Целлюлозолитическая активность почв черноморского побережья Кавказа в условиях химического загрязнения

Автор: Кузина Анна Андреевна, Колесников Сергей Ильич, Казеев Камиль Шагидуллович

Журнал: Известия Самарского научного центра Российской академии наук @izvestiya-ssc

Статья в выпуске: 2-2 т.18, 2016 года.

Бесплатный доступ

Представлены результаты влияния загрязнения хромом, никелем, медью, свинцом и нефтью на показатели целлюлозолитической активности почв Черноморского побережья Кавказа. По степени негативного влияния на изменение целлюлозолитической активности почв тяжелые металлы образуют следующий ряд: Cr >Ni ≥ Pb ≥ Cu. Проведена сравнительная оценка устойчивости целлюлозолитической активности к загрязнению тяжелыми металлами и нефтью для основных почв Черноморского побережья Кавказа.

Целлюлозолитическая активность, почва, загрязнение, тяжелые металлы, нефть

Короткий адрес: https://sciup.org/148204500

IDR: 148204500

Текст научной статьи Целлюлозолитическая активность почв черноморского побережья Кавказа в условиях химического загрязнения

Почвы Черноморского побережья Кавказа уникальны и своеобразны. В зависимости от климатических условий, сезонных изменений, наличия гор и плоскогорий меняется и почвенный покров. Но современные темпы строительства и эксплуатации дорог вдоль побережья, увеличение туристических объектов усиливает нагрузку на окружающую среду. До настоящего времени исследований, посвященных оценке устойчивости почв Черноморского побережья Кавказа к загрязнению нефтью и тяжелыми металлами, не проводилось. Степень устойчивости почв к химическому загрязнению целесообразно определять, применяя методы биодиагностики. Биологические показатели имеют ряд преимуществ перед другими методами: они первыми реагируют на внешние воздействия, показывают негативные изменения на начальных этапах их проявления [1]. Одним из чувствительных методов биодиагностики почв является определение целлюлозолитической активности.

Цель работы : исследовать устойчивость почв Черноморского побережья Кавказа к загрязнению нефтью, хромом, никелем, медью и свинцом по изменению целлюлозолитической активности.

В настоящей работе был выполнен ряд модельных экспериментов по исследованию влияния тяжелых металлов (ТМ) и нефти на почвы Черноморского побережья Кавказа.

материалы и методики исследования. Целлюлоза – главная составная часть древесины [2], является наиболее распространенным органическим соединением в природе. Ежегодно растениями синтезируются огромные количества целлюлозы, которая в виде растительных остатков накапливается в лесной подстилке, откладывается на дне водоемов и т.д. [3]. Одним из основных компонентов в цепочке превращения органических соединений почвы является разложение целлюлозы [4]. В почве она разрушается как аэробными, так и анаэробными микроорганизмами. Численность, состав и активность микробиоты влияет на целлюлозолитическую активность почвы [3]. Установлено, что целлюлозоразрушающие бактерии

являются одними из уязвимых микроорганизмов к воздействию ТМ [5].

В качестве объектов исследования были использованы все основные почвы Черноморского побережья Кавказа: чернозем южный, коричневая выщелоченная, коричневая типичная, коричневая карбонатная, бурая лесная кислая, бурая лесная кислая оподзо-ленная, дерново-карбонатная типичная, дерново-карбонатная выщелоченная, желтозем. Эти почвы занимают основную территорию Черноморского побережья Кавказа, но отличаются содержанием карбонатов, щелочно-кислотным и окислительно-восстановительным условиям, количеством гумуса, биологической активностью и другими свойствами [6-7]. В табл. 1 приведены эколого-генетические свойства исследованных почв.

