Микробиологическая и ферментативная активность

В условиях техногенного давления некоторые группы почвенных микроорганизмов быстрее восстанавливают свою активность и способствуют очищению среды от поллютантов. Большинство исследований, проведенных в различных биоклиматических зонах, свидетельствуют о том, что почвенные микроорганизмы отвечают на нефтяное загрязнение повышением общей численности и усилением активности. Однако в начальный период после загрязнения нефтью в почвах наблюдается подавление биохимической активности. После адаптации к условиям загрязнения численность микроорганизмов увеличивается, но при этом обедняется видовое разнообразие (Nichols, 1997; Bailey, McGill, 2001). Очевидно, что в почвах с низкой численностью микроорганизмов восстановление их жизнедеятельности в условиях загрязнения занимает более длительный период.

Таблица 3.13

Влияние различных доз нефти на численность почвенных микроорганизмов

Доза нефти (кг/м )

Количество микроорганизмов, млн / 1 г почвы

Коэффициент минерализации (КЛА/МПЛ)

МПА

КАЛ

УОМ

3 дня

Контроль (0)

4,50

4,20

0,95

0,93

2,5

3,50

2,60

1,60

0,74

5

3,40

2,95

1.40

0,87

10

3,50

1,80

1,20

0,51

15

3,95

1,25

0,80

0,32

30 дней

Контроль(0)

2,70

4,20

2,55

1,55

2,5

1,10

0.54

4,30

0,49

5

1,27

0,78

4,50

0,61

10

3,60

0,97

3,90

0,27

15

1,97

0,61

4,10

0,31

90 дней

Контроль(0)

3,25

3,60

1,47

1.11

2,5

2,10

2.00

3,04

0,95

5

1,76

2,03

2,48

1,15

10

2,26

1.74

1,62

0,77

15

4,10

2,80

1,74

0,68

Примечание. МПА - аммонификаторы, КАА - разлагающие минеральные формы азота, У ОМ - углеводородокисляющие микроорганизмы.

Воздействие нефти на живые организмы в значительной степени определяется ее концентрацией в среде (табл. 3.13). В вариантах с внесением нефти в количестве 2,5-10 кг/м2 повышается численность углеводородокисляющих микроорганизмов (УОМ). При увеличении дозы нефти до 15 кг/м2 угнегается и эта группа микроорганизмов. Через 30 дней после начала эксперимента численность микроорганизмов, участвующих в превращении азотистых веществ, продолжает снижаться во всех вариантах с нефтью, причем особенно резко уменьшается количество микроорганизмов, учтенных на среде КАА. На этот срок приходится пик активности У ОМ во всех вариантах с загрязнением, что косвенно свидетельствует об интенсивно идущих в почве процессах деструкции углеводородов нефти (рис. 3.9).

Изменение численности различных групп микроорганизмов через 30 дней после загрязнения почвы нефтью, % от контроля

Рис. 3.9. Изменение численности различных групп микроорганизмов через 30 дней после загрязнения почвы нефтью, % от контроля

Через 90 дней численность микроорганизмов-аммони- фикаторов повышается, особенно в сильно загрязненных вариантах опыта. По сравнению с предыдущим сроком, значительно увеличивается количество микроорганизмов, разлагающих минеральные формы азота, несколько снижается УОМ, но при слабой степени загрязнения (2,5 и 5 кг/м2) остается в 2 раза выше, чем в контроле. Определение показателя минерализации-иммобилизации (КАА/МПА) не позволило выявить какой-либо определенной направленности биохимических процессов преобразования азотсодержащих соединений. Однако величина этого показателя в сильно загрязненных вариантах во все сроки наблюдения ниже, чем в контроле, что может указывать на преобладание в среде микроорганизмов-аммонификаторов.

Таким образом, установлено, что нефтяное загрязнение с первых дней ингибирует жизнеспособность микроорганизмов, которые осуществляют разложение азотсодержащих соединений в почве, и стимулирует активность углеводородокисляющей микрофлоры (за исключением варианта с максимальной дозой нефти).

