ПОЧВОВЕДЕНИЕ, 2015, № 6, с. 740-750
ДЕГРАДАЦИЯ, ВОССТАНОВЛЕНИЕ И ОХРАНА ПОЧВ
УДК 631.445.1:504.53.054:574.42:631.467
ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫЕ СУКЦЕССИИ БИОТЫ В ТОРФЯНОЙ ПОЧВЕ С НЕФТЯНЫМ ЗАГРЯЗНЕНИЕМ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДАХ БИОЛОГИЧЕСКОЙ РЕКУЛЬТИВАЦИИ*
© 2015 г. Е. Н. Мелехина, М. Ю. Маркарова, Т. Н. Щемелинина, Е. М. Анчугова, В. В. Канев
Институт биологии Коми научного центра УрО РАН, 167982, Сыктывкар, ул. Коммунистическая, 28 e-mail: melekhina@ib.komisc.ru, markarova@ib.komisc.ru, shemelinina@ib.komisc.ru, anchugova@ib.komisc.ru, kanev@ib.komisc.ru Поступила в редакцию 18.03.2014 г.
Исследовано влияние разных методов биологической рекультивации на восстановление биоты загрязненной нефтью торфяной почвы (Histosol) в подзоне крайнесеверной тайги европейской части России. Проанализированы данные о динамике численности микроорганизмов отдельных трофических групп (углеводородокисляющих, аммонифицирующих, нитрифицирующих, олигонитро-фильных), ферментативной активности почвы (каталазной и дегидрогеназной), плотности населения и структуры группировок почвенной микрофауны и состояния фитоценозов за семилетний период сукцессии. Установлено, что рекультивация с применением биопрепаратов, состоящих из нефтеокисляющих микроорганизмов: "Родер" (Rhodococcus ruber и Rhodococcus erythropolis) и "Универсал" (Rhodotorula glutinis и Rhodococcus sp.), наиболее эффективна по сравнению с агрохимической и технической рекультивацией. Сделан вывод, что внесение биопрепаратов активизирует процессы микробиологической деструкции нефти, тем самым ускоряя демутацию фитоценоза и зооценоза. Выявлена смена доминирующих групп микрофауны в ходе сукцессии зооценоза: на ранних этапах доминировали личинки двукрылых и хищные клещи (Mesostigmata), на более поздних — кол-лемболы. Пионерными видами орибатид были Tectocepheus velatus, Oppiella nova, Liochthonius sellnicki, Oribatula tibialis, Eupelops sp.
Ключевые слова: почвенная биота, микроорганизмы, микроартроподы, нефтяное загрязнение, торфяная почва (ЫМо8о1), биорекультивация.
Б01: 10.7868/80032180X15060076
ВВЕДЕНИЕ
Изучение закономерностей восстановительных сукцессий почвенных сообществ, нарушенных в результате антропогенной деятельности, определение комплекса абиотических и биотических параметров — маркеров определенных этапов восстановления имеет важность для диагностики состояния почв и оценки эффективности применяемых методов рекультивации. Предметом внимания многих исследователей является выявление экологических механизмов первичных и вторичных сукцессий разного генеза, определение взаимосвязей и взаимозависимостей различных компонентов восстанавливающихся экосистем [1, 13, 27, 35, 36, 38, 39, 43]. Комплексных исследований демутационных сукцессий почвенных сообществ после нефтяного загрязнения немного [3, 4]. Особенно важны такие работы в рай-
* Работа выполнена при поддержке программы фундаментальных исследований УрО РАН, проект № 12-4-4-014-Арктика.
онах промышленной добычи нефти на Крайнем Севере, где в результате аварийных разливов нефти происходит загрязнение природных экосистем.
Цель настоящей работы: изучить закономерности восстановительных сукцессий биоты в торфяной почве (Ы1б1о8о1) с нефтяным загрязнением при разных методах биорекультивации — с применением агрохимических приемов и биопрепаратов нефтеокисляющего действия; выявить сопряженность демутации микробоценоза, фитоценоза и зооценоза; определить возможность оценки эффективности методов рекультивации на основе анализа характеристик почвенной биоты.
ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ
Восстановительные сукцессии почвенной биоты изучали на территории Усинского р-на Республики Коми. Район исследований расположен в бассейне нижнего и среднего течения
р. Колва в Усинско-Колвинском елово-лесотунд-ровом геоботаническом округе в подзонах лесотундры и крайнесеверной тайги Печорско-Ураль-ской подпровинции [33]. Тип климата — умеренно-континентальный. Среднегодовая температура составляет —4°C; средняя температура января — от —18 до —20°C, июля +14°C. Снежный покров удерживается 210 дней в году, с третьей декады октября до начала июня [5]. Основная часть территории относится к Печоро-Усинскому округу болот-но-подзолистых, глееподзолистых, тундрово-болотных и болотных торфяных почв (Histosols) [6]. Торф болот по всему профилю кислый (рН водной вытяжки 3.7—4.3).
Сбор материала поводили с опытного участка 20 (Возейское нефтяное месторождение, 66°37'40" с. ш., 57°07'56" в. д.), расположенного в зоне деятельности ТПП "Лукойл-Усинскнефте-газ". Почва участка торфяная. Разлив нефти произошел в 1996 г.; торфяная залежь была пропитана нефтью на глубину 1.0—1.5 м. В июне 2002 г. заложили опыт по изучению эффективности различных методов биорекультивации. Предварительно провели техническую рекультивацию: осушение участка, сбор нефти с поверхности почвы, фрезерование на глубину 30—40 см [23]. Влажность почвы после осушения составляла от 65 до 88%; рН солевой вытяжки 4.20— 4.80; рН водной вытяжки 4.35—5.66; концентрация нефти варьировала от 250 до 450 мг/г [23].
В настоящем сообщении представлены результаты комплексного мониторинга четырех опытных площадок за семилетний период восстановления (2002—2009 гг.). На площадке 9 проведено известкование почвы, ее обработка минеральным удобрением и биопрепаратом "Родер" (разработан на химическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова), посев многолетних трав: двукисточника тростниковидного (Phalaroides arundinacea) и тимофеевки луговой (Phleum pratense). На площадке 6 почва была обработана минеральным удобрением, лигносорбентом и биопрепаратом "Универсал" (разработан в Институте биологии Коми научного центра УрО РАН), посеян многолетний злак щучка дернистая (Des-champsia caespitosa). На площадке 7 (агростимули-рование) проведено известкование почвы, внесение минерального удобрения, посев многолетней травосмеси и овса посевного (Avena sativa). В состав биопрепарата "Универсал" входят нефтео-кисляющие дрожжи Rhodotorula glutinis, штаммы У5-Ус 26; 55-1-Р и бактерии Rhodococcus sp., штаммы У7-28 (К-27); Р-72-00 (К-26-2) и 34-1 (28-99/2). Биопрепарат "Родер" состоит из штаммов бактерий-деструкторов нефти Rhodococcus ruber Ac-1513 D и Rhodococcus erythropolis Ac-1514 D. Препарат "Универсал" вносили в почву в сухой форме (титр 1010 кл./г); препарат "Родер" — в виде
водного раствора (1 кг/1000 л воды) стабилизированной концентрированной суспензии бактерий (титр 1011-12 кл./мл). На всех площадках биорекультивации применяли минеральное удобрение нитроаммофоску по 350 кг/га [23].
Площадка 2, на которой осуществляли только техническую рекультивацию (биопрепараты и удобрения не вносили), служила контролем для площадок с биорекультивацией [23]. Фоновое растительное сообщество — ивово-ерниковое осоково-хвощевое болото с торфяной почвой, влажность которой составляла 80—89%, рН солевой вытяжки — 4.55, рН водной вытяжки — 4.88. Основные виды растений — ива черничная (Salix myrtilloides), ива лапландская (Salix lapponum), береза карликовая (Betula nana), хвощ топяной (Equisetum fluviatle), вахта трехлистная (Menyan-thes trifoliata), сабельник болотный (Comarum palustre), подбел узколистный (Andromeda polifo-lia), пушица многоколосковая (Eriophorum polyc-tachion), пушица влагалищная (Eriophorum vagina-tum), вейник лапландский (Calamagrostis lapponi-ca). До разлива нефти на площади загрязнения было развито растительное сообщество, идентичное фоновому. До рекультивации на опытном участке растений не было.
