CC BY
54
УДК 502.521:543.383.2(470.11)(045)
ВЛИЯНИЕ НЕФТЕПРОДУКТОВ НА АКТИВНОСТЬ ПОЧВЕННОЙ УРЕАЗЫ
В УСЛОВИЯХ СЕВЕРА
© 2010 г. А.А. Михайлова1, Л.Ф. Попова1, Э.В. Швакова1, Е.Н. Наквасина2
1Поморский государственный университет, 1Pomor State University,
пр. Ломоносова, 4, г. Архангельск, 163002, Lomonosov, Ave, 4, Arkhangelsk, 163002,
fc. chemistry@pomorsu. ru fc. [email protected]
2Архангельский государственный технический университет, 2Arkhangelsk State Technical University,
наб. Сев. Двины, 17, г. Архангельск, 163002, Quay of Northern Dvina, 17, Arkhangelsk, 163002,
[email protected] [email protected]
Изучены степень и продолжительность влияния бензина, дизельного топлива, моторного масла на активность почвенной уреазы. Определены особенности динамики разложения дизельного топлива в урбанизированной почве в условиях севера.
Ключевые слова: нефтепродукты, почва, ферментативная активность, уреаза (карбамид-амидогидролаза), урбоэкоси-
Degree and duration of gasoline's influence, diesel fuel, engine oil on urease activity of soil are studied. Features of dynamics of diesel's decomposition fuel in the urbanised soil in northern conditions are defined.
Keywords: mineral oil, soil, enzyme activity, urease (carbamide-amidogidrolaza), urban ecosystem.
Проблема нефтяного загрязнения почвы возникает практически на любой территории, где добывают нефть и используют нефтепродукты в качестве горючесмазочных материалов. Различия только в степени загрязнения - от накопления систематических капельных проливов до аварийных разливов. На степень загрязнения компонентов урбоэкосистемы нефтепродуктами в первую очередь оказывают воздействие передвижные источники. В последние годы в большинстве городов наблюдается постоянная тенденция роста парка автотранспорта, который в г. Архангельске за 2006 -2008 гг. увеличился на 16 %. Возросла и интенсивность движения транспортных средств: на одну улицу города приходится от 4044 до 51120 авт./сут. В результате в приземном слое атмосферы образуется поле загрязнения бензином с концентрацией, превышающей 0,1 ПДКмр. Загрязнение приземного слоя атмосферы, утечки горюче-смазочных материалов оказывают значительное воздействие на почвенно-растительный покров. В почвах города содержание нефтепродуктов составляет от 10 до 720 мг/кг [1, 2], что может оказывать влияние на изменение морфологических, физических, физико-химических и микробиологических свойств почвы.
Одним из показателей оценки состояния почвенного покрова является биологическая активность и её частный случай - ферментативная активность почвы - способность почвы проявлять каталитическое воздействие на процессы превращения экзогенных и собственных органических и минеральных соединений благодаря имеющимся в ней ферментам. Еще в 80-х гг. ХХ в. исследования Ю.И. Пиковского, Н.Н. Яшвили, Н.М. Исмайлова, Ф.Х. Хазиева, более поздние исследования Т.С. Шориной, С.И. Колесникова и его соавторов, проведенные на чернозёмах, богатых фракцией ила, показали, что нефтяное загрязнение почв снижает активность многих почвенных ферментов [3, 4]. На территории Архангельска и области, где почвы отличаются малым содержанием органического вещества, исследования, касающиеся загрязнения почв урбоэко-системы нефтепродуктами, отсутствуют.
Нами с целью изучения степени и продолжительности влияния нефтепродуктов на ее ферментативную активность были заложены модельные опыты. В лабораторных условиях исследовали характерные для городской среды нефтепродукты: бензин, дизельное топливо, моторное масло. Для оценки динамики разложения нефтепродуктов в урбанизированной почве проведен микрополевой опыт.
Моделирование загрязнения почвы нефтепродуктами проводили с применением вегетационного метода и методики, предложенной С.И. Колесниковым с соавторами [3]. В качестве объекта исследования была использована глинистая почва, сформировавшаяся на суходольном лугу, с содержанием частиц менее 0,01 мм 89 %. рН водной вытяжки - 6,68, гидролитическая, обменная кислотности и кислотность, обу-
словленная Н+, составляют 1,7; 0,2; 0,1 мг-экв. / 100 г почвы соответственно.
