Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор литературы Структурно - функциональная трансформация биогеоценоза при нефтяном загрязнении и пути его восстановления
1.1. Влияние нефтяного-загрязнения на физические и химические свойства почв 10
1.2. Состояние микробиоты и ферментативной активности почв при нефтяном загрязнении 21
1.3. Рост и развитие растений в нефтезагрязненных почвах 43
1.4. Биоремедиация нефтезагрязненных почв 47
Глава 2. Объекты и методы исследований
2.1. Особенности природно-климатических условий района исследований 76
2.2. Объекты исследования 79
2.3. Условия проведения опытов 82
2.4. Методы исследований 98
Глава 3. Влияние нефтяного загрязнения на агрохимические свойства почв и распределение нефти по профилю
3.1. Распределение нефти в почвенном профиле 103
3.2. Агрофизические и агрохимические свойства почв, загрязненных нефтью
Глава 4. Активность ферментов азотного обмена в нефтезагрязненных почвах
4.1. Протеаза 115
4.2. Уреаза 119
4.3. Влияние нефти и нефтепродуктов на активность аспарагиназы, глута-миназы, нитрат-, нитритредуктазы и гидроксиламинредуктазы 126
Глава 5. Активность карбогидраз в нефтезагрязненных почвах
5.1. Инвертаза 131
5.2. Целлюлаза 141
5.3. Амилаза, ксиланаза 143
Глава 6. Фосфогидролазная активность нефтезагрязненных почв
6.1. Фосфатаза 149
6.2. Фитаза, РНКаза, ДНКаза, АТФаза 153
Глава 7. Ферменты серного обмена в нефтезагрязненных почвах
7.1. Арилсульфатаза, цистеиндегидрогеназы 158
7.2. Сульфидоксидаза, сульфитоксидаза 162
7.3. Сульфатредуктаза, сульфитредуктаза 166
Глава 8. Влияние нефтяного загрязнения на активность оксидоредуктаз
8.1. Пероксидаза, полифенолоксидаза 173
8.2. Аскорбатоксидаза 183
8.3. Дегидрогеназа, каталаза 188
Глава 9. Активность липазы в нефтезагрязненных почвах 202
Глава 10. Биологическая активность рекультивируемых почв
10.1. Влияние минеральных, органических удобрений и их сочетания на биологическую активность почв, загрязненных нефтью 210
10.1.1. Влияние минеральных, органических удобрений и их сочетания на ферментативную и микробиологическую активность серой лесной почвы, загрязненной сырой нефтью 211
10.1.2. Влияние минеральных, органических удобрений и их комплекса на некоторые показатели биологической активности серой лесной почвы, загрязненной нефтепродуктами 228
10.1.3. Влияние минеральных, органических удобрений и их сочетания на урожайность сельскохозяйственных культур серой лесной почвы, загрязненной сырой нефтью 230
10.1.4. Влияние минеральных, органических удобрений и их сочетания на некоторые показатели биологической активности серой лесной почвы за грязненной обессоленной обезвоженной нефтью и процессы биодеграда ции нефти. 238
10.2. Использование активного ила для рекультивации почв, загрязнен ных нефтью 244
10.2.1. Влияние активного ила на показатели биологической активности серой лесной почвы, загрязненной товарной нефтью и нефтепродуктами 245
10.3. Использование бакпрепарата Бациспецина для рекультивации нефтезагрязненных почв
10.3.1. Использование бакпрепарата Бациспецина как рекультивирующего средства нефтезагрязненных почв в условиях Башкортостана и Севера и
для снижения фитотоксичности почвы 256
10.4. Фитомелиорация нефтезагрязненных почв 267
Заключение 272
Выводы 278
Литература
- Состояние микробиоты и ферментативной активности почв при нефтяном загрязнении
- Условия проведения опытов
- Агрофизические и агрохимические свойства почв, загрязненных нефтью
- Амилаза, ксиланаза
Введение к работе
Почва является неотъемлемой частью любого наземного биогеоценоза и играет важную роль в устойчивом развитии биосферы. Ее бесконтрольное использование приводит к разрушению почвенного покрова. Деградация почв имеет глобальные размеры и является одной из самых главных угроз экологического кризиса (Добровольский, 1997, 2003, 2006; Никитин, 2003).
