Динамика параметров биологической активности почвы как показатель почвенноэкологических условий на объекте рекультивации

Динамика параметров биологической активности почвы как показатель почвенно-экологических условий на объекте рекультивации*

Т.Х. Гордеева, к.б.н., О.В. Малюта, к.б.н.,

Марийский ГТУ

Для использования нарушенных земель в хозяйственных целях необходимо их восстановление. Рекультивация — одно из важнейших природоохранных мероприятий, направленных на восстановление таких земель. В связи с этим актуальной задачей является поиск и разработка нетрадиционных мелиорантов, позволяющих оптимизировать функционирование природных экосистем. Однако ограничивающим фактором в их применении является токсикологическая оценка [11-

Цель и методика исследований. Целью работы являлось исследование влияния нетрадиционных почвенных мелиорантов на биологическую активность нарушенной подзолистой песчаной почвы, поскольку почвенная биота является наиболее чутким индикатором антропогенного воздействия.

Биологическая активность почвы оценивалась с помощью аппликационных методов, разработанных Е.Н. Мишустиным, И.С. Востровым и А.Н. Петровой [2, 3]. Определение класса опасности органических отходов проводилось согласно методикам определения токсичности водных вытяжек из осадков сточных вод по смертности с использованием дафний (Daphnia magna Straus) [4], люминесцентных бактерий [5] и культуры водоросли хлорелла (Chlorella vulgaris Beijer) [6].

Микробиологические исследования проводили по общепринятой методике в слое почвы 0—20 см. Количество микроорганизмов определяли на твёрдых питательных средах из посевов соответствующих разведений почвенных суспензий на мясо-пептонном агаре (МПА), крахмало-аммиачном агаре (КАА), среде Чапека, Скермана, Эшби и Гетчинсона [7].

Исследования проводились в Куярском лесничестве Республики Марий Эл, на территории песчаного карьера, подлежащего рекультивации. Почва в карьере имеет песчаный гранулометрический состав, содержание физической глины не превышает 2,44%, в составе почвы преобладает фракция мелкого песка.

Объектом исследований была почва нарушенной территории, мелиорированная нетра-

диционными удобрениями: 1 — нетрадиционное органическое удобрение (НОУ) на основе осадков сточных вод и хвойно-лиственного опила со сроком компостирования 3 года и 5 лет в дозе 120 т/га; 2 — донные отложения со сроком экспозиции в картах намыва 2 года в дозе 120 т/га. Контролем служила почва без мелиорантов. Повторность опыта — трёхкратная. Исследования проводили через три месяца и через год после внесения нетрадиционных мелиорантов.

Статистическую обработку результатов проводили с использованием программы Statistica.

Результаты исследований. Проведение токсикологического эксперимента с использованием дафний Daphnia magna Straus и водорослей Chlorella vulgaris Beijer выявило принадлежность данных отходов к разным классам опасности. Установлено, что используемые в опыте нетрадиционные органические удобрения (НОУ) имеет четвёртый класс опасности для окружающей среды, т. е. наблюдается слабая токсичность (за окончательный результат принимается класс опасности, выявленный на тест-объекте, проявившем более высокую чувствительность), а донные отложения — пятый класс, что свидетельствует об отсутствии токсичности (табл. 1).

Процессы минерализации вносимых в почву нетрадиционных органических удобрений, синтез и разложение гумуса, уровень минерального питания растений в результате разложения органического вещества зависят от характера и направленности протекающих в почве микробиологических процессов.

Исследования показали, что подзолистые песчаные почвы рекультивируемого карьера характеризуются низким содержанием гумуса, слабой степенью насыщенности основаниями, кислой реакцией почвенной среды и неустойчивым режимом увлажнения, что обусловливает их низкую биогенность (гумус — 0,72%, калий — 1,7 мг/кг, фосфор — 1,2 мг/кг, рН — 4,71).

Внесение нетрадиционных удобрений в первый год рекультивации увеличивало численность гетеротрофных микроорганизмов, участвующих в разложении органического вещества, по сравнению с неудобренной почвой. Наиболее активно процесс аммонификации, как начального этапа транформации органического вещества,

* Работа выполнена в рамках реализации ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007—2013 годы» (государственный контракт № 16.552.11.7050 от 29 июля 2011 г.) с использованием оборудования ЦКП «ЭБЭЭ» ФГБОУ ВПО «МарГТУ»

1. Определение класса опасности мелиорантов методами биотестирования

Вариант Показатели токсичности в тесте с дафниями Показатели токсичности в тесте с бактериями Показатели токсичности в тесте с водорослями Класс

опыта ЛКР (50-48) БКР (10-48) Класс опасности Т-индекс токсичн. Класс опасности ТКР (+20/30-22) Класс опасности опасности отхода

НОУ(5) - 1 V -1,13 V 6,03 IV IV

НОУ(3) - 1 V -13,56 V 7,76 IV IV

Донные отлож. - 1 V 4,97 V 1,99 V V

2. Динамика численности микроорганизмов в подзолистой песчаной почве

Группы микроорганизмов Срок проведения эксперимента* Вариант опыта

контроль НОУ-3 НОУ-5 донные отложения

Аммонифицирующие, млн кл. / г. АсП** 1 2 2,50±0,30 1,36±0,24 7,00±0,58 3,82±0,60 3,30±0,48 2,70±0,36 7,50±0,50 2,75±0,35

Актиномицеты, млн кл. / г. АСП 1 2 0,08±0,03 0,41±0,01 0,15±0,05 0,70±0,06 0,23±0,05 0,78±0,07 0,13±0,03 0,40±0,01

