Влияние нефти на микроорганизмы круговорота азота в почвах аридной зоны

Экологические аспекты микробиологии

УДК 631.46:547.912

А. Н. Пархоменко, О. Б. Сопрунова Астраханский государственный технический университет

ВЛИЯНИЕ НЕФТИ НА МИКРООРГАНИЗМЫ КРУГОВОРОТА АЗОТА В ПОЧВАХ АРИДНОЙ ЗОНЫ

Одним из основных биогенных элементов является азот. Поддержание его уровня в окружающей среде, в том числе и почве, обеспечивается активной деятельностью различных микроорганизмов, принимающих участие в его круговороте [1, 2]. Круговорот азота достаточно хорошо изучен в дерново-подзолистых [3] и серо-бурых почвах [4]. На территории Астраханской области, расположенной в зоне аридного климата, преобладают почвы с агрономически неблагоприятными характеристиками, обусловленными почвообразованием в условиях недостаточного и неустойчивого увлажнения, высоких температур, наличия солей [1]. Крайне неблагоприятное воздействие на свойства почв оказывают нефтяные углеводороды. При попадании нефти в почву возрастает отношение углерода к азоту, что сказывается на азотном режиме и приводит к обеднению почвы азотсодержащими соединениями [3]. Это оказывает негативное влияние на почвенную биоту, в том числе и микроорганизмы.

В связи с этим изучение влияния нефтяных углеводородов на процессы трансформации азота в почвах аридной зоны представляет научный и практический интерес.

Целью данного исследования являлось изучение динамики численности микроорганизмов круговорота азота в песчаных почвах, подверженных антропогенному влиянию.

Объекты и методы исследований

Объектом исследований являлись песчаные почвы, отобранные в санитарно-защитной зоне Астраханского газохимического комплекса (АГХК), и модельные почвенные экосистемы на основе отобранных почв. Пробы почвы отбирали и исследовали по стандартным и общепринятым методикам [5]. На основе отобранных образцов песчаной почвы были поставлены четыре модельные экосистемы. В качестве загрязнителя вносили сырую стерильную нефть. Первая экосистема служила контролем, во вторую вносили 0,3 %, в третью - 3 % и четвертую - 10 % нефти. В качестве фоновой почвы для сравнения отбирали образцы почвы с садового участка, которая по своим свойствам близка к каштановой почве.

Для выделения микроорганизмов круговорота азота из каждой модельной экосистемы производили посевы почв методом предельных разведений [5, 6] в следующих временных промежутках: 0, 3, 6 и 52 недели.

Для выделения аммонификаторов использовали пептонную воду (г/л водопроводной воды): пептон - 10, №С1 - 0,5; нитрификаторов -элективную минеральную среду Виноградского (г/л водопроводной воды): (N^^04 - 2,0, К2НРО4 - 1,0, MgSO4 - 0,5, FeSO4 - 0,4, №С1 - 2,0, небольшое количество мела; денитрифицирующих микроорганизмов - элективную среду Гильтая (г/л водопроводной воды): цитрат натрия или калия трехзамещенный - 5,0, КК03 - 2,0, аспарагин - 1,0, КН2Р04 - 2,0, MgS04 - 2,0, СаС12 - 0,2, FeCl3 - следы, агар - 18 % [7, 8]. Наиболее вероятную численность микроорганизмов в 1 г почв рассчитывали по таблице Мак-Креди [9].

Для обнаружения в контрольной почве азотфиксирующих микроорганизмов рода Azotobacter использовали метод почвенных комочков [6]. Комочки (по 50 шт.) раскладывали правильными рядами в каждую чашку Петри на среду Эшби (г/л): маннит - 20,0; К2НР04 - 0,2; MgS04, №С1 - 0,2; K2S04 - 0,1; СаС03 - 5,0; вода дистиллированная.

Для выделения азотфиксирующих микроорганизмов из песчаной почвы производили высев 0,25 г сухой почвы на среду Эшби. О наличии азотобактера в исследуемом материале судили по образованию характерных колоний вокруг песчинок. Производили подсчет количества колоний на чашке в пересчете на 1 г почвы [8].