Численность микроорганизмов, разлагающих как органические, гак и минеральные формы азота, начинает постепенно возрастать только после 90 дней взаимодействия нефти с почвой. Очевидно, только к этому времени снижается концентрация ароматических углеводородов, которые являются наиболее токсичными для биоты. А.А. Оборин и др. (1988) также отмечают, что в это время в почве доминирующими становятся биохимические процессы преобразования углеводородов нефти, которые осуществляются с помощью микроорганизмов.

Разная степень нефтяного загрязнения почв оказывает различное влияние на численность микроорганизмов в почве (Наплекова, 2004). Слабое нефтяное загрязнение (2%) снижает численность микроорганизмов в почве, особенно усваивающих минеральный азот, олигогрофов и аэробных азотфиксаторов: азотобактеров и олигонитрофилов. Наиболее чувствительны к нефтяному загрязнению актиномицеты. Их численность но сравнению с контролем уменьшилась в 7 раз. Микроскопические грибы и фосфагмобили- зующие микроорганизмы реагировали незначительно.

Среднее (6%) и сильное (16%) загрязнение особенно угнетают группу микроорганизмов, усваивающих минеральные формы азота. Что касается аэробных азотфиксаторов (азотобактера и олигонитрофилов), то их численность увеличилась. Определение численности углеводородокисляющих микроорганизмов показало нарастание их численности на один-два порядка при переходе от незагрязненной почвы к слабо-, средне- и сильнонефтезагрязнен- ной почве. Нефтяное загрязнение негативно сказывается на биологической активности почвы, что приводит к ухудшению минерального питания растений. Снизилась интенсивность разложения белков желатины, целлюлозолитическая активность, менялся и состав целллюлозоразрушающих микроорганизмов, наблюдалось преобладание микроскопических грибов.

В результате жизнедеятельности почвенных микроорганизмов, мезофауны и корневой системы растений в почве накапливаются разнообразные ферменты, которые участвуют в важнейших биохимических процессах: трансформации органических веществ, мобилизации элементов питания. Уровень и соотношение активности ферментов контролируются гидротермическим режимом территории, химическими и физико-химическими свойствами почв, содержанием органического вещества, т.е. комплексом условий, который определяет количество и соотношение групп почвенных микроорганизмов, развитие наземной растительности. Активность ферментов позволяет выявить особенности биологического фактора почвообразования, который играет важную роль в формировании и развитии почвы как органо-минерального тела.

Ведущими, определяющими главные звенья почвообразовательного процесса, но мнению большинства исследователей, являются два класса ферментов - гидролазы и оксидоредуктазы. Гидролазы осуществляют гидролитический распад высокомолекулярных органических соединений и играют важную роль в обогащении почвы питательными веществами, доступными для растений и микроорганизмов. Оксидоредуктазы участвуют в окислительно-восстановительных процессах, формируя плодородие почв. Ферментативная активность, по мнению многих, может служить для оценки антропогенных изменений почв: окультуренности, эффективности агронриемов, мелиорации, а также загрязненности различными техногенными веществами.

Как было показано выше, изменение экологических параметров при нефтяном загрязнении влияет на численность и физиологическое состояние почвенных микроорганизмов и тем самым непосредственно и косвенно определяет поступление ферментов в почву, иммобилизацию и проявление их активности. Способность микроорганизмов к деструкции углеводородов обусловлена двумя факторами (Коронелли, 1982): наличием сложных ферментов - оксидаз, осуществляющих введение одного атома кислорода из его молекулярной формы в концевую группу углеводорода, и наличием в клетках приспособлений, обеспечивающих поглощение гидрофобного нерастворимого в воде субстрата.

Известно, что при участии окислительно-восстановительных ферментов (оксидоредуктаз), в частности каталазы и дегидрогеназы, происходит детоксикация и минерализация углеводородов (УВ) нефти (Киреева, 1995). Каталаза косвенно влияет на этот процесс: в результате расщепления перекиси водорода образуется свободный кислород, который используется аэробными микроорганизмами, участвующими в деструкции нефтяных углеводородов.

