CC BY
47
УДК 631.453
ЭКОТОКСИКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРИМЕНЕНИЯ УДОБРЕНИЙ НА ОСНОВЕ ОСАДКОВ СТОЧНЫХ ВОД МЕТОДОМ БИОТЕСТИРОВАНИЯ
А.П. Баранов, М.И. Лунев, д.б.н., Г.Е. Мерзлая, д.с.-х.н.
ВНИИ агрохимии им. Д.Н. Прянишникова, e-mail: [email protected]
Дана экотоксикологическая оценка последействия внесения компостов на основе осадка сточных вод в почвах с разными свойствами. Внесение компостов обеспечило достоверное повышение урожайности возделываемых культур. По результатам биотестирования почв тест-культурами разных таксономических групп, а также по показателям жизнедеятельности микрофлоры, установлена хроническая токсичность, ограничивающая размножение почвенных организмов. Биотестирование почвы опыта в Вологодской области показало, что химический анализ не подходит для прогнозирования экотоксикологических рисков при внесении отходов, поскольку токсичность не коррелирует с величиной загрязнителя, присутствующего в отходах.
Ключевые слова: почва, осадки сточных вод, тяжелые металлы, хроническое загрязнение, биотестирование.
ASSESSMENT OF THE EFFECTS OF FERTILIZER BASED ON SEWAGE SLUDGE
BY THE BIOASSAY METHOD
A.P. Baranov, Dr.Sci. M.I. Lunev, Dr.Sci. G.E. Merzlaya
ARSRIfor Agrochemistry named after D.N. Pryanishnikov, e-mail: [email protected]
Ecotoxicological assessment of aftereffect of compost application on the basis of sewage sludge in soils with different properties is given. The composting provided a reliable increase in the yield of cultivated crops. However, based on the results of soil biotesting by test cultures of different taxonomic groups, and also on the indicators of vital activity of microflora, chronic toxicity is established for soil organisms that limits their reproduction. Soil biotesting from the experience in the Vologda region has shown that chemical analysis is not suitable for predicting ecotoxicological risks when introducing waste, since the toxicity does not correlate with the amount present in the pollutant waste.
Keywords: soil, sewage sludge, heavy metals, chronic pollution, bioassay.
Несмотря на неоспоримые выгоды от внесения органических отходов для получения высоких урожаев [1], практика постоянного применения удобрений на основе ОСВ может создать проблемы в отношении накопления загрязняющих веществ, которые будут иметь пагубные последствия для почвенных экосистем и, следовательно, противодействовать вкладу ОСВ в плодородие почв. Необходимо учитывать, что воздействие ОСВ на почвенные организмы определяется суммой разнонаправленных эффектов, когда негативное воздействие загрязнителей нивелируется большим количеством внесенного органического вещества. Однако органическое вещество ОСВ разлагается в течение года после внесения в почву на 20-35% [2], увеличивая токсическое действие накапливающихся загрязнителей. В тоже время эффект снижения почвенной токсичности для почвенных организмов в присутствии доступного и легкоусваиваемого органического питания отмечался достаточно часто [3, 4]. В связи с тем, что загрязнители в составе ОСВ являются труднорастворимыми или нерастворимыми соединениями, промытыми большим объемом сточ-
ной воды, их медленное накопление при постоянном внесении ОСВ должно стать объектом контроля за хронической токсичностью почвы.
Биотестирование - один из наиболее оперативных методов по определению накопления токсичности почвы, создаваемой большим спектром почвенных загрязнителей, действующих в совокупности и учитывающих их биодоступность [5].
Цель исследований - изучение влияния последействия внесения компостов на основе ОСВ на почвенные организмы на почвах разного гранулометрического состава и с разными агрохимическими показателями.
