CC BY
25
УДК 574:504.53:579
Е. В. Чижевская, А. А. Чижевский, И. Ш. Абдуллин ВЛИЯНИЕ ЦЕОЛИТСОДЕРЖАЩЕЙ ПОРОДЫ И ЭСПАРЦЕТА НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ПОЧВЫ, ЗАГРЯЗНЕННОЙ СМЕСЬЮ УВ
Ключевые слова: цеолитсодержащей породы, выщелоченный чернозема, смесь углеводородов.
Изучалось влияние цеолитсодержащей породы Татарско-Шатрашанского месторождения и травянистого растения эспарцет - потенциального фитомелиоранта выщелоченного чернозема Республики Татарстан на биологические параметры почвы, загрязненной смесью углеводородов (УВ). Установлено положительное влияние комплексного применения мелиорантов на все изучаемые биологические параметры почвы, в том числе на фоне легких углеводородов (до 2%) в почве.
Keywords: zeolite-containing rocks, leached chernozem, mixture of hydrocarbons.
We also studied the effect of zeolite-containing rocks Tatar-Strasunskas field and herbaceous plants sainfoin - potential phytomelioration leached Chernozem of the Republic of Tatarstan on the biological parameters of soil contaminated with a mixture of hydrocarbons (HC). A positive effect of integrated application of ameliorants on all the studied biological soil parameters, including background light hydrocarbons (up to 2%) in the soil.
Введение
Хронические разливы нефти являются серьезной угрозой окружающей среде и здоровью людей. Они приводят к нарушению функционирования почвенных микробных сообществ и быстрой потере продуктивности земель [1, 2]. Если нефтяные загрязнения характерны в основном только для районов добычи, переработки и транспортировки нефти, то загрязнение нефтепродуктами, такими как дизельное топливо, керосин, смазочные масла, мазут и т.д., распространены повсеместно [3].
Наиболее перспективными подходами для рекультивации нефтезагрязненых почв являются микробиологические методы, поскольку именно биодеградация микроорганизмами является первичным механизмом удаления УВ соединений из загрязненных экосистем [4].
В последнее время разрабатываются и испытываются способы как для очистки почв от нефтяного загрязнения, так и приемы предотвращения распространения углеводородов по профилю почвы. Данные приемы необходимы, поскольку УВ загрязнители, как и многие другие химические контаминанты, оказывают токсический эффект на функционирование живых систем [5,6,7,13]. В частности, для сдерживания загрязнителя, попавшего в почву, применяются природные сорбенты - цеолитовые минералы; а для дальнейшей реабилитации загрязненных углеводородами экотопов - вегетация растений на загрязненных почвах [9,10].
Вместе с тем, состояние почвенного микробиоценоза загрязненной нефтяными углеводородами почвы при использовании цеолита мало изучено, так же как и при вегетации на такой почве растений.
Данная статья представляет данные по изучению биологических параметров загрязненной почвы (численность микроорганизмов,
ферментативная и биологическая активность почв)
при проведении таких мероприятий как внесение ЦСП и вегетация эспарцета.
Материалы и методы
Почва. Выщелоченный тяжелосуглинистый чернозем Алексеевского района Татарстана, имеющий следующие характеристики: солевой рН -5,28; азота легко гидролизуемого 80 мг/100г почвы, фосфора Р2О5 - 99 мг/100г почвы, калия обменного К2О - 99 мг/100г почвы.
Загрязнитель. Для загрязнения была использована смесь нефтяных УВ с температурой кипения 150-2100С (керосин). Уровень загрязнения почвы - 1% и 2% от веса воздушно-сухой почвы.
Сорбент. В работе использовалась ЦСП Татарско-Шатрашанского месторождения в концентрации 25% от веса воздушно - сухой почвы. Порода имеет следующие характеристики: опал-кристобалит (28%), гейландит-клиноптилолит (19%), глинистые материалы (26%), кальцит (22%), кварц (4%) и глауконит (2%). Оба образца почвы как с ЦСП, так и без нее были искусственно загрязнены керосином.
Растение. В опыте использовалась аборигенная для РТ трава эспарцет (ОпоЬгусЫБ) -многолетнее травянистое растение семейства бобовых с сильно развивающейся глубоко проникающей в почву корневой системой. Растение не требовательно к типу почвы, но лучше развивается на черноземах и почвах, богатых известью.
Были заложены следующие варианты опыта: 1) загрязненная УВ почва, 2) загрязненная УВ почва с 25% татарской ЦСП, 3) загрязненная УВ почва с эспарцетом, 4) загрязненная УВ почва с 25% татарской ЦСП и эспарцетом.
