CC BY
312
УДК 631.46
А. А. Вершинин, А. М. Петров, Л. К. Каримуллин, Ю. А. Игнатьев
ВЛИЯНИЕ НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ
РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ПОЧВ
Ключевые слова: нефтяное загрязнение, почвенные ценозы, базальное дыхание, субстрат-индуцированное дыхание, углерод
микробной биомассы, коэффициент микробного дыхания.
Исследовано эколого-биологическое состояние аллювиальной дерновой, дерново-подзолистой, темно-серой лесной и cветло-серой лесной почв Республики Чувашия, загрязненных нефтью. В исследованном диапазоне концентраций нефтепродуктов (до 5,8-7,2 г/кг) не выявлено ингибирующее действие загрязнителя на микробное сообщество аллювиально-дерновой, дерново-подзолистой и светло-серой лесной почв, при выраженном угнетающем воздействии на микробоценозы темно-серой лесной почвы.
Key words: oil pollution, soil cenosis, basal respiration, substrate-induced respiration, carbon of microbial biomass, microbial respiration quotient.
Ше eco-biological condition of the alluvial soddy soil, soddy podzolic soil, dark gray and light gray soils of the Republic of Chuvashia polluted by oil was investigated. In the range of researched concentrations of oil (5,8-7,2 g/kg) the expressed inhibiting effect on dark gray soil microbiocenosis educed, whereas the inhibiting effect of pollutant on microbiocenosis of alluvial soddy soil, soddy podzolic soil and light gray soils was not revealed.
Порядок выполнения мероприятий по технической и биологической рекультивации нефтезагряз-ненных земель, определяется уровнем загрязнения и эколого-биологическим состоянием почв.
Разложение нефтепродуктов в почве, в первую очередь, обусловливается ее биологической активностью. Существует несколько подходов к оценке состояния почвенного микробоценоза. Это определение ферментативной активности, изучение численности микроорганизмов и качественного состава микрофлоры, оценка интенсивности почвенного дыхания и другие.
В данном исследовании для установления биологической активности почв использован метод определения скорости почвенного дыхания, который позволяет адекватно оценить состояние почвенной микрофлоры. Параметры почвенного дыхания дают представление о микробиологической активности, запасах питательных веществ и устойчивости системы микробного пула, позволяя тем самым определить экологическое состояние почв [1-5].
Цель настоящего исследования заключалась в определении дыхательной активности микробоце-нозов некоторых типов почв, в условиях искусственного загрязнения нефтью.
Экспериментальная часть
Объектом исследования являлись аллювиальная дерновая тяжелосуглинистая, дерново-подзолистая супесчаная, темно-серая лесная средне-суглинистая и cветло-серая лесная легкоглинистая почвы Республики Чувашия. Для анализа был взят слой глубиной 0-30 см. Пробы почв освобождали от посторонних включений и корешков и просеивали через сито с диаметром ячеек 2 мм. Переувлажненные почвы слегка подсушивали.
Опытные варианты почв с различным содержанием нефтепродуктов (НП) готовились путем смешения весовым методом загрязненных нефтью и
чистых образцов исследуемых почв. Контролем служила незагрязненная почва. Перед анализом влажность исследуемых образцов доводили до 50% от полной влагоемкости почвы.
Определение скорости базального дыхания (Vbasai)- В пенициллиновые флаконы помещали по 2 г почвы, инкубировали при 25оС в течение 2-3 часов, а затем проветривали. Во флаконы добавляли 0,4 мл воды, герметично закрывали и инкубировали при 25оС. Продолжительность инкубации варьировала от 24 до 48 часов в зависимости от интенсивности выделения СО2.
Величину субстрат-индуцированного дыхания (Vsir) устанавливали согласно рекомендациям [6]. Во флаконы помещали навеску почвы (2 г) и предин-кубировали в течение 2 часов при 25оС. После проветривания в течение 30 мин. при комнатной температуре во флаконы добавляли по 0,5 мл 4.0% раствора глюкозы (10 мг/г почвы) и инкубировали при 25оС в течение 3 ч. В этот период скорость Vsir была максимальной.