Результаты и обсуждение

Исследуемая почва имела светлый цвет с рассыпчатой консистенцией, определена как почва песчаная с вкраплениями угля. Данная почва обладает низкой гумифицированностью и высокой степенью минерализации, что характерно для почв Астраханской области, которые располагаются в аридной зоне. Общее микробное число составляет 106-107 КОЕ/г. Образцы фоновой почвы имели темный цвет и характеризовались большим содержанием гумуса, общее микробное число - более 108 КОЕ/г.

Анализ физиологических групп микроорганизмов в исследуемых почвах показал, что их численность в песчаной почве на 1-2 порядка ниже, чем в фоновой. Это указывает на то, что развитие микроорганизмов и процесс круговорота азота в песчаной почве происходят менее интенсивно вследствие незначительного количества органического вещества, используемого микроорганизмами круговорота азота в качестве основного энергетического субстрата.

В ходе наблюдений за модельными экосистемами с внесенной сырой стерильной нефтью установлено, что по истечении 3-х недель экспериментальных исследований численность аммонифицирующих и азотфик-сирующих микроорганизмов существенно не изменилась в сравнении с начальными показателями и составила 105-106 и 102-103 КОЕ/г соответственно. Численность нитрифицирующих микроорганизмов уменьшилась на два порядка - до 103 КОЕ/г, денитрифицирующих - до 104-102 КОЕ/г (рис. 1-3).

0 -I-----------------1-----------------1---~...... *------1---------

0 3 6 52

Продолжительностт экспер>имеит^, недели

— Аммонифицирующие -----Нитрифицирующие I фазы

-  Нитрифицирующие II фазы ----Денитрифицирующие

--Азотфиксирующие

Рис. 1. Динамика численности микроорганизмов круговорота азота в модельной экосистеме с 0,3 % нефти

Пррдолжлтельность этсперимента, недели

— Аммонифицирующие -----Нитрифицирующие I фазы

-  Нитрифицирующие II фазы ------Денитрифицирующие

— Азотфиксирующие

Рис. 2. Динамика численности микроорганизмов круговорота азота в модельной экосистеме с 3 % нефти

Продолжительность эксперимента, недели

---Аммонифицирующие ------Нитрифицирующие I фазы

Нитрифицирующие II фазы-----------Денитрифицирующие

---Азотфиксирующие

Рис. 3. Динамика численности микроорганизмов круговорота азота в модельной экосистеме с 10 % нефти

По сравнению с почвой контрольной экосистемы численность всех групп микроорганизмов круговорота азота в почве с 0,3 % нефти не изменялась (см. рис. 1). В почве модельных экосистем с 3 и 10 % нефти отмечено снижение численности нитрифицирующих (до единичных клеток), денитрифицирующих и азотфиксирующих бактерий (до 102 КОЕ/г) в сравнении с контрольной почвой.

По истечении 6-ти недель экспозиции модельных экосистем численность нитрифицирующих и денитрифицирующих микроорганизмов заметно снизилась еще на 1-2 порядка и составила 104-102 КОЕ/г для нитрифицирующих бактерий I фазы и 103-102 КОЕ/г для денитрифицирующих бактерий. Численность микроорганизмов II фазы нитрификации снизилась до единичных клеток. В этом же временном промежутке было отмечено увеличение численности аммонифицирующих микроорганизмов на порядок (107 КОЕ/г) во всех модельных экосистемах (рис. 1-3). Численность азотфиксирующих микроорганизмов существенно не менялась.

По истечении 52-х недель экспериментальных наблюдений отмечено увеличение численности практически всех групп бактерий на 1-2 порядка не только в контрольной почве, но и во всех модельных экосистемах с нефтью (рис. 1-3).

