CC BY
63
ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ПРИКЛАДНАЯ ХИМИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ Том 8 № 1 2018
ПРИКЛАДНАЯ ЭКОЛОГИЯ / APPLIED ECOLOGY Оригинальная статья / Original article УДК 579.26:631.46
DOI: http://dx.doi.org/10.21285/2227-2925-2018-8-1 -129-134
ЭКОЛОГО-БИОЛОГИЧЕСКОЕ СОСТОЯНИЕ ПОЧВ АСТРАХАНСКОЙ ОБЛАСТИ В УСЛОВИЯХ АНТРОПОГЕННОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
© А.Н. Пархоменко
Астраханский государственный технический университет, 414025, Российская Федерация, г. Астрахань, ул. Татищева, 16.
Целью исследований являлось определение экологического состояния почв, находящихся в зоне влияния предприятий нефтегазовой отрасли, по комплексу микробиологических и биохимических показателей. В качестве объекта исследований были выбраны почвенные образцы, отобранные на территории нефтебазы №5 ООО «ЛУКОЙЛ-НВНП», расположенной в черте города Астрахани. Почвенные образцы отбирали вблизи источника загрязнения, в 20 и в 100 м от источника загрязнения, а также вне зоны загрязнения. В результате работы изучена биологическая и ферментативная активность исследуемых почвенных образцов. Используя наиболее информативные показатели, рассчитали интегральный показатель биологического состояния исследуемых почв. При этом установлено, что для определения эколого-биологического состояния почв в условиях хронического загрязнения нефтепродуктами, наиболее применимы микробиологические показатели по сравнению с биохимическими. Полученные результаты свидетельствуют, что экологическое состояние почв нефтебазы №5 ООО «ЛУКОЙЛ-НВНП» г. Астрахани по значениям интегральных показателей, можно характеризовать как высокоопасное.
Ключевые слова: загрязнение почв, нефтепродукты, биологическая активность, ферментативная активность.
Формат цитирования. Пархоменко А.Н. Эколого-биологическое состояние почв Астраханской области в условиях антропогенного воздействия // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2018. Т. 8 , N. 1. С. 129-134. DOI: 10.21285/2227-2925-2018-8-1-129-134
ECOLOGICAL AND BIOLOGICAL PROPERTIES OF SOILS
OF THE ASTRAKHAN REGION IN THE CONDITIONS OF ANTHROPOGENIC IMPACT © A.N. Parkhomenko
Astrakhan State Technical University,
16, Tatishchev St., Astrakhan, 414025, Russian Federation
The aim of the research was to determine the ecological status of soils in the zone of influence of oil and gas industry enterprises by the complex of microbiological and biochemical parameters. Soil samples selected in the territory of LUKOIL-NVNP oil depot No. 5 located within the city of Astrakhan were chosen as the object of research. Soil samples were taken near the source of pollution, 20 and 100 m from the source of pollution, as well as outside the pollution zone. As a result, biological and enzymatic activity of the studied soil samples was studied. Using the most informative indicators, we calculated the integral indicator of the biological state of the studied soils. At the same time, it is established that microbiological indicators are most applicable in comparison with biochemical ones to determine ecological and biological state of soils in the conditions of chemical pollution by oil products. The obtained results show that the ecological status of soils in tank farm No. 5, OOO «LUKOIL-NWNP» Astrakhan by the values of integral indicators, can be characterized as high-threat. Keywords: soil pollution, petroleum, biological activity, enzyme activity
For citation. Parkhomenko A.N. Ecological and biological properties of soils of the astrakhan region in the conditions of anthropogenic impact. Izvestiya Vuzov. Prikladnaya Khimiya i Biotekhnologiya [Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology]. 2018, vol. 8, no 1, pp. 129-134 (in Russian). DOI: 10.21285/2227-2925-2018-8-1-129-134
ВВЕДЕНИЕ
Загрязнение почв нефтью и нефтепродуктами является одной из острых экологических проблем современного общества. Нефтепродукты, поступая в окружающую среду, нарушают экологическое состояние почвенных покровов, вызывают глубокие, часто необратимые изменения свойств и в целом деформируют структуру биоценозов [1].