Активность каталазы в исследуемой аллювиальной дерновой почве низкая, и но шкале Д.Г. Звягинцева (1978) почва относится к бедной этим ферментом. При нефтяном загрязнении снижается уровень каталазной активности (табл. 3.14). Некоторые авторы отмечают, что внесение в почву небольших количеств нефти значительно увеличивает активность фермента (Исмаилов, 1988), что объясняется увеличением численности У ОМ, а дальнейшее повышение дозы - снижает. В наших исследованиях такой закономерности не отмечено даже на фоне повышения количества У ОМ. Ингибирование этого фермента статистически значимо в варианте с максимальной дозой нефти (15 кг/м') как в начальный период после загрязнения, так и по прошествии трех месяцев (см. табл. 3.14). Через 15 месяцев каталазная активность в варианте со слабой степенью загрязнения приближаегся к контролю, в вариантах с высокой дозой нефти она увеличивается более чем в 2 раза по сравнению с предыдущим сроком, но не достигает значений в незагрязненной почве.

Снижение активности каталазы может быть обусловлено присутствием в нефти серы, меркаптанов, которые являются ингибиторами данного фермента, а также снижением численности аэробных микроорганизмов в почве.

Всем почвенным микроорганизмам, получающим энергию за счет окисления различных субстратов почвы, характерны ферменты дегидрогеназы, которые катализируют реакции дегидрирования органических веществ (углеводы, спирты, карбоновые кислоты, в том числе аминокислоты, гуминовые кислоты и т.д.). Колебания активности почвенных дегидрогеназ наиболее тесно связаны с изменением содержания водорастворимых органических веществ и влажностью почвы. Согласно шкале Д.Г. Звягинцева (1978), в исследуемой аллювиальной дерновой почве поддерживается высокий уровень дегидрогеназной активности. Возможно, высокая активность дегидрогеназы и низкая - каталазы объясняется повышенной влажностью в гумусовом горизонте незагрязненной аллювиальной дерновой почвы.

Таблица 3.14

Влияние нефти на ферментатативную активность почвы (п = 3)

Доза

нефти

(кг/м2)

Активность ферментов*

Каталаза, мл 02/(г почвы в мин)

Дегидрогеназа, мг формазана /

10 г почвы за 24 часа

Полифенолкси- даза, мг 1,4-п бензохинона на 10 г почвы за 30 мин

Псроксидаза, мг 1,4-п бензохинона на 10 г почвы за 30 мин

М±ш | V,%

М±ш | V,%

М±ш | V,%

М±ш | V,%

3 дня

Контроль

(0)

1,40±

7,14

15,40±0,15

1,72

0,24±0,01

4,17

3,13±0,03

1,84

2,5

1,30±

7,69

15,47±0,24

2,69

0,36±0,01

2,78

2,47±0,03

2,34

5

1,00±

0.00

8,33±0,18

3,67

0,30±0,01

3,33

2,73±0,07

4,22

10

0,40±

7.50

8,37±0,09

1,83

0,69±0,01

2,20

2.03±0,03

2,84

15

0,33±

8,66

5,87±0,03

0,98

0.22±0,00

2,66

2.10±0.06

4.76

90 дней

Контроль

(0)

!,30±

3,85

10,53±0,15

2,39

0,26±0,01

3,85

3,25±0,03

1,54

2,5

1,17±

2,47

12,17±0,12

1.71

0,39±0,00

1,47

1,97±0,07

5,87

5

!,10±

0.00

12,67±0,12

1.64

0,28±0,01

4,17

2,70±0.06

3,70

10

0,53±

5.41

11,93±0,09

1,28

0,84±0,00

0,69

1,33±0.03

4.33

15

0,60±

8,33

9,12±0,14

2,71

0,43±0,00

1,33

1,23±0,03

4,68

?5 месяцев

Контроль

(0)

