CC BY
17
УДК 631.41
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ТОРФЯНЫХ ПРЕПАРАТОВ С ЦЕЛЬЮ ВОССТАНОВЛЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ УГОЛЬНЫХ ОТВАЛОВ
Т.И. БУРМИСТРОВА, кандидат химических наук, старший научный сотрудник,
Т.П. АЛЕКСЕЕВА, кандидат химических наук, старший научный сотрудник,
Л.Н. СЫСОЕВА, кандидат химических наук, старший научный сотрудник,
Н.М. ТРУНОВА, старший научный сотрудник, Н.Н. ТЕРЕЩЕНКО, доктор биологических наук, зав. лабораторией
Сибирский НИИ сельского хозяйства и торфа, ул. Гагарина, 3, Томск, 634050, Россия
E-mail: burmistrova@sibniit.tomsknet.ru
Резюме. В работе представлены результаты исследований, проведенных с 2007 по 2012 гг. на опытном участке угольного отвала разреза Краснобродский Кемеровской области по определению эффективности применения торфяных препаратов с целью восстановления биологических функций территорий, нарушенных при открытом способе добычи угля. Ведущие факторы в решении этой задачи - растения, сопутствующие им микроорганизмы и ферменты, способные трансформировать органическое вещество во фрагменты гумуса и разрушать горные породы, переводя их в мелкозем. В качестве показателей, характеризующих начальный процесс восстановления биологических функций отвальной породы, определяли активность окислительно-восстановительных ферментов и изменение микробиологического пула по численности и составу. За период исследований на опытном участке сформировался устойчивый травостой бобовых и злаковых трав, происходила трансформация его органического вещества, поступающего в почву. Для оценки вновь образованного лабильного органического вещества (ЛОВ) проводили исследование его оптических свойств в УФ и видимой областях спектра. Активность ферментов в грунте отвальной породы в год закладки опыта (2007г.) была низкой. По окончании шестого вегетационного периода (2012 г.) в опытных вариантах активность каталазы увеличилась в 3,5-4,4 раза, де-гидрогеназы - в 29-33 раза, полифенолоксидазы - в 9-10 раз, пероксидазы - в 3-5 раз, по сравнению с 2007 г. Численность изученных групп микроорганизмов в вариантах изменялась по годам неодинаково, однако наблюдали тенденцию к ее росту, по сравнению с контролем. Расчет коэффициента цветности ЛОВ во всех вариантах опыта по результатам спектрального анализа свидетельствует о более низкой степени его сформированно-сти, по сравнению с зональной почвой.
Ключевые слова: биологическая рекультивация, торфяные препараты, угольный отвал, ферментативная активность, микробиологическая активность, лабильное органическое вещество.
Для цитирования: Определение эффективности применения торфяных препаратов с целью восстановления биологических функций угольных отвалов / Т.И. Бурмистрова, Т.П. Алексеева,
Л.Н. Сысоева, Н.М. Трунова, Н.Н. Терещенко//Достижения науки и техники АПК. 2014. Т.28. №12. С. 46-48.
Проблема рекультивации отвалов, образующихся при добыче угля открытым способом, особенно актуальна, так как на поверхность выносится смесь неплодородных вскрышных и вмещающих пород, а также непромышленные прослои угля, что приводит к полному уничтожению естественного биоценоза на значительных территориях [1-3].
Развитие почвенного профиля в техногенных ландшафтах происходит очень медленно, и задача рекультивации грунта в этих условиях - восстановление его биологических функций, возобновление и ускорение почвообразовательного процесса, создание устойчивых фитоценозов.
Начальный этап почвообразования связан с появлением растительности, преобразованием растительного материала и, как следствие, накоплением лабильного органического вещества (ЛОВ), представляющего собой органические остатки разной степени разложения и гумификации.
Цель наших исследований - изучение эффективности использования торфяных препаратов для создания условий, обеспечивающих рост и развитие растений, активации биологических процессов в грунте и накопление органического вещества (ОВ) на поверхности угольного отвала.
Условия, материалы и методы. Исследования осуществляли в течение 6 вегетационных периодов с 2007 по 2012 гг. (наблюдения проводили весной и осенью) на опытном участке угольного отвала разреза Краснобродский Кемеровской области.
По агрохимическим показателям и содержанию токсичных элементов грунт отвальной породы пригоден для рекультивации [4].
