CC BY
5
ВЕСТНИК МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ 17. ПОЧВОВЕДЕНИЕ. 2024. Т. 79. № 1 LOMONOSOV SOIL SCIENCE JOURNAL. 2024. Vol. 79. No. 1
удк 631.4 | (гё) тага
DOI: 10.55959/MSU0137-0944-17-2024-79-1-42-50
ОПТИМИЗАЦИЯ АЗОТНОГО ПИТАНИЯ ЗЛАКОВЫХ ТРАВ НА НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННОЙ ОЛИГОТРОФНОЙ ТОРФЯНОЙ ПОЧВЕ
Р. Р. Кинжаев*, А. Д. Гальцова, А. В. Арзамазова, В. А. Романенков
МГУ имени М.В. Ломоносова, факультет почвоведения, 119991, Россия, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12 * E-mail: [email protected]
В работе продемонстрирована важность создания оптимальных условий минерального питания злаковых трав и микроорганизмов в нефтезагрязненной олиготрофной торфяной почве при ремедиации. Для установления эффективности применения различных форм азотных удобрений при нефтезагрязнении исследованы изменения агрохимических свойств и ферментативной активности почвы, продуктивность злаковых трав и количество ДНК прокариот. Показано значительное увеличение продуктивности растений и численности бактерий и архей при оптимизации азотного питания, особенно ярко выраженное при внесении аммонийно-нитратной формы удобрения. Каталазная активность олиготрофной торфяной почвы повышалась одновременно со снижением остаточного содержания нефтепродуктов в почве, что может являться косвенным доказательством интенсификации процессов деградации углеводородов нефти в почве, усиливающихся при применении минеральных удобрений.
Ключевые слова: нефтезагрязнение, фиторемедиация, минеральные удобрения, ферментативная активность почв, численность прокариот.
Введение
Почва — комплексная и динамическая система, выполняющая ряд важных экологических функций. Загрязнение почвы в результате антропогенной деятельности является очень серьезной проблемой на сегодняшний день. Нефть и нефтепродукты считаются наиболее опасными загрязнителями, вызывающими серьезные изменения в почвенных экосистемах, нарушая естественное экологическое равновесие, морфологические характеристики почв и их физико-химические свойства [Wang et al., 2013]. Нефтезагрязненные территории являются зонами повышенного экологического риска, в которых нарушается устойчивость природных экосистем и появляется существенная угроза для их безопасного функционирования.
Биологический метод фиторемедиации нефте-загрязненных земель признан в настоящее время как один из наиболее экономически эффективных, доступных и безопасных для удаления нефти и нефтепродуктов из почвы [Joner et al., 2002; Varjani, Upasani, 2017]. Кроме этого, отмечается, что его использование не только позволяет усилить процессы деструкции нефти, но и восстановить механизмы и условия для протекания естественных процессов трансформации соединений в почве [Tesar et al., 2002].
Механизм фиторемедиации основывается на процессах стимуляции активности аборигенных микроорганизмов в почве под действием корневых выделений растений. На данный момент существует большое количество исследований, направленных на повышение эффективности работы данного механизма. В основном они ориентированы на поиск и отбор наиболее устойчивых видов растений, способных расти в условиях стресса, а также на возможность инокуляции используемых растений-ремеди-антов штаммами микроорганизмов, способными разлагать загрязняющие вещества в почве [Tesar et al., 2002; Ying et al., 2011; Tao et al., 2017]. С другой стороны, лишь немногими исследователями рассматривается такой важный компонент, как почва, а в частности, те условия питания и развития, которые в ней складываются для растений и микробного сообщества. В условиях стресса возникает особая необходимость в создании пригодной для их существования среды и восстановления естественных трансформационных процессов, что достигается использованием агрохимических средств, в частности минеральных удобрений [Varjani, Upasani, 2017].
В связи с этим целью данной работы был поиск наиболее благоприятных условий для роста и развития злаковых трав и микроорганизмов-нефтеде-структоров в торфяной олиготрофной почве путем регуляции азотного питания растений.
© Кинжаев Р.Р., Гальцова А.Д., Арзамазова А.В., Романенков В.А., 2024
Материалы и методы
Объекты исследования. В качестве объекта исследования была выбрана олиготрофная торфяная почва. Образцы почвы были отобраны в соответствии с ГОСТ 17.4.3.01-2017 в Среднем Приобье на территории Ханты-Мансийского автономного округа. На загрязненных участках, появившихся в результате техногенной аварии, к моменту отбора проб был завершен технический этап рекультивации. Незагрязненные образцы почвы были отобраны с расположенных рядом фоновых участков. В отобранных образцах было определено содержание нефтепродуктов. Перед проведением вегетационного опыта почва была произвесткована по 0,5 Нг.
