К вопросу диагностики и оценки загрязненных нефтью черноземов | Вестн. Том. гос. ун-та. 2012. № 364.

К вопросу диагностики и оценки загрязненных нефтью черноземов

Рассматривается вопрос нормирования содержания нефти в почве, выше которого она не может самостоятельно восстановиться после загрязнения. Определяется способность чернозема обыкновенного к естественной биоремедиации. Выявлены информативные диагностические признаки, определяющие степень влияния нефти на почвенную экосистему. Установлено, что достоверными индикаторами устойчивости почв к углеводородному загрязению служат уровни микробиологической и ферментативной активности черноземов.

On diagnostics and estimation of chernozems polluted by oil.pdf Загрязнение почв и почвенного покрова нефтью инефтепродуктами является одной из важных проблемэкологии почв. Актуальным этот вопрос является нетолько для районов, где расположены объекты нефтедо-бывающей и нефтехимической отраслей экономики.Транспортировка углеводородного сырья осуществляет-ся на обширных пространствах, удаленных от источни-ков их производства на многие сотни километров, а по-требление нефтепродуктов и выбросы в окружающуюсреду их отходов происходят практически повсеместно.Ежегодно на территории Российской Федерации на ме-сторождениях нефти случаются тысячи аварий и поры-вов продуктопроводов в зонах их транспортировки. Приэтом наблюдаются существенное снижение продуктив-ности почв, глубокие изменения их химических и физи-ческих свойств, ухудшение экологического состояния ифункций в биосфере, что сопряжено с выводом из сель-скохозяйственного оборота значительной части агро-ландшафтов. Перечисленные явления наблюдаются и натерритории Оренбургской области, расположенной награнице лесостепной и степной зон, в пределах которойнаходится ряд крупных месторождений нефти и газово-го конденсата [1. С. 106].В настоящее время немало внимания уделяется изуче-нию процессов естественной биоремедиации и разработкеметодов рекультивации загрязненных почв с целью ихвозвращения в сельскохозяйственный оборот. Успешноерешение данной задачи во многом зависит от того,насколько хорошо разработаны методы оценки степенизагрязнения почв. Однако многие вопросы диагностики инормирования содержания нефти в почвах до настоящеговремени находятся в стадии решения, поскольку влияниенефти на свойства почв и, как следствие, определениенорм ее содержания в определяющей степени зависят отсочетания многих факторов, таких как тип почв, состоя-ние растительного покрова, климатические показателирегиона, физико-химические свойства нефти, условияземлепользования и др. [1. С. 107; 2. С. 33].Для нормирования нефтезагрязнений важно устано-вить уровень концентрации нефти в почвах, выше ко-торого она не может сама справиться с загрязнением,т.е. определить потенциал ее способности к самоочи-щению. Кроме того, необходимо выявить для каждоготипа почв (или группы типов) наиболее информатив-ные диагностические показатели изменений в экологиипочв, так как попытки нормирования нефти во всехпочвах по различным обобщенным признакам вредно-сти приводят к колебаниям их значений в очень широ-ком диапазоне [2. С. 35; 3. С. 341].В пределах степного Предуралья в процессе прове-дения полевого эксперимента с почвами искусственнозагрязненными 1, 5, 10, и 15% концентрациями нефтибыла предпринята попытка оценить способность чер-нозема обыкновенного к естественной биоремедиации.Опыт проводился на многолетней пашне. Объектомисследования явился чернозем обыкновенный средне-мощный (гор. А+АВ = 43-45 см) малогумусный (со-держание гумуса 5,5-5,8%) тяжелосуглинистый.С целью оценки степени влияния нефти на почвеннуюэкосистему образцы почв отбирались из слоев 0-10, 10-20 и 20-30 см (верхняя часть гор. А+АВ), которые иссле-довались на 5, 30, 90, 310 и 365-е сут после загрязнения.