Культивирование высших растений и дыхательная активность нефтезагрязненных почв Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

УДК 631.46

А.А. Вершинин, А.М. Петров, Л.К. Каримуллин, Н.В. Шурмина

Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, [email protected]

КУЛЬТИВИРОВАНИЕ ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ И ДЫХАТЕЛЬНАЯ АКТИВНОСТЬ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ

Проведены исследования влияния культивирования одно- и двудольных растений на дыхательную активность содержащих разное остаточное содержание нефтепродуктов светло-серой лесной и дерново-подзолистой почв. Показано, что влияние произрастающих на поверхности загрязненной нефтью почв растений на дыхательную активность определяется типом почвы и исходной концентрацией поллютанта. Эффективность минерализации нефтепродуктов в светло-серой лесной почве не зависела от класса растений. В дерново-подзолистой почве при низком остаточном содержании нефтепродуктов более активная деструкция нефтепродуктов наблюдалась в почве после выращивания пшеницы, при более высокой исходной концентрации поллютанта - в почве после гороха.

Ключевые слова: нефтепродукты; фиторемедиация; дыхательная активность почв.

Введение

Одним из последовательных этапов рекультивации нефтезагрязненных земель является биологический этап, включающий в себя комплекс агротехнических и фитомелиоративных мероприятий, направленных на улучшение агрофизических, агрохимических, биохимических и других свойств почвы (РД 39-00147105-006-97). эффективность завершающего этапа биологического восстановления почв - процесса фиторемедиа-ции в большой мере определяется типом почвы, ее гранулометрическим составом, содержанием в ней нефтепродуктов (Петров и др., 2011а, б; Кольцова и др., 2014). Скорость биодеструкции нефтяных углеводородов также определяется классом использованных в качестве мелиорантов или си-дератов растений (Шилова, 1988).

Целью работы является изучение влияния культивирования однодольных и двудольных растений на биологическую активность почвенного микробного сообщества и процессы биодеструкции поллютантов при фиторемедиации нефтеза-грязненных почв.

Материалы и методы исследования

Объектами исследования являлись чистые (табл. 1) и нефтесодержащие светло-серая лесная среднесуглинистая (ССЛ) и дерново-подзоли-

Таблица 1. Основные агрохимические характеристики почв

стая супесчаная (ДП) почвы после минимальных рекультивационных мероприятий (рыхление, увлажнение), остаточное содержание нефтепродуктов (НП) в которых варьировало в интервале от 1.7 до 19.3 г/кг (табл. 2).

Таблица 2. Исходное содержание нефтепродуктов в почвах

Тип почвы Варианты, содержание НП, г/кг

К В1 В2 В3 В4

ССЛ < 0.05 2.6 6.0 8.9 19.3

ДП < 0.05 1.7 3.3 7.4 8.7

Тип почвы рН г вод рН 1 сол Гумус, % Сб , общ' % N , вал' % Р , подв' мг/100 г К , подв' мг/100 г

ССЛ 5.84 5.26 6.7 3.9 0.19 3.6 18.0

ДП 6.44 6.27 2.7 1.6 0.02 10.9 16.3

Лабораторно-вегетационные опыты проводились с использованием в качестве тест-объектов односемядольного растения - пшеница яровая (Triticum vulgare) сорта Экада-97 и двусемядольного растения - горох посевной (Pisum sativum) сорта Варис.

Постановка опытов осуществлялась в лабораторных условиях с 16 часовым световым днем, создаваемом искусственным освещением «фи-толампами» с интенсивностью света 4000 Лк. Температура в помещении в ходе эксперимента составляла 21-26° С. В качестве вегетационных сосудов использовались пластиковые емкости диаметром 11 см и объемом 550 мл, содержащие по 400 г почвы. В каждом сосуде выращивали по 4 растения. Влажность почвы в ходе эксперимента поддерживалась на уровне 60% от полной влагоемкости. После завершения эксперимента растения вместе с корнями удалялись из почвы и определялась ее дыхательная активность.

российский журннл ИМ! экологии

Интенсивность почвенного дыхания устанавливали газохроматографическим методом (Вершинин и др., 2012).

