CC BY
172
УДК [630*114.6+631.433.3+631.46] :622.323(470.11)(045)
МИХАЙЛОВА Анна Анатольевна, аспирант кафедры ботаники и общей экологии Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова. Автор 13 научных публикаций
НАКВАСИНА Елена Николаевна, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, заведующая кафедрой лесоводства и почвоведения Северного (Арктического) федерального университета. Автор 196 научных публикаций, в т.ч. 5 монографий и 12 учебно-методических пособий
ПОПОВА Людмила Федоровна, кандидат химических наук, доцент кафедры химии Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова, профессор Российской академии естествознания. Автор более 100 научных публикаций, в т.ч.
2 монографий и 2 учебно-методических пособий
БИОЛОГИЧЕСКАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ ПОЧВЫ К НЕФТЕПРОДУКТАМ*
В статье представлены результаты изучения дыхания, целлюлозолитической активности микроорганизмов и общей численности бактерий в почве при разных сроках инкубации и видах нефтяного загрязнения. Выявлены характер, степень и продолжительность влияния бензина, дизельного топлива, моторного масла на микробное сообщество почвы.
Дерново-подзолистая почва, нефтепродукты, биологическая активность, устойчивость и самоочищение почвы, индикационный показатель
Введение. Почвы постоянно подвергаются различным техногенным воздействиям, в связи с этим, современные исследования направлены на изучение устойчивости почв к ним. Под устойчивостью почв понимают способность преодолевать нарушения, поддерживать продуктивность, плодородие, скорость биогео-химических циклов и разнообразие основных функциональных групп. Ведущим индикационным показателем устойчивости почв к продуктам техногенеза служит активность микробных сообществ. Именно живые организмы, выпол-
© Михайлова А.А., Наквасина Е.Н., Попова Л.Ф., 2011
* Исследования поддержаны грантом Российского фонда
няя экологическую функцию - участие в процессах разрушения структуры и превращения природных и синтетических соединений, могут диагностировать изменения в почве [1-4].
Широко используемыми показателями эко-физиологического состояния микробного сообщества почв при нефтяных загрязнениях являются: микробная биомасса, скорости базального (далее БД) и субстрат-индуцированного дыханий; показатели, характеризующие деятельность одной из основных групп микрофауны: численность, качественный состав, цел-
фундаментальных исследований «Север 08-04-98808».
люлозолитическая активность, скорость разложения мочевины, активность фермента и др. [4-6].
С целью изучения характера, степени и продолжительности влияния нефтепродуктов на биологическую активность дерново-подзолистых почв были заложены модельные опыты. В лабораторных условиях исследовали характерные для загрязнения городской среды нефтепродукты: бензин, дизельное топливо, моторное масло. В качестве диагностических показателей нами выбраны скорость БД, целлюло-золитическая активность микроорганизмов и общая численность бактерий.
Объекты и методы исследования. Моделирование загрязнения почвы нефтепродуктами проводили с применением вегетационного метода [7] и методики предложенной С.И. Колесниковым с соавторами [5]. Объектом исследования была выбрана условно чистая дерново-подзолистая почва из верхнего слоя 0-20 см, сформировавшаяся на суходольном лугу, с 89процентным содержанием частиц размером менее 0,01 мм и рН водной вытяжки 6,68. Гидролитическая, обменная кислотности и кислотность, обусловленная Н+, составили 1,7; 0,2; 0,1 мг-экв/100 г почвы соответственно.
В ходе эксперимента было смоделировано
3 серии равномерного загрязнения почвы нефтепродуктами: первая серия со сроком инкубирования в 3 дня, вторая - 1 месяц, третья -
4 месяца. Загрязнение нефтепродуктами (бензином, дизельным топливом и моторным маслом) с концентрациями 0,5; 1,0 и 5,0% от массы почв проведено с трехкратной повторностью. Инкубирование почвы осуществляли в вегетационных сосудах при температуре 20-22°С и оптимальной влажности 60% от полной влагоемкости.
