Экологическая оценка нетрадиционных удобрений по реакциям тест-организмов

УДК 574:630*232.322.43

ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА НЕТРАДИЦИОННЫХ УДОБРЕНИЙ ПО РЕАКЦИЯМ ТЕСТ-ОРГАНИЗМОВ

© Т.Х. Гордеева, О.В. Малюта

Ключевые слова: биотестирование; тест-организмы; тест-система; нетрадиционные мелиоранты; рекультивация. Использование многокомпонентной тест-системы, включающей продуценты: высшие растения (редис посевной, горох посевной, микроводоросли хлорелла); консументы: рачки дафнии; редуценты: люминесцентные бактерии в составе препарата «Эколюм», а также некоторых параметров биологической активности почвы, позволило оценить экологическую безопасность и мелиоративную ценность ряда нетрадиционных удобрений. Использование донных отложений в качестве почвенного мелиоранта представляется целесообразным.

ВВЕДЕНИЕ

Деградация почв, обусловленная как природными, так и антропогенными факторами, - глобальная экологическая проблема, одним из путей решения которой является использование нетрадиционных почвенных мелиорантов, созданных на основе отходов различных производств. Однако ограничивающим фактором их применения иногда является токсичность.

Целью данной работы является оценка возможной токсичности нетрадиционных мелиорантов по реакции различных тест-организмов.

МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЙ

Полевые и лабораторные исследования проводились в период 2010-2013 гг.

Полевой эксперимент была заложен на территории песчаного карьера, подлежащего рекультивации, в Ку-ярском лесничестве Республики Марий Эл. Физикохимические параметры почв характеризовались следующими показателями: рНКа - 4,71; гумус - 0,72 %; сумма поглощенных оснований - 0,7 мг-экв./100 г почвы; подвижный фосфор - 1,2 мг/100 г; подвижный калий - 1,7 мг/100 г почвы. В качестве мелиорантов использовали компост на основе осадков сточных вод очистных сооружений в смеси с опилками (ОСВ ОСК г. Йошкар-Олы + хвойно-лиственный опил в соотношении 1,4:1 по массе сухого вещества), срок компостирования 3 и 5 лет (НОУ-3, НОУ-5), и донные отложения (ДО). Нетрадиционные удобрения вносили в почву в дозе: НОУ-3, НОУ-5 - 120 т/га; ДО - 120 т/га и 60 т/га. Повторность опыта трехкратная. Параметры биологической активности и возможную токсичность мелиорированной почвы оценивали через 3 месяца, 1-3 года после внесения мелирантов.

Лабораторные исследования проводили в лаборатории «Биотестирования отходов и объектов окружающей среды» с использованием оборудования ЦКП ЭБЭЭ Поволжского государственного технологического университета. Для определения класса опасности органических отходов использовали водные вытяжки из осадков сточных вод и донных отложений.

Отбор и подготовку проб проводили согласно ГОСТ [1]. Для определения степени возможной токсичности нетрадиционных удобрений и мелиорированных ими почв применяли биотестирование с использованием стандартизованных тест-культур различных трофических уровней: продуценты - высшие растения - редис посевной (Raphanus sativus L. var. Radícula Pers.) сорт «Красный с белым кончиком», горох посевной (Pisum sativum L.) сорт «Труженик» [2]; микроводоросли -хлорелла (Chlorella vulgaris Beijer) [3]; консументы -рачки дафнии (Daphnia magna Straus) [4]; редуценты -люминесцентные бактерии Escherichia coli в составе препарата «Эколюм» [5] и азотобактер, кроме этого оценивали некоторые параметры биологической активности почвы, обусловленные деятельностью почвенной микробиоты. Определение класса опасности органических отходов проводили согласно методикам определения токсичности водных вытяжек из осадков сточных вод и донных отложений. Частоту встречаемости азотобактера определяли на среде Эшби методом обрастания комочков почвы [6].

Целлюлозоразрушающую активность почвы определяли в полевых условиях аппликационным методом [7], аммонифицирующую активность оценивали в лабораторных условиях в соответствии с методикой Т. В. Аристовской [8]. Расчет индекса токсичности оцениваемого фактора (ИТФ) проводили по формуле:

ИТФ = ТФ0 / Тфк ,

где ТФ0 - значение регистрируемой тест-функции в опыте; Тфк - в контроле. Величина ИТФ изменяется от 0 до М, где М - любая положительная величина. Для формализации процедуры сравнения полученных данных использовали шкалу, состоящую из шести клас-ссов токсичности [2].

Статистическую обработку полученных данных проводили с использованием пакета программ Statistica 6.0.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В ходе биотестирования с использованием тест-организмов по аттестованным методикам установлено,

что токсичное действие исследуемых мелиорантов (НОУ-3 и НОУ-5) проявлялось только в отношении одного тест-организма - микроводоросли Chlorella vulgaris. Величина оптической плотности культуры микроводорослей в вытяжке из НОУ-5 снижается в 2 раза по сравнению с контролем, в вытяжке из НОУ-3 -в 2,6 раза. Донные отложения токсического воздействия ни на один из тест-организмов не оказывали. По результатам биотестирования нетрадиционные удобрения НОУ-3 и НОУ-5 были отнесены к 4 классу опасности.