Вегетационные опыты проведены на базе вегетационного домика факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова в 2020-2022 гг. Опыты проводили в трех повторностях по следующей схеме:
1) контроль незагрязненный (КН)
2) КН + ^ммРК
3) КН + ШитрРК
4) КН + №мм№итрРК
5) 100 г нефти
6) 100 г нефти + №ммРК
7) 100 г нефти + ШитрРК
8) 100 г нефти + №мм№итрРК
9) 150 г нефти
10) 150 г нефти + №ммРК
11) 150 г нефти + №итрРК
12) 150 г нефти + №мм№итрРК
В исследовании рассматривалось влияние двух доз нефтезагрязнения. Согласно «Методическим рекомендациям по выявлению деградированных и загрязненных земель», использованные дозы соответствуют высокому уровню загрязнения почв нефтью. Это дозы остаточного загрязнения нефтью после проведения технического этапа рекультивации, при которых целесообразно проводить мероприятия биологического этапа рекультивации.
Для создания загрязненных вариантов, содержащих заданное количество нефти (100 г нефти-кг-1 почвы и 150 г нефти-кг-1 почвы), была использована незагрязненная контрольная почва, к которой добавлялось определенное количество аналогичной загрязненной почвы с заранее известным количеством поллютанта. Почвы тщательно перемешивались, и в готовой смеси определялось содержание нефтепродуктов (НП). В вариантах, условно обозначенных как «100 г нефти-кг-1 почвы», содержалось 98 512 мг НП-кг-1 почвы, а в вариантах «150 г нефти кг-1почвы» —146 981мг НП-кг-1 почвы.
В качестве тест-культуры была использована смесь злаковых трав, широко применяющаяся в практике фитомелиорации. Состав смеси представлен семенами тимофеевки луговой (Phleum pratense L.) — 40%, костреца безостого (Bromopsis inermis (Leyss.) Holub.) — 30%, овсяницы луговой (Festuca
pratensis Huds.) — 30%. В вегетационном опыте посев семян производился с нормой 80 кг-га-1, что выше стандартной нормы. Это обусловлено высоким уровнем загрязнения почвы и сложившимися в связи с этим неблагоприятными условиями.
Регуляция азотного питания тест-культур производилась за счет применения минеральных удобрений, содержащих разные формы азота: аммонийный, нитратный и аммонийно-нитратный. Использование в первую очередь азотных удобрений обусловлено тем, что азот наиболее часто выступает лимитирующим фактором для жизнедеятельности растений и микроорганизмов, особенно в условиях загрязнения такими органическими поллютантами, как нефть и нефтепродукты [Смирнова, Панина, 2015]. Дозы удобрений рассчитывались в соответствии с «Группировкой торфяных почв по обеспеченности элементами минерального питания растений», предложенной Институтом почвоведения и агрохимии НАН Беларуси. Для оли-готрофной торфяной почвы с помощью удобрений создавался повышенный уровень обеспеченности растений элементами минерального питания (N 400мг-кг-1, P 500мг-кг-1, K 650мг-кг-1). Использование такого уровня обусловлено особенностями питания растений на данном типе почв: высокой миграцией питательных элементов, замедленной скоростью микробиологической трансформации соединений.
Для обеспечения сбалансированных условий питания растений помимо азотных удобрений вносились также соответствующие дозы фосфорных и калийных удобрений. Элементы минерального питания вносились по схеме опыта в виде следующих удобрений: в вариант «№ммРК» вносились аммоний фосфорнокислый двузамещенный, суперфосфат простой, хлорид калия; в вариант «№итрРК» — нитрат калия, суперфосфат простой, хлорид калия; в вариант «№мм№итрРК» — нитрат аммония, суперфосфат простой, хлорид калия.
В ходе вегетационного опыта производился уход и фенологические наблюдения за растениями, обеспечивались своевременный полив, удаление сорных растений, периодическое перемещение сосудов на опытном участке. По окончании опыта все растения были срезаны, отобраны образцы почвы для дальнейших лабораторных аналитических исследований.
