Влияние санации гуминовыми веществами на биологическое состояние нефтезагрязненных черноземов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние санации гуминовыми веществами на биологическое состояние нефтезагрязненных черноземов

Минникова Т.В.,

Аннотация

Изучено влияние гуминовых веществ на ферментативную активность, эмиссию СО 2 чернозема Ростовской области при загрязнении различными дозами нефти. Наблюдали, что за 30 суток при небольших дозах нефти (1 и 5 %) стимуляция процесса разложения нефти и роста биологической активности по активности ферментов и интенсивности выделения СО 2 более интенсивная, чем при дозе 10% нефти. Применение гумата натрия позволяет стимулировать аборигенную биоту почв путем увеличения степени разложения легких фракций нефти до СО 2 и повышение активности дегидрогеназ при дегидратации органических веществ нефти. Внесение гумата натрия привело к большему восстановлению активности почвенных ферментов, чем гумата калия, благодаря алифатизации углеводородов нефти в черноземе. Для биоиндикации восстановления экологического состояния нефтезагрязнения черноземов после внесения гумата натрия целесообразно использовать активность дегидрогеназ и в-фруктофуранозидазы как ферментов, участвующих в естественном углеродном цикле в почвах, и эмиссии СО 2 как индикатора разложения углеводородов нефти в почве.

Ключевые слова: ЧЕРНОЗЕМЫ, НЕФТЕЗАГРЯЗНЕНИЕ, САНАЦИЯ, ГУМАТ КАЛИЯ, ГУМАТ НАТРИЯ, ЭМИССИЯ СО 2, АКТИВНОСТЬ р- ФРУКТОФУРАНОЗИДАЗЫ, АКТИВНОСТЬ ДЕГИДРОГЕНАЗ, БИОДИАГНОСТИКА

Ежегодно в мире загрязнению нефтью и нефтепродуктами подвергаются миллионы гектаров почвы. Ранее было установлено, что при загрязнении почв нефтью в результате изношенности оборудования, халатности работников, вызывающей аварийные ситуации, происходит ухудшение биологического состояния почв и, как следствие, нарушение их экологических и сельскохозяйственных функций [1-6]. Изменение физико-химического состояния почв оказывает влияние на рост и развитие растений. Улучшить или восстановить функции нефтезагрязненных почв позволяют различные стимуляторы аборигенной биоты, к которым относят гуминовые вещества. Для их лучшего усвоения растением применяют соли гуминовых кислот: гуматы натрия и калия. Применение гуматов в современном сельском хозяйстве помогает улучшить биологическое состояние почв, повысить урожайность выращиваемых сельскохозяйственных культур [5]. Кроме того, внесение гуматов позволяет снизить воздействие тяжелых металлов и органических загрязнителей [9-10]. Внесение гуматов в нефтезагрязненную почву позволит стимулировать аборигенную нефтеразрушающую биоту, поскольку соли гуминовых кислот влияют на энергетический обмен клеток, включающих активацию окислителя (углеводородов нефти) и фотосинтетическое фосфорилирование и амплификацию пептидной системы [11].

Гуминовые вещества в почве представлены высокомолекулярными соединениями с высокой степенью замещения азотсодержащих гетероциклов, боковых аминокислотных и углеродных цепей [12]. При контакте с углеводородами нефти гуматы способны удерживать определенное количество высокомолекулярных соединений даже после их экстракции экстрагентами.

Цель работы - оценить эффективность санации нефтезагрязненных черноземов гуминовыми веществами на биологическое состояние почв.

Материалы и методы

Объект исследования - чернозем обыкновенный карбонатный. Место отбора - пашня (Апах 0-20) Ботанического сада Южного федерального университета. Черноземы юга России - это наиболее плодородные почвы нашей страны. Учитывая огромную антропогенную нагрузку, приходящуюся на эти почвы, их восстановление и сохранение особенно актуально.

Для моделирования загрязнения использовали нефть Саратовского месторождения, которая имеет плотность 0,818 г/м 3, массовую долю серы - 0,43%, массовую долю механических примесей - 0,0028%, массовую долю воды - 0,03%, концентрацию хлористых солей - 40,1 мг/дм 3.

