Влияние мелиорантов на биологическое состояние чернозема при нефтезагрязнении. Монография

4.5.Влияние мочевины, гумата калия, глауконита и «Dop-Uni» на изменение ИПБС почвы

4.5.Влияние мочевины, гумата калия, глауконита

и«Dop-Uni» на изменение интегрального показателя биологического состояния (ИПБС) почвы

Для того чтобы оценить изменения биологической активности почвы, недостаточно только одного показателя, так как каждый из них отражает лишь какую-то одну сторону эколого-биологических процессов в почве. В связи с этим о биологической активности и экологическом состоянии почвы можно судить, только если исполь- зуется широкий набор показателей ее состояния (Колесников и др., 2000, 2001; Казеев и др., 2003). Для интегральной оценки влия- ния нефти и мелиорантов на эколого-биологическое состояние чер- нозема была использована разработанная на кафедре экологии и природопользования ЮФУ методика расчета интегрального пока-

зателя биологического состояния почвы (ИПБС) (Вальков и др., 1999; Колесников и др., 2000, 2001; Казеев и др., 2003).

В нашей работе мы рассчитывали ИПБС по шести показателям эколого-биологической активности: активность каталазы, инвер- тазы (β-фруктофуранозидазы), фосфатазы, изменение длины кор- ней и высоты побегов редиса, содержания лабильного органичес- кого вещества (рис. 15).

120

100

80

60

40

20

0 -20 -40 -60

Рис. 15. Изменение интегрального показателя биологического состояния (ИПБС) чернозема через 30 суток после внесения мелиорантов, % от нефтезагрязнения

51

Глава 5

Влияние мочевины и гумата калия на биологическое состояние чернозема при 10 %-м уровне нефтезагрязнения

Вовторойчастинашейработы(втораясерияэкспериментов) вни- мание было акцентировано на изучении влияния мочевины и гума- такалия. Этивеществабыливыбраны, исходяизранееполученных данныхоблагоприятномвлияниимочевиныигуматакалиянабио- логические свойства нефтезагрязненного чернозема. Концентрация нефти в почве – 10 %. Сроки экспозиции – 30, 60 и 90 суток.

5.1. Влияние мочевины и гумата калия на содержание нефти

По истечении каждого периода экспозиции (30, 60 и 90 суток) было определено остаточное содержание нефти в почве (рис. 16, приложения 4–6).

120

100

80

60

40

20

0

Рис. 16. Изменение содержания нефти в почве через 30, 60 и 90 суток после внесения нефти и мелиорантов, %

53

Глава5. Влияниемочевиныигуматакалиянабиологическоесостояниечерноземапри10 %-муровненефтезагрязнения

За 100 % принято исходное содержание нефти на 1 сутки экспе- римента. Остаточное содержание нефти снизилось по сравнению с исходным на 20, 40 и 50 % через 30, 60 и 90 суток соответственно. При внесении мочевины и гумата калия отмечали усиление раз- ложения нефти через 60 и 90 суток. При внесении мочевины оно составило 42 и 40 % от исходного, при внесении гумата калия – 35 и 25 % соответственно. Это, вероятно, связано со стимуляцией не- фтеразрушающей микробиоты. Многими авторами доказано, что процесс разложения нефти достаточно длительный, как при само- стоятельном разложении, так и при использовании мелиорантов (Сулейманов и др., 2008; Габбасова и др., 2013; Сулейманов, Вое-

водина, 2016).

5.2. Влияние мочевины и гумата калия на изменение содержания органического вещества

Содержание общего органического вещества в вариантах с вне- сением мочевины и гумата калия достоверно не отличалось от кон- трольного через 30, 60 и 90 суток (рис. 17). Загрязнение нефтью 10 % привело к увеличению содержания органического вещества на 100, 181 и 157 % через 30, 60 и 90 суток соответственно. Внесе- ние мочевины и гумата калия на фоне нефтезагрязнения через 30 и 60 суток достоверно не отличалось друг от друга и оставалось на 160 и 110 % выше контрольного.

Имела место прямая корреляция на 30-е сутки с остаточным содержанием нефти (R = 0,93) и обратная – на 60-е (R = -0,93) и 90-е сутки (R = -1,00). Наблюдали обратную связь с активностью инвертазы на 30-е (R = -0,95) и 90-е сутки (R = -1,00). Прямую кор- реляционную связь наблюдали с активностью фосфатазы на 30-е (R = 0,53) и 90-е сутки (R = 0,67).

