Влияние мелиорантов на биологическое состояние чернозема при нефтезагрязнении. Монография

3.3. Исследование биологических свойств чернозема

Эксперимент № 2. В результате выполнения эксперимента № 1 был поставлен новый эксперимент, основной целью которого было оценить во временной динамике изменение эколого-биологи- ческих свойств нефтезагрязненных почв. Продолжительность эк- сперимента составила 30, 60 и 90 суток. Нефть во всех вариантах вносилась в количестве 10 % от массы почвы. Такой процент за- грязнения отличает сильнозагрязненные нефтью почвы.

1.Контроль – незагрязненный чернозем обыкновенный.

2.К + мочевина.

3.К + гумат калия.

4.Чернозем обыкновенный, загрязненный нефтью 10 % от массы почвы (Н).

5.Н + мочевина.

6.Н + гумат калия.

Все эксперименты были поставлены в трехкратной повторности.

3.3. Исследование биологических свойств чернозема

Для оценки экологического состояния нефтезагрязненных почв использовали набор физико-химических и эколого-биологических показателей, информативных при различных видах антропоген- ной нагрузки (Хазиев и др., 1988; Киреева и др., 1999, 2000, 2009; Колесников и др., 2007, 2011, 2012; Колесников, Татлок, 2012; Су-

лейманов, Шорина, 2012; Минникова и др., 2016, 2017; Akimenko et al., 2017; Minnikova et al., 2017). В табл. 3 представлены 10 эко-

логических показателей.

Фитотоксичность почв оценивали стандартными методика- ми (Бабюева, Зенова, 1989). Фитотест – редис садовый (Raphanus sativus var. radicula Pers).

Изменение содержания лабильного органического вещества оценивали по оптической плотности растворов после перманга- натометрического окисления почвы по Г. Дж. Блэру с соавторами (1995) в модификации Э. Вейла (2003).

31

Глава 3. Методы исследования

Согласно литературным данным, при увеличении срока экспо- зиции происходит увеличение содержания CO2, CH4 в почвенном воздухе ввиду разложения нефти (Шамраев, Шорина, 2009). Ин- тенсивность разложения нефти оценивали с помощью газоанали- затора TESTO-535 (в ppm) и газосигнализатора ПГА-7 (в %).

В работе исследовали активность ферментов класса оксидоре- дуктаз (каталаза, пероксидазы, полифенолоксидазы) и гидролаз (уреаза, инвертаза, фосфатаза) по А. Ш. Галстяну, Ф. Х. Хазиеву в модификации К. Ш. Казеева и С. И. Колесникова (Галстян, 1978; Хазиев, 1995; Казеев и др., 2016). Исследование ферментативной активности, по рекомендации А. Ш. Галстяна (1978), проводили при естественном рН почвы.

Таблица 3

Показатели биологической активности и физического состояния почв

32

3.3. Исследование биологических свойств чернозема

Активностькаталазы(Н2О2:Н2О2 – оксидоредуктазы. КФ1.11. 1.6) определяли газометрическим методом по А. Ш. Галстяну (1978), учитывая количество разложившейся перекиси при реакции с поч- вой по объему выделившегося кислорода, вытесняющего воду из бю- ретки. Активность фермента выражали в мл О2/1 г/1 мин.

Активность пероксидаз (донор: Н2О2 – оксидоредуктаза. КФ 1.11.1.7) и полифенолоксидаз (О-дифенол: кислород – окси- доредуктаза. КФ 1.10.3.1) определяли по методу Л. А. Карягиной, Н. А. Михайловой (1986) количественным учетом продукта окис- ления гидрохинона до хинонов (в присутствии перекиси – перокси- дазы, без перекиси – полифенолоксидазы). Активность ферментов выражали в мг 1,4-бензохинона/1 г/30 мин.

Активность инвертазы (β-фруктофуранозидаза-(сахараза, ин- вертаза), β-фруктофуранозид-фруктогидролаза. КФ 3.2.1.26) оп- ределяли по Ф. Х. Хазиеву (1995) количественным учетом реду- цирующих гексоз (инвертных сахаров – глюкозы и фруктозы), образующихся при гидролизе сахарозы. В качестве субстрата ис- пользовали 3 %-й раствор сахарозы. Активность фермента выра- жали в мг глюкозы/1 г/24 ч.

Активность уреазы (карбамид-амидогидролаза. КФ 3.5.1.5) оп- ределяли по методу А. Ш. Галстяна (1978) с учетом образовавшего- ся в результате гидролиза 3 %-го раствора мочевины аммиака. Ак- тивность фермента выражали в мг NH3/10 г/24 ч.

Активность фосфатазы (фосфогидролазы моноэфиров ортофос- форной кислоты. КФ 3.1.3.1–2) определяли по методу А. Ш. Гал- стяна, Э. А. Арутюняна (1966) количественным учетом неоргани- ческого фосфора, с использованием в качестве субстрата 1 %-го фенолфталеина фосфата натрия. Активность фермента выражали

в мг Р2О5/100 г/1 ч.