На основе измерений вычислены параметры респираторной активности: базальное дыхание (Убазал), субстрат-индуцированное дыхание (У ), коэффициент микробного дыхания = Убазал/ Усид). Концентрацию СО2 в пробах определяли на газовом хроматографе «Хроматек Кристалл 5000.2». Колонка длиной 3.0 м, внутренним диаметром 3 мм. Адсорбент Hayesep N 80/100. В качестве детектора был использован катарометр. Определение суммарного содержания нефтепродуктов (НП) в почвах проводили ИК-спектроме-трическим методом на анализаторе КН-2м (ПНД Ф 16.1:2.2.22-98, 2005).

Результаты и их обсуждение

Параметры дыхания почв до культивирования растений.

Известно, что нефтяное загрязнение усиливает почвенное дыхание (Киреева, 2001; Вершинин и др., 2014). Убазал отражает доступность органического вещества почвы и интенсивность его минерализации 1990). Наибольшей

скоростью базального дыхания обладала ССЛ почва, интенсивность дыхания которой возрастала по мере увеличения содержания поллютанта в почве с 3.29 мкг СО2/гхчас в контроле до 9.33 мкг СО2/гхчас при максимально испытанном содержании НП 5.8 г/кг. Уровень базального дыхания более бедной органикой ДП почвы (при максимальном загрязнении) был в 1.61-2.55 раз ниже, чем в ССЛ почве. Его значения слабо зависели от концентрации поллютанта в почве (рис. 1).

В исследуемых почвах, даже при остаточном содержании нефтепродуктов 5.8-6.4 г/кг, скорость базального дыхания была выше, чем в контроле.

Субстрат-индуцированное дыхание характеризует активность почвенной микрофлоры (Ананьева и др., 1997). В загрязненных нефтью почвах уровень Усид снижался. Степень негативного воздействия нефти на Усид определялась типом почвы. Наиболее подвержено действию поллютанта микробное сообщество ДП почвы, Усид которой снижалась в 1.6-2.4 раза, тогда как в более богатой органикой ССЛ почве, максимальное снижение данного показателя составляло 1.4 раза. По абсолютным значениям наибольшее количество жизнеспособных микробных клеток было зарегистрировано в ССЛ почве.

Коэффициент микробного дыхания характеризует стабильность микробного пула и степень климатических или антропогенных воздей-

ствий на почву ^аМ1е, 1990; Благодатская и др., 1995). В незагрязненных почвах QR составлял 0.05-0.12. Значение QR ССЛ почвы равное 0.05 отражает недостаток питательных субстратов. Величина QR чистой ДП почвы равная 0.12 свидетельствует о благоприятном состоянии почвы и высокой устойчивости их микробного пула. В присутствии нефтяных загрязнений QR почв возрастал. Более всего QR ДП почвы увеличивался в варианте В4 с максимальным содержанием пол-лютанта (до 0.44).

Нарушения устойчивости микробоценозов ССЛ почвы были невелики, значения ее QR менялись незначительно и при максимальной дозе поллютанта не превышали 0.18, что указывает на стабильное исходное состояние почвы (рис. 1). Все исследуемые почвы до культивирования растений характеризовались единым механизмом изменения QR. При увеличении остаточного содержания НП в почве темп падения скорости Усид превосходил прирост скорости Убазал.

10 -8 -6 -4 2 0

Вариант а

■ 1111

К В1 В2 ВЗ

Вариант б

В4

70 -

о ей

и 50 -6 401 зо-2 20 -10 -0

: I I

В1

0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 -п

В2

Вариант в

ВЗ

В4

I

1111

В1 В2 ВЗ

□ ССЛ идп

Я4

Рис. 1. Параметры дыхательной активности загрязненных почв без растений (а - Vбазал, б - Vcид, в - QR)

Таким образом, в почвах, содержащих нефтяное загрязнение, усиливается базальное дыхание, что является отражением интенсификации процесса минерализации нефтепродуктов. Темпы деструкции поллютанта более высоки в ССЛ почве. Нефтяное загрязнение негативно влияло на активность микробного сообщества ДП почвы (снижение Усид). При всех испытанных остаточных концентрациях поллютанта значения QR в ССЛ почве не выходили за пределы, характерные для почв, находящихся при минимальном антропогенном воздействии. Наиболее чувствительным к токсикантам являлось микробное сообщество ДП почвы, нарушения устойчивости которого было зафиксировано в вариантах опыта В3 и В4 при остаточном содержании НП 4,8 и 8,3 г/кг соответственно.

Дыхание нефтезагрязненных почв после культивирования высших растений.

