УДК 631.461.63

ВЛИЯНИЕ НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ НА МИКРОБИОЛОГИЧЕСКУЮ АКТИВНОСТЬ ЧЕРНОЗЕМОВ СТЕПНОЙ ЗОНЫ ПРЕДУРАЛЬЯ

 

Т.С. Шорина, А.И. Торопчина

Оренбургский государственный университет Россия, г. Оренбург, Этот адрес электронной почты защищён от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра.

 

В статье раскрывается вопрос изменения микробиологического состава почв, подверженных нефтяному загрязнению. Выявлено, что наиболее достоверным индикатором устойчивости почв к антропогенным воздействиям служит микробиологическая активности почв, которая реагирует на поступление загрязнителя увеличением численности углеводородокисляющих микроорганизмов, использующих нефть в качестве дополнительного источника углерода.

The article discloses the changes of microbial composition of soils exposed to oil pollution. It was found that the most reliable the indicator of stability of soils to anthropogenic impacts serves microbiological activity of soil, which reacts on the pollutant increase in the hydrocarbon- oxidative microorganisms of using oil as an additional source of carbon.

Антропогенная деградация почв в районах добычи, транспортировки и переработки нефти часто связана с загрязнением нефтью и нефтепродуктами, относящимися к приоритетным загрязнителям биосферы. На сегодняшний день это загрязнение является экологической проблемой мирового масштаба. Ежегодно на территории Российской Федерации на месторождениях нефти случаются тысячи аварий и порывов нефтепроводов в зонах их транспортировки. При этом наблюдаются существенное снижение продуктивности почв, глубокие изменения их химических и физических свойств, ухудшение экологического состояния и функций в биосфере, что сопряжено с выводом из сельскохозяйственного оборота значительной части агроландшафтов. Перечисленные явления наблюдаются и на территории степной зоны Оренбургского Предуралья, в пределах которой находится ряд крупных месторождений нефти и газового конденсата [1,2]. Из множества диагностических признаков, определяющих степень влияния нефти на почвенную экосистему, таких как, запас гумуса, емкость катионного обмена, мощность гумусового горизонта, количество питательных элементов, наиболее достоверным индикатором, индексом или показателем устойчивости почв к антропогенным воздействиям служит микробиологическая активности почв, которая являются лабильным признаком, реагирующим на незначительные концентрации нефти [3-5].

Объектом исследования послужили пахотные черноземы степной зоны Предуралья, расположенные в ряду географической зональности: черноземы типичные, черноземы обыкновенные, черноземы южные. Модельный эксперимент в лабораторных условиях проводился с почвенными образцами, отобранными из верхнего слоя - 0-30 см и загрязненными товарной нефтью из расчета ее концентраций 1, 5, 10 и 15% от массы почвы. Полевой эксперимент проводился на распаханном участке чернозема обыкновенного, в результате которого закладывались опытные площадки размером 1*1м2, загрязненные такими же концентрациями нефти. Лабораторно-аналитические исследования проводили с использованием общепринятых в почвоведении и микробиологии методов.

В ходе проведения лабораторного эксперимента было установлено, что критическая доза нефти для почвенной микрофлоры различна в зависимости от подтипа почвы и времени отбора проб. Для выявления наиболее чувствительных и информативных микробиологических показателей мы определяли количество микроорганизмов на разных питательных средах, что дало следующие результаты.

На гетеротрофные микроорганизмы, культивированные на мясопептонном агаре (МПА), нефть оказывает прямое отрицательное воздействие. Численность гетеротрофов снижается на 80-90% при максимальном загрязнении (15%) в исследуемом концентрационном диапазоне. Наблюдается отрицательная корреляция между концентрацией нефти и численностью микроорганизмов, при этом коэффициент корреляции r = -0,69 при p = 0,005 (на третьи сутки после загрязнения) и r = -0,55 при p = 0,033 (на шестой месяц после загрязнения).