Для оценки степени минерализации почв в первой серии экспе- римента был рассчитан коэффициент гумификации с использова- нием значений активности пероксидаз и полифенолоксидаз (Казе- ев и др., 2016). Расчет индекса проводили в первом эксперименте, определяя его как частное отношение активности полифенолокси- даз к активности пероксидаз.

В настоящем исследовании ИПБС рассчитывали по шести по- казателям биологической активности почвы: активность катала-

33

Глава 4

Влияние мочевины, гумата калия, глауконита и «Dop-Uni» на биологическое состояние чернозема

при 5 %-м уровне нефтезагрязнения

В данной главе представлены результаты исследования вли- яния четырех мелиорантов различной природы (мочевина, гумат калия, глауконит, «Dop-Uni») на биологические свойства чернозе- ма при загрязнении нефтью 5 % от массы почвы.

4.1.Влияние мочевины, гумата калия, глауконита

и«Dop-Uni» на содержание нефти в почве

На рис. 2 и в приложении 1 представлено остаточное содержа- ние нефти в черноземе через 30 суток после внесения мелиоран- тов, определенное методом экстракции нефти из почвы четырех- хлористым углеродом. Как видно из рисунка, при внесении впочву глауконита резко снижается доля извлечения нефти из почвы (на 35 %), что объясняется адсорбцией нефти глауконитом. Внесение трех других мелиорантов – «Dop-Uni», гумата калия и мочевины – привело к снижению содержания нефти в почве по сравнению с контролем (13, 11, 9 % соответственно), что связано с активизаци- ей аборигенной микрофлоры данными препаратами и усилением разложения нефти.

В остальных вариантах содержание нефти изменилось незна- чительно и достоверно не отличалось от исходного содержания. Полагаем, что такая низкая динамика снижения содержания не- фти в почве вызвана малым сроком экспозиции и низкой концент- рацией нефти, когда биохимические процессы еще работают недо- статочно. Это подтверждают и результаты, полученные в работах других авторов (Сулейманов, Шорина, 2012).

Стоит отметить, что с использованием мелиорантов наблюда- лись тенденции к слабому снижению содержания нефти в диапа-

35

Глава 4. Влияние мочевины, гумата калия, глауконита и «Dop-Uni» на биологическое состояние чернозема…

зоне чувствительности ИК-спектрометра. Вероятно, этот процесс обусловлен тем, что в процессе трансформации остаточной нефти и гумификации органических остатков ведущая роль принадлежит биологическим факторам, а именно биогеохимической деятельнос- ти микроорганизмов.

120

100

80

60

40

20

0

Рис. 2. Содержание нефти в черноземе через 30 суток после внесения нефти и мелиорантов, % от исходного содержания

Углеводороды нефти не относятся к категории нормальных ме- таболитов, т. е. веществ, которые могут потребляться микроорга- низмами как источник углерода. Например, ПАУ с числом ядер в молекуле более трех микроорганизмы практически не потребляют

(Одинцова, 2000).

4.2.Влияние мочевины, гумата калия, глауконита

и«Dop-Uni» на содержание органического вещества

Относительно содержания общего органического вещества от- мечены общие закономерности в вариантах с нефтью и без нефти (приложение 1). Через 30 суток экспозиции содержание общего ор- ганического вещества увеличилось во всех вариантах с нефтью на 300–450 % по сравнению с контролем. В вариантах без нефти так-

36

4.2. Влияние мочевины, гумата калия, глауконита и «Dop-Uni» на содержание органического вещества

же отмечено увеличение общего органического вещества на 120– 190 % (рис. 3). В загрязненном нефтью черноземе наибольшее содержание ОВ показано при внесении гумата калия (25 %), явля- ющегося солью гуминовой кислоты – составной частью органичес- кого вещества. Похожие тенденции продемонстрированы при вне- сении в нефтезагрязненную почву мочевины с «Dop-Uni». В этом случае за органическое вещество был представлен углерод, вхо- дящий в состав мочевины и участвующий в деятельности нефте- деструкторов препарата «Dop-Uni». При внесении биологически активных веществ по отдельности подобного уровня содержания ОВ не отмечалось.

40

35

30

25

20

15

10

5

0

Рис. 3. Содержание общего органического вещества через 30 суток после внесения мелиорантов, % от нефтезагрязнения

Показана тесная связь между содержанием ОВ и активностью пероксидаз (R = 0,68), полифенолоксидаз (R = -0,83) и инвертазы (R = 0,88). Подобные зависимости обусловлены влиянием содержа- ния ОВ на активность этих ферментов, что ранее было продемонс- трировано в ряде работ (Казеев и др., 2007).