Доза нефти для моделирования загрязнения составила 1, 5 и 10 % от массы почвы. Нефть вносили во влажную почву и тщательно перемешивали. Гумат калия и натрия как источники гуминовых веществ, необходимые для активизации почвенной нефтеразрушающей микробиоты, вносили согласно дозам, рекомендованным производителями, и поливали ими нефтезагрязненную почву.

Схема модельного эксперимента включала 3 дозы нефти (1, 5 и 10 %), 3 срока наблюдения (30, 60 и 90 суток) в 3-хкратной биологической повторности:

1. контроль (чистый чернозем);

2. нефтезагрязненный чернозем (Н);

3. Н+гумат калия;

4. Н+гумат натрия.

Все анализы выполнены в 3-хкратной аналитической повторности. По истечении каждого периода экспозиции определяли остаточное содержание нефти методом инфракрасной спектрометрии с использованием в качестве экстрагента четыреххлористого углерода [12]. Интенсивность выделения СО 2 оценивали в течение 90 суток с помощью газоанализатора ТБ 8ТО-535. Активность дегидрогеназ, Р- фруктофуранозидазы оценивали стандартными в экологии и биологии почв методами [11].

Статистическую обработку данных проводили с помощью пакета программ 12.0.

Результаты и их обсуждение

Влияние гумата калия и гумата натрия на остаточное содержание нефти и свойств почвы. Саморазложение нефти - это достаточно длительный процесс. Внесение биологических веществ стимулирует аборигенную биоту использовать в качестве источника энергии и пищи углеводороды нефти. После внесения гумата калия и гумата натрия содержание нефти изменяется на протяжении 90 суток эксперимента (рис. 1). При внесении гумата натрия через 90 суток наблюдали наибольшее разложение дозы нефти 1% по сравнению с гуматом калия - 79%, при дозе нефти 5% после внесения гумата натрия через 30 и 60 суток наблюдали наибольшее разложение нефти по сравнению с вариантом без мелиорантов и внесением гумата калия: 80 и 78 %. При дозе 10% нефти наблюдали повышение извлечения нефти из почвы: 77-86 %. Гумат калия также оказывал благоприятное воздействие на разложение нефти при дозе нефти 5 и 10 %. При дозе 10% прослеживалась динамика максимального разложения нефти за 90 суток: 75-92 %.

Рис. 1. Изменение содержания нефти после внесения гуматов калия и натрия, % от исходного содержания

Изменение кислотности (рН) в вариантах без мелиорантов наблюдали с ростом дозы нефти. Максимальный рост рН показан на 60-е и 90-е сутки. При внесении гумата калия и натрия самостоятельно наблюдали снижение рН на 4-5 %. При высоких дозах нефти (10%) гумат калия повышал рН до 7,7-7,8, в то время как гумат натрия практически не изменял кислотность при любых дозах нефти. Показатель окислительно-восстановительного потенциала (ОВП) слабо зависел от концентрации нефти в почве и вносимого мелиоранта. Диапазон изменения ОВП имел тенденцию к увеличению с ростом дозы нефти на 60-е и 90-е сутки: при внесении гумата натрия при 5% нефтяном загрязнении ОВП увеличивался на 11-15 %, при 10% - на 15-25 %. Содержание легкорастворимых солей при росте дозы нефти возрастает на 27-46 %. За 30 и 60 суток увеличивается содержание легкорастворимых солей при внесении только гумата натрия на 46 и 89 %, гумата калия - на 148 и 97 %, соответственно. При этом содержание солей уменьшается при дозе 1, 5 и 10 % нефти после внесения гумата натрия на 19-34 %, гумата калия - 12-78 %. Содержание органического вещества при внесении нефти ожидаемо увеличилось пропорционально дозе вносимой нефти и не изменялось на протяжении 90 суток. Ранее было показано, что загрязнение нефтью дозы 10% от массы почвы оказывало ингибирующее воздействие на фитотоксические показатели редиса [14]. Восстановление почвы произошло только через 90 суток. Содержание лабильного углерода в нефтезагрязненных почвах возросло на 20-22 % выше контроля после внесения мочевины и гумата калия, что обусловлено высвобождением активного органического вещества из нефти. В состав гумата калия входят сложные углеродсодержащие соединения солей гуминовых кислот, как известно, сродные гумусу, и, таким образом, при внесении гумата калия в нефтезагрязненную почву наблюдали через 30 и 60 суток увеличение содержания нитратов на 50 и 45 %, соответственно.