Изучаемые торфяные препараты: органоминераль-ное удобрение - торфяной мелиорант [5] и оксигумат [6], используемые в качестве источника органического вещества и микрофлоры с целью создания растениям условий для вегетации. На участке высевали смесь бобовых и злаковых трав (донник белый и желтый, костер безостый, тимофеевка луговая).
Торфяной мелиорант вносили в грунт отвала в дозах 25 и 50 т/га однократно весной 2007 г. перед посевом.
Таблица 1. влияние условий проведения биологической рекультивации на изменение активности
оксидоредуктаз в грунте отвальной породы (с 2007 по 2012 гг.)
Вариант Каталаза Дегидрогеназа Полифенол оксидаза Пероксидаза
весна осень весна осень весна осень весна осень
Грунт 09 12 0 0 4,8 4,6 15,0 17,3
отвала (ГО) 2,6 2,3 6,2 6,3 0 0 37,3 39,4
ГО + торфяной 09 15 15,5 3,8 1,0 2,9 10,4 13,3
мелиорант, 3,9 3,1 45,2 42,9 15,7 10,3 37,8 33,7
25 т/га
ГО + торфяной 08 11 20,3 7,4 09 03 12,1 8,4
мелиорант, 3,3 2,9 33,0 39,9 10,3 8,7 47,7 46,7
50 т/га
ГО + окси- 09 10 1,0 0,2 - - - -
гумат, 0,005% 3,5 2,8 42,4 33,4 3,0 5,9 24,8 41,9
* числитель - 2007г., знаменатель - 2012 г.
46 -
Таблица 2. динамика численности микроорганизмов в грунте исследуемых вариантов, Кое в
1 г абсолютно сухого вещества
Группа микроорганизмов Год Контроль (ГО) ГО + торфяной мелиорант, 25 т/га ГО+оксигумат, 0,005%
Аммонификаторы, N * 106 2007 13,4 20,6 12,2
2008 74,0 236,0 262,0
2009 16,2 82,5 59,2
2010 9,5 18,3 15,3
Микроорганизмы, потребляющие ми- 2007 33,1 55,8 18,1
неральный азот, N * 106 2008 180,0 776,0 255,0
2009 15,0 37,1 31,6
2010 5,7 23,4 16,3
Актиномицеты, N * 106 2007 0,5 0,5 0,3
2008 - - -
2009 1,7 8,0 6,2
2010 0,1 3,4 0,2
Сахаролитические грибы, N * 104 2007 0,2 0,3 0,3
2008 4,0 13,0 3,0
2009 1,1 2,1 0,6
2010 8,0 7,2 6,2
Разрушители целлюлозы, N * 104 2007 5,3 6,2 4,6
2008 15,4 4,2 4,9
2009 41,7 65,4 38,8
2010 15,0 27,4 55,5
Концентрация оксигумата для обработки семян и ве-гетирующих растений (в весенний период ежегодно) -0,005% (по гуминовым кислотам).
Схема опыта включала следующие варианты: грунт отвала (ГО) - контроль; ГО + торфяной мелиорант (ТМ), 25 т/га; ГО + ТМ, 50 т/га; ГО + оксигумат (ОГ).
Эффективность использования торфяных препаратов при рекультивации угольного отвала оценивали по величине ферментативной и микробиологической активности грунта, а также оптических свойствх ЛОВ.
Содержание углерода лабильного органического вещества (СЛОВ) определяли по методу Тюрина в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26 213-91) с фотометрическим окончанием [7]; оптические свойства ЛОВ - согласно рекомендациям Д.С. Орлова [8]; ферментативную активность - по Ф.Х. Хазиеву [9].
результаты и обсуждение. Процесс почвообразования протекает при участии ферментов, увеличивающих скорость биохимических реакций, среди которых важное место принадлежит окислительно-восстановительным [10].
Активность оксидоредуктаз носит периодический характер. При этом прослеживаются определенные закономерности, особенно характерные для дегидро-геназы и пероксидазы. Так, во все годы (2007-2012 гг.) и периоды наблюдений (весна, осень) дегидрогеназная активность при использовании торфяных препаратов была выше, чем в контроле (табл. 1). Кроме того, она ежегодно увеличивалась. В то же время самая высокая полифенол- и пероксидазная активность в 2007 г. отмечена в контроле, что, очевидно, объясняется наличием в составе мелкозема угольных частиц, в процессе деструкции которых образуются фенольные соединения различной природы, служащие субстратом для указанных ферментов [9].
