Влияние мелиорантов на биологическое состояние чернозема при нефтезагрязнении. Монография

Глава 2

Объект исследования

2.1. Почвы Ростовской области

Особенности формирования почв Ростовской области обуслов- лены мощностью гумусовых горизонтов, характером почвообра- зующих пород и механическим составом (Вальков, Цвылев, 2002; Вальков и др., 2012). Изучение черноземов, как самых плодо- родных почв региона, объясняется рядом причин (Вальков и др., 1980, 2004; Казеев и др., 2010). Согласно данным О. С. Безугловой и М. М. Хырхыровой (2008), по площади распространения черно- земы обыкновенные и южные составляют от 17 до 30 % площади всех почв региона. По содержанию органического вещества черно- земы относят к самым плодородным почвам в мире. Распределе- ние подтипов черноземов по региону связано с фациями. Если в северной части Ростовской области (Чертковский, Шолоховский, Каменский, Тарасовский, Кашарский, Миллеровский, Белокалит- венский, Красносулинский и другие районы) преобладают черно- земы южные и обыкновенные восточно-европейской фации, то на юге (Целинский, Егорлыкский, Песчанокопский, Сальский, Зер- ноградский, Ремонтненский районы) преобладают мощные обык- новенные черноземы южно-европейской фации.

Образование черноземов Ростовской области тесно связано с количеством атмосферных осадков: достаточное их количество обеспечивает рост растительности и повышение ее биомассы от- носительно древесных культур. При этом выпадающие осадки не обеспечивают периодически промывной режим (Казеев и др., 2010; Вальков и др., 2012). Кроме содержания влаги, на особеннос- ти черноземообразования в регионе оказывает влияние темпера- тура. Температурные условия напрямую влияют на фациальную специфику черноземов. Черноземы восточно-европейской фации в зимний период промерзают, что обеспечивает им абсолютный био-

21

Глава 2. Объект исследования

логический покой на 2–3 месяца. Напротив, черноземы южно-ев- ропейской фации промерзают неглубоко и периодично.

Травянистый покров также оказывает значительное влияние на образование черноземов каждой фации. Если черноземы вос- точно-европейской фации расположены в ковыльно-типчаковых степях, то южно-европейской фации – в степях Азово-Кубанской низменности и Северного Приазовья. Для черноземов характерно вовлечение дернины в биологический круговорот углерода, азота, фосфора, кремния, кальция, магния и других микро- и макроэле- ментов. Подобные процессы приводят к образованию гумусовых горизонтов различной мощности. Корневая система растительного покрова оказывает непосредственное влияние на ризосферу почвы и тем самым на активность ферментов с учетом газового, водного, окислительно-восстановительного потенциала, кислотно-щелоч- ного режима черноземов.

Растительный покров влияет на состав животного мира как на поверхности почвы, так в почвенной толще. Глубина проникнове- ния древесных и травянистых культур существенно различается. Если для лесов при оптимальном увлажнении характерна поверх- ностная корневая система, то травянистый покров в степи харак- теризуется 20–30 см. При недостатке влаги корни деревьев могут уходить до 200 см в толщу почвы, что ведет к проникновению по- верхностных горизонтов в нижележащие. Кроме того, в литерату- ре говорится о наличии ходов дождевых червей, крестовин, напол- ненных почвенной массой гумуса с верхних горизонтов (Вальков и др., 2012).

Травянистаярастительностьсодержитбольшоеколичествозоль- ных элементов, которые при отмирании и разложении раститель- ности попадают в почву и способствуют реакции нейтрализации с кислотами, образующимися при минерализации и гумификации. При этом поддерживается нейтральная, слабощелочная реакция среды черноземов. В растительных остатках имеется высокое со- держание белков, что вкупе с нейтральной реакцией среды обес- печивает благоприятные условия для развития микроорганизмов. Важной особенностью корневых систем травянистой раститель- ности является структурообразующая функция. Структурообразу- ющий эффект трав связан с формированием мелкокомковатой и