В настоящее время почвы Астраханской области подвергаются постоянно усиливающемуся антропогенному воздействию. Негативное влияние на прилегающие территории связано с выносом токсичных веществ при добыче, переработке, транспортировке сырья и продуктов переработки, которые могут влиять на почвенные экосистемы локально (нефтебазы, расположенные в черте г. Астрахани) и при переносе некоторых загрязнителей на значительные расстояния (Астраханский газовый комплекс). Вокруг таких предприятий со временем образуется ареал устойчивого загрязнения [2].
Одними из самых актуальных и интенсивно разрабатываемых методов оценки состояния окружающей среды являются методы биологической индикации, которые позволяют получать сведения о непосредственной реакции организмов, сообществ или экосистем на антропогенные воздействия [3]. Показателями биологической активности почв, применяемых в биоиндикации, служат количественные характеристики численности и биомассы различных групп почвенной биоты, активность основных процессов, связанных с круговоротом элементов, ферментативная активность почв и некоторые другие показатели [4]. Для определения эколого-био-логического состояния почв в условиях длительного антропогенного воздействия недостаточно какого-либо одного показателя, так как каждый из них отражает лишь какую-либо одну сторону биологических и биохимических процессов в почве.
В этой связи, некоторые авторы [5-7] предлагают использовать интегральный показатель биологического состояния почвы (ИПБС). Этот показатель позволяет объединить и оценить совокупность изменения большого количества параметров при различных антропогенных воздействиях. Также отмечено, что снижение ИПБС, как правило, находится в прямой зависимости от степени воздействия антропогенного фактора [7-8].
В этой связи актуальной является комплексная оценка влияния загрязняющих ве-
ществ предприятий нефтегазовой отрасли, расположенных на территории Астраханской области, на биологические свойства почвы и определение их эколого-биологического состояния.
Цель работы - исследование экологического состояния почв, находящихся в зоне влияния предприятий нефтегазовой отрасли, по комплексу микробиологических и биохимических показателей.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
В качестве объекта исследований были выбраны почвенные образцы, отобранные на территории нефтебазы № 5 ООО «ЛУКОЙЛ-НВНП», непосредственно в месте, связанном с перевалкой нефтепродуктов железнодорожным транспортом (проба 1), в 20 м (проба 2) и в 100 м от источника загрязнения (проба 3), а также вне зоны загрязнения (проба 4).
Нефтебаза № 5 Астраханского филиала ООО «ЛУКОЙЛ-НВНП» расположена в черте г. Астрахани, построена в 1883 г. и функционирует по настоящее время, занимает территорию 27 га. Нефтебаза осуществляет перегрузку (перевалку) нефтепродуктов с одного вида транспорта на другой, а также их отгрузку распределительным нефтебазам и крупным потребителям. Располагается вблизи железнодорожной станции и получает нефтепродукты по железнодорожному тупику (ветке) наливом в вагонах-цистернах и в крытых вагонах в таре, а также в навигационный период морским или речным транспортом1.
Отбор почвенных образцов и экспериментальные исследования проводили стандартными и общепринятыми методами. Для определения активности ферментов (протеазы, ката-лазы, амилазы) использовали методы, описанные Ф.Х. Хазиевым [9]. Целлюлозоразлагаю-щую активность почв определяли с помощью метода аппликаций [7]. Также определили орга-нолептические показатели, влажность и рН солевой вытяжки [7].
Выделение и учет численности микроорганизмов различных физиологических групп из исследуемых образцов почв проводили методом предельных разведений с последующим высевом на питательные среды: мясо-пептон-ный агар (МПА) для сапротрофов; среду для уг-леводородокисляющих микроорганизмов с добавлением 1% нефти; элективную среду Вино-градского для нитрификаторов I и II фазы; Оме-лянского для аэробных целлюлозолитиков; агар Чапека для сахаролитиков; нитритный агар для олигонитрофилов [10].
