Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Приемы использования отходов производства в агроэкосистемах Центрального Черноземья. Монография
.pdf
Наряду с картофелем в последние годы большое внимание
уделяется томатам, которые широко используются в пищевой
промышленности.
Томат очень отзывчив на органические и минеральные
удобрения. Наиболее высокие урожаи его можно получить при
внесении половинной дозы полуперепревшего навоза или перегноя (3-4 кг/м2) и полной дозы минеральных удобрений
(N60Р
120К90
) (Аутко, 1995).
В годы с прохладной и пасмурной или теплой и влажной погодой на плодах и листьях томата сильно развиваются фитофтороз и
бактериальные гнили. Наибольшее распространение имеет фитофтороз. Фитофтороз появляется, в основном, во второй половине лета, поражает листья и плоды. Наиболее типичным признаком заболевания плодов является образование твердого расплывчатого темно-коричневого пятна, которое постепенно распространяется в глубь
плода и по его поверхности. Пораженный участок ткани листьев
вначале светлеет (выцветает) и привядает, затем превращается в
темно-коричневое пятно с нечеткими границами (Аутко, 1995).
Заболевание вначале появляется на листьях картофеля, затем
переходит на растения томата. Избыточная влажность воздуха,
роса и туманы, умеренная температура с похолоданием в ночные
часы способствуют быстрому развитию болезни (Гойман, 1954).
Данные пораженности томатов фитофторой в период проведения исследований представлены на диаграмме (рис. 4).
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
2003 г. 2004 г.
контроль навоз КРС метановый эффлюент
Рис. 4. Поражение фитофторой томатов на опытных участках, %
51
По данным, приведенным в диаграмме, можно судить о том,
что внесение метанового эффлюента снижало восприимчивость
растений к фитофторе на 55,0-60,0%. Это объясняется сбалансированным составом в нем макро- и микроэлементов в доступной
для растений форме, наличием в нем гуминовых веществ и витамина В. Использование навоза КРС снижало пораженность картофеля фитофторой на 35,0%.
Урожайность томатов при использовании шлама увеличивалась в сравнении с контролем на 10,0-27,6%, с навозом КРС –
на 4,4-8,0% (табл. 17).
Таблица 17. Урожайность томатов, т/га
Вариант 2003 г. 2004 г. 2005 г.
Контроль 51,1 50,0 52,5 51,2
Навоз КРС 59,8 52,7 63,6 58,7
Метановый
эффлюент
НСР
1,5 0,4 1,3
0,95
64,6 55,0 67,0 62,2
Среднее
за 3 года
Применение метанового эффлюента оказывало существен-
ное влияние на качество томатов (табл. 18).
Таблица 18. Влияние органических удобрений на качество
томатов, 2003-2005 гг.
Сухое
в-во,
Вариант
%
Нитраты,
мг/кг на
сырое в-во
Кислот-
ность,
%
Витамин
С,
мг/%
Моно-
сахара,
%
Контроль 6,1 22 0,389 12,9 7,3
Навоз КРС 6,6 23 0,319 13,6 7,3
Метановый
Эффлюент
6,7 20 0,403 14,5 7,7
Содержание сухого вещества при использовании навоза КРС
увеличивалось на 0,5%, метанового эффлюента – на 0,6%; витамина С – на 5,4; 12,4% соответственно. Концентрация моносахаров на варианте с применением метанового эффлюента увеличивалась на 0,4%, а содержание нитратов уменьшалось на 9,1%.
52
Предполагается, что аскорбиновая кислота оказывает ингибирующее действие на образование метгемоглобина. При соотношении витамина С и нитратов 2:1 нитрозамины не образуются
(Зотова, 2005).
Влияние метанового эффлюента на скорость биодеградации
и детоксикации нефтепродуктов в почве
В современных условиях нефтяному загрязнению часто подвергаются земли сельскохозяйственного назначения. Первоначальное воздействие этих загрязнителей на почвы испытывает
поверхностный гумусовый горизонт, который действует как комплексный геохимический фильтр, удерживающий большую часть
углеводородов нефти (Блохин, 2003).