Материалы и методы. Полевые опыты по внесению компостов проводили в Московской и Вологодской областях. В Московской области опыт был проведен на опытном поле ЦОС ВНИИ агрохимии им. Д.Н. Прянишникова на дерново-подзолистой тяжелосуглинистой среднеокультуренной почве со следующими агрохимическими показателями: содержание гумуса 1,95-2,08%, рИка 5,8-6,0, содержание подвижного фосфора (по Кирсанову) 80-108 мг/кг почвы; К2О 140-160 мг/кг почвы; ЕКО 17,0-
1. Химический состав компостов на основе ОСВ Москвы (1) и Вологды (2)
Компост ОСВ Cu Zn Pb Cd As Сорг., % P2O5, % phkci Зола %
мг/кг с.в.
Компост (1) 425 1743 50 8 11 52,0 2,0 5,27 7,4 48,0
Компост (2) 107 406 28,0 1,44 0,9 67,0 2,0 0,9 6,3 33,2
2. Результаты биотестирования ОСВ (1) и ОСВ (2) на Enchytraeus albidus
Вид осадка LD 50 (выживаемость) ED 50 (репродуктивность)
г/кг в.с. почвы OECD
ОСВ (1) 43,5 5,7
ОСВ (2) 95,3 12,8
21,0 мг-экв/100 г почвы. В Вологодской области дерново-слабоподзолистая среднесуглинистая почва имела следующую характеристику: pHkci 5,1, содержание гумуса 3,13%, Р2О5 215 мг/кг, К2О 104 мг/кг, ЕКО - 20,4 мг-экв/100 г почвы.
Для оценки токсичности ОСВ Курьяновской станции очистных сооружений г. Москвы и станции очистных сооружений г. Вологда были отобраны образцы осадков и проведено их биотестирование с использованием искусственной почвы OECD (70% кварцевый песок, 20% каолиновая глина, 10% сфагновый торф, рН 6,5) по методике [6].
Для биотестирования почвы использованы тест-культуры Enchytraeus albidus (Enchytraeidae - семейство малощетинковых червей) и Tetrahymena thermophile (Tetrahymena - пресноводная ресничная инфузория). Почвенные образцы для биотестирования с использованием инфузорий готовили по методике [7]. Подсчет инфузорий Tetrahymena thermophile осуществляли с помощью автоматизированной системы БиоЛаТ [8]. Для оценки базаль-ного дыхания (БД) почвы использовали метод Головко [9]. Базальное дыхание почвы (2 г, 60% ПВ) определяли по скорости продуцирования СО2 (22°С, 24 ч) и выражали в мкг СО2-С/г почвы в час. Субстрат-индуцированное дыхание (СИД) оценивали по скорости начального максимального дыхания микроорганизмов после инкубации (22°С, 3 ч) почвы (2 г, 60% ПВ), обогащенной глюкозой (1% массы субстрата). Углерод микробной биомассы (Смик) рассчитывали по формуле: Смик (мкг С/г почвы) = (мкл СО2/г час) х 40,04 + 0,37 [10, 11].
Результаты и обсуждение. Химический состав ОСВ содержит две группы поллютантов, тяжелые металлы и органические загрязнители, включающие поверхностно-активные вещества (ПАВ), полиароматические углеводороды (ПАУ), полихлор-ированные бифенилы (ПХБ), полихлорированные дибензодиоксины (ПХДД). Многочисленность загрязнителей, многофакторность их биодоступности для растений и почвенных организмов, непостоянство химических составов ОСВ определяют необходимость применения биотестирования при оценке рисков использования ОСВ для выращивания
сельскохозяйственных культур. Очень низкая растворимость органических загрязнителей обусловливает характер хронической токсичности осадка и выбор контактного метода биотестирования, в данном случае с использованием культуры энхитреид.
Данные таблицы 1 демонстрируют значительное преобладание ТМ в ОСВ городов. Помимо ТМ в странах Европы на законодательном уровне закреплен контроль за содержанием в ОСВ таких органических загрязнителей, как ПАВ, ПАУ, ПХБ, ПХДД. Уровни загрязнений ОСВ разных очистных сооружений показывают необходимость дифференциального подхода к определению доз внесения осадков под сельскохозяйственные культуры.