Дыхание почв исследовали по скорости выделения углекислого газа средними свеже-отобранными пробами всех серий за сутки с применением методики [8]. Интенсивность микробного разложения целлюлозы исследовали методом аппликаций по убыли веса хлопчатобумажной ткани в почвах второй и третьей серии [9]. Скорость разложения полотна выражали в процентах от исходного веса ткани.
Численность бактерий в почве всех серий определяли методом посева почвенной суспензии на мясо-пептонные агаровые пластинки [10-12].
Полученные данные статистически обработаны в программе Excel, для оценки взаимосвязей происходящих в почве процессов применен корреляционный анализ.
Результаты исследования. Модельный опыт показал, что с течением инкубационного времени БД незагрязненной почвы уменьшается (спустя 4 месяца - в 5 раз), что обусловлено сезонными условиями (рис. 1). Половина 4-месячного инкубационного срока (июль-октябрь) приходится на осенние месяцы, которые в сезонной динамике потоков СО2 почвами России характеризуются малым вкладом в годовую эмиссию диоксида углерода (25% от суммарного годового потока СО2) [13].
Целлюлозолитическая способность достигает 100%, что обусловлено деятельностью микроорганизмов в целом за период компостирования (рис. 2).
Численность бактерий почвы после 3-х суток и 4-х месяцев инкубирования приближает их биогенность к обыкновенному чернозему Воронежской области (рис. 3): количество бактерий более 6,00 млн/г воздушно-сухой почвы характерно для верхнего слоя дерново-подзолистых почв в «раннелетний» и «послеуборочный» периоды при благоприятных для развития микроорганизмов условиях [14]. Динамические изменения определяемых показателей в загрязненных почвах позволили выявить характер воздействия нефтепродуктов на микробное сообщество почвы.
Внесение в почву бензина после 3-х суток инкубации привело к снижению БД до 92% при
0,5% загрязнении и до 85% - при 5,0%; численности бактерий - в 1,3-1,4 раза по всему диапазону загрязнений. С течением месяца подавляющее действие бензина на БД почвы выражается в варианте с 5,0% загрязнением, на деятельность целлюлозолитических микроорганизмов и общее число бактерий во всем диапазоне концентраций. Снижение целлюлозолитической способности почвы происходит до 47% при загряз-
■І
00% 0,50% 1,00% 5.00%
Кинцеишриция нефтяники зиарязнения, %
□ контроль ¡3 бензин ^ дизельное топлибо Щ моторное масло
/4£?п
120
100-
80
60-
М
20-
I
0,00% 0.50% {00% 5;00%
Концентрация нефтяного загрязнения %
□ контроль 0 5ечзин 0 дизельное топлибо Щ моторное масло
120 ■ 100 . во. 60 . и ■ 20 ■
ж
0,00% 0.50% 100% 5,00%
Концентрация нефтяного загрязнения, %
[2 контроль [3 бензин дизельное топливо ЧЖ моторное масло
Рис. 1. Дыхательная активность почв при разных сроках инкубации и видах нефтяного загрязнения: а - после 3 суток, б - после 1 месяца, в - после 4 месяцев
б
а
в
Ж
І
Ю0-.
90- а ^ 120 - б
I
80 70 -60 -50 Ш 30 -20 10
ГІ
і
і
_
0.00% 0,ш 100% 5.00%
Концентрация нефтяного загрязнения, %
□ незагрязненная пачба и Вензин н Визеяьте топлибо в моторное масло
1
г
Г
!'■
Г
і
I
0,00% ЦШ 100% 5,00%
Концентрация нефтяного загрязнения, %
□ незагрязненная почва □ Вензин о дизельное топлибо в моторное мает
Рис. 2. Целлюлозолитическая активность почв при разных сроках инкубации и видах нефтяного загрязнения: а - после 1 месяца, б - после 4 месяцев
'I 1
I ;
сЗ
I
Й
№
і
0,00% 0,50% 1,00% 500%
Концентрация нефтяного загрязнения, % п контроль q Вензии
а дизельное топлийо а моторное мат
пЬ
*
■
К
;
0,00% 0,50% 100% 5,00%
Концентрація нефтяного загрязнения. % и контроль ашт
и дизельное талиба и моторное маав
б
I
«А
гЬ
0,00% 0,50% 1,00% 5,00%
Концентрация нефтяного загрязнения, %
□ контроль и 5ензт
□ дизельное таптВа □ моторное наш
в
Рис. 3. Общая численность почвенных бактирий при разных сроках инкубации и видах нефтяного загрязнения: а - после 3 суток, б - после 1 месяца, в - после 4 месяцев
нении 0,5% и до 9% при загрязнении 5,0%; численности бактерий - в 1,7 раза при загрязнении - 0,5%, в 10,0 раз - при загрязнении 5,0%.
