CC BY
42
Архипова Н.С., Денисова А.П.*, Бреус И.П.*
Татарский государственный гуманитарно-педагогический университет ‘Казанский государственный университет
ВЛИЯНИЕ УДОБРЕНИЙ, МЕЛИОРАНТОВ И РАСТЕНИЙ НА ДЕГРАДАЦИЮ ТРИДЕКАНА В ЗАГРЯЗНЕННОЙ ПОЧВЕ
При исследовании влияния цеолитсодержащей породы (ЦСП) и азотного удобрения (М) на фитотоксичность выщелоченного чернозема, загрязненного н-тридеканом (ТД), выявлена эффективность использования М. При внесении М и ЦСП биологическая активность загрязненной почвы достоверно возросла, причем в случае М также значительно снизилось содержание ТД. По результатам сделан вывод об основном вкладе микробной деструкции в биодеградацию ТД.
ВВЕДЕНИЕ
Углеводороды (УВ) - одни из приоритетных загрязнителей окружающей среды. В почву они поступают в результате аварий и утечек на предприятиях химической и нефтехимической промышленности, как продукты и отходы деятельности нефтедобывающих и нефтеперерабатывающих предприятий, а также из атмосферы - при сжигании нефтепродуктов. УВ нарушают водно-воздушный режим и структуру почвы, взаимосвязи почва - растение - вода, функционирование почвенных микробных сообществ и снижают почвенное плодородие [13]. При биологической рекультивации загрязненных почв необходимо создание оптимальных условий для развития естественного углеводородокисляющего микробоцено-за с помощью внесения органического или полного минерального удобрения (с преобладанием азота) - для оптимизации пищевого режима и химических мелиорантов -для улучшения водно-физических свойств почвы [2, 4, 5]. Так, природные цеолиты улучшают агрофизические и агрохимические свойства почв, нейтрализуют избыточную кислотность, повышают катионообменную емкость [6, 7].
Проводятся также исследования по использованию растений для рекультивации (фиторемедиации) почв, загрязненных УВ. Различная реакция растений на УВ зависит от их биоморфы и систематической принадлежности [8]; наиболее перспективными для фиторемедиации считают злаки и бобовые [9]. В ряде работ рассматриваются растительно-микробные взаимодействия как основа фиторемедиации [9, 10]. Показателем эффективного сочетания микробной деструкции с
фиторемедиацией является снижение фитотоксичности загрязненной почвы.
Целью данной работы было исследование процесса деградации н-тридекана в почве как результат деятельности растительно-микробного сообщества, а также влияния внесенных в почву азота и цеолитсодержащей породы на ее фитотоксичность, оцениваемую по состоянию индикаторных растений и общей биологической активности почвы.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
ИССЛЕДОВАНИЙ
Исследования проводили в вегетационном опыте с искусственно загрязненным выщелоченным черноземом (ВЧ), характерным для нефтедобывающих районов республики Татарстан. В почву вносили алифатический УВ - н-тридекан (ТД), 1% на абсолютно сухую почву. В вариант с азотом (N) вносили аммиачную селитру, 0,3 г д.в. на 1 кг почвы, цеолитсодержащую породу (ЦСП, Татарс-ко-Шатрашанского месторождения, состав: гейландит-клиноптилолит 12%; опал-крис-тобаллит 26%, смектит 20%, кварц 18%; кальцит 18%, полевой шпат 2%) вносили из расчета 25% от веса почвы. Через 14 дней инкубации проводили посев семян растений. Растения (кукуруза, Zea mays L., сорт Катерина, и овес, Avena sativa L., сорт Лос-3) выращивали в течение 34 дней в вегетационных сосудах (по 1,3 кг почвы), в каждом сосуде -по 6 растений кукурузы и 20 растений овса. Эти сельскохозяйственные культуры рекомендуют как индикаторные растения для оценки фитотоксичности УВ-загрязненных почв [8]. Т. о. схема опыта включала: 1. Почва без растений (контроль); N; ЦСП; ТД; ТД+N; ТД+ЦСП. 2. Те же варианты + куку-