Образцы почв для лабораторного моделирования загрязнения были отобраны в слое 0-10 см. В качестве загрязняющих веществ были выбраны Cr, Cu, Ni, Pb и нефть. ТМ вносили в почву в количестве 1, 10, 100 ПДК. ТМ интересны для сравнения — их предельно допустимые концентрации (ПДК) составляют 100 мг/кг почвы. Использовали значения ПДК, разработанные в Германии [8]. Во-первых, потому, что ПДК в почве общего (валового) содержания меди и никеля в России отсутствуют. Во-вторых, «российская» ПДК свинца зачастую не может быть использована, так как меньше содержания этого элемента во многих почвах. ПДК в почве нефти не разработана, поэтому ее содержание в почве выражали в процентах. А почву вносили в количестве 1, 5, 10% от массы почвы. Загрязнение почвы нефтью до 10 % от массы почвы часто встречается в районах нефтедобычи, транспортировки и переработки нефти [9].

ТМ в почву вносили в форме оксидов: CrO 3 , CuO, NiO, PbO. Их существенная доля поступает в почву именно в этой форме [10]. Применение оксидов ТМ исключает воздействие на показатели почвы сопутствующих анионов, как это бывает при внесении солей металлов. Целлюлозолитическую способность определяли аппликационным методом по степени разложения хлопчатобумажного полотна, экспонированного в почве в течение 10 дней при комнатной температуре (+20-22 ° С) и оптимальном увлажнении (60% полной влагоемкости). Повторность 3-6-кратная. Для проверки полученных данных на достоверность был проведен дисперсионный анализ с последующим определением наименьшей существенной разности (НСР).

Результаты и их обсуждение. В результате исследования было установлено, что загрязнение почв Черноморского побережья Кавказа Cr, Cu, Ni, Pb, нефтью, как правило, снижает целлюлозолитическую активность (табл. 2). В большинстве случаев, наблюдается прямая зависимость между содержанием загрязняющего вещества и степенью ухудшения исследуемого показателя почвы. При значительном загрязнении почв ТМ происходит консервация органического вещества, что связано с малой доступностью комплексов ТМ с гумусовыми кислотами для минерализации микроорганизмами [11].

Таблица 1. Места отбора почв Черноморского побережья Кавказа и их эколого-генетические характеристики

Почва	Место отбора	Координаты	Содержание гумуса, %	рН	Гранулометрический состав
чернозем южный	Темрюкский район, г. Тамань	45°10′51.73″N 36°41′30.47″E	3,2	7,7	тяжелосуглинистый
коричневая типичная	Анапский р-н, ГПЗ «Утриш»	44°46.764 E. 37°31.702 N	9,3	7,2	тяжелосуглинистый
коричневая карбонатная	Анапский р-н, ГПЗ «Утриш»	44°47.139 E 37°24.971 N	15,0	7,0	среднесуглинистый
коричневая выщелоченная	Анапский р-н, ГПЗ «Утриш»	44°45.880 E 37°26.958 N	6,8	7,1	тяжелосуглинистый
бурая лесная кислая	Туапсинский р-н, с. Горское	44°23.342' N 038°43.894' E	1,3	4,4	тяжелосуглинистый
бурая лесная кислая оподзоленная	г. Сочи, Лазаревский р-н, Сочинский национальный парк	43°52.048' N 039°24.214' E	1,7	4,1	легкосуглинистый
дерново-карбонат-ная типичная	Туапсинский р-н, п. Джубга	44°19.624' N 038°41.636' E	5,4	7,5	тяжелосуглинистый
дерново-карбонатная выщелоченная	г. Сочи, Хостинский р-н, Кавказский заповедник, Тисо-самшитовая роща	43°31.683' N 39°52.412' E	4,8	6,9	тяжелосуглинистый
желтозем	г. Сочи, Адлерский р-н	43°27.445' N 039°56.952' E	3,2	5,2	тяжелосуглинистый

Таблица 2. Влияние химического загрязнения почв Черноморского побережья Кавказа на их целлюлозолитическую активность, % от контроля

