Коэффициент микробного дыхания различных типов почв в условиях нефтяного загрязнения

ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ

УДК 631.46

А. А. Вершинин, А. М. Петров, Р. Ч. Юранец-Лужаева, Т. В. Кузнецова, Р. Э. Хабибуллин

КОЭФФИЦИЕНТ МИКРОБНОГО ДЫХАНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ ПОЧВ

В УСЛОВИЯХ НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ

Ключевые слова: нефтепродукты, коэффициент микробного дыхания, углерод микробной биомассы.

Изучена динамика коэффициента микробного дыхания (Qr) различных типов почв в условиях нефтяного загрязнения. Величина Qr зависела от типа и гранулометрического состава почв. Показана взаимосвязь Qr и содержания микробного углерода в нефтезагрязненной почве. В диапазоне концентрации поллютанта 0,736,45 г/кг микробное сообщество серых лесных почв способно преодолевать токсическое действие нефтепродуктов (НП). При содержании НП в дерново-подзолистых почвах 4,8 г/кг зафиксировано их негативное действие на микробный пул почвы.

Key words: oil products, microbial respiration quotient, microbial biomass.

Changes in microbial respiration quotient (Qr) of different types of soils under oil pollution was studied. Qrvalue was dependent on the type and granulometric composition of soils. Correlation between Qr value and content of microbial carbon in soils was shown. In the range of pollutant concentration of 0,73-6,45 g/kg grey forest soils were able to stand for toxic effects of oil products (OP). In soddy podzolic soils the negative effect of OP on microbial pool was shown upon reaching the pollutant threshold value of 4,8 g/kg.

Введение

Способность почвы преодолевать

неблагоприятные климатические и антропогенные воздействия определяется ее микрофлорой. Скорость разложения поллютантов зависит от состава и активности почвенного микробного сообщества [1-3]. Определение активности микробного пула позволяет дать прогноз относительно потенциальной способности почв к самовосстановлению свойств и плодородия, а также определить тактику рекультивационных

мероприятий.

Существуют различные подходы оценки биологической активности почв: установление качественного и количественного состава микрофлоры; активности почвенных ферментов; определение параметров почвенного дыхания [4-9]. Первые два метода достаточно трудоемки, их выполнение занимает длительное время. Кроме того, данные микробиологических анализов плохо коррелируют с функциональной активностью почв [10]. В настоящее время в исследовательской практике широко распространены способы установления дыхательной активности почв. Среди параметров почвенного дыхания наиболее информативным и удобным в исполнении является коэффициент микробного дыхания ^г), который представляет собой отношение величины базального дыхания (^азал) к величине субстрат-индуцированного дыхания (^ид). Qr = Vбазал / Vсид. Данный показатель в отличие от метаболического коэффициента не предполагает предварительного определения микробной массы фумигационным или каким-либо иным методом. Установление микробной массы различными лабораториями производится с применением разных методов, что

затрудняет анализ и интерпретацию полученных данных. Qг не имеет размерности и позволяет сравнивать результаты, полученные разными авторами в разных лабораториях [1]. Коэффициент микробного дыхания считается интегральным показателем, позволяющим оценивать состояние почв. В ряде исследований показана возможность применения Qг для характеристики почв, находящихся под климатическим и антропогенным воздействием [8-12].

Цель исследования - изучение динамики коэффициента микробного дыхания почв в зависимости от уровня содержания нефтепродуктов.

Экспериментальная часть

В исследовании были использованы светло-серая лесная (Ссл), серая лесная (Сл), темно-серая лесная (Тсл), дерново-подзолистая среднесуглинистая (Дп-сг) и дерново-подзолистая супесчаная (Дп-сп) почвы. Физико-химические характеристики чистых (контрольных) почв приведены в табл.1. Из почв удалялись корни, остатки растений, после чего они просеивались через сита Винклера с диаметром ячеек 3 мм. Опытные варианты почв с заданным содержанием нефти получали путем внесения в воздушно-сухие образцы различного количества предварительно загрязненной сернистой нефтью Ямашинского месторождения Республики Татарстан почвы соответствующего типа. Для каждой почвы готовили по 4 опытных варианта с различным содержанием нефти (В1-В4). Продолжительность предварительной инкубации почвы-загрязнителя составляла 5 месяцев при температуре 20-24оС. Еженедельно проводилось рыхление и увлажнение данных почв.

