CC BY
13
УДК 631.46
А.М. Петров, А.А. Вершинин, Э.Р. Зайнулгабидинов, И.В. Князев
Институт проблем экологии и недропользования АН РТ,
zpam2@rambler.ru
ПРЕОДОЛЕНИЕ НЕГАТИВНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НЕФТИ МИКРОБНЫМ СООБЩЕСТВОМ ТЕМНО-СЕРОЙ ЛЕСНОЙ ПОЧВЫ И ЕЕ ТОКСИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
В ходе четырехлетнего воздействия разных доз нефтяных загрязнений проведено изучение динамики коэффициента микробного дыхания ^г), токсикологических характеристик темно-серой лесной почвы. При исходном содержании нефти до 10% нормальное функционирование микробного сообщества восстанавливается в течение 365 суток, при содержании 15-20% устранение разбалансированности почвенных процессов наблюдается через 2.5-3 года после начала эксперимента. Продемонстрировано отсутствие прямых зависимостей между временем инкубации и токсикологическим действием нефтезагрязненной почвы и водной вытяжки из нее на растительные и животные организмы.
Ключевые слова: нефть; темно-серая лесная почва; коэффициент микробного дыхания ^г); токсичность.
Введение
Способность почв нейтрализовывать негативное воздействие компонентов нефти определяется деятельностью ее микрофлоры. Скорость деструкции поллютанта зависит от его химической природы и концентрации, типа почвы, состава и активности почвенной микрофлоры (Ананьева и др., 2005; Полянская, Звягинцев, 2005; Дегтярева, Хидиятуллина, 2014). Оценка функциональной активности микробного сообщества почв позволяет определить рациональную тактику рекуль-тивационных мероприятий. Среди известных способов установления состояния почвенных микробоценозов исследователи широко применяют коэффициент микробного дыхания (Qr). Этот показатель позволяет оценить функциональное состояние микробного сообщества, а также наличие или отсутствие воздействия неблагоприятных климатических или антропогенных факторов на почву (Благодатская и др., 1995; Anderson, Domsch, 1993).
Восстановление в ходе проведения рекуль-тивационных мероприятий функциональной активности микрофлоры нефтезагрязненных почв не связано напрямую с восстановлением ее плодородия и отсутствием вредного воздействия содержащихся в ней поллютантов на сопредельные среды.
Остаточное содержание исходных углеводоро-дв (УВ) и продуктов метаболизма нефтяных загрязнений может оказывать токсическое действие на развитие высших растений, отрицательно воз-
действовать на биоценозы поверхностных водоемов (Петров и др., 2011, 2015; Кольцова и др., 2016).
Цель исследований: оценка эколого-физиоло-гического состояния микрофлоры темно-серой лесной почвы в условиях длительного нефтяного загрязнения, изменения ее токсикологических характеристик в ходе проведения рекультивацион-ных мероприятий.
Материалы и методы исследований
Эксперименты проводили в модельных опытах в контейнерах из пищевого пластика размером 180х140х90 мм, содержащих по 1400 г почвы. В опытные образцы темно-серой лесной легкосуглинистой почвы вносили сернистую парафиновую нефть смолистого типа Ямашинского месторождения Республики Татарстан в интервале концентраций 5-20%.
В ходе 4-х летнего эксперимента влажность почвы поддерживались на уровне 60% от полной влагоемкости, температура окружающей среды составляла 20-24оС. Для активизации физических процессов рассеивания поллютанта, химического и биологического окисления углеводородов, проводили минимальные рекультивационные мероприятия в виде периодического рыхления контрольных (К) и опытных образцов почвы. Остаточное содержание нефтепродуктов в почве определяли согласно ПНД Ф 16.1.2.2.22-98) На основе хроматографических измерений (Гарусов и др., 2006) были определены базальное (Уба-
18
российский журнал прим экологии
зал) и субстрат-индуцированное (Усид) дыхание (Ананьева и др., 1993). Скорость дыхания выражали в мкг СО2/г сухой почвы в час. Коэффициент микробного дыхания вычисляли как отношение Убазал/ Усид (Anderson, Domsch, 1993).
Определение фитотоксичности нефтеза-грязненных почв основалось на различиях в длине корней проростков пшеницы (Triticum vulgare L.) опытных и контрольных вариантов (ФР.1.39.2006.02264). Всхожесть семян составляла 95%.
