medlitГигиена и санитарияHygiene and Sanitation0016-99002412-0650Federal Scientific Center of Hygiene named after F.F. Erisman10.47470/0016-9900-2022-101-3-262-269medlit-2085Research ArticleГИГИЕНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫENVIRONMENTAL HYGIENEПодходы к разработке экологических региональных нормативов содержания свинца в почвах Черноморского побережья Кавказа на основе интегрального показателя биологического состояния почвыApproaches to the development of environmental regional standards for the content of lead in the soils of the Black Sea coast of the Caucasus on the basis of an integral indicator of the biological state of the soilhttps://orcid.org/0000-0001-8816-5288КузинаАнна АндреевнаKuzinaAnna A.

Канд. биол. наук, ст. науч. сотр. кафедры экологии и природопользования, Академия биологии и биотехнологии им. Д.И. Ивановского, ФГАОУ ВО «Южный федеральный университет», Ростов-на-Дону.

e-mail: nyuta_1990@mail.ru

MD, PhD. Senior researcher of the Department of Ecology and Nature Management, Academy of Biology and Biotechnology. D.I. Ivanovsky Southern Federal University, Rostov-on-Don, 344090, Russian Federation.

e-mail: nyuta_1990@mail.ru

nyuta_1990@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5860-8420КолесниковС. И.KolesnikovSergey I.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0002-9453-7137МинниковаТ. В.MinnikovaTatiana V.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1194-0770НеведомаяЕ. Н.NevedomayaElena N.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0002-3592-3118Тер-МисакянцТ. А.Ter-MisakyantsTigran A.noemail@neicon.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0252-6212КазеевК. Ш.KazeevKamil Sh.noemail@neicon.ruФГАОУ ВО «Южный федеральный университет»РоссияSouthern Federal UniversityRussian Federation2022040420221013262269Copyright © Кузина А.А., Колесников С.И., Минникова Т.В., Неведомая Е.Н., Тер-Мисакянц Т.А., Казеев К.Ш., 20222022Кузина А.А., Колесников С.И., Минникова Т.В., Неведомая Е.Н., Тер-Мисакянц Т.А., Казеев К.Ш.Kuzina A.A., Kolesnikov S.I., Minnikova T.V., Nevedomaya E.N., Ter-Misakyants T.A., Kazeev K.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.rjhas.ru/jour/article/view/2085Введение

Введение. Черноморское побережье Кавказа (ЧПК) — активно развивающийся регион с растущей инфраструктурой туризма и отдыха. Здесь расположены редкие и уникальные почвы, такие как чернозёмы южные (каштановые), коричневые почвы сухих субтропиков, желтозёмы. Свинец (Pb) входит в приоритетную группу тяжёлых металлов-токсикантов для почвы. Однако использование единых, общих нормативов содержания Pb во всех типах почв нецелесообразно, поскольку при их расчёте не учитываются местные региональные эколого-геохимические особенности почв.

Материалы и методы

Материалы и методы. Для установления значений региональных предельно допустимых концентраций (рПДК) Pb в почвах ЧПК моделировали их загрязнение и определяли степень ухудшения биологического состояния. Почвы подвергали загрязнению из расчёта 100; 1000; 10 000 мг Pb на 1 кг почвы, что соответствует 1; 10 и 100 ПДК этого элемента по стандартам Германии и ряда других стран. Через 30 сут оценивали изменение биологических параметров (численность почвенных бактерий, активность ферментов, длина корней редиса). Для удобства интерпретации полученных результатов значения нескольких исследованных биологических показателей, имеющих разные единицы измерения, объединяли, получая интегральный показатель биологического состояния (ИПБС) почвы.

Результаты

Результаты. В большинстве случаев наблюдалось угнетение биологических свойств исследуемых почв. По устойчивости к загрязнению Pb почвы ЧПК образуют следующий ряд: чернозём южный (85) > коричневая типичная (79) ≥ дерново-карбонатная типичная (77) ≥ коричневая выщелоченная (76) ≥ коричневая карбонатная (74) = дерново-карбонатная выщелоченная (74) = желтозём (74) > бурая лесная слабоненасыщенная (67) ≥ бурая лесная кислая (65) > бурая лесная кислая оподзоленная (59). На основании анализа снижения экологических функций почв установлены рПДК Pb в почвах ЧПК. Региональные значения ПДК Pb в чернозёме южном составляет 120 мг/кг, в коричневой типичной, коричневой выщелоченной, коричневой карбонатной, дерново-карбонатной выщелоченной, дерново-карбонатной типичной, желтозёме — 100 мг/кг, в бурой лесной кислой, бурой лесной слабоненасыщенной — 70 мг/кг, в бурой лесной кислой оподзоленной — 65 мг/кг.