Антропогенная деградация почв часто вызвана нефтью и нефтепродуктами, относящимися к приоритетным загрязнителям биосферы. На сегодняшний день это экологическая проблема мирового масштаба (Аржанников, Громова, 2001). По экспертным оценкам, загрязнение почвы в результате хозяйственной деятельности нефтедобывающих и транспортных предприятий на территории России достигает сотен тысяч гектаров. В Башкирии ежегодно загрязняется 72 тыс. м поверхности в год (Абдрахманов, 1993). Разливы нефти вследствие аварий на нефтепроводах оцениваются миллионами тонн.
Загрязнение почвы нефтью нарушает ее стабильное функционирование: меняются физико-химические свойства почвы, характер биохимических процессов, подавляется активность микробиоты (Исмаилов, 1988; Пиковский, 1993; Гузев и др., 1989; Oberbremer, Muller-Hurtig, 1989; Гилязов, 1999; Marge-sin et al., 2000; Хабиров и др., 2001; Габбасова и др., 2002; Kiss, 1985;1995, 2001; Киреева и др., 1996а, 19966, 1997; Рахимова и др., 2005).
Почвы, несмотря на техногенные воздействия, способны поддерживать гомеостаз за счет регуляторных механизмов основанных на микробном пуле и пуле ферментов, контролирующих синтетико - деструктивные биохимические процессы в почве (Звягинцев, 1978; 2003; Хазиев, 1982). Почвенные ферменты участвуют в процессах «самоочищения» от экзогенных веществ, трансформируя, нейтрализуя, разрушая не свойственные почвам вещества, которые могут быть токсичными изначально или в результате их накопления в ней выше определенных пределов (Исмаилов, 1982; Пиковский, 1988). Гидролитические и
окислительно-восстановительные ферментные системы включают в биогеохимические циклы азот, фосфор, углерод, серу. Тем самым пул ферментов непосредственно участвует в осуществлении почвой ряда экологических функций: трофической, санитарно-восстановительной функции и др. Ферменты системы микроорганизмы - почва играют важную роль при сохранении биохимического равновесия в почве во время ее различных загрязнений (Хазиев, 1982). Благодаря ферментному пулу почвы ее метаболизм может сохраниться стабильным, даже если условия окружающей среды неблагоприятны для жизнедеятельности микроорганизмов.
Вторжение потоков углеводородов, имеющих различные физико-химические характеристики, в биосферу происходит в различных природно-климатических условиях, поэтому отмечается разнообразие ответных реакций природных систем. Процесс самоочищения и восстановления почв до исходного уровня длителен и это вызывает необходимость разработки приемов рекультивации с учетом региональных особенностей несмотря на значительное количество исследований по данному вопросу.
В связи с вышеизложенным целью нашей работы явилась целостная оценка состояния ферментативного пула почв в условиях нефтяного загрязнения и при рекультивации. В соответствии с поставленной целью в работе решались следующие задачи:
Изучить трансформацию агрохимических свойств нефтезагрязненных почв и распределение нефти по почвенному профилю.
Изучить в почвах, загрязненных нефтью и нефтепродуктами состояние пула ферментов, участвующего в обмене азотсодержащих органических веществ, в углеводном обмене, особенности обмена фосфорсодержащих органических веществ, серусодержащих соединений, активность гидролазы эфиров карбоновых кислот: триацилглицерол-липазы.
Изучить состояние окислительно-восстановительных процессов в почвах, загрязненных нефтью и нефтепродуктами по активности оксидоредуктаз.
4. Изучить состояние ферментного пула, пула микроорганизмов в нефте-загрязненных почвах при проведении различных рекультивационных мероприятий.
Научная новизна исследований.
Впервые на территории Башкортостана в полевых, микрополевьгх, лабораторных опытах проведена комплексная оценка состояния ферментов азотного, углеводного, серного, фосфорного обмена серой лесной почвы и выщелоченного чернозема в условиях нефтяного загрязнения. Охвачен большой спектр ферментов различных классов и проанализированы изменения их активности при загрязнении почв сырой, товарной нефтью и различными нефтяными фракциями [ЛГК (легкий газойль коксования), ЭМ II (экстракт второй масляной фракции), Г (гудрон), КО (крекинг остаток), А (асфальтит), ДТ (дизельное топливо), ММ (моторное масло), Б (бензин), ДГФ (дистилят газойлевой фракции)], нефтяными углеводородами (н-парафины, циклопарафины, циклогексан, н-гексадекан, ароматические углеводороды), продуктами окисления углеводородов (гексадециловый спирт, пальмитиновая, бензойная и салициловая кислоты). В результате исследований предложено использовать активность некоторых ферментов в качестве диагностических показателей загрязненности почв нефтью - уреазы, нитрат-, нитритредуктазы, липазы, аскорбатоксидазы. Показано появление «компенсационных механизмов», за счет действия которых предотвращаются потери серы. Приведен материал многолетних исследований по окислительно-восстановительным ферментам, участвующим в трансформации нефтяных углеводородов (пероксидаза, полифенолоксидаза, каталаза, дегидро-геназа). Впервые изучена аскорбатоксидазная, липазная активность в почвах, подвергшихся нефтяному загрязнению в Южном Предуралье. Модифицированы методы определения активности дегидрогеназы и липазы.