Подготовку водной вытяжки из почв и биотестирование на рачках Ceriodaphnia affinis проводили согласно ФР.1.39.2007.03221. При анализе полученных результатов определяли кратность разбавления водной вытяжки из почвы, при которой устранялось ее острое токсическое действие
(Кр5о).
Результаты и их обсуждение
Даже через четыре года инкубации внешний вид образцов условно рекультивированной темно-серой лесной почвы, исходно содержавшей разное количество нефтяных загрязнений, визуально отличался (рис. 1). Образцы с высоким остаточным содержанием нефти характеризовались более темным цветом и характерным для нефтепродуктов запахом при практически полном его отсутствии в пробах, исходно содержавших 5% нефти.
Устойчивость микробного пула исследуемых почв оценивали на основе предложенной Е.В. Благодатской синэкологической шкалы, согласно которой величина Qr почв естественных ценозов при оптимальном режиме температуры и влажности и их нормальном функционировании
Рис. 1. Внешний вид почвенных образцов после четырехлетней инкубации в лабораторных условиях
составляет 0.1-0.2 (Благодатская и др., 1995). Значения Qr менее 0,1 отражают недостаток органических или минеральных веществ в почве. Величины, превышающие 0.2-0.3 свидетельствуют о нарушении устойчивости системы микробного сообщества и неблагоприятных климатических или антропогенных воздействиях. Близкие к 1.0 и выше значения Qr указывают на интенсивные процессы разложения органических веществ в почве.
В наших экспериментах Qr контрольной почвы на протяжении 4 лет оставался в диапазоне 0.160.25. Внесение нефти способствовало возрастанию величины Qr во всем диапазоне испытанных концентраций загрязнителя. Динамика изменения Qr была индивидуальна для каждой исходной дозы поллютанта (рис. 2). Первый пик значений Qr, отражающий стрессовое воздействие нефтяных углеводородов, обнаруживался на 30-е сутки после загрязнения. Последующий спад величины Qr свидетельствует о некоторой адаптации микрофлоры к действию нефти. Вслед за снижением Qr во всех вариантах фиксировали второй пик Qr. Предполагается, что он обусловлен появлением вторичных токсичных метаболитов, образующихся в процессе трансформации нефтяных углеводородов (Widdel, Rabus, 2001; Подольский, 2008). В этот период в почве протекает активная деструкция нефтепродуктов, а микробное сообщество максимально неустойчиво. Время обнаружения вторичных пиков было различным и зависело от исходной вносимой дозы поллютанта. Для вариантов 5 и 15% максимальное негативное воздействие на стабильность микробного пула почвы отмечали на 180 сутки инкубации, тогда как для вариантов 10 и 20% на 270 сутки нахождения почв в условиях нефтяного загрязнения. В период с 365 по 730 сутки значения Qr стабилизировались, а в дальнейшем Qr загрязненных почв неуклонно снижался. После 1095 суток инкубации Qr контрольных и опытных образцов располагался в диапазоне 0.19-0.31. На заключительной фазе опыта величина Qr загрязненных почв была на одном уровне с контрольным вариантом (рис. 2).
Содержание нефтепродуктов в почве по истечении 4-х лет наблюдения снижалось существенным образом и составляло 15.2-38.5% от
0,8 0,6 0,4 0,2
-К
-5% 10% -15% 20%
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Время, сутки
Рис. 2. Динамика коэффициента микробного дыхания темно-серой лесной почвы при разном начальном содержании нефти
-5% -10% 15% -20%
Время, сутки
Рис. 3. Динамика фитотоксичности темно-серой лесной почвы при разном начальном содержании нефти
К 5% 10% 15% 20%
0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 Время, сутки
Рис. 4. Динамика токсикологических характеристик водной вытяжки из темно-серой лесной почвы (Кр0)
первоначально обнаруживаемого количества поллютанта.
Восстановление функционирования микробного сообщества не означает, что присутствующие в почве нефтяные загрязнения не оказывают влияния на рост и развитие растений. Анализ изменения фитотоксичности по отношению к пшенице яровой (Triticum vulgare L.) показал, что к 270 суткам инкубации все почвенные образцы
теряют токсические свойства (отклонение длины корней в опытных пробах относительно контроля не превышает 20%). Увеличение времени инкубации до 365-730 суток привело к замедлению роста корней пшеницы в опытных вариантах, что, вероятно, определяется появлением токсичных метаболитов разложения более «тяжелых» фракций нефти (рис. 3). Результатом увеличения времени инкубации до трех лет явилась стимуляция роста корней пшеницы. Через 4 года после начала эксперимента стимулирующее действие на тест-объект оказывали только образцы почвы, исходно содержавшей 5% нефти. В образцах, содержавших 15 и 20% поллютанта, вновь проявилось токсическое действие почвы на растения.