Фитотоксичное действие почвы, мелиорированной нетрадиционными удобрениями, проявлялось в ингибировании роста подземной части проростков редиса (табл. 1) и энергии прорастания семян гороха посевного. Максимальная энергия прорастания в вариантах с мелиорантами наблюдается в опыте с донными отложениями - 86,7 %, минимальная - в опыте с НОУ-3 -65,1 %; энергия прорастания семян гороха в варианте с НОУ-5 составила 73,3 % (НСР05 = 14,81). Снижение исследуемого параметра в варианте с НОУ-3 по сравнению с контролем (96,9 %) составило более 30 %.

Анализ динамики параметров биологической активности показал, что через два года после внесения мелиорантов снижается целлюлозоразрушающая активность почвы, модифицированной нетрадиционными органическими удобрениями на основе осадков сточных вод. Донные отложения стимулируют процесс разложения целлюлозы, при этом степень воздействия зависит от дозы.

В почве, мелиорированной нетрадиционными органическими удобрениями, достоверно увеличивается аммонифицирующая активность почвы. Через два года после внесения мелиорантов значение данного показателя снижается, но остается на уровне контроля, достоверно выше оказываются значения только в вариантах опыта с донными отложениями (табл. 2).

Процесс азотфиксации зависит от многих факторов: от наличия микроэлементов, кислотности, влажности и др.; этим объясняется его нестабильность. К числу свободноживущих азотфиксаторов относятся бактерии рода Azotobacter, наличие которых является индикатором благоприятных свойств почвы. Установлено снижение численности азотобактера в почве с внесением осадков сточных вод. Более благоприятный режим для развития микроорганизмов данной группы складывается при использовании донных отложений. Согласно данным Ме ОгаШ [9], почвенные процессы, осуществляемые широким спектром разнообразных микроорганизмов, не подвержены значительному воздействию умеренных количеств таких токсичных соединений, как тяжелые металлы. Такие процессы, как азотфикса-ция, возбудителями которых являются более узкие группы микроорганизмов, наиболее чувствительные к неблагоприятному воздействию. Поэтому указанный параметр может быть полезным показателем в системе почвенного мониторинга.

Исследование мелиорированных почв на возможную токсичность проводили ежегодно. В связи с тем, что люминесцентные микроорганизмы оказались наименее чувствительными тест-организмами, биотестирование в дальнейшем проводили только с использованием дафний и микроводорослей.

Биотестирование мелиорированной почвы через год после внесения нетрадиционных удобрений выявило наличие слабой токсичности в отношении тест-организмов, исключение составляли почвы, мелиорированные донными отложениями в дозе 60 т/га. Наиболее чувствительным тест-организмом оказались микроводоросли хлорелла. Через два года слабая токсичность отмечается только в варианте опыта с НОУ-3 к дафниям (табл. 3).

Таблица 1

Влияние нетрадиционных удобрений на энергию прорастания и биометрические показатели проростков редиса

Вариант опыта Контрольные параметры

Энергия прорастания, % ИТФ! Длина корня, см ИТФ2 Длина гипокотиля, см ИТФ3 ИТФср

НОУ-5 96,30 1,05 2,90 0,64 1,24 0,82 0,82

НОУ-3 95,00 1,04 3,70 0,81 1,14 0,86 0,86

ДО 81,40 0,89 3,40 0,75 1,41 0,90 0,84

Контроль 91,30 4,50 1,56

Таблица 2

Динамика параметров биологической активности почвы

Вариант опыта Целлюлозоразрушающая активность почвы, % (актуальная) НСР05 Аммонифицирующая активность (потенциальная), рН возд. среды НСР05

2010 г. 2011 г. 2012 г. 2010 г. 2011 г. 2012 г.

НОУ-5 44,05 48,84 10,80 4,01 7,50 9,67 5,67 1,23

НОУ-3 34,82 40,76 12,50 11,75 7,83 9,83 5,00 0,62

ДО, 120 т/га 40,10 52,62 32,30 7,42 7,67 11,00 6,83 1,61

ДО, 60 т/га 35,00 45,25 20,40 2,86 7,30 8,16 5,83 _ *

Контроль 27,67 32,81 19,50 2,34 6,67 7,35 5,25 _ *

НСР05 14,94 12,86 4,94 0,72 0,75 0,50

Примечание: * - различия на 5 %-ном уровне значимости не достоверны.

Таблица 3

Оценка возможной токсичности нетрадиционных мелиорантов

Вариант опыта Показатели токсичности в тесте с дафниями Показатели токсичности в тесте с водорослями Класс опасности отхода

ЛКР (50-48)* БКР (10-48)** Класс опасности ТКР (+20/30-22)*** Класс опасности

НОУ-5 - 1 V 0,55 V V

ДО, 120 т/га - 0,58 V 0,78 V V

НОУ-3 0,27 1,99 IV 2,04 V IV

ДО, 60 т/га - 1 V 0,03 V V

Контроль - 1 V 1,51 V V

Примечание: * - летальная кратность разведения; ** - безопасная кратность разведения; *** - токсичная кратность разведения.

