CC BY
60
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫЕ НАУКИ
УДК 631.45
РЕКУЛЬТИВАЦИЯ ПОЧВЫ МЕТОДОМ ФЕРМЕНТАТИВНОЙ БИОСТИМУЛЯЦИИ НА ОБЪЕКТЕ ЗАХОРОНЕНИЯ
ТВЕРДЫХ БЫТОВЫХ ОТХОДОВ
SOIL RECONSTRUCTION BY THE METHOD OF ENZYME BIOSTIMULATION ON THE OBJECT OF BURIAL OF HOUSEHOLD HARD WASTE
С. Я. Семененко1, доктор сельскохозяйственных наук, доцент Н. В. Морозова2, старший преподаватель кафедры природопользования
ФГБНУ Поволжский НИИ эколого-мелиоративных технологий, г. Волгоград 2ВГИ (филиал) ФГАОУ ВПО Волгоградский государственный университет
1 2 S. Ya. Semenenko , N.V. Morozova
1Povolzhsky Research Institute of Ecological and Meliorative Technologies
2Volzsky Humanitarian Institute (branch) of the Volgograd State University of Higher Education
Процесс восстановления почвы происходит под влиянием жизнедеятельности почвенных микроорганизмов. Интенсивность работы почвенных организмов зависит от внешних условий среды. Засоленность почвы и содержание тяжелых металлов угнетающе отражаются на жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, и такие почвы являются нарушенными. Почва на объекте захоронения твердых бытовых отходов обладает хлоридно-сульфатным типом засоления и характеризуются как сильно засоленная. В почве отмечалось также превышение ПДК по тяжелым металлам (ТМ): в валовой форме по кадмию на 10 % в слое 20 - 30 см, в подвижной форме по меди на 10 % в слое почвы 0-50 см, в валовой форме по свинцу - на 78,12 % в слое почвы 0-20 см. Одним из инновационных методов рекультивации загрязненных почв является биоремедиация. Этот метод был использован нами путем биостимуляции с использованием ферментов класса оксигеназ. Проведена серия лабораторных лизиметрических и лабораторно-полевых опытов с использованием запатентованного в США препарата НС - Zyme. В лабораторно-полевых опытах испытаны концентрации от 2,5 до 7,5 мг/л. При этом получены данные, свидетельствующие об усилении биологической активности почвы. Установлено усиление ферментативной активности почвы по содержанию каталазы, инвертазы и уреазы, прямо коррелирующие с величиной концентрации фермента.
The process of soil restoration takes place under the influence of the vital activity of soil microorganisms. The intensity of soil organisms depends on the environmental conditions. Soil salinity and the content of heavy metals have a depressing effect on the vital activity of soil microorganisms and such soils are disturbed. The soil at the solid waste disposal facility has a chloride-sulfate type of salinity and is characterized as highly saline. In the soil there was also an excess of the maximum permissible concentration for heavy metals (TM): in gross form cadmium by 10% in the layer 20-30 cm, in mobile form by copper by 10% in the soil layer 0-50 cm, in gross form in lead 78.12% in the soil layer 0-20 cm. One of the innovative methods for reclamation of contaminated soils is bioreme-diation. This method was used by us through biostimulation using enzymes of the class of oxygenases. A series of laboratory lysimetric and laboratory - field experiments with the use of the NS - Zyme drug patented in the USA was carried out. Concentrations from 2.5 to 7.5 mg / l were tested in laboratory-field experiments. At the same time, data were obtained that attest to the enhancement of the biological activity of the soil. An increase in the enzymatic activity of the soil was found in the content of catalase, invertase and urease, directly correlating with the concentration of the enzyme.
Ключевые слова: ферментативная активность почвы, рекультивация почвы, биостимуляция, почвенные ферменты, тяжелые металлы, ионы солей.
Key words: enzymatic activity of the soil, soil reclamation, biostimulation, soil enzymes, heavy metals, salt ions.
Введение. Наиболее приемлемым для закрытых полигонов направления рекультивации является сельскохозяйственное, лесохозяйственное, рекреационное и строительное направления рекультивации. Работы по рекультивации закрытых полигонов составляют систему мероприятий, осуществляемых как в период эксплуатации полигонов, так и в процессе самого производства работ (формирование откосов). Рекультивация полигона выполняется в два этапа: технический и биологический. Технический этап рекультивации включает исследования состояния свалочного тела и его воздействия на окружающую природную среду, подготовку территории полигона (свалки) к последующему целевому использованию. Биологический этап рекультивации включает мероприятия по восстановлению территории закрытых полигонов для их дальнейшего целевого использования в народном хозяйстве. К нему относится комплекс агротехнических и фитомелиоративных мероприятий, направленных на восстановление нарушенных земель. Биологический этап осуществляется вслед за техническим этапом рекультивации и продолжается 4 года, включая следующие работы: подбор ассортимента многолетних трав, подготовку почвы, посев и уход за посевами [5].
