БИОДИАГНОСТИКА НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ МЕТОДОМ МУЛЬТИСУБСТРАТНОГО ТЕСТИРОВАНИЯ Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

БИОДИАГНОСТИКА НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ МЕТОДОМ МУЛЬТИСУБСТРАТНОГО ТЕСТИРОВАНИЯ

О. С. Узких, Д.М. Хомяков

МГУ им. М.В. Ломоносова, Факультет почвоведения 119992, Москва, ГСП-2, Ленинские горы, д. 1, стр. 12 Тел: (495) 939-50-58, e-mail: osuzkih@mail.ru, khom@soil.msu.ru

Изучены закономерности динамики биологической активности нефтезагрязненных почв. Рассмотрены основные существующие методы диагностики нефтезагрязненных почв по микробиологическим показателям. В ходе модельного эксперимента проведена сравнительная оценка чувствительности изученных параметров по отношению к уровню загрязнения нефтепродуктами методом мультисубстратного тестирования, на основании которой выделены определенные концентрации нефти для каждого показателя биологической активности, характеризующие экстремумы различных процессов. Доказано, что состояние микробного сообщества зависит от свойств исходной почвы, от особенностей загрязнителя, доз внесения загрязнителя. Рекомендовано использовать более гибкую систему нормативов с учетом свойств нефти и природных условий при экологическом нормировании загрязнения почв. Предложены критерии оценки уровня и характера загрязнения.

METHOD OF MULTI-SUBSTRATE TESTING IN OIL-POLLUTED SOILS

DIAGNOSTICS

O.S. Uzkikh, D.M. Khomyakov

Moscow state university, Soil department 119992, Moscow, GSP-2, Leninskie gori, 1/12 Tel: (495) 939-50-58, e-mail: osuzkih@mail.ru, khom@soil.msu.ru

Appropriateness of biological activity dynamics of oil-polluted soils are studied in this issue. This investigation describes main relevant diagnostic methods of oil-contaminated soils in terms of microbiological gauges. Analyzing the obtained information of laboratory-based experiment by methods of multi-substrate testing and comparative description of response reactions of soils we find special fixed concentrations of oil for each gauge of biological potency, which define the turning points of different processes of soil. That allows us to suppose that behavior and state of microbiological association depends much on the properties of initial soil, peculiarities of pollutant and rate of pollutant application. We recommend using of more flex system of standards with reference to oil properties and properties of natural conditions for ecological regulation of oil-polluted soils and suggest new evaluation indicators of level and nature of pollution.

Вопрос охраны окружающей среды для предприятий нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности в настоящее время является весьма актуальным. Известно, что вредные выбросы попадают на почву и наносят своими токсичными компонентами непоправимый вред почвенным микроорганизмам и самоочищающей способности почвы.

Проблема диагностики и нормирования содержания нефти и нефтепродуктов (НП) в почвах, несмотря на свою давнюю и неизменную актуальность, все еще далека от оптимального разрешения. Нормирование НП зависит от сочетания многих факторов, таких как тип, состав и свойства почв и грунтов, климатические условия, состав нефтепродуктов, тип растительности, тип землепользования и др. Эти нормы должны различаться в зависимости от климатических условий и типов почвообразования. В связи с этим необходимо установить уровень концентрации нефтепродуктов в почвах и грунтах, выше которого почва не может са-

ма справиться с загрязнением, когда ее потенциал самоочищения не работает. И для каждого типа почвы и типа загрязнителя это будет свое значение. Попытки нормирования нефти по различным показателям вредности приводят к концентрациям, уровень которых колеблется в очень широком диапазоне.

Поэтому особую важность приобретают вопросы изучения влияния нефтяного загрязнения на естественный почвенный микробиоценоз, самоочищающую способность и биологическую активность почвы для различных типов почв и нефтей, что и явилось целью наших исследований.

Оценку состояния микробных сообществ исследуемых образцов почв проводили на основании данных о функциональном биоразнообразии, полученных из анализа спектров потребления органических субстратов методом мультисубстратного тестирования (МСТ). МСТ проводили с помощью автоматизированной системы микробиологического мониторин-

га «Эколог» [1] путем определения интенсивности потребления тестового набора органических моносубстратов при инкубации образцов в специальных тест-планшетах. Определение производили фотометрически с использованием индикатора дегидрогеназ-ной активности (соли тетразолия).