1 Приказ Минэнерго от 19.06.2003 № 232 Об утверждении правил технической эксплуатации нефтебаз. Зарегистрировано в Минюсте РФ 20 июня 2003 г. N 4785.
Prikaz Minenergo ot 19.06.2003 N232. Ob ^г-
zhdenii pravil tekhnicheskoi ekspluatatsii neftebaz [The order of the Ministry of Energy dated 19.06.2003 no. 232. About approval of rules of technical operation of oil depots]. Registered in Ministry of Justice of the RF 20 Jun, 2003, no. 4785.
Полученные экспериментальные данные подвергались статистической обработке с помощью программы Microsoft Excel for Windows.
Для всех перечисленных показателей рассчитали интегральный показатель биологического состояния (ИПБС) по методике, описанной в работе К.Ш. Казеева и С.И. Колесникова [5]. Данная методика позволяет оценить совокупность всех биологических показателей, независимо от единиц измерения каждого параметра. За 100% принимали максимальное значение каждого из показателей и по отношению к нему в процентах выражали значение этого же показателя в других почвенных образцах:
Б1 = (Бх / Б max
где Б1 - относительный балл показателя, Бх -фактическое значение показателя, Бтах - максимальное значение показателя.
ИПБС рассчитали аналогично по формуле
ИПБС = (Бср. / Б
ср.max )Ю0%,
где Бср. - средний оценочный балл всех показателей, Б ср.max - максимальный оценочный балл всех показателей.
ИПБС (интегральный показатель биологического состояния почвы) рассчитали по 8 наиболее информативным показателям: биохимическим (влажность, pH, активность каталазы, степень разложения целлюлозы) и микробиологическим (численность целлюлозолитических микроорганизмов, нитрифицирующих I и II фазы, олигонитрофильных микроорганизмов).
ИПБ (интегральный показатель биогенно-сти) рассчитали по численности целлюлозолитических микроорганизмов, нитрифицирующих I и II фазы, олигонитрофилов.
ИПБА (интегральный показатель биологической активности) рассчитали по показателям ферментативной активности (активность ката-лазы, степень разложения целлюлозы), а также учитывали значения влажности и pH солевой вытяжки.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
По совокупности органолептических показателей выявлена различная степень загрязненности исследуемых почвенных образцов. Так, проба 1, отобранная непосредственно вблизи источника загрязнения, отличалась резким, сильно выраженным запахом нефти и нефтепродуктов, имела черный цвет и однородную маслянистую консистенцию. Проба 2 (20 м от источника загрязнения) имела черный цвет, полутвердую маслянистую консистенцию, характеризовалась менее выраженным запахом нефти и нефтепродуктов по сравнению с пробой 1. Пробы 3 (100 м от источника загрязнения) и 4 (вне зоны загрязнения) не обладали
запахом, имели коричневый цвет и твердую рассыпчатую консистенцию.
При исследовании комплекса биохимических и микробиологических показателей исследуемых почв установили, что только 8 из них являются наиболее информативными. Так, по мере удаления от источника загрязнения содержание влаги, рН, интенсивность разложения целлюлозы и активность каталазы в почвах достоверно увеличивались ф < 0,05). Из исследуемых физиологических групп микроорганизмов наибольшую чувствительность проявили цел-люлозолитики, нитрифицирующие I и II фазы, олигонитрофильные микроорганизмы: максимальная их численность отмечена в пробе 4, отобранной вне зоны загрязнения. Во всех остальных почвенных образцах их численность оказалась значительно снижена, а минимальные значения численности наблюдали в пробе 1 (вблизи источника загрязнения).