Сброшенная на поверхность почвы нефть перемещается по
почвенному профилю под действием гидродинамических, капиллярных и гравитационных сил. При загрязнении нефтью и нефтепродуктами почва приобретает такие негативные свойства, как
повышенная фитотоксичность и гидрофобность (Каплин, 2001).
Легкая фракция мигрирует по почвенному профилю и водоносным горизонтам, значительно расширяя ареал первичного загрязнения. Путем испарения из почвы удаляется от 20 до 40%
легких фракций (Лозановская, 1998).
Твердый парафин очень трудно разрушается, с трудом окисляется на воздухе. Он надолго может «запечатать» все поры почвенного покрова, лишив почву возможности свободного влагообмена и дыхания. Это в первую очередь приводит к полной деградации биоценоза (Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем, 1988).
Под влиянием углеводородов, содержащихся в нефтепродуктах, происходит уплотнение почвы, снижается ее пористость
и, соответственно, изменяется полевая влагоемкость.
Загрязнение почвы нефтепродуктами приводит к ее уплотнению на 11,6%, снижению общей пористости – на 3,0% и полевой влагоемкости – на 5,6% по сравнению с контролем. Уплотнение почвы и закупорка пор под воздействием нефтепродуктов
приводят к дефициту в ней кислорода (табл. 19).
53
При недостатке О2 в почве создается низкий окислительно-
ент
восстановительный потенциал, развиваются анаэробные процессы с образованием токсичных для растений соединений, снижается содержание доступных питательных веществ, что в совокупности снижает плодородие почвы и урожай растений (Кауричев, Александрова, 1982).
Таблица 19. Агрофизические показатели почвы
загрязненной нефтепродуктами, 2003-2005 гг.
Вариант
Контроль 1,22-1,20 2,62-2,58 53,4-53,5 42,9-44,8
Фон 1,35-1,26 2,72-2,69 50,4-53,2 37,3-40,7
Навоз КРС 1,31-1,23 2,65-2,63 50,6-53,2 38,8-42,8
Уголь 1,33-1,24 2,67-2,65 50,2-53,4 38,2-41,8
Метановый эффлюент
Метановый эффлю
+ бентонит
Плотность
почвы, г/см
1,28-1,19 2,63-2,59 51,3-54,1 39,8-43,2
1,27-1,20 2,62-2,60 51,5-53,5 39,7-43,8
Плотность
твердой
3
фазы, г/см
Общая
пористость,
3
%
Полевая
влагоемкость, %
Внесение в агроценозы навоза, активированного угля, шлама
в начальный период не оказывало существенного влияния на агрофизические показатели почвы. В дальнейшем наиболее интенсивно процессы по восстановлению агрофизических свойств почвы протекали при использовании шлама и совместном воздействии метанового эффлюента и бентонита. В 2005 году, то есть
спустя два года после внесения в систему углеводородов, плотность почвы на данных вариантах составляла в пределах 1,19-
1,20 г/м3, общая пористость – 54,1-53,5%, полевая влагоемкость –
43,2-43,8%, что соответствовало контролю.
Стрижакова (2004) отмечает, что активированный уголь –
высокопористый сорбент органического происхождения с высокой удельной поверхностью и сорбционной емкостью. Поэтому
внесение его в почву может изменять ее структурно-агрегатное
состояние, физические и агрохимические свойства, и, следовательно, условия роста растений. Важно отметить, что сорбционная технология на основе угля полезна для предотвращения загрязнения растений, грунтовых вод и обеспечивает удаления химиката из почвы (Бахаева, 2002). Что касается бентонитов, то
54
особенностью данных минералов является их высокая набухаемость и адсорбирующая способность. В процессе адсорбции у
силицитовых бенотонитов расширяются возможности кристаллической ячейки и создаются условия для дополнительного внедрения в межпакетное пространство нескольких слоев адсорбируемого вещества. Вместе с изменением размера микропор между
контактирующими частицами образуются вторичные поры, что
обеспечивает увеличение поглотительной способности. Бентонит
обладает высокой обменной емкостью, которая колеблется в пределах 60-150 мг-экв на 100 г продукта при рН 7,2. В бентоните
отсутствуют ядовитые вещества и содержание тяжелых металлов
меньше предельно допустимой нормы. В его состав входит оксид
кремния, в том числе аморфный, который обладает высокой адсорбирующей способностью, а также некоторые микроэлементы,
которые необходимы для нормального функционирования как
почвенно-биотического комплекса, так и продуцентов. Бентонит
не обладает кумулятивным действием, но активно сорбирует из
почвы пестициды и тяжелые металлы (Щедрин, Капустян, 1998).