Суть этого достаточно широко используемого в экологии и других науках подхода заключается в том, что параметры системы, ранжированные по интенсивности проявления тех или иных свойств от большего к меньшему, аппроксимируются кривыми модельных уравнений, коэффициенты которых являются информационными или энергетическими характеристиками системы [2]. Сравнение этих индексов позволяет ранжировать системы по степени их стабильности и сложности вне зависимости от их типа и генезиса. Почвенное микробное сообщество представляет собой сложную систему, элементы которой располагаются определенным образом в соответствии с ранговым распределением. Полученный многомерный массив данных (спектр потребления субстратов) является уникальным функциональным портретом исследуемого микробного объекта, на основании которого можно производить классификацию сообществ и вычислять параметры их функционального биоразнообразия.

Как показывают многочисленные исследования, наиболее информативным является коэффициент й, отражающий стабильность сообщества. Варьируясь в изученных нами природных и модельных системах от 0,01 до 1,7, он позволяет оценить благополучие и стабильность микробных сообществ. На основании экспериментов можно ввести следующую шкалу: в благополучных избыточных системах, имеющих максимальный запас прочности, й принимает значения от 0,01 до 0,1; в устойчивых стабильных системах от 0,1 до 0,4; для систем с истощенными ресурсами или находящихся под обратимым воздействием какого-либо нарушающего фактора характерны значения й от 0,4 до 0,8; кризисным дестабилизированным системам соответствуют значения 0,8-1; значения > 1 характерны для необратимо нарушенных систем, потерявших исходную функциональную целостность.

Так же определяются индексы биоразнообразия: индекс Шеннона (Н), выравненность, число потребленных субстратов, средняя метаболическая работа сообщества (Ж). Для качественной идентификации типа системы проводился кластерный анализ (Эвк-лид-Вард).

В модельном эксперименте нами исследовались почвы, загрязненные нефтью, - чернозем и дерново-подзолистая почва с концентрациями внесенной нефти - 0,1, 0,5, 1, 5, 10%. Процентные загрязнения нефтью соответствуют (по ГОСТ 17.4.3.06-86 СТ СЭВ 5301-85) степени слабозагрязненных (менее 1%), среднезагрязненных (1%-5%) и сильнозагряз-ненных (более 5%) объектов. Эти же концентрации являются показательными и для описания микроби-

логической деятельности, т.к. соответствуют зонам гомеостаза (менее 0,1%), стресса (01%, 0,5%, 1%) и зоне резистентности (5% и 10%). В эксперименте изучали воздействие двух видов нефтей: иркутская (Н1) и ванкорская (Н2). Иркутская нефть имела плотность р 805,5 кг/м3 при 20° С, вязкость кинематическую 2,28 мм2/с, содержание серы 0,2-0,5% (массовая); ванкорская имела плотность 905,6 кг/м3 при 20° С, кинетическую вязкость 23,9 мм2/с, температура застывания -38° С, содержание серы 0,51,0%). На основании представленных характеристик можно предварительно предположить, что Н1 является более токсичной для биологических составляющих объектов окружающей среды за счет более высокого содержания серы и меньшей плотности (большего содержания легких фракций).

Как видно из рис. 1, в группу измененного под действием иркутской нефти (Н1) сообщества чернозема попали образцы с концентрацией загрязнителя 01, 05, 1, 5%. Во вторую группу попали контрольный незагрязненный образец и образец с максимальной концентрацией нефти 10%, возможно, это связано с тем, что при данном уровне загрязнения сообщество является приспособленным к разложению НП. Черноземное сообщество (рис. 2), измененное под действием ванкорской нефти (Н2), было четко детерминировано по концентрациям нефти: 0 (контроль), 0,5, 1%, и 5, 10%, что, возможно, связано с меньшей токсичностью данного вида нефти для почвенных микроорганизмов.