Симбиоз высших растений и почвенной микрофлоры активизирует происходящие в почве биохимические процессы, интенсифицирует биодеструкцию органических веществ, включая изучаемые поллютанты (Звягинцев, 1987; Шилова, 1988). Именно поэтому фиторекультива-ция может быть одним из завершающих этапов мероприятий, направленных на восстановление свойств и плодородия нефтезагрязненных почв. С целью определения влияния культивирования одно- и двусемядольных растений на биологическую активность почв был проведен 42-суточный вегетационный эксперимент с использованием в качестве тест-культур пшеницы и гороха.

Результаты эксперимента на ССЛ почве.

После культивирования растений при более низких исходных концентрациях нефтепродуктов (варианты В1 и В2) было отмечено некоторое снижение интенсивности Убазал (рис. 2а). Различия в значениях У_ почвы после выращивания го-

базал

роха и пшеницы были незначительны. Влияние культивирования растений на почвенное дыхание проявлялось только при более высоком исходном содержании загрязнителя. В варианте В3 скорость эмиссии СО2 в почве увеличивалась после пшеницы, а после гороха уменьшалась. В варианте В4 с максимальным исходным содержанием поллютанта интенсивность V в почве после

базал

выращивания гороха резко возросла и превосходила скорость базального дыхания в почве после пшеницы в 2.16 раза (рис. 2а). Данный факт не связан с более высокой эффективностью минерализации поллютанта - различия по содержанию НП в почве находились в пределах погрешности использованного метода анализа.

Вариант а

20 -

В1

В2

Вариант б

ВЗ

В4

В1

В2

Вариант в

ВЗ

В4

ЕЗ После пшеницы ■ После гороха

Рис. 2. Параметры дыхания загрязненной нефтью светло-серой лесной почвы после посевов пшеницы и гороха (а - Vбазал; б - Vсид; в - QR)

Выращивание фитомелиорантов в присутствии поллютанта приводило к снижению активности микробного сообщества ССЛ почвы. Величина Усид относительно исходных значений снижалась в 1.3-2.9 раз, причем в почве после гороха снижение интенсивности субстрат-индуцированного дыхания не превышало 1.4 раза. В условиях нефтяного загрязнения Усид после выращивания гороха была до 1.5 раз выше, чем после пшеницы. Такие же различия были зарегистрированы при выращивании пшеницы и гороха и в контрольных вариантах, не содержащих нефтяное загрязнение (рис. 1б, 2б). Во всех вариантах с загрязненной ССЛ почвой обнаружено увеличение значений QR. Однако, в вариантах В1 и В2 QR увеличивался незначительно и находился в диапазоне 0.15-0.28, что указывает на сохранение стабильности микробного пула ССЛ почвы в ходе культивирова-

48

российский журнал прикпнпнпй экологии

ния высших растений.

Выращивание высших растений на ССЛ почве при более высоком исходном содержании НП приводило к увеличению QR до значений, свидетельствующих о снижении стабильности почвенного микробного комплекса, увеличении раз-балансированности биохимических процессов (рис. 1в, 2в). Причиной данного факта, вероятно, является накопление доступных для микроорганизмов метаболитов, обеспечивающих благоприятные условия функционирования почвенного микробоценоза.

Результаты эксперимента на ДП почве.

В отличие от ССЛ в ДП почве после выращивания растений как в контрольных, так и опытных вариантах было отмечено повышение интенсивности базального дыхания (до 1.5 раз). Величина эмиссии СО2 в ДП почве по абсолютным показателям значительно уступала У ССЛ почвы

•' базал

(рис. 1а, 3а).

В вариантах эксперимента, исходно содержавших 1.7 и 3.3 г/кг НП не выявлены достоверные отличия в значениях Усид. При исходном содержании поллютанта 7.4 и 8. г/кг дыхательная активность почв после культивирования растений была выше, чем в исходной (рис. 1б, 3б).

Анализируя коэффициенты микробного дыхания в загрязненной ДП почве, следует отметить его возрастание после выращивания растений в вариантах исходно содержавших две минимальные испытанные концентрации поллютанта, тогда как при более высоких исходных концентрациях НП в ДП наблюдалась некоторая стабилизация микробного комплекса, связанная с увеличением доли доступного субстрата в почве и повышении активности микробного комплекса в ходе культивирования высших растений (рис. 1в, 3в).

Эффективность минерализации нефтепродуктов.

В ССЛ почве НП успешно разлагались как при низкой, так и при высокой исходной концентрации загрязнителя. Скорость деструкции НП несколько замедлялась по мере увеличения исходного содержания поллютанта. Разница эффективности минерализации НП в почве между посевами гороха и пшеницы несущественна и не превышала 2-6% в зависимости от варианта опыта (табл. 3).