22

2.2. Чернозем обыкновенный

зернистой структуры. Для травянистых растений степной зоны ха- рактерна мочковатая корневая система, которая разрыхляет поч- ву, переводя ее из сплошного состояния в раздельно-агрегатное. Структурный эффект проявляется в том, что не наблюдается пыле- ватых и порошистых фракций. Почвенные агрегаты обладают до- статочной водопрочностью. Разрушение структуры может происхо- дить при изменении условий внешней среды, физико-химических состояний почвы (осолонцевание, содовое засоление, загрязнение химическими веществами и др.). Структурообразующему эффекту способствует гармоничное соотношение в почвенной толще воды и воздуха. В подобных условиях происходит наиболее оптимальное развитие корневой системы растений и почвобитающих животных

(Вальков и др., 2004, 2007, 2008а, 2008b).

Дерновый процесс оказывает непосредственное влияние на плодородие черноземов и сохранение его при посеве культурных растений (пшеница, ячмень, люцерна, бобовые и др.), близких по своему морфологическому строению к травянистой растительнос- ти. Также дерновый процесс неразрывно связан с отмиранием и гумификацией растительных остатков, с образованием гумусовых веществ фульватно-гуматного типа.

2.2.Чернозем обыкновенный

Внастоящей работе объектом исследования выбран чернозем обыкновенный восточно-европейской фации. По своему валовому составу черноземы обыкновенные сходны с черноземами южны-

ми. Вниз по профилю содержание SiO2 и TiO2 мало изменяется, что подтверждается характером молекулярных отношений, которые в гумусовом горизонте достаточно близки (Вальков и др., 2012). Вы- явить степень дифференциации элементов валового состава по профилю в процессе образования чернозема достаточно сложно, что связано с устойчивостью вещественного состава минеральной части (Вальков и др., 2008).

По содержанию гумуса черноземы обыкновенные превосходят черноземы южные. В работах В. Ф. Валькова с соавторами (2008, 2012) показано, что в пахотном горизонте Апах содержание гумуса

23

Глава 2. Объект исследования

составляет 3,2 %. Однако в нераспаханном черноземе – целине – содержание гумуса может достигать 8–9 %. При этом верхние го- ризонты промыты от карбонатов.

По своим характеристикам черноземы обыкновенные имеют большое сходство с другими черноземами восточно-европейской фации – черноземами южными. В табл. 1 показано, что для черно- земов южных и обыкновенных характерны схожие почвообразова- тельные процессы и гранулометрический состав, кислотность ре- акции среды (рН), плотность.

Таблица 1

Генетико-диагностические признаки черноземов восточно-европейской фации по В. Ф. Валькову с соавторами (2012)

24

2.2. Чернозем обыкновенный

Значительное отличие между подтипами черноземов обнару- жено по мощности горизонтов, содержанию и запасам гумуса. За- пасы органического вещества в черноземе обыкновенном влияют на аккумуляцию соединений, содержащихся в органических остат- ках как результат биохимических процессов. В черноземе обыкно- венном содержатся вещества специфического (почвенный гумус) и неспецифического происхождения (углеводы, лигнин, белки, ли- пиды, воски, смолы и др.), имеющие фито-, зоо-, микробиоценти- ческую природу и участвующие в процессе почвообразования как отмирающая биомасса и как продукты жизнедеятельности живых организмов (Вальков и др., 2004). Такие неспецифические соеди- нения, помимо почвенной среды, встречаются во многих природ- ных и техногенных объектах.

В Ростовской области черноземы обыкновенные занимают пло- щадь 158 тыс. га. Как отмечалось, образование черноземов Ростов- ской области тесно связано с количеством атмосферных осадков – достаточное их количество обеспечивает рост растительности и повышение ее биомассы относительно древесных культур. Важной составляющей экологического состояния почвы являются показа- тели ферментативной активности. Ферменты имеют большое эко- логическое и биологическое значение. Уникальная насыщенность почвы ферментами позволяет определить ее как «биохимическую

25

Глава 2. Объект исследования

систему» (по В. А. Ковде, 1973) или как «систему связанных иммо-

билизованных ферментов» (по E. A. Paul and A. D. Mc Laren, 1975).