Анализ микробных сообществ дерново-подзолистой почвы методом кластерного анализа позволяет выделить две сематические группы (рис. 3, 4). В одну группу вошел контрольный образец, а во вторую - образцы с разными уровнями загрязнения нефтью, отличающиеся от образцов первой группы тем, что в них преобладали микроорганизмы, потребляющие загрязнитель как основной субстрат.

Тгвв Diagram Гогб Cases Ward's met hod Euclidean distances

mK

ЧН1-10 ^1-0.1 vH 1-0,5

ЧН1-1

ЧН1-5

1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200 2400 2600 2800 3000 Linkage Distance

Рис. 1. Кластерный анализ данных образцов чернозема (Ч), загрязненных нефтью (Н1) Fig. 1. Data of cluster analysis of oil-polluted blackearth (type of oil Н1)

106 International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 4 (72) 2009

© Scientific Technical Centre «TATA», 2GG9

Tree Diagram for 6 Cases Víjrdsmelhod Euclidean diünces

чК

ЧИ2-0.5 чнг-i

él? О

■нг-io

чье-0,1

500 1000 1500 2000 2500 ЗО00 3500 4000 4500 5000 lintoge О^апсе

Рис. 2. Кластерный анализ данных образцов чернозема (Ч), загрязненных нефтью (Н2) Fig. 2. Data of cluster analysis of oil-polluted blackearth (type of oil Н2)

T lae 01 ag ran for S Cases Ward's meItiod Euclidean distances

дпгК дппШ -0.1 длпт-i

ДППН1-5

дппН1-10 дппН1 -0,5

500 1000 1 500 гооо 25О0 Э000 3500 4000 4S0O 6000 5500 Lin lags □ star се

Рис. 3. Кластерный анализ данных образцов дерново-подзолистой почвы (ДПП), загрязненных нефтью (Н1) Fig. 3. Data of cluster analysis of oil-polluted soddy-podzolic soil (type of oil Н1)

Tree Diagram for 6 Cases \№nd'smethod Eudidean distances

яппК ДППН2-0.1

дппН2-0,5 I

ДППН2-10 дпп№-5

0 1000 2000 3000 4000 S300

Linkage Distance

Рис. 4. Кластерный анализ данных образцов дерново-подзо-листой почвы (ДПП), загрязненных нефтью (Н2) Fig. 4. Data of cluster analysis of oil-polluted soddy-podzolic soil (type of oil Н2)

Размещение протестированных образцов чернозема и дерново-подзолистой почвы в пространстве коэффициентов ранговых распределений представлено на рис. 5, 6. Хорошо видны различия между образцами по степени нарушенности - выделяется группа относительно благополучных микробных сообществ и зона нарушенных.

Как видно из рис. 5, а и 6, а, разнообразие бактериального комплекса (индекс Шеннона Н) чернозема растет с увеличением концентрации нефти, максимум наблюдается для иркутской нефти в пределах концентраций 5-10%, для ванкорской - в пределах 1-5%, далее бактериальный комплекс обедняется. Бактериальный комплекс дерново-подзолистой почвы наиболее богат при концентрации загрязнителя 1-5% для обоих видов нефтей.

„5,15

X

х 5,05

X

(Ц

3 4,95

£

(Ц

4 4,85

::

I 4,75

4,70

контроль 0,1 0,5 1 5 10

а

л

b

контроль 0,1 0,5 1 5 10

вариант опыта (концентрация нефти, %) > Иркутская нефтью—Ванкорская нефть

С

Рис. 5 (a, b, c). Разделение в пространстве параметров функционального биоразнообразия и рангового распределения для чернозема Fig. 5 (a, b, c). Separation by expanse of functional biological diversity parameters and rank distribution for black-earth

Разнообразие бактериального комплекса незагрязненного чернозема больше, чем в незагрязненной дерново-подзолистой почве. Внесение загрязнителя в чернозем увеличивает индекс Шеннона по

>Lir.

i

107

сравнению с контролем, в дерново-подзолистои почве наблюдается обратная картина. Высокое значение Н позволяет судить о том, что в образце присутствует большое разнообразие углеводородокисляющих бактериИ, потребляющих один и тот же питательный субстрат. Низкий индекс говорит о том, что в самой почве содержится небольшое количество питательных веществ, которые бактерии могли бы потреблять в качестве питательного субстрата. Следовательно, внесение нефти увеличивает разнообразие бактериального комплекса для черноземной почвы, но обедняет и без того небогатое сообщество дерново-подзолистой почвы.