По иному протекал процесс разложения НП в ДП почве. В почве под пшеницей НП эффективно разлагались при слабом загрязнении (82%). При увеличении концентрации поллютанта эффективность минерализации НП существенно уменьшалась. В почве под горохом напротив, выявлен некоторый рост интенсивности минерализации органики при увеличении дозы

Рис. 3. Параметры дыхания загрязненной нефтью дерново-подзолистой почвы после посевов пшеницы и гороха (а - Убазал; б - Усид; в - QR)

загрязнителя (62-71%). При максимальной исходной концентрации поллютанта процесс деструкции нефти активнее протекал в почве под горохом (табл. 3).

Заключение

Влияние произрастающих на поверхности загрязненной нефтью почвы растений на дыхательную активность определялось двумя факторами - типом почвы и исходной концентрацией пол-лютанта. В ССЛ почве преобладала тенденция снижения скорости базального дыхания под посевами гороха и пшеницы. В ССЛ при низких и средних исходных концентрациях загрязнителя

Таблица 3. Эффективность минерализации нефтепродуктов (% от исходной концентрации НП)

Содержание НП, г/кг % минерализации НП

Почва без растений Пшеница Горох Пшеница Горох

Светло-серая лесная

2,6 0,6 0,7 76 74

6,0 1,7 1,3 73 79

8,9 3,1 2,5 66 72

19,3 6,0 6,4 69 67

Дерново-подзолистая

1,7 0,3 0,6 82 62

3,3 1,1 1,2 67 65

7,4 2,0 2,1 73 71

8,7 3,8 2,8 56 68

(В1, В2) не обнаружено существенных различий интенсивности V, под посевами гороха и пше-

базал г

ницы. Особенности вида растений проявлялись при максимальных концентрациях поллютанта в почве. В этих условиях в ССЛ почве скорость ба-зального дыхания под посевами гороха резко возрастала и в несколько раз превосходила величину почвенного дыхания под посевами пшеницы. Таким образом, при высоком остаточном содержании НП в ССЛ почве, усиливается интенсивность V под посевами гороха.

базал

Воздействие культивируемых растений на дыхательную активность загрязненной ДП почвы было принципиально иным. Наличие на поверхности почвы растений, независимо от исходной концентрации вносимой нефти и типа растений, стимулировало базальное дыхание. В диапазоне исходного остаточного содержания нефтепродуктов 3.3-7.4 г/кг (варианты В2, В3) Vбазал под посевами пшеницы несколько превышала интенсивность дыхания почв под горохом.

Культивируемые растения снижали Vсид ССЛ почвы. Вместе с тем, они не оказывали заметного влияния на скорость субстрат-индуцированного дыхания ДП почвы, а при максимальных концентрациях поллютанта стимулировали увеличение Vсид. В ССЛ не обнаружено существенных различий интенсивности Vсид в почве под горохом и пшеницей.

Во всех типах почв, на поверхности которых находились растения, зафиксировано возрастание величины QR, что является свидетельством снижения стабильности их микробного пула, которое в данном конкретном случае может являться положительным фактором, указывающим на увеличение доступности для почвенных микроорганизмов чужеродного органического субстрата. Степень и особенности изменения QR зависели от типа почвы, вида растений и исход-

ной концентрации загрязнителя. В ССЛ почве QR более всего увеличивался под посевами гороха. Наибольшие отличия значений QR между почвами после гороха и пшеницы выявлялись при максимальном испытанном нефтяном загрязнении. В ДП почве, напротив, значения QR в почве под пшеницей несколько превосходили параметры QR в почве под горохом. Снижение значений QR в ДП почве при высоких концентрациях поллютанта указывает на позитивное влияние культивирования высших растений на процесс восстановления свойств и плодородия почвы.

В ССЛ почве эффективность минерализации НП не зависела от вида растений. Углеводороды нефти интенсивно разлагались как при низких, так и при высоких исходных концентрациях вносимой нефти. В ДП почве при слабом загрязнении происходила активная деструкция НП в почве род пшеницей. При высокой исходной концентрации поллютанта эффективность минерализации НП выше в почве под горохом.

Список литературы

1. Ананьева Н.Д., Благодатская Е.В., Демкина Т.С. Пространственное и временное варьирование микробного метаболического коэффициента в почвах // Почвоведение. 2002. №10. С. 1233-1241.

