CC BY
17
Экология
УДК 631.863 Б01: 10.24412/1728-323Х-2023-3-5-9
ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД И БИОЧАРА В ВОССТАНОВЛЕНИИ БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ ПОЧВЫ
О. В. Бакланова, старший преподаватель, ФГБОУ ВО Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г. Ф. Морозова (ВГЛТУ им. Морозова), baklanova.olga.72@mail.ru, г. Воронеж, Россия,
Л. В. Брындина, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, ФГБОУ ВО Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г. Ф. Морозова (ВГЛТУ им. Г. Ф. Морозова), bryndinv@mail.ru, г. Воронеж, Россия,
А. Л. Лукин, доктор сельскохозяйственных наук, профессор, ФГБОУ ВО Воронежский государственный аграрный университет имени Императора Петра I (ВГАУ), loukine@mail.ru, г. Воронеж, Россия
Аннотация. Интенсивное использование минеральных удобрений и средств защиты растений привело к серьезным негативным изменениям черноземов Воронежской области, истощению их ресурсного потенциала. Для восстановления плодородия и экологической устойчивости черноземов рассмотрена возможность использования осадков сточных вод (ОСВ) и биочара из ОСВ. Объектом исследования выступал чернозем выщелоченный среднегумусный среднемощный суглинистый. Установлена положительная динамика данных органогенных мелиорантов на гумусообра-зование и биологическую активность чернозема выщелоченного. Внесение в почву ОСВ и биочара в дозе 10 % приводило к повышению органического вещества на 44—48 %. Доказано, что осадок сточных вод и биочар способствуют повышению протеолитической, уреазной, фосфатазной и каталазной активности. Протеолитическая активность возросла на 31,8 % после обработки загрязненной почвы биочаром и на 35 % — после обработки ОСВ. Содержание уреазы повысилось в 9,3 раза после обработки биочаром и в 10,7 раза — после обработки ОСВ. Содержание фосфатазы увеличилось в 7,8 раза (биочар) и 10,5 раза (ОСВ). Каталаза увеличилась в 2,8 раза относительно ее уровня в загрязненной почве. Показана высокая скорость восстановления биологической активности почвы, загрязненной токсикантом.
Abstract. Intensive use of mineral fertilizers and plant protection products has led to serious negative changes in the chernozems of the Voronezh Region, depletion of their resource potential. To restore the fertility and environmental sustainability of the chernozems, the possibility of using sewage sludge (SS) and biochar from the SS is considered. The object of the study was the leached medium-humus medium-thick loamy chernozem. The positive dynamics of these organogenic meliorants on humus formation and biological activity of leached chernozem has been established. The introduction of the SS and biochar into the soil at a dose of 10 % led to an increase in organic matter by 44—48 %. It is proved that sewage sludge and biochar contribute to the increase of proteolytic, urease, phosphatase and catalase activity. Proteolytic activity increased by 31.8 % after treatment of contaminated soil with biochar and by 35 % after treatment with the SS. The urease content increased 9.3 times after biochar treatment and 10.7 times after the SS treatment. The phosphatase content increased by 7.8 times (biochar) and 10.5 times (SS). The catalase increased 2.8 times relative to its level in contaminated soil. A high rate of restoration of biological activity of soil contaminated with a toxicant is shown.
Ключевые слова: осадки сточных вод, биочар, восстановление почвы, биологическая активность почв, органическое вещество почвы, ферментативная активность почв.
Keywords: sewage sludge (SS), biochar, soil restoration, biological activity of soils, soil organic matter, enzymatic activity of soils.
Введение. Возрастающее загрязнение окружающей среды привело к серьезным экологическим угрозам, одним из которых является загрязнение почв химическими веществами и пестицидами. Многолетнее употребление высокотоксичных пестицидов и агрохимикатов, в том числе с нарушением технологии и правил их применения, привело к деградации земель. Являясь регионом с развитым аграрным сектором, Воронеж-
ская область активно использует минеральные удобрения, средства защиты растений и т.п., без которых невозможно ведение современного растениеводства. К сожалению, это приводит к истощению почвы, снижению ее приро дно-ресурсного потенциала. Вследствие нерационального использования чернозема в Воронежской области в последнее время его качество значительно ухудшилось. Активное применение гербицидов
привело к гибели полезных микроорганизмов, образующих гумус, и, как следствие, ухудшению самоочищающей ее способности. Это привело к тому, что интенсивность исполнения экологических функций почвы снизилась [1].