2,30±

3,58

21,04±0,14

1,51

1,01 ±0,01

1,74

2,26±0,04

2,12

2,5

2,10±

2.46

10,10±0,12

2,43

0,70±0,03

3,25

1,95±0,03

1,82

5

1,80±

1,30

11,20±0,10

1,64

0,66±0,01

2,16

1,84±0,01

1.64

10

1,40±

4.12

8,90±0,10

1,85

0,53±0,01

2,53

1,21 ±0,01

1,89

15

1,40±

3,72

13,20±0,12

1,79

0,42±0,00

0,64

1,91 ±0,02

2,46

В модельном эксперименте через три дня после загрязнения почвы активность дегидрогеназы в варианте с минимальной дозой внесения нефти незначительно увеличилась, повышение дозы до 15 кг/м2 привело к статистически значимому снижению ее активности (более чем в 2,5 раза). По истечении грех месяцев активность дегидрогеназы в вариантах с 2,5-10 кг/м' нефти была выше, а в варианте с максимальной степенью загрязнения оставалась ниже, чем в контроле. Расчет множественных сравнений по методу Краскела-Уоллиса показал, что в этом сроке статистически значимые различия отмечаются между вариантом с дозой нефти 5 и 15 кг/м'. Через 15 месяцев уровень активности фермента в варианте с максимальной дозой нефти был выше, чем в остальных вариантах, но ниже, чем в контроле (рис. 3.10). Такое поведение данного фермента обусловлено его устойчивостью к слабому нефтяному загрязнению и наличием доступных субстратов дегидрирования. При высоких дозах нефти активность дегидрогеназы повышается с увеличением численности углеводородокисляющих микроорганизмов.

Активность окислительно-восстановительных ферментов в почве, загрязненной различными дозами нефти. Условные обозначения

Рис. 3.10. Активность окислительно-восстановительных ферментов в почве, загрязненной различными дозами нефти. Условные обозначения:

К - каталаза, ДГ - дегидрогеназа, ПФО - полифенолоксидаза, ПО - пероксидаза

Ферменты полифенолоксидаза (ПФО) и пероксидаза (ПО) играют важную роль в процессах гумификации, разлагают различные ксенобиотики, участвуют в многостадийных процессах разрушения органических соединений ароматического ряда.

Пероксидаза осуществляет окисление органических веществ почвы (фенолов, аминов, некоторых гетероциклических соединений). Основным источником обогащения почвы нероксидазой являются корни растений (Петерсон, Периг, 1984). Полифенолоксидазы участвуют в превращении органических соединений ароматического ряда в компоненты гумуса. Они катализируют окисление фенолов (моно-, ди-, три-) до хинонов в присутствии кислорода воздуха (Pint! et. al., 1994). Установлено, что гумификация органических веществ сопровождается проявлением высокой активности ПФО и ПО. Известно, что наличие более переработанного органического вещества в почвах вызывает увеличение активности нероксидазы, а при возрастании степени минерализации снижается активность полифенолоксидазы.

В начальный период после загрязнения почвы нефтью активность пероксидазы но сравнению с контролем снижалась. Статистически значимое влияние на активность данного фермента оказали высокие дозы нефти (10 и 15 кг/м2). После трех месяцев воздействия нефти на почву происходило еще большее снижение активности пероксидазы, и даже через 15 месяцев ее значения не достигали величины контрольного варианта.

Полученные в ходе эксперимента данные свидетельствуют о повышении активности нолифенолоксидазы во всех вариантах с нефтью на протяжении грех месяцев взаимодействия с загрязнителем. Наибольшая активность данного фермента отмечается в варианте с дозой нефти 10 кг/м2. Множественные сравнения по- казали статистически значимые отличия вариантов с 10 и 15 кг/м' нефти. По-видимому, доза нефти 10 кг/м" является критической для этого фермента, и при увеличении степени загрязнения происходит резкое снижение его активности. По истечении 15 месяцев активность нолифенолоксидазы в вариантах с высокой дозой нефти оставалась ниже, чем в контрольном варианте, и но результатам дисперсионного анализа отличия являлись статистически значимыми.