При этом допустимым уровнем загрязнения было приня-то считать такое количество нефти, которое подвергаетсяминерализации в почве естественным образом за проме-жуток времени, не превышающий один год.Выявлено, что из множества диагностических при-знаков, определяющих степень влияния нефти на поч-венную экосистему, таких как содержание и запас гуму-са, емкость катионного обмена, количество питательныхэлементов и др., наиболее достоверным индикатором,индексом или показателем устойчивости почв к антро-погенным воздействиям, связанным с загрязнениемнефтью, служит микробиологическая и ферментативнаяактивности почв, которые являются лабильными при-знаками, реагирующими даже на незначительные кон-центрации нефти [3. С. 342; 4. С. 199; 5. С. 67].Исследования микробиологической активности по-казали, что наблюдается смена микробиологическогосостава как в зависимости от концентрации нефти, таки вниз по почвенному профилю. В верхнем слое неза-грязненной почвы (0-10 см) преобладали гетеротроф-ные микроорганизмы, или копиотрофы, которые быст-ро развиваются за счет легкодоступных веществ, со-держащихся в высоких концентрациях. Их численностьсоставляет 23,7 млн/г и превышает численностьостальных групп микроорганизмов. Вниз по почвенно-му профилю, на глубине 20-30 см, наблюдается преоб-ладание олиготрофных микроорганизмов, способныхмедленно развиваться за счет разложения более слож-ных соединений, содержащихся в меньших концентра-циях и более устойчивых к стрессам.При поступлении нефти в почву на 5-е сут наблю-дается увеличение численности гетеротрофных орга-низмов в слое 0-10 см с 23,7 до 29,3 млн/г на участкепочвы с концентрацией 1% и углеводородокисляющихмикроорганизмов в слое 10-20 см при 5%-ном загряз-нении с 6,9 до 7,7 млн/г за счет поступления дополни-тельного источника углерода и невыраженного токси-ческого эффекта. На участках с более высокой концен-трацией нефти наблюдается снижение численностивсех основных групп микроорганизмов.Через 4 месяца дозы нефти 1 и 5% вызывают ростчисленности олиготрофных микроорганизмов в сред-нем на 30-45%, что, по всей видимости, связано садаптацией почвенной микрофлоры к изменившимсяусловиям среды. Углерод нефти используется микро-организмами как дополнительный источник питания,что приводит к запуску многоэтапных механизмов са-мовосстановления почвы от нефтяного загрязнения.Помимо этого, с течением времени легкие, наиболеетоксичные фракции нефти испаряются и снижение ихотрицательного воздействия при данных концентраци-ях вызывает восстановление численности микроорга-низмов почвы и их видового состава. При более высо-ких концентрациях нефти эти процессы происходятмедленнее, так как сильный токсический эффект инеблагоприятные физические свойства почв, связанныес воздействием на них углеводородов, способствуютугнетению жизнедеятельности микроорганизмов.0510152025303540450 1 5 10 15концентрация нефти, %численностьмикроорганизмов, млн/ггетеротрофные микроорганизмыолиготрофные микроорганизмыуглеводородокисляющие микроорганизмы0510152025303540450 1 5 10 15концентрация нефти, %численностьмикроорганизмов, млн/ггетеротрофные микроорганизмыолиготрофные микроорганизмыуглеводородокисляющие микроорганизмы5-е сут 365-е сутРис. 1. Численность микроорганизмов в нефтезагрязненной почвеВыявлена реакция на нефть и у группы углеводород-окисляющих микроорганизмов (УОМ), содержание кото-рых является важным диагностическим признаком само-очищающейся способности почвы. В слое почвы 0-10 смв пределах изученных уровней загрязнения наблюдаетсялинейная зависимость изменения численности УОМ отконцентрации нефти, которая имеет уравнение следую-щего вида: концентрация нефти = 6,71 + 0,19 . УОМ, r == 0,85 при p = 0,047. В слое 10-30 см сохраняется та жетенденция и по мере увеличения концентрации нефтивозрастает численность УОМ. Исключение составляетлишь участок с 1%-ным загрязнением, где численностьмикроорганизмов не изменяется достоверно, посколькунефть в такой концентрации не проникает в нижележа-щие слои, а концентрируется в верхнем слое (до 5 см) ине оказывает существенного влияния на почвенную мик-рофлору.