Ограничения исследования

Ограничения исследования. Предложенные рПДК Pb в почвах применимы прежде всего на территории ЧПК.

Заключение

Заключение. Предложенные рПДК Pb в почвах ЧПК могут быть использованы природоохранными, сельскохозяйственными и научными организациями.

Участие авторов

Участие авторов:

Кузина А

Кузина А.А. — сбор данных литературы, написание текста, редактирование;

Колесников С

Колесников С.И. — концепция и дизайн исследования, написание текста, редактирование;

Минникова Т

Минникова Т.В. — сбор материала и обработка данных, редактирование;

Неведомая Е

Неведомая Е.Н., Тер-Мисакянц Т.А. — сбор материала и обработка данных, статистическая обработка данных;

Казеев К

Казеев К.Ш. — сбор материала и обработка данных, редактирование.

Все соавторы — утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех частей статьи.

Конфликт интересов

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов в связи с публикацией данной статьи.

Финансирование

Финансирование. Исследование осуществлялось в рамках государственного задания в сфере научной деятельности (№ 0852-2020-0029), по государственной программе поддержки молодых российских учёных  кандидатов наук и ведущих научных школ Российской Федерации (гранты Президента РФ МК-2688.2022.1.5 и НШ-449.2022.5).

Поступила

Поступила: 17.09.2021 / Принята к печати: 25.11.2021 / Опубликована: 08.04.2022

Introduction

Introduction. The Black Sea coast of the Caucasus is an actively developing region with a progressively growing tourism and recreation infrastructure. However, there are rare and unique soils, such as southern chernozems (chestnut), brown soils of dry subtropics, yellow soils.

Lead (Pb) is a priority group of toxicant metals. However, the use of uniform, common standards of Pb content in all types of soils is impractical, since local regional ecological and geochemical features of soils are not taken into account when calculating them.

Materials and methods

Materials and methods. Soil contamination of 100, 1000, 10,000 mg Pb per 1 kg of soil was modelling, corresponding to 1, 10 and 100 MPC of this element in Germany and several other countries. After 30 days, changes in biological parameters (the number of bacteria, the activity of soil enzymes and length of roots of radish) were evaluated. To combine the values of the studied biological indicators with different units of measurement into one common indicator, an integral indicator of the biological state (IIBS) of the soil was used.

Results

Results. In most cases, there was an inhibition of the biological properties of the studied soils. According to the resistance to Pb pollution, the soils of the Black Sea coast of the Caucasus form the series including southern chernozems (Haplic Chernozems Pachic) (85) > сinnamonics typical (Haplicisols Eutric) (79) ≥ soddy-carbonate typical (Rendzic Leptosols Eutric) (77) ≥ cinnamonics leached (Haplic Cambisols Eutric) (76) ≥ сinnamonics carbonate (Haplic Cambisols Eutric) (74) = sod-calcareouses leached (Rendzic Leptosols Eutric) (74) = yellow soils (Albic Luvisols Abruptic ) (74) > brown forest weakly-unsaturated (Haplic Cambisols Eutric) (67) ≥ brown forest acid (Haplic Cambisols Eutric) (65) > brown forest acid podzolized (Haplic Cambisols Dystric) (59).

On the base of the analysis of the degree of failure of environmental functions of soils, regional values of maximum permissible concentrations (rMPC) of Pb in soils of the Black Sea coast of the Caucasus are established. Regional values of maximum permissible concentrations of Pb for southern chernozem is 120 mg/kg, for cinnamonics typical, cinnamonics leached, cinnamonics carbonate, sod-calcareouses leached, sod-calcareouses typical soils and yellow soil — 100 mg/kg, for brown forest acid, brown forest weakly-unsaturated — 70 mg/kg, 65 mg/kg for brown forest acid podzolized.

Limitations

Limitations. The proposed maximum permissible concentrations of Pb in soils are applicable primarily to the territory of the Black Sea coast of the Caucasus.

Conclusion

Conclusion. The proposed maximum permissible concentrations of Pb in the soils of the Black Sea coast of the Caucasus can be used by environmental, agricultural and scientific institutions.