Контролем служила незагрязненная почва без мелиорантов. Каждый опыт был проведен в трех повторностях.
Культивирование растения вели в вегетационных сосудах в аппарате "Флора" в течение 14 суток.
Биологические параметры почвы. V'bas рассчитывали как отношение дыхания загрязненной и незагрязненной почвы [1].
Численность аэробных гетеротрофных и углеводородокисляющих микроорганизмов
определяли на МПА и синтетической среде следующего состава (г/л дистиллированной воды): (№4)2804 - 1 г/л, Мя804 - 0,25 г/л, КН2РО4 - 3 г/л, №2НР04 * 12Н20 - 4,5 г/л, керосин - 11 мл/л
Дегидрогеназную активность определяли методом Ленарда и выражали в мг формазана на грамм почвы за сутки. Уреазную активность определяли методом Каупа и выражали в мг мочевины на грамм сухой почвы за 1 час.
Количество углерода микробной биомассы оценивали экстракционно-фумигационным методом [11].
Результаты и обсуждение
Прежде, чем исследовать комбинированное влияние ЦСП и растения на микробиоценоз загрязненной почвы, мы рассмотрели влияние загрязнения на почвенную экосистему выщелоченного чернозема. Изучение
микробиологических параметров почвы показало, что загрязнение почвы смесью УВ приводит к увеличению численности и активности микроорганизмов почвенного сообщества.
Количество гетеротрофных (ОМЧ) и углеводородокисляющих микроорганизмов (УОМ) повышалось при загрязнении почвы в 10,4 и 3,9 раз для ОМЧ и УОМ, соответственно (рис.1,2)
г+1
гЬ
-г-Н гН Ни
Г4!
г—-1. ___
У /
о
»« «¡> Ж
? /
м п И
Рис. 1 - Численность гетеротрофных микроорганизмов в почве с ЦСП и эспарцетом при разных уровнях УВ загрязнения
Рис. 2 - Численность углеводородокисляющих микроорганизмов в почве с ЦСП и эспарцетом при разных уровнях УВ загрязнения
Следует отметить, что численность гетеротрофных микроорганизмов была выше на 2-3 порядка, чем количество углеводородокисляющих. Поскольку способность адаптации микробиоценоза почвы к УВ выражается в увеличении количества микроорганизмов, способных выдерживать токсический стресс поллютанта, то была определена доля УОМ в сообществе. Она повысилась при загрязнении почвы УВ также как и другие биологические параметры почвы [8,12] (дегидрогеназная и уреазная ферментативная активность, количество биологического углерода почвы) (табл.1, 2, рис.3).
Таблица 1 - Отношение гетеротрофных и углеводородокисляющих микроорганизмов в сообществе почвы с ЦСП и эспарцетом при разных уровнях УВ загрязнения
Отношение ОМЧ/УОМ /Варианты опыта Концентрация смеси УВ
0% 1% 2%
Почва 64,05 68,41 172,88
Почва+25%ЦСП 10,14 16,58 6,35
Почва+эспарцет 360,04 1076,27 123,98
Почва+эспарцет+25% ЦСП 249,13 169,61 41,06
Таблица 2 - Ферментативная активность почвы с ЦСП и эспарцетом при УВ загрязнении
Ферментативная активность/Варианты опыта Концентрация керосина, %
0 1 2
Дегидрогеназа, мг формазана/кг почвы*сут Почва 1,78±0,49 9,61±0,754 8,36±0,462
Почва с 25%ЦСП 2,30±0,75 9,96±0,83 17,0±3,07
Почва+эспарцет 3,41±0,80 10,85±0,41 11,50±0,64
Почва+эспарцет+25%ЦСП 3,96±1,13 4,686±0,23 23,44±0,91
Уреаза, мг мочевины/кг почвы*час Почва 20,00±3,5 36,00±8,60 23,12±9,24
Почва с 25%ЦСП 40,00±6,20 84,98±12,40 26,06±10,80
Почва+эспарцет 41,37±5,40 39,62±0 21,40±3,42
Почва+эспарцет+25%ЦСП 79,78±5,20 90,09±9,00 61,37±8,25
Для адекватной оценки состояния почвенного биоценоза в присутствии УВ, необходимо использовать интегральные параметры его активности, такие, например, как У'Ьаз. У'ЬаБ является отношением базального дыхания загрязненной и незагрязненной почвы и отражает степень доступности органического вещества для почвенных микроорганизмов. Значение параметра меньше 1,0 означает, что деградация загрязнения происходит слабо или не происходит вообще. Присутствие в почве 1% и 2% смеси УВ вызвало повышение показателя на 16,58% и 32,96%, соответственно (табл.2). Это указывает на то, что повысилась приспособляемость почвенной микрофлоры к токсическим условиям среды.
