CC BY
86
ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2012 БИОЛОГИЯ Вып. 2
ЭКОЛОГИЯ
УДК 632.122
ВЛИЯНИЕ ТЕХНОГЕННОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА БИОФИЗИЧЕСКИЕ И БИОХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТЫХ ПОЧВ ТАЕЖНО-ЛЕСНОЙ ЗОНЫ
В. И. Каменщикова
Естественнонаучный институт Пермского государственного национального исследовательского университета, 614990, Пермь, ул. Генкеля, 4; [email protected]; (342)2396213
Изучены водные и биохимические свойства дерново-подзолистых почв с нарушенной структурой при загрязнении их тяжелыми металлами и нефтью. Установлено, что фильтрационная способность почвы зависит от степени ее увлажнения и природы загрязнителя. Изменение водного режима загрязненных почв негативно отразилось на интенсивности биохимических процессов, осуществляемых микроорганизмами.
Ключевые слова: загрязнение почв нефтью; загрязнение почв тяжелыми металлами; биохимические свойства; биофизические свойства; дерново-подзолистые почвы.
Введение
Одной из приоритетных задач современного биофизического направления в почвоведении, по мнению ученых, следует считать воздействие организмов и продуктов их жизнедеятельности на физическое состояние почв. В условиях повышенного техногенного загрязнения почв существенно меняется численность и состав микробных сообществ, что может негативно повлиять на структурообразование, сложение, на изменение водоудерживающей способности и водопроницаемости почв.
Особую актуальность приобретают эти вопросы при нефтяном загрязнении, когда при содержании углеводородов в почве свыше 1% существенно угнетается развитие многих эколого-трофических групп микроорганизмов, что отражается на снижении их биохимической и деструктивной активности, содержании и составе органического вещества.
Целью исследований явилось выявление закономерностей изменения некоторых физических свойств дерново-подзолистых почв при загрязнении их нефтью и тяжелыми металлами (ТМ), а также их связь с биохимическими процессами.
Объект и методы исследования
Объектом исследований явились дерново-подли-
стые почвы (слой 0-20 см) среднесуглинистые, содержание гумуса - 2.6%. В модельных опытах просушенная почва пропускалась через сито (2 мм) и использовалась для набивки стеклянных трубок диаметром 2 см, высота набивного слоя - 90 см, поверхностная часть трубки (10 см) служила приемником воды и нефти. Для достижения равномерности сложения почвы набивка трубок проводилась послойно с учетом веса почвы каждого 10-см слоя. Повторность опыта 3-кратная. Нефть вносили поверхностно в сухую и увлажненную почву, в количестве 50 мл. ТМ ^(N03)2, С^О<(, 2^0*0 вносили в сухую почву перед набивкой трубок в количестве 1 ПДК. Следили за скоростью впитывания и фильтрации воды в объеме 500 мл, которую вносили в сухую и увлажненную почву. Определяли водоудерживающую способность почвы по количеству связанной и просочившейся воды. В фильтрате определяли количество вымываемых солей по величине плотного остатка. После месячного пребывания почвы в увлажненных колонках определяли послойно активность фермента каталазы по методу А.Ш. Галстяна [1974] и интенсивность эмиссии СО2 адсорбционным методом в модификации И.Н. Шар-кова [1984], Н.Д. Ананьевой [2003].
© Каменщикова В. И., 2012
Результаты исследования
В естественных условиях дерново-подзолистая почва чаще всего находится в увлажненном состоянии, за исключением поверхностных горизонтов в июльские и августовские дни, что затрудняет проведение наблюдений за инфильтрационной способностью почв. Под интенсивностью инфильтрации следует понимать объём впитывания воды, мм/мин. С этой целью Г.С. Базыкина [2010] предлагает использовать изолированные почвенные монолиты, что не всегда достижимо. В своих модельных опытах нами были использованы поверхностные слои размельченной дерново-подзолистой почвы, которой равномерно набивали трубки, с учетом веса каждых 10 см.