На 365-е сут картина несколько меняется. Числен-ность всех групп микроорганизмов снижается по срав-нению с прошлым годом как в незагрязненной, так и взагрязненной нефтью почве, что, вероятно, связано счастичным вымыванием нефти в нижележащие слоипочвенного профиля за счет таяния снега и осенних до-ждей. Максимальная общая численность микроорганиз-мов (ОМЧ) наблюдается при 5%-ном загрязнении в слоепочвы 0-30 см. Здесь относительно невысокая концен-трация нефти не оказывает сильного токсического эф-фекта на гетеротрофные микроорганизмы и стимулируетдеятельность олиготрофов и УОМ. При 10- и 15%-номзагрязнении проявляется обратное явление - снижениечисленности гетеротрофных микроорганизмов на 50-70%. Значения УОМ и ОМЧ при 1- и 5%-ном загрязне-нии приближается к контрольным во всех исследуемыхслоях почвы, что связано с разложением нефти к концупервого года исследования (рис. 1).При более высоких концентрациях тенденция уве-личения численности УОМ и олиготрофов остаетсяпрежней, что является свидетельством продолженияпроцессов разложения (вплоть до минерализации)нефти в почве.С целью выявления наиболее чувствительных и ин-формативных микробиологических показателей мыопределяли количество микроорганизмов на разныхпитательных средах, что дало следующие результаты:на гетеротрофные микроорганизмы, культивированныена мясопептонном агаре, нефть оказывает прямое от-рицательное воздействие; численность гетеротрофовснижается на 80-90% при максимальном загрязнении(15%) в исследуемом концентрационном диапазоне.Наблюдается отрицательная корреляция между кон-центрацией нефти и численностью микроорганизмов,r = -0,69 при p = 0,005 на 5-е сут после загрязнения иr = -0,55 при p = 0,033 на 6-й месяц после загрязнения.Тенденция увеличения численности микроорганиз-мов в нефтезагрязненных почвах со временем связана,вероятно, с их адаптацией к изменившимся условиямсреды и частичной деградацией нефти в почве с тече-нием времени. При этом невысокие дозы нефти вызы-вают увеличение численности олиготрофов. Критиче-ской дозой нефти, при которой численность микроор-ганизмов достоверно ниже контрольного значения,следует считать ее 10%-ную концентрацию. С числен-ностью микроорганизмов тесно связана ферментатив-ная активность почв, поскольку ферменты являютсяпродуктом жизнедеятельности почвенной микрофлоры.Основная роль в процессах самоочищения почвы отксенобиотиков принадлежит биологическому окислению.Почвенные ферменты участвуют в процессах самоочи-щения почвы от экзогенных веществ, трансформируя,нейтрализуя, разрушая не свойственные почвам вещества,токсичные изначально или образовавшиеся выше опреде-ленных пределов. Биологическое окисление происходит впроцессе ферментативных реакций, в частности окисли-тельно-восстановительных, и осуществляется оксидоре-дуктазами (каталаза, пероксидаза, полифенолоксидазаи др.). Каталазная активность - это устойчивый показа-тель, который может использоваться для энзимологиче-ской диагностики состояния загрязненности почв и изме-нения окислительно-восстановительных условий среды.Многие исследователи (С.А. Алиев, Д.А. Гаджиев и др.)предложили использовать активность каталазы как пока-затель общей биологической активности почв с различ-ной степенью загрязнения нефтяными органическимивеществами [6. С. 25; 7. С. 47].