Увеличение численности аммонифицирующих микроорганизмов, вероятно, связано с развитием в загрязненной почве так называемого «компенсационного» процесса, при котором ингибирование нефтяными углеводородами определенных почвенных ферментов компенсируется увеличением численности аммонифицирующих бактерий, которые способны увеличить выделение данных ферментов в почву [4]. Снижение численности денитрифицирующих микроорганизмов объясняется ингибирующим влиянием нефти на ферменты нитрат- и нитритредуктазы, которые катализируют процесс восстановления нитратного азота в почве до аммиака. Возможно, климатические, химические и агрофизические особенности почв аридной зоны препятствуют развитию «компенсационного» механизма для развития денитрификаторов. Увеличение численности азотфиксирующих бактерий обусловлено тем, что они способны использовать в достаточно больших количествах продукты метаболизма углево-дородокисляющих микроорганизмов [3, 4].

Таким образом, в ходе исследований в песчаных почвах аридной зоны обнаружены такие группы микроорганизмов круговорота азота, как аммонифицирующие (106 КОЕ/г), нитрифицирующие (105 КОЕ/г), денитрифицирующие (105 КОЕ/г) и азотфиксирующие (102 КОЕ/г) бактерии.

Установлено, что концентрации нефти 0,3 и 3 % не оказывают токсического действия на бактерии круговорота азота в песчаных почвах. Нефть в концентрации 10 % оказывает ингибирующее действие на развитие всех микроорганизмов круговорота азота. Наиболее устойчивыми к нефтяному загрязнению почв аридной зоны являются аммонифицирующие и азотфиксирующие микроорганизмы, тогда как нитрифицирующие и денитрифицирующие микроорганизмы наиболее чувствительны к воздействию нефти и неспособны адаптироваться к подобному роду загрязнения.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований и администрации Астраханской области (грант РФФИ

№ 05-04-96507 «Перспективные биотехнологии очистки вод и почв от нефтяных углеводородов»).

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Тюрин И. В., Соколов А. В. Типы почв и эффективность удобрений // Изв. АН СССР. Сер. биол. - 1958. - № 6. - С. 651-660.

2. Емцев В. Т., Мишустин Е. Н. Микробиология. - 5-е изд. - М.: Дрофа, 2005. - 445 с.

3. Исмаилов Н. М. Влияние нефтяного загрязнения на круговорот азота в почве // Микробиология. - 1983. - Т. 52, вып. 6. - С. 1003-1007.

4. Исмаилов Н. М. Микробиологическая и ферментативная активность нефтезаг-рязненных почв // Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем. -М., 1988. - С. 42-56.

5. Практикум по микробиологии: Учеб. пособие для вузов / Е. З. Теппер и др.; Под ред. В. К. Шильникова. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Дрофа, 2004. - 256 с.

6. Практикум по биологии почв: Учеб. пособие / Г. М. Зенова, А. Л. Степанов и др. -М.: Изд-во МГУ, 2002. - 120 с.

7. Методы почвенной микробиологии и биохимии / Под. ред. Д. Г. Звягинцева. -М.: Изд-во МГУ, 1991. - 304 с.

8. Ежов Г. И. Руководство к практическим занятиям по сельскохозяйственной микробиологии. - М.: Высш. шк., 1981. - 271 с.

9. Практикум по микробиологии: Учеб. пособие / Под. ред. Н. С. Егорова. - М.: Изд-во МГУ, 1976. - 307 с.

Статья поступила в редакцию 24.03.06, в окончательном варианте - 18.04.06

THE INFLUENCE OF PETROLEUM ON MICROORGANISMS OF NITROGEN CYCLE IN SOILS OF THE ARID ZONE

A. N. Parkhomenko, O. B. Soprunova

All the groups of microorganisms of nitrogen cycle are found out in sandy soils of the arid zone. They are ammonifying (106 КОЕ/g), nitrifying (105 КОЕ/g), denitrifying (105 КОЕ/g), nitrogen-fixing (102 КОЕ/г) microorganisms. It is established that the 10 % concentration of petroleum has had an inhibitory action on the development of microorganisms of nitrogen cycle. The most resistant to the petroleum pollution of sandy soils of the arid zone are ammonifying and nitrogen-fixing microorganisms, and the most sensitive to it are nitrifying and denitrifying microorganisms.