Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

ГАЗООБМЕН И ФИТОТОКСИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ВЫЩЕЛОЧЕННЫХ ЧЕРНОЗЕМОВ АНТРОПОГЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ ВОСТОЧНОГО ЗАКАМЬЯ РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН

Тазетдинова Д.И. 2 Житлов В.С. 1 Антонов В.В. 2 Газизов И.С. 2 Алимова Ф.К. 2
1 ООО «НПП АгротехБио»
2 ФГАОУ ВПО Казанский (Приволжский) федеральный университет
Проведен анализ интенсивности окислительно-восстановительных процессов, азотфиксации и фитотоксической активности почв нефтегазодобывающего региона Восточного Закамья РТ. Исследованные образцы почв характеризуются минимальным уровнем загрязнения (Zc < 8) по ТМ 1 и 2 класса гигиенической опасности в соответствии с ГОСТ № 17.4.1.01–83. Содержание нефтепродуктов варьировало от 100 до 1000 мг/кг почвы и соответствовало допустимому уровню загрязнения. Выявлена достоверная средняя отрицательная корреляция между содержанием мышьяка (7,00–20,03 мг/кг почв) и величиной метаболического коэффициента (qCO2) (y = 0,013∙1,329; r = –0,69). Достоверное увеличение интенсивности азотфиксации отмечено в агроценозе ячменя и в почве с 2-месячным сроком загрязнения. Отмечено снижение роста и массы растений в почвах техногенного района: хроническое загрязнение почвы ингибировало всхожесть растений, в то время как острое загрязнение ингибировало развитие растений.
фитотоксичность
интенсивность дыхания
азотфиксация
антропогенная нагрузка
тяжелые металлы
нефтепродукты
загрязнение
1. Агроэкологическая оценка агроруд Республики Татарстан / Ш.А. Алиев, В.З. Шакиров, С.Ш. Нуриев, А.И. Ахтямов // Роль почвы в формировании ландшафтов. – Казань: Фен, 2003. – С. 249–243.
2. Ананьева Н.Д. Оценка устойчивости микробных комплексов почв к природным и антропогенным воздействиям / Н.Д. Ананьева, Е.В. Благодатская, Т.С. Демкина // Почвоведение. – 2002. –№ 5.– С. 580–587.
3. Изменение активности ферментов в почве, загрязненной тяжелыми металлами, в процессе фиторемедиации / А.Ю. Беляков, Е.В. Плешакова, М.В. Решетников, Е.В. Любунь // В мире научных открытий. – 2010. – № 4 (10), Часть 5. – С. 34–36.
4. Оценка факторов риска, обусловленных загрязнением почв / Д.И. Тазетдинова, Р.И. Тухбатова, А. Кабрера, Ф.К. Алимова, Е.А. Тафеева // Итоги и перспективы научных исследований по проблеме экологии человека и гигиены окружающей среды. – М., 2006. – С. 477–482.
5. Тазетдинова Д.И. Состояние микобиоты почв Альметьевского района Республики Татарстан [Электронный ресурс] / Д.И. Тазетдинова, Р.И. Тухбатова, А.И. Ахметова. – Режим доступа: http://www.lomonosov–msu.ru/2007/15/tazetdinova.doc.pdf, свободный.
6. Умаров М.М. Микробиологическая трансформация азота в почве / М.М. Умаров, А.В. Кураков, А.Л. Степанов. – М.: ГЕОС, 2007. – 138 с.
7. Хазиев Ф.Х. Нефтяная индустрия и технопедогенез / Агроэкологическая безопасность в условиях техногенеза: сборник научных докладов международного симпозиума: часть I.–Казань: Меддок, 2006. – С. 176–179.
8. Шаронова Н. Толерантность культурных и диких растений разных таксономии загрязнения почвы керосин / N. Шаронова, И. Бреус // Наука Всего окружающей среды. – Vol. 424, 1 мая 2012 года. – P. 121–129.
9. Lors C. Comparison of solid-phase bioassays and ecoscores to evaluate the toxicity of contaminated soils C. Lors, J.-F. Ponge, M. Martínez A., D. Damidot // Environmental Pollution. – Vol. 158, Issue 8, August 2010. – P. 2640–2647.
10. Mikkonen A. Changes in hydrocarbon groups, soil ecotoxicity and microbiology along horizontal and vertical contamination gradients in an old landfarming field for oil refinery waste / A. Mikkonen, K.P. Hakala, K. Lappi, E. Kondo, A. Vaalama, L. Suominen// Environmental Pollution, Volume 162, March 2012. рр. 374–380.
11. Tang J. Eco-toxicity of petroleum hydrocarbon contaminated soil / J. Tang, M. Wang, F. Wang, Q. Sun, Q. Zhou // Journal of Environmental Sciences. Vol. 23, Issue 5, May. 2011. P. 845–851.

