CC BY
12
УДК 579.26:631.46
Л.К. Каримуллин, А.М. Петров, А.А. Вершинин, Т.В. Кузнецова, А.А. Утомбаева
Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, karlenar@yandex.ru
ДЫХАТЕЛЬНАЯ АКТИВНОСТЬ АЛЛЮВИАЛЬНЫХ ЛУГОВЫХ ПОЧВ В УСЛОВИЯХ НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ
Исследовано влияние остаточного содержания нефтяных загрязнений на дыхательную активность условно рекультивированных супесчаной и среднесуглинистой аллювиальных луговых почх. При остаточном содержании нефтепродуктов до 6 г/кг не выявлено ингибирующее действие нефти на базальное и субстрат-индуцированное дыхание почв. Модельная рекультивация обеспечивает создание условий, обеспечивающих дальнейшее самовосстановление свойств и плодородия нефтезагрязненных аллювиальных луговых почв. Сравнение коэффициентов микробного дыхания нефтезагрязненных супесчаных и суглинистых аллювиальных луговых, серых лесных и дерново-подзолистых почв показало, что суглинистые почвы быстрее, чем супесчаные преодолевают негативное влияние нефтепродуктов.
Ключевые слова: нефть; нефтепродукты; аллювиальные луговые почвы; коэффициент микробного дыхания.
Введение
Способность почв преодолевать воздействие разнообразных поллютантов обусловлена деятельностью ее микрофлоры, состав и функциональная активность которой определяется типом почвы (Ананьева и др., 2005; Полянская, Звягинцев, 2005). Существуют почвы, характеризующиеся высоким содержанием микробной массы и разнообразием ее видового состава, а также широким спектром ферментативной активности. Микробное сообщество других почв содержит ограниченный видовой состав и невысокие запасы биомассы, что снижает ее способность к самовосстановлению при неблагоприятных антропогенных воздействиях. Знания о качественном составе и функциональной активности почв позволяет оценить их потенциал, что необходимо учитывать при проведении работ по восстановлению свойств и плодородия нефтезагрязненных территорий. Изучение дыхательной активности почв является одним из наиболее широко применяемых методов оценки их биологической активности.
Цель исследований состояла в изучении параметров дыхания условно рекультивированных загрязненных нефтью аллювиальных луговых почв разного гранулометрического состава и их сопоставлении с дерново-подзолистыми и серыми лесными почвами.
Материалы и методы исследований
Объектом исследований являлись чистые и
прошедшие условную рекультивацию загрязненные нефтью горизонты А1 супесчаной и средне-суглинистой аллювиальных луговых почв Республики Татарстан.
В чистые почвы вносили различное количество сырой сернистой нефти Ямашинского месторождения. В качестве контроля (К) использовали незагрязненную нефтью почву.
Эксперименты по условной рекультивации проводили в лабораторных условиях в контейнерах из пищевого пластика размером 180^140^90 мм, содержащих по 1400 г воздушно-сухой почвы при влажности на уровне 60% от полной влаго-емкости и температуре окружающего воздуха 20-25оС. Еженедельно осуществлялось рыхление почв в контрольных и опытных вариантах.
Через 6 месяцев после внесения нефти в почвенных образцах ИК-спектрофотометрическим методом на анализаторе КН-2м определяли суммарное содержание нефтепродуктов (НП) (ПНД Ф 16.1.2.2.22-98), которое составило в вариантах с супесчаной почвой 1.8, 3.1, 4.2 и 6.5 г/кг, в среднесуглинистой почве 1.9, 3.1, 4.1 и 6.0 г/кг.
Для определения скорости базального дыхания (Убазал) во флаконы емкостью 15 мл помещали по 2 г почвы, добавляли 0.4 мл стерильной водопроводной воды и закрывали резиновыми пробками. Флаконы инкубировали при температуре 22оС в течение 24 ч. Скорость субстрат-индуци-рованного дыхания (Усид) устанавливали таким же способом с той лишь разницей, что во флаконы вместо воды добавляли по 0.4 мл 5% глюкозы, а время инкубации составляло 2 часа (Ананьева
и др., 1993). Величину эмиссии СО2 определяли газохроматографическим способом на хроматографе «Хроматек Кристалл 5000.2» (Звягинцев, 1991). Скорость дыхания выражали в мкг СО2/г-час. Вычисляли коэффициент микробного дыхания (Q), который представляет собой отношение У-ТУ^ (Anderson, Domsch 1993).