Исследование каталазной активности нефтезагряз-ненных черноземов показало, что на начальных срокахинкубации (первые 5 дней) наблюдается увеличениекаталазной активности в слое почвы 10-20 см, чтоможно объяснить большей численностью микроорга-низмов и более интенсивными микробиологическимипроцессами за счет наличия корневых систем растений,влиянием выделяемых ими веществ, повышенным со-держанием гумуса и большей влажностью по сравне-нию с самым верхним слоем. Увеличение каталазнойактивности при 1%-ном загрязнении с 6,0 до 7,3 млО2мин/г, а следовательно, запуск механизмов детокси-кации нефти, наблюдается только в слое 0-10 см, таккак нефть в течение вегетационного периода не мигри-рует ниже 10 см. При 5%-ном загрязнении активностькаталазы максимальна (9,2 мл О2мин/г) в слое 10-20 см, поскольку в этом варианте опыта нефть не про-никает на глубину более 20 см (табл. 1). На основанииполученных данных можно предположить, что стольмалая концентрация нефти не оказывает заметноготоксического эффекта на почвенную микрофлору, ко-торая, между тем, отвечает на поступление в чернозе-мы дополнительного источника углерода повышениемферментативной активности, в том числе каталазной.Т а б л и ц а 1Остаточное содержание нефти в различных слоях почвенного профиля чернозема обыкновенногоВремя инкубации, сут 6 оСлой почвыРис. 2. Каталазная активность нефтезагрязненных черноземовВ слое почвы 0-10 см каталазная активность на за-грязненных нефтью участках концентрацией 5, 10 и15% оказалась выше по сравнению с контролем. Кон-центрация же загрязнителя, равная 1%, на этот моментне вызывает повышения активности фермента, в связис тем что за осенне-зимний период происходит мигра-ция нефти вниз по почвенному профилю под влияниемтока дождевых и талых вод. Косвенно этот вывод под-тверждается увеличением активности каталазы в слоепочвы 10-20 см при 1%-ном загрязнении по сравнениюс контролем, чего не наблюдалось ранее. Снижениеферментативной активности в слоях 10-20 и 20-30 смотмечено лишь при 15%-ном загрязнении, что объясня-ется наличием более выявленного токсического эффек-та и способностью высоких концентраций нефти вли-ять на воздушный режим почв, затруднять доступ кис-лорода к нижележащим слоям почвенного профиля,что отрицательно сказывается на ферментативной дея-тельности черноземов (рис. 3).На завершающем этапе исследований (365-е сут) об-щая тенденция изменения каталазной активности остаетсяпрежней, при этом происходит значительное увеличениеее значений в почвах всех исследуемых участков. В чер-ноземах с 1%-ным загрязнением показатели каталазнойактивности в слое 0-30 см не изменяются достоверно посравнению с контрольными (t = 1,47-1,69 при n = 10), чтосвидетельствует о снижении интенсивности окислитель-но-восстановительных процессов, направленных на раз-ложение нефти.При изучении вопросов самовосстанавливающейсяспособности обыкновенных черноземов от нефтяногозагрязнения значительное внимание уделяется исследо-ванию почвенных фенолоксидаз (пероксидазы и поли-фенолоксидазы), которые играют заметную роль в про-цессах гумификации, оказывают защитное действие напочву, разлагая различные ксенобиотики, участвуют вмногостадийных процессах разложения и синтеза орга-нических соединений ароматического ряда [8. С. 238].0123456789100 1 5 10 15концентрация нефти, %активность каталазымл О2*мин/г0-10 см 10-20 см 20-30 см0123456789100 1 5 10 15концентрация нефти, %активность каталазымл О2*мин/г0-10 см 10-20 см 20-30 см310-е сут 365-е сутРис. 3. Каталазная активность нефтезагрязненных черноземовИсследования пероксидазной активности нефтезагряз-ненных почв показали, что в первый год после внесенияполлютанта наблюдается отрицательная корреляционнаязависимость между активностью фермента и концентра-цией нефти в почве (рис. 4). Коэффициент корреляции rколеблется от -0,92 до -0,98 при p ≤ 0,05 для разных слоевпочвы и в разные сроки отбора почвенных проб.