Методы исследований. Определение агрохимических свойств почвы производилось с использованием общепринятых методик: рНкс1 (ГОСТ 26483), подвижные формы фосфора и обменного калия по методу Чирикова в модификации ЦИНАО (ГОСТ 26207), содержание аммонийного азота по Гранвальд-Ляжу (ГОСТ 27894.3), содержание нитратного азота колориметрически в вытяжке 0,1 н. HCl [Минеев, 2001]. Измерялись также биологические показатели в почвах — активность
ферментов (каталаза, уреаза и фосфатаза) и количество ДНК прокариот. Активность каталазы оценивалась методом Джонсона и Темпле путем измерения скорости распада перекиси водорода в почве. Уреазная активность — по определению количества аммония, образовавшегося при инкубировании почвы с раствором мочевины [Хазиев, 2005]. Определение общей фосфатазной активности проводилось при естественном pH почвы с использованием глицерофосфата натрия [Минеев, 2001]. Количество ДНК бактерий и архей в почве определялось с помощью метода количественной ПЦР в реальном времени [Манучарова, 2014]. Предварительно был выделен генетический материал из почвенных образцов с использованием набора буферов FastDNA SPIN Kit for Soil. Содержание нефтепродуктов определялось методом ИК-спектрометрии после экстракции нефтепродуктов из почвы с помощью четыреххлористого углерода в соответствии с ПНД Ф 16.1:2.2.22-98.
Статистическая обработка данных производилась с помощью стандартных пакетов Microsoft Excel 2013 и Statistica 10. Для оценки достоверности влияния исследуемых факторов применялся дисперсионный анализ с последующим расчетом наименьшей существенной разницы (НСР) с уровнем значимости 0,05. Связь между измеряемыми показателями оценивали с использованием коэффициента корреляции Пирсона (r), достоверность различий между значениями оценивали по t-критерию Стьюдента (p<0,01). Все данные на всех графиках представлены в виде средних арифметических и стандартных отклонений.
Результаты
Агрохимические свойства почв. До закладки вегетационного опыта были определены основные агрохимические показатели как в незагрязненной почве, так и в почве созданных загрязненных вариантов. Так как олиготрофная торфяная почва была предварительно произвесткована по 0,5 Нг, то к моменту закладки опыта по степени кислотности относилась к категории «близкие к нейтральным» (рНкс1 5,72), уровень обеспеченности почвы подвижным фосфором и обменным калием характеризовался как низкий. В загрязненных вариантах рНкс1 был равен 5,68 и 5,78 ед. для вариантов с загрязнением 100 и 150 г нефти соответственно, уровень обеспеченности почвы подвижным фосфором определялся как низкий, а обменным калием — как очень низкий.
Контроль агрохимических показателей был проведен также после окончания вегетационного опыта (табл. 1). На всех нефтезагрязненных вариантах (как с внесением удобрений, так и без них) зафиксировано значительное снижение содержания элементов минерального питания по сравнению с аналогичными незагрязненными вариантами.
При применении минеральных удобрений, содержащих аммонийный азот, его содержание в почве увеличилось в 2,2-5,5 раз по сравнению с контролями без удобрений. Внесение удобрений, содержащих нитратную форму азота, увеличило его содержание в почве в 4 раза. Под действием не-фтезагрязнения количество аммонийного азота в почве снизилось в среднем на 20-83% (табл. 1). Содержание нитратного азота снизилось в большей степени — на 87-126%.
Таблица 1
Содержание минерального азота и доступных форм фосфора и калия в олиготрофной торфяной почве после окончания вегетационного опыта
Вариант N-NH4, мгкг-1 N-NO3, мгкг-1 P2O5, мгкг-1 K2O, мгкг-1
Контроль незагрязненный 28±2,7 44±2,0 125±8,0 160±9,7
КН + ЫаммРК 154±4,3 92±1,6 355±6,7 528±9,4
КН + ЫнитрРК 115±2,3 172±1,2 426±6,9 680±7,7
КН + МаммЫнитрРК 135±1,5 128±2,4 357±6,7 542±7,1
Контроль 100 г нефти 19±3,4 24±4,7 93±4,3 64±6,7
100 г нефти + ЫаммРК 129±4,2 43±2,5 239±4,3 420±5,6
100 г нефти + ЫнитрРК 63±4,2 101±2,8 284±3,1 459±5,3
100 г нефти + МаммЫнитрРК 99±2,2 93±2,8 223±3,4 365±6,4
Контроль 150 г нефти 17±4,9 19±1,6 95±6,7 62±8,2
150 г нефти + ЫаммРК 108±4,8 63±2,3 290±9,0 470±8,3
150 г нефти + ЫнитрРК 64±1,1 99±2,8 286±9,4 464±9,9
150 г нефти + МаммЫнитрРК 86±3,6 103±1,0 255±5,7 410±7,7
В целом нефтезагрязнение привело к значимому снижению содержания минерального азота в почве на 70-101%. Применение удобрений позволило нивелировать негативное влияние нефти, особенно при использовании совместно нитратной и аммонийной форм в варианте №мм№итрРК. Следует отметить, что оптимизация условий питания растений также привела к сглаживанию различий между разными дозами загрязнения до 1-2%.