Contribution

Contribution:

Kuzina A

Kuzina A.A. — collection of literature data, text writing, editing;

Kolesnikov S

Kolesnikov S.I. — research concept and design, text writing, editing;

Minnikova T

Minnikova T.V. — collection of material and data processing, editing;

Nevedomaya E

Nevedomaya E.N., Ter-Misakyants T.A. — collection of material and data processing, statistical data processing;

Kazeev K

Kazeev K.Sh. — collection of material and data processing, editing.

All authors are responsible for the integrity of all parts of the manuscript and approval of the manuscript final version.

Conflict of interests

Conflict of interests. The authors declare that there is no conflict of interest.

Acknowledgment

Acknowledgment. The research was carried out within the framework of the state assignment in the field of scientific activity (No. 0852-2020-0029), under the state program of support for young Russian scientists — candidates of sciences and leading scientific schools of the Russian Federation (grants of the President of the Russian Federation MK-2688.2022.1.5 and NSH-449.2022.5).

Received

Received: September 17, 2021 / Accepted: November 25, 2021 / Published: April 08, 2022

почвазагрязнениесвинецустойчивость почврегиональные предельно допустимые концентрацииЧерноморское побережье Кавказаsoilpollutionleadstabilityregional maximum permissible concentrationsBlack Sea coast of the CaucasusReferencesТеплая А.Г. Тяжелые металлы как фактор загрязнения окружающей среды (обзор литературы). Астраханский вестник экологического образования. 2013; (1): 182-96Teplaya G.А. Heavy metals as a factor of environmental pollution (review). Astrakhanskiy vestnik ekologicheskogo obrazovaniya. 2013; (1): 182–96. (in Russian)Kushwaha A., Hans N., Kumar S., Rani R. A critical review on speciation, mobilization and toxicity of lead in soil-microbe-plant system and bioremediation strategies. Ecotoxicol. Environ. Saf. 2018; (147): 1035-45. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2017.09.049Kushwaha A., Hans N., Kumar S., Rani R. A critical review on speciation, mobilization and toxicity of lead in soil-microbe-plant system and bioremediation strategies. Ecotoxicol. Environ. Saf. 2018; (147): 1035–45. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2017.09.049Cheng W., Lei S., Bian Z., Zhao Y., Li Y., Gan Y. Geographic distribution of heavy metals and identification of their sources in soils near large, open-pit coal mines using positive matrix factorization. J Hazard. Mater. 2020; 387: 121666. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.123147Cheng W., Lei S., Bian Z., Zhao Y., Li Y., Gan Y. Geographic distribution of heavy metals and identification of their sources in soils near large, open-pit coal mines using positive matrix factorization. J Hazard. Mater. 2020; 387: 121666. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.123147Chang H.Q., Wang Q.Z., Li Z.J., Jie W.U., Xu X.F., Shi Z.Y. The effects of calcium combined with chitosan amendment on the bioavailability of exogenous Pb in calcareous soil. J.Integr. Agric. 2020; 19(5): 1375-86. https://doi.org/10.1016/s2095-3119(19)62861-3Chang H.Q., Wang Q.Z., Li Z.J., Jie W.U., Xu X.F., Shi Z.Y. The effects of calcium combined with chitosan amendment on the bioavailability of exogenous Pb in calcareous soil. J. Integr. Agric. 2020; 19(5): 1375–86. https://doi.org/10.1016/s2095-3119(19)62861-3Xavier J.C., Costa P.E.S., Hissa D.C., Melo V.M.M., Falcão R.M., Balbino V.Q., et al. Evaluation of the microbial diversity and heavy metal resistance genes of a microbial community on contaminated environment. Appl. Geochem. 2019; 105: 1-6. https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2019.04.012Xavier J.C., Costa P.E.S., Hissa D.C., Melo V.M.M., Falcão R.M., Balbino V.Q., et al. Evaluation of the microbial diversity and heavy metal resistance genes of a microbial community on contaminated environment. Appl. Geochem. 2019; 105: 1–6. https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2019.04.012Tang J., Zhang J., Ren L., Zhou Y., Gao J., Luo L., et al. Diagnosis of soil contamination using microbiological indices: a review on heavy metal pollution. J. Environ. Manage. 