Для направления восстановления нарушенных земель в рамах биологического этапа исследовалось применение ферментативного препарата «НС - 2уше», представляющего собой смесь ферментов класса оксигеназ, выделенных из патоки сахарной свеклы и содержащего поверхностно-активные и органические питательные вещества [12].
Материалы и методы. На участке объекта захоронения твердых бытовых отходов отбирались пробы почвы по 4-м динамическим площадкам, общей площадью 1 га, с одинаковым определенным сроком захоронения ТБО (1 год) для определения содержания в них тяжелых металлов, нитратов, водорастворимых солей, биологической и ферментативной активности почвы (рисунок 1). Отбор проб почвы проводился в соответствии с требованиями к отбору при общих и локальных загрязнениях, согласно ГОСТ 17.4.3.01-83 Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб; ГОСТ 17.4.4.02-84 Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа.
Рисунок 1 - Место расположения динамических площадок №№ 1 -4 на полигоне захоронения твердых бытовых отходов Для проведения лабораторно-полевого опыта по внесению ферментативного комплекса в разных концентрациях использовался метод неорганизованных повторений (полная рандомизация). Это простейший из современных методов размещения полевого опыта на территории, когда в каждом повторении варианты распределяются по делянкам в
случайном порядке. При разбросанном способе размещения повторений число опытных участков соответствует числу повторностей опыта. Метод неорганизованных повторений, т.е. неограниченная рандомизация условий эксперимента (полная рандомизация), в ряде случаев эффективен, например, при небольшом числе изучаемых вариантов (24), когда есть основания не ставить под контроль территориальное закономерное варьирование плодородия почвы [4].
Лабораторно-полевой опыт с внесением исследуемого раствора фермента проводился по динамическим площадкам №№ 2-4 на участке полигона с одинаковым определенным сроком захоронения ТБО (1 год, а на момент внесения ферментативного комплекса - 2 года) по схеме:
- вариант 1 - концентрация фермента 2,5 мг/л;
- вариант 2 - концентрация фермента 5,0 мг/л;
- вариант 3 - концентрация фермента 7,5 мг/л;
- вариант 4 - контроль без внесения ферментов.
Размер делянок 20 м . Повторность опыта трехкратная. Размещение вариантов по повторностям - полная рандомизация (рисунок 2) [13]. Выбор опытного участка для исследований был обоснован их идентичностью по истории (сроку захоронения отходов, рельефу, почвогрунту (захоронение твердых коммунальных и приравненных к ним отходов производства).
Рисунок 2 - Схема лабораторно-полевого опыта «Исследование различных концентраций фермента для восстановления почв на объекте захоронения ТБО»
Опыт был заложен в апреле 2010 г. для исследования исходного состояния по следующим показателям:
- содержание валовой и подвижной форм тяжелых металлов (свинца, кадмия, меди, цинка);
- содержание водорастворимых солей в водной вытяжке почвы;
- определение ферментативной и биологической активности почвы, основных групп почвенных микроорганизмов;
- определение влажности почвы и рН-среды в водной вытяжке почвы.
По этим же показателям осуществлялись исследования влияния ферментативного комплекса после его внесения в почву на участке полигона захоронения ТБО.
Почвенные образцы с каждого варианта отбирались послойно через 10 см из 5 точек, расположенных в одну линию. Расстояние между точками составляло 0,5 м. При последующем взятии образцов линию точек располагали на расстоянии 1 м от предыдущей. Отобранные образцы из 5 точек смешивались по горизонтам и анализировались. Такая методика отбора проб обеспечивает получение более достоверных данных в условиях большой комплексности почв и неравномерности содержания солей в почвенном профиле, свойственных зоне светло-каштановых солонцеватых почв [11].
Анализы почв проводились по следующим методам: солевой состав водной вытяжки по Е.В. Аринушкиной [2], рН водной вытяжки потенциометрическим методом. Содержание токсичных солей рассчитывали по эмпирической зависимости Н.И. Бази-левич и Е.И. Панковой [3], тип химизма солей по В.А. Ковде и соавторам [7], классификацию почв по степени засоления по Н. Г. Минашиной [9]. Определение инвертазы и уреазы проводили по методу В. Ф. Купревича и Т.Т. Щербаковой [8], каталазы - газометрическим методом. Валовые и подвижные формы тяжелых металлов в почве определяли методом инверсионной вольтамперометрии на анализаторе типа ТА. Данная методика разработана ООО «НТП «Томьаналит» и аттестована в соответствии с ГОСТ Р 8.563. - 2009 «ГСИ. Методики (методы) измерений» [10].