Содержание ЛОВ в подавляющем большинстве вариантов до- стоверно не отличалось через 30 и 90 суток и было на уровне 160– 170 мг/кг. Через 30 суток наблюдали резкое увеличение содержа- ния ЛОВ, которое находилось как на уровне контроля, так и на уровне 260–270 мг/кг (рис. 18). Превышение контрольных значе- ний на 20 % отмечалось при внесении мочевины и гумата калия.

54

5.2. Влияние мочевины и гумата калия на изменение содержания органического вещества

Рис. 17. Изменение содержания общего органического вещества в черноземе обыкновенном после внесения мочевины и гумата калия через 30, 60 и 90 суток, % от нефтезагрязнения

4

2

0

-2

-4

-6

-8

-10

Рис. 18. Изменение содержания лабильного органического вещества в черноземе обыкновенном после внесения мочевины и гумата калия через 30, 60 и 90 суток, % от нефтезагрязнения

55

Глава5. Влияниемочевиныигуматакалиянабиологическоесостояниечерноземапри10 %-муровненефтезагрязнения

Вероятно, углерод, содержащийся в составе этих удобрений, был экстрагирован при реакции с перманганатом калия в качестве окислителя. Однако на 60-е и 90-е сутки эксперимента можно го- ворить о выравнивании содержания ЛОВ на уровне контроля при внесении мелиорантов.

Самостоятельное внесение нефти стимулирует выработку ЛОВ на 22 % выше контрольного, что, вероятно, связано с отнесением нефти к категории легких и высвобождением активного органи- ческого вещества, или ЛОВ. При внесении мочевины и гумата ка- лия содержание ЛОВ находится на уровне нефтезагрязненного об- разца. Те же тенденции наблюдались на 60-е и 90-е сутки, однако достоверных отличий от контроля не выявлено. Возможно, на со- держание ЛОВ слабо влияют вносимые мелиоранты. Прямая кор- реляционная связь показана на 30-е и 90-е сутки с остаточным со- держанием нефти (R = 1,00 и R = 0,69). Прямую связь наблюдали в течение всего периода с активностью фосфатазы на 30-е сутки

(R = 0,80), 60-е (R = 0,99) и обратную – на 90-е сутки (R = -1,00).

Содержание лабильного органического вещества с активностью инвертазы имело обратную связь на 30-е сутки (R = -0,95), 60-е (R = -0,82) и прямую на 90-е сутки (R = 0,57).

5.3. Влияние мочевины и гумата калия на изменение ферментативной активности и интенсивности выделения СО2

На активность каталазы, инвертазы и фосфатазы загрязнение нефтьюоказаловыраженноеподавляющеевоздействиена18–80 % (рис. 19–21). Наиболее чувствительным ферментом оказалась фос- фатаза, при этом подавление составило 40–80 % (приложение 4).

Согласно наблюдениям, мочевина и гумат калия повлияли на активность каталазы незагрязненного чернозема неоднозначно (рис. 21, приложения 6–8). Применение мочевины снижало актив- ность каталазы на 25–60 % и стимулировало активность фосфата-

зы на 75–150 %.

Нефть оказывала негативное воздействие на активность ка- талазы: на 30-е сутки активность была ниже контроля на 18 %, на 60-е и 90-е сутки – на 50–60 %. Хотя при внесении мочевины

56

5.3. Влияние мочевины и гумата калия на изменение ферментативной активности и интенсивности…

250

200

150

100

50

0

-50

-100

Рис. 19. Изменение активности каталазы в черноземе при нефтезагрязнении после внесения гумата калия и мочевины через 30, 60 и 90 суток,

% от нефтезагрязнения

как удобрения выявилось токсическое действие на активность ка- талазы. Также при нефтезагрязнении обнаружен стимулирующий эффект: активность каталазы на 60-е и 90-е сутки превысила конт- роль на 18–37 % соответственно. Для гумата калия замечен обрат- ный эффект.

Так, при внесении мочевины наблюдали снижение активности каталазы на 25–35 % по сравнению с контролем в течение всего пе- риода наблюдения, а при внесении гумата калия на 60-е и 90 сут- ки – неотличимое от контроля значение. Вероятно, окислительно- восстановительные процессы в почвах в присутствии нефти были ингибированы при внесении гумата калия. Подобные зависимос- ти могут быть инициированы активизацией протекторной функ- ции гуматов при биоремедиации относительно токсикантов в поч-

ве (Орлов, 1991; Perminova, Hatfield, 2005).