Через три года водные вытяжки из почв, мелиорированных нетрадиционными удобрениями, токсичность не проявляли.

ВЫВОДЫ

Проведенные исследования показали, что тест-организмы всех трофических уровней: продуценты (микроводоросли, редис посевной, горох посевной), консументы (рачки дафнии) и редуценты (азотобактер) могут быть использованы для биотестирования почв, мелиорированных нетрадиционными органическими удобрениями. Наиболее чувствительным тест-организмом оказались микроводоросли Chlorella vulgaris. Анализируя динамику токсичности и биологической активности модифицированных почв, целесообразно использование в качестве мелиоранта донных отложений.

ЛИТЕРАТУРА

1. ГОСТ 28168-89. Почвы. Отбор почв. М., 1989.

2. Кабиров Р.Р., Санитова А.Р., Суханова Н.В. Разработка и использование многокомпонентной тест-системы для оценки токсичности почвенного покрова городской территории // Экология. 1997. № 6. С. 411-415.

3. Природоохранные нормативные документы федеративные - ПНД Ф Т 14.1:2:3:4.10-04 (ПНД Ф Т 16.1:2.3:3.7-04). Токсикологические методы. Методика определения токсичности проб поверхностных пресных, грунтовых, питьевых, сточных вод, водных вытяжек из почв, осадков сточных вод и отходов по изменению оптической плотности культуры водоросли хлорелла (Chlorella vulgaris Beijer). Красноярск, 2007. 36 с.

4. Природоохранные нормативные документы федеративные - ПНД Ф Т 14.1:2:4.12-06 (ПНД Ф Т 16.1:2:3:3.9-06). Токсикологические методы. Методика определения токсичности водных вытяжек из почв, осадков сточных вод и отходов, питьевой, сточной и природной воды по смертности тест-объекта Daphnia magna Straus. Красноярск, 2006. 46 с.

5. Природоохранные нормативные документы федеративные - ПНД Ф Т 14.1:2:3:4.11-04 (ПНД Ф Т 16.1:2.3:3.8-04). Токсикологические методы. Методика определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод и отходов по изменению интенсивности бактериальной биолюминесценции тест-системой «Эколюм» на приборе «Биотокс-10». М., 2007. 16 с.

6. Методы почвенной микробиологии и биохимии / под ред. Д.Г. Звягинцева. М., 1991. 304 с.

7. Малюта О.В., Григорьева А.Р. Экологический мониторинг: метод. указания. Йошкар-Ола, 2011. 125 с.

8. Аристовская Т.В., Чугунова М.В. Экспресс-метод определения биологической активности почвы // Почвоведение. 1989. № 11. С. 142-147.

9. Mc Grath S.P. Long-term effects of metal in sewage sludge on soils, microorganisms and pla // J. Industrial Microbioloy. 1995. V. 14. P. 94-104.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» (государственный контракт № 16.552.11.7089 от 12 июля 2012 г.) с использованием оборудования ЦКП «ЭБЭЭ» ФГБОУ ВПО «ПГТУ».

Поступила в редакцию 1 июля 2014 г.

Gordeeva T.K., Malyuta O.V. ECOLOGICAL ASSESSMENT OF UNCONVENTIONAL FERTILIZER TEST REAC-TIONS-ORGANISMS

Using multi test-system comprising producers: higher plants (radish seed, pea, microalgae Chlorella); consuments: crustaceans Daphnia; decomposers: luminescent bacteria as part of the drug “Ekolyum”, as well as some parameters of the biological activity of the soil, allowed evaluating the safety and environmental reclamation value of a set of non-traditional fertilizers. Using sediment as a soil improver seems appropriate.

Key words: biological testing; test-organisms; test-system; restoration; unconventional meliorants.

Гордеева Татьяна Харитоновна, Поволжский государственный технологический университет, г. Йошкар-Ола, Республика Марий Эл, Российская Федерация, кандидат биологических наук, доцент, доцент кафедры СПС, ботаники и дендрологии, e-mail: tatiana.k.gordeeva@gmail.com

Gordeeva Tatyana Khritonovna, Volga State Technological University, Yoshkar-Ola, Republic of Mariy El, Russian Federation, Candidate of Biology, Associate Professor, Associate Professor of ATP, Botany and Dendrology Department, e-mail: tatiana.k.gordeeva@gmail.com

Малюта Ольга Васильевна, Поволжский государственный технологический университет, г. Йошкар-Ола, Республика Марий Эл, Российская Федерация, кандидат биологических наук, доцент, доцент кафедры экологии, почвоведения и природопользования, e-mail: olgamal@mail.ru

Malyuta Olga Vasilyevna, Volga State Technological University, Yoshkar-Ola, Republic of Mariy El, Russian Federation, Candidate of Biology, Associate Professor, Associate Professor of Ecology, Soil Science and Nature Use Department, e-mail: olgamal@mail.ru