Численность олиготрофных микроорганизмов, являющихся наиболее типичными обитателями почвенной экосистемы черноземной зоны, так же снижается по мере увеличения концентрации нефти на третьи сутки и один один месяц после загрязнения (r = -0,76 при p = 0.001 и r = -0,53 при p = 0,042 соответственно), чего мы не наблюдаем на третий и шестой месяц отбора почвенных проб. На третий месяц инкубации в черноземе типичном происходит рост численности микроорганизмов с 26,9 до 39,7 млн/г при концентрации нефти 5%. В черноземе обыкновенном и южном доза нефти - 1% увеличивает численность олиготрофов с 28,6 до 35,7 млн/г и с 26,7 до 29,1 млн/г соответственно. На шестом месяце отбора почвенных проб в черноземе обыкновенном наблюдается увеличение численности олиготрофных микроорганизмов при 5%-ом загрязнении с 28,1 до 37,3 млн/г, то есть наблюдается сдвиг критической дозы нефти, чего не происходит в черноземе южном, где численность микроорганизмов возрастает только при 1%-ом загрязнении почвы нефтью.

Тенденция увеличения численности микроорганизмов в нефтезагрязненных почвах со временем, вероятно, связана с их адаптацией к изменившимся условиям среды и частичной деградацией нефти в почве с течением времени. При этом невысокие дозы нефти вызывают увеличение численности олиготрофов. Критической дозой нефти, при которой численность микроорганизмов достоверно ниже контрольного значения, следует считать ее 10% концентрацию в черноземе типичном и обыкновенном и 5% - в черноземе южном.

Численность углеводородокисляющих микроорганизмов (У ОМ), которые используют в качестве источника питания углерод нефти, уже на третьи сутки увеличивается при концентрации нефти 1% и 5%. Спустя месяц после внесения загрязнителя наблюдается увеличение их численности по мере возрастания концентрации нефти. Исключением является 15%-ое загрязнение, при котором происходит снижение численности УОМ в черноземе обыкновенном и южном.

Через 3 месяца после внесения нефти численность УОМ во всех исследуемых подтипах чернозема даже при 15%-ом загрязнении превышает их численность в контрольном образце почв (рис. 1). Наблюдается положительная корреляция между численностью углеводородокисляющих микроорганизмов и концентрацией загрязнителя, при этом коэффициент корреляции r колеблется от 0,72 до 0,85 при p < 0,05 для разных подтипов чернозема и в разные сроки отбора почвенных проб.

Рисунок 1. Численность УОМ в нефтезагрязненной почве (модельный опыт).

Общее микробное число (ОМЧ) не находится в прямой зависимости от концентрации нефти. Это может быть связано с тем, что изменение функциональных групп микроорганизмов не приводит к изменению общей их численности вследствие уменьшения видового разнообразия и роста числа наиболее приспособленных и специализированных групп микроорганизмов.

В полевых условиях исследованы изменения численности микроорганизмов в течение двух лет - в 2009 и 2010 гг. Наблюдается смена микробиологического состава как в зависимости от концентрации нефти, так и вниз по почвенному профилю. В верхнем слое незагрязненной почвы 0-10 см преобладали гетеротрофные микроорганизмы или копиотрофы, которые быстро развиваются за счет легко доступных веществ, содержащихся в высоких концентрациях. Их численность составляет 23,7 млн/г и превышает численность остальных групп микроорганизмов. Вниз по почвенному профилю, на глубине 20-30 см, наблюдается преобладание олиготрофных микроорганизмов, способных медленно развиваться за счет разложения более сложных соединений, содержащихся в меньших концентрациях и более устойчивых к стрессам.

При поступлении нефти в почву на третьи сутки (май 2009 г.) наблюдается увеличение численности гетеротрофных организмов в слое 0-10 см с 23,7 до 29,3 млн/г на участке почвы с концентрацией 1% и углеводородокисляющих микроорганизмов в слое 10-20 см при 5%-ом загрязнении с 6,9 до 7,7 млн/г за счет поступления дополнительного источника углерода и не выраженного токсического эффекта (рис. 2). На участках с более высокой концентрацией нефти наблюдается снижение численности основных групп микроорганизмов.

Рисунок 2. Численность микроорганизмов в нефтезагрязненной почве (полевой эксперимент).