Разработаны и проверены на практике приемы рекультивации нефтезаг-рязненных почв с учетом природно-климатических условий Южного Предура-лья и их влияние на ферментативную активность почв. Первый ряд приемов направлен на стимуляцию естественной углеводородокисляющей микробиоты,
он включает в себя ежегодное внесение органо-минерального комплекса. Второе направление - внесение активного ила биохимкомбината, содержащего естественную ассоциацию углеводородокисляющих микроорганизмов и питательные вещества - соединения азота, фосфора, калия, микроэлементы в составе ила. Третье направление - очистка почв путем внесения препарата Бациспе-цин, полученного на основе природного штамма Bacillus sp. 739 в Институте биологии УНЦ РАН (г.Уфа), четвертое - фитомелиорация нефтезагрязненной почвы с использованием люцерны в качестве фитомелиоранта. Все испытанные приемы рекультивации показали свою эффективность в повышении активности ферментного пула загрязненных нефтью почв и в ускорении процессов их восстановления.
Основные положения, выносимые на защиту.
Нефтяное загрязнение является фактором, нарушающим систему физических, химических и биологических свойств почвы. Существенные изменения выявляются в активности пула ферментов, участвующих в обмене азот-, фосфор-, серусодержащих органических веществ, в углеводном обмене, в окислительно-восстановительных реакциях. Уменьшается активность изученных ферментов, участвующих в углеводном обмене, обмене соединений органического фосфора почвы, активность большинства изученных ферментов обмена азотсодержащих органических соединений. При загрязнении почв нефтью меняются процессы трансформации соединений серы.
Нефтяные углеводороды отличаются по своему действию на активность изученных ферментов.
3. Внесение органо-минеральных удобрений, активного ила, исполь
зование биопрепарата Бациспецин, фитомелиорация эффективны в восстанов
лении активности ферментного пула, пула микроорганизмов загрязненных неф
тью почв и ускорении процессов их рекультивации.
Практическая значимость работы. Установленная специфика функционирования пула ферментов, участвующего в азотном, углеводном, серном, фосфорном обменах, позволяет научно обоснованно корректировать направ-
ленность биохимических процессов в нефтезагрязненных почвах для наиболее полного обеспечения доступными элементами питания как микроорганизмов, так и растений. Активность ряда ферментов можно использовать в практике биомониторинга почв, подвергшихся нефтяному загрязнению. Предложенный метод рекультивации серой лесной почвы, загрязненной в результате прорыва магистрального нефтепровода, опубликован в информационном листке ЦНТИ и внедрен в колхозе «Рассвет» Калтасинского района. Препарат Бациспецин оп-робирован в условиях Южного Предуралья на Сергиевском месторождении (Чекмагушевский район), Западной Сибири (территория Быстринскнефть ПО Сургутнефтегаз) и показал свою эффективность в разных климатических зонах (на основе разработанного метода получен патент РФ №2077397, МКИ В 09 с 1/10.).
