УДК 631.4
ИНТЕГРАЛЬНАЯ ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ ПОЧВЫ К НЕФТЯНОМУ ЗАГРЯЗНЕНИЮ
Н.А. Киреева, А.Б. Якупова, А.С. Григориади
N.A. Kireeva, A.B. Yakupova, A.S. Grigoriady. INTEGRAL INDICATOR OF SOIL RESISTANCE TO OIL CONTAMINATION. The authors propose a new integral indicator to assess reaction of soil ecosystem to the oil contamination. The use of this indicator helps to receive a clear conception of the soil resistance and stability, does not require significant expenses and increases selfdescriptiveness of research in the efficiency assessment of reclamation activities after oil spills. Tabl. 1. Bibl. 6.
Активная антропогенная деятельность может привести к значительным нарушениям в природных системах. Наблюдение и поддержание устойчивого состояния экосистем является важной задачей экологов. Для прогнозирования экологического состояния нарушенных ландшафтов необходима системная информация обо всех компонентах почвенной биоты, так как именно биота являются наиболее чувствительным компонентом экосистемы. Однако организмы разных видов по-разному реагируют на различные загрязнения или на иные стрессы. Таким образом, необходимо выявление интегральных показателей, учитывающих одновременно несколько параметров почвенной биоты (Киреева и др., 2007; Девятова, 2009). Использование микробных препаратов является одним из наиболее экономически и экологически целесообразных методов рекультивации нефтезагрязненных почв (Габбасова, 2001; Van der Gast et al., 2003). Однако при искусственном внедрении микробных комплексов в почвы с таким многокомпонентным загрязнителем как нефть, в ходе рекультивации всегда существует вероятность образования персистентных и токсичных соединений (Плешакова и др., 2007). Для испытания экологической безопасности микробных препаратов и для оценки эффективности биоаугментации необходим критерий, который позволил бы сравнивать почвы с различными концентрациями загрязнения и методами рекультивации. В качестве такого критерия может быть использован интегральный показатель биологической активности почвы.
Целью данной работы было исследование нескольких биологических параметров для выявления интегрального показателя для оценки состояния загрязненной почвы.
Объектом исследования явилась серая лесная почва, загрязненная нефтью. Степень загрязнения составляла 4 и 8% по массе. Образцы анализировали через 3 и 90 суток. Повторность опытов трехкратная.
В качестве показателей использовались численность некоторых физиологических групп микроорганизмов и активность ферментов. Численность микроорганизмов определялась по общепринятому методу посева на агаризированные среды (Методы…, 1991). Каталазная активность определялась газометрическим методом (Хазиев, 2005). Для изучения почвенных ЦВЦ использовали метод чашечных и водных культур со стеклами обрастания (Кузяхметов, Дубовик, 2001). Идентификацию видов проводили по общеизвестным определителям. Количественный учет почвенных водорослей проводился методом культурального подсчета по таблице Мак-Креди, составленной на основании методов вариационной статистики (Кузяхметов и др., 2001).
В качестве интегрального показателя использовался коэффициент, учитывающий суммы индексов токсичности гетеротрофных и углеводородокисляющих микроорганизмов, микроскопических грибов, почвенных цианопрокариот и водорослей, и рассчитанный по активности каталазы. Индексы исследуемых организмов выражали: для каталазы – в мл О2 за 120 сек, для автотрофных и гетеротрофных микроорганизмов – lg численности соответственно. При величине интегрального показателя равной или больше 1 биологическая активность почвы сохраняется, и система может считаться устойчивой.