Результаты и обсуждение. Уровень содержания водорастворимых солей в поверхностном слое почвы на объекте захоронения отходов г. Волжского соответствует уровню содержания солей более глубоко залегающим слоям почвы, которые относятся к зональному типу каштановых почв. Анализ проб почвы показывает, что почвы на объекте захоронения отходов обладают хлоридно-сульфатным типом засоления и характеризуются как сильно засоленные. Содержание ионов солей в верхних слоях почвы, по сравнению с типовым составом каштановых почв, увеличено:
- общая щелочность в слое 0-10 см - на 88,27 %, в слое 10-20 - на 66,03 %;
- хлорид ионов в слое 0-10 см - на 98,27 %, в слое 10-20 - на 36,14 %;
- сульфат-ионов в слое 0-10 см - на 100 %, в слое 10-20 - на 95,79 %;
- ионов кальция в слое 0-10 см - на 95,59 %, в слое 10-20 - на 62,67 %;
- ионов магния в слое 0-10 см - на 95,55 %, в слое 10-20 - на 86,67 %;
- сумма ионов калия и натрия в слое 0-10 см - на 95,20 %, в слое 10-20 - на 90,30 %.
Уровень засоления почв на объекте захоронения отходов, сформировался в результате перемешивания почв нижележащих слоев с верхними слоями естественного сложения и многолетнего поступления загрязнений с фильтратом отходов. Водорастворимые соли обладают хлоридно-сульфатным типом засоления, а почвы характеризуется как сильно засоленные.
На участке полигона захоронения ТБО проанализировано содержание ТМ в почве элементов, относящихся к I классу опасности, таких как кадмий, свинец и цинк, согласно ГОСТ 17.4.1.02-83, и медь, относящаяся ко II второму классу опасности, но обладающая высокой биофильностью, так как этот элемент входит в состав многих ферментов, в отсутствии или недостаточном количестве которого нарушается большинство физиологических
процессов: дыхание, фотосинтез, углеводный и белковый обмен веществ. Медь участвует в регулировании водного баланса растений, поэтому при ее недостатке растения теряют тур-гор, листья поникают, несмотря на достаточное количество воды в почве.
При исследовании исходного состояния почвы на полигоне захоронения ТБО на содержание ТМ выявлено превышение допустимых концентраций в следующих случаях:
- в валовой форме по динамической площадке №2 отмечается по кадмию - на 10 % в слое 20-30 см;
- в подвижной форме на динамической площадке №2 отмечается по меди на 10 % - в слое почвы 0-50 см;
- в валовой форме на динамической площадке №3 отмечается по свинцу - на 78,12 % в слое почвы 0-20 см.
Превышение содержания допустимых концентраций по тяжелым металлам в валовой и подвижной формах по динамической площадке №1 и №4 не отмечается, что связано с количеством и компонентным составом отходов, подлежащих захоронению на данных участков.
Проведенные в течение 2010-2013 гг. исследования по изучению возможности применения ферментов класса оксигеназ для интенсификации биологической активности почвы показали эффективность метода (рисунки 3-5). Анализ ферментативной активности почв в лабораторно-полевом опыте показал, что через 3 года после начала эксперимента согласно классификации Д.Г. Звягинцова (2005) возросло содержание каталазы и почва из разряда бедной обогащенности этим ферментом перешла в разряд средней обогащенности; содержание ферментов инвертазы и уреазы также увеличилось, хотя почвы и остаются в разряде бедной обогащенности.
Рисунок 3 - Динамика активности инвертазы в почве полигона ТБО
за период 2010-2013 гг.
Рисунок 4 - Динамика активности уреазы в почве полигона ТБО за период 2010-2013 гг. 5
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Рисунок 5 - Динамика активности каталазы в почве полигона ТБО
за период 2010-2013 гг.
Содержание водорастворимых солей в водной вытяжке почвы на опытных площадках, после обработки раствором фермента, отмечается снижение хлорид-ионов на 6,66-19,26 %, ионов кальция - на 47,64-58,64 %, ионов магния - на 18,3-98,3%, сульфат-ионов - на 15,11-28,27 %, суммы ионов калия и натрия - на 18,78-34,58% и увеличение общей щелочности на 15,90-33,87 %, по отношению к контролю.