Основная функция ферментов – это разрушение первичного орга- нического вещества, его минерализация и гумификация. Фермен- ты выполняют роль катализаторов при энергетическом и вещес- твенном обмене в почвах, в котором участвуют белки, углеводы, фосфорорганические соединения, липиды и другие доминирую- щие органические соединения. Эти соединения подвержены рас- щепляющему действию гидролаз – протеаз, протеиназ, целлюлаз, амилаз, гликозидаз, сахараз, нуклеаз, фосфатаз и т. д. (Вальков и др., 2004, 2012). Такие процессы происходят при гидролизе ми- неральных полифосфатаз и превращении минеральных соедине- ний азота, железа, марганца, серы (Галстян, 1974, 1982). Фермен- ты участвуют в формировании гумуса в почве как интегрального показателя плодородия почв (Вальков и др., 2004, 2012; Казеев и др., 2007; Минникова и др., 2017b, 2018a).

Объектом исследования был выбран чернозем обыкновенный карбонатный. В общей структуре почвенного покрова России чер- ноземы занимают 153 млн га, или 1,53 млн км², что составляет 52 % от мировых площадей земельного фонда. Почву для модельных ла- бораторных экспериментов отобрали из пахотного слоя (0–25 см) в Ботаническом саду Южного федерального университета. Содержа- ние органического вещества 1,3 %, лабильного органического ве- щества 29,6 мг/кг, активность каталазы 7,3 мл О2/1 г/1 мин, перок- сидаз0,85 мг1,4-бензохинона/1 г/30 мин, полифенолоксидаз0,77 мг 1,4-бензохинона/1 г/30 мин, инвертазы 47,3 мг глюкозы/10 г/24 ч, уреазы 10,4 мг NH3/10 г/24 ч, фосфатазы 2,8 мг Р2О5/100 г/ч.

26

Глава 3

Методы исследования

Для моделирования процесса мелиорации почв было заложено две серии экспериментов: первая серия предполагала использова- ние 5 %-го загрязнения нефтью, четырех мелиорантов различной химической природы и действия (глауконит, гумат калия, мочеви- на, «Dop-Uni»), 30 суток экспозиции; для второй серии использова- ли 10 %-е загрязнение нефтью, два мелиоранта (мочевина и гумат калия).

3.1. Характеристика нефти и мелиорантов

Для лабораторного моделирования нефть была предоставле- на Новошахтинским нефтеперерабатывающим заводом (НЗНП). НЗНП подключен к магистральному нефтепроводу ОАО АК «Транснефть» на участке Суходольная – Родионовская. Для экс- периментов в лабораторных условиях использовали нефть плот- ностью 0,818 г/м3 с массовой долей серы 0,43 %, механических примесей – 0,0028 %, воды – 0,03 %, концентрации хлористых со- лей – 40,1 мг/дм3.

В настоящем исследовании было изучено влияние четырех ме- лиорантов различной химической природы: глауконита, гума- та калия, мочевины и биологического бактериального препарата «Dop-Uni» (табл. 2). Для изучения сорбирующей способности не- фти был исследован глауконит, для изучения биостимулирующей способности были внесены штаммы бактерий-нефтедеструкторов в биопрепарате «Dop-Uni», для восполнения равновесия между угле- родом и азотом вносилась мочевина, для стимуляции аборигенной нефтедеструктивной микробиоты – гумат калия.

Применениеглауконита. Внастоящейработеиспользовалими- неральный комплексный сорбент глауконит. Глауконит (главко-

27

Глава 3. Методы исследования

нит, «зеленая земля», от др.-греч. γλαυκός «светло-зеленый») – ми- нерал, водный алюмосиликат железа, кремнезема и oксидa калия непостоянногосостава, относитсякгруппегидрослюд. Применение этого сорбента обеспечивает высокие сорбционные, ионообменные и буферные свойства комплекса слоистых алюмосиликатов груп- пы глауконитов и глинистых минералов группы монтмориллони- тов. В отношении мелиорации нефтезагрязненных почв наличие в нем кварцевого песка (39 %) увеличивает сорбентную способность самого концентрата за счет своеобразного разрыхления глаукони- товых зерен (Большая советская энциклопедия, 1969–1978).