Концентрацию СО2 определяли на газовом хроматографе Chrom 5. Колонка длиной 1,2 м, внутренним диаметром 3 мм с Porapak Q (0,15-0,20 мм). В качестве детектора был использован катарометр. По-вторность измерений 3-кратная. Скорость дыхания выражали в мкг СО2/г сухой почвы в час [7].
Содержание углерода микробной биомассы (Смю) рассчитывали по величине субстрат-индуцированного дыхания при помощи коэффициента пересчета 40,04 по формуле: СМю(мкг/г) = Vsir (мкл СО2/г час) х 40,04 + 0,37 [8].
Коэффициент микробного дыхания (QR = Vbasal/VSIR) вычисляли исходя из показателей базального и субстрат-индуцированного дыхания [9].
Содержание нефтепродуктов (НП) в почве определяли согласно [10].
Полученные результаты обработаны статистически при помощи программы Microsoft Excel.
Результаты и обсуждение
Максимальное содержание НП в опытных образцах варьировало в диапазоне 5,8-7,2 г/кг. Концентрация НП в контрольных образцах была ниже минимально определяемой по методике (<0,05 г/кг). Величина эмиссии CO2 контрольных образцов зависела от типа почв. Наиболее интенсивное базальное дыхание (17,1 мкг СО2/г час) выявлено в незагрязненной темно-серой лесной почве (Табл. 1). Скорость базального дыхания аллювиальной дерновой и дерново-подзолистой почвах была в несколько раз ниже и не превышала 4,3-4,5 мкг СО2/г час. Загрязнение почвы НП, как правило, сопровождается увеличением скорости почвенного дыхания [11,12]. В наших исследованиях установлено существенное усиление интенсивности базального дыхания для загрязненных аллювиальной дерновой, дерново-подзолистой и светло-серой лесной почв, тогда как в темно-серой лесной почве при концентрации НП 7,0 г/кг скорость Vbasal снижалась в 3,4 раза (табл.1).
Величина базального дыхания отражает доступность органического вещества для почвенных микроорганизмов и скорость его минерализации в почве [13]. В исследовательской практике используется показатель V'basal, который представляет собой отношение значения Vbasal в загрязненной почве к значению Vbasal в контрольной почве (V'basal = Vbasal загр./ Vbasal контр ). По величине V basal можно судить о процессе деградации загрязнителей в почве. Если это отношение меньше единицы, то загрязнитель оказывает угнетающее воздействие на микробное сообщество почв. Чем выше величина этого отношения, тем более интенсивно происходит разрушение поллю-танта в почве [14].
Таблица 1 - Характеристики чистых (Ч) и загрязненных (З) нефтепродуктами почв
Полученные экспериментальные данные показали, что в трех изученных почвах происходила достаточно интенсивная деструкция НП. Исключением являлась темно-серая лесная почва, в которой пока-
затель УЬа5а| снижался до уровня 0,3 (табл.2). В данной почве нефтяное загрязнение оказывало ингиби-рующее действие на сообщество почвенных микроорганизмов.
Таблица 2 - Индексы параметров дыхания почв, загрязненных нефтепродуктами
Тип почвы V basal V SIR Qr
Аллювиальная дерновая 2,51 0,78 3,27
Дерново-подзолистая 2,36 1,02 2,32
Темно-серая лесная 0,30 0,61 0,50
Светло-серая лесная 2,45 1,30 1,07
Показатель характеризует активность
микробного сообщества почвы [6]. В загрязненных НП аллювиальной дерновой и темно-серой лесной почвах было зафиксировано снижение скорости субстрат индуцированного дыхания. В присутствии нефтяного загрязнения в светло-серой лесной почве наблюдалось некоторое возрастание интенсивности У3|р, а в дерново-подзолистой оно было на уровне характерном для чистой почвы (табл.1).
Вычислив отношение Уэт в загрязненной почве к Узт в контрольной (У'з|р = Уз|р заф. /Уз|р контр.), можно судить об изменении активности микроорганизмов под воздействием загрязнителей [6].
Исследования показали, что активность микробного сообщества загрязненных аллювиальной дерновой и темно-серой лесной почв снижалась по сравнению с контрольными образцами (значения составляли 0,78 и 0,61 соответственно). Величина У^ш. загрязненной дерново-подзолистой почвы не отличалась от соответствующего показателя контрольной почвы. В светло-серой лесной почве загрязнитель способствовал некоторому росту индекса У^р (табл. 2). Таким образом, несмотря на примерно одинаковое содержание НП в исследуемых почвах, их воздействие на активность почвенного микробного сообщества было различным.
Величина СМс отражает содержание микробного углерода и характеризует, тем самым, потенциал почвенного микробного сообщества. В дерново-подзолистой почве загрязнение НП в максимальной испытанной концентрации не приводило к изменению данного параметра. Уменьшение доли "живого органического вещества" почвы при загрязнении ее нефтью происходило в аллювиальной дерновой и темно-серой лесной почвах. В светло-серой лесной почве под воздействием загрязнителя содержание Смю увеличивалось с 305 до 396 мкг С/г (табл. 1). Сравнивая потенциал различных почв, следует выделить темно-серую лесную почву, в которой концентрация микробного углерода, даже в условиях нефтяного загрязнения превосходила аналогичные показатели других почв.
Значения коэффициента микробного дыхания (Ор позволяют судить об устойчивости почвенных микробных сообществ, а значит и устойчивости почв к загрязнению НП [9].
Чем выше значение тем менее устойчива система почвенного микробного сообщества. Уста-
Тип Vbasal Vsir CMic Qr
почвы Ч З Ч З Ч З Ч З
Аллю-
виаль-ная дер- 11,3 20,3 15,8 7 о 4 8 m <n о" сэ
новая
Дерно-
во- m -H 3 vo in <N
подзо- О 1
листая
Темно-
серая лесная 17,1 iW 40,5 24,9 5 ОО 0 о 5 ^г сэ <N CD
Светло-
серая лесная ОО 20,8 15,1 19,7 5 о 3 vo с^ 3 vo сэ vo CD
новлено, что значения Ор естественных почвенных ценозов располагается в интервале 0,1-0,2. Величины Ор приближающиеся к 1,0 и выше указывают, что почва испытывает неблагоприятные климатические или антропогенные воздействия [1,3].
Показатели Ор контрольных почв располагались в интервале 0,2-0,6 (табл. 1). Если полученные значения Ор аллювиальной дерновой почвы характерны для нативных почв и свидетельствуют об их устойчивости и сбалансированности почвенных обменных процессов, то относительно высокие значения в контрольных образцах дерново-подзолистой, темно-серой и светло-серой лесной почв указывают на активную минерализацию органического вещества и неустойчивость почвенного микробного сообщества. Загрязнение НП способствовало нарушению устойчивости ценозов аллювиальной дерновой и дерново-подзолистой почв, Ор которых возрастал в 3,3 и 2,3 раза соответственно. В светло-серой лесной почве коэффициент микробного дыхания под воздействием загрязнителя не менялся. В темно-серой лесной почве величина коэффициента микробного дыхания снижалась до уровня, характерного для контрольных почв (табл. 1).
Отношение О'р (Ор обработ/Ор контр) позволяет оценить степень нарушения устойчивости почвенных микробоценозов под воздействием загрязнителя. Чем выше значение О'р тем сильнее нарушение устойчивости под воздействием какого-либо фактора [14]. Во всех загрязненных почвах, за исключением темно-серой лесной, О'р возрастал в той или иной степени. Максимальное нарушение устойчивости системы микробного пула под воздействием НП происходило в аллювиальной дерновой и дерново-подзолистой почвах. Практически не менялась стабильность микрофлоры светло-серой почвы. В темно-серой лесной почве значение О'р напротив, уменьшалось, что свидетельствовало о повышении устойчивости ее микробного сообщества (табл. 2).
В серии экспериментов была изучена динамика параметров дыхания в зависимости от концентрации НП в почве. Характер изменения базального и субстрат-индуцированного дыхания исследуемых почв был различен.
