ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2015, № 6, с. 751-760
ДЕГРАДАЦИЯ, ВОССТАНОВЛЕНИЕ И ОХРАНА ПОЧВ
УДК 631.4;574;504
МЕТОД ТРИАД ДЛЯ ОЦЕНКИ РЕМЕДИАЦИОННОГО ДЕЙСТВИЯ ГУМИНОВЫХ ПРЕПАРАТОВ НА УРБАНОЗЕМЫ*
© 2015 г. М. А. Пукальчик1, В. А. Терехова1, 2, О. С. Якименко1, К. А. Кыдралиева3, М. И. Акулова1
1Факультет почвоведения МГУ им. М.В. Ломоносова, 119991, Москва, Ленинские горы, 1-12 e-mail:pukalchik.maria@gmail.com, vterekhova@gmail.com 2Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН, 119071, Москва, Ленинский пр., 33 3Институт прикладной биохимии и машиностроения (OAO "Биохиммаш"), 127299, Москва, ул. Клары Цеткин, 4
Поступила в редакцию 23.12.2013 г.
Для характеристики ремедиационного эффекта гуминовых препаратов (лигногумата и наномагне-титогумата) использовали данные о содержании загрязняющих веществ, экотоксичности и структурно-функциональных особенностях сообществ почвенных микроорганизмов в образцах урбано-земов г. Киров. Методом триад рассчитан интегральный индекс состояния почв на загрязненных и фоновых участках. С его помощью на основе изменений химических, токсикологических и биоиндикационных показателей установлено, что гуминовые препараты способны снижать экотоксич-ность и изменять экофизиологические показатели биоты городских почв. Наиболее выраженное действие гуминовых препаратов выявлено при внесении 0.0025 и 0.01 мас. %. Очевидно, основным фактором, определяющим ремедиационный эффект наномагнетитогумата и лигногумата, является их биологическая активность, а не способность связывать токсиканты.
Ключевые слова: гуминовые вещества, лигногумат, нанокомпозиты, биотестирование, биоиндикация, интегральный индекс состояния.
Б01: 10.7868/80032180X15060088
ВВЕДЕНИЕ
Почвенный покров городских территорий испытывает высокую антропогенную нагрузку. Городские почвы отличаются от фоновых по физическим, химическим и биологическим свойствам [4, 13, 16]. Отмечается, что основополагающую роль в снижении способности городских почв выполнять экологические функции играют повышенные концентрации загрязняющих веществ и потеря биоорганического потенциала, то есть суммы живого и гумусированного органического вещества почв [9, 11, 17, 20, 24]. Гуминовые вещества играют одну из важнейших ролей в улучшении физико-химических свойств почвы, активизации микрофлоры, миграции питательных веществ и, в конечном итоге, восстановлении почвенного и растительного покрова [10, 12].
Внесение промышленных аналогов природных гуминовых веществ (гуминовых препаратов) в городские почвы при определенных условиях
* Исследования поддержаны грантами РФФИ (12-04-01230-а; 14-04-31293 мол_а) и Программы фундаментальных исследований Президиума РАН "Живая природа: современное состояние и проблемы развития".
способно положительно воздействовать на экологическое состояние почв [3, 15, 32]. Повышенный интерес к гуминовым препаратам способствует совершенствованию традиционных технологий их производства, расширению сырьевой базы, в которую вовлекаются все новые виды углей, торфов, сланцев, пелоидов, а также внедрению инноваций в этой отрасли. В частности, известны препараты, созданные на основе ускоренной гумификации лигнинсодержащего сырья — лигногумата [1, 27], а также путем увеличения количества реакционных центров за счет включения в гуминовую матрицу наноразмерных частиц металлов или их оксидов [5, 21, 28, 29]. Актуальность и целесообразность применения гуматов обусловливают необходимость проведения биотического контроля почв и проверки ремедиаци-онной активности и экобезопасности гуминовых препаратов [33].
Очевидно, что ремедиационную активность гу-миновых препаратов надо оценивать в соответствии с биотической концепцией, рассматривая совокупность данных химических и биологических анализов почв до и после обработки их гума-тами. Основными проблемами в реализации био-
тической концепции при оценке гуминовых препаратов, как и во многих других случаях, являются выбор способа свертывания информации в единый индекс и интерпретация количественных значений индекса в качественный критерий состояния почвы. В отношении оценки ремедиационной активности гуматов имеется опыт применения в качестве интегрального показателя коэффициента детоксикации [6, 7]. Однако наиболее объективной и разносторонней представляется методология междисциплинарного уровня — метода триад, который предполагает интеграцию триады экологических данных: химических, биологических и токсикологических показателей [26, 31].
Задача работы заключалась в оценке ремедиа-ционного эффекта двух гуминовых препаратов (лигногумата и наномагнетитогумата) по отношению к образцам урбаноземов на основе метода триад.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Исследования проводили в условиях вегетационного эксперимента с использованием урбано-земов, отобранных на двух участках территории г. Киров: на условно чистой фоновой и с пробной площадки в промышленном районе, где по результатам комплексных исследований 2010— 2011гг. отмечено повышенное содержание ряда тяжелых металлов, а почвы проявляли как фито-, так и экотоксичные свойства [14]. Для опытов использовали смешанный образец урбанозема из поверхностных горизонтов (0—20 см), отобранный с пробной площадки площадью 10 м2, расположенной на расстоянии 5 м от оживленной автотрассы. Валовое содержание ионов тяжелых металлов в почве (мг/кг): Сё — 4.61; N1 — 97.23, РЬ — 249.11; Сг — 296.21. Исходные почвы характеризовались среднесуглинистым гранулометрическим составом. Почву при естественной влажности освобождали от посторонних включений и просеивали через сито с ячейками 2—4 мм.