Таким образом, в ходе полевого модельного эксперимента установлено, что при нефтяном загрязнении аллювиальной почвы наряду с подавлением микроорганизмов, участвующих в разложении азотсодержащих соединений, происходит снижение каталазной и нероксидазной активности. В то же время увеличивается численность углеводородокисляющих микроорганизмов и повышается активность дегидрогеназы и особенно нолифенолоксидазы, что указывает' на интенсификацию процессов дегидрирования углеводородов и окисления фенольных соединений в почве. Можно предположить, что по сравнению с другими данные ферменты наиболее устойчивы при нефтяном загрязнении и способны участвовать в деструкции углеводородов нефти.

Исследованиями различных авторов установлено, что активность почвенных ферментов может служить дополнительным диагностическим показателем почвенного плодородия и его изменения в результате антропогенного воздействия. Применению ферментативной активности в качестве диагностического показателя способствуют низкая ошибка опытов (не более 5-8%) и высокая устойчивость ферментов при хранении образцов. Установлено также, что загрязнение нефтью и нефтепродуктами оказывает существенное влияние на ферментативную активность почв. Выявлено неоднозначное воздействие нефти и нефтепродуктов на активность почвенных ферментов. В зависимости от вида и дозы загрязнителя, типа почвы, природных условий, группы почвенных ферментов, продолжительности загрязнения ферментативная активность почв может, как усиливаться, так и ослабевать.

Ингибирующее действие нефти и нефтепродуктов на активность почвенных ферментов объясняют различными причинами:

  • 1. Содержанием в нефти тяжелых металлов (Колесников и др., 2000). Тяжелые металлы могут как оказывать прямое ингибирующее действие на ферменты, изменяя их сродство к субстрату, гак и снижать численность и нарушать структуру почвенных микроорганизмов, уменьшая производство ферментов. Кроме того, ионы тяжелых металлов (например, меди) способны переводить ферменты из сорбированного состояния в водорастворимое состояние, что снижает скорость реакции. Установлено, что тяжелые металлы более токсичны, чем углеводороды.
  • 2. Обволакиванием почвенных частиц нефтяными углеводородами. Эго препятствует взаимодействию ферментов с субстратом, а также иммобилизации ферментов на их носителях, например, на гумусовых кислотах.
  • 3. Присутствием ароматических углеводородов, в частности фенолов.
  • 4. Воздействием окисленных продуктов некоторых углеводородов. При длительном загрязнении почвы нефтью в ней накапливаются продукты окисления углеводородов, такие как гексадецило- вый спирт, пальмитиновая, бензойная, салициловая кислоты и др., оказывающие токсическое воздействие на почвенную биоту и активность ферментов.
  • 5. Значительным увеличением соотношения С:14, что обусловлено ростом содержания общего углерода при попадании углеводородов в почву.

Детальные исследования влияния загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами на активность основных групп почвенных ферментов проведены Н.А. Киреевой с соавторами (2002). Установлено неоднозначное влияние загрязнения на азотный, фосфорный, углеродный и серный обмены. Разложение нефтяных углеводородов в почве происходит при обязательном участии оксидоредуктаз. Установлена высокая чувствительность к загрязнению этой группы ферментов: каталазы в большей степени, чем дегидрогеназы. Установлена прямая зависимость между активностью оксидоредуктаз и скоростью разложения углеводородов. Активность каталазы оценивают как устойчивый показатель и рекомендуют к широкому использованию для энзимологической диагностики состояния загрязненных почв и изменения окислительно-восстановительных условий. Наиболее устойчивы к нефтяному загрязнению почвенные ферменты, трансформирующие вещества ароматической природы - полифенолоксидаза и иероксидаза.

Четкая зависимость снижения активности ферментов от степени загрязнения почвы нефтью отмечена для карбогидраз. Карбо- гидразы - ферменты, расщепляющие углеводы различной химической природы и происхождения (инвертаза, целлюлаза, амилаза, ксиланаза и др.), - являются хорошими показателями биологической активности почвы. Наиболее полно из них исследована инвертаза. Ее активность часто предлагают использовать как показатель степени окультуренности, эродированное™, загрязненности почвы, пригодности почв для заселения растениями. Целлюлазная (целлюлозоразрущающая) активность также имеет огромное значение в круговороте углерода в природе и может служить показателем биологической активности, в частности, интенсивности превращения лабильной фракции органического вещества почвы.