Внесение активированного угля и органических удобрений
способствует улучшению структуры почвы, тем самым усиливая
ее аэрацию и влагообмен. В таких условиях повышается окислительно-восстановительный потенциал почвы, активизируется
развитие микроорганизмов (Блохин, 2003).
При попадании нефти на почву структура микробиоценоза
перестраивается под новые условия, формирующиеся в присутствии углеводородов нефти. И, как правило, эти изменения сопровождаются снижением общего разнообразия и увеличением численности и активности углеводородокисляющих микроорганизмов (Лозановская и др., 1998).
Исследования показали, что в загрязненных почвах снижается активность большинства почвенных ферментов (Покаржевский, 2000).
При любом уровне загрязнения ингибируются гидролазы,
протеазы, нитратредуктазы, дегидрогеназы почв, на первом этапе
загрязнения несколько повышается уреазная и каталазная активность почв.
В наших опытах через 10 дней после загрязнения почвы активность каталазы незначительно повышалась (табл. 20).
55
По истечении 30 дней наблюдался обратный эффект – на
сле
сле
нефтезагрязненной почве каталазная активность снизилась на
53,8%. При внесении в агроценозы навоза КРС данный показатель снижался на 38,5, активированного угля – на 46,1, метанового эффлюента – на 34,7 и метанового эффлюента в сочетании с
бентоном – на 30,7%.
Таблица 20. Ферментативная активность почвы, мл О2/г/мин.
2003 г. 2004 г. 2005 г.
10 дней
Вариант
Контроль 2,6 2,6 2,5 2,3 2,4
Фон 2,8 1,2 1,4 1,6 1,8
Навоз КРС 2,9 1,6 1,7 1,9 2,1
Уголь 2,8 1,4 1,6 1,8 2,0
Метановый
эффлюент
Метановый
эффлюент +
бентонит
после за-
грязнения
(май)
2,9 1,7 1,8 2,0 2,5
3,0 1,8 1,8 2,1 2,8
30 дней
после за-
грязнения
(июнь)
90 дней
после за-
грязнения
(август)
1 г. по
загрязне-
ния
(май)
2 г. по
загрязне-
ния
(май)
Следовательно, почвенно-биотический комплекс вышел из
равновесного состояния и для формирования пула микроорганизмов, который направлен на нейтрализацию проведенного возмущения (разрушение нефтепродуктов), требуется довольно большой
промежуток времени. Однако при использовании шлама, который
содержит в своем составе анаэробные микроорганизмы, он образовывался значительно быстрее, но все же активность его функционирования на протяжении 2003 и 2004 годов проходила под значительной нагрузкой нефтепродуктов.
Большая численность бактерий в определенных типах почв
согласуется с гипотезой «избыточного пула», согласно которой
пул микроорганизмов значительно возрастает в тех экосистемах,
где условия для протекания микробиологических процессов оказываются неблагоприятными (Звягинцев, 1986). Для поддержания
пула на определенном уровне в почве имеется механизм, связанный с запасом неклеточных иммобилизованных гидролитиче-
56
ских ферментов. Благодаря работе этих ферментов пул постоянно
пополняется за счет гидролиза гумуса и других органических полимеров, которыми наиболее богат метановый эффлюент. К тому
же одним из механизмов повышения устойчивости почв к органическим загрязнителям (нефть, нефтепродукты, жидкие компоненты ракетного топлива) является связывание их поверхностью
почвенных частиц за счет адсорбции. Если адсорбируемые ионы
удерживаются достаточно прочно, то этот процесс считается специфической адсорбцией, которая в наших исследованиях существенно возрастает при использовании бентонита.