2. Ананьева Н.Д., Сусьян Е.А., Гавриленко Е.Г. Особенности определения углерода микробной биомассы методои субстрат-индуцированного дыхания // Почвоведение. 2011. №11. С.1327-1333.

3. Благодатская Е.В., Ананьева Н.Д., Мякшина Т.Н. Характеристика состояния микробного сообщества почвы по величине метаболического коэффициента // Почвоведение. 1995. № 2. С. 205-210.

4. Вершинин А.А, Петров А.М., Акайкин Д.В., Игнатьев Ю.А. Оценка биологической активности дерново-подзолистых почв разного гранулометрического состава в условиях нефтяного загрязнения // Почвоведение. 2014. № 2. С.250-256.

5. Вершинин А.А., Петров А.М., Каримуллин Л.К., Игнатьев Ю.А. Влияние нефтяного загрязнения на эколо-го-биологическое состояние различных типов почв // Вестник Казанского технологического университета. 2012. Т.15,

№ 8. С. 207-211.

6. Гавриленко Е.Г., Ананьева Н.Д., Макаров О.А. Оценка качества почв разных экосистем (на примере Серпуховского и Подольского районов Московской области) // Почвоведение. 2013. №12. С.1505-1515.

7. Звягинцев Д.Г. Почва и микроорганизмы. М.: Изд-во МГУ, 1987. 256 с.

8. Киреева Н.А., Водопьянов В.В., Мифтахов А.М. Биологическая активность нефтезагрязненных почв. Уфа: Ги-лем, 2001. 376 с.

9. Кольцова Т.Г., Сунгатуллина Л.М., Григорьян Б.Р., Петров А.М. Оценка фитотоксичности черноземных почв в условиях нефтяного загрязнения // Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т.17, № 15. С. 261-267.

10. Петров А.М., Шагидуллин Р.Р., Зайнулгабидинов Э.Р., Иванов Д.В., Тарасов О.Ю., Григорьян Б.Р. Разработка нормативов допустимого остаточного содержания нефти и продуктов ее трансформации в серых лесных почвах Республики Татарстан // Экология и промышленность России. 2011(а). июнь. С.29-34.

11. Петров А.М., Зайнулгабидинов Э.Р., Сунгатуллина Л.М., Шагидуллин Р.Р., Иванов Д.В., Тарасов О.Ю., Григо-рьян Б.Р. Разработка нормативов допустимого остаточного содержания нефти и продуктов ее трансформации в почвах Республики Татарстан для земель сельскохозяйственного назначения // Вестник Казанского технологического университета. 2011(б), № 23. С. 129-135.

12. ПНД Ф 16.1:2.2.22-98 Методика выполнения измерений массовой доли нефтепродуктов в минеральных, ор-гано-минеральных почвах и донных отложениях методом ИК-спектрометрии.

13. рД 39-00147105-006-97. Инструкция по рекультивации земель, нарушенных и загрязненных при аварийном и капитальном ремонте магистральных нефтепроводов.

14. Шилова И.И. Биологическая рекультивация нефте-загрязненных земель в условиях таежной // Восстановление

нефтезагрязненных почвенных экосистем. М.: Наука,1988. С.159-168.

15. Anderson T.-H., Domsch K.H. The metabolic quotient for CO2 (q CO2) as a specific activity parameter to assess the effect of environmental conditions, such as pH, on the microbial biomass of forest soils // Soil Biol. Biochem. 1993. V.25. №3. Р.393-395.

16. Wardle D.A., Parkinson D. Interaction between microclimatic variables and soil microbial biomass // Biology and Fertility of Soils. 1990. V.9. P.273-280.

A.A. Vershinin, A.M. Petrov, L.K. Karimullin, N.V. Shurmina. Cultivation of higher plants and respiration activity of oil-polluted soils.

Influence of monocot and dicotyledonous plants cultivation on respiration activity of light-grey forest and sod-podzol soils containing different remaining concentrations of oil products has been studied. It was shown that the influence of surfacial plants on respiration activity of polluted soils depends on the soil type and pollutant concentration. Efficiency of oil products mineralization in light-grey forest soil did not depend on the class of plants. In sod-podzol soils with low remaining of oil pollutants concentration the higher destruction of oil pollutants was observed in soils after wheat cultivation, whereas with higher pollutant concentrations - in soils after peas cultivation.

Keywords: oil products; phytoremediation; respiratory activity of soils.