Установлено негативное влияние нефтяного загрязнения на углеродный обмен - замедляется разложение растительных остатков, нарушается азотный режим вследствие подавления нитрификации и азогфиксации, что приводит к азотному голоданию, изменяется интенсивность дыхания почвы.

Почва, являясь центральным звеном биологического круговорота, выполняет ведущую роль в функционировании любой наземной экосистемы. Наиболее важными для устойчивости экосистем параметрами почвы являются ее плодородие, буферность по отношению к неблагоприятным воздействиям, а также биопро- текторная функция - способность к иммобилизации и инактивации ксенобиотиков, поступающих в почвенный профиль. Известно, что в наибольшей степени эти параметры регулируются органическим веществом почв и в особенности гумусовыми веществами как наиболее динамичной и химически активной субстанцией почвы. Антропогенное воздействие приводит к существенным изменениям состава, свойств почв и отражается на главном их качестве - плодородии, которое тесно связано с процессами синтеза и трансформации органического вещества (Блохина, Середина, 2009).

Исследования группового и фракционного состава гумуса на территории месторождений углеводородного сырья свидетельствуют о том, что одним из основных диагностических признаков загрязнения почв нефтью служит увеличение содержания в них углерода (особенно в верхних горизонтах) за счет органических веществ нефтяного происхождения. В условиях повышенной влажности и невысокой микробиологической активности, вероятно, идет слабое разложение в почвах наиболее устойчивых фракций нефти и нефтепродуктов.

В нолевом модельном эксперименте с искусственным зафязне- нием аллювиальной дерновой почвы нефтью отмечено увеличение общего количества органического углерода: с 2,69% (контроль) до 4,98% в варианте с максимальной дозой нефти (табл. 3.15).

Уровень повышения содержания углерода в гехногенно зафязнен- ных почвах зависит от состава самой нефти. Р.К. Андресон с соавторами (1980), отмечаег, что при зафязнении почвы неф тью, имеющей высокую плотность, с большим содержанием тяжелых фракций, происходит сильное повышение общего углерода в почве. В данном эксперименте значения этого показателя увеличились не столь значительно, поскольку использовалась товарная нефть с очень низкой плотностью (0,8134 г/см3), высоким содержанием бензино-керосиновых фракций.

Таблица 3.15

Изменение фракционно-группового состава гумуса под влиянием нефтяного загрязнения

Доза нефти (кг/м2)

Соб,„,%

Фракции ГК, % к

Фракции ФК, % к Совщ

Нерастворимый

остаток,

/о К Собщ

Сгк*:

Сфк

1

2

3

Сумма

1

2

3

Сумма

10 дней

Контроль (0)

2.69

9,86

10,82

2.16

22.84

4,91

22.43

3,38

2,11

32,83

44,33

0,70

2.5

3,02

8,83

10.56

2,89

22,28

3,19

21,81

3.33

2,09

30,42

47,30

0,73

5

3.53

6,80

8.83

2,22

17,85

2,68

18,57

1.96

1,46

24.67

57.48

0.72

10

4.16

5,95

6,80

2,50

15.25

2,28

16,05

1.17

1,20

20,70

64.05

0.74

15

4.98

3,24

5,95

2,27

11,46

1.74

14.03

1.00

1.31

18,08

70.46

0.63

90 дней

Контроль (0)

2,73

10.26

11,91

2,14

24,31

3,86

22,13

3.92

2,18

32,19

43,50

0,75

2.5

2,88

8,72

9,62

2,95

21.29

3.29

21,68

2,08

2,31

29,36

49,35

0,72

5

3.21

7,21

9,96

2,05

19,22

3,62

18,72

3,80

1,17

27,31

53,47

0.70

10

3,80

5,53

8,79

2,20

16,52

2.92

16,18

3,24

1,28

23,62

59,86

0.70

15

4,60

5,01

6.86

1.78

13,65

2,25

13.31

1,24

1,09

17,89

68.46

0.76

15 месяцев

Контроль (0)