Наиболее общим микробиологическим параметром является численность гетеротрофных почвенных микроорганизмов. Проведенные исследования показали, что нефть оказывает ингибирующее действие на микроорганизмы, однако снижение их численности в загрязненных образцах по сравнению со значениями в фоновой почве наблюдалось только в первые сутки. В результате попадания нефти в почву увеличивалось содержание органического вещества, а начавшиеся процессы естественной деградации делают эти вещества доступными для микроорганизмов, и могут быть использованы в качестве дополнительного источника питания. Возможно, именно это способствовало превышению индекса токсичности. Для почвы с концентрацией нефти 8% такой тенденции не наблюдалось, т.к. сильнозагрязненная почва более токсична, и процессы разложения поллютанта занимают более длительный период. Внесение биопрепарата "Универсал", представляющего собой биомассу углеводородокисляющих актинобактерий Rhodococcus equi (Макарова, 2004), стимулировало развитие микроорганизмов, использующих органические формы азота. Уже в начале опыта численность гетеротрофов возросла в 2,5–3 раза. Максимальный рост данного показателя был отмечен в рекультивированных образцах с содержанием поллютанта 4%. Для почвы, загрязненной нефтью в концентрации 8%, динамика роста гетеротрофов была сходной. Внесение препарата стимулировало развитие гетеротрофов на протяжении всего периода эксперимента.
Почвы любой территории содержат углеводороды как природного, так и антропогенного происхождения, поэтому любая почва содержит некоторое фоновое количество углеводородокисляющих микроорганизмов (УОМ). Нами показано, что загрязнение нефтью стимулировало рост численности УОМ, т.к. появился специфический источник углерода для данной группы микроорганизмов. При внесении биопрепарата "Универсал" численность УОМ возрастала уже через 3 суток с начала эксперимента. При высокой концентрации нефти (4 и 8% масс.) отмечалось первоначальное токсическое действие биопрепарата на УОМ. Однако через 90 суток данный показатель значительно превышал соответствующие значения в необработанных почвах.
Еще одной группой микроорганизмов, достаточно устойчивой к действию поллютанта, являются почвенные микромицеты. Они представляют собой одну из основных составляющих микробного сообщества почвы и участвуют в минерализационных процессах. Благодаря ферментным системам и способности организма адекватно реагировать на факторы внешней среды, грибы хорошо выживают, адаптируются и интенсивно размножаются в новых, иногда экстремальных условиях обитания (Марфенина, 2005). Загрязнение почвы нефтью в средних и высоких дозах (4 и 8%) приводило к угнетению их развития. Известно, что микромицеты обладают неодинаковой устойчивостью к токсическому действию нефти и способностью к ее утилизации, что может приводить к изменению количественного соотношения видов грибов в нефтезагрязненной почве. Нефтяное загрязнение оказывало существенное влияние на структуру микробного комплекса и приводило к изменению видового состава микромицетов. С увеличением концентрации поллютанта разнообразие микромицетов снижалось пропорционально увеличению концентрации нефти, что свидетельствует об упрощении видовой структуры комплекса микромицетов. "Универсал" значительно увеличивал численность микромицетов как за счет случайных видов P. canescens, P. glabrum, P. velutinum и Phialophora sp., так и фитотоксичных Aspergillus niger, Paecilomyces variotii. При его использовании увеличивалось видовое богатство микромицетов в рекультивируемой почве за счет новых видов. Так, в вариантах опытов с низкой дозой нефти появился Aspergillus fumigatus, в варианте с высокой – Paecilomyces lilacinus. В вариантах опыта с использованием биопрепарата "Универсал" в качестве рекультивирующего фактора численность микромицетов достоверно превышала таковые значения как в фоновой, так и в нефтезагрязненной нерекультивируемой почве. В сильнозагрязненной (8%) почве доминировал вид P. madriti. Обработка загрязненной почвы биопрепаратом "Универсал" приводила к смене доминанты, основным представителем явился вид Aspergillus fumigatus.
Известно, что под действием нефти происходит перестройка или гибель цианобактериально-водорослевых ценозов (ЦВЦ) (Кабиров, Минибаев, 1982). Нами показано, что степень воздействия зависела от концентрации нефти и срока отбора проб. Так, на третьи сутки при 4% загрязнении число видов водорослей уменьшилось до 2. В варианте опыта с высоким содержанием нефти (8%) полностью исчезли представители отделов Xanthophyta и Bacillariophyta. В серой лесной почве выявлен Nostoc linckia (Cyanoprokaryota), в водной культуре – Chlorococcum infusionum (Chlorophyta). В ходе исследований установлена ярко выраженная зависимость динамики численности живых клеток и биомассы цианопрокариот и водорослей от нефтяного загрязнения. Так, при загрязнении нефтью в концентрации 4% происходило снижение численности клеток и биомассы водорослей в 4 раза уже на третьи сутки инкубации. Необходимо указать, что снижение численности цианопрокариот и водорослей идет за счет чувствительных к загрязнению видов, таких как представители диатомовых и желтозеленых. Необходимо отметить, что на 90 сутки происходило полное восстановление видового разнообразия ЦВЦ при всех испытанных препаратах обоих типов почв. Численность клеток ЦВЦ, спектр экобиоморф практически не отличались от контрольного варианта, а количественные культуральные показатели в 2 раза и более превышали фоновые. Стимулирующий эффект проявился в восстановлении видового разнообразия ЦВЦ. Это в первую очередь связано с уменьшением содержания остаточных нефтепродуктов в почве и снижением токсичности поллютанта при внесении биопрепарата "Универсал".