руза. 3. Те же варианты + овес. Определяли энергию прорастания и всхожесть семян (на 3-й и 7-й день соответственно) и в конце опыта - высоту растений, надземную и корневую биомассу. Содержание н-тридекана в экстрактах почвы (CCl4) определяли на газожидкостном хроматографе « Кристаллюкс-4000» с капиллярной колонкой и пламенно-ионизационным детектором. Общую биологическую активность почвы определяли по интенсивности выделения CO2 почвой, не обогащенной (Vbasal) и обогащенной глюкозой (V ), на хроматографе «Chrom-5» с насыпной колонкой и катарометром. Для оценки интенсивности микробной деградации пол-лютанта и устойчивости микробного сообщества рассчитывали показатели
V ‘ (V /V )
basal 4 basal обработ. basal контр7’
V . ’ (V . бб /V . )* 100%
sir 4 sir обработ. sir контр7
и Qr (Vbasal/ Vsir). [11]
Статистическую обработку результатов проводили с использованием программы STATISTICA 6.0, Microsoft Excel.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Под фитотоксичностью УВ понимают их способность подавлять рост и развитие растений. На фоне ТД, особенно в варианте с внесением ЦСП, растения развивались медленнее, приобрели интенсивный желтый оттенок, кончики листьев подсохли, появились фиолетово-розовые полосы (особенно у кукурузы), что свидетельствовало об изменении пигментного состава листьев. Известно, что нефтяные УВ вызывают снижение содержания общего хлорофилла и хлорофилла а и усиление синтеза антоциана [12].
В таблице 1 приведены данные по всхожести семян кукурузы и овса, энергии и скорости их прорастания. Всходы появились на третий день - как в контроле, так и в вариантах с ТД и ТД+N. Энергия прорастания на фоне ТД и ТД+N у овса снижалась в среднем на 45%, а у кукурузы не отличалась от контрольного варианта (100%). В варианте с ТД+ЦСП появление всходов обеих культур задерживалось и энергия прорастания была низкой, особенно у овса (20% от контроля). Однако на 7-й день всхожесть семян
кукурузы и овса составляла 90-100% от контроля во всех вариантах опыта.
Высота растений на фоне ТД существенно снижалась: у кукурузы и овса - на 42 и 37% соответственно. В варианте ТД+ЦСП депрессия высоты обеих культур составляла около 40% от контроля, а в варианте ТД+N была достоверно меньше: у овса 30, а у кукурузы только 11%.
В опыте оценивали также изменение биомассы растений, корневой и надземной. Внесение в почву азота и цеолита улучшало рост корней по сравнению с контролем: у кукурузы в среднем в 1,9 раза, у овса в 1,3 раза. Однако на фоне ТД сухая масса корней снижалась во всех вариантах, причем у овса больше, чем у кукурузы. Наибольшее угнетение корневой системы у обеих культур наблюдали в варианте ТД+ЦСП (на 83 и 50% соответственно). При внесении в незагрязненную почву добавок, особенно азота, надземная биомасса также увеличилась: у кукурузы в 1,7 раза, у овса в 1,4 раза к контролю. Как и у корней, на фоне ТД и ТД+ЦСП депрессия надземной массы у кукурузы и овса составляла в среднем 69% относительно контроля, а в варианте ТД+N у кукурузы - 46%, а у овса 29%. Таким образом, при загрязнении у овса сильнее повреждались корни, а у кукурузы надземные органы. На фоне ТД внесение азота в почву было более эффективным, чем цеолита, - как для роста корней, так и надземной части растений.
Стимуляцию роста растений под действием добавок ряд авторов связывает с изменением биологической активности почвы [9, 10]. В нашем опыте общая биологическая активность ВЧ достоверно изменялась как в вариантах без растений, так и под растениями, таблица 2. Скорость базального дыхания является одной из важнейших биологических характеристик почвы. Она отражает количество доступного углерода для поддержания жизнедеятельности микроорганизмов и является мерой скорости его вовлечения в биохимические циклы [11, 13]. Наблюдавшиеся значения показателя V, ‘
bass
больше 1 свидетельствуют о том, что при внесении в почву ТД скорость базального дыхания увеличивалась в вариантах с рас-
Таблица 1. Влияние загрязнения выщелоченного чернозема н-тридеканом (1%) и внесения аммиачной селитры и цеолитсодержащей породы на всхожесть семян, высоту и сухую массу растений.
