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.
а
б
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.
а
б 
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.