28

3.1. Характеристика нефти и мелиорантов

Наличие в концентрате глинистой составляющей (до 20 %) так- же является благоприятным фактором, так как глинистые мине- ралы представлены в основном монтмориллонитом, который сам является очень хорошим сорбентом. Пропорции внесения глауко- нита в нефтезагрязненную почву зависят от содержания в ней не- фти – для активации сорбента, согласно производителю, соотноше- ние сорбент : нефть должно соблюдаться 1:6.

Применение «Dop-Uni». В настоящем исследовании использова- ли биологический препарат «Dop-Uni», который предназначен для биодеградации нефти и нефтепродуктов при загрязнении почв, водоемов, акваторий, стоков промышленных предприятий (http:// dop-uni.ru/). Биопрепарат применяется в тех случаях, когда другие способы ликвидации нефтяных загрязнений неэффективны или могут нанести еще больший вред окружающей среде. «Dop-Uni» представляет собой порошок, состоящий из сухих агрегатов жизне- способных клеток разных микроорганизмов, растущих на углево- дородах различных классов и некоторых их производных с инерт- ным носителем (торфом).

Согласно рекомендациям производителя, для внесения штам- мов бактерий в почву, загрязненную нефтью, была приготовлена рабочая суспензия. Время перемешивания суспензии или проду- вания воздухом составляет не менее 12 часов. Температуру воды при активации суспензии поддерживали не ниже 20 ºС. Непос- редственно перед применением препарата активированную сус- пензию разбавляют в 100 раз – для обработки почв (грунтов) и в 50 раз – для обработки водоемов. Универсальный биопрепарат «Dop-Uni», в отличие от деструкторов других производителей (у ко- торых один штамм), имеет в своем составе три группы микроор- ганизмов. Каждая группа микроорганизмов питается определен- ной частью углеводородной цепочки. Например, Candida наиболее быстро поедает легкие фракции, в результате визуальный эффект воздействия возникает через 7–10 дней после внесения биопрепа- рата (изменяется цвет разлива). Остальные группы микроорга- низмов (Rhodococcus, Pseudomonas) начинают питаться позже, и эффект может иметь наиболее продолжительное действие (от 1– 3 месяцев), но визуально он будет заметен, когда на месте разли- ва начнет расти трава. Данные группы бактерий используют в ка-

29

Глава 3. Методы исследования

честве источника пищи наиболее сложные цепочки углеводородов, происходит это в течение более продолжительного времени.

Применение мочевины. В настоящей работе была использована мочевина, как одно из наиболее распространенных азотных удоб- рений, содержащих 46 % азота. Ее вносили для оптимизации соот- ношения углерода и азота (С:N). Пропорции внесения мочевины были рассчитаны исходя из соотношения C:N как 10:1.

Применение гумата калия. В настоящей работе использовали гумат калия, который вносили в почву в виде разбавленной сус- пензии согласно нормам расхода при поливе садовых культур.

Для оценки степени разложения нефтепродуктов в почве ис- пользовали мелиоранты различной природы. Внесение мелиоран- тов проводили согласно нормам расхода.

3.2. Схемы экспериментов

Эксперимент № 1. Для моделирования процессов нефтезагряз- нения чернозема использовали загрязнение нефтью 5 % от массы почвы. В предварительно увлажненную почву вносили нефть в ко- личестве 5 %. После нефти в почву вносили мелиоранты в виде раствора (гумат калия и суспензия с «Dop-Uni») или сухого вещест- ва (мочевина и глауконит).

Инкубация при температуре 20–25 °С и поддержании полной влагоемкости почв 60 % составила 30 суток. Схема эксперимента № 1 показана ниже.

30