Сокращение влияния чрезмерной химизации является важной составляющей экологической безопасности и национальной безопасности в целом. Переход к «регенеративному земледелию», ориентированному на аккумулирование углерода и оздоровление почвы с целью минимизации углеродоемкости продукции, становится важным аспектом экологизации земледелия.
Восстановление деградированных почв до оптимального состояния длительный процесс и зависит от многих факторов. Одним из информативных показателей антропогенной деградации почв является снижение органического вещества. Самым распространенным способом увеличения его содержания в почве считается внесение органических удобрений. Их применение активизирует почвенную биоту и стимулирует процессы гумусообразования, что обеспечивает высокий удобрительный эффект. Но простое внесение органики в почву не гарантирует удержания органического углерода в стабильном состоянии. Именно почвенные микроорганизмы благодаря своей ферментативной активности принимают участие во всех стадиях трансформации органического вещества почвы и переводят лабильную фракцию органического вещества в стабильную гумусовую.
Одним из возможных направлений восстановления запасов почвенного углерода может быть, использование осадков сточных вод (ОСВ) в качестве мелиорантов и биосорбентов на их основе.
В связи с вышеизложенным целью исследования было оценить влияние ОСВ и биосорбента из ОСВ на гумусообразование и биологическую активность почвы, загрязненной токсикантами (на примере клопиралида).
Объекты и методы. Объектом исследования выступал чернозем выщелоченный среднегумус-ный среднемощный суглинистый: рН — 6,2; органическое вещество — 4,43 %; подвижный фосфор — 24,3 мг Р2О5/1ОО г почвы, обменный калий — 12,8 мг/100 г почвы.
Предметом исследования являлись осадки сточных вод (ОСВ) Левобережных воронежских очистных сооружений и биочар из ОСВ.
Влияние ОСВ и биочара на гумусообразова-ние и ферментативную активность почвы исследовали в условиях модельного опыта. ОСВ и биоуголь вносили из расчета 10 % к массе сухой почвы. Органическое вещество почвы определяли по ГОСТ 262213—2021. Протеолитическую, уре-
3 6 9
Продолжительность, месяц
Рис. 1. Влияние ОСВ и биочара на восстановление органического вещества почвы
азную, фосфатазную активности в почве определяли по [2] фотоколориметрически. Активность каталазы определяли по [3].
Результаты и обсуждения. Проведенные исследования по восстановлению почвенного органического вещества осадком сточных вод и био-чаром из ОСВ показали их положительное влияние на гумусообразование. Наиболее интенсивно процесс разложения органики протекал в первые три месяца во всех опытных образцах (рис. 1): увеличение относительно контроля составляло от 44 до 48,3 %.
Но влияние ОСВ на восстановление органического вещества почвы проявлялось сильнее, чем биочара, что можно объяснить более высокой удобрительной ценностью осадка. Следует обратить внимание на то, что к шестому месяцу эксперимента при обработке почвы ОСВ и био-чаром процесс минерализации органического вещества замедляется.
На интенсивность процесса гумификации большое влияние оказывает ферментативный пул почвы. Минерализация сложных органических веществ, поступающих в почву, происходит при участии гидролитических и окислительно-восстановительных ферментов.
Скорость трансформации азота в почве зависит от активности протеолитических ферментов. Проведенные исследования показали, что на интенсивность протеолиза существенное негативное влияние оказывало загрязнение почвы кло-пиралидом. Почвы, обработанные гербицидом, имели низкий уровень протеолитической активности. Ее величина снизилась на 18, 9—21,3 % (рис. 2). Внесение в загрязненную почву ОСВ и биочара уже через пять суток привело к повыше -нию биохимических процессов, о чем свидетельствует увеличение активности протеазы до начального значения. Эта тенденция сохранялась
на протяжении всего эксперимента и к его завершению величина ПА на образцах с ОСВ и био-чаром была выше, чем в контроле на 6,3 и 3,8 % соответственно. Очевидно, улучшение структуры почвы благодаря обработке осадком сточных вод и биочаром, а также дополнительное ее обогащение органическими компонентами активизировало почвенный метаболизм в неблагоприятных для микроорганизмов условиях.