Вестник технологического университета. 2017. Т.20, №°4 Таблица 1 - Характеристика чистых (контрольных) почв

Почва Углерод общий,% Мг/100г « рН солевой Азот валовый,% Гранулометрический состав

и £ Р подв. .в д о п « 1 о в X р

Ссл 6,7 3,9 3,6 18,0 5,84 5,26 0,190 Легкосуглинистый

Сс 4,3 2,5 4,5 25,0 6,08 5,57 0,114 Среднесуглинистый

Тсл 5,2 3,0 7,2 22,0 6,54 5,98 0,157 Легкосуглинистый

ДП-сг 6,2 3,6 4,0 26,7 5,16 4,53 0,166 Среднесуглинистый

ДП-сп 2,7 1,6 10,9 16,3 6,44 6,27 0,017 Супесчаный

Суммарное содержание нефтепродуктов (НП) в почвах определяли ИК-спектрометрическим методом на анализаторе КН-2м по аттестованной методике [13].

После внесения поллютанта диапазон содержания НП в опытных образцах почв составил: Ссл - от 0,73 до 6,00 г/кг; Сл - от 0,93 до 5,80 г/кг; Тсл - от 1,33 до 6,45 г/кг; Дп-сг - от 1,12 до 7,00 г/кг; Дп-сп - от 1,53 до 8,30 г/кг. Некоторые различия в концентрации НП обусловлены разной сорбционной емкостью почв.

Интенсивность почвенного дыхания определяли на газовом хроматографе "Хроматек Кристалл 5000.2" согласно [12]. Были определены скорости базального (V6a3£m) и субстрат-индуцированного (Vcw) дыхания [7,14]. Коэффициент микробного дыхания (Qr) рассчитывали как отношение V6a3^ / Ч;ид. Содержание углерода микробной биомассы

(С мик) вычисляли по уравнению Смик _ Чащ  40,04 + 0,37 [15]. Результаты обработаны статистически при помощи программы Microsoft Excel.

Результаты и обсуждение

Способность почв к разложению поллютантов разнообразной природы определяется количеством и активностью микрофлоры, разнообразием ее функциональных групп. Важным эколого-физиологическим показателем, отражающим количество жизнеспособных микробных клеток, является содержание углерода микробной биомассы (Смик). Данный параметр отражает потенциал микробного пула почв.

Исходные (контрольные) почвы существенно отличались друг от друга по содержанию Смик. Наиболее высоким содержанием микробного углерода характеризовались контрольные и загрязненные среднесуглинистые и

легкосуглинистые почвы (Ссл, Тсл, Сл, ДП-сг). В контрольной легкой ДП-сп почве концентрация Смик была ниже и составляла 632 мкг С/г. Максимальное содержание Смик обнаружено в Ссл почве - 1412 мкг С/г (рис. 1). Полученные результаты подтверждают ранее продемонстрированное наличие зависимости содержания Смик в почве от ее гранулометрического состава [12].

Увеличение содержания НП приводило к уменьшению запасов микробного углерода во всех исследованных подтипах почв, однако степень снижения содержания Смик была различна. Более

всего содержание Смик уменьшалось в легкой ДП-сп (в 2,4 раза по сравнению с контролем), менее в Тсл почве (в 1,1 раза). При максимальных концентрациях загрязнителя (варианты В3-В4) содержание Смик в Ссл, Тсл, ДП-сп почвах не менялось. В Сл почве количество микробного углерода снижалось во всем интервале испытанных концентраций НП, а в ДП-сг почве при максимальной испытанной концентрации поллютанта был зафиксирован некоторый рост Смик (рис. 1).

♦ - -

.....

.............

..................

- -♦- - Тсл

Ссл

пттгггггст^рашя Сл

1600 и

1400 -1200 -1000 -| 800 " 600 -400 -

200 - _ _ 0 -I-1-1-1-1-1

К В1 В2 В3 В4

Варианты

Рис. 1 - Содержание углерода микробной биомассы (Смик). К-контроль, В1-В4 варианты загрязнения

Коэффициент микробного дыхания используется для характеристики состояния почвы и ее микробного пула. При трактовке полученных показателей Qг мы основывались на подходе, предложенном Благодатской с соавт. [1]. Согласно [1] величина Qг в интервале 0,1-0,2 свидетельствует о благоприятном состоянии почвенного микробного сообщества. Значения Qг менее 0,1 отражают недостаток питательных веществ в почве, величины, превышающие 0,2-0,3, свидетельствуют о неблагоприятных климатических или

антропогенных воздействиях на почву. Высокие (близкие к 1,0 и выше) значения Qг указывают на интенсивное разложение органического вещества и нарушение стабильности почвенных биоценозов.

