Физиологическая активность рекультивированных аллювиальных почв при разном остаточном содержании нефтепродуктов

Полный текст

Значительная часть речных пойм представлена аллювиальными почвами. Вследствие высокой плодородности на них осуществляется активная сельскохозяйственная деятельность. Загрязнение аллювиальных почв нефтью и продуктами ее трансформации не только снижает их плодородность, но и увеличивает риск попадания поллютантов в поверхностные воды, что требует проведения рекультивационных мероприятий. В связи с этим возникает закономерный вопрос: как уровень остаточного содержания нефтепродуктов в рекультивированной аллювиальной почве влияет на физиологическую активность микробного пула, способность к восстановлению плодородия?

Рекультивированная почва может сохранять токсичность, обусловленную как самими нефтепродуктами, так и вторичными метаболитами, образующимися в процессе трансформации углеводородов нефти [16]. Аллювиальные почвы характеризуются слоистостью и обладают большим разнообразием состава и свойств. В связи с этим можно предположить, что способность различных типов аллювиальных почв преодолевать негативное воздействие нефтепродуктов будет отличаться. Самовосстановление экосистем определяется поведением аборигенных видов разного уровня организации: водорослей, грибов, травянистых и древесных растений [20]. Ведущая роль в нейтрализации поллютантов в почве отводится микрофлоре [7; 12; 14]. Скорость восстановления нормальных свойств почв определяется активностью ее микробного пула. Для оценки состояния и биологической активности почв применяются различные приемы: определяются качественный и количественный состав микрофлоры [6; 11; 13; 17]; ферментативная активность почв [1; 8; 9; 11]; интенсивность почвенного дыхания [2; 3; 16; 21]. Некоторые исследователи судят о состоянии микробного пула нефтезагрязненных почв по лизису колоний азотобактера, дезаминированию аминокислот и отношению микроорганизмов к кислороду [19].

В настоящем исследовании для определения биологической активности рекультивированных аллювиальных почв были использованы показатели почвенного дыхания. Многими авторами почвенное дыхание рассматривается как наиболее удобный и информативный показатель эколого-физиологического состояния почв [2; 3; 22]. Сведения о состоянии и потенциале микробного пула загрязненных почв позволяют экономически и экологически обосновать, оптимизировать проводимые рекультивационные и восстановительные мероприятия, осуществить разработку региональных нормативов допустимого остаточного содержания нефтепродуктов в почве (ДОСНП).

Цель исследований состоит в оценке функционального состояния рекультивированных аллювиальных почв при разном остаточном содержании нефтепродуктов.

Объекты и методы исследований. Исследования проводили в модельных опытах. Образцы почв были отобраны на территории Республики Татарстан, Чувашской Республики и Московской области. Изучаемые почвы представлены тремя типами: аллювиальная болотная иловато-глеевая, аллювиальная дерновая, аллювиальная луговая (табл. 1). Воздушно-сухую почву освобождали от механических примесей, остатков растений и вносили различное количество сернистой нефти Ямашинского месторождения Республики Татарстан.

 

Таблица 1

Интервалы остаточного содержания нефтепродуктов в опытных вариантах исследованных рекультивированных аллювиальных почв

Тип почвы	Условное обозначение	Механический состав	НП, г/кг
Аллювиальная болотная иловато-глеевая	Абс Абу	Среднесуглинистая Супесчаная	1,7–11,7 1,1–9,9
Аллювиальная дерновая	Адт(М) Адт(Ч) Адт Адл	Тяжелосуглинистая Тяжелосуглинистая Тяжелосуглинистая Легкосуглинистая	0,8–9,9 1,8–6,5 1,9–6,0 1,6–5,7
Аллювиальная луговая	Алс Алу(М) Алу	Среднесуглинистая Супесчаная Супесчаная	1,6–5,8 1,5–7,9 1,6–12,0

 

Эксперименты по условной рекультивации проводили в контейнерах размером 180х140х90 мм, содержащих по 1400 г воздушно-сухой почвы, при установленной влажности 60% от полной влагоемкости и температуре окружающего воздуха 20–25 ^оС. В качестве контроля (К) использовали чистые почвы. Еженедельно проводилось рыхление контрольных и опытных почвенных образцов. Длительность эксперимента составила 6 месяцев. Суммарное содержание нефтепродуктов (НП) в почве определяли ИК-спектрофотометрическим методом на анализаторе КН-2м [15]. Величину почвенного дыхания устанавливали газохроматографическим методом [5]. Были определены скорости базального дыхания (Vбазал) и субстрат-индуцированного дыхания (Vсид) [1], рассчитан коэффициент микробного дыхания (Qr = Vбазал/Vсид) [22].

Результаты исследований. Среди исследуемых почв встречались как легкие супесчаные почвы, так и почвы с тяжелым механическим составом (тяжелосуглинистые и легкоглинистые). Остаточное содержание НП в опытных образцах определялось количеством внесенной нефти, типом почв и интенсивностью протекающих в них физико-химических и микробиологических процессов (табл. 1).