Апробация работы. Материалы диссертационной работы апробированы на международных симпозиумах и конференциях: «Современные проблемы биоиндикации и биомониторинга» (Сыктывкар, 2001; 2003), «Почва как связующее звено функционирования природных и антропогенно-преобразованных экосистем» (Иркутск, 2001), «Проблемы биодеструкции техногенных загрязнений окружающей среды» (Саратов, 2005), «Відновлення порушених природных экосистем» (Донецьк, 2002), «Экология и биология почв» (Ростов - на - Дону, 2004, 2007); «Биологическая рекультивация и мониторинг нарушенных земель» (Екатеринбург, 2007), «Экология биосистем: проблемы изучения, индикации и прогнозирования» (Астрахань, 2007); на Всесоюзных и Всероссийских съездах, конференгщях и симпозиумах: микробиологического общества (Алма-Ата, 1985) и общества почвоведов (Ташкент, 1985; Новосибирск, 1989, 2004; Санкт-Петербург, 1996), общества биотехнологов России (Москва, 2005); «Мониторинг нефти и нефтепродуктов в окружающей среде» (Уфа, 1985), «Проблемы рекультивации нарушенных земель» (Свердловск, 1988); «Региональные проблемы экологии» (Казань, 1985), «Микробиологические процессы в почвах и урожайность сельскохозяйственных культур» (Вильнюс, 1986), «Биология почв антропогенных ландшафтов» (Днепропетровск, 1991), «Актуальные вопросы
мониторинга экосистем антропогенно-нарушенных территорий» (Ульяновск, 2000); «Проблемы экологии Южного Урала» (Оренбург, 2007); на региональных конференциях (Угфа 1983, 1984, 1985, 1986, 1987, 1989, 1995, 1996).
Личный вклад автора в работу. Диссертационная работа является результатом многолетних (1982-2007 гг.) исследований по изучению влияния нефти и нефтепродуктов на биологическую активность почв Южного Предура-лья. Все результаты получены лично автором или при его непосредственном участии. Доля личного участия в совместных публикациях пропорциональна числу соавторов.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 72 работа, в том числе 2 монографии, 2 учебных пособия, 1 внедрение, 1 патент, 14 работ опубликованы в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 10 глав, заключения, выводов, списка литературы. Работа изложена на 334 страницах машинописного текста, в том числе 57 таблиц, 70 рисунков. Список литературы включает 535 источников, из них 124 на иностранном языке.
Выражаю искреннюю благодарность проф., д.б.н. Киреевой Н.А., заслуженному деятелю науки РФ, главному научному сотруднику лаборатории почвоведения Института биологии УНЦ РАН, чл. корр. АН РБ проф., д.б.н. Хазие-ву Ф.Х. за поддержку, помощь в проведении экспериментов и консультации; д.б.н. заведующему лабораторией почвоведения Института биологии УНЦ РАН Габбасовой И.М. за консультации при написании работы, сотрудникам лаборатории почвоведения Института биологии УНЦ РАН, а также коллегам по работе, принимавшим участие в проведении экспериментов: к.б.н. Ямалетдиновой Г.Ф., аспирантам Тарасенко Е. М, Валиуллиной (Шамаевой) А.А., Онеговой Т.С. и многим другим коллегам за неоценимую помощь в работе.
Состояние микробиоты и ферментативной активности почв при нефтяном загрязнении
Почва - сложнейшая система, одним из функциональных компонентов которой являются населяющие ее живые организмы. От их деятельности зависит характер, интенсивность биологического круговорота веществ, способность почвы к самоочищению от загрязнителей.
Почва выполняет полноценно свои экологические функции, пока не произошло уменьшение значений интегрального показателя, включающего в себя набор наиболее информативных показателей биологической активности почвы (Колесников и др., 2000а; Колесников и др., 20006; Колесников и др.2002). Таким показателем является состав и функциональная активность микробоценоза, который играет важную роль в почвенном плодородии (Черников и др., 2000).
При попадании нефти в почву в значительной степени подавляется активность почвенной микрофлоры (Восстановление..., 1988; Гузев и др., 1989; Бузмаков, Ладыгин, 1993; Niewolak, 1978; Oberbremer, Muller-Hurtig, 1989), которое впоследствии сменяется повышением численности почти всех систематических групп микроорганизмов (Гилязов, 1999) за исключением целлюлозо-разрушающих микроорганизмов (Ахмедов и др., 1982; Исмаилов, 1982). Это объясняется авторами необходимостью почвенному биоценозу времени для адаптации к изменившимся физико-химическим условиям среды и перестройке своей структуры. На численность микроорганизмов в загрязненных почвах влияет также интенсивность и длительность загрязнения, свойства нефти и почв (Алиев, Гаджиев, 1977; Андресон, Хазипов, 1978; Голодяев, 1985).
Первоначально, в интервале концентраций нефти соответствующих зоне гомеостаза, она выступает как биологический стимулятор (Квасникова, Клюш-никова, 1981). Повышение дозы нефти (зона стресса) приводит к необратимым изменениям микробиологических свойств почвы (Гузев и др., 1989; Халимов и др., 1996), а в дальнейшем — к нарушению ее водно7воздушного режима (Пи-ковский, 1993). В зоне резистентности она становится основным трофическим субстратом для углеводородокисляющих микроорганизмов, одновременно угнетая жизнедеятельность других гетеротрофных микроорганизмов, растений и животных. При высоких дозах нефть выступает как ингибитор биологической активности почвы (Восстановление..., 1988).