На территории Восточной части Закамья республики действуют предприятия нефтегазодобывающей отрасли, машиностроения и сельского хозяйства. Почв, не затронутых прямым или косвенным антропогенных воздействием, с каждым годом становится меньше. Помимо аварийных прорывов трубопроводов нефтехимическая промышленность выступает загрязнителем через газообразные выбросы, промышленные стоки и отходы. Это приводит к накоплению в почве углеводородов, тяжелых металлов (ТМ), радиоактивных элементов, солей, компонентов буровых растворов. В результате меняются физико-химические свойства почвы, активность основных ферментов, участвующих в важных биологических процессах [1], нарушается соотношение основных биогенных элементов в почве, что тем самым создает серьезную экологическую проблему. В связи с этим представляет несомненный интерес выявление направленности биохимических процессов в нефтезагрязненных почвах.

Целью данной работы явилась оценка показателей газообмена и фитотоксической активности выщелоченных черноземов и последствий антропогенной нагрузки на техногенные ландшафты Восточного Закамья.

Материалы и методы исследований

Образцы почвы отобраны в Юго-Восточном Закамье в районе пгт Н.Мактама, с. Абдрахманово, с. Рангазар в 2006 году (таблица) в соответствии с правилами отбора проб для микробиологического анализа. Агрохимическая характеристика: выщелоченный тяжелосуглинистый среднегумусный среднемощный чернозем со слабой водной эрозией, гумус 7 %; N общ. 6140 мг/кг; Р2О5 подв. 121 мг/кг; К2О обм. 137 мг/кг.

Схема опыта

Варианты опыта

Исследуемые образцы

Контроль (тяжелые металлы)

Фоновая почва (без агромероприятий, с минимальным количеством загрязнителей)

Загрязненные почвы (нефтепродукты + тяжелые металлы)

Вблизи нефтескважины (хроническое загрязнение)

Разлив нефтепродуктов (острое загрязнение)

Рекультивированные почвы (нефтепродукты + тяжелые металлы)

2 месяца рекультивации

2 года рекультивации

6 лет рекультивации

Агроценоз под зерновыми (нефтепродукты + тяжелые металлы)

Агроценоз 1 (пшеница)

Агроценоз 2 (овес)

Агроценоз 3 (ячмень)

Активность азотфиксации в почве измеряли методом Харди в модификации Умарова, определение активности почвенного дыхания осуществляли на газовом хроматографе.

Фитотоксичность оценивали по действию почвенной вытяжки на семена. Контролем служили семена, обработанные стерильной водопроводной водой. Наличие в почве фитотоксинов определяли по ростовым эффектам (по количеству проросших семян и длине, массе проростков и корней). Токсичным действием считали снижение всхожести семян или угнетения роста проростков и корней не менее чем на 30 % по сравнению с контролем.

Статистическую обработку результатов проводили с помощью электронных таблиц Microsoft Excel. Взаимосвязь ряда факторов устанавливали посредством расчета коэффициента корреляции. Для сравнения применяли интервальные оценки. Уровень значимости, примененный в работе, Р < 0,05. Данные в графиках представлены в виде структурных характеристик (медиана, персентили 0.025, 0.975).