Как мы полагаем, вторичная токсичность не-фтезагрязненных почв не связана с развитием в ней в ходе биодеструкции нефтяных углеводородов различных групп микроорганизмов.
Учитывая возможное опосредованное действие поступающих с нефтезагрязненных территорий талых и дождевых вод на биоценозы водоемов, в ходе эксперимента было проведено токсикологическое исследование водных вытяжек из почвенных образцов с использованием в качестве тест-объекта одного из наиболее чувствительных гидробионтов - ветвистоусых рачков Ceriodaphnia affinis.
В первый месяц инкубирования после внесения поллютанта в почву водная вытяжка из всех опытных вариантов не обладала острой токсичностью, что, вероятно, определяется очень низкой растворимостью нефтяных углеводородов в воде (рис. 4). Более высокая метаболическая активность микрофлоры в варианте, содержавшем 5% нефти, привела к появлению острого токсического эффекта водной вытяжки на 90 сутки эксперимента (Кр50=1.5). Незначительная токсичность (Кр50=1.1) была в этот строк выявлена и в вариантах, содержавших 10 и 15% нефти. При увеличении времени экспозиции до 270 суток токсический эффект во всех вышерассмотренных пробах не проявлялся.
Дальнейшее увеличение времени инкубации приводило к появлению на 365 сутки токсического эффекта в вариантах 15 и 20%, на 730 сутки в варианте, исходно содержавшем 10% нефти, что, вероятно, связано с появлением в почве водорастворимых токсикантов. Токсический эффект в данных вариантах сохранялся до конца эксперимента.
Заключение
Полученные данные подтверждают, что в диапазоне начального содержания нефти 5-20% при
1,2
1,0
0,0
2,2
2,0
1,6
1,4
1,2
1,0
20
российский журннл ориклнлной экологии
минимальных рекультивационных мероприятиях (рыхление, увлажнение) микробоценоз темно-серой лесной легкосуглинистой почвы способен самостоятельно преодолеть негативное воздействие присутствующих в ней углеводородов.
При исходном содержании нефти до 10% нормальное функционирование микробного сообщества восстанавливалось в течение 365 суток.
При более высоком исходном содержании нефти в темно-серой лесной почве устранение разбалансированности почвенных процессов наблюдалось через 2.5-3 года после начала рекуль-тивационных мероприятий.
Результаты исследований показывают, что снижение токсичности почвы на определенном этапе рекультивационных мероприятий не дает оснований для вывода об окончательном устранении вредного воздействия компонентов нефти на высшие растения. Разложение сложных углеводородов при дальнейшей консервации или использовании нефтезагрязненных почв может привести к вторичному, третичному проявлению их токсичности, что указывает на необходимость мониторинга за их состоянием и после завершения рекультивационных мероприятий.
Остаточное содержание поллютанта в почве может оказывать опосредованное вредное воздействие на водные биоценозы. Токсическое действие водной вытяжки из почв, содержавших 1020% нефти. на гидробионтов прослеживалось на протяжении 2-4 лет после их загрязнения.
Список литературы
1. Ананьева Н.Д., Благодатская Е.В., Орлинский Д.Б., Мякшина Т.Н. Методические аспекты определения скорости субстрат-индуцированного дыхания почвенных микроорганизмов // Почвоведение. 1993. №11. С. 72-77.
2. Ананьева Н.Д., Хакимов Ф.И., Деева Н.Ф., Сусьян Е.А. Влияние полихлорированных бифенилов на микробную биомассу и дыхание серой лесной почвы // Почвоведение. 2005. №7. С. 871-876.
3. Благодатская Е.В, Ананьева Н.Д., Мякшина Т.Н. Характеристика состояния микробного сообщества почвы по величине метаболического коэффициента // Почвоведение. 1995. №2. С. 205-210.
4. Гарусов А.В., Алимова Ф.К., Селивановская С.Ю., Захарова Н.Г., Егоров С.Ю. Газовая хроматография в биологическом мониторинге почвы. Казань: Изд-во КГУ, 2006. 90 с.