В ходе опыта смоделировано равномерное загрязнение почвы концентрациями нефтепродуктов 0,5; 1,0 и 5,0 % от массы почв. Инкубирование почвы проводили в вегетационных сосудах при температуре 20 -22 °С и оптимальной влажности 60 % от полной вла-гоемкости в течение 3 сут и 30 дней. Именно эти сроки являются наиболее информативными при исследовании влияния химического загрязнения на биологические свойства почвы [3, 5]. Модельные опыты проведены в трехкратной повторности.
Микрополевой опыт проведен в черте г. Архангельска на участке, не испытывающем влияние транспортной нагрузки. В ходе опыта заложены две пробные площадки размером 1 м2: контрольная (незагрязненная) и опытная, искусственно загрязненная 1,5 л дизельного топлива. Эксперимент проводился с мая по ноябрь, что примерно соответствует началу и окончанию вегетационного периода у растений, произрастающих в данной климатической зоне. Пробы отбирали в верхнем слое (0-20 см) почвы методом конверта.
В качестве диагностических показателей экологического состояния почвы использовали содержание нефтепродуктов и активность фермента из класса почвенных гидролаз - уреазы (карбамид-амидогидролазы), которая катализирует гидролиз мочевины и функционально обусловлена, главным образом, численностью и активностью уробактерий.
Активность почвенной уреазы определяли методом И.Н. Ромейко и С.М. Малинской [6], в основе которого лежит колориметрическое определение количества аммиака (М-ЫН4+), образующегося при гидролизе мочевины под действием уреазы.
Нефтепродукты в почвах определяли флуориметри-ческим методом на анализаторе жидкости «Флюорат -02» (ПНД - Ф 16.1.21 - 98), основанном на экстракции нефтепродуктов гексаном с последующим измерением интенсивности флуоресценции экстракта [7].
В модельном опыте показатели определяли в средних пробах воздушно-сухих почв после окончания инкубационного периода: в микрополевом опыте уреазную активность - на свежесобранной почве, содержание нефтепродуктов - в высушенных пробах ежемесячно в течение всего срока эксперимента.
Ферментативная активность, являясь индикационным показателем биологических свойств почвы, отличается высокой информативностью: тесной корреляцией между показателем и антропогенным фактором, что позволило выявить характер воздействия каждого нефтепродукта.
Модельный опыт показал, что после 3 и 30 сут инкубирования максимальные значения содержания аммонийного азота в почве наблюдались при загрязнении моторным маслом, средние - дизельным топливом, минимальные - бензином (табл. 1).
Таблица 1
Активность почвенной уреазы при разных сроках инкубации и видах нефтяного загрязнения
Срок инкубации, сут Нефтепродукт Содержание N-NH4+, мг/ на 100 г почвы за 3 ч, в почве при концентрации нефтепродуктов, %
0,5 1,0 5,0 0
3 Бензин АИ 92 1,76±0,04 1,35±0,04 0,89±0,05 3,22±0,03
Дизельное топливо зимнее 2,74±0,05 2,89±0,12 3,40±0,04
Моторное масло М8Р 2,92±0,05 3,80±0,07 4,05±0,02
30 Бензин АИ 92 1,18±0,06 0,36±0,15 0,29±0,06 5,12±0,18
Дизельное топливо зимнее 2,84±0,02 3,50±0,10 5,34±0,04
Моторное масло М8Р 4,41±0,03 7,29±0,11 7,45±0,12
Бензин ингибирует уреазную активность почвы до 77 % при 0,5%-м загрязнении и до 94 % при 5,0%-м загрязнении. Данное ингибирование вызвано токсичностью бензина для микроорганизмов, обусловленной низкомолекулярными предельными углеводородами, составляющими большую часть топлива. Особенно быстрое токсическое действие алканов с короткой углеводородной цепью обусловлено тем, что они легко проникают через клеточные мембраны организмов и в результате дезорганизуют их [3, 8]. Угнетение жизнедеятельности микроорганизмов почвы бензином и как следствие уменьшение активности почвенной уреазы может быть вызвано и высокотоксичными антидетонационными присадками, присутствующими в нем.
Дизельное топливо так же, как и бензин, являясь легким нефтепродуктом, при 0,5- и 1,0%-м загрязнении ингибирует активность фермента, но 5,0%-е загрязнение уже несколько активирует его.
Моторное масло при 0,5%-м загрязнении оказывает ингибирование активности почвенной уреазы от 9 до 14 %. Остальные концентрации моторного масла активируют фермент в 1,4 - 1,5 раза.