Применение фосфорсодержащих удобрений повышало содержание подвижных соединений фосфора на 140-200% на нефтезагрязненных вариантах. При отсутствии нефтезагрязнения удобрения оказывали более сильное влияние на содержание фосфора, увеличивая его на 185-240%. Содержание подвижного фосфора снижалось на фоне загрязнения почв нефтью на всех вариантах опыта на 22-60% (табл. 1).
22 20 i 18 о 16 Ъ 14
2,0
Т 1,8 =С
"" 1 _ ¡S 1,6------J-
вмиии
ИнитрРК
ЫаммЫнитрРК
ЫаммРК ЫнитрРК ЫаммЫнитрРК
Незагрязненный контроль 100 г нефти • кг1 | 150 г нефти • кг-1
Рис. 1. Биомасса растений
Помимо содержания подвижного фосфора, снижалось также содержание обменного калия в не-фтезагрязненной почве в среднем на 150% (табл. 1). На фоне применения удобрений интенсивность негативного воздействия нефти снизилась, а содержание обменного калия повысилось в 3-4 раза в незагрязненной почве и в 4-7 раз в аналогичных загрязненных вариантах.
Продуктивность растений. Нефтезагряз-нение оказало значительное угнетающее воздействие на рост и развитие злаковых трав, снизив их продуктивность на 48-113% (рис. 1). Применение удобрений значимо увеличило биомассу растений, произрастающих на нефтезагрязненной почве. Тем не менее негативное действие поллютанта проявлялось в значительной степени и на фоне оптимизации условий питания растений. Наименее сильно воздействие нефти было выражено на варианте с внесением аммонийно-нитратной формы азотных удобрений. Основываясь на продуктивности злаковых трав, можно отметить практически равную эффективность действия удобрений на вариантах №ммРКи №итрРК.
Незагрязненный контроль 100 г нефти • кг-1 150 г нефти • кг-1
Рис. 2. Активность каталазы в олиготрофной торфяной почве, см3 0,1M KMnO4-1 г-1 почвы
Активность ферментов. Активность ферментов в нефтезагрязненной почве является наиболее чувствительным и информативным показателем в биологическом мониторинге и при диагностике уровня нефтяного загрязнения почвы [Сергатенко и др., 2022]. Для оценки и мониторинга состояния не-фтезагрязненных почв измеряли активность следующих ферментов — каталазы, уреазы и фосфатазы.
Загрязнение почвы нефтью снижало активность каталазы в 1,3-1,7 раза (рис. 2). При этом наблюдалась тесная зависимость между активностью каталазы и остаточным содержанием нефти в почве, выраженная в высоком отрицательном коэффициенте корреляции (r = -0,90, p<0,01).
Применение минеральных удобрений позволило повысить каталазную активность в почве на 10-27%. Максимально высокий уровень активности данного фермента наблюдался на варианте №ммРК.
Активность уреазы также ингибировалась под действием нефтезагрязнения на 15-34% (рис. 3). Оптимизация агрохимических свойств почвы приводила к увеличению активности изучаемого фермента только в незагрязненном контроле (КН)
- % 50
^ m
СО О
1-1 40
£ ° g W 30
I I
fe z 20
I
ЫаммРК
Незагрязненный контроль 100 г нефти • кг1 150 г нефти • кг1
ЫнитрРК
МаммЫнитрРК
Рис. 3. Активность уреазы в олиготрофной торфяной почве, мг N-N^-10 г-1почвы
£ а т я
I- т
ао фс
о 1
t § S3
? о.
ЫаммРК
Незагрязненный контроль 100 г нефти • кг-1 150 г нефти • кг-1
ЫнитрРК
МаммЫнитрРК
Рис. 4. Активность фосфатазы в олиготрофной торфяной почве, мг P205-100 г-1 почвы
I 12
10
а8
а6
4
2
0
К
К
70
14
60
12
10
8
6
ш о. 4
10
2
0
К
К
на 88-104%. На фоне нефтезагрязнения удобрения не привели к значимому изменению активности уреазы в олиготрофной торфяной почве.
Воздействие нефтезагрязнения снижало активность фосфатазы в среднем на 45% (рис. 4). При этом исследуемые дозы загрязнения по интенсивности воздействия на активность фосфатазы значимо отличались между собой только на варианте №итр№ммРК. В остальных вариантах доза загрязнения 150 г • кг-1 почвы действует аналогично дозе 100 г • кг-1 почвы.
Внесение удобрений повышало активность фосфатазы на почвах, не загрязненных нефтью, на 4-12%, а на фоне нефтезагрязнения—на 3-20%. Максимальные значения фосфатазной активности были получены в варианте ^мм^итрРК. При этом на вариантах, загрязненных большей дозой загрязнения (150 г нефти-кг-1почвы), вариант №мм№итрРК единственный оказал значимое повышение активности фосфатазы. Влияние других форм азотного удобрения на изменение этого параметра не выявлено.