При обработке почвы растворами фермента на полигоне захоронения твердых бытовых отходов отмечается снижение содержания тяжелых металлов в подвижной форме кадмия на 20,05-57,89 %, свинца - в среднем на 26,87 %, цинка - на 37,554,68 %, и увеличение содержания меди на 30 % по отношению к контрольному варианту (рисунок 6).
Контроль Фермент 2,5 Фермент 5 Фермент 7,5 Вариант опыта
Рисунок 6 - Содержание тяжелых металлов подвижной формы в почве слое 0-20 см на площадках полигона лабораторно-полевого опыта, мг/кг
Необходимо отметить, что любые, искусственно внесенные ферменты, характеризующиеся низкой иммобилизацией (способностью закрепления в почвенной мицелле) плохо сохраняются, их активность падает в первые месяцы, они легко вымываются из почвы [1, 6], поэтому для наиболее эффективного проведения ферментативной биостимуляции почвы представлена конструктивно-технологическая схема комбинированной установки на базе агрегата АВВ-Ф-2,8. Установка предназначена для внесения ферментативного комплекса при обработке почвы и проведении фиторемедиации в послепосевной период.
НИЖНЕВОЛЖСКОГО АГРОУНИВЕРСИТЕТСКОГО КОМПЛЕКСА: НАУКА И ВЫСШЕЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ
Комбинированная установка состоит из цистерны - емкости для раствора фермента 1, распределительного устройства 2, катка 3, распределителя (форсунок для внесения в почву раствора фермента) 4, помпы для создания давления и перемешивания при приготовлении раствора фермента 5, ножевых дисков 6, рамы 7, гидроцилиндра подъема секции 8, напорного трубопровода 9, шарнирного устройства с дополнительным распределителем 10 (рисунок 7).
Рисунок 7 - Схема установки для внесения ферментативного комплекса
Применение ферментативной биостимуляции для рекультивации почвы также является одним из перспективных методов среди уже существующих и разработанных. Анализ почвы на ферментативную активность почвы является комплексным показателем, характеризующим ее состояние, а, следовательно, и процесс восстановления. Установление возможности применения ферментов класса оксигеназ является перспективным направлением в проведении биологического этапа рекультивации почвы на объектах захоронения твердых бытовых отходов.
Заключение. В условиях сильного засоления, характеризующегося хлоридно-сульфатным типом, рекомендуется применение ферментативной биостимуляции для рекультивации почвы. При применении метода ферментативной биостимуляции с использованием растворов ферментов класса окигеназ отмечается снижение водорастворимых солей (хлорид-ионов, ионов кальция, ионов магния, сульфат ионов, суммы ионов калия и натрия) на 6,66-58,64 %, тяжелых металлов (кадмий, свинец, цинк) в подвижной форме -на 20,05-57,89 %. При использовании метода ферментативной биостимуляции для рекультивации почвы, независимо от концентрации применяемых растворов фермента, необходимо учитывать факторы, оказывающие ингибирующее действие на активность препарата (тяжелые металлы, содержание ионов солей).
Библиографический список
1. Андреюк, Е.И. Почвенные микроорганизмы и интенсивное землепользование [Текст]: монография / Е.И. Андреюк, Г.А. Иутинская, А.Н. Дульгеров. - Киев: Наукова думка, 1988. - 192 с.
2. Аринушкина, Е.В. Руководство по химическому анализу почв [Текст]/ Е.В. Аринуш-кина. - М.: Изд-во МГУ им. М.В. Ломоносова, 1970. - 488 c.
3. Базилевич, Н.И. Методические указания по учету засоленных почв [Текст]/ Н.И. Ба-зилевич, Е.И. Панкова. - М.: Гипроводхоз, 1968. - 92 с.
4. Доспехов, Б.А. Методика полевого опыта (с основами статистической обработки результатов исследований) [Текст]/ Б.А. Доспехов. - 5-е изд., доп. и перераб. - М.: Агропромиз-дат, 1985. - 351 с.
5. Инструкция по проектированию, эксплуатации и рекультивации полигонов для твердых бытовых отходов [Текст]: утв. Минстроем России 02.11.1996.
6. Клюева, М.В. Основные аспекты иммобилизации ферментов на примере липаз [Текст]/ М. В. Клюева // Молодой ученый. - 2014. - № 8. - С. 320.
7. Ковда, В.А. Классификация почв по степени и качеству засоления в связи с соле-устойчивостью растений [Текст]/ В.А. Ковда // Ботанический журнал. - 1960. - № 8. - С. 1123.
8. Купревич, В.Ф. Почвенная энзимология [Текст]/ В.Ф. Купревич, Т.А. Щербакова. -Минск: Наука и техника, 1966. - 400 с.