Сбор образцов для микробиологических исследований и их первичную обработку проводили по методике Звягинцева с соавт. [9] в трехкратной повторности. Пробы на микрофауну отбирали в августе 2006 и 2009 гг. по общепринятым методам [18], в 12-кратной повторности в каждой серии; всего собрали 264 пробы размером 5 х 5 см и глубиной 10 см каждая. Извлечение беспозвоночных из почвенных проб осуществляли с помощью тер-моэклекторов Берлезе—Тулльгрена. Об интенсивности разрушения нефти судили по содержанию нефтепродуктов в почве [21] и структуре алкано-вой фракции. Определяли качественный состав алканов гомологического ряда С14—С35 методом хромато-масс-спектрометрии, их концентрацию (мг/г), долю в структуре алкановой фракции и соотношение н-алканов петрогенного (С14—С18) и биогенного (С19—С35) происхождения [22]. Состав ациклических углеводородов отражает вклад биогенных факторов в формировании пула углеводородов в почве [2, 22]. При характеристике фитоценозов учитывали видовой состав растений и общее проективное покрытие травянистого яруса (ОПП). Уровень биологической активности почвы оценивали по динамике численности микроорганизмов отдельных трофических групп [11, 19, 24], выявленных ранее в качестве приоритетных при оценке интенсивности восстановления загрязненных нефтью почв Севера [29], а также по активности окислительно-восстановительных ферментов: каталазы и дегидрогеназы [30, 31]. Указанные ферменты относятся к числу индика-
Таблица 1. Динамика ферментативной активности почвы на опытных площадках и содержание остаточных нефтепродуктов в почве
Опытная площадка 2002 2003 2004 2006 2009
1 2
Дегидрогеназная активность, мг формазана/г
Контрольная 0.26 ± 0.1 0.25 ± 0.1 0.34 ± 0.1 0.45 ± 0.2 0.60 ± 0.2 1.24 ± 0.4
"Универсал" и лигносорбент 0.25 ± 0.1 2.34 ± 0.1 4.70 ± 0.1 3.54 ± 1.0 1.39 ± 0.5 1.93 ± 0.7
"Родер" 0.25 ± 0.1 2.45 ± 1.0 4.12 ± 1.0 3.01 ± 1.0 1.38 ± 0.5 0.98 ± 0.7
Агростимулирование 0.15 ± 0.1 1.56 ± 0.5 2.55 ± 0.1 2.56 ± 1.0 1.37 ± 0.5 1.61 ± 0.5
Фоновая почва 0.21 ± 0.1 Не опр. 0.21 ± 0.1 0.28 ± 0.1
Каталазная активность, мл 0.1 M КМпО4/г
Контрольная 2.19 ± 0.5 1.28 ± 0.4 1.95 ± 0.1 1.02 ± 0.1 1.0 ± 0.3 1.06 ± 0.3
"Универсал" и лигносорбент 2.16 ± 0.5 2.95 ± 1.0 3.96 ± 0.2 5.04 ± 0.3 3.91 ± 1.0 1.34 ± 0.4
"Родер" 2.10 ± 0.5 3.10 ± 0.1 4.02 ± 1.2 6.11 ± 2.0 4.82 ± 1.6 1.26 ± 0.4
Агростимулирование 2.35 ± 0.5 1.05 ± 0.1 1.23 ± 0.6 2.45 ± 0.8 4.51 ± 1.5 1.04 ± 0.3
Фоновая почва 2.30 ± 0.5 Не опр. 2.30 ± 0.7 1.54 ± 0.5
Содержание нефтепродуктов, мг/г
Контрольная 87.0 ± 30.0 85.0
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.