Фермент уреазу можно рассматривать как один из экологических показателей почвы, его часто используют как показатель самоочищающей способности почвы. Он отвечает за преобразование азотных соединений. Экспериментальные данные, представленные на рисунке 3, показывают уменьшение уреазной активности в почве, загрязненной гербицидом. К 30-м суткам эксперимента ее уровень упал на 32,8 %. Снижение уреазной активности свидетельствует о нарушении азотного почвенного обмена. Загрязнение почв подавляет ее активность. ОСВ и биочар, напротив, способствовали росту ферментативной активности. Через 30 дней в почве с ОСВ и биочаром уре-
Сугки
Рис. 2. Динамика протеолитической активности в черноземе выщелоченном:
1 — почва; 2 — почва + гербицид; 3 — почва + гербицид + + ОСВ; 4 — почва + гербицид + биочар
9 8
Сутки
Рис. 3. Динамика изменения уреазной активности: — почва; 2 — почва + гербицид; 3 — почва + гербицид + ОСВ; 4 — почва + гербицид + биочар
Сутки
Рис. 4. Динамика изменения фосфатазной активности: 1 — почва, 2 — почва + гербицид; 3 — почва + гербицид + + ОСВ; 4 — почва + гербицид + биочар
аза увеличилась в 2,26 (1,95) и 10,74 (9,25) раза по сравнению с контролем и почвой, загрязненной гербицидом соответственно. Трансформация органического вещества почвы после обработки ОСВ и биочаром изменила ее азотный режим, оказала свое воздействие на минерализацию азота.
Биохимическое превращение органики влияет на высвобождение фосфорорганических соединений и увеличение фосфатазной активности. Новые научные данные по почвенной фосфатазе показали, что уровень ее активности зависит концентрации органического углерода. Микроорганизмы используют его для выделения органических кислот, которые усиливают солюбили-зацию фосфора [4—7].
Динамика изменения фосфатазного пула (рис. 4) показала, что на протяжении всего эксперимента фосфатазная активность возрастает в почвах с ОСВ, биочаром и контроле. В почве, загрязненной гербицидом, наблюдалось торможение активности фосфатазы и к 30-м суткам активность снизилась на 55,6 % от первоначально -го значения.
К этому же времени наблюдалось увеличение фосфатазной активности в почве с ОСВ в 10,45 раза, в 7,75 раз — в почве с биочаром и в 4,85 раз — в контроле. Более высокие значения фосфатазы в почве с ОСВ объясняются дополнительным внесением в почву питательных веществ (азота, углерода) [8]. Повышенная доступность азота в ОСВ, вероятно, облегчает выработку фосфатаз, поскольку фосфатазы содержат большое количество азота, которое теряется организмами при высвобождении фосфатаз в почву.
Исследователи отмечают, что повышенная активность фосфатазы коррелирует с пористой структурой, зольностью и высоким содержанием органического вещества после внесения ОСВ и биочара [9, 10].
О 5 15 30
С!утки
Рис. 5. Динамика изменения каталазной активности: 1 — почва; 2 — почва + гербицид; 3 — почва + гербицид + + ОСВ; 4 — почва + гербицид + биочар
В биохимических исследованиях почв ката-лазная активность рассматривается как самый информативный показатель [11]. Hansel C. с соавторами [12] установили рост каталазной активности у прокариот в стрессовом состоянии. Они отмечают, что увеличение перекиси водорода в среде включает механизм активного синтеза ка-талазы.
В нашем случае загрязненная гербицидом почва показала низкий уровень каталазы. К 30-м суткам эксперимента произошло ее падение в два раза по сравнению с контролем (рис. 5).
Обработка загрязненной гербицидом почвы ОСВ и биоуглем стимулирует рост окислительной активности почвенных микробов. Максимальное накопление каталазы было установлено на 15-е сутки эксперимента. Ее значение превышало контроль на 34,2 % для ОСВ и 29,3 % для биочара.
Заключение
Таким образом, проведенные исследования показали, что дополнительное обогащение почвы органическим веществом ОСВ и биочара способствует усилению почвенных ферментативных процессов. Повышенная биологическая активность ускоряет процессы гумификации и способствует восстановлению почвенных микроорганизмов. Уровень ферментативной активности может служить эффективным диагностическим показателем при возникновении в почве стрессовой ситуации, особенно при загрязнении почв гербицидами.