Результаты и их обсуждение
Величина Убазал контрольных образцов почв, отражающая интенсивность минерализации органического вещества, составляла 4.26 мкг СО2/г час для супесчаной и 3.64 мкг СО2/г час для сред-несуглинистой почвы. Как правило, нефтяное загрязнение почв усиливает эмиссию СО2 (Бла-годатская, Ананьева, 1996; Киреева и др., 2001; Петров и др., 2014). Эта же закономерность обнаружена нами и у аллювиальных луговых почв (рис. 1А). Однако, характер изменения базально-го дыхания исследуемых почв в зависимости от исходной концентрации поллютанта был различен. Для супесчаной почвы в диапазоне содержания НП 0.025-3.1 г/кг наблюдалось линейное изменение Убазал с последующей стабилизацией этого параметра до концентрации 6.5 г/кг на уровне 1.7-1.8, кратно превышающем значения Убазал в контроле. В образцах среднесуглинистой почвы уже при минимальной испытанной дозе нефти рост эмиссии СО2 был в 2.1 раза выше, чем в контроле. В интервале концентрации НП 1.9-4.1 г/ кг Убазал не менялась. Увеличение дозы нефти до 6.0 г/кг приводило к росту интенсивности базаль-ного дыхания, что является свидетельством того, что увеличение содержания загрязнителя в сред-несуглинистой почве, в отличие от супесчаной в испытанном диапазоне содержания НП интенсифицирует процессы деструкции нефтяных углеводородов.
Субстрат-индуцированное дыхание указывает на количество жизнеспособных микробных клеток в почве, обозначая, тем самым, активность ее микробного сообщества (Anderson, Domsch, 1985; Благодатская, Ананьева, 1996). Следует отметить, что скорость субстрат-индуцированного дыхания чистой среднесуглинистой почвы была в 1.7 раз выше, чем в чистой супесчаной почве. Существенным образом отличалась в них величина Усид и в условиях нефтяного загрязнения. Уровень Усид среднесуглинистой почвы в 1.5-1.8 раз превосходил соответствующие показатели супесчаной почвы. Не обнаружено сколько-нибудь значимого влияния содержания нефти на величину Усид аллювиальной среднесуглинистой почвы. Данный показатель во всем интервале испытанных концентраций НП имел близкие значения
12 10
0
г? 8 о" 6
1 4 2
0
0 1 2 3 4 5 Содержание НП, г/кг
45 и
40
35 -
га Ii 30 -
25
С 20
15
10
5 -
0
2 3 4 5 Содержание НП, г/кг
Алу Алс
0 1 2 3 4 5 6 7 Содержание НП, г/кг
Рис. 1. Параметры дыхания аллювиальных луговых почв
^ - ^ Б - ^ В - а)
Алу - аллювиальная луговая супесчаная почва; Алс - аллювиальная луговая среднесуглинистая почва
(рис. 1Б).
В аллювиальной луговой супесчаной почве изменения уровня субстрат-индуцированного дыхания чистых и загрязненных образцов также находились в пределах статистической погрешности (23.14 мкг СО2/гч чистой почвы против 21.25 мкг СО2/гчас в варианте с максимальным уровнем загрязнения), что свидетельствует об отсутствии выраженного токсического действия испытанных доз поллютанта на компоненты микробного пула аллювиальных луговых почв (рис. 1Б).
Отсутствие изменений V в испытанном
сид
диапазоне содержания НП показывает, что количество жизнеспособных микробных клеток, обладающих потенциальной способностью к окислению присутствующих в почве веществ под
А
6
7
Б
0
6
7
В
24
российский журннл им! экологии
0,50 0,45 0,40 0,35 0,30 СУ 0,25 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00
-■—Алс
-*-Л1с -Х-Л2л -Ж-Л3л
-•-Пду Пдс
01234 Содержание НП, г/кг
Рис. 2. Коэффициент микробного дыхания загрязненных нефтью почв
Алу - аллювиальная луговая супесчаная; Алс - аллювиальная луговая среднесуглинистая; Л1с - светло-серая лесная среднесуглинистая;
Л2л - серая лесная легкосуглинистая; Л3л - темно-серая лесная легкосуглинистая; Пду - дерново-подзолистая супесчаная; Пдс - дерново-подзолистая среднесуглинистая
действием поллютантов, не снижается, специфические свойства аллювиальных луговых почв обеспечивают сохранение суммарной активности микробного пула.
Рассчитанные величины Qг чистых образцов составляли 0.10 для среднесуглинистой и 0.18 для супесчаной почвы, что согласно синэкологиче-ской шкале оценки состояния почв (Благодатская и др., 1995) позволяет говорить об их достаточно благополучном состоянии.
Гранулометрический состав нефтезагрязнен-ных аллювиальных луговых почв не оказывал существенного влияния на величину коэффициента микробного дыхания. Qг при разных уровнях остаточного содержания НП изменялся пропорционально значениям, полученным для чистых (контрольных) образцов почв (рис. 1В).