2,69

10.06

12,25

1.64

23.95

4,43

22,08

3,37

1,89

31,77

44,28

0,70

2.5

2,80

9,46

10,45

1.42

21.33

3,95

20.39

3.19

2,13

29,66

49.01

0,72

5

3,02

8,54

10,27

2,08

20,89

3,51

18,34

3,80

1,93

27,58

51,53

0.76

10

3,45

6,18

10,05

1.40

17.63

3,20

14.90

3.34

1,79

23.23

59,14

0.76

15

4,10

5,48

9,45

1.28

16.21

2,91

11,12

2,99

2,06

19,08

64.71

0,85

По данным дисперсионного анализа, влияние фактора «варианты опыта» отмечается во все сроки наблюдения. Анализ множественных сравнений позволил установить, что по содержанию общего углерода варианты с внесением нефти в дозе 10 и 15 кг/м2 статистически значимо (р < 0,05) отличаются от контрольного варианта, а вариант с 2,5 кг/м2, от варианта с 15 кг/м2 нефти (табл. 3.16).

Аллювиальная дерновая почва в естественном состоянии (контроль) содержит 4,64% гумуса гуматно-фульватного типа. Во фракционном составе гумуса среди гуминовых кислот незначительно преобладает фракция 2, связанная с кальцием (ГК-2), а среди фульвокислот - фракция 1 (ФК-1) (см. табл. 3.15).

Состав гумуса является одним из консервативных параметров, поскольку мало подвержен изменениям с течением времени (Дер- гачева М.И., 1989), однако усиливающееся в последнее время техногенное давление на почвы воздействует и на такие, казалось бы, устойчивые характеристики почвы.

Это подтверждают и наши исследования, свидегельствуя о том, что уже через 10 дней после загрязнения нефтью отмечаются значительные изменения во фракционно-групповом составе гумуса аллювиальной дерновой почвы. В частности, повышается содержание негидролизуемого остатка (НО) (в варианте с максимальной дозой нефти (15 кг/м") оно увеличивается более чем на 25% по сравнению с контролем); снижается сумма гуминовых и фульвокислот (см. табл. 3.15).

Таблица 3.16

Среднестатистические показатели изменения содержания углерода в почве под влиянием нефтяного загрязнения (и = 6)

Доза нефти (кг/м2)

Сроки опыта

10 дней

3 месяца

15 месяцев

М±ш

V, %

М±т

У,%

М±т

V, %

0

2,69±0,06

5,77

2,73±0,06

5,18

2,69±0,03

2,54

2.5

3,02±0,09

7,04

2,88±0,08

6,87

2,80±0,04

3,27

5

3,53±0,05

3,33

3,21±0,10

7,44

3,02±0,11

8,94

10

4,16±0,10

6,14

3,81±0,04

2,75

3,45±0,03

1,99

15

4,98±0,16

7,83

4,60±0,10

5,44

4,10±0,05

2,96

Как известно (Baoshan Xing, 2000), гидрофобные органические загрязнители, в частности полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), могут сорбироваться в почвенном органическом веществе. Известна способность гумусовых веществ сорбировать отдельные чужеродные молекулы (Khan, Schnitzer, 1972) или с помощью химических реакций прочно связывать окисленные нефтяные компоненты (Bollag, 1983). Возможно, с этим связано увеличение содержания негидролизуемой части гумуса и снижение гидролизуемых фракций.

Определенные закономерности выявлены и во фракционном составе гумуса: под воздействием нефти снижается содержание «свободных» гуминовых кислот (ГК-1), увеличивается содержание гу- миновых кислот, связанных с кальцием (ГК-2), и прочно связанных гуминовых кислот (ГК-3) относительно суммы ГК (рис. 3.11). Некоторые авторы (Orlova, Bakina, 1997) не исключают возможность вхождения компонентов нефти в состав гуминовых кислот, однако исследования А.А. Степанова и А.А. Купряшкина (2004) свидетельствуют о том, что непосредственного их присоединения к молекулам гуминовых кислот не происходит. Не исключено, что относительное обогащение гумуса фракциями ГК-2 и ГК-3 происходит в результате включения в состав гуминовых кислот продуктов расщепления алифатических компонентов нефти под воздействием почвенной биоты, что подтверждается повышением акгивности некоторых ферментов, участвующих в процессах гумификации.