Таким образом, по уменьшению токсического воздействия нефтепродукты выстраиваются в ряд: бензин ^ дизельное топливо ^ моторное масло. Бензин ингибирует активность почвенной уреазы при любых концентрациях загрязнения, дизельное топливо - при 0,5 и 1,0 %, моторное масло - при 0,5 %. Стимулирующее действие на активность фермента дизельного топлива и моторного масла при концентрации их в почве 10 и 50 г/кг соответствует данным Т.П. Слав-ниной [9] и Т.С. Шориной [4] и связано с появлением питательного субстрата для микроорганизмов.
С течением инкубационного времени уреазная активность незагрязненной почвы увеличивается в 1,6 раза, что связано с длительностью нахождения почвы в благоприятных для развития микроорганизмов условиях. В загрязненных почвах наблюдается аналогичная зависимость между сроком инкубации и характером действия нефтепродуктов.
Именно микробиологические свойства почвы и инкубационный срок обусловливают содержание нефтепродуктов в почве при ее загрязнении (табл. 2). Так, при активации ферментативной активности почв, загрязненных дизельным топливом (50 г/кг), естественные процессы самоочищения в течение месяца снижают содержание внесенного нефтепродукта в
3 раза, при загрязнении почв моторным маслом в количествах 10 и 50 г/кг - в 5 и 8 раз соответственно. При прочих равных условиях содержание бензина в почве сокращается в 84 раза (измерено для загрязнённой почвы 50 г/кг), что обусловлено не столько ферментативной активностью почвы, сколько высокой летучестью самого нефтепродукта.
Таблица 2
Остаточное количество нефтепродуктов в почвах модельного опыта после 30 сут инкубации
Нефтепродукт Содержание нефтепродуктов, мг/кг, при концентрации, %
0,5 1,0 5,0
Бензин АИ 92 24±8 136±47 597±209
Дизельное топливо зимнее 1900±665 4350±1522 18 625±6519
Моторное масло М8Р 900±315 1850±647 6100±2135
Длительность нахождения нефтепродуктов в почве урбоэкосистемы в условиях Севера изучали при загрязнении её дизельным топливом, являющимся одним из нефтепродуктов, оказывающим как стимулирующее, так и ингибирующее воздействие на микробиологические свойства почвы. Дизельное топливо в почве удерживалось довольно долго, его содержание уменьшалось с течением времени по ряду причин: естественная летучесть нефтепродукта, разрушение его под действием света, кислорода воздуха, почвенных микроорганизмов и ферментов.
В природных условиях города за летние месяцы содержание углеводородов дизельного топлива уменьшается в 1,7 раза, но к концу опыта - в 15 (рис. 1). Резкое снижение содержания нефтепродукта наблюдалось в октябре, что является результатом климатических условий лета и интенсивности микробиологической деятельности почв. Ко времени окончания эксперимента в почве находилось лишь 7 % углеводородов дизельного топлива от внесенного их количества.
Во временной динамике разложения углеводородов дизельного топлива в природных условиях прослеживается значительная взаимосвязь между содержанием нефтепродукта и активностью уреазы (рис. 1). Коэффициент корреляции составляет 0,98 при 1 = 0,95.
а 70
0
10 60
1
i g 50
♦„" ?
X ei 40
1 2 30 ! 20
l = 2
10
Сентябрь Месяц
Май Июнь Сентябрь Октябрь Ноябрь
Месяц
б
Рис. 1. Динамика разложения углеводородов дизельного топлива в почве урбоэкосистемы г. Архангельска. Сезонное изменение содержания: а - Ы-ЫН4+; б - нефтепродуктов
В незагрязненной и загрязненной дизельным топливом почве условно было выделено три фазы изменения активности уреазы: I фаза приходится на май, II - с июня по сентябрь, III - с октября по ноябрь (рис. 2).
годные условия: холодное начало мая с выпадением снега. Резкое повышение активности почвенной уреа-зы наблюдалось лишь к концу месяца, что связано с прогреванием почвы.
Во II фазе активность уреазы как в незагрязненной, так и в загрязненной почве колеблется незначительно. К концу фазы проявляется токсическое воздействие нефтепродукта: активность почвенной уреа-зы в загрязненной почве ингибировалась дизельным топливом и стала меньше, чем в незагрязненной.
В III фазе продолжалось ингибирование уреазы дизельным топливом, которое достигло минимальных значений в середине октября при концентрации нефтепродукта 410 мг/кг. Активность уреазы в незагрязненной почве снижалась. Общее снижение ферментативной активности почвы связано с замедлением в начале осени естественных процессов: жизнедеятельности почвенной биоты и вегетации растений. При этом одним из определяющих факторов снижения активности уреазы в загрязнённой почве становится воздействие остаточного содержания в ней дизельного топлива, которое, продолжая уменьшаться с течением времени, в более неблагоприятных погодных условиях в конце осени немного простимулировало рост количества микроорганизмов, использующих продукты разложения дизельного топлива в качестве доступного питательного субстрата. Возможно, с этим связано непродолжительное повышение активности уреазы в загрязнённой почве по сравнению с незагрязнённой в ноябре.
