CC BY
67
АРИДНЫЕ ЭКОСИСТЕМЫ, 2013, том 19, № 2 (55), с. 58-63
==—— ОТРАСЛЕВЫЕ ПРОБЛЕМЫ ОСВОЕНИЯ ЗАСУШЛИВЫХ ЗЕМЕЛЬ
УДК 631.46; 57.44
ВЛИЯНИЕ МОДЕЛЬНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НЕФТЬЮ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЧВ СУХИХ СТЕПЕЙ И ПОЛУПУСТЫНЬ ЮГА РОССИИ 1
© 2013 г. С.И. Колесников, Н.А. Спивакова, Л.С. Везденеева, Ю.С. Кузнецова, К.Ш. Казеев
Факультет биологических наук Южного федерального университета Россия, 344006 г. Ростов-на-Дону, ул. Большая Садовая, д. 105. Е-mail: [email protected]
Поступила 18.04.2012
Загрязнение почв сухих степей и полупустынь юга России нефтью ведет к ухудшению их биологических свойств. По степени ухудшения биологических свойств при загрязнении нефтью почвы образуют следующую последовательность: темно-
каштановая ^ каштановая ^ бурая полупустынная ^ = cветло-каштановая ^ бурая
полупустынная песчаная ^ солончак гидроморфный соровый.
Ключевые слова: загрязнение, нефть, биологические свойства, почвы каштановые бурые полупустынные, солончаковые.
Почвенный покров сухих степей и полупустынь юга России представлен зональными каштановыми и бурыми полупустынными, а также интразональными песчаными, бурыми полупустынными песчаными почвами и солончаками (Вальков и др., 2008). Экологические последствия нефтяного загрязнения почв юга России исследованы значительно меньше, чем, например, черноземов (Колесников и др., 2006, 2010), хотя разливы нефти в результате аварий на нефтепроводах в регионе не редки.
Кроме того, большую опасность для экологического состояния региона, в том числе для почв, может иметь реализация проекта «Евразия», который предполагает строительство канала, соединяющего Каспийское и Азовское моря через Кумо-Манычскую впадину. Одним из многочисленных неблагоприятных последствий станет усиление загрязнения почв. При этом пределы устойчивости почв этого региона к нефтяному загрязнению не установлены.
Цель работы состоит в изучении особенностей изменения биологических свойств почв, характерных для сухих степей и полупустынь юга России при загрязнении нефтью в лабораторных условиях.
Объекты и методы исследования
Для модельных опытов были отобраны следующие почвы: темно-каштановая (Ростовская обл., Пролетарский р-н); каштановая (Ростовская обл., Ремонтненский р-н); светло-каштановая (Республика Калмыкия, окрестности г. Элиста); бурая полупустынная (Астраханская обл., окрестности границы с Республикой Калмыкия); коричневая (Краснодарский край, Лабинский район), солончак гидроморфный соровый (Ростовская область, Орловский район), песчаная бурая полупустынная (Республика Калмыкия, окрестности п. Хулхута). Использовали образцы из слоя 020 см.
Основные эколого-генетические и эколого-биологические показатели почв представлены в таблице 1.
ПДК нефти для почв не разработаны. Для выражения ее концентрации в почве использовали процентное содержание. Изучали действие разных концентраций нефти - 1, 5 и 10% от массы почвы. Загрязнение нефтью до 10% от массы почвы и более часто встречается в районах нефтедобычи,
1 Исследование выполнено в рамках реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 гг. (государственные контракты № 16.740.11.0528, П322, П169), при финансовой поддержке РФФИ (гранты 07-04-00690-а, 07-04-10132-к, 08-04-10080-к), при государственной поддержке ведущей научной школы (НШ-5316.2010.4).
транспортировки и переработки нефти, получения, транспортировки и потребления нефтепродуктов (Трофимов и др., 2000; Пиковский и др., 2003).
Таблица 1. Эколого-генетические и эколого-биологические характеристики исследованных почв. Table 1 illogical-genetic and eсological-biological characteristics of the studied soils.
Почва Содержание гумуса в % рН Гранулометрический состав Активность каталазы, мл О2/г почвы за 1 мин Активность дегидрогеназы, мг ТФФ/10 г почвы за 24 ч Обилие бактерий рода Azotobacter, % комочков обрастания
Темно-каштановая 3.3 7.8 Тяжелосуглинистый 8.7 34.3 92
Каштановая 2.8 8.6 Тяжелосуглинистый 8.1 32.3 91
Светло-каштановая 1.8 7.2 Среднесу-глинистый 4.7 18.3 16
Бурая полупустынная 0.8 6.9 Легкосуглинистый 1.8 23.3 75
Бурая полупустынная песчаная 0.5 7.5 Песчаный 1.1 9.9 3.8
Солончак гидроморфны й соровый 0.3 8.4 Тяжелосуглинистый 4.4 7.2 0
Использовали западносибирскую нефть средней плотности, со средним содержанием серы и хлористых солей, низким содержанием механических примесей (табл. 2). Из тяжелых металлов в нефти больше всего содержится V (10-5-10-2%) и № (10-4-10-3%) (Химическая энциклопедия, 1992). По сравнению с углеводородами, содержание в нефти других веществ (тяжелых металлов, радионуклидов) незначительно и основное токсическое действие оказывают, прежде всего, углеводороды. В то же время, необходимо специальное изучение синергетического воздействия тяжелых металлов, радионуклидов и углеводородов нефти на почвенную биоту.