Влияние гумата калия и гумата натрия на эмиссию СО 2 в нефтезагрязненном черноземе. Выделение углекислого газа (СО 2) происходит в результате разложения легких бензиновых фракций нефти на СО 2 и воду. Именно легкие фракции нефти наиболее токсичны для живых организмов. Интенсивность выделения СО 2 была максимальной после внесения гумата натрия и калия в 5-10 раз на 50-55-е сутки (рис. 2). Затем наблюдали спад выделения СО 2. Выделение углекислого газа в процессе разложения нефти обусловлено разложением легких бензиновых фракций нефти. При этом интенсивность разложения легких фракций нефти до продуктов распада зависела от температуры и влажности почв.

Рис. 2. Изменение эмиссии СО 2 через 90 суток эксперимента после внесения гумата калия и натрия, ppm

Ранее при сравнении влияния мелиорантов различной природы было продемонстрировано существенное изменение эмиссии СО 2 за 30 суток только при внесении мочевины, что в большей степени обусловлено углеродной природой удобрения [6]. Достаточное увлажнение почв и наличие корневых остатков, что присуще корнеобитаемому слою почвы, усиливают эмиссию СО 2 в лесных почвах при загрязнении дизельным топливом [15, 16]. Учитывая, что углеводороды обладают соответствующими гидрофобными свойствами, увлажнение и аэрация почв - это ключевые факторы в кинетике микробиологических процессов в почве, в том числе разложении углеводородов до СО 2.

Влияние гумата калия и гумата натрия на активность дегидрогеназ в нефтезагрязненном черноземе. По активности дегидрогеназ, напротив, при самостоятельном внесении гуматов калия и натрия в чернозем показано ингибирующее воздействие (рис. 3).

Рис. 3. Изменение активности дегидрогеназ после внесения гумата калия и натрия, мг ТФФ/10г/24 часа

Однако при малых дозах нефти 1 и 5 % через 30 и 60 суток, соответственно, наблюдали благоприятное влияние гумата натрия на активность фермента. Изменение активности дегидрогеназ отражает процесс окисления органических веществ и часто используется многими исследователями при оценке состояния почв после ремедиации нефтезагрязненных почв [17-22].

Влияние гумата калия и гумата натрия на активность в-фруктофуранозидазы. При самостоятельном внесении гумата калия и натрия через 30 суток не обнаружено негативного эффекта на активность Р-фруктофуранозидазы (рис. 4). Через 60 суток при дозе нефти 1% наблюдали повышение активности инвертазы при внесении гумата натрия и калия на 90 и 86 %, соответственно. Положительное влияние на активность Р- фруктофуранозидазы после внесения гумата калия при дозе нефти 5% также показано на 60-е сутки на 78%.

Рис. 4. Изменение активности Р-фруктофуранозидазы после внесения гумата калия и натрия, мг глюкозы/1г/24 часа

Ранее при анализе были отмечены похожие изменения активности Р- фруктофуранозидазы почв аридной зоны Калмыкии при загрязнении различными дозами нефти в зависимости от гранулометрического состава почв и концентрации нефти в почве [2]. Так, бурая полупустынная и светло-каштановая почвы имеют супесчаный и легкосуглинистый гранулометрический состав, слабощелочную среду и невысокое содержание органического вещества, что определяет их неустойчивость к высоким дозам нефти (5 и 10 %). Ранее было показано благоприятное влияние гумата калия на биологические свойства черноземов при нефтезагрязнении [4]. Однако применение гумата натрия позволяет активизировать аборигенную биоту и способствует эффективной углеводородной деградации за счет содержания в своем составе ионов натрия. Натрий выступает как медиатор процессов алифатизации органического вещества в черноземе, превращая конденсированные в бензольное кольцо углеводороды в линейные цепочки углеводородов. Линейные цепочки углеводородов нефтеокисляющим бактериям проще использовать в качестве источника энергии и питательных веществ. Ароматизация подвижного гумуса прослеживалась в черноземе после внесения дефеката по органическому и минеральному фонам, содержащим натриевые удобрения [23].

Заключение