Целлюлозолитическая активность почв черноморского побережья Кавказа в условиях химического загрязнения

Кузина Анна Андреевна; Колесников Сергей Ильич; Казеев Камиль Шагидуллович; Kuzina Anna; Kolesnikov Sergey; Kazeev Kamil

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

Рубрика: Общая биология

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 | УДК: 631.46;

Cellulolytic activity of soils of the black sea coast of Caucasus in the conditions of chemical pollution

The results of pollution impact by chromium, nickel, copper, lead and oil on the performance soils cellulolytic activity of the Black Sea coast of Caucasus. According to the degree of negative influence on the change of soil cellulolytic activity heavy metals form the following series: Cr> Ni ≥ Pb ≥ Cu. A comparative evaluation of the stability of cellulolytic activity to contamination with heavy metals and oil for the main soils of the Black Sea coast of the Caucasus is made.

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