Интегральный показатель биологического состояния почвы (ИПБС) отражает уровень влияния загрязняющего вещества на экологическое состояние почвы и ее биологическую активность. Оценку степени влияния загрязнения на биологические процессы в почве проводили по разнице между значениями ИПБС в каждом почвенном образце по сравнению с незагрязненной почвой: < 10% - малоопасный, 10-25 -умеренно опасный, 25-30 - опасный и > 50 -очень опасный уровень влияния [7]. Для этого рассчитали относительный балл каждого из восьми выбранных показателей и ИПБС для каждого из исследуемых почвенных образцов (таблица).
В результате анализа полученных данных отмечено достоверное снижение ИПБС ф < 0,05) по мере приближения к источнику загрязнения: на 44,3% (100 м), на 68,6% (20 м) и на 74,1% в почве, отобранной вблизи источника загрязнения по сравнению с незагрязненной почвой (см. таблицу). В работах [7-8] показано, что снижение ИПБС по сравнению с незагрязненной почвой более чем на 25% говорит о высокой степени загрязнения почв и влечет за собой нарушение всех экологических функций почвы, в том числе физических свойств, таких как структура, плотность, влагоемкость, водопроницаемость, температура, теплопроводность и др.
Максимальное снижение ИПБС (на 74,1%) отмечено в почве вблизи источника загрязнения, что свидетельствует о высокой степени негативного воздействия нефтепродуктов, попадающих в почву при транспортировке и перегрузке на биологические свойства почвы и ее функционирование.
Для понимания степени вклада биохимических и микробиологических показателей в интегральный показатель биологического состояния почв, отобранных на территории нефтебазы,
Изменение ИПБС, ИПБА, ИПБ почвы территории нефтебазы _Change of integral indicators of tank farm soil_
Исследуемые образцы почвы
Относительные баллы вблизи 20 м от 100 м от вне зоны загрязнения (проба 4)
исследуемых параметров, источника источника источника
ед. измерения загрязнения загрязнения загрязнения
(проба 1) (проба 2) (проба 3)
Влажность, % 25,8 27,1 31,1 100
pH солевой вытяжки, ед. 85,7 91,4 100 100
Активность каталазы, мл 20 20 40 100
0,1 н. р-ра KMnO4
Разложение целлюлозы, % 0,25 0,25 46,88 100
Целлюлозолитики, кл/г 37,5 37,5 75 100
Нитрификаторы I фазы, кл/г 0,066 0,066 50 100
Нитрификаторы II фазы, кл/г 37,5 75 100 100
Олигонитрофилы, КОЕ/г 0,1 0,23 2,44 100
ИПБ, % 18,8 28,2 56,9 100
Снижение ИПБ, % 81,2 71,8 43,1 0
ИПБА, % 32,9 34,7 54,5 100
Снижение ИПБА, % 67,1 65,3 45,5 0
ИПБС, % 25,9 31,4 55,7 100
Снижение ИПБС, % 74,1 68,6 44,3 0
испытывающих хроническое негативное воздействие рассчитали ИПБ и ИПБА (см. таблицу и рисунок).
По значениям интегрального показателя биогенности (ИПБ) также выявлена различная степень воздействия загрязнения на исследуемые почвы: по мере приближения к источнику
загрязнения ИПБ достоверно снижался ф < 0,05) на 43,1% в 100 м от источника загрязнения, на 71,8% в 20 м от источника загрязнения и на 81,2% в почве вблизи источника загрязнения (см. таблицу и рисунок).
Максимальное снижение ИПБ (на 81,2%) отмечено в почве, отобранной вблизи источ-
12 3 4
точки отбора проб
□ ИПБ ИИПБА
Значение ИПБ и ИПБА в исследуемых почвенных образцах: 1 - вблизи источника загрязнения; 2 - 20 м от источника загрязнения; 3 - 100 м от источника загрязнения;
4 - вне зоны загрязнения
The value of integral indicators of biogenicity and biological activity the studied soil samples: 1 - near the source of pollution; 2 - 2-20 m from the source of pollution; 3 - 100 m from the source
of pollution; 4 - out of the contamination zone
ника загрязнения, что связано, прежде всего, с существенным подавлением численности почвенных микроорганизмов под влиянием загрязнения нефтепродуктами (пробы 1 и 2), что согласуется как с нашими данными, полученными ранее [13], так и с данными других авторов [12, 4, 12-14].