Элемент	Доза загрязняющего вещества
Элемент	контроль	1 ПДК (1 %)	10 ПДК (5%)	100 ПДК (10 %)	НСР 05
1	2	3	4	5	6
		чернозем южный
Cr	100	35	15	6	10
Cu	100	98	82	61	6
Ni	100	98	73	55	4
Pb	100	100	86	68	7
Нефть	100	63	39	18	12
НСР 05		10	9	8
		коричневая типичная
Cr	100	15	11	4	13
Cu	100	95	55	45	8
Ni	100	89	69	55	8
Pb	100	93	81	42	7
Нефть	100	18	13	11	14
НСР 05		8	11	9
		коричневая выщелоченная
Cr	100	22	13	7	6
Cu	100	88	78	55	13
Ni	100	79	71	43	12
Pb	100	55	49	44	12
Нефть	100	21	0	0	17
НСР 05		6	5	5
		коричневая карбонатная
Cr	100	19	12	8	6
Cu	100	81	63	52	12
Ni	100	91	71	56	13
Pb	100	88	79	52	13
Нефть	100	25	13	8	17
НСР 05		8	7	6
		бурая лесная кислая
Cr	100	49	21	9	11
Cu	100	73	32	22	8
Ni	100	72	39	18	6
Pb	100	61	41	20	7
Нефть	100	77	56	24	9
НСР 05		8	6	3

1 1	² 1	³ 1	⁴ 1	⁵ 1	6
	бурая лесная кислая оподзоленная
Cr	100	41	16	7	10
Cu	100	66	35	11	7
Ni	100	79	27	16	6
Pb	100	68	39	21	8
Нефть	100	61	28	17	7
НСР 05		8	4	3
	дерново-карбонатная типичная
Cr	100	79	58	12	15
Cu	100	89	75	42	10
Ni	100	92	66	31	8
Pb	100	99	79	39	11
Нефть	100	80	48	26	9
НСР 05		10	9	5
	дерново-карбонатная выщелоченная
Cr	100	59	47	11	13
Cu	100	87	66	28	9
Ni	100	91	52	25	7
Pb	100	79	56	34	9
Нефть	100	69	51	23	8
НСР 05		9	7	5
		желтозем
Cr	100	9	5	2	7
Cu	100	76	47	2	8
Ni	100	65	29	7	5
Pb	100	55	39	11	7
Нефть	100	44	21	2	6
НСР 05		6	4	1

Нефть обволакивает почвенные частицы и ограничивает доступ воздуха. Это ведет к образованию анаэробных условий, снижению окислительно-восстановительного потенциала, снижению численности, активности анаэробных целлюлозолитических микроорганизмов [12-13]. По силе негативного влияния на изменение целлюлозолитической активности ТМ образуют следующий ряд, обобщенный для разных типов и подтипов почв Черноморского побережья Кавказа: Cr (41) >Ni (68) ≥ Pb (69) ≥ Cu (70). Поскольку ПДК всех четырех исследованных ТМ одинаково — 100 мг/кг — возможно корректное сравнение их токсического действия по отношению к исследованному биологическому показателю. Полученные результаты свидетельствуют о том, что наиболее значительное негативное воздействие оказал хром. Токсичность никеля, свинца и меди была схожая для различных почв.

В ходе исследования был проведен сравнительный анализ устойчивости целлюлозолитичекой активности к загрязнению ТМ и нефтью для основных почв Черноморского побережья Кавказа (почвы расположены по мере снижения их устойчивости): дерново-карбонатная типичная (71) ≥ чернозем южный (70) > дерново-карбонатная выщелоченная (64) ≥ коричневая карбонатная (61) ≥ коричневая типичная (60) ≥ коричневая выщелоченная (56) = бурая лесная кислая (56) ≥ бурая лесная кислая оподзоленная (52) > желтозем (46). В скобках представлены значения целлюлозолитической активности почв относительно контроля (100%), усредненные для трех доз загрязняющего вещества.