Через четыре месяца после внесения в почву бензина значения «дыхания» и общей численности бактерий в сравнении со значением этих показателей для незагрязненной почвы выше, что свидетельствует об исчезновении подавляющего действия данного нефтепродукта. Подавляющее действие на целлюлозолити-ческую активность сохраняется (коэффициент корреляции г при t = 0,95 составляет -0,98). Токсичное действие бензина на биологическую активность почв обусловлено его химическим составом: низкомолекулярные предельные углеводороды с короткой цепью, составляющие большую часть топлива, легко проникают через клеточные мембраны организмов и в результате дезорганизуют их [5, 15]. Имеющиеся в бензине антидетонационные присадки усиливают токсичные его свойства.
Дизельное топливо, является одним из нефтепродуктов, оказывающим как стимулирующее, так и ингибирующее воздействие на микрофлору. Так, несмотря на то, что дизельное топливо является легким нефтепродуктом, после каждого срока инкубирования во всем диапазоне концентраций активирует процесс выделения СО2 и деятельность бактерий (коэффициент корреляции г колеблется от 0,73 до 0,99). Угнетение деятельности бактерий происходит только после 3 суток инкубирования при остаточном содержании от 1,0 и 5,0% загрязнений (г = -0,63). Процесс разложения целлюлозы не активируется углеводородами дизельного топлива (г = -0,77). Через месяц после внесения остаточное содержание от 1,0 и 5,0 % загрязнений снижает скорость деструкции полотна в 2,4 и 4,0 раза соответственно. После 4-х месяцев инкубирования во всем диапазоне концентраций проявляется угнетение жизнедеятельности цел-люлозолитических микроорганизмов.
Моторное масло приводит к возрастанию почвенного БД после 3 суток и 1 месяца инкубации (г = 0,99). С течением времени стимулирующее действие его падает, токсичный компонент - ароматические углеводороды -в 2-3 раза уменьшает дыхательную способность почвы (г = 0,77), во всех вариантах загрязнений начинает проявляться подавление микробной массы (г = -0,53). Целлюлозолити-ческие микроорганизмы при внесении моторного масла сначала активизируются: на льняной ткани появляются большие темные, рыхлые участки, а также фрагменты, потерявшие первоначальные свойства ткани. По истечении 4-х месяцев после внесения в почву ароматические углеводороды моторного масла начинают оказывать токсичное воздействие на микроорганизмы (г = -1,00). Стимулирующее действие на деструкцию полотна оказывает только загрязнения, составляющие 0,5 и 1,0%, а загрязнение, составляющее 5,0%, подавляет деструкцию. Общая численность бактерий лежит в
пределах численности незагрязненной почвы по всем срокам инкубации.
Стимулирующее действие дизельного топлива, моторного масла на показатели биологической активности при концентрации в почве меньше 50 г/кг соответствует данным Т.П. Славниной [16] и И.А. Сморкалова [17], и связано с появлением питательного субстрата для микроорганизмов.
Выводы. Таким образом, на начальных этапах загрязнения токсическое воздействие нефтепродуктов на показатели биологической активности уменьшается в ряду: бензин > дизельное топливо > моторное масло. С течением времени инкубации исчезает подавляющее действие бензина (после 4 месяцев), дизельного топлива (после 1 месяца) и стимулирующее действие моторного масла (после 4 месяцев).