ИПБА также достоверно снижался ф < 0,05) на 45,5% в почвах, отобранных в 100 м от источника загрязнения, на 65,3% в 20 м от источника загрязнения и на 67,1% вблизи источника загрязнения по сравнению с ИПБА незагрязненной почвы.
Биохимические показатели, такие как активность ферментов, влажность и величина рН оказались устойчивее к воздействию нефтепродуктов, чем микробиологические показатели, так как для исследуемых почв наблюдали большие значения ИПБа, чем ИПБ (см. таблицу и рисунок). Большая устойчивость биохимических показателей по сравнению с микробиологическими, характерна для образцов почвы, максимально приближенных к источнику загрязнения, при удалении от которого на 100 м ИПБ
1. Орлов Д.С. Почвенно-экологический мониторинг и охрана почв. М.: Изд-во МГУ, 1994. 272 с.
2. Мотузова Г.В. Загрязнение почв и сопредельных сред. М.: Изд-во МГУ, 2000. 71 с.
3. Ручин А.Б., Мещеряков В.В., Спиридонов С.Н. Урбоэкология для биологов. М.: КолосС, 2009. 195 с.
4. Добровольский Г.В., Чернов И.Ю. (отв. ред.) Роль почвы в формировании и сохранении биологического разнообразия. М.: Товарищество научных изданий КМК, 2011. 273 с.
5. Казеев К.Ш., Колесников С.И. Биодиагностика почв: методология и методы исследований. Ростов-н/Д: Изд-во ЮФУ, 2012. 260 с.
6. Колесников С.И. Казеев К.Ш., Денисова Т.В. Методика оценки целесообразности и эффективности рекультивации почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами по биологическим показателям // Инженерный вестник Дона. 2013. Т. 26, N 3 (26). С. 51.
7. Федорец Н.Г., Медведева М.В. Методика исследования почв урбанизированных террито-
и ИПБА принимают практически одинаковые значения (56,9 и 54,5% соответственно).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Таким образом, установлено, что для оценки эколого-биологического состояния почв в условиях хронического загрязнения нефтепродуктами, наиболее применимы микробиологические показатели по сравнению с биохимическими. По мере удаления от источника загрязнения степень вклада биохимических и микробиологических показателей в интегральный показатель биологического состояния почв практически одинакова.
В целом экологическое состояние исследуемых почв нефтебазы № 5 ООО «ЛУКОЙЛ-НВНП» г. Астрахани по значениям интегральных показателей, можно характеризовать как высокоопасное. Следовательно, интенсивность де-градационных процессов территорий, связанных с отгрузкой и транспортировкой нефтепродуктов, столь велика, что почва указанной зоны не способна выполнять свои экологические функции как компонент биогеоценоза.
КИЙ СПИСОК
рий. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2009. 84 с.
8. Колесников С.И., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. Экологические функции почв и влияние на них загрязнения тяжелыми металлами // Почвоведение. 2002. N 12. С. 1509-1514.
9. Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимо-логии. М.: Наука, 2005. 252 с.
10. Практикум по микробиологии / Под ред. А.И. Нетрусова. М.: Академия, 2005. 608 с.
11. Пархоменко А.Н. О необходимости микробиологической диагностики почв, испытывающих антропогенное воздействие // Юг России: экология, развитие. 2010. N 4. С. 88-91.
12. Obire O., Anyanwu E.C. Impact of various concentrations of crude oil on fungal populations of soil // Int. J. Environ. Sci. Tech. 2009. N 6. P. 211-218.
13. Atlas R.M. Microbial hydrocarbon degradation - bioremediation of oil spills // J. Chem. Tech. Biotechnol. 1991. V. 52. P. 149-156.
14. Chen C.T. Understanding the fate of petroleum hydrocarbons in the subsurface environment // J. Chem. Educ. 1992, N 5. P. 357-361.