Библиографический список
1. Девятова Т. А., Горбунова Ю. С. Биодиагностика экологического состояния черноземов ЦЧР // Рациональное землепользование: оптимизация земледелия и растениеводства. V Международная научно-практическая конференция, посвященная 80-летию со дня рождения академика РАСХН А. П. Щербакова. Курский федеральный аграрный научный центр. — Курск, 2021. — С. 87—89.
2. Инишева Л. И., Ивлева С. Н., Щербакова Т. А. Руководство по определению ферментативной активности торфяных почв и торфов. — Томск: Издательство Томского университета, 2002. — С. 119. — URL: https://ltorf.tspu.edu.ru/files/ Rukovodstvo_fermenty.pdf (дата обращения 12.06.2022).
3. Хазиев Ф. Х. Методы почвенной энзимологии. — М.: Наука, 2005. — 251 с.
4. Spohn M., Kuzyakov Y. Phosphorus mineralization can be driven by microbial need for carbon // Soil Biol. Biochem. — 2013. — Vol. 61. — Р. 69—75. — DOI: 10.1016/j.soilbio.2013.02.013.
5. Olander L. P., Vitousek P. M. Regulation of soil phosphatase and chitinase activity by N and P availability // Biogeochem-istry. — 2000. — Vol. 49. — Р. 175—190. — DOI: 10.1023/A:1006316117817.
6. Margalef O., Sardans J., Fernández-Martínez M. et al. Global patterns of phosphatase activity in natural Soils // Sci. Rep. — 2017. — No. 7. — Р. 1337. — URL: https://www.nature.com/articles/s41598-017-01418-8#article-info (дата обращения: 14.05.2023).
7. Khan Z., Zhang K., Khan M. N., Bi J., Zhu K., Luo L., Hu L. How Biochar Affects Nitrogen Assimilation and Dynamics by Interacting Soil and Plant Enzymatic Activities: Quantitative Assessment of 2 Years Potted Study in a Rapeseed-Soil System // Front. Plant Sci. — 2022. — URL: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35360339/ (дата обращения: 14.05.2022). — DOI: 10.3389/fpls.2022.853449 .
8. Щемелинина Т. Н., Новоселова Е. И., Киреева Н. А., Маркарова М. Ю. Диагностирование степени загрязненности почв нефтью по показателям ферментативной активности // Вестник ОГУ. — 2007. — № 75. — С. 432—434.
9. Oladele S. O. Effect of biochar amendment on soil enzymatic activities, carboxylate secretions and upland rice performance in a sandy clay loam Alfisol of Southwest Nigeria // Sci. Afric. — 2019. — Vol. 4. — URL: https://www.sciencedirect.com/ science/article/pii/S2468227619306684?via%3Dihub (дата обращения: 15.05.2023).
10. Jangid K., Williams M. A., Franzluebbers A. J., Sanderlin J. Relative impacts of land-use, management intensity and fertilization upon soil microbial community structure in agricultural systems // Soil Biology and Biochemistry. — 2008. — Vol. 40. — P. 2843—2853.
11. Lombard N., Prestat E., Elsas J. D. V., Simonet P. Soil-specific limitations for access and analysis of soil microbial communities by metagenomics // FEMS Microbiology Ecology. — 2011. — Vol. 78. — No. 1. — P. 31—49.
12. Hansel C., Fendorf S., Jardine P., Francis C. Changes in bacterial and archaeal community structure and functional diversity along a geochemically variable soil profile // Applied and Environmental Microbiology. — 2008. — Vol. 74. — P. 1620—1633.