При внесении в почву ЦСП количество гетеротрофных микрооорганизмов уменьшилось (по сравнению с почвой без сорбента) как в незагрязненной, так и в загрязненной почве (рис.1). Возможно, уменьшение количества высеваемых микроорганизмов при добавлении в почву ЦСП связано с сорбцией части микроорганизмов цеолитом (5,9).
Количество УОМ в почве с цеолитом имело сходный тренд изменения с изменением численности УОМ в почве без ЦСП - увеличение на 1-2 порядка при загрязнении почвы смесью УВ (рис.2).
Расчет соотношения ОМЧ/УОМ показал, что при всех дозах загрязнителя соотношение было меньше в почве при внесении в нее цеолита, то есть, доля деструкторов ксенобиотика в сообществе данного почвенного образца была высока (Табл.1). Можно предположить, что происходит сорбция УВ на минерале, что снижает их отрицательное воздействие на микроорганизмы и делает их более доступными для трансформации почвенной микрофлорой (9,5,10,12,13). Кроме того, несорбированная минералом часть загрязнителя может стимулировать развитие у свободноживущих микроорганизмов приспособляемости к
углеводородным токсическим условиям среды.
При влиянии антропогенного загрязнения на почвенную микрофлору часто используется показатель количества биологического углерода почвы, который отражает общее количество организмов почвы (14,15). Если при учете чашечным методом учитываются лишь вегетативные клетки и споры микроорганизмов, то определение количества биологического углерода дает понятие об общем числе жизнеспособных клеток. Наши данные показали, что значения микробной биомассы коррелировали с ОМЧ при разных концентрациях смеси УВ, и показатель также был больше в почве без цеолита в 1,8-8,3 раза в зависимости от уровня загрязнения (рис.2).
Поскольку численность микроорганизмов не всегда отражает напряженность биохимических процессов, то нами были определены ферментативные активности почвы.
Распад УВ связан с окислительно-восстановительными процессами в почве, происходящими при участии различных ферментов.
Фермент дегидрогеназа широко распространен у микроорганизмов, особенно у УОМ, и характеризует особую метаболическую активность почвенной микрофлоры. Активность дегидрогеназы указывает на интенсивность процессов разложения УВ (2,16).
Внесение ЦСП в загрязненную почву увеличивает дегидрогеназную ферментативную активность: в загрязненной 2% смеси УВ почве с цеолитом она была выше на 51% (табл.2). Повышение дегидрогеназной активности обозначает начало восстановительных процессов почвы, повышение активности почвенной микрофлоры и интенсивности процессов биоразложения (2).
Уреаза - фермент, осуществляющий гидролиз мочевины до углекислого газа и аммиака. Активность ферментов азотного обмена является важным диагностическим показателем
интенсивности процессов мобилизации почвенного азота. Уреаза обладает высокой устойчивостью против ингибирующих агентов. Кроме того ряд авторов отмечает, что ее активность возрастает при углеводородном загрязнении почвы (2).
Тренд изменения уреазной активности в почве без минерала был аналогичен таковому дегидрогеназы: добавление смеси УВ в концентрации 1% приводило к увеличению значения показателя как в почве без цеолита, так и при добавлении сорбента (табл.2). Уровень уреазной активности при 1% загрязнении почвы составлял 36,123 мг мочевины/кг почвы*ч для почвы без цеолита и при этом в почве с сорбентом значение превышало в 2,4 раза ферментативную активность в почве без ЦСП. Возможно, цеолит оказал протекторный эффект на микроорганизмы и выработку ими уреазы (17,18).
Что касается расчета УЬаБ, то в нашем случае, микробиоценоз почвы, загрязненной 1% УВ был наиболее активен при добавлении ЦСП, но при повышении концентрации загрязнителя до 2% картина была противоположной - УЬаБ почвы с ЦСП был ниже, чем показатель почвы без минерала (табл.2).
Поскольку, как было сказано выше, для увеличения биодеградации загрязнителя
применяется выращивание растений, то нами были оценены биологические параметры загрязненной почвы при вегетации на ней травянистого растения эспарцет. Выбор растения был осуществлен нами ранее на основании исследования биометрических параметров растения и биологических показателей околокорневой почвы, загрязненной УВ.