Наряду с микробиологической активностью, используются показатели ферментативной активности почвы для оценки качества среды. Распад нефтяных углеводородов при участии ферментов в почве связан с окислительно-восстановительными процессами. Одним из основных ферментов, участвующих в разложении нефти в почве, является каталаза, которая обеспечивает распад различных перекисей и играет роль в кислородном балансе почвы. Этот параметр оказался наиболее чувствительным и к концу эксперимента оставался на низком уровне. Исследования показали, что использование "Универсала" для рекультивации не привело к однозначным результатам. Положительное влияние отмечалось только через 3 суток с начала эксперимента. Но уже через 90 суток показатели активности каталазы в образцах загрязненной почвы были выше, чем в рекультивируемой, однако все значения превышали фоновый уровень активности фермента.
Как видно из представленных результатов (табл.), при загрязнении нефтью общая биологическая активность почвы заметно снижалась. При этом степень подавления активности почвы зависела от концентрации нефти и времени прошедшего с загрязнения. Так, если через 3 суток после загрязнения в вариантах с концентрацией нефти 4% и 8% величина интегрального показателя соответственно составляла 0,76 и 0,53 относительных единиц, то через 90 сут. в этих же вариантах были получены значения, равные 0,88 и 0,54.
Таблица
Значения интегрального показателя в различных вариантах опыта
Следует отметить, что при средних концентрациях нефти (4%) биологическая активность почвы постепенно восстанавливалась. При более высокой степени загрязнения величина интегрального показателя за период наблюдения практически не изменялась и колебалась в пределах 0,53–0,54 единиц. По-видимому, данное явление связано с тем, что происходило полное разрушение части биоценоза почвы, полностью погибали микроскопические водоросли, наблюдалось сильное подавление ферментативной активности почвы. Это в свою очередь затормозило процессы самоочищения почвы и восстановления ее биологической активности. Рекультивация биопрепаратом "Универсал" лишь незначительно нивелировала действие нефти на показатели биологической активности почв к концу срока инкубации, на что указывает интегральный показатель, составивший 0,55 и 0,56 при 8% загрязнителя.
Таким образом, использование интегрального показателя позволяет получить более полное представление о реакции почвенной экосистемы на нефтяное загрязнение. Его использование не требует значительных экономических затрат, повышает информативность исследований при оценке эффективности восстановительных мероприятий.
Литература
1. Девятова Т.А. Биодиагностика техногенного загрязнения почв // Экология и промышленность России, 2006, январь. – С. 36–37.
2. Киреева Н.А., Кабиров Т.Р., Дубовик И.Е. Комплексное биотестирование нефтезагрязненных почв // Теоретическая и прикладная экология, 2007. – №1. – С. 65–69.
3. Маркарова М.Ю. Опыт применения биопрепарата «Универсал» для рекультивации нефтезагрязненных земель /М.Ю. Маркарова // www.ib.komisc.r/t/ru/ic/vt/04-84/06.html – Вест. Института Биологии Коми НЦТ УрО РАН.– 2004. – №84.
4. Марфенина О.Е. Антропогенная экология почвенных грибов / О.Е. Марфенина. – М.: Медицина для всех, 2005. – 196 с.
5. Методы почвенной микробиологии и биохимии / Под ред. Д.Г. Звягинцев. – М.: Изд-во МГУ, 1991. – 304 с.
6. Хазиев Ф.Х. Методы почвенной энзимологии. – М.: Наука, 2005. – 252 с.