Сигнальным показателем повреждающего действия нефти в почве является изменение ее микробиологических свойств, проявляющееся в перераспределении степени доминирования активно функционирующих микроорганизмов почвы (Халимов, 1996; Логинов и др., 2000).
Существенная динамика микробоценоза в условиях нефтяного загрязнения выражается в резком и устойчивом во времени увеличении общей численности микрофлоры, что ведет к стимуляции интенсивности почвенного дыхания (Медведева, 2002). В структуре микробоценоза наблюдается значительное возрастание доли углеводородокисляющих микроорганизмов (Пиковский, 1993; Гилязов, 1999; Рахимова и др., 2005) и актиномицетов (Медведева, 2002). Изменение структуры микробоценоза проявляется и в том, что в почвах со слабым загрязнением повышается интенсивность развития сапрофитной и нефтеокис-ляющей микрофлоры. Чем выше степень загрязнения почвы нефтепродуктами, тем выше отношение нефтеокисляющих бактерий к общему числу гетеротрофных микроорганизмов (Голодяев, 2000). И.М. Габбасовой (2001) показано на примере серой лесной нефтезагрязненной почвы, что комплекс аборигенной микрофлоры обладает высокой способностью адаптироваться и поддерживать суммарные физиологические функции, определяющие интенсивность деструкции нефти.
На начальных стадиях нефтяного загрязнения происходит формирование устойчивых ценозов углеводородокисляющих микроорганизмов, азотфиксато-ров, микромицетов. В дальнейшем формируются и активно функционируют ценозы нитрифицирующих и аэробных целлюлозоразрушающих микроорганизмов. Это может служить показателем скорости процессов самоочищения почвы от нефти (Кузяхметов, Киреева, 2001). Во МНОГИХ исследованиях установлен рост численности большей части популяций микроорганизмов при различных концентрациях загрязнения (Алиев, Гаджиев, 1975; 1977; Самосова и др., 1979 а, б; 1982; Андресон и др., 1980; Фильченкова, 1982; Исмаилов, 1982; Яшвили и др., 1982; Зименко, Картыжова, 1986 а, б; Odu, 1972; Sekstone et al., 1976; Przedwojski et al., 1980; Bossert, Kachel, 1984; Gorska, 1986; Тишкина, Киреева, 1986; Исмаилов и др., 1988; Гай-нутдинов и др., 1988; Сафонникова и др., 1992; Киреева и др., 1998а; Чугунова и др., 2001).
Нефтяное загрязнение снижает видовое разнообразие микроорганизмов за счет отбора немногочисленных видов с повышенной метаболической активностью (Коваль, Редчиц, 1975; Lode, 1986). Наиболее чутко реагируют на загрязнение основные таксономические группы микроорганизмов (Шипилин, 1996). Чувствительность каждой группы микроорганизмов на нефть определяется их разной способностью разлагать нефтяные углеводороды. Более устойчивы к загрязнению микроскопические грибы, наиболее чувствительна бактериальная микрофлора (Шипилин, 1996).
Условия проведения опытов
Микрополевой опыт № 1. Влияние различных доз нефти на свойства серой лесной почвы, последействие нефти и влияние различных удобрений на процессы ее биодеградации.
В 1981г. сотрудниками лаборатории почвоведения Института биологии УНЦ РАН были заложены опыты на серой лесной тяжелосуглинистой почве (агробиостанция Башкирского госуниверситета: гумус - 5,1%, рН водный 6,1; No6nj - 2507 мг/кг) с искусственным загрязнением товарной нефтью (обессоленная, обезвоженная). В 16 вариантах опыта изучали влияние следующих доз нефти 0, 8, 16, 25 л/м" (слабая, средняя, сильная степени загрязнения) с ежегодным внесением в течение 1981-1983гг. минеральных, органических удобрений и их сочетания (навоз 40 т/га, N PSOIMS» навоз 40 т/га + N PsoJQs)- Размер делянок - 1,3x1,3 м2. Повторность опытов 4-х кратная. Продолжительность опытов -10 лет. Почвенные образцы для анализов отбирались из слоя 0-20см (Апах) через 3 суток после загрязнения, через 1 месяц, а далее трижды за вегетационный период (в течение 10 лет).