Результаты исследований и их обсуждение

Важнейший фактор, влияющий на биохимическую активность почв указанного региона, – загрязнение тяжелыми металлами и углеводородами [2]. Нами изучено синергетическое загрязнение тяжелыми металлами и нефтепродуктами. В фармакологии и токсикологии известно явление синергизма – это комбинированное воздействие двух или более факторов, характеризующееся тем, что их объединённое биологическое действие существенно превосходит эффект каждого отдельно взятого компонента и их суммы.

Содержание нефтепродуктов в исследованных почвах варьировало от 100 до 1000 мг/кг почвы и соответствовало допустимому уровню загрязнения. По содержанию элементов, относимых к 1 и 2 классам гигиенической опасности в соответствии с ГОСТ № 17.4.1.01–83, образцы почв характеризовались минимальным уровнем загрязнения (суммарный показатель загрязнения Zc < 8).

Одним из показателей биохимической активности почв и косвенным показателем физиологической активности микроорганизмов, отражающей интенсивность окислительно-восстановительных процессов в почве, является интенсивность дыхания [3].

В контроле почве базальное дыхание (Vbasal) составило 6,15 и субстрат-индуцированное дыхание (Vsir) 11,63 мгСО2-С/кг. В почвах с разным сроком загрязнения величина Vbasal достоверно не менялась, а Vsir с увеличением загрязнения ТМ возросло в 1,5 раз по сравнению с контролем. В агроценозах с увеличением загрязнения ТМ Vbasal достоверно увеличивалось (в 2 раза по сравнению с целиной), в то время как Vsir достоверно не менялось. В почвах с синергичным действием загрязнителей базальное дыхание почв вблизи скважин достоверно не отличалось от почвы с аварийным нефтепроводом, в которой Vsir в 3 раза было меньше контроля.

Метаболический коэффициент (qCO2) является показателем развития почв и может быть индикатором хода экологической сукцессии наземной экосистемы [3]. Наибольшая величина метаболического коэффициента выявлена в 3-м агроценозе и в почве со сроком загрязнения 2 месяца (1 и 0,77 мгСО2–С/кг, соответственно), что свидетельствует об интенсивных процессах разложения в этих почвах. Помимо реакции на внесение органического вещества, увеличение qCO2 является общим ответом почвенной микробной биомассы на длительное загрязнение тяжелыми металлами и не зависело от значений рН почвы.

Стимуляция азотфиксирующей активности отмечена в почве одного из агроценозов (3-й) (в 6 раз по сравнению с целиной) (рис. 1,б). Резкое увеличение интенсивности азотфиксации возможно связано со снижением численности гетеротрофных бактерий, вследствие чего могла снизиться концентрация аммонийного азота в среде, накопление которого вызывает подавление активности нитрогеназы [4]. Косвенным подтверждением может служить низкая численность бактерий, использующих минеральные формы азота и более высокого коэффициента олиготрофности в почве 3-го агроценоза по сравнению с другими агроценозами. Вероятно, это также может быть связано с культивируемыми бобовыми растениями в севообороте.

аpic_75.tifбpic_76.tif

Рис. 1. Метаболический коэффициент и азотфиксирующая активность почв (qCO2) почв:К – контроль; Л1 – рекультивация 6 лет назад; Л2 – рекультивация 2 года назад; Л3– рекультивация 2 месяца назад; А1, А2, А3– агроценозы; С1– вблизи нефтескважины; НП – разлив нефтепродуктов

Достоверное увеличение интенсивности азотфиксации в почве с 2-месячным сроком загрязнения возможно связано с низкой численностью аммонификаторов, при участии которых азот высвобождается в виде аммиака [4]. А также это может быть связано с тем, что азотфиксация является очень энергоемким процессом и стимулируется доступным органическим веществом. Вероятно, косвенным подтверждением может служить высокая численность автохтонной микрофлоры (620∙106 КОЕ/г почвы), отвечающей за разложение сложных соединений.