2019; 242: 121-30. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2019.04.061Tang J., Zhang J., Ren L., Zhou Y., Gao J., Luo L., et al. Diagnosis of soil contamination using microbiological indices: a review on heavy metal pollution. J. Environ. Manage. 2019; 242: 121–30. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2019.04.061Silva S., Pinto G., Santos C. Low doses of Pb affected Lactuca sativa photosynthetic performance. Photosynthetica. 2017; 55(1): 50-7. https://doi.org/10.1007/s11099-016-0220-zSilva S., Pinto G., Santos C. Low doses of Pb affected Lactuca sativa photosynthetic performance. Photosynthetica. 2017; 55(1): 50–7. https://doi.org/10.1007/s11099-016-0220-zFrancesca F., Maria C.S., Valeria M., Carmen A., Giulia M., Simonetta G., et al. Overall plant responses to Cd and Pb metal stress in maize: Growth pattern, ultrastructure, and photosynthetic activity. Environ. Sci. Pollut. Res.Int. 2019; 26(2): 1781-90. https://doi.org/10.1007/s11356-018-3743-yFrancesca F., Maria C.S., Valeria M., Carmen A., Giulia M., Simonetta G., et al. Overall plant responses to Cd and Pb metal stress in maize: Growth pattern, ultrastructure, and photosynthetic activity. Environ. Sci. Pollut. Res. Int. 2019; 26(2): 1781–90. https://doi.org/10.1007/s11356-018-3743-yHuang M.L., Zhou S.L., Sun B., Zhao Q.G. Heavy metals in wheat grain: Assessment of potential health risk for inhabitants in Kunshan, China. Sci. Total Environ. 2008; 405(1-3): 54-61. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2008.07.004Huang M.L., Zhou S.L., Sun B., Zhao Q.G. Heavy metals in wheat grain: Assessment of potential health risk for inhabitants in Kunshan, China. Sci. Total Environ. 2008; 405(1–3): 54–61. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2008.07.004Сульдина Т.И. Содержание тяжелых металлов в продуктах питания и их влияние на организм. Рациональное питание, пищевые добавки и биостимуляторы. 2016; (1): 136-40.Suldina T.I. The content of heavy metals in food and their effects on the body. Ratsional’noe pitanie, pishchevye dobavki i biostimulyatory. 2016; (1): 136–40. (in Russian)Колесников С.И., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. Экологические функции почв и влияние на них загрязнения тяжёлыми металлами. Почвоведение. 2002; (12): 1509-14.Kolesnikov S.I., Kazeev K.Sh., Val’kov V.F. Ecological functions of soils and the effect of contamination with heavy metals. Pochvovedenie. 2002; (12): 1509–14. (in Russian)Вальков В.Ф., Казеев К.Ш., Колесников С.И. Почвы Юга России. Ростов-на-Дону: Эверест; 2008.Valkov V.F., Kazeev K.Sh., Kolesnikov S.I. Soils of the South of Russia [Pochvy Yuga Rossii]. Rostov-na-Donu: Everest; 2008. (in Russian)Казеев К.Ш., Колесников С.И. Атлас почв Азово-Черноморского бассейна. Ростов-на-Дону; 2015.Kazeev K.Sh., Kolesnikov S.I. Atlas of Soils of the South of Russia [Atlas pochv Azovo-Chernomorskogo basseyna]. Rostov-na-Donu; 2015. (in Russian)Kabata-Pendias A. Trace Elements in Soils and Plants. Boca Raton, FL: Crc Press; 2010.Kabata-Pendias A. Trace Elements in Soils and Plants. Boca Raton, FL: Crc Press; 2010.Kloke A. Richtwerte. Orientirungsdaten fur tolerierbare еiniger Elemente in Kulturboden. Mittailungen des VDLUFA. 1980; 2(1-3): 9.Kloke A. Richtwerte. Orientirungsdaten fur tolerierbare еiniger Elemente in Kulturboden. Mittailungen des VDLUFA. 1980; 2(1–3): 9.Алексеенко В.А., Суворинов А.В., Власова Е.В. Металлы в окружающей среде. Прибрежные аквальные ландшафты Черноморского побережья России. М.; 2012Alekseenko V.A., Suvorinov A.V., Vlasova E.V. Metals in the Environment. Coastal Water Landscapes of the Black Sea Coast of Russia [Metally v okruzhayushchey srede. Pribrezhnye akval’nye landshafty Chernomorskogo poberezh’ya Rossii]. Moscow; 2012. (in Russian)Kolesnikov S.I., Kazeev K.S., Akimenko Y.V. Development of regional standards for pollutants in the soil using biological parameters. Environ. Monit. Assess. 2019; 191(9): 544. https://doi.org/10.1007/s10661-019-7718-3Kolesnikov S.I., Kazeev K.S., Akimenko Y.V. Development of regional standards for pollutants in the soil using biological parameters. Environ. Monit. Assess. 