Это объясняется отсутствием необходимых усло-вий для активной деятельности исследуемого фермен-та в результате низкой его специфичности к катализи-руемой реакции и снижением поступления кислородак загрязненной части почвенного профиля. Увеличе-ние пероксидазной активности выявлено лишь на310-е сут, и проявляется оно только при относительноневысоких (1 и 5%) концентрациях нефти в слоях 0-10 и 10-20 см. На 365-е сут активность исследуемогофермента повышается и в слое 20-30 см, но уже приболее высокой концентрации - 10%. При этом наблю-дается сдвиг критической дозы нефти для исследуе-мого фермента с 5 до 15%.Рис. 4. Пероксидазная активность нефтезагрязненных черноземовАктивность полифенолоксидазы в первые периодыпосле внесения загрязнителя снижается при концен-трации нефти 5, 10 и 15%. На 310-е сут в слое 20-30 смне происходит снижения полифенолоксидазной актив-ности, где, по всей видимости, начинаются процессытрансформации продуктов нефтяного разложения вкомпоненты гумуса. Через год концентрации нефти 5,10 и 15% стимулируют активность исследуемого фер-мента во всех слоях почвенного профиля, что свиде-тельствует об активации процессов разложения итрансформации органического вещества.С активностью окислительно-восстановительныхреакций тесно связана интенсивность еще одного важ-ного биохимического процесса - выделения СО2, или«дыхания» почвы.Интенсивность выделения СО2 черноземом на 3-исут после загрязнения снижается по мере увеличенияконцентрации нефти во всех слоях почвенного профи-ля. На 90-е сут в слое почвы 0-10 см начинается интен-сивное выделение углекислого газа на участках с 1- и5%-ным загрязнением, что связано с активизациеймикробиологической деятельности в результате по-ступления дополнительного органического вещества впочву. Подтверждением тому служит положительнаякорреляционная зависимость между интенсивностью«дыхания» почвы и ОМЧ, коэффициент корреляцииr = 0,95 при p = 0,027.На 310-е сут интенсивность «дыхания» черноземовпри 15%-ной дозе нефти снижается, что объясняется, содной стороны, низкой микробиологической активно-стью черноземов в весенний период (результат низкихдневных и ночных температур воздуха), а с другой -недостаточным временем для восстановления биологи-ческой активности почв при столь высокой изначаль-ной концентрации нефти.Спустя год усиление эмиссии СО2 происходитпри концентрации загрязнителя 5, 10 и 15% во всехисследуемых слоях почвенного профиля (табл. 2).Подобная тенденция была выявлена и при исследо-вании численности углеводородокисляющих микро-организмов, что подтверждается высоким коэффици-ентом корреляции между этими двумя важными по-казателями биологической активности почвы, рав-ным 0,98 при p = 0,014.Т а б л и ц а 2Интенсивность выделения СО2 черноземов, загрязненных нефтьюСлой почвы, смКонцентрация нефти, %Контроль(незагрязненная почва) 1 5 10 153-и сут0-10 32,72±0,08 32,70±0,02 22,12±0,01 11,64±0,07 11,60±0,0810-20 32,44±0,03 32,12±0,07 22,46±0,09 11,26±0,05 10,74±0,0420-30 31,22±0,05 31,02±0,06 21,28±0,04 11,14±0,02 10,74±0,0990-е сут0-10 33,63±0,03 37,23±0,11 39,96±0,04 22,50±0,09 11,53±0,0510-20 33,03±0,08 32,67±0,09 33,08±0,07 22,15±0,05 11,00±0,1220-30 32,87±0,07 32,30±0,06 31,87±0,13 21,37±0,03 10,76±0,11310-е сут0-10 32,77±0,14 35,90±0,08 35,10±0,07 36,80±0,05 21,53±0,0910-20 32,17±0,10 32,15±0,05 38,68±0,06 37,96±0,11 20,77±0,0420-30 31,00±0,09 30,98±0,03 36,18±0,04 34,25±0,07 20,36±0,03365-е сут0-10 34,59±0,07 34,52±0,06 36,59±0,03 39,01±0,09 35,03±0,0810-20 33,05±0,04 33,01±0,11 38,89±0,06 40,82±0,12 37,15±0,0520-30 32,12±0,01 32,30±0,08 35,59±0,09 37,19±0,06 34,12±0,07Целлюлозолитическая активность почв многими ис-следователями рассматривается в качестве интегральногопоказателя их биологической активности. Определениеинтенсивности разложения целлюлозы при нефтяном за-грязнении показало, что в первые 90 сут общая активностьразложения целлюлозы ни на одном из опытных участковне превышала 50%. В наибольшей степени целлюлозоли-тическую активность почвы подавляла максимальная кон-центрация нефти. На завершающем этапе исследований(365-е сут) выявлен обратный процесс: концентрациянефти 10 и 15% вызывает увеличение активности разло-жения целлюлозы в сравнении с контролем; в отдельныхслучаях доля разложившейся ткани превышала 50%, всвязи с чем можно судить об усилении минерализацииорганического вещества и, как следствие, об активизациипроцессов детоксикации почвы на этих участках.