Значения коэффициента микробного дыхания среднесуглинистой почвы при содержании НП до 6.0 г/кг Qг не превышали 0.3, что свидетельствует о том, что её микробное сообщество в испытанном диапазоне концентраций справляется с негативным воздействием поллютанта, а состояние микробного пула оценивается как благоприятное.
Способность супесчаных почв преодолевать негативное воздействие при остаточном содержании НП до 4.2 г/кг подтверждается увеличением Qг до значений, не превышающих 0.3. Несмотря на выявленное при более высоком остаточном содержании НП повышение Qг до 0.35, данное его значение не позволяет говорить о значительном нарушении эколого-физиологического состояния микробного сообщества аллювиальной луговой
супесчаной почвы.
Таким образом, в подвергшихся нефтяному загрязнению аллювиальных луговых почвах усиливается эмиссия СО2, что указывает на интенсивное протекание в них процессов разложения нефтяных углеводородов. В испытанном диапазоне концентраций нефти не выявлено ее ингиби-рующее действие на базальное и субстрат-инду-цированное дыхание. При максимальной испытанной концентрации загрязнителя в супесчаной почве наблюдаются нарушения естественного хода обменных процессов в почве, снижается стабильность микробного сообщества. В целом, параметры почвенного дыхания указывают на то, что микрофлора среднесуглинистых почв более устойчива к неблагоприятному воздействию остаточного содержания НП.
Сравнение значений коэффициента микробного дыхания аллювиальных луговых почв со значениями, полученными нами при исследовании находящихся под воздействием нефтяных загрязнений зональных дерново-подзолистых и серых лесных почв (Петров и др., 2014, 2016; Вершинин и др., 2018), показывает, что, несмотря на определенные различия по запасам питательных веществ и физико-химическим характеристикам, у них при увеличении остаточного содержания НП также прослеживается тенденция повышения значений Qг.
Наиболее устойчивым к действию нефтяных углеводородов являлось микробное сообщество светло-серой лесной среднесуглинистой почвы (рис. 2). Величина Qг даже при высоком остаточном содержании нефтяных углеводородов (6.0 г/кг) не превышала 0.18. Наибольшие изменения величины Qr фиксировали в дерново-подзолистой супесчаной почве, в которой Qr, при сопоставимом содержании НП, был выше 0.40, превышал контроль в 3.75 раза.
В загрязненных нефтью дерново-подзолистых и серых лесных почвах прослеживается зависимость величины Qr от их гранулометрического состава. Наиболее высокие показатели Qr обнаруживались в легких супесчаных почвах. Легко- и среднесуглинистые почвы характеризовались более низкими значениями Qr.
Очевидно, что в условиях нефтяного загрязнения благодаря сорбционным свойствам и высокой водоудерживающей способности суглинистых почв в них создаются более благоприятные условия для функционирования микробного сообщества.
Выводы
1. В загрязненных нефтью аллювиальных лу-
5
6
говых почвах усиливается эмиссия СО2, отражающая интенсивную деструкцию содержащихся в них НП. При содержании в почвах НП до 6 г/кг не выявлено их ингибирующее действие на базаль-ное и субстрат-индуцированное дыхание.
2. Параметры дыхания аллювиальной луговой среднесуглинистой почвы превосходили соответствующие показатели супесчаной почвы.
3. Значения Qr аллювиальных луговых почв показывают, что при остаточном содержании НП до 6.0-6.5 г/кг микробные сообщества достаточно стабильны и способны обеспечить восстановление биологических свойств почв.
4. Обобщение имеющихся данных по дыхательной активности аллювиальных луговых, дерново-подзолистых почв подтверждает, что микробные сообщества среднесуглинистых почв, в сравнении с супесчаными, быстрее, преодолевают негативное воздействие нефтяных загрязнений.
Список литературы
1. Ананьева Н.Д., Благодатская Е.В., Орлинский Д.Б., Мякшина Т.Н. Методические аспекты определения скорости субстрат-индуцированного дыхания почвенных микроорганизмов // Почвоведение. 1993. № 11. С. 72-77.
2. Ананьева Н.Д., Хакимов Ф.И., Деева Н.Ф., Сусьян Е.А. Влияние полихлорированных дифенилов на микробную биомассу и дыхание серой лесной почвы // Почвоведение. 2005. №7. С. 871-876.
3. Благодатская Е.В., Ананьева Н.Д., Мякшина Т.Н. Характеристика состояния микробного сообщества почвы по величине метаболического коэффициента // Почвоведение. 1995. №2. С. 205-210.