Чернозем южный и дерново-карбонатная почва проявили наибольшую буферную способность к загрязнению ТМ. Эти почвы отличаются тяжелым гранулометрическим составом, слабощелочной реакцией среды, высоким содержанием органического вещества. Тяжелый гранулометрический состав определяют высокую емкость поглощения. Высокое содержание гумуса приводит к связыванию ТМ в металлорганические соединения. Слабощелочная среда способствует закреплению катионобразующих металлов. Бурые лесные почвы и желтозем проявили себя как наименее устойчивые почвы юга России к загрязнению ТМ и нефтью. Это связано, прежде всего, с кислой реакцией среды.

Выводы:

1. Загрязнение основных почв Черноморского побережья Кавказа нефтью, хромом, никелем, медью и свинцом существенно снижает их целлюлозолитическую активность.
2. По степени негативного влияния на изменение целлюлозолитической активности почв Черноморского побережья Кавказа оксиды ТМ образуют следующий обобщенный ряд: Cr >Ni ≥ Pb ≥ Cu.
3. Степень снижения целлюлозолитической активности почв Черноморского побережья Кавказа зависит от природы загрязняющего вещества, содержания его в почве и генетических свойств почв, определяющих их устойчивость к загрязнению.

Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (6.345.2014/K) и государственной поддержке ведущей научной школы Российской Федерации (НШ-9072.2016.11).

Список литературы Целлюлозолитическая активность почв черноморского побережья Кавказа в условиях химического загрязнения

Казеев, К.Ш. Биология почв Юга России/К.Ш. Казеев, С.И. Колесников, В.Ф. Вальков. -Ростов-на-Дону: Изд-во ЦВВР, 2004. 350 с.
Кузнецов, А.Е. Научные основы экобиотехнологии. Учебное пособие/А.Е. Кузнецов, Н.Б. Градова. -М.: Мир, 2006. 504 с.
Войнова-Райкова Ж.К., Ранков В.М. Микроорганизмы и плодородие. Пер. с болг. и предисл. З.К. Благовещенской; Под ред. И.В. Плотниковой. -М.: Агропромиздат, 1986. 120 с.
Ершов, В.В. Скорость разложения клетчатки в мелиорированных торфяных почвах//Продуктивность торфяных почв под луговыми агроценозами. -Петрозаводск, 1981. С. 46-57.
Дабахов, М.В. Экотоксикология и проблемы нормирования/М.В. Дабахов, Е.В. Дабахова, В.И. Титова//Нижегородская гос. с.-х. академия.-Н. Новгород: Изд-во ВВАГС, 2005. 165 с.
Вальков, В.Ф. Почвы юга России/В.Ф. Вальков, К.Ш. Казеев, С.И. Колесников. -Ростов-на-Дону: Эверест, 2008. 276 с.
Колесников, С.И. Экологическое состояние и функции почв в условиях химического загрязнения/С.И. Колесников, К.Ш. Казеев, В.Ф. Вальков. -Ростов-на-Дону: Изд-во Ростиздат, 2006. 385 с.
Касьяненко, А.А. Контроль качества окружающей среды. -М.: Изд-во РУДН, 1992. 136 с.
Пиковский, Ю.И. Природные и техногенные потоки углеводородов в окружающей среде. -М.: Изд-во МГУ, 1993. 208 с.
Kabata-Pendias, A. Trace Elements in Soils and Plants. 4th Edition. -Boca Raton, FL: Crc Press, 2010. 548 p.
Чугунова, М.В. Влияние тяжелых металлов на почвенные микробоценозы и их функционирование/Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. к.б.н. -Лен ВНИИ сельскохозяйственной микробиологии, 1990. 17 с.
Орлов, Д.С. Методы контроля почв, загрязненных нефтепродуктами/Д.С. Орлов, Я.М. Аммосова//Почвенно-экологический мониторинг. -М., 1994. 275 с.
Ammosova, J.M. Monitoring of soil degradation caused by oil contamination/J.M. Ammosova, M.J. Golev//Proceedings of the Conference "Towards Sustainable Land Use". -Bonn, Vol. 2, 31, 1998. P. 47-54.

Еще

Статья научная