В конце вегетационного периода (октябрь 2009 г.) дозы нефти 1% и 5% вызывают рост численности олиготрофных микроорганизмов в среднем на 30-45%, что, по всей видимости, связано с адаптацией почвенной микрофлоры к изменившемся условиям среды. Углерод нефти используется микроорганизмами как дополнительный источник питания, что приводит к запуску многоэтапных механизмов самовосстановления почвы от нефтяного загрязнения. Помимо этого, с течением времени легкие, наиболее токсичные, фракции нефти испаряются, и снижение их отрицательного воздействия при данных концентрациях вызывает рост численности микроорганизмов почвы и нормализации видового состава микроорганизмов. При более высоких концентрациях нефти эти процессы происходят медленнее, так как сильный токсический эффект и неблагоприятные физические свойства почв способствуют угнетению жизнедеятельности микроорганизмов.

Так же изменяется реакция на нефть группы углеводородокисляющих микроорганизмов, содержание которых является важным диагностическим признаком самоочищающейся способности почвы. В слое почвы 0-10 см, в пределах изученных уровней загрязнения, наблюдается линейная зависимость изменения численности УОМ от концентрации нефти, которая имеет уравнение следующего вида: конц. нефти = 6,71 + 0,19*УОМ, r = 0,85 при p = 0,047. В слое 10-30 см сохраняется та же тенденция и по мере увеличения концентрации нефти возрастает численность УОМ. Исключение составляет лишь участок с 1%-ым загрязнением, где численность микроорганизмов не изменяется достоверно, поскольку нефть в такой концентрации не проникает в нижележащие слои, а концентрируется в верхнем слое и не оказывает существенного влияния на почвенную микрофлору.

В начале следующего вегетационного периода (май 2010 г.) картина несколько меняется. Численность всех групп микроорганизмов снижается по сравнению с прошлым годом, как в незагрязненной, так и в загрязненной нефтью почве, что, вероятно, связано с частичным вымыванием нефти в нижележащие слои почвенного профиля за счет таяния снега и осенних дождей. Максимальная численность микроорганизмов (ОМЧ) наблюдается при 5%-ом загрязнении в слое почвы 0-30 см. Здесь незначительная концентрация нефти не оказывает сильного токсического эффекта на гетеротрофные микроорганизмы и стимулирует деятельность олиготрофов и УОМ. При 10% и 15% загрязнении, наоборот, наблюдается снижение численности гетеротрофных микроорганизмов на 50-70%.

На конец вегетационного периода 2010 г. численность УОМ и ОМЧ при 1% и 5%-ом загрязнении приближается к контрольным значениям во всех исследуемых слоях почвы, что свидетельствует о значительном снижении интенсивности процессов детоксикации нефти в почве (рис. 2).

При более высоких концентрациях тенденция увеличения численности УОМ и олиготрофов остается прежней, что является свидетельством продолжения процессов разложения (вплоть до минерализации) нефти в почве.

Список литературы

  1. Шорина Т.С. Использование показателей ферментативной активности для диагностики состояния почв и их мониторинга: материалы II международной научно-практической конференции «Экология биосистем: Проблемы изучения, индикации и прогнозирования» / Т.С. Шорина. - Астрахань: Изд. дом «Астраханский университет», 2009. - С. 106-107.
  2. Узких О.С. Показатели биологического мониторинга при нефтяных загрязнениях почв/ О.С. Узких, Д.М. Хомяков // Экология и промышленность России. - 2009. - № 5. - С. 32-35.
  3. Marge sin R. Zimmerbauer A., Schinner F. Monitoring of bioremediation by soil biological activities / R. Margesin, A. Zimmerbauer, F. Schinner// Chemosphere. - 2000. - V. 40. - P. 339-346.
  4. Щербаков А.П. Характеристика биологической активности черноземов центрально­черноземной зоны / А.П. Щербаков, Н.Я. Кутова, Т.А. Девятова // Агроэкологические принципы земледелия: сб. ст. - М.: Наука, 1993. - С. 197-219.
  5. Тыныбаева Т.Г. Мониторинг загрязнения соровых солончаков и насыпных грунтов нефтяными углеводородами на месторождении Северные Бузачи (Казахстан) / Т.Г. Тыныбаева, А.В. Кураков // Доклады по экологическому почвоведению. - 2006. - Вып. 3. Раздел: Экология почв. -№3. -С. 63-74.

Для того чтобы оставить комментарий вы должны авторизоваться на сайте! Вы также можете воспользоваться своим аккаунтом вКонтакте для входа!