Учитывая значительное (5,27%) превышение содержания фосфора в компосте можно предположить высокое содержание ПАВ в составе органического вещества осадка, которые могут способствовать повышенной растворимости (биодоступности) других органических поллютантов. Взаимовлияние органических поллютантов с эффектом увеличения токсичности может быть оценено только в результате использования биологических методов оценки состояния почвы.
К разным токсикантам разные тест-культуры проявляют специфическую чувствительность. Поскольку основным загрязнителем ОСВ являются ТМ, в качестве тест-культуры в нашем исследовании использовали энхитреиды, обладающие высокой чувствительностью в отношении к хронической токсичности ТМ [3]. Расчетные величины токсичности в таблице 2 показывают, что уровень токсичности ОСВ 1 более чем в 2 раза превышает токсичность ОСВ 2 как по показателям выживаемости, так и размножения культуры энхитреид Епску^авш albidus.
Показатели LD 50, определяемые как дозы, вызывающие 50% гибель организмов, указывают на более чем в 2 раза большую токсичность ОСВ (1). Величины токсичности по тест-реакциям размножения эн-хитреид значительно выше (сокращение репродук-тивности на 50% вызывают дозы ОСВ 5,7 и 12,8 г/кг), что связано с большей чувствительностью данной тест-реакции. С учетом величин LD 50, пересчитанных на 1 га, 50% гибель энхитреид от ОСВ (1) и ОСВ (2) обусловят соответственно дозы ОСВ 65 и 140 т на почвах с уровнями биодоступности поллютантов, соответствующими искусственной почве OECD.
Биотестирование и определение активности микрофлоры образцов почвы из разных регионов показало, что выбор культур для биотестирования Епску^аеш albidus и Тв^акушвпа ЛвгторкИе обус-
ловлен задачами установления хроническом токсичности (контактный 6-недельный метод с энхитреидами) и острой токсичности (элюатный 2-суточный с инфузориями). Биотестирование с Enchytraeus albidus было проведено в соответствии с критериями достоверности, предъявляемыми к контролю по выживаемости, репродуктивности и коэффициенту вариации повторностей при определении размножения в контроле. Величина чувствительности культуры по модельному токсиканту (хлориду кадмия) составила LD50 - 37,6 ± 8,3 мг/кг почвы OECD (6).
На диаграмме выживаемости энхитреид (рис. 1) проиллюстрирована зависимость токсичности (оцениваемой по тест-реакции выживаемости) от доз внесенных компостов ОСВ на исследуемых почвах. Очевидно, что увеличение дозы ОСВ почти на порядок не изменило уровень выживаемости. Ни значительная разница доз в опытах, ни почвенная разность не влияли на проявление токсичности.
Однако реакция размножения энхитреид оказалась чувствительна как к почвенным условиям в контроле, так и величине доз ОСВ. Величина снижения репродуктивно-сти в образцах почвы вологодского опыта (с 94,0 до 34,6, т.е. более 50%), по-видимому, связана с благоприятными почвенными условиями для размножения энхитеид и эффектом действия поллютанта, когда он попадает на большее количество организмов. Анализ химического состава компоста (табл. 1) показывает, что ни один загряз-
Рис. 1. Выживаемость E. albidus на почвах с разными дозами компостов ОСВ
3. Токсичность водных экстрактов почв для Tetrahymena thermophile
Вариант Коэф. суточного роста культуры*
Московская обл.
1. Контроль 1,71 ± 0,44
2. Компост ОСВ, 10 т/га 1,22 ± 0,28
3. Компост ОСВ, 35 т/га 1,11 ± 0,40
Вологодская обл.