1,20 1,05 0,90 0,75 0,60 0,45 0,30 0,15 0,00

¡5 1550

ю

% 1450

контроль 0,1

0,5

10

1350

1250

1150

1050

контроль 0,1

0,5

вариант опыта (концентрация нефти,%) ■—Иркутская нефть Ванкорская нефть

Рис. 6 (a, b, c). Разделение в пространстве параметров функционального биоразнообразия и рангового распределения для дерново-подзолистой почвы Fig. 6 (a, b, c). Separation by expanse of functional biological diversity parameters and rank distribution for soddy-podzolic soil

Как показывают рисунки 5, b и 6, b, индекс устойчивости системы d свидетельствует о том, что контрольный образец черноземной почвы - это неблагополучная, нестабильная система с истощенными питательными ресурсами по сравнению с дерново-подзолистой почвой. Контрольный же образец дерново-подзолистой почвы являет собой микроб-

ную систему, характеризующуюся как благополучная, стабильная, избыточная, имеющая максимальный запас прочности. Несмотря на это, состояние черноземного сообщества под влиянием нефти не выходит за границы «истощенного» (коэффициент ё < 0,8), тогда как система дерново-подзолистой почвы при высоких концентрациях нефти необратимо нарушается (коэффициент ё > 1,0). Это свидетельствует о том, что микробный пул чернозема менее легко подвергается перестройке за счет более благоприятных свойств самой почвы, главным образом содержания органического вещества.

В черноземной почве, загрязненной иркутской нефтью, устойчивое сообщество наблюдается при концентрациях поллютанта 0,5 и 5%, при всех остальных концентрациях нефти сообщество истощено; при загрязнении ванкорской нефтью устойчивое сообщество наблюдается при концентрациях поллю-танта 1 и 5%, при всех остальных концентрациях загрязнителя сообщество также истощено.

В дерново-подзолистой почве, загрязненной иркутской нефтью, сообщество нарушается относительно увеличения концентрации поллютанта, необратимые нарушения наступают при 5%-м загрязнении. Здесь концентрация нефти явилась абсолютно губительной для нормального почвенного сообщества. Вместе с тем можно говорить о том, что на первое место выступает сообщество, которое в результате своей жизнедеятельности должно осуществить процесс самоочищения почвы от нефтяных углеводородов. При загрязнении дерново-подзолистой почвы ванкорской нефтью в количестве 0,1% происходит кризисная дестабилизация сообщества, при дальнейшем увеличении концентрации нефти сообщество выходит на «истощенное» состояние.

Функция общей численности Ж (рис. 5, с и 6, с) -метаболическая работа, увеличивается для черноземного сообщества при внесении загрязнителя относительно контроля. Это объясняется тем, что с добавлением нового органического субстрата - нефти, наряду с обычной почвенной микрофлорой к его разложению подключаются резистентные до сих пор углеводородокис-ляющие бактерии. Для дерново-подзоли-стой почвы наблюдается обратная картина - снижение коэффициента Ж относительно контроля при внесении нефти. Особых различий по виду нефти (Н1 или Н2) не наблюдается для обеих почв, что свидетельствует о том, что микроорганизмы воспринимают обе нефти как достойный субстрат для потребления.

Экспериментально установлены изменения, происходившие в почвенном микробоценозе под влиянием нефти.

В дерново-подзолистых почвах (ДПП) рост микроорганизмов угнетался в пределах концентрации 1-5%, которая является в наших исследованиях сред-недействующей. Эта же концентрация является переломной для многих функций, характеризующих самоочищающую способность почвы. Иркутская нефть подходит для ДПП больше по токсическому

a

5

b

c

типу, нежели по субстратному типу, подавляя микробное сообщество в исследованном диапазоне концентраций. Ванкорская нефть легко используется как субстрат, даже увеличивая биоразнообразие и устойчивость сообщества.