9. Минашина, Н.Г. Мелиорация засоленных почв [Текст]/ Н.Г. Минашина. - М.: Колос, 1978. - 269 с.
10. МУ 31-11/05 Количественный химический анализ проб почв, тепличных грунтов, илов, донных отложений, сапропелей, твердых отходов [Текст]. Методика выполнения измерений массовых концентраций цинка, кадмия, свинца, меди, марганца, мышьяка, ртути методом инверсионной вольтаперометрии на анализаторах типа ТА. - Томск, реестр ФГУ «Томский центр стандартизации, метрологии и сертификации», 2005. - 40 с.
11. Пак, К.А. Методические указания по закладке полевых опытов мелиорации солонцов [Текст]/ К.А. Пак, Т.Т. Степамед. - М.: Колос, 1967. - 200 с.
12. Проведение эксперимента с применением ферментов класса оксигеназ при обработке твердых бытовых отходов [Текст] : отчет о НИР. - Киев: «Днепровская ассоциация», 2002. - 102 с.
13. Сергиенко, Л.И. Ферментативная активность почв на полигонах твердых бытовых отходов [Текст]/ Л.И. Сергиенко, Н.В. Морозова // Аграрная наука. - 2013. - № 1. - С. 10.
Reference
1. Andreyuk, E. I. Pochvennye mikroorganizmy i intensivnoe zemlepol'zovanie [Tekst]: mono-grafiya / E. I. Andreyuk, G. A. Iutinskaya, A. N. Dul'gerov. - Kiev: Naukova dumka, 1988. - 192 s.
2. Arinushkina, E. V. Rukovodstvo po himicheskomu analizu pochv [Tekst]/ E. V. Arinush-kina. - M.: Izd-vo MGU im. M. V. Lomonosova, 1970. - 488 c.
3. Bazilevich, N. I. Metodicheskie ukazaniya po uchetu zasolennyh pochv [Tekst]/ N. I. Ba-zilevich, E. I. Pankova. - M.: Giprovodhoz, 1968. - 92 s.
4. Dospehov, B. A. Metodika polevogo opyta (s osnovami statisticheskoj obrabotki rezul'tatov issledovanij) [Tekst]/ B. A. Dospehov. - 5-e izd., dop. i pererab. - M.: Agropromizdat, 1985. - 351 s.
5. Instrukciya po proektirovaniyu, jekspluatacii i rekul'tivacii poligonov dlya tverdyh bytovyh othodov [Tekst]: utv. Minstroem Rossii 02.11.1996.
6. Klyueva, M. V. Osnovnye aspekty immobilizacii fermentov na primere lipaz [Tekst]/ M. V. Klyueva // Molodoj uchenyj. - 2014. - № 8. - S. 320.
7. Kovda, V. A. Klassifikaciya pochv po stepeni i kachestvu zasoleniya v svyazi s soleus-tojchivost'yu rastenij [Tekst]/ V. A. Kovda // Botanicheskij zhurnal. - 1960. - № 8. - S. 1123.
8. Kuprevich, V. F. Pochvennaya jenzimologiya [Tekst]/ V. F. Kuprevich, T. A. Scherbakova. - Minsk: Nauka i tehnika, 1966. - 400 s.
9. Minashina, N. G. Melioraciya zasolennyh pochv [Tekst]/ N. G. Minashina. - M.: Kolos, 1978. - 269 s.
10. MU 31-11/05 Kolichestvennyj himicheskij analiz prob pochv, teplichnyh gruntov, ilov, donnyh otlozhenij, sapropelej, tverdyh othodov [Tekst]. Metodika vypolneniya izmerenij massovyh koncentracij cinka, kadmiya, svinca, medi, marganca, mysh'yaka, rtuti metodom inversionnoj vol'taperometrii na analizatorah tipa TA. - Tomsk, reestr FGU "Tomskij centr standartizacii, metrologii i sertifikacii", 2005. - 40 s.
11. Pak, K. A. Metodicheskie ukazaniya po zakladke polevyh opytov melioracii soloncov [Tekst]/ K. A. Pak, T. T. Stepamed. - M.: Kolos, 1967. - 200 s.
12. Provedenie jeksperimenta s primeneniem fermentov klassa oksigenaz pri obrabotke tverdyh bytovyh othodov [Tekst] : otchet o NIR. - Kiev: "Dneprovskaya associaciya", 2002. - 102 s.
13. Sergienko, L. I. Fermentativnaya aktivnost' pochv na poligonah tverdyh bytovyh othodov [Tekst]/ L. I. Sergienko, N. V. Morozova // Agrarnaya nauka. - 2013. - № 1. - S. 10.
E-mail: pniiemt@yandex.ru