Полное восстановление ферментативной активности почвы
произошло лишь через два года, то есть в мае 2005 года, лишь
при использовании метанового эффлюента, совместном использовании шлама и бентонита. Это позволяет судить о том, что
воздушный и температурный режим пахотного горизонта почвы
стали благоприятными для функционирования сообщества микроорганизмов и, следовательно, для развития продуцентов.
Милащенко, Соколов, Брайсон, Черников (2000) отмечают,
что негативные реакции микробных популяций могут иметь обратимый и необратимый характер. Реакция считается обратимой, если микробиологическая деятельность восстанавливается в течение
60 дней, и необратимой, если ингибирование более чем на 50% сохраняется до конца вегетационного периода. В естественных условиях микробные популяции часто подвергаются таким влияниям,
как высушивание, переувлажнение, замораживание, оттаивание.
Изменение режима влажности и температуры в пределах, обычно
наблюдаемых в почвах, нарушение газового обмена вследствие уплотнения могут снижать интенсивность микробиологических
функций на 10-95%. С этой точки зрения нарушение цикла в развитии отдельных групп микроорганизмов в течение 30 дней и депрессия до 90% при любых стрессовых ситуациях, в том числе при
химической обработке, рассматриваются как нормальное естественное явление; нарушение развития микроорганизмов в течение
60 дней классифицируется как удовлетворительное явление, более
60 дней – может указывать на критическую ситуацию. Различия в
численности отдельных групп и видов микроорганизмов, а также
интенсивности их функций считают обычно существенными в том
случае, если они превышают 50%.
57
Таким образом, при среднем загрязнении почв нефтепродуктами возникает критическая ситуация функционирования почвенно-биотического комплекса.
В работах ряда авторов показано, что в нефтезагрязненной
почве ухудшается азотный режим, уменьшается содержание подвижного фосфора и калия. Такие изменения вызваны нарушением
водно-воздушного режима почв в результате заполнения порового пространства нефтепродуктами, склеивания структурных отдельностей и образования битуминозной корки. Первичные окислительные условия в почвах меняются на окислительно-восстановительные и восстановительные. Анаэробиозис вызывает подавление нитрификации и усиление аммонификации. Сдвиг соотношения С:N приводит к иммобилизации неорганического фосфора
и уменьшению количества экстрагируемого фосфора (Хазиев,
1982). Проведенные анализы позволяют судить о том, что при
внесении в почву нефтепродуктов содержание углерода возрастало в 4,0 раза, а концентрация макроэлементов уменьшалась в
среднем в 1,3 раза. Снижалась кислотность почвенного раствора
на 21,2% (рис. 5).
15
10
5
0
углерод,% азот,мг/100г фосфор,
мг/100г
калий,
мг/100г
контроль фон - нефтепродукты
Рис. 5. Влияние углеводородов нефти на количество N, Р, К, С
в почвенном горизонте (10 дней после загрязнения почвы), 2003 г.
Обволакивание почвенных частиц нефтяной пленкой также
препятствует переводу подвижных соединений азота и фосфора в
раствор.
58
Подвижные и обменные формы макроэлементов связывают-
вый
ся органическими компонентами нефти, переводя их в недоступное состояние для микроорганизмов и растений. В составе обменных катионов появляется натрий (Соромотин, 1991 и др.).
Внедрение натрия в ППК способствует сдвигу рН в сторону подщелачивания на 1,1, гидролитическая кислотность при этом
уменьшилась на 0,5 мг-экв/100 г почвы.