Культура Вариант опыта Всхожесть, % Высота растений, см Масса растений, г/сосуд
Надземная Ко] зни
Контроль Тридекан Контроль Тридекан Контроль Тридекан Контроль Тридекан
Кукуруза Без добавок 100,0 ± 0,0 100 ± 0,0 38 ± 6 22 ± 4 3,5 ± 0,7 1,2 ± 0,3 2,0 ± 0,3 1,9 ± 0,4
N 100,0 ± 0,0 100 ± 0,0 47 ± 4 41 ± 5 6,16 ± 1,2 3,3 ± 0,7 3,0 ± 0,8 2,8 ± 0,6
ЦСП 100,0 ± 0,0 100 ± 0,0 39 ± 3 22 ± 3 3,8 ± 0,2 1,2 ± 0,2 3,9 ± 1,3 1,8 ± 0,2
Овес Без добавок 85,2 ± 0,2 75,3 ± 0,2 24 ± 3 15 ± 2 3,8 ± 0,2 1,2 ± 0,1 4,5 ± 1,1 1,1 ± 0,2
N 80,1 ± 0,2 90,2 ± 0,1 36 ± 4 25 ± 2 5,2 ± 0,1 3,6 ± 0,4 5,6 ± 0,6 1,9 ± 0,2
ЦСП 90,1 ± 0,1 85,1 ± 0,1 27 ± 7 16 ± 3 5,0 ± 0,3 1,5 ± 0,2 6,1 ± 1,4 1,0 ± 0,2
Таблица 2. Влияние внесения аммиачной селитры и цеолитсодержащей породы в почву, загрязненную н-тридеканом (1%) на показатели общей биологической активности выщелоченного чернозема и остаточное содержание н-тридекана в почве через 34 дня после загрязнения.
Культура Вариант опыта Концентрация ТД, % от массы сухой почвы Уж,%
Контроль (почва без растений) Без добавок 0,8 0,9 73
ЦСП 0,5 1,5 79
N 0,2 2,15 140
Кукуруза Без добавок - 1,9 78
ЦСП 0,5 0,91 66
N 0,3 1,87 80
Овес Без добавок 0,8 1,2 77
ЦСП 0,7 0,80 61
N 0,3 1,4 92
тениями с добавлением азота или без него. Однако в вариантах с ЦСП этот показатель был меньше 1 как для кукурузы, так и для овса. В вариантах без растений УЬаж ‘ возрастал при добавлении ЦСП и N относительно варианта без добавок - в 1,7 и 2,4 раза соответственно.
Скорость субстрат-индуцированного дыхания отражает потенциальную активность почвенного микробоценоза; на фоне ТД У в среднем составляла 76% от вариантов без загрязнения. Показатель V ’ имел наибольшие значения в вариантах с добавлением азота, особенно без растений. Вероятно, это являлось следствием конкуренции растений и почвенных микроорганизмов за доступный азот [14]. В варианте ТД+ЦСП показатель V ’ был наиболее низким.
Значения коэффициента микробного дыхания (отношение скоростей базального и суб-страт-индуцированного дыхания) загрязненного ВЧ во всех вариантах в среднем составляли 0,23-0,40, а в незагрязненной почве - 0,16-
0,30. Такая незначительная разница указывает на то, что через месяц после внесения ТД нарушенность почвенного микробоцено-за была относительно слабой.
Анализ содержания остаточного УВ показал, что через месяц после загрязнения его концентрация в почве без внесенных добавок снизилась на 20% - как в варианте без растений, так и под растениями (овес), таблица 2. Напротив, ЦСП и N существенно ускорили процесс биодеградации ТД - на 40 и 75% соответственно.