В контрольных образцах почв значения Qг располагались в диапазоне от 0,05 до 0,12, что указывает на отсутствие явно выраженных воздействий на почвенный микробоценоз. Низкие значения Qг Ссл почвы отражают ее обедненность минеральными и органическими веществами. При

этом содержание микробного углерода в данной почве максимально. Внесение нефти в почву во всех вариантах сопровождалось ростом Qг. Динамика изменений Ог зависела от типа почв. Максимальные значения Ог выявлены в легкой супесчаной дерново-подзолистой почве, обладающей самыми низкими запасами микробной массы. Напротив, в богатой жизнеспособными микробными клетками Ссл почве, даже при высоких концентрациях нефти значения Ог (0,18) были в пределах нормы (рис.2).

Варианты

Рис. 2 - Коэффициент микробного дыхания К-контроль, В1-В4 варианты загрязнения

Во всех подтипах серой лесной почвы в испытанном диапазоне концентраций поллютанта (0,73-6,45 г/кг) Ог не превышал величины 0,3, что также позволяет при таком содержании НП в серых лесных почвах оценить их состояние, как нормальное. В дерново-подзолистых почвах при высоких концентрациях НП (варианты В3 и В4), соответствующих 4,8 и 8,3 г/кг, значения Ог составляли 0,34-0,44 (рис. 2), что свидетельствует о нарушении стабильности микробного пула, указывает на то, что почвы испытывают неблагоприятное воздействие. Сравнивая между собой дерново-подзолистые почвы, следует отметить более благополучное состояние среднесуглинистой почвы, в которой содержание Смик выше, чем в легкой супесчаной почве, а величина Ог>, напротив, ниже.

Таким образом, в испытанном диапазоне концентраций нефти микробное сообщество серых лесных почв способно преодолевать токсичное действие поллютанта. В дерново-подзолистых почвах выявлено негативное воздействие НП на почву, однако значения Ог указывают на их способность к преодолению ингибирующего действия поллютанта.

Анализ взаимосвязи Ог с запасами микробной массы (Смик) выявил высокую обратную корреляцию данных параметров, которая составила для Ссл почвы -0,99, Сл почвы -0,96, ДП-сп почвы -0,90, Дп-сг почвы -0,78, Тсл почвы -0,70. В свою очередь, содержание микробного углерода находится в тесной связи с гранулометрическим составом почв. Наибольшее количество жизнеспособных микробных клеток закономерно обнаруживается в легкосуглинистых и среднесуглинистых почвах. Этот факт объясняется тем, что водоудерживающая способность почв с тяжелым гранулометрическим

составом выше, чем в легких супесчаных почвах, а состояние микробного сообщества во многом зависит от доступной влаги.

Заключение

Изучение динамики Qr различного типа почв в условиях нефтяного загрязнения показало, что его величина зависит от типа и гранулометрического состава почв. Обнаружена обратная взаимосвязь между Qr и содержанием микробного углерода в почве. Увеличение концентрации НП в почве сопровождалось повышением величины Qr. В диапазоне концентрации поллютанта 0,73-6,45 г/кг Qr серых лесных почв не превышал 0,3, что позволяет охарактеризовать их состояние как нормальное. Микробное сообщество данных почв преодолевает токсическое действие НП в вышеуказанных концентрациях. В дерново-подзолистых почвах при достижении содержания поллютанта 4,8 г/кг зафиксировано негативное действие НП на микробный пул почвы (Qr = 0,340,44).

Таким образом, изучение динамики Qr показало, что серые лесные почвы более устойчивы к действию нефтепродуктов. Коэффициент микробного дыхания является информативным и удобным инструментом оценки состояния почв в условиях нефтяного загрязнения.

Литература

1. Е.В. Благодатская, Н.Д. Ананьева, Т.Н. Мякшина Характеристика состояния микробного сообщества почвы по величине метаболического коэффициента // Почвоведение, 2, 205-210, (1995).

2. Н.А. Киреева, Е.И. Новоселова, Г.Ф. Ямалетдинова Диагностические критерии самоочищения почв от нефти // Экология и промышленность России, 12, 34-35, (2001).

3. Н.Д. Ананьева, Ф.И. Хакимов, Н.Ф. Деева, Е.А. Сусьян Влияние полихлорированных бифенилов на микробную биомассу и дыхание серой лесной почвы // Почвоведение, 7, 871-876, (2005).

4. А.С. Яковлев. Биологическая диагностика и мониторинг состояния почв // Почвоведение, 1, 70-79, (2000).