Исследовали равномерное загрязнение нефтью всего объема почв. Для этого, после внесения нефти, почву в сосуде перемешивали. Нефть вносили во влажную почву. Основной причиной, по которой исследовали не поверхностное загрязнение почвы нефтью, а равномерное является тот факт, что при поверхностном загрязнении необходимо определять биологические показатели состояния почвы как сильно варьирующие очень дробно на разной глубине от поверхности почвы. Это увеличило бы объем исследования в разы. Эта проблема также требует отдельного самостоятельного исследования. Равномерное загрязнение почвы создает относительно гомогенную среду и позволяет сознательно отказаться от учета такого фактора как глубина от поверхности почвы с целью акцентирования внимания на других факторах, таких как тип почвы и доза нефти. При проведении данного рекогносцировочного лабораторного модельного исследования в лабораторных сосудах такой отказ представляется допустимым. При полевом моделировании более целесообразно исследовать поверхностное загрязнение с определением биологических показателей на различной глубине почвы.
По той же причине ограничения объема исследований с целью уделить основное внимание возможно большему спектру типов почв, исследование проводили при одном значении температуры и срока от момента загрязнения, без учета воздействия солнечных лучей на поверхность нефтезагрязненной почвы и других возможных факторов.
Почву инкубировали в лабораторных сосудах при комнатной температуре (20-22°С) и оптимальном увлажнении (60% от полевой влагоемкости) в трехкратной повторности.
60
ВЛИЯНИЕ МОДЕЛЬНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НЕФТЬЮ НА ... СВОЙСТВА ПОЧВ
Таблица 2. Характеристики использованной в исследовании нефти (Химическая лаборатория нефтебазы «Шесхарис», Новороссийск, 2008). Table 2. Characteristics of the oil used in researches (Chemical laboratory of Sheskharis oil depot, Novorossiysk, 2008).
№ п/п Показатель Метод определения Значения показателей
1 Плотность при 20°С, кг/м3 ГОСТ 3900-85 0.8616
2 Массовая доля серы, % ГОСТ 1437-75 1.34
3 Массовая доля воды, % ГОСТ 2477-65 0.27
4 Концентрация хлористых солей, мг/дм3 ГОСТ 21534-76 73.0
5 Массовая доля механических примесей, % ГОСТ 6370-83 0.0060
6 Массовая доля парафина, % ГОСТ 11851-85 4.46
7 Выход фракций, % до 200 °С до 300 °С до 350 °С ГОСТ 2177-82 25 46 55
Состояние почв определяли через 30 суток после загрязнения. При оценке химического воздействия на почву этот срок является наиболее информативным (Колесников и др., 1999).
Через указанный срок всю массу почвы извлекали из вегетационного сосуда и перемешивали, тем самым получали «средний образец», из которого отбирали пробы на определение биологических показателей - по 3 из каждого сосуда.
Лабораторно-аналитические исследования выполнены с использованием общепринятых методов (Методы ..., 1991; Казеев и др., 2003). Определяли обилие бактерий рода Azotobacter, активность каталазы и дегидрогеназы, целлюлозолитическую активность, фитотоксические свойства почв и другие показатели. Azotobacter учитывали методом комочков обрастания на среде Эшби. Целлюлозолитическую способность определяли по степени разложения хлопчатобумажного полотна, экспонированного в почве в течение 30 дней. Активность каталазы измеряли по методике Галстяна, дегидрогеназы - по методике Галстяна в модификации Хазиева. О фитотоксичности почв судили по изменению длины корней редиса.
С целью выявления общих закономерностей воздействия того или иного негативного фактора, в частности загрязняющего вещества, на экологическое состояние почв использовали интегральный показатель биологического состояния (ИПБС) почвы, который определяется на основе наиболее информативных биологических показателей (Колесников и др., 2007). В настоящем исследовании ИПБС был рассчитан по следующим показателям: активность каталазы и дегидрогеназы, целлюлозолитическая активность, обилие бактерий рода Azotobacter, длина корней редиса (фитотоксичность). Бактерии рода Azotobacter традиционно и успешно используют как индикатор химического загрязнения почвы. Каталазная, дегидрогеназная и целлюлозолитическая активность отражают интенсивность различных биологических процессов в почве. При этом активность ферментов служит показателем потенциальной биологической активности почвы, а скорость разложения полотна характеризует актуальную активность. Каталаза и дегидрогеназа принадлежат к окислительно-восстановительным ферментам - наиболее чувствительным к нефтяному загрязнению. Длина корней редиса отражает фитотоксические свойства загрязненной почвы. Таким образом, представленный набор показателей дает информативную картину о протекающих в почве биологических процессах и о ее экологическом состоянии.
Для расчета ИПБС почвы значение каждого из пяти указанных выше показателей в контроле (в незагрязненной почве) принимали за 100% и по отношению к нему выражали в процентах значения в остальных вариантах опыта (в загрязненной почве). Затем определяли среднее значение пяти
выбранных показателей для каждого варианта. Использованная методика позволяет интегрировать (объединить) относительные значения разных показателей, абсолютные значения которых не могут быть суммированы, так как имеют разные единицы измерения.
Результаты исследования
Результаты влияния загрязнения нефтью на биологические свойства почв сухих степей и полупустынь юга России представлены в таблице 3.
Загрязнение исследованных почв нефтью приводит к ухудшению их состояния. В большинстве случаев наблюдается достоверное уменьшение всех исследованных показателей, причем уменьшение зависит от концентрации нефти в почве.
Негативное действие нефти на биологические процессы в почве объясняют обволакиванием нефтяными углеводородами почвенных частиц, содержанием в нефти тяжелых металлов, ароматических углеводородов, фенолов, накоплением в почве продуктов окисления углеводородов, таких как гексадециловый спирт, пальмитиновая, бензойная, салициловая кислоты и др., значительным увеличением соотношения С:К и др. (Киреева и др., 1998).
Почвы сухих степей и полупустынь юга России образуют следующие ряды по степени ухудшения биологических свойств при загрязнении нефтью (ряды усреднены по дозам загрязняющего вещества): темно-каштановая — каштановая — бурая полупустынная — = светло-каштановая — бурая полупустынная песчаная —солончак гидроморфный соровый.
Таким образом, большую буферную способность к загрязнению нефтью проявили темно-каштановая и каштановая почвы, меньшую — бурая полупустынная и светло-каштановая, и наименьшую — песчаная и солончак.
Такая последовательность определяется эколого-генетическими свойствами исследованных почв. Чем лучше оструктуренность почвы, а, следовательно, и окислительные условия, а также чем выше биологическая активность почвы, тем выше ее устойчивость к загрязнению нефтью (Колесников и др., 2007, 2010).
Схожая последовательность почв сухих степей и полупустынь юга России была зафиксирована при их загрязнении тяжелыми металлами (Колесников и др., 2011).
Выводы
Загрязнение почв сухих степей и полупустынь юга России нефтью ведет к ухудшению их биологических свойств. Как правило, наблюдается прямая зависимость между содержанием нефти и степенью ухудшения исследуемых свойств почвы.
По степени ухудшения биологических свойств при загрязнении нефтью почвы образуют следующую последовательность: темно-каштановая - каштановая - бурая полупустынная - = светло-каштановая - бурая полупустынная песчаная - солончак гидроморфный соровый. Такая последовательность определяется, прежде всего, степенью оструктуренности и уровнем биологической активности исследованных почв.
Такие показатели биологического состояния почв как активность каталазы и дегидрогеназы, целлюлозолитическая активность, обилие бактерий рода Л20(0Ьас(ег, длина корней редиса (фитотоксичность) целесообразно использовать в целях мониторинга, диагностики, индикации и нормирования нефтяного загрязнения почв Юга России.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Вальков В.Ф., Казеев К.Ш., Колесников С.И. 2008. Почвы юга России. Ростов-на-Дону: Эверест. 320 с. Казеев К.Ш., Колесников С.И., Вальков В.Ф. 2003. Биологическая диагностика и индикация почв: методология и
методы исследований. Ростов-на-Дону: Изд-во Рост. ун-та. 204 с. Киреева Н.А., Новоселова Е.И., Хазиев Ф.Х. 1998. Активность карбогидраз в нефтезагрязненных почвах //
Почвоведение. № 12. С. 1444-1448. Колесников С.И., Азнаурьян Д.К., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. 2010. Устойчивость биологических свойств почв
Юга России к нефтяному загрязнению // Экология. № 5. С. 357-364.
62 ВЛИЯНИЕ МОДЕЛЬНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НЕФТЬЮ НА . СВОЙСТВА ПОЧВ
Таблица 3. Влияние нефтяного загрязнения на биологические свойства почв сухих степей и полупустынь юга России. Table 3. Influence of oil pollution on biological properties of soils of dry steppes and semi-deserts of the South of Russia.