1. Контроль 1,69 ± 0,49
2. Компост ОСВ, 2 т/га 1,56 ± 0,34
3. Компост ОСВ, 6 т/га 1,50 ± 0,30
* отношение числа живых клеток начало биотестирования / конец биотестирования (через сутки) Доверительный уровень - 005
Рис. 2. Размножение E. albidus на почвах с разными дозами компостов ОСВ
нитель сам по себе не мог вызвать подобный токсический отклик. Это согласуется с оценкой применения химических методов анализа, которые не подходят для прогнозирования экологического риска сложного комплексного загрязнения по сравнению с биологическими.
Биотестирование на водных культурах служит обязательным методом контроля сточных вод. Оценка токсичности твердофазных отходов с помощью элюатных методов считается малоэффективной в силу слабой растворимости или сильной сорбции поллютантов ОСВ [12]. Тем не менее, данные таблицы 3 демонстрируют некоторое достоверное снижение суточного роста в экстрактах из образцов подмосковной почвы. Анализ состава ТМ компоста с ОСВ (1) не объясняет причины снижения суточного роста инфузорий, т.к. особенностью биотестирования ТМ с использованием инфузорий является очень низкая биодоступность [13]. Наиболее вероятной причиной такого ингибирования могут быть поверхностно-активные вещества группы нонилфенолов. Их концентрация коррелирует с содержанием фосфора (5,27% на с.в.) в ОСВ (1).
Развитие микробной биомассы и активность минерализации (базальное дыхание) служат важными показателями состояния почвы, связанными с процессами загрязнения. При одновременном попадании в почву органического вещества и загрязнителей происходит рост микробной массы и увеличивается базальное дыхание. Ограничителем процесса роста микробной массы служит уровень загрязнения в этой органической среде [14, 15]. Следовательно, биодоступность поллютантов, связанная с такими свойствами почвы, как рН, емкость ка-тионного обмена, содержание глины и гранулометрический состав, будет влиять на состояние микрофлоры. С целью оценки влияния свойств почв и ОСВ на минерализацию почвы было проведено определение субстрат-индуци-
Экотоксикологическая оценка почв с внесенными разными дозами и составами ОСВ показала ряд эффектов, которые можно квалифицировать как сублетальные для некоторых организмов. Необходимо иметь в виду, что величины опасных концентраций для одного вида почвенных организмов могут играть негативную роль на уровне сообществ и экосистем [16, 17].
Таким образом, оценка экологического риска внесения ОСВ показала большое значение свойств почвы для уровня токсичности, действующей на почвенные организмы. Дозы применения компостов ОСВ на легких почвах северных регионов с учетом воздействия на энхитреид (активных участников почвообразовательного процесса в северных регионах) следует ограничить уровнем 6-7т/га.
Основными факторами, влияющими на токсичность, являются не тяжелые металлы, т.к. почвенные организмы1 могли быиь ингибирова-ны1 высоким содержанием аммиака и ПАВ. Подход, применяемый для установления доз ОСВ с учетом их химического состава, не вполне соответствует точности прогнозирования экотокси-кологического риска, так как не учитывает факторов взаимодействия и биодоступности токсикантов в почве. Биотестирование — наиболее адекватный метод решения данной задачи.
Литература
1. Стратегия использования осадков сточных вод и компостов на их использование в агрикультуре / Под ред. Н.З. Милащенко. - М., 2002. - 140 с.
2. Putham, S., Houck C., Gallier W. Thomas utilization of sewage sludges // Civ. Tnd. (USA), 1989, Vol. 3. - РР. 60-62.
3. Haimi J. Decomposer animals and bioremediation of soils // Environm. Pollution, 2000, Vol. 107. - РР. 233-238.
4. Филимонова Ж.В. Энхитреиды (Oligochetaeta, Enchytraeidae) в биотестировании и контроле загрязнения почв: автореф. дисс. к.б.н. - М., 2000. - 24 с.
5. Терехова В.А. Биодиагностика почв: подходы и проблемы // Почвоведение, 2011, № 2. - С. 190-198.