Наблюдения показали, что время впитывания воды поверхностными и заглубленными слоями существенно различалось, что объясняется раз-
личием силы давления воды на поверхностные и заглубленные слои. Отчетливо прослеживалось замедление впитывания воды почвой, загрязненной нефтью, что повлияло на время фильтрации, как через сухую, так и особенно через увлажненную почву. ТМ ускоряли фильтрацию, что, возможно, связано с коагуляцией органического вещества и увеличением порового пространства.
Заметно увеличивалась при этом водоудерживающая способность почвы, загрязненной ТМ, в то время как нефть, заполняя все поры, снижала водоудерживающую способность. Низкая фильтрационная способность почвы при нефтяном загрязнении, вероятно, является одной из причин образования болот на загрязненных нефтью почвах. Загрязнение почвы нефтью и ТМ увеличивало время фильтрации воды через сухую почву, но уменьшало время фильтрации через увлажненную почву (таблица).
Влияние загрязнения дерново-подзолистой почвы на фильтрационные свойства
Показатели/варианты опыта Контрол ь Тяжелые металлы Нефть Нефть+ТМ
Время впитывания воды поверхностным/ нижним слоем, мм/мин 113-21 110-24 70-21 78-29
Время фильтрации 500 мл воды через сухую почву, мин 280 203 720 380
Время фильтрации 500 мм воды через влажную почву, мин 1260 600 9 суток 18960 мин 650
Водоудерживающая способность сухой почвы, мл 130 180 120 135
Водоудерживающая способность увлажненной почвы, мл 30 45 - 35
Плотный остаток мг/100мл раствора сухой/ влажной почвы 73/21 87/43 81/53 109/43
Совместно с промывными водами из почвенного слоя вымывались как внесенные, так и имеющиеся в почве соли. В варианте с ТМ вынос солей после двух промывок был максимально высок. Возможно, попадая в почву, внесенные соли способствуют усилению подвижности актуальных (имеющихся) поглощенных оснований. В варианте при совместном внесении нефти и ТМ установлен мак-
симальный вынос солей, после повторной промывки вынос солей здесь был в 2 раза выше, чем в контрольном варианте.
После месячного загрязнения почвы различными ингредиентами произошли значительные изменения активности окислительно-восстановительного фермента в почве (рис. 1).
♦ -Ряді
■ Ряд2
Ряд3
—X- Ряд4
—ж- Ряд5
• Ряд6
—I— Ряд7
Рис. 1. Влияние загрязнения на активность каталазы в дерново-подзолистой почве, см3О2 /мин: 1-9 - глубина слоя, дм, 1 ряд - контроль, 3 ряд - ТМ, 5 ряд - нефть, 7 ряд - нефть+ТМ
Исследованиями установлен максимально вы- заглубленных слоях выявлено незначительное уве-
сокий уровень активности каталазы в контрольном личение активности этого фермента.
варианте, который слабо изменялся по профилю, в ТМ не оказывали существенного негативного
воздействия на активность каталазы, за исключением поверхностного слоя. Значительные изменения активности окислительно-восстановительного фермента наблюдались в вариантах с нефтью. Несмотря на то, что нефть проникала на глубину 1520 см, снижение активности каталазы проявлялось по всему профилю (трубке). Совместное действие загрязняющих веществ (нефть+ТМ) было максимально негативным в слое 0-30 см, в то время как в заглубленных горизонтах активность каталазы была близка к контролю. Вероятно, уровень негативного воздействия нефти на активность каталазы может быть частично снят внесением низких доз минеральных солей.
Эмиссия углекислого газа из почвы, по мнению ведущих учёных [Ананьева, 2003], является инте-
Использование глюкозы микроорганизмами (СИД) в большей мере варьировало на разных глу-
гральным показателем экологического состояния почв. Она связана с биологической активностью микроорганизмов, выполняющих многогранные функции в почве. Согласно указанным работам, на основе показателя эмиссии углекислого газа можно диагностировать изменения в почве на ранних этапах нарушения микробных сообществ. Представляли интерес изменения биохимической активности микробных сообществ в почве однородного состава в условиях загрязнения её поллютантами различной природы.