37

Глава 4. Влияние мочевины, гумата калия, глауконита и «Dop-Uni» на биологическое состояние чернозема…

Подвижная часть органического вещества почв – это достаточ- но информативный индикатор состояния почв при антропогенной нагрузке (Ларионова и др., 2011; Вялых, Илларионов, 2013; Шар- ков и др., 2014; Балабанова, Воронкова, 2015; Шпедт, 2016). При 5 %-м загрязнении нефтью и 30-суточной экспозиции показано изменение содержания лабильного органического вещества при внесении мелиорантов. В содержании лабильного органического вещества (ЛОВ) отмечено сильное варьирование (рис. 4, приложе- ние 1). В варианте с загрязнением нефтью содержание ЛОВ было ниже контроля на 40 %.

Рис. 4. Содержание лабильного органического вещества через 30 суток после внесения мелиорантов, % от нефтезагрязнения

Самостоятельное применение (без загрязнения нефтью) глауко- нита (Г), «Dop-Uni» (D), гумата калия, Г+D, Гум+D приводило к уве- личению ЛОВ на 75–190 % относительно контроля. Внесение «DopUni» привелокувеличениюЛОВна160 %. Показанатеснаяпрямая связь с активностью каталазы (R = 0,62) и пероксидаз (R = 0,64), уреазы (R = 0,74), фосфатазы (R = 0,57); обратная – с длиной корней (R = -0,82) и высотой побегов (R = -0,81) (приложение 3).

38

4.3. Влияние мочевины, гумата калия, глауконита и «Dop-Uni» на ферментативную активность…

4.3.Влияние мочевины, гумата калия, глауконита

и«Dop-Uni» на ферментативную активность

иинтенсивность выделения СО2

Активность каталазы многие исследователи часто используют как диагностический показатель при антропогенной нагрузке на почвы (Киреева и др., 2009b; Ковалева и др., 2016). При рекульти- вации нефтезагрязненных почв именно активность каталазы счи- тают наиболее информативной при оценке состояния экосистемы (Сулейманов и др., 2007; Сулейманов, Шорина, 2012). На актив- ность каталазы 5 %-е загрязнение нефтью оказало подавляющее воздействие – активность фермента была ниже контроля на 25 %. На активность пероксидазы и полифенолоксидазы загрязнение нефтью не оказало достоверного влияния (рис. 5, приложение 2).

250

200

150

100

50

0 -50 -100

Рис. 5. Изменение активности каталазы через 30 суток после внесения мелиорантов, % от нефтезагрязнения

Активность каталазы нефтезагрязненного чернозема была на 26 % ниже контроля. Активность каталазы в нефтезагрязненном

39

Глава 4. Влияние мочевины, гумата калия, глауконита и «Dop-Uni» на биологическое состояние чернозема…

черноземе (5 % от массы почвы) составила 5,4 мл О2/г/мин, что со- гласуется с результатами А. В. Шамраевой и О. Н. Гончаровой (2011). При внесении глауконита, гумата калия и «Dop-Uni» ак- тивность каталазы слабо изменялась по сравнению с контролем. В то время как при совместном внесении глауконита с «Dop-Uni» и глауконита с гуматом калия зафиксировано увеличение актив- ности каталазы на 17 и 14 %. Сочетания мочевина + гумат калия и всех мелиорантов с мочевиной вызывали стимуляцию активности каталазы на 80–140 % от контроля. Применение мелиорантов при нефтезагрязнении носило разнонаправленный характер. В ва- риантах с внесением «Dop-Uni» и глауконит + гумат калия в не- фтезагрязненный чернозем наблюдали выраженное подавление активности фермента на 43–60 %. Во всех остальных вариантах наблюдали положительный мелиоративный эффект, где актив- ность фермента повышалась по сравнению с нефтезагрязнением и достоверно не отличалась от контроля (Minnikova et al., 2018).

Внесение мочевины и гумата калия в качестве мелиорантов стимулировало процессы окисления и, следовательно, активнос- ти каталазы как фермента, отвечающего за разрушение ядови- той для живых организмов перекиси водорода. Подобная стимуля- ция активности каталазы может быть обусловлена активизацией окислительно-восстановительных процессов в почве при загрязне- нии нефтью, что было показано в ряде работ (Киреева и др., 2009, 2011). По мнению Т. С. Шориной (2009), процессы окисления не- фтезагрязненного чернозема в верхнем слое почвы, через месяц после внесения нефти, связаны с повышенной микробиологичес- кой активностью, простимулированной внесением биологичес- ки активных веществ. Похожие результаты были ранее получе- ны при исследовании активности каталазы в нефтезагрязненных почвах юга России (Колесников и др., 2006, 2013). Замечена пря- мая тесная корреляция между активностью каталазы инвертазы (R = 0,93), уреазы (R = 63) и фосфатазы (R = 0,87), обратная – с ак- тивностью полифенолоксидаз (R = -0,78).

На активность пероксидазы и полифенолоксидазы мочевина и сочетания мелиорантов с ней, как самостоятельно, так и на фоне нефтезагрязнения, оказали выраженное стимулирующее действие на 200–270 % относительно контроля (рис. 6, 7, приложение 2). За-

40