2019; 191(9): 544. https://doi.org/10.1007/s10661-019-7718-3World Soil Resources Reports no. 106. World Reference Base for Soil Resources 2014, update 2015.International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. IUSS Working Group WRB; 2015.World Soil Resources Reports no. 106. World Reference Base for Soil Resources 2014, update 2015. International soil classification system for naming soils and creating legends for soil maps. IUSS Working Group WRB; 2015.Звягинцев Д.Г., ред. Методы почвенной микробиологии и биохимии. М.; 1991.Zvyagintsev D.G., ed. Soil Microbiology and Biochemistry [Metody pochvennoy mikrobiologii i biokhimii]. Moscow; 1991. (in Russian)Казеев К.Ш., Колесников С.И., Акименко Ю.В., Даденко Е.В. Методы биодиагностики наземных экосистем. Ростов-на-Дону; 2016.Kazeev K.Sh., Kolesnikov S.I., Akimenko Yu.V., Dadenko E.V. Methods of Biodiagnostics of Terrestrial Ecosystems [Metody biodiagnostiki nazemnykh ekosistem]. Rostov-na-Donu; 2016. (in Russian)Добровольский Г.В., Никитин Е.Д. Экология почв. Учение об экологических функциях почв. М.: Наука; 2006.Dobrovol’skiy G.V., Nikitin E.D. Ecology of Soils. The Doctrine of the Ecological Function of Soils [Ekologiya pochv. Uchenie ob ekologicheskikh funktsiyakh pochv]. Moscow: Nauka; 2006. (in Russian)Мощенко Д.И., Кузина А.А., Колесников С.И. Сравнительная оценка устойчивости черноземов Центрального Предкавказья и Кавказа к загрязнению свинцом, хромом, медью, никелем и нефтью. Устойчивое развитие горных территорий. 2020; 12(1): 76-87. https://doi.org/10.21177/1998-4502-2020-12-1-76-87Moshchenko D.I., Kuzina A.A., Kolesnikov S.I. Comparative assessment of the black soils sustainability in the Central Caucasus and the Caucasus to pollution with lead, chromium, copper, nickel and oil. Ustoychivoe razvitie gornykh territoriy. 2020; 12(1): 76–87. https://doi.org/10.21177/1998-4502-2020-12-1-76-87 (in Russian)Yang X., Yang Y., Wan Y.Y., Wu R.J., Feng D.K., Li K. Source identification and comprehensive apportionment of the accumulation of soil heavy metals by integrating pollution landscapes, pathways, and receptors. Sci. Total Environ. 2021; 786: 147436. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.147436Yang X., Yang Y., Wan Y.Y., Wu R.J., Feng D.K., Li K. Source identification and comprehensive apportionment of the accumulation of soil heavy metals by integrating pollution landscapes, pathways, and receptors. Sci. Total Environ. 2021; 786: 147436. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.147436Ren Z.L., Sivry Y., Dai J., Tharaud M., Cordier L., Zelano I., et al. Exploring Cd, Cu, Pb, and Zn dynamic speciation in mining and smelting-contaminated soils with stable isotopic exchange kinetics. Appl. Geochem. 2016; 64: 157-63. https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2015.09.007Ren Z.L., Sivry Y., Dai J., Tharaud M., Cordier L., Zelano I., et al. Exploring Cd, Cu, Pb, and Zn dynamic speciation in mining and smelting-contaminated soils with stable isotopic exchange kinetics. Appl. Geochem. 2016; 64: 157–63. https://doi.org/10.1016/j.apgeochem.2015.09.007Колесников С.И., Ярославцев М.В., Спивакова Н.А., Казеев К.Ш. Сравнительная оценка устойчивости биологических свойств разных подтипов черноземов юга России к загрязнению Cr, Cu, Ni, Pb (в модельном эксперименте). Почвоведение. 2013; 46(2): 195-200. https://doi.org/10.7868/S0032180X13020081Kolesnikov S.I., Yaroslavtsev M.V., Spivakova N.A., Kazeev K.Sh. Comparative assessment of the biological tolerance of Chernozems in the South of Russia towards contamination with Cr, Cu, Ni, and Pb in a model experiment. Pochvovedenie. 2013; 46(2): 176–81. https://doi.org/10.7868/S0032180X13020081 (in Russian)Колесников С.И., Тлехас З.Р., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. Изменение биологических свойств почв Адыгеи при химическом загрязнении. Почвоведение. 2009; (12): 1499-505.Kolesnikov S.I., Tlekhas Z.R., Kazeev K.Sh., Valkov V.F. Chemical contamination of Adygea soils and changes in their biological properties. Pochvovedenie. 2009; (12): 1499–505. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.