Несмотря на то, что количество гетеротрофных микроорганизмов уменьшалось при загрязнении почвы с эспарцетом, тем не менее, ОМЧ при 0% и 1% загрязнении почвы под эспарцетом было выше на 1-2 порядка, чем в соответствующих образцах незасеянной почвы. (рис.1). В литературе также имеются сведения о стимуляции растениями роста численности микроорганизмов и протекторной роли растений против токсического действия загрязнителей (19,20,21). В нашем исследовании показано, что
эспарцет также как и многие другие растения предорхраняет микроорганизмы почвы от УВ токсического шока.
Количество УОМ во всех рассматриваемых ранее почвенных образцах имело сходный тренд изменения - увеличение численности при УВ загрязнении почвы (рис. 2). Соотношение ОМЧ/УОМ было высоким в околокорневой почве. Таким образом, вегетация эспарцета не привела к увеличению доли специализированной группы деструкторов ксенобиотика в сообществе микроорганизмов (табл.1).
Помимо численности микроорганизмов мы также определили количество биологического углерода почвы, и было выявлено, что вегетация эспарцета привела к увеличению показателя относительно незасеянной почвы в 13,34, 1,42 и 2,03 раза в незагрязненной почве, при 1% и 2% загрязнении, соответственно (рис.2).
Что касается ферментативных активностей почвы, то показано, что вегетация эспарцета не привела к значительному изменению показателей почвы (табл.2).
Но загрязнение почвы 1% смеси УВ, а также культивирование на ней эспарцета привело к незначительному увеличению V'bas на 13,7% (табл.2), хотя увеличение концентрации загрязнителя снизило этот показатель до уровня почвы без обработки.
Полученные нами данные позволили предположить комплексное протекторное действие ЦСП и растений на микробиоценоз загрязненной почвы.
При выращивании растения в почве с цеолитом выявлено протекторное действие сочетания факторов на гетеротрофный блок и на специализированную группу микроорганизмов (рис.1,2). Количество УОМ было большим примерно на порядок относительно других образцов при максимальной концентрации загрязнителя в почве и составило 4,86*106 КОЕ/г почвы.
Кроме того, расчет отношения гетеротрофных и углеводородокисляющих микроорганизмов показал, что вегетация растения на почве с ЦСП привела к его снижению и, то есть, к увеличению доли УОМ (табл.1). Такой феномен может быть связан с комплексным эффектом мелиорантов на экотоп загрязненной почвы.
При всех уровнях загрязнения количество почвенного биологического углерода было сравнимо с показателем засеянной почвы без минерала, и мало изменялось при разной концентрационной нагрузке загрязнителя. Но все же, определение количества почвенного биологического углерода выявило, что при добавлении в почву 25% ЦСП показатель снижался, но вегетация эспарцета на этой почве привела к увеличению биомассы почвенных микроорганизмов (рис.2).
Вегетация эспарцета на почве с ЦСП привела к увеличению дегидрогеназной ферментативной активности лишь при 2% загрязнении (табл.2). Но уреазная активность при
вегетации растения на почве с цеолитом увеличилась в 2-3 раза относительно других почвенных образцов с разными уровнями загрязнения (табл.2).
Расчет коэффициента V'bas показал, что 1% загрязнение почвы с ЦСП, засеянной эспарцетом, привел к снижению на 36,4% активности почвенного микробиоценоза почвы, в то время как применение исследуемых мелиорантов по отдельности увеличило V'bas. Возможно, это объясняется сорбцией источников позиционно доступного углерода (корневых экссудатов растения и УВ) в порах цеолита
2% загрязнение УВ привело к повышению доступности почвенного углерода в данном образце почвы и V'bas стал выше, чем при 1% загрязнении на 67,4%.
Таким образом, присутствие цеолита в почве с эспарцетом оказывает выраженное протекторное действие на микробное сообщество, защищая его от негативного влияния загрязнителя.
Заключение
1. Углеводородное загрязнение выщелоченного чернозема с цеолитом привело к увеличению доли специализированной группы деструкторов ксенобиотика, доступности органического углерода почвы для микроорганизмов, почвенной дегидрогеназной и уреазной активности.
2. Выращивание эспарцета на загрязненной смесью углеводородов почве оказало стимулирующее действие на численность обеих исследованных групп микроорганизмов, но доля деструкторов углеводородов не возросла по сравнению с незасеянной почвой. В то же время, ферментативные активности почвы (дегидрогеназная и уреазная) повысились, в том числе и в загрязненном черноземе. Высокий показатель V'bas свидетельствует, что происходит деградация загрязнения.