Известно, что загрязнение почвы нефтью сопровождается активизацией почвенного дыхания [3; 10]. В проведенных экспериментах интенсивность базального дыхания, отражающая доступность питательных субстратов, характеризовалась большим разнообразием. Выделяются три группы почв:

1. Почвы с низким уровнем Vбазал (Абс, Абу, Адл), Интенсивность дыхания этих почв практически не зависела от остаточного содержания поллютанта и составляла 2,27–3,80 мкг СО₂/г∙час (рис. 1А);
2. В опытных образцах Алу, Адт и Алу(М) Vбазал возрастало по мере увеличения концентрации НП, а затем стабилизировалось либо несколько снижалось;
3. В почвах третьей группы Алс, Адт(М), Адт(Ч) Vбазал возрастала по мере увеличения остаточного содержания НП.

 

Таблица 1

Интервалы остаточного содержания нефтепродуктов в опытных вариантах исследованных рекультивированных аллювиальных почв

Тип почвы	Условное обозначение	Механический состав	НП, г/кг
Аллювиальная болотная иловато-глеевая	Абс Абу	Среднесуглинистая Супесчаная	1,7–11,7 1,1–9,9
Аллювиальная дерновая	Адт(М) Адт(Ч) Адт Адл	Тяжелосуглинистая Тяжелосуглинистая Тяжелосуглинистая Легкосуглинистая	0,8–9,9 1,8–6,5 1,9–6,0 1,6–5,7
Аллювиальная луговая	Алс Алу(М) Алу	Среднесуглинистая Супесчаная Супесчаная	1,6–5,8 1,5–7,9 1,6–12,0

 

При этом потолок скорости эмиссии СО₂ в испытанном интервале содержания поллютанта в этих почвах не был достигнут. Существенным обстоятельством является то, что во всех условно рекультивированных почвах даже при максимальных уровнях остаточного содержания не выявлено ингибирующее действие НП на интенсивность базального дыхания. Величина эмиссии СО₂ в рекультивированных почвах всегда была выше, чем в контрольных почвенных образцах. Повышенный уровень дыхания свидетельствует о продолжающейся деструкции НП.

Субстрат-индуцированное дыхание дает представление о количестве жизнеспособных микробных клеток, что позволяет оценить потенциал микробного пула почвы. В экспериментах обнаружены значительные различия в значениях Vсид изученных почв. Уровень Vсид в Абу почве не превышал 8,14 мкг СО₂/г∙час, тогда как в Алс почве он достигал 39,52 мкг СО₂/г∙час. При разном остаточном содержании НП в Адт почве наблюдались выраженные синусоидальные колебания значений Vсид (рис. 1Б), а в Адт(Ч) почве ее значения были ниже, чем в контроле. Принципиальное отличие Vсид от Vбазал исследуемых почв состояло в том, что в большинстве рекультивированных почв значения Vсид были близки к уровню контроля, тогда как значения базального дыхания во всех случаях были значительно выше, чем в контроле (рис. 1 А, Б).

Показатели Qr позволяют охарактеризовать устойчивость системы почвенных микроорганизмов к факторам воздействия, оценить стабильность микробного сообщества и разбалансированность почвенных окислительных процессов [3; 22]. Согласно [3; 21], значения Qr = 0,1-0,3 отражают достаточно устойчивое и стабильное состояние микробного пула. Более высокие величины указывают на наличие неблагоприятных климатических или антропогенных воздействий. Значения Qr, равные 1,0 и выше, являются индикатором крайней степени воздействия на микробоценозы почв. Из исследованных наиболее устойчивыми оказались микробные сообщества Алу(М), Алу, Абс почв, значения Qr которых в испытанном диапазоне содержания поллютанта варьировали в интервале 0,18–0,27 (рис. 1 В). В опытных вариантах рекультивированной Адт было зарегистрировано наибольше нарушение стабильности микробного пула, а в Адл и Адт(Ч) почвах разбалансированность процессов регистрировалась при содержании поллютанта выше 4,0 г/кг. Значения коэффициента микробного дыхания Абу, Адт(М) и Алс почв в испытанном диапазоне не превышали 0,4, что близко к «нормальному» состоянию микрофлоры и указывает на их способность к быстрому самовосстановлению свойств и плодородия (рис. 1В).

 

Рис. 1. Дыхательная активность рекультивированных аллювиальных почв: А – Vбазал; Б – Vсид; В – Qr.

 

Для определения функционального состояния рекультивированных нефтезагрязненных почв был также использован предложенный Благодатской и Ананьевой подход [4], согласно которому, степень негативного воздействия на микробное сообщество оценивается по величине Q`r равной отношению значений Qr загрязненной почвы к Qr контрольной почвы (Q`r = Qr загр./Qr контр.) (табл. 2).