Для черноземной почвы различия менее выражены, однако тенденция сохраняется. Критичной концентрацией для чернозема по результатам эксперимента является 5%.

Следовательно, скорость самоочищения нефтезаг-рязненных почв зависит от свойств исходной почвы, от особенностей загрязнителя, доз внесения загрязнителя. Предлагаемые показатели состояния почв можно использовать при оценке воздействия загрязнения окружающей среды нефтью, при биомониторинге и биодиагностике состояния почв, при экологическом нормировании загрязнения почв и т.д.

Список литературы

1. Ананьева Н.Д. Микробиологические аспекты самоочищения и устойчивости почв. М: Наука. 2003. С. 223.

2. Алехин В.Г., Емцев В.Г., Рогозина Е.А., Фах-рутдинов А.И. Биологическая активность и микробиологическая рекультивация почв, загрязненных нефтепродуктами // Билогические ресурсы и природопользование. Сборник научных трудов. Нижневар-

товск: Изд-во Нижневартовского пед. инст-та, 1998. Вып. 2. С. 95-105.

3. Горленко М.В., Кожевин П.А. Мультисубст-ратное тестирование природных микробных сообществ. М.: Макс Пресс, 2005.

4. Горленко М.В., Терехов А.С., Марченко С.А., Марченко А.И., Воробьев А.В., Кожевин П.А. Индикация загрязнения почвы полициклическими ароматическими углеводородами по функциональной реакции почвенного микробного комплекса // Вестн. Моск. Унта. Сер. 17. Почвоведение. 2003. № 1. С. 66-70.

5. Gorlenko M.V., Majorova T.N., Kozhievin P.A. Disturbances and their influence on substrate utilization patterns in soil microbial communities // Microbial Communities. Functional versus structural approach. Springer, 1997.

6. Кураков А.В., Гузев В.С. Нефтезагрязненные почвы: модификация свойств, мониторинг и биотехнологии рекультивации // Нефтяные загрязнения: контроль и реабилитация экосистем (учебно-методическое пособие) под редакцией д-ра биол. наук Коте-левцева С.В., проф Садчикова А.П. М.: Изд-во ФИАН, 2003. С. 194.

7. Пиковский Ю.И., Геннадиев А.Н., Чернявский С. С., Сахаров Г.Н. Проблема диагностики и нормирования загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами // Почвоведение. 2003. № 9. С. 1132-1140.

UZBEKISTAN 2009 -4-Я МЕЖДУНАРОДНАЯ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННАЯ ВЫСТАВКА "ЭНЕРГЕТИКА, ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ, ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ, ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА, КАБЕЛИ, СВЕТОТЕХНИКА, НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ"

Время проведения: 23.09.2009 - 25.09.2009 Место проведения: Узбекистан, Ташкент Темы: Энергетика, Электроника и электроэнергетика, Метизная, проволочно-канатная, кабельная

Power Uzbekistan - это

1 Более 70 компаний-участников; • Посетители-специалисты отрасли из Узбекистана, стран СНГ и дальнего зарубежья; • Технические семинары по энергетике и энергосбережению и презентации; • Целевая рекламная кампания по привлечению посетителей; • Лучшая выставочная площадка Узбекистана

Тематика данной выставки позволяет показать развитие и потенциал в таких важнейших областях промышленности, как электроэнергетика, электротехника, строительство, связь, угольная промышленность, нефтегазовый комплекс,

ЖКХ, которые формируют экономику Узбекистана. Официальная поддержка выставки ГАК «Узбекэнерго»СО «Узсувэнерго» при Министерстве сельского и водного хозяйства Республики Узбекистан

_Основные тематические разделы_

■ Электрические машины и комплектующие

■ Низковольтная аппаратура

■ Высоковольтное оборудование

■ Оборудование и технологии для угольной промышленности

■ Кабели, провода, аксессуары

■ Электроизоляционные материалы и изоляторы

- Преобразовательная техника

- Электроника и электронные компоненты

- Контрольно-измерительные приборы и автоматика

- Электромонтажное оборудование и электроинструменты

- Энергосберегающие технологии и оборудование

- Альтернативные источники энергии

- Светотехника

Ж

J '<:<

109