Активность инвертазы значительно варьировалась, наблюда- лись подавляющие эффекты через 30 и 90 суток – на 62–39 % и стимулирующие через 60 суток – на 25 % выше контроля (рис. 20). Внесение гумата калия не оказало достоверного влияния на ак-

57

Глава5. Влияниемочевиныигуматакалиянабиологическоесостояниечерноземапри10 %-муровненефтезагрязнения

тивность каталазы и фосфатазы, активность ферментов через 60 и 90 суток была на уровне контроля. Прямая корреляционная связь показанасактивностью фосфатазы на30-е(R = 0,66), 60-е(R = 0,99) и 90-е сутки (R = 0,99). С другими ферментами теснота связи меня- лась в зависимости от срока экспозиции.

150

100

Рис. 20. Изменение активности инвертазы в черноземе при нефтезагрязнении после внесения гумата калия и мочевины через 30, 60 и 90 суток,

% от нефтезагрязнения

При внесении только мочевины активность β-фруктофурано- зидазы уменьшалась ниже контроля на 60–75 % и ниже нефтеза- грязненного варианта на 15–20 % (рис. 21, приложения 6–8). Для гумата калия за первые 30 суток экспозиции зафиксировано сни- жение активности, за 60 суток достигнуты контрольные значения, а на 90-е сутки превышение контроля составило 42 %.

Мочевина оказывала на активность инвертазы сильное инги- бирующее воздействие на уровне нефтезагрязнения. Внесение мо- чевины в чистую почву действует стимулирующе только на 60-е сутки – уровень на 22 % выше контрольного. На 60-е (R = 0,39) и 90-е сутки (R = 0,99) наблюдалась прямая корреляционная связь с остаточным содержанием нефти. Обратная же связь проде- монстрирована с активностью фосфатазы на 30-е (R = -0,77), 60-е (R = -0,75) и 90-е сутки (R = -0,59). При увеличении срока экспо-

58

5.3. Влияние мочевины и гумата калия на изменение ферментативной активности и интенсивности…

зиции до 90 суток зафиксировано усиление тесноты связи между активностью инвертазы и содержанием органического вещества:

обратная связь – на 30-е (R = -0,29), 60-е сутки (R = -0,71) и пря- мая – на 90-е (R = 0,56).

Рис. 21. Изменение активности фосфатазы в черноземе при нефтезагрязнении после внесения гумата калия и мочевины через 30, 60 и 90 суток,

% от нефтезагрязнения

Применение мочевины при нефтезагрязнении увеличивало активность каталазы на 18–38 %, фосфатазы на 25–100 %, но по- давляло активность инвертазы на 58–70 % (рис. 19, 20, приложе- ния 6–8). Применение гумата калия при нефтезагрязнении не оказывало восстанавливающего эффекта на активность каталазы и фосфатазы, через 90 суток стимулировало активность инвертазы по сравнению с нефтезагрязнением на 117 %.

При самостоятельном внесении мелиорантов наблюдался раз- нонаправленный эффект. Так, внесение мочевины в незагрязнен- ную почву приводило к увеличению активности фосфатазы на 150, 75 и 70 % от контроля через 30, 60 и 90 суток соответственно. Внесе- ние гумата калия, напротив, не приводило к достоверному измене- нию активности фосфатазы на протяжении всего периода наблю- дения. Однако при внесении гумата калия в нефтезагрязненный чернозем активность снижалась практически в два раза на протя-

59

Глава5. Влияниемочевиныигуматакалиянабиологическоесостояниечерноземапри10 %-муровненефтезагрязнения

жении всего периода исследования. Внесение мочевины в нефте- загрязненный чернозем привело к ярко выраженному увеличе- нию активности фермента и по сравнению с нефтезагрязнением,

ипо сравнению с контролем – на 25–100 %. Вероятно, процессы мобилизации органического фосфора при внесении мочевины на- растают и способствуют активизации фосфатазы. Обратная корре- ляционная связь показана с высотой побегов на 30-е (R = -0,98) и 90-е сутки (R = -0,92). Прямая зависимость замечена с содержани- ем органического вещества на 30-е (R = 0,53) и 90-е сутки (R = 0,67). Тесную связь наблюдали между активностью фосфатазы и содер- жанием лабильного органического вещества: прямую – на 30-е (R = 0,80), 60-е сутки (R = 0,99) и обратную – на 90-е (R = -1,00).

Эмиссия СО2 при внесении нефти возрастала по сравнению с контролем на 42 % (рис. 22, приложения 6–8). Внесение мочевины

игумата калия в течение всех периодов экспозиции также вызы- вало увеличение эмиссии. При внесении мочевины в нефтезагряз- ненный чернозем наблюдалось наиболее существенное увеличе-

ние эмиссии СО2 – на 67 % по сравнению с нефтезагрязненным черноземом. Замечено, что при внесении гумата калия за первые 30 суток экспозиции не наблюдалось достоверных отличий от ва- рианта с нефтезагрязнением.

60