3. Выращивание эспарцета на выщелоченном черноземе на фоне цеолитсодержащей породы привело к увеличению численности аэробных гетеротрофных и углеводородокисляющих микроорганизмов, доли специализированной группы деструкторов ксенобиотика, дегидрогеназной и уреазной ферментативной активности почвы, а также показателя V'bas и доступности органического вещества почвы для микроорганизмов особенно в условиях 2% загрязнения углеводородами легкой фракции, по сравнению с контрольным образцом почвы без мелиорантов. Таким образом, нами было показано, что все изучаемые параметры почвы были выше при совместном применении ЦСП и эспарцета. Исключение составляет лишь индивидуальное использование ЦСП, при котором наиболее велика доля углеводородокисляющих микроорганизмов (соотношение ОМЧ/УОМ), и выращивание
эспарцета, которое приводит к увеличению активности почвенного микрообиоценоза (V'bas).
Полученные результаты по влиянию цеолитсодержащей породы Татарско-
Шатрашанского месторождения и потенциального фитомелиоранта - травянистого растения эспарцет на биологическую активность загрязненного УВ выщелоченного чернозема позволяют
предположить, что применение комбинации данных мелиорантов целесообразно для предотвращения распространения загрязнителя по профилю почвы и для защиты биоценоза от токсического действия поллютанта.
Литература
1. Благодатская Е. В., Ананьева Н. Д. Оценка устойчивости микробных сообществ в процессе разложения поллютантов в почве // Почвоведение. -1996. - № 11. - С. 1341-1341.
2. Киреева Н. А., Водопьянов В. В., Мифтахова А. М. Биологическая активность нефтезагрязненных почв -М.: Изд-во «Гилем», 2001.-377 с.
3. Солнцева Н.П., Пиковский Ю.И., Никифова Е.М. Проблемы загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами// Геохимия, экология, рекультивация/Докл. симп. Х11 делегатского съезда Всесоюзного общества почвоведов, 9-13 сентября 1985г. -С.246-254.
4. Leahy J. G., Corwell R. Microbial Degradation of Hydrocarbons in the Environment // Microbiological Reviews, Sept. - 1990. - P.305-315.
5. Буров А. И. Цеолитсодержащие породы Татарстана и их применение - Казань: Изд-во "Фэн", 2001. - 176с.
6. Смирнова Е. В. Транспорт и распределение жидких углеводородов в выщелоченном черноземе: автореф. дис. канд. биол. наук / Е. В. Смирнова. - Казань, 2003.
7. Margesin R., Zimmerbauer A, Schinner F. Monitoring of bioremediation by soil biological activities // Chemosphere. - 1999. - P.340-345.
8. Марченко А.И., Соколов М.С. Фиторемедиация почв, загрязненных нефтепродуктами : опыт Канады // АГРО XXI. - 2001. - № 1. С.20-21.
9. Fuierer A.M., Bowman R.S., Kieft T.L. Sorption and microbial degradation of toluene on a surfactant-modified-zeolite support // The Sixth International In Situ and On-Site Bioremediation Symposium. - San Diego, Colifornia, June 4-7. 2001 2001. - P.131.
10. Nichols T.D., Wolf D.C., Rogers H.B., Beyrouty C.A., Reynolds C.M.: Water, Air, and Pollution 95, 165-178 (1997).
11. -ISO 14240-2 determination of soil microbial biomass -Part 2: fumigation-extraction method. - 1998. - 12p.
12. Е.Э. Школьников, Еремец Н.К., Павленко И.В., Неминущая Л.А., Скотникова Т.А., Токарик Э.Ф., Бобровская И.В., Филимонов Д.Н., Гаврилов В.В., Ковальский И.В., Канарская З.А., Хусаиноа И.А. Экобиотехнологические препараты для агропромышленного комплекса России. Вестник Казанского технологического университета. - 2014. -№13. с. 255 - 263.
13. Захаров KC., Колпаков А.И., Ильинская О.Н., Низамов И.С., Пономарев В.Я., Маргулис А.Б. Генотоксические эффекты новых гиперразветвленных полимеров. Вестник Казанского технологического университета. - 2014. - №14. с. 367 - 369.
© Е. В. Чижевская - к.б.н., студ. ГАОУ СПО КМК, evlad2002@mail.ru; А. А.Чижевский - к.х.н., с. н. с. каф. ПМТВМ КНИТУ, chaaman@mail.ru; И. Ш. Абдуллин - д. т. н., проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, abdullin_i@kstu.ru.
© E. V. Chizhevskaya, c.b.s., stud. GAOU ACT KMK, evlad2002@mail.ru; А. А. Chizhevsky, c.c.s, senior researcher, caf. PMTM KNRTU, chaaman@mail.ru; 1 Sh. Abdullin, D. T. N., Professor, head of the Department"Chemical and nanotechnology macromolecular materials, KNRTU, abdullin_i@kstu.ru.