5. Дегтярева И.А., Хидиятуллина А.Я. Оценка эффективности аборигенного консорциума микроорганизмов-деструкторов углеводородов на темно-серой лесной почве Республики Татарстан // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17, №13. С. 242-244.
6. Кольцова Т. Г., Григорьян Б.Р., Сунгатуллина Л.М., Петров А.М., Башкиров В.Н. Оценка фитотоксичности серых лесных почв в условиях нефтяного загрязнения // Вестник технологического университета. 2016. Т.19, №18. С. 185-191.
7. Петров А.М., Шагидуллин Р.Р., Зайнулгабидинов Э.Р., Иванов Д.В., Тарасов О.Ю., Григорьян Б.Р. Разработка нормативов допустимого остаточного содержания нефти и продуктов ее трансформации в серых лесных почвах Республики Татарстан // Экология и промышленность России. 2011. №6. С. 29-34.
8. Петров А.М., Зайнулгабидинов Э.Р., Князев И.В., Хабибуллин Р.Э. Влияние остаточного содержания нефтепродуктов на токсикологические характеристики рекультивированных почв // Вестник Казанского технологического университета. 2015. Т.18, №3. С. 282-285
9. ПНД Ф 16.1.2.2.22-98. Методика выполнения измерений массовой доли нефтепродуктов в минеральных, органогенных, органо-минеральных почвах и донных отложениях методом ИК-спектрометрии.
10. Подольский Ю.В. Возможное развитие нефтегазового комплекса России до 2030 года // Нефтегазовая геология. Теория и практика. 2008. Т.3, №3. С. 99.
11. Полянская Л.М., Звягинцев Д.Г. Содержание и структура микробной биомассы как показатели экологического состояния почв // Почвоведение. 2005. Т. 38, №6. С. 706-714.
12. ФР. 1.39.2006.02264. Методика выполнения измерений всхожести семян и длины корней проростков высших растений для определения токсичности техногенно загрязненных почв.
13. ФР. 1.39.2007.03221. Методика определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов по смертности и изменению плодовитости це-риодафний.
14. Anderson T.H., Domsch K.H. The metabolic quotient for CO2 (qCO2) as a specific activity parameter to assess the effect of environmental conditions, such as pH, on the microbial biomass of forest soils // Soil Biol. Biochem. 1993. V. 25, №3. Р. 393-395.
15. Widdel F., Rabus R. Anaerobic biodegradation of saturated and aromatic hydrocarbons // Current Opinionin Biotechnology. 2001. V.12, №3. P. 259-276.
Petrov A.M., Vershinin A.A., Zaynulgabidinov E.R., Knyazev IV. Overcoming the negative impact of oil by the microbial community of the dark gray forest soil and its toxic properties.
During the four-year exposure of different doses of oil pollution, the dynamics of microbial respiration quotient(Qr), toxicological characteristics of the dark gray forest soil were studied. With the initial oil content of up to 10%, the normal functioning of the microbial community is restored within 365 days with a content of 15-20% elimination of imbalance of soil processes is observed in 2.5-3 years, after the beginning of the experiment. The absence of direct dependencies between incubation time and toxi-cological effect of oil-contaminated soil and water extraction from it on plant and animal organisms is demonstrated.
Keywords: oil; dark gray forest soil; microbial respiration quotient(Qr); toxicity
Информация об авторах
Петров Андрей Михайлович, кандидат биологических наук, зав. лабораторией, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Россия, 420087, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: zpam2@rambler.ru.
Вершинин Анатолий Андреевич, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Россия, 420087, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: A-vershinin@mail.ru.
Зайнулгабидинов Эрик Ренатович, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Россия, 420087, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail: comp05@mail.ru.
Князев Игорь Владимирович, научный сотрудник, Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Россия, 420087, г. Казань, ул. Даурская, 28, E-mail:Kneze3@ yandex.ru.
Information about the authors
Andreii M. Petrov, Ph.D. in Biology, Head of Laboratory, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, E-mail: zpam2@rambler.ru.
Anatolii A. Vershinin, Ph.D. in Biology, Senior Researcher, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, E-mail: A-vershinin@mail.ru.
Erik R. Zaynulgabidinov, Ph.D. in Biology, Senior Researcher, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, E-mail: comp05@mail.ru.
Igor V. Knyazev, Researcher, Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, 28, Daurskaya st., Kazan, 420087, Russia, E-mail: Kneze3@ yandex.ru.
22
российский журнал прикладной экологии
