ЭКОЛОГИЯ, 2010, № 5, с. 357-364
УДК 631.4; 574; 504
УСТОЙЧИВОСТЬ БИОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЧВ ЮГА РОССИИ
К НЕФТЯНОМУ ЗАГРЯЗНЕНИЮ
© 2010 г. С. И. Колесников, Д. К. Азнаурьян, К. Ш. Казеев, В. Ф. Вальков
Южный федеральный университет 344006 Ростов-на-Дону, ул. Большая Садовая, 105 E-mail: kolesnikov@sfedu.ru; sk@bio. rsu.ru Поступила в редакцию 23.04.2009 г.
Загрязнение почв Юга России нефтью, как правило, ведет к снижению численности аммонифицирующих бактерий, микроскопических грибов и бактерий рода Azotobacter, активности каталазы и инвертазы, целлюлозолитической способности. По степени устойчивости биологических свойств к загрязнению нефтью почвы Юга России располагаются следующим образом: черноземы обыкновенные >= дерново-карбонатные почвы = черноземы южные >= черноземы выщелоченные > бурые лесные почвы >= серопески. Предложены региональные нормативы содержания нефти в исследованных почвах.
Ключевые слова: биологические свойства почв, устойчивость, загрязнение, нефть, Юг России.
Почвы Юга России играют огромную роль в обеспечении экологической и продовольственной безопасности всей страны. Здесь расположены самые плодородные почвы Мира. При этом они подвергаются жесточайшей сельскохозяйственной эксплуатации и антропогенному прессингу. Экологический и экономический ущербы от загрязнения почв и сельскохозяйственной продукции огромны. Однако до сих пор многие фундаментальные научные вопросы, касающиеся экологических последствий химического загрязнения почв, изучены недостаточно. Одним из приоритетных загрязнителей является нефть.
Многочисленными исследованиями установлено, что загрязнение нефтью и нефтепродуктами оказывает существенное влияние на физические, химические и биологические свойства почвы. Биологические свойства реагируют на нефтяное загрязнение первыми: изменяются общая численность микроорганизмов, их качественный состав, структура микробоценозов, интенсивность микробиологических процессов и активность почвенных ферментов, продуктивность почв и т.д., нарушаются экологические и сельскохозяйственные функции почв. Последствия зависят от параметров загрязнения: состава и свойств нефти и нефтепродуктов, концентрации в почве, продолжительности загрязнения, а также от эколого-географического положения почвы, определяющего скорость трансформации нефти в почве, и эколого-генетических свойств почвы, определяющих ее устойчивость к химическому загрязнению (Исмаилов, 1988; Хазиев и др., 1988; Звягинцев и др., 1989; Киреева и др.,
1998; Трофимов и др., 2000; Пиковский и др., 2003; Колесников и др., 2007; и др.).
Цель настоящей работы — исследовать устойчивость биологических свойств почв Юга России к нефтяному загрязнению. В задачи входило: установить закономерности воздействия загрязнения нефтью на численность и активность микроорганизмов, ферментативную активность; провести сравнительную оценку устойчивости основных почв (черноземов обыкновенных, выщелоченных и южных, бурых лесных почв, дерново-карбонатных почв и серопесков) к загрязнению нефтью; определить возможность и целесообразность использования различных биологических показателей в целях мониторинга, диагностики и индикации загрязнения почв и экосистем в целом нефтью; определить количественные ориентиры для разработки региональных нормативов содержания нефти в почвах.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве объектов исследования были использованы черноземы обыкновенные, черноземы выщелоченные, черноземы южные, бурые лесные почвы, дерново-карбонатные почвы и песчаные почвы черноземной зоны — серопески. Эти почвы занимают основную территорию Юга России и существенно различаются между собой по генезису и свойствам: содержанию гумуса, реакции среды (рН), содержанию карбонатов, гранулометрическому составу, поглотительной способности, биологической активности и другим свойствам, определяющим устойчивость почвы к
химическому загрязнению (Вальков и др., 2008). Исследование черноземов проведено более детально (на подтиповом уровне) в связи с тем, что они составляют большую часть почвенного покрова Юга России и имеют особое значение в продовольственном обеспечении страны. Бурые лесные почвы отличают кислая реакция среды и низкая биологическая активность. Дерново-карбонатные почвы и серопески принадлежат к ин-тразональным почвам: для первых характерны высокое содержание карбонатов и слабощелочная реакция среды, вторым присущи легкий гранулометрический состав и низкая поглотительная способность. Почва для модельных экспериментов была отобрана из верхних горизонтов (0 - 25 см).
Изучали действие разных концентраций нефти — 1, 5 и 10 % от массы почвы. ПДК нефти в почве не разработаны, поэтому для выражения ее концентрации использовали процентное содержание. Загрязнение почвы нефтью до 10 % и более часто встречается в районах нефтедобычи, транспортировки и переработки нефти (Пиков-ский, 1993; Трофимов и др., 2000).