Исходя из адаптации микроорганизмов к нефтепродуктам, длительность самоочищения почв, загрязненных нефтепродуктами увеличивается в ряду: дизельное топливо > бензин > моторное масло.
Список литературы
1. Stress Effects on Natural Ecosystems / ed. G.W. Barrett, R. Rosenberg. Wiley, 1981.
2. Chapin F.S., Torn M., Tateno M. Principles ofEcosystem Sustainability // Amer. Natur. 1996. Vol. 148, № 6. P. 10161037.
3. Ohtonen R. Accumulation of Organic Matter along a Pollution Gradient: Application of Odum, theory of Ecosystem Energies // Microbial Ecol. 1994. Vol. 27, № 1. P. 43-55.
4. Ананьева Н.Д. Микробиологические аспекты самоочищения и устойчивости почв / отв. ред. Д.Г Звягинцев. М., 2003.
5. Биодиагностика экологического состояния почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами / С.И. Колесников, К.Ш. Казеев, В.Ф. Вальков и др. Ростов н/Д, 2007.
6. Шорина Т. С. Влияние нефтяного загрязнения на биологическую активность черноземов Оренбургской области // Вестн. Оренбург, гос. ун-та. 2009. N° 6(100). С. 651-653.
7. Агрохимические методы исследования почв / под ред. А.А. Соколова. М., 1975.
8. SchlichtingE., BlumeH-P. Bodenkundliches Praktikum. Parays Studientexe. Berlin, 1995. V 81.
9. Методы почвенной микробиологии и биохимии / под ред. Д.Г Звягинцева. М., 1991.
10. Васильева З.В., КирилловаГ.А., ЛаскинаА.С. Лабораторные работы по курсу микробиологии: пособие для студентов-заочников факультета естествознания педагогических институтов. М., 1967.
11. Они же. Лабораторные работы по микробиологии для студентов-заочников V курса биолого-химических факультетов педагогических институтов. М., 1979.
12. Аникеев В.В., Лукомская К.А. Руководство к практическим занятиям по микробиологии: учеб. пособие для студентов биол. специальностей пед. ин-тов. М., 1977.
13. Кудеяров В.Н., КургановаИ.Н. Дыхание почв России: анализ базы данных, многолетний мониторинг, общие оценки // Почвоведение. № 9. С. 1112-1121.
14. Мишустин Е.Н. Микроорганизмы и плодородие почвы. М., 1956.
15. Чижов Б.Е. Рекультивация земель лесного фонда, подвергшихся нефтяному загрязнению. М., 2004.
16. АлехинВ.Г., ЕмцевВ.Т., РогозинаЕ.А., ФахрутдиновА.И. Биологическая активность и микробиологическая рекультивация почв, загрязненных нефтепродуктами // Биологические ресурсы и природопользование: сб. науч. тр. Нижневартовск, 1998. Вып. 2. С. 95-105.
17. Сморкалов И.А. Роль фотогетеротрофных пурпурных бактерий в сомоочищении почвы от углеводородов: автореф. дис. ... канд. биол. наук. Уфа, 2009.
Mikhailova Anna, Popova Lyudmila, Nakvasina Elena SOIL ВIOLOGICAL STABILITY TO OIL PRODUCTS
The study results of breath, cellulose-decomposing activity of microorganisms and the aggregate number of bacteria in soil at different incubation terms and kinds of mineral oil pollution are presented in the article. The character, degree and duration of the influence of gasoline, diesel fuel, engine oil on the soil microbic community are revealed.
Контактная информация: Михайлова Анна Анатольевна e-mail: mihailovaeco@rambler.ru Попова Людмила Федоровна e-mail: fc.chemistry@pomorsu.rn; luda9857@pochta.ru Наквасина Елена Николаевна e-mail: nakvasina@agtu.ru; elnak@atnet.ru
Рецензент - Беляев В.В., доктор сельскохозяйственных наук, профессор кафедры географии и геоэкологии Поморского государственного университета имени М.В. Ломоносова