Наблюдения за динамикой содержания в почве подвижных
элементов позволяют судить о том, что загрязнение почвы нефтепродуктами приводило к снижению в ней концентрации аммиачного азота в начальный период на 18,2% (табл. 21).
Таблица 21. Динамика содержания в почве подвижных
Подвиж-
ные ве-
щества
N
, %
NH4
Р2О
5,
мг/100 г
элементов в процессе детоксикации, 2003-2005 г.
Дата
иссле-
дова-
ний
05.03 1,56 1,32 3,40 3,20 2,85 3,00
06.03 1,56 0,42 0,96 1,15 0,45 0,75
08.03 1,12 0,45 3,65 3,12 2,05 2,10
05.04 1,93 1,39 3,98 3,65 1,96 2,30
05.05 1,41 1,38 4,56 5,00 1,85 1,95
05.03 9,3 10,2 11,1 11,6 9,8 10,5
06.03 9,7 10,5 11,7 12,0 10,3 10,9
08.03 9,9 10,7 11,8 12,1 10,5 11,0
05.04 9,4 10,3 11,4 11,9 10,1 10,7
05.05 10,0 10,4 12,0 12,3 10,6 11,2
05.03 13,2 13,6 13,3 13,8 13,1 13,4
Кон-
троль
Фон-
нефть
Фон +
метановый эффлюент
Фон +
метано
эффлюент
+ бентонит
Фон +
акти-
вир.
уголь
Фон +
навоз
КРС
К2О,
мг/100 г
06.03 13,4 13,7 13,5 13,9 13,3 13,5
08.03 13,2 13,5 13,3 13,7 13,0 13,3
05.04 13,4 13,7 13,7 13,5 13,3 13,6
05.05 13,4 13,7 13.5 13,8 13,3 13,6
Значительная часть азота теряется из почвы вследствие процесса денитрификации. Это процесс восстановления нитратного
азота почвы до свободного газообразного азота (N2), который про-
59
исходит в результате жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, получивших название денитрификаторов (Роуэлл, 1998).
Потери азота при денитрификации объясняются тем, что денитрификаторы являются анаэробной микрофлорой, то есть развиваются активно при отсутствии кислорода воздуха. Поэтому
для дыхания они используют кислород нитратов, восстанавливая
азот до свободной молекулярной формы (Барбер, 1988).
Установлено, что процесс восстановления нитратов идет под
действием ферментов нитратредуктазы и нитритредуктазы и может быть выражен следующим уравнением:
C6H12O6 + 4NO3=6CO2 + 6H2O +2N
2.
Наиболее благоприятными условиями для денитрификации,
а следовательно, и для потерь молекулярного азота являются анаэробные условия, щелочная реакция почвы и избыточное количество в почве органического вещества, богатого клетчаткой, глюкозой и другим энергетическим материалом, а также высокое увлажнение почвы (Артюшин и др., 1991).
При внесении в систему шлама содержание азота в почве в
сравнении с контролем повышалось – на 1,84% и в сравнении с
загрязненной нефтепродуктами почвой – на 2,08%. В дальнейшем
при активной денитрификации, что в первую очередь связано с
содержанием в метановом эффлюенте анаэробных микроорганизмов и других процессов, содержание азота в пахотном горизонте почвы уменьшалось на 2,44%. Но уже в августе 2003 года
количество аммиачного азота увеличилось до 3,65%, что позволяет судить о высокой активности аммонифицирующих бактерий
и, следовательно, о значительном восстановлении состава микробоценоза, присущего выщелоченному чернозему. Подобная закономерность наблюдалась при совместном использовании метанового эффлюента и бентонита. Что касается навоза КРС и активированного угля, то они оказывали меньшее воздействие на
окислительно-восстановительные процессы, протекающие в почве. Через 2 года после загрязнения почвы нефтепродуктами содержание азота в почве не превышало 1,85% при использовании
активированного угля и 1,95% при внесении в систему навоза
КРС. В то время как при использовании метанового эффлюента
эта величина достигала 4,56%, а при совместном использовании
60
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]