6. Горшкова И.А., Гонгальский К.Б., Терехова В.А. Методика измерения токсичности почв по реакциям энхитре-ид. Федеральный реестр (ФР) ФР.1.39.2014.18039. - М.: MDMprint, 2014. - 24 с.
7. Методика определения токсичности отходов, осадков сточных, поверхностных и грунтовых вод методом биотестирования с использованием равноресничных инфузорий Paramecium caudatum Ehrenberg. Федеральный реестр (ФР) ФР.1.39.2006.02.506. - М.: МГУ, 2006. - 35 с.
8. Черемных Е.Г., Покатаев А.С., Гридунова Н.В. Прибор для биологических исследований / Патент № 2361913. 18.10.2006.
9. Головко Э.А. О методах изучения биологической активности торфяных почв / Мат. научн. конф. по методам микробиол. и биохим. исследований почв, Киев, 28-31 окт., 1971. - Киев, 1971. - С. 68-76.
10. Anderson J.P.E., Domsch K.H. A physiological method for the quantitative measurement of microbial biomass in soils // Soil biol. and biochem., 1978, Vol. 10. - PP. 314-322.
11. Ананьева Н.Д. Микробиологические аспекты самоочищения и устойчивости почв. - М.: Наука, 2003. - 222 с.
12. Xanier Domene Casadesus. Methodologies using soil organisms for the ecotoxicological assessment of organic wastes. Department de Biologia Animal, Vegetal I Ecologia Universital de Barcelona, 2007. - PP. 99-104.
13. Баранов А.П., Воронина Л.П., Лунев М.И. Биотестирование загрязненной ТМ почвы с использованием инфузорий // Агрохимический вестник, 2016, № 6. - С. 36-39.
14. Dar G.H. Impact of lead and sewage sludge on soil microbial biomass and carbon and nitrogen mineralization // Bull. Environ. Contam. Toxicol., 1997, Vol. 58. - P. 234-240.
15. Dar G.H., Mishra M.M. Influence of the cadmium on carbon and nitrogen mineralization in sewage sludge amended soils // Environ. Pollut., 1994, Vol. 84. - P. 285-290).
16. Sloof W., van Oers J.A.M., de Zwart D. Margins of uncertainty in ecotoxicological hazard assessment // Environmental Toxicology and Chemistry, 1986, Vol. 5. - PP. 841-852.
17. Versteeg D.J., Belanger S.E., Carr G.J. Understanding single-species and model ecosystem sensitivity: data-based comparison // Environmental Toxicology and Chemistry, 1999, Vol. 18. - PP. 1329-1346.
4. Базальное дыхание (БД), микробная масса (Смик) и метаболический коэффициент ^СОг) почв с разными дозами компостов ОСВ
Вариант БД, мкг СО2-С/г в час* Смик, мкг С/г почвы** qCO2, мкг СО2-С/мг Смик в час***
Московская обл.
1. 0,52 ± 0,14 678 ± 65 0,76
2. 0,80 ± 0,07 461 ± 89 1,73
3. 0,89± 0,09 297 ± 37 2,96
Вологодская обл.
1. 0,91 ± 0,09 597 ± 87 1,52
2. 1,19 ± 0,12 689± 112 1,72
3. 0,95± 0,18 789 ± 86 1,20
Примечание. Расшифровка вариантов дана в таблице 3.
рованного дыхания микроорганизмов. Согласно требованиям критерия достоверности, вариация по-вторностей в контроле не превышала 15%.
Данные таблицы 4 иллюстрируют сбой наращивание микробной массы в результате внесенного органического вещества компоста ОСВ (1). Высокий метаболический коэффициент микробной массы в вариантах с ОСВ (1) может быть связан с увеличением расхода энергии не только на рост, но и на поддержание жизнеспособности в критических условиях. Одним из объяснений стресса микрофлоры, выраженного как высокий метаболический коэффициент, могут быть остаточные количества аммонийного азота ОСВ, медленно высвобождающиеся в тяжелом суглинке места внесения ОСВ (1).