Увеличение содержания НП в аллювиальной дерновой почве сопровождалось повышением интенсивности УЬа5а|, тогда как скорость субстрат-индуцированного дыхания снижалась, за исключением незначительного пика У3|р при концентрации загрязнителя 2,9 г/кг. В дерново-подзолистой почве, как и в предыдущем случае, имелась тенденция к росту скорости УЬа5а1 при увеличении концентрации НП в почве. Изменение У3|р при возрастании содержания НП носило волнообразный характер с выраженным максимумом при концентрации загрязнителя 4,1 г/кг. В темно-серой лесной почве даже незначительное содержание НП (0,8 г/кг) приводило к 4,9-кратному снижению интенсивности УЬава1 и 1,2-кратному снижению Динамика базального и
субстрат-индуцированного дыхания светло-серой лесной почвы в целом была идентична, за исключением точки с максимально испытанной концентраци-
ей НП (5,2 г/кг) в которой наблюдалось снижение скорости VsiR.
Что касается закономерности изменения содержания углерода микробной биомассы (CM¡c) в зависимости от концентрации НП, то она была специфична для каждой почвы (рис. 1).
900 -
800 +г-
"00 '•■-..-—...................
600 - ""•-■■■!..
100
о-
0 2 16 3
Концентрация НП,г кг
Рис. 1 - Динамика углерода микробной массы почв, загрязненных нефтепродуктами (Ад - аллювиальная дерновая, Дп - дерново-подзолистая, Тсл - темно-серая лесная, Ссл - светло-серая лесная почвы)
Характер изменения величины Ор в изучаемых типах почв также был различен. В аллювиальной дерновой почве при увеличении концентрации загрязнителя до 1,6 г/кг Ор возрастал пропорционально содержанию НП при стабилизации значений Ря в диапазоне 1,6-2,9 г/кг. Дальнейшее увеличение концентрации НП приводило к снижению устойчивости почвенного сообщества, характеризующегося возрастанием значений коэффициента до 0,72. Для дерново-подзолистой почвы было характерно увеличение Ор при возрастании концентрации НП. В темно-серой лесной почве в присутствии поллютанта наблюдалось снижение величин Ор до 0,1-0,2, что соответствует благоприятному состоянию почвенного микробного сообщества. Повышение содержания НП до 2,2 г/кг приводило к снижению Ор светлосерой лесной почвы. При дальнейшем увеличении содержания загрязнения в почве наблюдалось повышение значений коэффициента микробного дыхания, который при концентрациях НП выше 6,6 г/кг достигал контрольных значений (рис. 2).
хания (Оа) почв, загрязненных нефтепродуктами (Ад - аллювиальная дерновая, Дп - дерново-подзолистая, Тсл - темно-серая лесная, Ссл -светло-серая лесная почвы)
Таким образом, параметры почвенного дыхания дают возможность оценить эколого-биологическое состояние микробного сообщества исследованных почв в условиях нефтяного загрязнения:
В загрязненной аллювиальной дерновой почве происходит интенсивная деструкция НП. Несколько понижается активность микрофлоры и уменьшается содержание микробного углерода. Значительно снижается устойчивость микробного пула почвы.
В загрязненной дерново-подзолистой почве протекает активное разложение НП. Практически не изменяется активность микрофлоры и содержание активной микробной массы (Смю)- Устойчивость микробного сообщества снижается в 2,3 раза по сравнению с контролем.
Загрязнение НП темно-серой лесной почвы сопровождалось резким снижением скорости базаль-ного дыхания (следовательно и интенсивности разложения НП в почве), значительным уменьшением активности микробного сообщества и уменьшением доли «живого органического вещества» (Смь) в почвенных сообществах.
Загрязненная НП светло-серая лесная почва характеризуется интенсивными процессами деструкции загрязнителя, повышением активности микрофлоры и увеличением потенциала микробоценозов (Смь). Почвенные ценозы как контрольной, так и загрязненной почв, нестабильны.
Выводы
1. В исследованном диапазоне концентраций нефтепродуктов (5,8 -7,2 г/кг) не выявлено инги-бирующего действия загрязнителя на микробное сообщество аллювиально-дерновой, дерново-подзолистой и светло-серой лесной почв. Микробное сообщество данных почв обладает достаточным потенциалом для нейтрализации негативного воздействия нефти.
2. Нефтяное загрязнение оказывало значительное угнетающее воздействие на микробоценозы темно-серой лесной почвы. Для восстановления тесно-серой лесной почвы целесообразно проведение биологической рекультивации.