Количество ДНК прокариот в почве. Исследование влияния минеральных удобрений на биологические свойства почв производилось на основе измерения количества ДНК прокариот (бактерии и археи) в почве. Оценка количества копий генов архей и бактерий позволяет судить об общей численности прокариот в почве.
Анализ численности ДНК прокариот показал, что нефтезагрязнение оказывало сильное значимое влияние на численность как бактерий, так и архей (рис. 5). Численность бактерий значимо снизилась в олиготрофной торфяной почве — в 4,5-6 раз по сравнению с незагрязненным контролем, а количество архей уменьшилось в среднем в 2 раза.
Улучшение условий питания прокариот при применении минеральных удобрений отражается
1,8 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0
■ 1
IIII
Контроль незагрязненный
Доза загрязнения: 5 г нефти • кг1
Доза загрязнения: 7 г нефти • кг-1
| Количество ДНК бактерий, -108 копий • кг-1 Количество ДНК архей, -106 копий • кг-1
Рис. 5. Количество ДНК бактерий и архей в олиготрофной торфяной почве
X"
K ЫаммРК ЫнитрРК ЫаммЫнитрРК
100 г нефти • кг-1 150 г нефти • кг-1
Рис. 6. Остаточное содержание нефтепродуктов в олиготрофной торфяной почве
в увеличении количества их ДНК в почве. В незагрязненной почве численность бактерий достоверно увеличилась в 1,2-1,7 раза, архей — в 1,3-1,9 раза. На фоне нефтезагрязнения действие удобрений проявлялось сильнее: количество бактериальной ДНК возросло в 1,6-4 раза (максимально в варианте №мм№итрРК), ДНК архей — в 1,4-2,2 раза. В литературе имеются сведения о значимом снижении содержания нефтепродуктов в торфяной олиготрофной почве и возрастании более чем в два раза микробной биомассы при внесении полного минерального удобрения на фоне известкования (0,5 гидролитической кислотности) (Манучарова и др., 2020).
Остаточное содержание нефтепродуктов.
Содержание нефтепродуктов в почве к концу вегетационного периода снизилось на 3-19% (рис. 6). В почвах, изначально загрязненных дозой нефти 150 г • кг -1почвы, количество нефтепродуктов к окончанию опыта снизилось значительнее, чем в почвах, изначально содержащих меньшее количество поллютанта, в среднем на 6,5%. Тенденция к максимальному снижению наблюдалась в варианте №мм№итрРК, но значимых различий между формами азотных удобрений не выявлено.
Обсуждение
Агрохимические свойства почв. Изменение агрохимических свойств почв в результате нефте-загрязнения — часто диагностируемый результат техногенных аварий [Khan et al., 2018a]. Подобные изменения опасны в связи с тем, что нарушаются естественные процессы и механизмы трансформации соединений в почве и, как следствие, значительно ухудшаются условия питания растений и микроорганизмов.
Негативное действие нефтяного загрязнения, отмеченное и в нашем исследовании, выражалось в уменьшении содержания минеральных форм азота, подвижного фосфора и калия. Применение минеральных удобрений для оптимизации пита-
1 160
140
120
100
80
60
40
20
0
ния растений и микроорганизмов в стрессовых условиях нефтезагрязнения оказывает значительное положительное влияние — увеличивается содержание доступных растениям макроэлементов. Дисперсионный анализ выявляет взаимодействие факторов «загрязнение» и «удобрение» — при увеличении дозы загрязнения в 1,5 раза эффективность действия удобрений заметно снижается.
Загрязнение почвы нефтью приводит к снижению содержания минерального азота в почве. Изменения произошли и в соотношении NNH4:NNO3 — загрязнение нефтью приводит к уменьшению содержания нитратного азота как в абсолютном, так и в процентном выражении. Вероятно, уменьшение содержания нитратного азота по отношению к аммонийному может свидетельствовать об активном потреблении этой формы микроорганизмами. Применение азотсодержащих удобрений позволяет восполнить содержание азота в почве. Наибольшей эффективностью при этом обладает аммонийно-нитратная форма удобрений, внесение которой позволяет добиться практически равного, сбалансированного соотношения NNH4:NNO3=1:0,9 во всех вариантах опыта.