В первый год (1981) после загрязнения на участке высевалась яровая пшеница, в 1982 году - овес, в 1983 - вико-ячменная смесь. В последующие годы обработка почвы, посев культур и внесение удобрений не проводились. На незагрязненных участках, наряду с рудеральными и сорными растениями, про израстали луговые растения (мятлик, пырей, овсяница, клевер и др.)- Общее проективное покрытие растительности 20-40%. Для загрязненных участков характерно доминирование злаков (пырея ползучего, мятлика лугового, костра безостого) и наличие мохового покрова с покрытием 15-20%. Общее проективное покрытие через 10 лет после загрязнения выше, чем на незагрязненных участках и составляет 30- 60%, что, вероятно, является следствием стимулирующего влияния остатков нефти на приведенные выше виды доминирующих злаков и напочвенных мхов.
Микрополевой опыт № 2. . Влияние различных доз нефти на свойства темно-серой лесной почвы, последействие нефти, процессы самоочищения.
Заложен в 1981 году, одновременно с опытом №1 на темно-серой лесной среднесуглинистой почве (Агробиостанция Башгоспединститута: гумус - 7,8%, рН водный 6,3; ІЧобщ - 4520 мг/кг) с искусственным загрязнением тюменской товарной нефтью в дозах 0, 8, 16, 25 л/м на делянках 1,3x1,3 м . Образцы для анализа отбирали через 3 дня после загрязнения, а далее трижды за вегетационный период (в течение 10 лет) из слоев почвы 0-10см, 10-20см, 20-30см.
Обработка почвы, посев культур и внесение удобрений не проводились. На незагрязненных участках произрастали рудеральные и сорные растения и луговые травы. На загрязненных участках преобладали корневищные и корне-отпрысковые виды, а также виды, устойчивые к нефтяному загрязнению: горец птичий (Polygonum aviculare), куриное просо (Echinocloa crusgalii), марь белая (Chenopodium album) и др.
Полевой опыт № 3. Влияние различных видов и доз удобрений, стимуляторов на восстановление плодородия серой лесной почвы, загрязненной сырой нефтью, и процессы ее биодеградации в естественных условиях.
Заложен в 1983 году совмествно с сотрудниками лаборатории почвоведения Института биологии УНЦ РАН в Калтасинском районе Башкортостана (колхоз "Рассвет"). Почва серая лесная тяжелосуглинистая (гумус - 6,34%, рН водный 5,5; Ыобщ - 2508 мг/кг) была загрязнена товарной нефтью в результате разрыва магистрального нефтепровода. Уровень загрязнения верхних слоев составил 9,6% . Контролем служили образцы незагрязненной почвы. Разлив нефти произошел на площади более Зга. Площадь опытных делянок - 200м . Образцы для анализа отбирали через 3 суток после загрязнения, далее трижды за вегетационный период в течение трех лет. Для ускорения деструкции нефти в почву вносили различные дозы минеральных (N60P90K90; NnoPisoKW, органических удобрений (навоз 70 т/га; 140 т/га) и их комплексы (N60P90K90 + навоз 70 т/га; N120P180K180 + навоз 140 т/га), активный ил 20 т/га, древесные опилки 25 т/га и их комплекс (активный ил 20 т/га + опилки 25 т/га).
Минеральные удобрения вносили в дозах, применяемых в сельскохозяйственной практике. Азотные удобрения вносили в виде аммонийных солей из расчета 60, 120 кг/га азота по действующему веществу (д.в.); фосфорные - в виде двойного гранулированного суперфосфата - 90 и 180 кг/га фосфора по д.в.; калийные - в виде углекислого калия 90 и 180 кг/га по д.в. В качестве органического удобрения использовали перегной, активный ил Башкирского биохимкомбината (АИ), который образовывался при механической очистке сточных вод и содержал значительное количество углеводородокисляющих микроорганизмов. Состав активного ила приведен ниже:
Агрофизические и агрохимические свойства почв, загрязненных нефтью
Почва аккумулирует и трансформирует техногенные загрязнители, поступающие в биогеоценоз, и выполняет тем самым важную санитарно-восстановительную экологическую функцию (Добровольский, Никитин, 2000; Бреус и др., 2005; Раппопорт, 2005). Она может активно сорбировать коллоидный материал, молекулярно-растворимые соединения (Никитин, 1999). Попадая в почву, нефть, как инородное техногенное вещество, существенно изменяет ее морфологические свойства, температурный, вводно-воздушный режим, нарушая жизненное пространство. Это наглядно демонстрирует разрез 18-83, заложенный в 1983 году на месте разлива нефти. Характерной особенностью его является сплошное пропитывание нефтью на глубину до 110см. Профиль увлажнен, липкий от нефти. С глубины 110см загрязнение отмечается по трещинам, которое обнаруживается до 150см и более.