 

Таблица 2

Степень нарушения устойчивости микробного сообщества почв [4]

Величина Q`r	Степень воздействия
1	Отсутствует
1 – 2	Слабое
2 – 5	Среднее
5 – 10	Сильное
>10	Катастрофическое

 

Во всех рекультивированных аллювиальных почвах проявлялось воздействие НП на сообщество почвенных микроорганизмов (Q`r опытных образцов во всех выше, чем контрольных). Степень нарушения стабильности микробного пула зависела от остаточного содержания НП, типа почвы, и отличалась существенным образом. Слабое влияние НП на микробное сообщество обнаруживалось в Алу, Алу(М) и Абу почвах (рис. 2). Состояние двух последних представляется наиболее благоприятным. В остальных почвах в существующем на момент завершения рекультивации диапазоне остаточных концентраций НП, определена средняя степень воздействия на микробный пул. Наибольшее воздействие НП на микрофлору выявлено в Адт(Ч) при концентрации поллютанта выше 4,0 г/кг и в Алс выше 3,0 г/кг. В Адт(М) и Абс почвах по мере увеличения содержания НП наблюдалось постепенное снижение устойчивости микробного сообщества.

 

Рис. 2. Воздействие остаточных концентраций НП на коэффициент микробного дыхания рекультивированных аллювиальных почв Q`r (Q`r = Qrзагр. /Qr контр.)

 

На основании полученных значений Qr и Q`r было рассчитано предельное остаточное содержание НП, при котором проявляется их слабое воздействие на микробное сообщество (табл. 3). В экспериментах наибольшую устойчивость к нефтяному загрязнению проявили микробные сообщества Абу и Алу(М) почв. В Адт и Адт(М) почвах естественный ход обменных процессов нарушался при остаточном содержании НП меньше 3,0 г/кг.

 

Таблица 3

Предельное остаточное содержание (ПОС) НП в почвах, при котором наблюдается их слабое воздействие на микробное сообщество

Тип почвы	Механический состав	Условное обозначение	ПОС НП, г/кг
Аллювиальная болотная	Супесчаная	Абу	9.9
Аллювиальная луговая	Супесчаная	Алу(М)	9,9
Аллювиальная луговая	Супесчаная	Алу	6,5
Аллювиальная дерновая	Легкосуглинистая	Адл	5,7
Аллювиальная луговая	Среднесуглинистая	Алс	5,7
Аллювиальная болотная	Среднесуглинистая	Абс	5,0
Аллювиальная дерновая	Тяжелосуглинистая	Адт(Ч)	4,7
Аллювиальная дерновая	Тяжелосуглинистая	Адт	2,9
Аллювиальная дерновая	Тяжелосуглинистая	Адт(М)	2,7

 

Проведенное ранжирование аллювиальных почв наглядно показывает, что микробные сообщества легких почв более устойчивы к воздействию НП. Из представленных данных очевидно, что проведение восстановительных мероприятий на аллювиальных луговых почвах потребует большего внимания, чем работы, проводимые на загрязненных аллювиальных болотных и луговых почвах.

Выводы

1. Остаточное содержание НП в испытанном диапазоне концентраций стимулировало интенсивность базального дыхания рекультивированных аллювиальных почв. Субстрат-индуцированное дыхание в большинстве случаев оставалось на уровне контроля, а в некоторых почвах незначительно снижалось.
2. Показатели почвенного дыхания (Vбазал, Qr) свидетельствуют о том, что в рекультивированных аллювиальных почвах на фоне нарушения стабильности сообщества почвенных микроорганизмов продолжается минерализация нефтепродуктов.
3. Микрофлора аллювиальных почв способна преодолевать негативное влияние высоких концентраций нефти. В условиях минимальных рекультивационных мероприятий (увлажнение, рыхление) из 9 изученных почв в 6 выявлена средняя степень воздействия поллютанта на микробный пул; в 3 почвах воздействие определено как слабое.
4. Микробные сообщества легких аллювиальных почв более устойчивы к воздействию нефтепродуктов. Проведение восстановительных мероприятий на аллювиальных луговых почвах потребует большего внимания, чем рекультивационные работы, проводимые на аллювиальных болотных и луговых почвах.
5. Параметры дыхательной активности и сведения о состоянии микробного сообщества в условиях, определенных диапазоном остаточных концентраций НП, могут служить основой для разработки региональных нормативов допустимого остаточного содержания нефтепродуктов в почвах (ДОСНП).

Об авторах

Анатолий Андреевич Вершинин

Институт проблем экологии и недропользования Академии наук Республики Татарстан

Автор, ответственный за переписку.
Email: A-vershinin@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1807-5727

канд. биол. наук

Россия, Казань

Андрей Михайлович Петров

Институт проблем экологии и недропользования Академии наук Республики Татарстан

Email: zpam2@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0002-5117-2609

канд. биол. наук

Россия, Казань

Ленар К. Каримуллин

Институт проблем экологии и недропользования Академии наук Республики Татарстан

Email: Karlenar@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-3897-4981
Россия, Казань

Игорь Владимирович Князев

Институт проблем экологии и недропользования Академии наук Республики Татарстан

Email: Kneze3@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-4336-984X
Россия, Казань

Татьяна Васильевна Кузнецова

Институт проблем экологии и недропользования Академии наук Республики Татарстан

Email: kuznetsovatatyana@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-7346-6221
Россия, Казань

Список литературы

Дополнительные файлы