Таким образом, нами установлено, что токсическое воздействие нефтепродуктов на уреазную активность почв уменьшается в ряду: бензин ^ дизельное топливо ^ моторное масло. Активность уреазы почвы ингибируется бензином при любой концентрации,
I фаза II фаза III фаза
::: ~
N ..... •• • ^
-V ""V \
Август
Сентябрь
Октябрь
Ноябрь
- незагрязненная
загрязненная дизельным топливом
Рис. 2. Сезонное изменение активности уреазы в почве (в июле, августе измерения не проводились)
Высокая стабильная активность почвенной уреазы наблюдалась в течение месяца после внесения нефтепродукта (I фаза), что связано в первую очередь с повышением температуры почвы в результате изменения физико-химических показателей под слоем загрязненного грунта, а также с появлением питательного для микрофлоры субстрата - дизельного топлива. На характер активности уреазы незагрязненной почвы в I фазе оказали влияние неблагоприятные по-
маслом - 0,5 %. Ингибирующее действие бензина увеличивается с увеличением времени инкубации. Загрязнение почв дизельным топливом (50 г/кг) и моторным маслом (10 - 50 г/кг) первоначально стимулируют деятельность почвенных ферментов. Со временем стимулирующее действие нефтепродукта на фермент сменяется на ингибирующее.
По данным моделирования загрязнения длительность самоочищения почв, загрязненных нефтепродуктами, увеличивается в ряду: бензин ^ дизельное топливо ^ моторное масло. Бензин оказывает острое токсическое действие на почвенные микроорганизмы, что подтверждается снижением ферментативной активности почвы, но это действие непродолжительное по сравнению с воздействием дизельного топлива и моторного масла, токсичность которых значительно меньше бензина.
В естественных условиях длительность самоочищения почвы, загрязненной дизельным топливом, в условиях Севера усугубляется неблагоприятными погодными условиями. Характерно резкое снижение содержания дизельного топлива к октябрю, что является результатом интенсивности микробиологической деятельности почв.
0
а
6000
5000
4000
3000
2000
1000
0
70
60
50
40
30
20
0
Май
Июль
Исследования поддержаны грантом РФФИ-Север 08-04-98808.
Литература
1. Михайлова А.А., Попова Л.Ф. Оценка загрязнения при-
земного слоя атмосферного воздуха выбросами автотранспорта в Октябрьском и Ломоносовском территориальных округах г. Архангельска // Геологические опасности: материалы XV Всерос. конф. с междунар. участием. 14 - 17 сентября 2009 г. Архангельск, 2009. С. 302 - 305.
2. Михайлова А.А., Попова Л.Ф., Труфанова Н.Е. Степень
загрязнения почв нефтепродуктами как показатель воздействия автотранспорта // Экологические проблемы человечества: сб. материалов II Междунар. науч.-практ. конф. Рос. гос. аграр. заоч. ун-та. 16 - 20 сентября 2009 г. М., 2009. С. 56 - 59.
3. Биодиагностика экологического состояния почв, загряз-
ненных нефтью и нефтепродуктами / С.И. Колесников [и др.]. Ростов н/Д, 2007. 192 с.
4. Шорина Т.С. Влияние нефтяного загрязнения на биоло-
гическую активность черноземов Оренбургской области // Вестн. ОГУ. 2009. № 6 (100). С. 651.
5. Моделирование загрязнения чернозёма свинцом с целью
установления экологически безопасной концентрации / С.И. Колесников [и др.] // Экология и промышленность России. 2009. № 12. С. 34 - 36.
6. Хазиев Ф.В. Методы почвенной энзимологии. М., 2005.
252 с.
7. ПНД Ф 16.1.21-98. Методика выполнения измерений
массовой доли нефтепродуктов в пробах почв флуори-метрическим методом на анализаторе жидкости «Флюорат - 02». М., 1998. 17 с.
8. Чижов Б.Е. Рекультивация земель лесного фонда, подвергшихся нефтяному загрязнению. М., 2004. 80 с.
9. Биологическая активность и микробиологическая ре-
культивация почв, загрязненных нефтепродуктами / В.Г. Алехин [и др.] // Биологические ресурсы и природопользование: сб. науч. тр. Нижневартовск, 1998. Вып. 2. С. 95 - 105.
Поступила в редакцию_17 марта 2010 г.