Через три года (14 августа 1986г.) был заложен повторный разрез 1к-86 в 7м к востоку от разреза 17-83. АПах. 0-10см - рыхлый, а далее сильное уплотнение, следов свежей нефти нет. АПах. Ю-22см - темно-серого цвета, структура комковато-зернисто-ореховатая, уплотнен, свежий, корневые остатки, тяжелый суглинок, переход по линии вспашки, уплотнен за счет остаточной нефти, скопления нефти.
АгВ 22-42см - серовато-буроватый, комковато-ореховатый, тяжелый суглинок, более влажный, нефть просачивается по граням структурных отдельно-стей, уплотнен, корневые остатки, остатки нефти вдоль прогнивших корней, переход хорошо заметен по структуре и количеству нефти. Ві 42-70см - темно-бурой окраски из-за обильного просачивания нефти по граням структурной отдельности, ореховато-крупно призматический, тяжелый 104 суглинок, корней свежих нет, есть сгнившие, менее уплотнен, чем АВ, липкий за счет нефти, переход по структуре заметен, нефти очень много. В2 - 70-95см буровато-коричневатой окраски за счет свежей нефти, крупно призматический, мелкий, слегка уплотнен, тяжелый суглинок, переход из-за нефти трудно различим. ВС - 95-140см комковатый, призмы теряются, нефти очень много, есть очаги скопления.
Почва способна восстанавливать частично-разрушенные компоненты профиля, тем самым выполняя восстановительно-биосферную функцию (Добровольский, Никитин, 2000). Сравнение разрезов 18-83, 1к-86 показало, что, если в 1983 году наблюдается сплошное пропитывание нефтью почвы на глубину 110см, липкость по всему почвенному профилю, то через три года происходит дифференциация нефти по профилю, уплотнение почвы с глубины 10см. Визуально наблюдалось скопление нефти в горизонтах Вь В2, ВС. На глубине 95-140см большое скопление нефти, тогда как в 1983 году загрязнение с глубины 110см отмечалось лишь по трещинам (табл. 3.1.1). Почва выполняет функцию фильтра, проявляя сорбционную способность, и в ней происходит расслоение нефтяного потока по профилю (Никитин, 1999). Нефтяные компоненты задерживаются в верхних почвенных горизонтах, а минерализованные воды, более тяжелые и менее вязкие, быстрее проникают в нижние горизонты. Расслоение нефти по профилю связано еще и с тем, что нефть и ее фракции по-разному адсорбируются различными минералами. Так, у минералов группы монтмориллонита и аттапульгита адсорбционная способность к нефти выше, чем у каолинта (Гамзеги, 1983). Тяжелый механический состав почвы определяет концентрацию нефти в основном в органогенном (Апах.) и иллювиальном (Вь В2) горизонтах (табл. 3.1.1). Это сорбционные барьеры нефти (Солнцева, Никифорова, 1988). По данным Ю.И.Пиковского, Н.П.Солнцевой (1981) в горизонте В заканчиваются каналы миграции нефти и здесь сорбируется основная часть асфальтово-смолистых компонентов, прошедших верхний сорбционный барьер (табл. 3.1.1, разрез 18-83).
В верхней элювиальной части профиля преобладают гексановые биту-моиды (Пиковский, Солнцева, 1981). Перераспределение содержания нефти и органического углерода по профилю почвы через три года обусловлено механической обработкой загрязненного участка. При этом естественные закономерности распределения нефти в почве меняются, происходит захоронение загрязнителя (скопление нефти в горизонте С разреза 1к-86), его консервация, что замедляет ее деградацию в нижележащих горизонтах вследствие ухудшения аэрации.
Амилаза, ксиланаза
Максимальная активность инвертазы сосредоточена в структурных фракциях 0,25мм (Хабиров, 1979). Поэтому снижение их количества в нефтезагряз-ненных почвах с 5,2 до 2,8 в первый год после загрязнения и с 9,0 до 3,8 на второй ведет к снижению активности данного фермента (соответственно в первый год коэффициент корреляции составил 0,46; на второй год г = 0,60 при р 0,05).