Литература
1. Ананьева Н.Д. Влияние высушивания-увлажнения и замораживания-оттаивания на устойчивость микробных сообществ почв / Н.Д.Ананьева, Е.В.Благодатская, Т.С.Демкина // Почвоведение.-2002.-№5.- С.580-587.
2. Благодатская Е.В Характеристика состояния микробного сообщества почвы по величине метаболического коэффициента / Е.В.Благодатская, Н.Д. Ананьева, Т.Н. Мякшина // Почвоведение. -1995. -№2.- 205-210.
3. Демкина Т.С. Влияние длительного применения удобрений на дыхательную активность и устойчивость микробных сообществ почвы / Т.С.Демкина, Н.Д. Ананьева // Почвоведение. -1998.- №11.- С.1382-1389.
4. Anderson T.-H. Application of eco-physiological quotient CO2 (q CO2 and qD) on microbial biomasses from soil of different cropping histories / T.-H.Anderson, K.H. // Domsch Soil Biol. Biochem. -1990.- V.22.- №2.-Р.251-255.
5. Hund K. The microbial respiration quotient as indicator for bioremediation processes / K. Hund, B. Schenk //Chemosphere.- 1994.- V.28. №3.-Р. 477-490.
6. Ананьева Н.Д. Методические аспекты определения скорости субстрат-индуцированного дыхания почвенных микроорганизмов / Н.Д. Ананьева, Е.В. Благодатская, Д.Б. Орлинский, Т.Н. Мякшина // Почвоведение.- 1993.-№11.-С. 72-77.
7. Гарусов А.В. Газовая хроматография в биологическом мониторинге почв / А.В. Гарусов, Ф.К. Алимова, С.Ю. Селивановская, Н.Г. Захарова, С.Ю. Егоров / Изд-во Казанского университета.- 2006. с. 90.
8. Anderson T.-H. A physiological method for the quantitative measurement of microbial biomass in soils / T.-H. Anderson, K.H. Domsch. Soil Biol. Biochem. -1978.- V.10.-№3.- Р. 215-221.
9. Anderson T.-H., Domsch K.H. The metabolic quotient for CO2 (q CO2) as a specific activity parameter to assess the effect of environmental conditions, such as pH, on the micro-bial biomass of forest soils / T.-H. Anderson, K.H. Domsch // Soil Biol. Biochem. -1993.- V.25.- №3.-Р. 393-395.
10. ПНДФ 16.1:2.2.22.-98. Качественный химический анализ почв. Методика измерений массовой доли нефтепродуктов в минеральных, органогенных, органо-минеральных почвах и донных отложениях методом ИК-спектроскопии.- М., 1998.- 5с.
11. Киреева Н.А. Биологическая активность нефтезагряз-ненных почв / Н.А. Киреева, В.В. Водопьянов, А.М. Мифтахов- Уфа: Гилем.- 2001.- 376с.
12. Вершинин А.А. Дыхательная активность дерново-карбонатной почвы, загрязненной дизельным топливом / А.А. Вершинин, А.М. Петров, Ю.А. Игнатьев, Р.Р. Ша-гидуллин //Вестник Казанского технологического университета - 2011,- № 7- С. 168-174.
13. Wardle D.A. Interaction between microclimatic variables and soil microbial biomass / D.A. Wardle, D. Parkinson // Biol. and Fertility of Soils.- 1990(b).- V.9.- № 3.- P. 273280.
14. Благодатская Е.В. Оценка устойчивости микробных сообществ в процессе разложения поллютантов в почве / Е.В. Благодатская, Н.Д. Ананьева // Почвоведение. -1996.-№11.-С.1341-1346.
© А. А. Вершинин - канд. биол. наук, ст. науч. сотр. лаб. экологических биотехнологий Института проблем экологии и недропользования АН РТ, A-vershinin@mail.ru; А. М. Петров - канд. биол. наук, зав. лаб. экологических биотехнологий Института проблем экологии и недропользования АН РТ, zpam2@rambler.ru; Л. К. Каримуллин - асп. той же лаборатории; Ю. А. Игнатьев - канд. хим. наук, ст. науч. сотр. лаб. эколого-аналитических измерений и мониторинга окружающей среды Института проблем экологии и недропользования АН РТ.