В загрязненной почве происходит перегруппировка катионов ППК и может' увеличиваться содержание кальция, что приводит к повышению фракции 2 гуминовых кислот. При уменьшении лабильной части гуминовых кислот гумус почвы становится более инертным. Возможно, нефть также способствует закреплению гуминовых кислот глинистыми минералами почвы.

Установлено, что иод влиянием нефти изменяется величина отношения СпоСфк, однако тин гумуса остается гуматно- фульватным. В начальный период в варианте с максимальной дозой нефти отмечается некоторое сужение отношения С| К:СфК, что указывает на повышение доли фульвокислот в составе гумуса. В группе фульвокислот увеличивается содержание фракции 1, связанной с полуторными оксидами (ФК-1), и снижается содержание фракции 2, связанной с кальцием (ФК-2). Во всех вариантах с загрязнением нефтью через три месяца после начала эксперимента величина негидролизуемого остатка снижается, происходит изменение относительного содержания фракций гуминовых и фульво- кислог (см. табл. 3.15). В вариантах, загрязненных средними дозами нефти, по сравнению с контролем увеличивается содержание ФК-2 относительно суммы фракций фульвокислот. В этот период наблюдается активизация биохимических процессов окисления фенольных соединений в почве, что может указывать на усиление темпов синтеза гумуса.

Изменение соотношения фракций гуминовых кислот под влиянием нефти. Условные обозначения

Рис. 3.11. Изменение соотношения фракций гуминовых кислот под влиянием нефти. Условные обозначения: а - контроль (без нефти);

6 - вариант с внесением 15 кг/м' нефти, ГК-1 - «свободные» гуминовые кислоты;

ГК-2 - связанные с кальцием; ГК-3 - прочно связанные гуминовые кислоты

(в % от суммы ГК)

С течением времени в загрязненных вариантах наблюдается снижение содержания общего углерода, что связано с уменьшением доли летучих компонентов в составе нефти, а также активной деструкцией углеводородов почвенной микрофлорой. Так, через 15 месяцев в варианте с максимальной дозой нефти общее содержание углерода снизилось с 5,0 до 4,1%. В вариантах с 2,5 и 5 кг/м2

нефти содержание фракций ГК-1 и ГК-2 приближается к контрольным значениям. В этот период отмечается некоторое расширение отношения Сгк:Сфк, снижается доля фракции 1 и увеличивается содержание фракции 2 фульвокислот. При загрязнении почвы неф тью в дозе от 5 до 15 кг/м" степень гумификации органического вещества снижается от среднего уровня (в контроле) до слабого.

Данные М.И. Кахагкиной (Славнина и др., 1989) также свидетельствуют о том, что под влиянием нефти существенно повышается в составе гумуса почв относительное содержание углерода и азота в нерастворимом остатке, что влияет на снижение содержания этих элементов в гумусовых кислотах. В аллювиальных почвах (луговых и лугово-болотных) как загрязненных, так и незагрязненных нефтью, качественный состав гумуса, если судить по отношению Сгк^Сфк, слабо изменяется. Тем не менее, при загрязнении этих почв нефтью происходит перестройка фракционной структуры гумуса. В загрязненных нефтью почвах особенно резко убывает' или исчезает- фракция 2 гуминовых и фульвокислот, связанных обменно с кальцием. Уменьшается в загрязненных почвах и степень гумификации органического вещества. Следует отметить также, что как в фоновых, гак и в нефтезагрязненных почвах выявлено присутствие пигмента Pg в гуминовых кислотах после их декальцирования. Доля его заметно возрастает в гуминовых кислотах, выделенных из загрязненных ггочв, что объясняется усилением в таких почвах восстановительных процессов.

Таким образом, очевидно, что нефтяное загрязнение нарушает цикл превращения орг анических веществ в почве вследствие подавления жизнедеятельности определенных групп микроорганизмов, воздействует' на ферментативую активность, приводит к изменению гумусного состояния почв.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >