CC BY
44
УДК 631.453:631.465
Л.К. Каримуллин, А.М. Петров, А.А. Вершинин
Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, karlenar@yandex.ru
ФИТОРЕКУЛЬТИВАЦИЯ И ФИЗИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННОЙ ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЫ
В статье показано влияние культивирования одно- и двудольных культур высших растений на ферментативную и респираторную активность нефтезагрязненной дерново-подзолистой супесчаной почвы. Дана оценка биологической активности микробоценоза исследуемой почвы. Определена эффективность снижения содержания нефтепродуктов при проведении фиторекуль-тивационных мероприятий.
Ключевые слова: нефтяное загрязнение; нефтепродукты; дерново-подзолистая почва; ферментативная активность; респираторная активность.
Введение
Результатом антропогенной деятельности является техногенное загрязнение окружающей среды нефтью и продуктами ее переработки. Поступление нефтяных загрязнений на рельеф местности сопровождается изменением биохимической активности почв, нарушением хода естественного почвообразовательного процесса.
Одним из основных этапов рекультивации не-фтезагрязненных земель является биологический этап, включающий комплекс агротехнических и фитомелиоративных мероприятий, направленных на улучшение агрофизических, агрохимических, биохимических и других свойств почвы. Фиторе-культивация, как завершающий этап, обеспечивает наиболее полное, экологически безопасное и экономически обоснованное восстановление загрязненных нефтью и нефтепродуктами почв.
Класс используемых при рекультивации растений может определять активность проходящих в почве биохимических процессов, влиять на скорость деструкции нефтяных углеводородов.
Цель работы - изучение влияния выращивания одно- и двусемядольных растений на ферментативную и респираторную активность нефтеза-грязненной дерново-подзолистой почвы.
Материал и методы исследования
Объектами исследования являлась предварительно рекультивированная (увлажнение и рыхление) содержащая различное остаточное содержание нефтепродуктов (НП) дерново-подзолистая супесчаная почва (табл. 1), в которой до и после проведения фиторекультивационных мероприятий определялись ферментативная (каталаза и уреаза), дыхательная активности и содержание НП.
Таблица 1. Исходное содержание нефтепродуктов в почве, г/кг
Варианты
К В1 В2 В3 В4
< 0.05 1.7 3.3 7.4 8.7
Эксперименты по фиторекультивации проводились в лабораторных условиях при температуре 21-26°С с использованием однодольных (пшеница яровая, Triticum vulgare L.) и двудольных (горох посевной, Pisum sativum L.) растений.
Режим освещения - 16 часов в сутки, интенсивность - 4000 Лк. В качестве вегетационных сосудов использовались пластиковые емкости диаметром 11 см, объемом 550 мл, содержащие по 400 г почвы. В каждом сосуде выращивали по 4 растения. Влажность почвы в ходе эксперимента поддерживали на уровне 60% от полной влагоемкости. Через 42 дня инкубации растения удалялись, и определялась биохимическая активность почвы. Эксперименты проводились в трех повторностях, статистический анализ согласно (ГОСТ Р ИСО 22033-2009). Ферментативную и респираторную активность определяли согласно (Хазиев, 2005, Вершинин и др., 2012).
Результаты и их обсуждение
В работе И.И. Шиловой (1988) показано, что фитомелиоративный способ рекультивации не-фтезагрязненных земель возможен на почвах легкого состава при слабой и средней степенях загрязнения, а в случае сильного загрязнения этот метод неэффективен. Нефть оказывает сильное влияние на рост растений и состояние культурного фитоценоза в целом. Сила воздействия нефти зависит от степени загрязнения,
14
российский журнал ОРИИОй экологии
агротехнического фона и срока посева (Шилова, 1988).
Сильное негативное воздействие на растения происходит из-за изменения ее физико-химических свойств, главным образом, из-за увеличения гидрофобности и заполнения нефтью почвенных капилляров, а также прямого токсического действия углеводородов нефти (фитотоксичности), обусловленного развитием в ней микромицетов, образующих токсины (Мирчинк, 1988).
До эксперимента по фиторекультивации опытные образцы дерново-подзолистой почвы имели более высокую, по сравнению с контролем, ката-лазную активность, максимум которой приходился на вариант В1, содержащий НП в концентрации 1.7 г/кг (рис. 1). При более высоком содержании поллютанта уровень катализа пероксида водорода несколько снижался и варьировал в интервале 1.1-1.2 мг Н2Ог/г, что в свою очередь в 1.6 раз 1,4 1,2 1,0
> 0,8
О
и 0,6
§ 0,4 0,2 0,0
В1
В3
В4
В2
Варианты
К^После пшеницы ^иПосле гороха^-Исходная превышает активность контрольных почв.
Рис. 1. Каталазная активность дерново-подзолистой почвы при разных уровнях загрязнения до и после культивирования высших растений
Культивирование растений на нефтезагряз-ненной почве привело к снижению каталазной активности. Сопоставление активности фермента после культивирования пшеницы показало, что каталазная активность дерново-подзолистой почвы во всех опытных вариантах была на уровне контроля. После выращивания гороха катализ пе-роксида водорода в опытных вариантах шел с более низкой скоростью, чем в незагрязненной контрольной почве. Следует отметить, что каталазная активность нефтезагрязненных почв имела прямую зависимость с остаточным содержанием НП в почве. Результаты каталазной активности, полученные после культивирования тест-растений, согласуются с данными ряда авторов, утверждающих, что на ранних сроках загрязнения и при незначительных концентрациях нефтепродуктов интенсивность разложения пероксида водорода в почве снижается (Киреева и др., 2001; Мукатанов и др., 1980; Хазиев и др., 1981).
Уреазная активность нефтезагрязненной дерново-подзолистой почвы до эксперимента была в 5.5-7.5 раз выше, чем в чистой почве (рис. 2), причем до концентрации НП 3.3 г/кг она имела практически линейную зависимость. Дальнейшее увеличение содержания НП в почве до 8.7 г/ кг приводило к снижению активности гидролиза мочевины, однако, и в этом случае уреазная активность оставалась в 6.3 раза выше, чем в контрольном варианте. Интенсивно протекающие процессы разложения мочевины в опытных почвенных образцах характеризуют их потенциальную самоочищающую способность как высокую.
В литературных источниках показана связь прямого влияния содержания органического углерода в почве на скорость реакции гидролитического расщепления мочевины на аммиак и диоксид углерода. Как правило, в нефтезагрязненных почвах наблюдается повышение активности уреа-зы вследствие увеличения содержания органического углерода, установления восстановительных условий, наличия парафиновых углеводородов (Исмаилов, 1988; Киреева и др., 2001).
р 5
г
и
0
К
В1
В4
В2 В3
Варианты
ЕЗЗЩосле пшеницы ^иПосле гороха -Исходная
Рис. 2. Уреазная активность дерново-подзолистой почвы при разных уровнях загрязнения до и после культивирования высших растений
В то время как в контрольных образцах уре-азная активность почвы после культивирования растений практически не изменилась, в опытных вариантах было зафиксировано снижение ферментативной активности как относительно исходных значений (в 2.8-3.1 раз), так и относительно контрольных вариантов после выращивания пшеницы и гороха (в 1.9-4.7 раз). Снижение уреазной активности при достаточно высоком остаточном содержании НП в почве может быть связано с активными биодеструкционными процессами, приводящими к накоплению в почве микотоксинов или токсичных нефтяных метаболитов.
Параметры респираторной активности являются интегральными показателями, позво-
8
7
6
4
3
2
1/2016
15
ляющими адекватно определить экологическое состояние почв. Уровни базального (V, ) и
г 4 базал7
субстрат-индуцированного ^суб) дыхания дают представление о запасах и доступности питательных веществ, активности почвенного микробного сообщества, его устойчивости к присутствующим поллютантам.
Дерново-подзолистая почва до культивирования тест-растений характеризовалось плавным ростом интенсивности эмиссии СО2 (Убазал) при повышении содержания НП в почве (рис.3).
10
Варианты
ЕЗЗПосле пшеницы ^иПосле гороха Исходная
Рис. 3. Скорость базального дыхания дерново-
подзолистой почвы при разных уровнях загрязнения до и после культивирования высших растений
После проведения фиторекультивационных мероприятий с использованием одно- и двудольных растений уровень респираторной активности почвы повысился, как в контрольной почве, так и во всех опытных вариантах. Возросшая дыхательная активность свидетельствует об активизации микробного сообщества в исследуемой почве.
Субстрат-индуцированное дыхание, отражающее активность микробной массы участвующей в разложении органического вещества, до вегетативных экспериментов характеризовалось снижением интенсивности выделения СО2 в опытных вариантах относительно чистых почв. В контроле и опытных вариантах В1 и В2 культивирование высших растений не привело к изменению Vсуб, тогда как в вариантах содержащих более высокие концентрации поллютанта (В3 и В4) снижение в ходе эксперимента содержания НП в почве способствовало повышению активности микробного комплекса (рис. 4).
Коэффициент микробного дыхания (QR) рассчитываемый из отношения уровня базального и субстрат-индуцированного дыхания является одним из наиболее объективных показателей, отражающих физиологическое состояние микробиоценоза, сбалансированность, происходящих в почве процессов. Этот показатель является уни-
К В1 В2 В3 В4
Варианты
ЕЗЭПосле пшеницы ^^После гороха Исходная
Рис. 4. Субстрат-индуцированное дыхание дерново-подзолистой почвы при разных уровнях загрязнения до и после культивирования высших растений
версальным индикатором нарушения экологического равновесия системы и наглядно отражает способность микробного сообщества преодолевать внешние воздействия (Благодатская и др., 2001).
В исходной нефтезагрязненной дерново-подзолистой почве коэффициент микробного дыхания закономерно возрастал по мере увеличения содержания поллютанта в опытных образцах почвы. Проведение фиторекультивационных мероприятий привело к повышению значений QR, как в контрольных, так и в опытных вариантах В1 и В2 исходно содержащих минимальные испытанные концентрации поллютанта (рис. 5), что, вероятно, связанно с увеличением видового разнообразия и активности микробоценоза, улучшением водно-воздушного баланса и массообмена в почве в присутствии растений. Напротив, в вариантах с высоким содержанием нефти в почве значения коэффициента QR снизились до 0.3-0.4, что определяется снижением содержания НП в почве, способствующему стабилизации микробного сообщества (табл. 2).
Варианты
Исходная ••■•• После пшеницы —Ь После гороха
Рис. 5. Коэффициент микробного дыхания дерново-подзолистой почвы при разных уровнях загрязнения до и после культивирования высших растений
16
российский журил при!« и!
Таблица 2. Снижение содержания НП в дерново-подзолистой почве до и после культивирования высших растений
Сопоставление начальных и конечных, после культивирования растений, концентраций НП в почве показало, что в экспериментах с однодольными растениями снижение содержания поллютанта варьировало от 56 до 82%, с двудольными - от 62 до 71% (табл. 2). При этом использование пшеницы обеспечивало получение максимального эффекта при минимальной испытанной концентрации НП (вариант В1), а гороха - при максимальном содержании поллютанта в почве (вариант В4). В
вариантах В2 и В3 эффективность снижения содержания НП имело сопоставимые значения.
Варианты Концентрация НП, г/кг Снижение, %
Начальная Конечная
пшеница горох пшеница горох
В1 1.7 0.3 0.6 82 62
В2 3.3 1.1 1.2 67 65
В3 7.4 2.0 2.1 73 71
В4 8.7 3.8 2.8 56 68
Выводы
1. Активно протекающие процессы разложения мочевины в исходной загрязненной нефтью почве характеризуют ее потенциальную самоочищающую способность как высокую.
2. Культивирование однодольных растений на нефтезагрязненной дерново-подзолистой почве не приводит к изменению ее каталазной активности. Каталазная активность почвы после выращивания двудольных растений имеет прямую зависимость от остаточного содержания НП в почве.
3. Возрастающая интенсивность базально-го дыхания после культивирования испытанных тест-растений свидетельствует о высокой активности почвенного микробного сообщества и увеличении скорости разложении органических веществ в почве.
4. Фиторекультивационные мероприятия приводят к повышению доступности органического субстрата и снижению уреазной активности почвы.
5. Полученные результаты указывают на возможность эффективного использования однодольных растений в качестве сидератов на нефте-загрязненных дерново-подзолистых почвах при содержании НП до 7.4 г/кг. При более высоких концентрациях поллютанта рекультивационные мероприятия предпочтительнее проводить с использованием двудольных растений.
Список литературы
1. Благодатская Е.В., Богомолова И.Н., Благодатский С.А. Изменение экологической стратегии микробного сообщества почвы, инициированное внесением глюкозы // Почвоведение. 2001. №5. С. 600-608.
2. Вершинин А.А., Петров А.М., Каримуллин Л.К., Игнатьев Ю.А. Влияние нефтяного загрязнения на эколого-био-логическое состояние различных типов почв //Вестник Казанского технологического университета. 2012. № 8, Т.15. С. 207-211.
3. Исмаилов Н.М. Микробиологическая и ферментативная активность нефтезагрязненных почв // Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем. М., 1988. С. 42-56.
4. Киреева Н.А., ВодопьяновВ.В., Мифтахова A.M. Биологическая активность нефтезагрязненных почв. Уфа: Гилем, 2001. 376 с.
5. Мирчинк Т.Г. Почвенная микология. М.: Изд-во МГУ, 1988. 220 с.
6. Мукатанов Ф.Х., Ривкин П.Р. Влияние нефти на свойства почв // Нефтяное хозяйство.1980. №4. С. 53-54.
7. Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии. М.: Наука, 2005. 252 с.
8. Хазиев Ф.Х., Фаткиев Ф.Ф. Изменение биохимических процессов в почвах при нефтяном загрязнении и активация разложения нефти // Агрохимия. 1981. № 10, Т.1. С. 102-111.
9. Шилова И.И. Биологическая рекультивация нефтеза-грязненных земель в условиях таежной зоны // Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем. М.: Наука, 1988. С. 159-168.
L.K. Karimullin, A.M. Petrov, A.A. Vershinin. Phytoremediation and physiological activity of oil-polluted soddy-podzolic soil.
The article analyses the influence of the cultivation of mono- and dicotyledonous higher plants on enzyme and respiratory activities of oil-polluted sod-dy-podzolic sandy loam soil. The evaluation of biological activity of the soil microbocenosis is given. The efficiency of oil products reduction during phy-toremediation activities is determined.
Keywords: oil pollution; soddy-podzolic soil; enzyme activity; respiratory activity.
1/2016
17