Доза нефти Почва
Темно-каштановая Каштановая Светло-каштановая Бурая полупустынная Бурая полупустынная песчаная Солончак гидроморфный соровый
Активность каталазы, мл О2 на 1 г почвы за 1 мин
Контроль 8.7 8.1 4.7 1.8 1.1 4.4
1% 6.8 5.4 3.4 1.1 0.3 3.9
5% 4.2 3 1.6 0.5 0.2 0.5
10% 2.1 0.9 0.8 0.4 0.1 0.4
НСРаз 0.6 0.6 0.5 0.1 0.06 0.4
Активность дегидрогеназы, мг ТТФ на 10 г почвы за 24 часа
Контроль 34.3 32.3 18.3 23.3 7.2
1% 31.8 31.1 15.3 22 5.1
5% 27.8 23.2 11.3 20.5 4
10% 15.9 10.5 10 18.6 2
НСРаз 4.4 4.1 4.1 2.8 0.6
Целлюлозолитическая активность, % от контроля
Контроль 100 100 100 100 100 100
1% 21 15 18 12 5 21
5% 15 10 13 6 2 0
10% 11 12 9 4 2 0
НСРаз 12 14 14 12 13 17
Обилие бактерий рода Azotobacter, % комочков обрастания
Контроль 92 91 16 75 4 0
1% 89 85 0 65 3 0
5% 79 83 0 54 3 0
10% 81 77 0 48 1 0
НСРаз 12 8 8 7 0 0
Длина корней редиса (фитотоксичность), % от контроля
Контроль 100 100 100 100 100 100
1% 89 85 88 79 63 63
5% 72 73 81 85 7 49
10% 66 52 55 6 5 19
НСРаз 11 8 8 9 11 15
Интегральный показатель биологического состояния почвы (ИПБС), % от контроля
Контроль 100 100 100 100 100 100
1% 75 71 66 66 56 61
5% 60 57 47 55 39 29
10% 47 39 34 35 24 14
Колесников С.И., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф. 1999. Влияние загрязнения тяжелыми металлами на микробную систему чернозема // Почвоведение. № 4. С. 505-511.
Колесников С.И., Казеев К.Ш., Вальков В.Ф., Азнаурьян Д.К., ЖарковаМ.Г. 2007. Биодиагностика экологического состояния почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами. Ростов-на-Дону: Изд-во Ростиздат. 192 с.
Колесников С.И., Спивакова Н.А., Казеев К.Ш. 2011. Влияние модельного загрязнения Cr, Cu, Ni, Pb на биологические свойства почв сухих степей и полупустынь юга России // Почвоведение. № 9. С. 1094-1101.
Колесников С.И., Казеев К.Ш., Татосян М.Л., Вальков В.Ф. 2006. Влияние загрязнения нефтью и нефтепродуктами на биологическое состояние чернозема обыкновенного // Почвоведение. № 5. С. 616-620.
Методы почвенной микробиологии и биохимии. 1991 / Ред. Д.Г. Звягинцев. М.: Изд-во Моск. ун-та. 304 с.
Пиковский Ю.И., Геннадиев А.Н., Чернянский С.С., Сахаров Г.Н. 2003. Проблема диагностики и нормирования загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами // Почвоведение. № 9. С. 1132-1140.
Трофимов С.Я., Аммосова Я.М., Орлов Д.С., Осипова Н.Н., Суханова Н.И. 2000. Влияние нефти на почвенный покров и проблема создания нормативной базы по влиянию нефтезагрязнения на почвы // Вестник Московского университета. Сер. 17. Почвоведение. № 2. С. 30-34.
Химическая энциклопедия. Вып. 5. Т. 3. М.: Большая Российская энциклопедия. 1992. 639 с.
EFFECT OF OIL MODEL POLLUTION ON THE BIOLOGICAL PROPERTIES OF DRY STEPPES AND SEMIDESERTS SOILS OF SOUTHERN RUSSIA
© 2013. S.I. Kolesnikov, N.A. Spivakov, L.S. Vezdeneeva, Y.S. Kuznetsova, K.Sh. Kazeev
Southern Federal University,Biological Faculty Russia, 344006 Rostov-on-Don, Bolshaya Sadovaya str., 105. Е-mail: [email protected]
Oil contamination of dry steppes and semideserts soils of southern Russia leads to a deterioration of their biological properties. On the degree of deterioration of the biological properties under the oil pollution the soils form the following sequence: dark chestnuts chestnuts brown semideserts = light-browns brown semidesert sandys saline hydromorphic sor.
Keywords: pollution, oil, biological properties of soil, chestnut soil, brown semidesert soils, saline.