Пероксидазная активность при использовании торфяных препаратов и, особенно, в контроле в период проведения исследований имела тенденцию к увеличению, а полифенолоксидазная - в грунте отвала уменьшалась, а в случае применения торфяного мелиоранта - возрастала.
В ходе опыта во всех вариантах отмечен рост ката-лазной активности, наиболее высокие величины которой установлены в случае использования изучаемых продуктов переработки торфа.
На фоне высокой дегидрогеназной, полифенол- и пероксидазной активности в грунтах опытных вариантов создаются условия для образования начальных фрагментов гуминовых веществ, которые связаны с процессами поликонденсации продуктов дегидрирования и окисленных форм фенольных соединений.
Анализ результатов микробиологического исследования образцов грунта показал, что в течение 4-х вегетационных периодов (2007-2010 гг.) максимальная в опыте численность всех изучаемых групп микроорганизмов характерна для вариантов с использованием торфяных продуктов (табл. 2).
Электронные спектры поглощения ЛОВ, выделенного по окончании 6-го вегетационного периода (2012 г.) из образцов грунта изучаемых вариантов, в УФ и видимой областях спектра имели сходный характер и представляли собой пологие кривые (см. рисунок). Самая низкая оптическая плотность в измеряемой области спектра отмечена для ЛОВ грунта контрольного варианта, самая высокая - для зональной почвы. Возможно, что вклад ароматических структур в построение ЛОВ уменьшается от зональной почвы к грунту вариантов с торфяным мелиорантом и оксигуматом и далее - к грунту отвала без использования мелиорирующих композиций. О
длина волны, нм
рисунок. Зависимость оптической плотности от длины волны в образцах грунта изучаемых вариантов: ф - зональная почва; —X--грунт отвала (ГО); —±--ГО + торфяной мелиорант, 25 т/га; —X--ГО + обработка семян и
вегетирующих растений оксигуматом, 0,005%.
Таблица 3. влияние применения торфяных препаратов на коэффициент цветности лабильного органического вещества
Показатель Зональная почва Грунт отвала (ГО) ГО + торфяной мелиорант, 25 т/га ГО + оксигумат, 0,005%
Коэффициент цветности А (А1/А2 = 400/500нм) 1,78 2,82 2,54 2,73
верности этого предположения свидетельствуют и величины коэффициента цветности (А), который характеризует степень конденсированности ОВ. Более сложной структурой с высокой степенью конденсированности характеризуется ЛОВ зональной почвы, а новообразованное органическое вещество в грунте вариантов с использованием ТМ и ОГ сильнее обогащено алифатическими структурами, которые образуются при разрушении растительных остатков, так как процесс формирования ароматических структур более длительный.
Показатель коэффициента цветности хорошо согласуется со спектрофотометрическими кривыми, что характерно для ЛОВ всех изученных образцов - чем выше его величина, тем ниже оптическая плотность (табл. 3).
выводы. В полевом опыте, проводившемся на угольном отвале разреза Краснобродский Кемеровской области в период с 2007 по 2012 гг. установлено,
что использование торфяных препаратов обеспечивает рост и развитие растений, а также увеличение ферментативной активности грунта. В опытных вариантах к окончанию 2012 г. активность каталазы увеличилась, по сравнению с 2007 г., в 3,5-4,4 раза, дегидрогена-зы - в 29-33 раза, полифенолоксидазы - в 9-10 раз, пероксидазы - в 3-5 раз. В контроле величины этих показателей также возросли, но значительно меньше. Микробиологическая активность изучаемых групп микроорганизмов в период с 2007 по 2010 гг. в вариантах с использованием продуктов переработки торфа была выше, чем в контроле, что обеспечило активацию биологических процессов в грунте отвальной породы и способствовало развитию растений, тем самым увеличивая накопление на поверхности лабильного органического вещества, которое отличается по своей структуре от ЛОВ зональной почвы, меньшей степенью конденсированности и большим количеством алифатических структур.
Литература.
1. Баранник Л.П., Шмонов А.М., Николайченко В.П. Рекомендации по лесной рекультивации нарушенных угледобычей земель в Кузбассе // Рекультивация нарушенных земель в Сибири. 2005. Выпуск №1. С.124 -145.