Нарушение способности почвы впитывать воду в результате обволакивания почвенных частиц гидрофобными нефтяными углеводородами также влияет на активность гидролитических ферментов, так как вода принимает непосредственное участие в этих реакциях.
Тяжелые металлы ингибируют активность почвенных ферментов. Никель уже в концентрации 10мг/кг почвы оказывает сильное угнетающее действие на активность инвертазы (Паников, Перцовская, 1982; Григорян, 1982) и активность других ферментов (Doelman, Haanstra, 1979; Kobus, Kabata - Pendias, 1977). В нефтезагрязненных почвах концентрация никеля возрастает в 2-3 раза (Славнина и др., 1983; Пиковский, 1988), что также является одним из факторов, снижающих интенсивность реакций гидролитического распада высокомолекулярных органических соединений. Также к лимитирующим факторам от носится наличие солей в сырой нефти, которые существенно подавляют ферментативную активность почв (Тажина, 1986).
Характер влияния нефтяного загрязнения определяется свойствами загрязняемой почвы, главным образом, ее естественной буферностью. Этим объясняется неоднозначность влияния одного типа нефти на инвертазную активность темно-серой и серой лесной почв. Если активность инвертазы в загрязненной темно-серой лесной почве была на уровне контроля или выше на протяжении четырех лет наблюдений (рис.6), то в серой лесной почве она была ниже контрольного уровня в течение трех лет (табл. 5.1.13, рис.7). Увеличение дозы загрязнения не вызывает существенных изменений в активности инвертазы.
По данным Н.М.Исмаилова (1986) в процессе самоочищения почв активность различных ферментов повышается, что особенно характерно дня гидро-лаз. Установлено, что с течением времени нивелируются различия в активности гидролитических ферментов между вариантами с различными дозами загрязнения.
В образцах темно-серой лесной почвы, отобранных через 3 суток после загрязнения, не обнаружено достоверных различий между активностью инвертазы загрязненных и незагрязненных почв. Повышение активности через год в образцах со слабой и средней дозами загрязнения, вероятно связано с интенсивным разложением отмерших растительных остатков в результате токсического действия нефти. Высокая концентрация нефти, ведущая к созданию ана-эробиозиса в большей степени, чем слабая и средняя, создает лимитирующие условия для развития аэробных целлюлозоразрушающих микроорганизмов при обилии субстрата, что является одной из вероятных причин снижения активности инвертазы в данном варианте опыта. Аналогичные результаты получены в нижележащих почвенных горизонтах (20-30, 30-50см) (табл.5.1.13).
В отличие от темно-серой лесной почвы загрязнение серой лесной (табл. 5.1.13, рис.7) различными дозами нефти ведет к значительному снижению ак тивности инвертазы.
Если активность инвертазы через год после загрязнения темно-серой лесной почвы низкой и средней дозами нефти несколько превышает уровень активности незагрязненного варианта, то в серой лесной она ниже контрольного уровня (табл.5.1.13). Процессы восстановления активности инвертазы в темно-серой лесной почве до исходного уровня начинаются через два года после загрязнения, а в серой лесной не наблюдается и через три года (табл.5.1.13, рис 6,7).
Длительное воздействие нефти (10 лет) стимулирует активность инвертазы (рис. 7) серой лесной почвы, которая увеличивается пропорционально степени загрязнения. Стимуляторами могут являться как продукты метаболизма нефти, так и остаточные компоненты растений, которые погибли из-за первоначального токсического действия нефти.
Отдельные компоненты нефти оказывают неоднозначное влияние на инвертазную активность серой лесной почвы (рис.9).
Наиболее четко ингибирующее действие нефти на инвертазную активность серой лесной почвы прослеживается в лабораторном опыте (рис. 8).
Нами установлено стимулирующее действие н-парафиновых и циклопа-рафиновых углеводородов и ингибирующее действие ароматических фракций на активность инвертазы (рис.9). Снижение активности инвертазы ароматическими углеводородами, вероятно, связано с низкой численностью целлюлозо-разрушающих микроорганизмов и соответственно меньшим содержанием в почве дисахаридов, о чем свидетельствует тесная корреляционная связь между этими величинами (г = 0,97). Ингибирующее влияние фенольных соединений, являющихся составными компонентами ароматических фракций нефти, на почвенные биохимические процессы показано Л.Г.Долговой (1975). В частности, ею установлено снижение активности фермента инвертазы.