Незначительные изменения активности базального дыхания в контрольном варианте во временном интервале видны из рис. 2. Выявлено ослабление биохимической активности микроорганизмов на глубине 20-40 см.
стабилизации биохимической активности микроорганизмов со временем.
Базальное дыхание (БД) первые сутки до промывки Метаболический коэффициент
—*- — контрол»
—■- -ТТ.1
ме-фіь
н^'З-тъ+ТГЛ
БД вторые сутки до промывки
БД третьи сутки до промывки
Рис. 2. Динамика активности эмиссии СО2 из дерново-подзолистой почвы до промывки
бинах, чем БД, что проявилось в варьировании и метаболического коэффициента, который изменялся по всему профилю от 0.1 до 0.3 и был минимальным к третьим суткам, что свидетельствует о
ТМ усиливали эмиссию СО2 из почвы первые сутки, однако на третьи сутки БД сильно снизилось, что может свидетельствовать о неблагоприятном влиянии ТМ на функционирование микроб-
ных систем. Подтверждением этому является резкое снижение СИД на третьи сутки. Метаболический коэффициент при этом превышал 0.3, что является показателем серьезного нарушения биохимической активности микроорганизмов (рис. 2). Обращает внимание стабилизация СИД по профилю и резкое снижение активности потребления глюкозы микроорганизмами со временем в почве с ТМ загрязнением.
Загрязнение почвы нефтью повышало БД в сравнении с контролем, но снижало степень активности микроорганизмов, что негативно проявилось на СИД и отразилось на уровне метаболического коэффициента, который увеличился до 0.8, что является показателем глубокого, критического нарушения функционирования микробных систем. Существенное увеличение Qr может свидетельствовать об ослаблении активности микроорганизмов использовать углеродсодержащие органические вещества, а стало быть, ослабление деструкции нефти. Отрицательное действие нефти на активность дыхания в большей мере проявилось в слое
Полученные данные (рис. 4) свидетельствуют о негативном действии нефтяного загрязнения на
БД первые сутки после промывки
20-40 см, где выявлен кислородный дефицит.
Совместное действие загрязняющих веществ (нефти и ТМ) усиливало БД в слое 10-20 см, но приводило к существенному понижению СИД по всему профилю.
Представляло интерес проследить за изменениями биохимической активности в загрязненной почве после промывки. Промывка, усиливая БД в первые сутки, приводит к резкому снижению дыхания в последующие дни, что обусловлено нарушением биохимической активности микроорганизмов. После промывки в почве, загрязненной нефтью, в первые сутки наблюдали увеличение эмиссии СО2 в более мощном слое (50 см) в сравнении с вариантом до промывки. Однако активность потребления глюкозы (СИД) была ниже, чем до промывки и резко снижалась в процессе компостирования. Почва варианта с комплексным загрязнением после промывки имела низкую биохимическую активность, что отчетливо проявилось на снижении СИД и как следствие на увеличении метаболического коэффициента (рис. 3).
дыхательную активность увлажненной почвы в поверхностных горизонтах.
Метаболический коэффициент
—*- — к
-ТТЛ
1-И-фТЬ
1-і* ТТЛ
Рис. 3. Динамика активности эмиссии СО2 из дерново-подзолистой почвы после промывки
Максимальные нарушения биохимической активности были выявлены в поверхностных гори-
До промывки
зонтах к третьим суткам в вариантах с нефтью и
при комплексном загрязнении.
После промывки
Рис. 4. Влияние загрязнения на величину метаболического коэффициента в почве до и после промывки
Метаболический коэффициент, свидетельствующий о биохимической активности микроорганизмов, после промывки достигает максимальных высот в вариантах: нефть, нефть+ТМ, но однако был ниже, чем до промывки.