Мы исследовали равномерное загрязнение нефтью всего объема почв. Для этого после внесения загрязняющего вещества почву в сосуде перемешивали. Затем ее компостировали при комнатной температуре (20—22°С) и оптимальном увлажнении (60% от полевой влагоемкости) в трехкратной по-вторности в течение 30 сут. При оценке химического воздействия на почву этот срок является наиболее информативным (Колесников и др., 2006). Через указанный срок всю массу почвы извлекали из вегетационного сосуда и перемешивали, тем самым получали "средний образец", из которого отбирали пробы для определения биологических показателей.
Лабораторно-аналитические исследования выполнены с использованием общепринятых в биологии почв методов (Методы почвенной микробиологии и биохимии, 1991; Казеев и др., 2003).
Численность аммонифицирующих бактерий и микроскопических грибов учитывали методом посева почвенной суспензии на плотные питательные среды. Использовали свежие образцы инкубированных незагрязненных и загрязненных почв. Численность бактерий учитывали на МПА, численность грибов — на кислой среде Чапека. Бактерий рода Лхо1оЬас1вг учитывали методом комочков обрастания на среде Эшби. Для определения ферментативной активности использовали свежевысушенные образцы инкубированных незагрязненных и загрязненных почв. Активность каталазы измеряли по методу Галстя-на, инвертазы — по методу Галстяна в модификации Хазиева. Целлюлозолитическую способность определяли по степени разложения хлопчатобу-
мажного полотна, экспонированного в почве в течение 30 дней.
В целях выявления общих закономерностей воздействия того или иного негативного фактора, в частности загрязняющего вещества, на экологическое состояние почв рекомендуется использовать интегральный показатель биологического состояния (ИПБС) почвы, который определяется на основе наиболее информативных биологических показателей (Колесников и др., 2006). В настоящей работе он был рассчитан по следующим показателям: численность аммонифицирующих бактерий, микроскопических грибов, бактерий рода А^,о1оЬас1вг, активность каталазы и инверта-зы, целлюлозолитическая активность. Численность аммонифицирующих бактерий и микроскопических грибов характеризует состояние редуцентов в экосистеме, бактерии рода А^,о1оЬас1вг традиционно используются как индикатор химического загрязнения почвы. Каталазная, инвер-тазная и целлюлозолитическая активности отражают интенсивность биологических процессов в почве. Каталаза характеризует протекание окислительно-восстановительных процессов, инвер-таза —гидролитических. Причем активность этих ферментов служит показателем потенциальной биологической активности почвы, а скорость разложения полотна характеризует актуальную активность. Таким образом, представленный набор показателей дает объективную и информативную картину о протекающих в почве биологических процессах и ее экологическом состоянии.
Для расчета ИПБС значение каждого из шести указанных выше показателей в контроле (в незагрязненной почве) принимали за 100% и по отношению к нему выражали в процентах значения в остальных вариантах опыта (в загрязненной почве). Затем определяли среднее значение шести выбранных показателей для каждого варианта. Использованная методика позволяет интегрировать (объединить) относительные величины разных показателей, абсолютные значения которых не могут быть суммированы, так как имеют разные единицы измерения.
Для оценки взаимосвязи и взаимообусловленности происходящих в почве процессов применили дисперсионный, корреляционный и регрессионный анализы. Дисперсионный анализ использовали для оценки достоверности влияния загрязнения на исследуемые показатели. В целях удобства интерпретации результатов дисперсионного анализа по его данным вычисляли наименьшую существенную разность (НСР). Корреляционный анализ применяли для изучения тесноты и формы связи между концентрацией в почве загрязняющего вещества и исследуемыми показателями. Регрессионный анализ использовали для получения уравнений регрессии, отражающих зависимость снижения значений ИПБС
УСТОЙЧИВОСТЬ БИОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЧВ ЮГА РОССИИ 359
Таблица 1. Коэффициенты корреляции (г) между содержанием в почве нефти и показателями биологической активности (а = 0.05)
№ Показатель Почва Среднее
Чо Чв Чю Сп Бл Дк значение
1 Активность каталазы -0.97 -0.95 -0.91 -0.95 -0.99 -1.00 -0.96
2 Активность инвертазы -0.98 -0.87 -0.93 -0.86 -1.00 -0.97 -0.94
3 Целлюлозолитическая активность -0.96 -0.96 -0.89 -0.97 -0.93 -0.96 -0.94
4 Численность аммонифицирующих бактерий -0.94 -0.70 -0.91 -0.98 -0.85 -0.62 -0.83
5 Численность микромицетов -0.89 -0.87 -0.85 -0.99 -0.77 -0.96 -0.89
6 Обилие бактерий рода А1о(оЬас(ег -0.99 -0.99 -0.99 -0.99 - -0.95 -0.98
7 ИПБС -0.98 -0.97 -0.96 -1.00 -0.96 -0.95 -0.97
* Здесь и в табл. 2,3: Чо — черноземы обыкновенные, Чв — черноземы выщелоченные, Чю — черноземы южные, Сп — серопески, Бл — бурые лесные почвы, Дк — дерново-карбонатные почвы.
от содержания в почве загрязняющего вещества. Для проведения математической обработки результатов исследования использовали компьютерную программу $1а1А511са 6.0.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
В результате иссле
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.