Подвижность фосфора и калия в профиле почвы и доступность для растений сильно снижаются в почвах, загрязненных нефтью и нефтепродуктами [Khan et al., 2018a]. Внесение удобрений привело к повышению содержания фосфора до повышенной степени обеспеченности в незагрязненных вариантах опыта и среднего уровня обеспеченности в загрязненных. Аналогичные градации и их динамика наблюдаются для содержания обменного калия. Содержание подвижного фосфора и обменного калия в незагрязненной олиготрофной торфяной почве по окончании опыта характеризовалось как низкое, а под воздействием нефти снизилось до очень низкой степени обеспеченности.
Следует отдельно отметить отсутствие тесной корреляционной связи между содержанием подвижного фосфора в почве и активностью фосфата-зы (r = 0,51, p<0,01). Это может свидетельствовать о том, что основной вклад в увеличении содержания подвижного фосфора в почве принадлежит именно агрохимическим средствам, а не является результатом минерализации органических соединений фосфора в почве.
Продуктивность злаковых трав. Замедление и ухудшение развития растений, произрастающих в условиях нефтяного стресса, является наиболее распространенным результатом высокого уровня нефтезагрязнения. Интенсивность снижения продуктивности растений непосредственно зависит от содержания нефтепродуктов в почве [Yan et al., 2015]. В нашем исследовании также выявлена высокая корреляция между остаточным содержанием нефтепродуктов в почве и величиной биомассы растений (r = -0,66, р<0,05).
Улучшение условий питания растений с помощью минеральных удобрений в нашем исследовании привело к повышению их продуктивности в 2-2,6 раза на незагрязненном контроле и в 1,8-3 раза на фоне нефтезагрязнения. О важности регулирования агрохимических свойств нефтезагряз-ненных почв свидетельствует также наличие достоверной корреляционной связи между величиной надземной биомассы злаковых трав и содержанием в почве элементов питания растений: минерального азота (r = 0,87, р<0,01), подвижного фосфора (r = 0,76, р<0,01) и обменного калия (r = 0,73, р<0,01).
Активность ферментов. Исследование активности ферментов в почве позволяет определить степень загрязнения нефтепродуктами и оценить ее способность к восстановлению. Активность ка-талазы часто используется как критерий способности почвы к самоочищению от нефтезагрязнения [Сергатенко и др., 2022]. Каталазная активность олиготрофной торфяной почвы повышалась одновременно со снижением остаточного содержания нефтепродуктов в ней. Также найдена высокая положительная корреляция между активностью фермента и количеством ДНК бактерий (r = 0,72, р<0,01) и архей (r = 0,66, р<0,01) в почве. Это может являться косвенным доказательством интенсификации процессов деградации углеводородов нефти в почве, усиливающихся при применении минеральных удобрений. Максимальная активность каталазы в торфяной олиготрофной почве отмечена при внесении аммонийной формы азотных удобрений.
Фосфатазная и уреазная активность нефте-загрязненных почв оказалась, как правило, существенно ниже, чем в контрольных почвах, не содержащих поллютант. Уреаза при этом оказалась на 75% более чувствительна к нефтяному стрессу по сравнению с фосфатазой. Оптимизация агрохимических свойств почвы позволила увеличить активность уреазы и фосфатазы в почве, однако действие удобрений в значительной степени зависит от загрязнения. При повышении дозы нефти минеральные удобрения снижают свою эффективность, а в некоторых случаях перестают оказывать значимое влияние на исследуемые параметры.
Количество ДНК прокариот в почве. Нефте-загрязнение часто приводит к общему снижению численности микроорганизмов в почвах наряду с изменением его структуры [Khan et al., 2018b]. Так, при разливах нефти на болотах значение окислительно-восстановительного потенциала торфяных почв снижается, это приводит к изменению структуры микробного сообщества, увеличению микроорганизмов с анаэробным дыханием (в том числе это могут быть археи), что сопряжено и с разложением нефтепродуктов [Толпешта и др., 2021].
Прокариоты являются основными участниками процесса разложения нефтепродуктов. Измерение численности прокариотных организмов можно использовать для оценки степени загрязнения почвы, ее состояния, а также для диагностики наличия процессов восстановления и самоочищения.
Количество ДНК бактерий и архей в данном исследовании снижалось под воздействием всех исследуемых доз загрязнения, при этом чем выше доза загрязнения, тем сильнее оказывалось негативное воздействие поллютанта. Это подтверждается проведенным статистическим анализом и рассчитанными коэффициентами корреляции между остаточным содержанием нефти и количеством ДНК бактерий и архей в почве — г=0,88 и г=0,80 соответственно.
Микробная деградация углеводородов представляет собой основной механизм биоремедиации нефтезагрязненных земель. Особое внимание обращают на себя технологии, предполагающие стимуляцию активности аборигенной микробиоты в почве, а также улучшение условий ее обитания, в частности с помощью применения различных агрохимических средств [Незпа'ш, А&еЛ, 2013].