Варьирование уровня дыхания по профилю обусловило необходимость проследить за суммарным выделением СО2 из почвы при загрязнении. Суммируя интенсивность эмиссии СО2 из различных слоев в течение 72 ч (трое суток) прослеживается положительное влияние нефтяного и смешанного загрязнения на БД, что связано с деструкцией
нефти, которая является мощным поставщиком углекислого газа. Загрязняющие ингредиенты, усиливая СИД первые сутки, не обеспечивали стабильности функционирования микробных систем во времени в отличие от контрольных вариантов (рис. 5). При этом степень нарушения микробных сообществ увеличивалась и максимально высокой была при комплексном загрязнении почвы.
Промывка снижает буферную способность почвы, что негативно проявляется в снижении СИД со временем компостирования.
Рис. 5. Степень нарушения биохимической активности микроорганизмов в загрязненной почве до
и после промывки
Заключение
Фильтрационная способность дерново-подзолистой почвы зависит от степени увлажнения почвы и природы загрязнителя. Скорость фильтрации воды в контрольном варианте через влажную почву была в 4.5 раза медленней, чем через сухую почву.
В загрязненной ТМ почве время фильтрации ускорялось, вероятно, в силу коагуляции органического вещества и увеличения порового пространства.
Нефтяное загрязнение, изменяя физико-химическое состояние почв, замедляло время впитывания воды и снижало скорость фильтрации в увлажненной почве в 15 раз по сравнению с контрольным вариантом, что может служить причиной застоя воды на поверхности почвы и образования верховых болот.
Загрязнение почвы нефтью на фоне ТМ загряз-
нения незначительно снижало фильтрацию воды через сухую почву и существенно сокращало время фильтрации через влажную почву, что следует учитывать при разработке методов ликвидации последствий нефтяного загрязнения.
Изменение водного режима загрязненных почв негативно отразилось на интенсивности биохимических процессов, осуществляемых микроорганизмами. Особенно отчетливо это проявилось на изменении активности окислительно-восстановительного фермента каталазы и субстрат-индуцированном дыхании (СИД) в варианте с нефтяным загрязнением. Негативное действие нефти на окислительные процессы проявлялось по всему профилю, несмотря на аккумуляцию нефти в поверхностном слое сухой почвы.
Загрязнение сырой, промываемой почвы понижало окислительные процессы только в слое акку-
муляции нефти (20 см).
Загрязнение почвы ТМ на фоне нефтяного загрязнения в засушливую погоду усиливало негативное действие нефти, что проявилось в снижении способности микроорганизмов использовать дополнительные источники углеводов, а это может привести к снижению вклада микроорганизмов в накопление углерода гумуса, замедлению процессов минерализации растительных остатков, оторфовыва-нию и заболачиванию почв.
Библиографический список
Ананьева Н.Д. Микробиологические аспекты самоочищения и устойчивости почв. М.: Наука,
2003. 223 с.
Базыкина Г.С. Анализ многолетней динамики элементов водного баланса типичных черноземов заповедной степи // Почвоведение. 2010. № 12. С. 1468-1478.
Галстян А.Ш. Ферментативная активность почв Армении. Ереван: Айастан, 1974. 260 с.
Шарков И.Н. Определение интенсивности продуцирования почвой СО2 адсорбционным методом // Почвоведение. 1984. № 7. С. 136-143.
Поступила в редакцию 30.05.2012
Influence of technogenic pollution on biophysical and biochemical properties of soddy-podzolic soils of taiga-forest zone
V. I. Kamenshchikova, candidate of biology, senior scientist
Natural Sciences Institute of Perm State University, 4 Genkel Str., Perm, Russia, 614990; [email protected]; (342)2396213
Studied water and biochemical properties of soddy-podzolic soils with broken structure for their pollution by heavy metals and oil. It is established, that the filtration capacity of the soil depends on the degree of moistening of the soil and the nature of the contaminant. Change in the water regime of soil polluted had a negative impact on the intensity of biochemical processes carried out by microorganisms.
Key words: soil contamination with oil; contamination of soils with heavy metals; biochemical properties; biophysical properties; sod-podzol soils.
Каменщикова Вера Иосифовна, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Естественнонаучный институт ФГБОУВПО «Пермский государственный национальный исследовательский университет»