ECOLOGICAL ROLE OF SEWAGE SLUDGE AND BIOCHAR IN RESTORING THE BIOLOGICAL ACTIVITY OF SOIL
O. V. Baklanova, Senior Lecturer, G. F. Morozov Voronezh State University of Forestry and Engineering (VGLTU), baklanova.olga.72@mail.ru, Russia, Voronezh,
L. V. Bryndina, Ph. D. (Agriculture), Dr. Habil., Professor, G. F. Morozov Voronezh State University of Forestry and Engineering (VGLTU), bryndinv@mail.ru, Russia, Voronezh,
A. L. Lukin, Ph. D. (Agriculture), Dr. Habil., Professor, Voronezh State University of Agrarian named after Emperor Peter I (VGAU), loukine@mail.ru, Russia, Voronezh
References
1. Devyatova T. A., Gorbunova Yu. S. Biodiagnostika ekologicheskogo sostoyaniya chemozemov CChR. Racionalnoe zemlepol-zovanie: optimizaciya zemledeliya i rastenievodstva. V mezhdunarodnaya nauchno-prakticheskaya konferenciya, posvyashennaya 80-letiyu so dnya rozhdeniya akademika RASHN A. P. Sherbakova. Kurskij federalnyj agrarnyj nauchnyj centr [Biodiagnostics of the ecological state of chernozems of the Central Black Earth. Rational land use: optimization of agriculture and crop production. V International Scientific and Practical Conference dedicated to the 80th anniversary of the birth of Academician A. P. Shcherbakov]. Kursk Federal Agrarian Scientific Center. Kursk, 2021. P. 87—89 [in Russian].
2. Inisheva L. I., Ivleva C. H., Sherbakova T. A. Rukovodstvo po opredeleniyu fermentativnoj aktivnosti torfyanyh pochv i torfov [Guidelines for determining the enzymatic activity of peat soils and peat]. Tomsk: Izdatelstvo Tomskogo Universiteta, 2002. P. 119, available at: https://ltorf.tspu.edu.ru/files/Rukovodstvo_fermenty.pdf /date of access12.06.2022 [in Russian].
3. Khaziev F. H. Metody pochvennoj enzimologii [Methods of soil enzymology]. Moscow, Nauka. 2005. P. 251 [in Russian].
4. Spohn M., Kuzyakov Y. Phosphorus mineralization can be driven by microbial need for carbon. Soil Biol. Biochem. 2013. Vol. 61. Р. 69—75. DOI: 10.1016/j.soiIbio.2013.02.013.
5. Olander L. P., Vitousek P. M. Regulation of soil phosphatase and chitinase activity by N and P availability. Biogeochemistry. 2000. Vol. 49. Р. 175—190. — DOI: 10.1023/A:1006316117817.
6. Margalef O., Sardans J., Fernández-Martínez M. et al. Global patterns of phosphatase activity in natural Soils. Sci. Rep. 2017. No. 7. Р. 1337, available at: https://www.nature.com/articles/s41598-017-01418-8#article-info /date of access 14.05.2023.
7. Khan Z., Zhang K., Khan M. N., Bi J., Zhu K., Luo L., Hu L. How Biochar Affects Nitrogen Assimilation and Dynamics by Interacting Soil and Plant Enzymatic Activities: Quantitative Assessment of 2 Years Potted Study in a Rapeseed-Soil System. Front. Plant Sci. 2022, available at: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/35360339/ date of access 14.05.2022. — DOI: 10.3389/fpls.2022.853449
8. Shemelinina T. N., Novoselova E. I., Kireeva N. A., Markarova M. Yu. Diagnostirovanie stepeni zagryaznennosti pochv neftyu po pokazatelyam fermentativnoj aktivnosti [Diagnosing the degree of oil contamination of soils by indicators of enzymatic activity]. Vestnik OGU. 2007. No. 75. P. 432—434 [in Russian].
9. Oladele S. O. Effect of biochar amendment on soil enzymatic activities, carboxylate secretions and upland rice performance in a sandy clay loam Alfisol of Southwest Nigeria. Sci. Afric. 2019. Vol. 4, available at: https://www.sciencedirect.com/science/ article/pii/S2468227619306684?via%3Dihub / date of access 15.05.2023.
10. Jangid K., Williams M. A., Franzluebbers A. J., Sanderlin J. Relative impacts of land-use, management intensity and fertilization upon soil microbial community structure in agricultural systems. Soil Biology and Biochemistry. 2008. Vol. 40. P. 2843—2853.
11. Lombard N., Prestat E., Elsas J. D. V., Simonet P. Soil-specific limitations for access and analysis of soil microbial communities by metagenomics. FEMS Microbiology Ecology. 2011. Vol. 78. No. 1. P. 31—49.
12. Hansel C., Fendorf S., P. Jardine, Francis C. Changes in bacterial and archaeal community structure and functional diversity along a geochemically variable soil profile. Applied and Environmental Microbiology. 2008. Vol. 74. P. 1620—1633.