Микромицеты тыс. КОЕ / г. АСП 1 2 0,7±0,03 7,0±0.41 2,1±0,25 17,6±0.44 4,2±0,04 24,1±2.20 1,0±0,01 17,8±0.44

Целлюлозоразрушающие, % 1 2 5,3±1,33 32,0±2,16 4,0±0,05 41,0±3,16 18,7±2,67 34,0±2,15 5,0±0,50 50,0±3,31

Нитрифицирующие тыс. кл. / г. АСП 1 2 0,31±0,01 0,28±0,01 0,31±0,01 0,28±0,01 0,30±0,01 0,27±0,01 0,39±0,06 0,42±0,04

Азотфиксирующие, % 1 2 10,0±1,15 14,0±1,33 10,0±2,00 3,0±0,91 03 О, СО о, о, 3,0±1,00 24,0±1,33

* 1 — через три месяца после внесения мелиорантов; 2 — через год после внесения мелиорантов; ** АСП — абсолютно сухая почва;

3. Динамика некоторых параметров биологической активности почвы

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

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

НОУ-5 44,05 40,84 - 7,36 7,52 - 7,5 9,67 1,23

НОУ-3 34,82 52,76 11,75 7,11 8,64 - 7,83 9,83 0,62

Донные отложения 40,10 48,62 - 7,00 8,02 - 7,67 11,0 1,61

Контроль 27,67 29,06 - 6,51 7,01 - 6,67 7,35 -

НСР05 14,94 12,86 _* - 0,72 0,75

* — различия на 5-процентном уровне значимости не достоверны

протекает при внесении в почву компоста на основе осадков сточных вод после трёхлетнего компостирования и донных отложений (табл. 2). Снижение количества аммонификаторов в почве, мелиорированной компостом на основе осадков сточных вод более длительного срока компостирования, объясняется, по-видимому, уменьшением содержания органического вещества и усилением процессов минерализации.

Численность микроскопических грибов и актиномицетов в мелиорированной почве была невысока, но достоверно увеличивалась по сравнению с контрольными значениями. Наибольшая численность микроорганизмов данных групп отмечалась в почве с внесением компостов на основе осадков сточных вод.

Через год после внесения нетрадиционных мелиорантов количество аммонифицирующих микроорганизмов несколько снижается,

однако их численность остаётся достоверно выше контрольных показателей. На второй год рекультивации значительно возрастает количество грибов и целлюлозоразрушающих микроорганизмов, которые осуществляют первую стадию — гумификацию органических веществ, и актиномицетов, участвующих в конечном этапе гумификации. Актиномицеты по сравнению с другими группами микроорганизмов используют трудноразлагаемые компоненты растительных тканей за счёт более мощного деструктивного ферментного аппарата. Следует отметить достаточно низкую численность нитрифицирующих бактерий в мелиорированных песчаных почвах карьера. Рекультивация подзолистой песчаной почвы нетрадиционными удобрениями оказала неоднозначное влияние на азотфиксирующие микроорганизмы. Установлено снижение частоты встречаемости азотобактера в почве, ме-

лиорированной компостом на основе осадков сточных вод. Более благоприятный режим для развития микроорганизмов данной группы складывался при использовании донных отложений. В целом частота встречаемости азотобактера в исследуемой почве была низкой (от 3 до 14%).

Исследование ряда параметров биологической активности почвы на экспериментальном участке в первый год рекультивации показало, что внесение нетрадиционных мелиорантов увеличивало целлюлозоразрушающую и аммонифицирующую активность почвы. Такая же тенденция сохранялась и через год после применения удобрений. По результатам мониторинга наибольшее влияние на биологическую активность почвы оказали нетрадиционные органические удобрения НОУ-3 и донные отложения (табл. 3). Анализ протеазной активности почвы показал отсутствие существенных различий между вариантами опыта как в первый, так и во второй год исследований.

Выводы и рекомендации. Проведённые исследования показали, что внесение нетрадиционных удобрений в подзолистую песчаную почву способствует активизации почвенно-

микробиологических процессов и увеличению некоторых параметров биологической активности почвы. Следует отметить необходимость проведения дальнейших исследований в системе мониторинга состояния мелиорированных почв.

Литература

1. Голованов А. И., Зимин Ф. М., Сметанин В. И. Рекультивация нарушенных земель. М.: Изд-во «Колос», 2009. 215 с.

2. Методы почвенной микробиологии и биохимии: учеб. пособие / под ред. Д.Г. Звягинцева. М.: Изд-во МГУ, 1991. 304 с.

3. Методы стационарного изучения почв / под ред. А.А. Роде. М.: Наука, 1977. С, 277-280.

4. ПНДФТ 14.1:2:4.12-06 (ПНДФТ 16.1:2:3:3.9-06) Методика определения токсичности водных вытяжек из почв, осадков сточных вод и отходов, питьевой, сточной и природной воды по смертности тест-объекта Daphnia magna Straus. Красноярский государственный университет.

5. ПНД Ф Т 14.1:2:3:4.11-04 (ПНД Ф Т 16.1:2.3:3.8-04) 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». ООО НЦ «Экологическая перспектива».

6. ПНДФТ 14.1:2:3:4.10-04(ПНДФТ 16.1:2.3:3.7-04)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 (ChloreUa vulgaris Beijer). Красноярский государственный университет.

7. Теппер Е.З., Шильникова В.К, Переверзева Г.И. Практикум по микробиологии. М.: Дрофа, 2004. 256 с.