Показано, что техногенные ландшафты характеризуются увеличением уровня почвоутомления в зависимости от степени загрязнения. Нами исследовалось влияние почвы на всхожесть, длину, массу корней и проростков тест-растения овса.

Выщелоченный чернозем (контроль) Восточного региона РТ не обладал фитотоксичностью (рис. 2). Нами показана стимуляция роста корней и проростков тест-растения овса на 57 и 104 %, соответственно.

Отмечено снижение роста и массы растений в почвах техногенного района, что подтверждается исследованиями других авторов [5–8]. Хроническое загрязнение почвы ингибировало всхожесть растений. Острое загрязнение ингибировало в большей степени длину и массу проростков (в 10 и 85,5 раз, соответственно), чем корней (длина снизилась в 2 раза, масса – в 23 раза по сравнению с контрольной почвой). Отмеченная тенденция к снижению уровня фитотоксичности через 6 лет после загрязнения может быть связана с тем, что к этому сроку в почве уже отсутствуют наиболее токсичные легкие фракции нефти. Фитотоксичность почв агроценозов может быть связана с непосредственным действием поллютантов и с накоплением токсических веществ в почве [9]. Это может происходить в результате длительного роста на одном месте монокультуры, севооборота с короткой ротацией, минимизации обработки почвы, распространения однородных сортов и гибридов и при внесении гербицидов, фунгицидов, удобрений, увеличения численности фитотоксичных форм микроорганизмов. Отмечено преобладание в образцах почв зоны техногенеза биомассы грибов над биомассой бактерий, доминирование токсинообразующих грибов в структуре сообщества почвенных микромицетов [10, 11]. Все это приводит к истощению почвы и снижению ее плодородия.

аpic_77.tif б pic_78.tif

Рис. 2. Длина (А) и биомасса (Б) корней и проростков растений овса:К – контроль; Л1– рекультивация 6 лет назад; Л2 – рекультивация 2 года назад; Л3 – рекультивация 2 месяца назад; А1, А2, А3 – агроценозы; С1– вблизи нефтескважины; НП – разлив нефтепродуктов

Выводы

Наши исследования показали, что образцы почв Восточного Закамья РТ по содержанию нефтепродуктов соответствуют допустимому уровню загрязнения (100 до 1000 мг/кг почвы) и характеризуются минимальным уровнем загрязнения по ТМ (Zc < 8) 1 и 2 класса гигиенической опасности в соответствии с ГОСТ № 17.4.1.01–83. Отмечено не значительное превышение содержания мышьяка показателей ПДК для выщелоченного чернозема. Однако, несмотря на эти показатели, отмечены нарушения в процессах функционирования педосферы, что выразилось в изменении активности почвенного газообмена и проявлении фитотоксичности. Так, хроническое загрязнение почвы ингибировало всхожесть тест-растений, в то время как острое загрязнение ингибировало развитие растений.

Исследования поддержаны грантом РФФИ № 11-04-01731-а.

Рецензенты:

Багаева Т.В., д.б.н., профессор, заведующий кафедрой биотехнологий ИФМиБ К(П)ФУ, г. Казань;

Великанов Г.А., д.б.н., профессор, ведущий научный сотрудник ФГБУН КИББ КазНЦ РАН, г. Казань.

Работа поступила в редакцию 22.02.2013.


Библиографическая ссылка

Тазетдинова Д.И., Житлов В.С., Антонов В.В., Газизов И.С., Алимова Ф.К. ГАЗООБМЕН И ФИТОТОКСИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ ВЫЩЕЛОЧЕННЫХ ЧЕРНОЗЕМОВ АНТРОПОГЕННЫХ ЛАНДШАФТОВ ВОСТОЧНОГО ЗАКАМЬЯ РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН // Фундаментальные исследования. – 2013. – № 4-4. – С. 905-909;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=31295 (дата обращения: 21.09.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074