ее свойства, такие как емкость катионного обмена, растворенное органическое вещество, водоудерживающую способность, стабильность агрегатов и объемную плотность, структуру почвы, уменьшать скорость инфильтрации почвенной влаги, а также на содержание в почве фосфора и азота. Кроме того, микропластик влияет на почвенных беспозвоночных и может вызывать у них ложное насыщение, механическое повреждение пищевода, кишечную непроходимость, снижение репродукции и биохимических реакций, таких как снижение иммунного ответа, нарушение обмена веществ и т. д. Изменяя свойства почв МП влияет и на процессы произрастания высших растений и динамику CO2.
4. При адаптации методик детекции микропластика, было выявлено, что для агропочв, где уровень содержания гумуса является низким и среднем, можно использовать методику определения МП с применением солевого раствора NaCl (5М) для разделения по плотности и H2O2 (30 %) для удаление органического вещества. Для агропочв, где уровень содержание гумуса является высоким, можно использовать методику определения МП с применением ZnCh (5М). При работе с ZnCh следует помнить, что необходимо принимать меры предосторожности для уменьшения его негативного воздействия на исследователя и окружающую среду.
5. Морфологическое определение микропластика не выявляло большого разнообразия его морфологических свойств. Обнаруженные частицы были представлены преимущественно волокнами белой и прозрачной окраски. По результатам химического выделения МП его морфологические характеристики также не отличаются разнообразием по форме и окраски, наибольшее количество представлено в виде прозрачных волокон, однако его количество в тех же образцах намного больше, чем было выявлено при морфологическом определении. По размеру преобладают частицы микропластика в диапазонах 1000-2000 мкм.
1. Аринушкина Е. В. Руководство по химическому анализу почв. - Изд-во Московского Университета, 1970. - 487 с.
2. Безруких В. А. Особенности физико-географических условий тайги бореальной зоны России / В. А. Безруких, Е. В. Авдеева, А. А. Коротков // Хвойные бореальной зоны. - 2019. - Т. 37, № 3-4. - С. 194-197.
3. Вальков В. Ф. Очерки о плодородии почв / В. Ф. Вальков, К. Ш. Казеев, С. И. Колесников - Ростов-на-Дону: Издательство СКНЦ ВШ, 2001. - 240 с.
4. Воробьева Л. А. Химический анализ почв - М.: Изд-во МГУ, 1998. - 272 с.
5. Земцова А. А. География Томской области - Томск: Изд-во Том. ун-та, 1988. - 246 с.
6. Состояние почвенного плодородия пахотных почв Республики Хакасия / Н. А. Градобоева, В. В. Елизарьев, Л. П. Игнатенко, Н. В. Сиренева // Плодородие. - 2011. - №2. - С. 6-8.
7. Градобоева Н. А. Мониторинг почвенного плодородия пахотных земель Республики Хакасия / Н. А. Градобоева, В. В. Елизарьев, Н. В. Сиренева // Достижения науки и техники АПК. - 2016. № 7. С. 44-47.
8. Григор Г. Г. Природное районирование Западной Сибири / Г. Г. Григор, А. А. Земцов // Природное и сельскохозяйственное районирование СССР. Томск. - 1961. - С. 8289.
9. Динамика подвижного фосфора в почвах лесостепи Западной Сибири / В. М. Красницкий, А. Г. Шмидт, О. А. Матвейчик, И. А. Бобренко // Плодородие. - 2020. - № 2(113). - С. 57-60.
10. Дюкарев А. Г. Ландшафтно-динамические аспекты таежного почвообразования в Западной Сибири : Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора географических наук / А. Г. Дюкарев. - Томск, 2003. - 406 с.
11. Еремина И. Г. Информационная база данных почв Республики Хакасия / И. Г. Еремина, Н. В. Кутькина // Аграрная наука. - 2022. - № 358 (4). - С. 88-92.
12. Жуланова, В. Н. Изменение агрохимических свойств почв Улуг-Хемской котловины при агрогенном воздействии / В. Н. Жуланова // Экосистемы Центральной Азии: исследование, сохранение, рациональное использование : Материалы XV Убсунурского международного симпозиума, Кызыл, 05-08 июля 2020 года / Под редакцией Ч.Н. Самбыла . - Красноярск: ООО РИЦ "Офсет", 2020. - С. 250-252.
13. Качинский Н. А. Механический и микроагрегатный состав почвы, методы его изучения. - Москва: АН СССР, 1958. - 193 с.
14. Кидин В. В. Доступность растениям ячменя и овса фосфора и калия из подпахотных горизнотов дерново-подзолистой / В. В. Кидин, К.Ю. Бельдяева // Плодородие. - 2015. - №5 (86). - С. 46-48.
15. Классификация и диагностика почв России. - Смоленск: Ойкумена, 2004. - 342 с.
..134