Таким образом, внесение в почву цеолитсодержащей породы (содержащей, наряду с цеолитами, глинистые минералы) и азотного удобрения вызвало усиление процесса биологической деградации УВ-загрязнителя - н-тридекана и достоверное снижение фитотоксичности почвы. Особенно значимый положительный эффект оказало дополнительное внесение азота. Вероятно, прежде всего это связано с известным фактом влияния азота на улучшение питательного режима почвы, что положительно сказывается на жизнедеятельности аборигенных УВ-окисляющих микроорганизмов и росте растений [2, 5, 8]. Внесение цеолита в концентрации 25% усилило процесс деградации ТД почвенными микроорганизмами, вероятно, за счет изменения водно-воздушного режима почвы. Учитывая, однако, что в вариантах с растениями при
внесении ЦСП в загрязненную почву активность микроорганизмов снижалась, а состояние растений несколько ухудшалось, можно рекомендовать такие высокие дозы цеолита для «первичной» очистки УВ-загрязненных почв. Ее обычно проводят на первом этапе ремедиации с целью снижения первоначально высокой концентрации УВ, а далее высаживают растения для доведения почвы до экологически «чистого» состояния.
ВЫВОДЫ
1. Фитотоксичность выщелоченного чернозема, загрязненного н-тридеканом (1%), проявляется в снижении энергии прорастания, высоты и массы растений кукурузы и овса. Внесение азотного удобрения су-
щественно снижает, а цеолитсодержащей породы - практически не снижает фитотоксичность почвы.
2. Через месяц после внесения н-триде-кана в почву его содержание снижается во всех вариантах опыта - как без растений, так и под растениями, особенно в вариантах с внесением ЦСП и еще более - азота.
3. Показатели общей биологической активности выщелоченного чернозема указывают на то, что интенсивность процесса биодеградации н-тридекана в почве без растений возрастает при внесении ЦСП, и особенно - азота. В вариантах с растениями эти эффекты выражены меньше.
4. Микробная деструкция вносит основной вклад в биодеградацию ТД.
Список использованной литературы:
1. Солнцева Н.П. Добыча нефти и геохимия природных ландшафтов / Н.П. Солнцева. - М.: Изд-во МГУ, 1998. - 376 с.
2. Гилязов М.Ю. Агроэкологическая характеристика и приемы рекультивации нефтезагрязненных черноземов Республики Татарстан/ М.Ю. Гилязов, И. А. Гайсин. - Казань: Фен, 2003. - 228 с.
3. Dorn P.B. Temporal ecological assessments of oil contaminated soil before and after bioremediation/ P.B. Dorn, J.P.Salanitro/ / Chemosphere. - 2000. V.40. - P. 419-426.
4. Salanitro J.P. Bioremediation of PHCs in soil/ J.P.Salanitro// Advances in agronomy. - 2001. V.72. - P. 53-105.
5. Демидиенко А.Я. Изучение питательного режима почв, загрязненных нефтью/ А.Я. Демидиенко, В.М. Демурджан, Л.Д. Шеянова// Агрохимия. - №9, 1983. - С. 100-103.
6. Природные цеолиты. М.: Химия, 1985. - 223 с.
7. Якимов А.В. Цеолитсодержащие породы Татарстана и их применение/ А.В. Якимов. - Казань.: Изд-во Фен, 2001. - 176 с.
8. Киреева Н.А. Фитотоксичность антропогенно-загрязненных почв/ Н.А. Киреева, Г.Г. Кузяхметов, А.М. Мифтахова, В.В. Водопьянов.- Уфа: Гилем, 2003.- 266 с.
9. Susarla S. Phytoremediation: an ecological solution to organic chemical contamination/ S. Susarla, V.F. Medina, S.C. McCutcheon// Ecological Engineering. - 2002. - Т.18. - P. 647-658.
10. Кураков А.В. Микробная колонизация поверхности корней на ранних стадиях развития растений/ А.В. Кураков, Н.В. Костина// Микробиология. - 1997. - Т.66. - №3. - С. 394-401.
11. Благодатская Е.В. Оценка устойчивости микробных сообществ в процессе разложения поллютантов в почве/ Е.В. Благодатская, Н.Д. Ананьева// Почвоведение. - 1996. - №11. - С. 1341-1346.
12. Чупахина Г.Н. Адаптация растений к нефтяному стрессу/ Г.Н. Чупахина, П.В. Масленников// Экология. - 2004.-№5. - С.330-335.
13. Insam H. Developments in soil microbiology since the mid 1960s/ H. Insam // Geoderma. - 2001. V.100. - P.389-402.
14. Dakora F. D. Root exudates as mediators of mineral acquisition in low-nutrient environments/ F.D. Dakora, D.A. Phillips/ / Plant and Soil. - 2002. - Т.245. - P. 35-47.