2. Pikon K. Recurvation of mining waste dumps - environmental aspects: the 8th International Scientific Conference. 2008. Vol.1. P. 773-780.
3. Mine tailings dams: Characteristics, failure, environmental impacts, and remediation / D. Kossoff, W.E. Dubbin, M. Alfredsson, S.J. Edwards, M.G. Macklin, K.A. Hudson-Edwards //Applied Geochemistry. 2014. Volume 51. P. 229-245.
4. Исследование эффективности применения торфяного мелиоранта для биологической рекультивации угольных отвалов / Т.П. Алексеева, Л.Н. Сысоева, Т.И. Бурмистрова, Н.М. Трунова //Достижения науки и техники АПК. 2010 г. №12. С.34-36.
5. Патент РФ №2282607. Органоминеральное удобрение / Т.И. Бурмистрова, Т.П. Алексеева, Л.Н. Сысоева, Н.М. Трунова. Опубликовано 27.08.2006 г. Бюллетень №24.
6. Патент РФ №2216172 Способ получения средства для защиты растений от грибковых заболеваний / Т.И. Бурмистрова, Л.Н. Сысоева, Н.М. Трунова, Н.Н. Терещенко. Опубликовано 20.11.2003 г. Бюллетень № 32.
7. ГОСТ 26213-91. «Почва. Методы определения органического вещества». М.: Изд-во стандартов, 1992.
8. Орлов Д.С., Гришина Л.А. Практикум по химии гумуса М.: Изд-во МГУ, 1981. 271с.
9. Хазиев Ф.Х. Ферментативная активность почв. М.: Наука. 1976. 179 с.
10. Методы почвенной микробиологии и биохимии/ под ред. Д.Г. Звягинцева. М.: Изд-во МГУ. 1991. 304 с.
determination the effectiveness of using peat to restore biological functions of coal dumps
T.I. Burmistrov8, T.p. Alekseeva, L.N.Sysoeva, N.M. Trunova, N.N. Tereshchenko
Siberian Research Institute of Agriculture and Peat, Gagarin Str., 3, Tomsk, 634050, Russia
Summary. The article presents the results of 6-year study in the period of 2007-2012 on experimental plot of coal dump of Krasnoborodsky section in Kemerovskaya region on determining the effectiveness of peat preparations to restore biological functions of areas disturbed during the open method of coal mining. Leading factors in solving these problems are plants and their associated microorganisms and enzymes capable of transforming organic matter of plant fragments in humus and destroy the rocks, turning them into fine earth. Determination of the activity of redox enzymes was conducted by indicating the initial recovery process of biological functions of dump soil, activity of oxidizing and reducting ferments and assessment of changes of microbiological pool on numbers and composition. During the research period the steady herbage legumes and grasses was generated and its organic matter going to the soil was transformed. Therefore, to estimate the degree of development of the newly formed labile organic matter (LOM) the study of its optical properties in UV and visible spectrum was conducted. The enzyme activity in the soil at the first year (2007) was low. By the end of the sixth vegetation season (2012) in experimental variants catalase activity increased in 3.5-4.4 times, dehydrogenase - in 29-33 times, polyphenol oxidase - in 9-10 times, peroxidase - in 3-5 times. The number of examined groups of microorganisms in the experimental variants varied not equally from year to year, however, it tended to increasing in comparison with control. Calculation of LOM according to the color spectrum analysis indicated a lower degree of its forming in comparison with zonal soil.
Keywords: biological reclamation, peat products, coal stockpile, enzymatic activity, microbial activity, labile organic matter. Author Details: T.I. Burmistrova, Cand. Chemical Sci., Senior Researcher (e-mail: burmistrova@sibniit.tomsknet.ru); T.P. Alekseeva, Cand. Chemical Sci., Senior Researcher; L.N. Sysoeva, Cand. Chemical Sci., Senior Researcher; N.M. Trunova, Senior Researcher; N.N. Tereshchenko, Dr. Biol. Sci., Head of Laboratory.
For citation: Burmistrova T.I., Alekseeva T.P., Sysoeva L.N., Trunova N.M., Tereshchenko N.N. Determination of the effectiveness of using peat to restore biological functions of coal dumps // Dostizheniya nauki i tekhnikiAPK. 2014. T.28. №12. pp. 46-48 (In Russ)