Показано, что применение удобрений формирует более благоприятные условия для жизнедеятельности микроорганизмов, о чем говорит увеличение количества ДНК прокариот в почве. Максимальное количество бактериальной ДНК в олиготрофной торфяной почве получено при внесении №итр^ммРК. Однако изменение количества ДНК архей под действием удобрений зависит от наличия загрязнителя. В незагрязненном контроле (КН) численность представителей этого домена увеличивается в ряду №итрРК>№ммРК>№итр№ммРК, в то время как на фоне нефтезагрязнения наибольшее количество ДНК архей отмечено на варианте №ммРК, при внесении других форм азотных удобрений обнаружена меньшая численность.
При увеличении количества ДНК прокариот снижается количество нефтепродуктов в почве. Об этом свидетельствуют высокие значения коэффициентов корреляции между остаточным содержанием нефтепродуктов и численностью бактерий (г=-0,88, р<0,01) и архей (г=-0,81, р<0,01). Это может свидетельствовать об усилении процессов разложения нефти в почве вслед за увеличением численности прокариот, выступающих в качестве основных деструкторов в почве [Уа^'аш, иразаш, 2017].
Численность прокариот в почвах связана с продуктивностью растений, что также отмечается в исследовании [Agnello е! а1., 2016]. Высокие коэффициенты корреляции количества ДНК бактерий (г=0,89, р<0,01) и архей (г=0,88, р<0,01) с биомассой растений, полученные в проведенном нами эксперименте, могут являться косвенным доказательством отсутствия значимой конкуренции за питательные
вещества в почвах между растениями и микроорганизмами.
Остаточное содержание нефтепродуктов.
Тенденция к снижению остаточного содержания нефтепродуктов при оптимизации агрохимических свойств почв наблюдалась при внесении всех исследуемых форм азотных минеральных удобрений. Однако при проведении более детального статистического анализа было выявлено, что действие исследуемых минеральных удобрений между собой значимо не различается.
Заключение
- Применение азотных удобрений формирует благоприятные условия для питания как растений, так и микроорганизмов в условиях нефтяного стресса. Об этом свидетельствует увеличение биомассы трав-ремедиантов и количества ДНК прокариот. Максимальную эффективность при этом показывает аммонийно-нитратная форма азотных удобрений.
- Применение комплекса минеральных удобрений приводит к увеличению активности каталазы в олиготрофной торфяной почве, что свидетельствует об ускорении естественных процессов трансформации углеводородов в почве.
- Установлено положительное влияние минеральных удобрений на процессы деструкции нефти, при этом все исследуемые формы азотных удобрений приводят к значительному снижению содержания загрязнителя в почве. Таким образом, формирование оптимальных условий питания растений и микроорганизмов в олиготрофной торфяной почве помогает снизить негативные последствия загрязнения почвы нефтью и восстановить ее экологические функции.
Информация о финансировании работы
Работа выполнена в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации № 121041300098-7.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Манучарова Н.А. Молекулярно-биологические методы в почвоведении и экологии. М., 2014.
2. Манучарова Н.А., Ксенофонтова Н.А., Белов А.А. и др. Прокариотный компонент нефтезагрязненной торфяной олиготрофной почвы при разном уровне минерального питания // Почвоведение. 2021. № 1. https://doi. org/10.31857/s0032180x2101010x
3. Минеев В.Г. Практикум по агрохимии. М., 2001.
4. Сергатенко С.Н., Федорова И.Л., Игнатова Т.Д. Влияние нефтяного загрязнения на активность почвенных ферментов классов оксидоредуктаз и гидролаз //
Вестн. Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. 2022. Т. 230, № 3 (59).
5. Смирнова Т.С., Панина Ю.Ю. Мониторинг углеводородного загрязнения почвы посредством анализа ее ферментативной активности // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. 2015. № 12.
6. Толпешта И.И., Трофимов С.Я., Эркенова М.И. и др. Лабораторное моделирование последовательного аэробного и анаэробного разложения нефтепродуктов в загрязненном нефтью верховом торфе // Почвоведение. 2015. № 3.
7. Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии. М., 2005.