Материалом для исследования служили гуми-новые препараты, изготовленные с применением современных технологий синтеза:
Гуминовый препарат 1 (ГП 1) — "лигногумат К" (НПО "РЭТ", Россия) получен в ходе искусственной гумификации лигносульфоната. Он содержит небольшое количество (мас. %) N — 0.37; S ~ 4.0; С — 35.0; К — 3.0; Р — 0.1. Для его состава характерно преобладание фульвокислот и веществ кис-лоторастворимых фракций над гуминовыми кислотами: 90 и 10% соответственно.
Гуминовый препарат 2 (ГП 2) — "наномагнети-тогумат" (ОАО "Биохиммаш", Россия) получен в ходе механохимического синтеза из гуминовых кислот окисленных бурых углей и высокоактивных наночастиц магнетита. Содержание гумино-
вых кислот, связанных с магнетитом, не более 10 мас. % от общего количества [23]. В элементном составе этого препарата N — 2.8; C — 33.8; Н — 2.6; Fe — 15.3; K — 14.0 мас. %. Повышенное содержание азота связано с содержанием остаточного количества NH4Cl, использованного в процессе синтеза магнетита. Высокое содержание калия в этом препарате обусловлено использованием в процессе синтеза гуматов калия (содержание калия в исходном гуминовом препарате — 23%).
Содержание тяжелых металлов (Pb, Cd, Ni, Cr) в обоих ГП составляет следовые количества.
Гуминовые препараты вносили в сухом виде в образцы почв в трех концентрациях 0.0025, 0.01 и 1 мас. % (эквивалентны 0.025, 0.1 и 10 г/кг). Смеси тщательно перемешивали и помещали в вегетационные сосуды (пластиковые емкости, рассчитанные на 500 г воздушно-сухой почвы). Повторность каждого варианта — трехкратная. Контрольным почвенным образцом (далее — контроль) служил образец урбанозема, не обработанный гуминовы-ми препаратами. В качестве природных рефе-ренсных образцов использовали фоновые почвы (далее — фон), которые отобрали с пробной площадки, заложенной в юго-западной части города на территории лесопарковой зоны, где, согласно проведенным исследованиям [14], почвы находятся в наиболее благополучном состоянии.
Непосредственно после заполнения опытными образцами в каждый сосуд высевали по 2 г смеси газонных трав "Универсал" (Россия), в составе которой присутствовали следующие виды: овсяница луговая (Festuca pratensis) — 30%, овсяница красная (F. rubra) — 35%, райграс многолетний (Lolium perenne)— 15%, овсяно-райграсный гибрид — 20%. Полив соответствовал среднемесячной норме выпадения осадков для июня— июля в г. Киров. Освещение создавали искусственно с режимом 12 ч света/12 ч темноты.
Длительность эксперимента составила 56 суток с момента посадки растений. По завершению эксперимента произвели укос трав. Токсичность почв и влияние гуминовых препаратов оценивали по продуктивности биомассы растений. Образцы почв, освобожденные от корней, исследовали по ряду химических, токсикологических и биоиндикационных показателей.
Химические исследования включали определение рН водной вытяжки потенциометрическим методом, содержание подвижных форм металлов определяли после экстракции ацетатно-аммоний-ным буфером (рН 4.8) методом атомно-абсорбци-онной спектроскопии согласно стандартным методикам. Основные агрохимические показатели (NPK и С орг) оценивали общепринятыми в почвоведении методами.
Токсикологические исследования проводили с применением трех тест-систем по реакциям
организмов разной таксономической и трофической принадлежности (водорослей Scenedesmus quadricauda, ракообразных Daphnia magna и ген-номодифицированных бактерий Escherichia coli) согласно процедурам, прописанным в стандартных методиках (ФР.1.39.2007.03223 аналогично ISO 8692-1; ФР.1.39.2007.0322, ISO 7346-1); (ПНД Ф Т 14.1:2:3:4.11-04; ПНД Ф Т 16.1:2.3:3.8-04, аналогично ISO-11348-2) .
Биоиндикационные исследования включали определение следующих показателей:
— интенсивности почвенного дыхания по величине субстрат индуцированного дыхания обогащенной глюкозой почв и интенсивности микробного дыхания без добавления глюкозы. Из полученных данных рассчитывали значение микробной биомассы и микробный метаболический коэффициент, согласно [24, 25];
— структуры почвенных микромицетов методом посева почвенной суспензии на агаризован-ную среду Чапека; синэкологический анализ проводили по общей численности колониеобразую-щих единиц, доле устойчивых к неблагоприятным факторам темнопигментированных видов грибов;
— активности фермента уреазы колориметрическим методом, основанным на измерении количества аммиака, образующегося при гидролизе мочевины, с реактивом Несслера;
— активности фермента каталазы газометрическим методом, основ
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.