4. Благодатская Е.В., Ананьева Н.Д. Оценка устойчивости микробных сообществ в процессе разложения поллютантов в почве // Почвоведение. 1996. № 11. С.1341-1346.
5. Вершинин А.А., Петров А.М., Зайнулгабидинов Э.Р., Каримуллин Л.К. Нефтяное загрязнение и содержание микробной биомассы в различных типах почв // Вестник Оренбургского университета. 2018. №3. С. 114-119.
6. Гарусов А.В., Алимова Ф.К., Селивановская С.Ю., Захарова Н.Г., Егоров С.Ю. Газовая хроматография в биологическом мониторинге почвы. Казань: Изд-во КГУ, 2006. 90 с.
7. Звягинцев Д.Г. Методы почвенной микробиологии и биохимии. М.: Изд-во МГУ, 1991. 304 с.
8. Киреева Н.А., Водопьянов В.В., Мифтахов А.М. Биологическая активность нефтезагрязненных почв. Уфа: Ги-
лем, 2001. 376 с.
9. Петров А.М., Каримуллин Л.К., Кузнецова Т.В., Вершинин А.А., Хабибуллин Р.Э. Влияние остаточного содержания нефтепродуктов на состав и активность почвенного микробного сообщества // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т.17, №23. С. 356-359.
10. Петров А.М., Вершинин А.А., Каримуллин Л.К., Акайкин Д.В., Тарасов О.Ю. Динамика эколого-биологиче-ских характеристик дерново-подзолистых почв в условиях длительного нефтяного загрязнения // Почвоведение. 2016. №7. С. 848-856.
11. ПНД Ф 16.1.2.2.22-98. Методика выполнения измерений массовой доли нефтепродуктов в минеральных, органогенных, органо-минеральных почвах и донных отложениях методом ИК-спектрометрии.
12. Полянская Л.М., Звягинцев Д.Г. Содержание и структура микробной биомассы как показатель экологического состояния почв // Почвоведение. 2005. Т.38, №6. С. 706-714.
13. Anderson T.-H., Domsch K.H. A physiological method for the quantitative measurement of microbial biomass in soils // Soil Biol. Biochem. 1978. V.10, №3. Р. 215-221.
14. Anderson T.-H., Domsch K.H. Determination of the eco-physiological maintenance carbon requirements of soil microorganisms in dormant state // Biology and Fertility of Soils. 1985. №1. Р. 81-89.
L.K. Karimullin, A.M. Petrov, A.A. Vershinin, T.V. Kuznetsova, A.A. Utombaeva. Respiratory activity of alluvial meadow soils in the conditions of oil pollution.
The effect of residual content of oil pollution on respiratory activity of conditionally remediated sandy loam and medium loamy alluvial meadow soils was studied. Inhibitory effect of oil on basal and substrate-induced soil respiration with a residual oil content of up to 6 g / kg was not detected. Model remediation provides creation of conditions ensuring further self-healing of the properties and fertility of oil-contaminated alluvial meadow soils. A comparison of the coefficients of microbial respiration of oil-contaminated sandy loam and loamy alluvial meadow, gray forest and sod-podzolic soils showed that loamy soils faster than sandy loams overcome the negative impact of oil products.
Keywords: oil; oil products; alluvial meadow soils; coefficient of microbial respiration.
26
российский ЖУРНАЛ лриклллной экологии
Информация об авторах
Каримуллин Ленар Камилевич, научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, 420087, Россия, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: Karlenar@yandex.ru.
Петров Андрей Михайлович, кандидат биологических наук, зав. лабораторией, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, 420087, Россия, г Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: zpam2@rambler.ru.
Вершинин Анатолий Андреевич, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, 420087, Россия, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: A-vershinin@mail.ru.
Кузнецова Татьяна Васильевна, научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, 420087, Россия, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: kuznetsovatatyana@mail.ru.
Утомбаева Алина Александровна, младший научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, 420087, Россия, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: semionova.alin@yandex.ru/
Information about the authors
Lenar K. Karimullin, Researcher, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya str., Kazan, 420087, Russia, E-mail: Karlenar@yandex.ru.
Andrey M. Petrov, Ph.D. in Biology, Head of Laboratory, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya str., Kazan, 420087, Russia, E-mail: zpam2@rambler.ru.
Anatoly A. Vershinin, Ph.D. in Biology, Senior Researcher, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya str., Kazan, 420087, Russia, E-mail: A-vershinin@mail.ru.
Tatiana V. Kuznetsova, researcher, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya str., Kazan, 420087, Russia, E-mail: kuznetsovatatyana@mail.ru
Alina A. Utombaeva, Junior Researcher, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya str., Kazan, 420087, Russia, E-mail: semionova.alin@yandex.ru.