5. Л.М. Полянская, Д.Г. Звягинцев. Содержание и структура микробной биомассы как показатель экологического состояния почв // Почвоведение, 6, 706714, (2005).

6. Ф.Х. Хазиев, Ф.Ф. Фатхиев Изменение биохимических процессов в почвах при нефтяном загрязнении и активация разложения нефти // Агрохимия, 1, 10, 102111, (1988).

7. T.-H. Anderson, K.H. Domsch The metabolic quotient for CO2 (q CO2) as a specific activity parameter to assess the effect of environmental conditions, such as pH, on the microbial biomass of forest soils // Soil Biol. Biochem., 25. 3. 393-395.(1993).

8. Н.Д. Ананьева, Е.В. Благодатская, Т.С. Демкина. Влияние высушивания-увлажнения и замораживания-оттаивания на устойчивость микробных сообществ почвы // Почвоведение, 9, 1132-1137, (1997).

9. А.М. Петров, Э.Р. Зайнулгабидинов, Р.Р. Шагидуллин, Д.В. Иванов, Т.В. Кузнецова, Л.К. Каримуллин Разработка нормативов допустимого остаточного содержания нефти и продуктов ее трансформации в

почвах для земель лесного фонда республики татарстан //Вестник Казанского технологического университета, 16, 20, 265-270, (2013).

10. А.М. Петров, Л.К. Каримуллин, Т.В. Кузнецова, А.А. Вершинин, Р.Э. Хабибуллин. Влияние остаточного содержания нефтепродуктов на состав и активность почвенного микробного сообщества //Вестник Казанского технологического университета, 17, 23, 356359, (2014).

11. H. Insam, C.C. Mitchell, J.F. Dormaar. Relationship of soil microbial biomass and activity with fertilization practice and crop yield of three ultisols // Soil.Biol.Biochem., 23, 5, 459464, (1991).

12. А.А. Вершинин, А.М. Петров, Д.В Акайкин, Ю.А. Игнатьев. Оценка биологической активности дерново-подзолистых почв разного гранулометрического состава

в условиях нефтяного загрязнения // Почвоведение, 2, 250-256, (2014).

13. ПНД Ф 16.1.2.2.22-98. Методика выполнения измерений массовой доли нефтепродуктов в минеральных, органогенных, органо-минеральных почвах и донных отложениях методом ИК-спектрометрии. М.: 1998. -11с.

14. Н.Д. Ананьева, Е.В. Благодатская, Д.Б. Орлинский, Т.Н. Мякшина. Методические аспекты определения скорости субстрат-индуцированного дыхания почвенных микроорганизмов // Почвоведение, 11, 72-77, (1993).

15. T.-H. Anderson, K.H. Domsch. A physiological method for the quantitative measurement of microbial biomass in soils // Soil Biol. Biochem. 10, 3, 215-221, (1978).

© А. А. Вершинин - к.б.н., с.н.с. лаборатории экологических биотехнологий Института проблем экологии и недропользования Академии наук Республики Татарстан, A-vershinin@mail.ru; А. М. Петров - к.б.н., заведующий лабораторией экологических биотехнологий Института проблем экологии и недропользования Академии наук Республики Татарстан, zpam2@rambler.ru; Р. Ч. Юранец-Лужаева - н.с. лаборатории эколого-аналитических измерений и мониторинга окружающей среды Института проблем экологии и недропользования Академии наук Республики Татарстан, yuranetsr@mail.ru; Т. В. Кузнецова - с.н.с. лаборатории экологических биотехнологий Института проблем экологии и недропользования Академии наук Республики Татарстан, kuznetsovatatyan@mail.ru; Р. Э. Хабибуллин - д.т.н., профессор кафедры ТММП КНИТУ, hrustik@yandex.ru.

© A. A. Vershinin - Cand. Sci. (Biol), Senior Research Associate of the Laboratory of Ecological Biotechnologies Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, A-vershinin@mail.ru; A. M. Petrov - Cand. Sci. (Biol), Head of the Laboratory of Ecological Biotechnologies Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, zpam2@rambler.ru; R. Ch. Yuranets-Luzhaeva - Researcher of the Laboratory of Ecological and Analytical Measurements and Environmental Monitoring Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, yuranetsr@mail.ru; T. V. Kuznetsova - Researcher of the Laboratory of Ecological Biotechnologies Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, kuznetsovatatyan@mail.ru; R. E. Khabibullin - Doctor of technical sciences (Full Professor), Professor Department of Meat and Milk Products Technology, KNRTU, hrustik@yandex.ru.