REFERENCES
1. Orlov D.S. Pochvenno-ekologicheskii monitoring i ockhrana pochv [Soil-ecological monitoring and soil protection]. Moscow: MSU Publ., 1994, 272 p.
2. Motuzova G.V. Zagryaznenie pochv i sopre-del'nykh sred [Contamination of soils and related environments]. Moscow: MSU Publ., 2000, 71 p.
3. Ruchin A.B., Meshcheryakov V.V., Spiridonov S.N. Urboekologiya dlya biologov [Urban ecology for biologist]. Moscow: KolosS
Publ., 2009, 195 p.
4. Dobrovol'skii G.V., Chernov I.Yu. Rol' pochvy v formirovanii i sokhranenii biolog-icheskogo raznoobraziya [The role of soil in the formation and conservation of biological diversity]. Moscow: Publishing house of the Association of scientific publications KMK, 2011, 273 p.
5. Kazeev K.Sh., Kolesnikov S.I. Biodiagnos tika pochv: metodologiya i metody issledovanii [Biodiagnostic of soils: the methodology and methods
of researches]. Rostov-on-Don: Publishing house of SFU, 2012, 260 p.
6. Kolesnikov S.I., Kazeev K. Sh., Denisova T.V. Methods of evaluation of effectiveness of remediation of soils contaminated with oil and oil products by biological indicators. Inzhenernyi vest-nik Dona [Engineering Bulletin of Don]. 2013, no. 3.(26), pp. 51. (in Russian)
7. Fedorets N.G., Medvedeva M.V. Metodika issledovaniya pochv urbanizirovannykh territorii [Methods of research of soils of urban territories]. Petrozavodsk: Karelian research centre of RAS Publ., 2009, 84 p.
8. Kolesnikov S.I., Kazeev K.Sh., Val'kov V.F. Ecological Functions of Soils and the Effect of Contamination with Heavy Metals. Pochvovedenie [Soil Science]. 2002, no. 12, pp. 1509-1514. (in Russian)
9. Khaziev F.Kh. Metody pochvennoi enzimol-ogii [Methods of soil enzimology]. Moscow: Nauka
Критерии авторства
Пархоменко А.Н. выполнила экспериментальную работу, на основании полученных результатов провела обобщение и написала рукопись. Пархоменко А.Н. имеет на статью авторские права и несет ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ Принадлежность к организации
Анна Н. Пархоменко
Астраханский государственный технический
университет
К.б.н., доцент
parhoman@mail.ru
Поступила 01.05.2017
Publ., 2005, 252 p.
10. Praktikum po mikrobiologii [Workshop on microbiology]. Under the editorship of A.I. Netrusov. Moscow: Academiya Publ., 2005, 608 p.
11. Parkhomenko A.N. About necessity of microbiological diagnostics of the soils, experience to anthropogenic impact. Yug Rossii: ekologiya, razvitie [The South of Russia: ecology, development]. 2010, no. 4, pp. 88-91. (in Russian)
12. Obire O., Anyanwu E.C. Impact of various concentrations of crude oil on fungal populations of soil. Int. J. Environ. Sci. Tech. 2009, no. 6. pp. 211-218.
13. Atlas R.M. Microbial hydrocarbon degradation - bioremediation of oil spills. J. Chem. Tech. Biotechnol. 1991, vol. 52, pp. 149-156.
14. Chen C.T. Understanding the fate of petroleum hydrocarbons in the subsurface environment. J. Chem. Educ. 1992, no. 5, pp. 357-361.
Contribution
Parkhomenko A.N. carried out the experimental work, on the basis of the results summarized the material and wrote the manuscript. Parkhomen-ko A.N. have exclusive author's rights and bear responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The author declares no conflict of interests regarding the publication of this article.
AUTHORS' INDEX Affilientions
Anna N. Parkhomenko
Astrakhan State Technical University Ph.D. (Biology), Associate Professor parhoman@mail.ru
Received 01 May 2017