Концентрация нефти 1% на момент завершения ра-бот не вызывает достоверного изменения целлюлозо-литической активности, что может свидетельствовать опрекращении процессов утилизации поступивших впочву углеводородов из-за их полной минерализации.Таким образом, в процессе выполненных исследо-ваний установлен уровень концентрации нефти в чер-ноземах обыкновенных, выше которого чернозем неможет самостоятельно, без осуществления комплексаработ по очистке почв от углеводородного сырья, спра-виться с нефтяным загрязнением.Этот предел оказался равным 5%. Как следствие,судя по изменению микробиологической и фермента-тивной активности, чернозем обыкновенный при 1-5%-ном загрязнении нефтью способен в течение годасамовосстанавливаться.

Ключевые слова

нефтезагрязненные черноземы, диагностика почв, почвенные ферменты, детоксикация, биоремедиация, oil polluted chernozems, diagnostics of soils, soil enzymes, detoxification, bioremediation

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Русанов Александр МихайловичОренбургский государственный университетд-р биол. наук, профессор, зав. кафедрой общей биологии, декан химико-биологического факультетаsoilec@esoo.ru
Мисетов Иосиф АлександровичОренбургский государственный университетканд. мед. наук, доцент кафедры микробиологииsoilec@esoo.ru
Шорина Татьяна СергеевнаОренбургский государственный университетканд. биол. наук, преподаватель кафедры общей биологииtanusha852@rambler.ru
Всего: 3

Ссылки

Шорина Т.С. Использование показателей ферментативной активности для диагностики состояния почв и их мониторинга: материалы II Междунар. науч.-практ. конф.и «Экология биосистем: Проблемы изучения, индикации и прогнозирования». Астрахань : Астраханский унив
Узких О.С., Хомяков Д.М. Показатели биологического мониторинга при нефтяных загрязнениях почв // Экология и промышленность России. 2009. № 5.
Margesin R., Zimmerbauer A., Schinner F. Monitoring of bioremediation by soil biological activities // Chemosphere. 2000. V. 40.
Щербаков А.П., Кутова Н.Я., Девятова Т.А. Характеристика биологической активности черноземов Центрально-Черноземной зоны // Агроэкологические принципы земледелия : сб. ст. М. : Наука, 1993.
Тыныбаева Т.Г., Кураков А.В. Мониторинг загрязнения соровых солончаков и насыпных грунтов нефтяными углеводородами на месторождении Северные Бузачи (Казахстан) // Доклады по экологическому почвоведению. 2006. Вып. 3. Раздел : Экология почв. № 3. С. 63-74.
Новоселова Е.И. Экологические аспекты трансформации ферментативного пула почвы при нефтяном загрязнении и рекультивации : автореф. дис. … д-ра биол. наук. Уфа, 2007. 41 с.
Алиев С.А., Гаджиев Д.А. Влияние загрязнения нефтяным органическим веществом на активность биологических процессов почв // Известия АН АзССР. Сер. биол. науки. 1977. № 2.
Русанов А.М., Шорина Т.С. Оценка влияния нефтяного загрязнения на свойства чернозема обыкновенного // Сборник материалов IV Всероссийской научной конференции с международным участием «Отражение био-, гео-, антропосферных взаимодействий в почвах и почвенно
 К вопросу диагностики и оценки загрязненных нефтью черноземов | Вестн. Том. гос. ун-та. 2012. № 364.

К вопросу диагностики и оценки загрязненных нефтью черноземов | Вестн. Том. гос. ун-та. 2012. № 364.

Полнотекстовая версия