8. Agnello A.C., Bagard, M., van Hullebusch, E.D. et al. Comparative bioremediation of heavy metals and petroleum hydrocarbons co-contaminated soil by natural attenuation, phytoremediation, bioaugmentation and bioaugmentation-assisted phytoremediation // Science of the Total Environment. 2016. Vol. 563-564. https://doi.org/10.1016/j. scitotenv.2015.10.061
9. Joner E.J., Corgie S.C., Amellal N. et al. Nutritional constraints to degradation of polycyclic aromatic hydrocarbons in a simulated rhizosphere // Soil Biology and Biochemistry. 2002. Vol. 34, № 6. https://doi.org/10.1016/S0038-0717(02)00018-4
10. Hesnawi R.M., Adbeib M.M. Effect of Nutrient Source on Indigenous Biodegradation of Diesel Fuel Contaminated Soil // APCBEE Procedia. 2013. Vol. 5. https://doi. org/10.1016/j.apcbee.2013.05.093
11. Khan M., Biswas B., Smith E. et al. Toxicity assessment of fresh and weathered petroleum hydrocarbons in contaminated soil — a review // Chemosphere. 2018а. Vol. 212. https://doi.org/10.1016/jxhemosphere.2018.08.09
12. Khan M., Biswas B., Smith E. et al. Microbial diversity changes with rhizosphere and hydrocarbons in contrasting soils // Ecotoxicology and Environmental Safety. 2018b. Vol. 156. https://doi.org/10.1016/j.ecoenv.2018.03.006
13. Tao K., Liu X., Chen X. et al. Biodegradation of crude oil by a defined co-culture of indigenous bacterial consortium and exogenous Bacillus subtilis // Bioresource Technology. 2017. Vol. 224. https://doi.org/10.1016/j.biortech.2016.10.073
14. Tesar M., Reichenauer T., Sessitsch A. Bacterial rhizosphere populations of black poplar and herbal plants to be used for phytoremediation of diesel fuel // Soil Biology and Biochemistry. 2002. Vol. 34, № 12. https://doi.org/10.1016/ S0038-0717(02)00202-X
15. Varjani S.J., Upasani V.N. A new look on factors affecting microbial degradation of petroleum hydrocarbon pollutants // International Biodeterioration & Biodegradation. 2017. Vol. 120. https://doi.org/10.1016/j-.ibiod.2017.02.006
16. Wang Y., Feng G., Lin Q. et al. Effects of crude oil contamination on soil physical and chemical properties in Momoge wetland of China // Chin. Geogr. Sci. 2013. Vol. 23, № 6. https://doi.org/10.1007/s11769-013-0641-6
17. Yan L., Penttinen P., Simojoki A. et al. Perennial crop growth in oil-contaminated soil in a boreal climate // Science of The Total Environment. 2015. Vol. 532. https://doi. org/10.1016/j.scitotenv.2015.06.052
18. Ying X., Dongmei G., Judong L. et al. Plant-microbe Interactions to Improve Crude Oil Degradation // Energy Procedia. 2011. Vol. 5. https://doi.org/10.1016/j. egypro.2011.03.149
Поступила в редакцию 10.11.2023 После доработки 28.11.2023 Принята к публикации 08.12.2023
ВЕСТНИК МОСКОВСКОГО УНИВЕРСИТЕТА. СЕРИЯ 17. ПОЧВОВЕДЕНИЕ. 2024. Т. 79. № 1 LOMONOSOV SOIL SCIENCE JOURNAL. 2024. Vol. 79. No. 1
OPTIMIZATION OF NITROGEN NUTRITION
OF GRASSES ON OIL-POLLUTED OLIGOTROPHIC PEAT SOIL
R. R. Kinzhaev, A. D. Galtsova, A. V. Arzamazova, V. A. Romanenkov
The paper demonstrates the importance of creating optimal conditions for mineral nutrition of cereal grasses and microorganisms in oligotrophic oil polluted peat soil under remediation. To establish the effectiveness of using various forms of nitrogen fertilizers in oil pollution, changes in the agrochemical properties and enzymatic activity of the soil, the productivity of cereal grasses and the amount of DNA prokaryotes were investigated. A significant increase in the productivity of plants and the number of bacteria and archaea in oligotrophic peat soil is shown when optimizing nitrogen nutrition, especially pronounced when introducing the ammonium-nitrate form of fertilizer. There is a close relationship between catalase activity in soil and residual oil content in soil.
Keywords: oil pollution, phytoremediation, mineral fertilizers, soil enzymatic activity, number of prokaryotes.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Кинжаев Руслан Рафаилович, канд. биол. наук, ст. науч. сотр. кафедры агрохимии и биохимии растений факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: [email protected]
Гальцова Анастасия Дмитриевна, аспирант кафедры агрохимии и биохимии растений факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: [email protected]
Арзамазова Анна Вадимовна, канд. биол. наук, доцент кафедры агрохимии и биохимии растений факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: [email protected]
Романенков Владимир Аркадьевич, докт. биол. наук, профессор кафедры агрохимии и биохимии растений факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова, e-mail: [email protected]
© Kinzhaev R.R., Galtsova A.D., Arzamazova A.V., Romanenkov V.A., 2024
