Изменение биологической активности солончаков соровых Тамани в условиях загрязнения нефтью и тяжелыми металлами

Влиянию химического загрязнения на свойства засоленных почв посвящено мало исследований. Это связано с малым значением засоленных почв для сельского хозяйства и отсутствием значительных очагов загрязнения в районах их распространения. В то же время, засоленные почвы занимают существенные территории на Юге России и выполняют важные экологические функции, в частности, по поддержанию биоразнообразия и устойчивости природных экосистем [4] Кроме того, учитывая рост транспортного потока в Крым через Тамань и развитие сопутствующей инфраструктуры, актуальным представляется исследование влияния химического загрязнения на почвы Таманского полуострова, значительную долю которых составляют засоленные почвы.

Цель работы: исследовать изменение биологической активности солончаков гидроморфных соровых Тамани в условиях загрязнения нефтью и тяжелыми металлами (ТМ) (Pb, Cr, Ni, Cu), используя лабораторный модельный опыт.

Материалы и методики исследования. Объектом исследования был выбран солончак гидроморфный соровый карбонатный полуострова Тамань (Краснодарский край, Темрюкский район, п. Сенной, 45°19.460' N 37°00.222' E). Почва для исследования была отобрана из слоя 0-10 см, где наблюдается наибольшая концентрация загрязняющих веществ. Исследуемая почва характеризуется глинистым гранулометрическим составом, средним содержанием гумуса – 2,7 %, слабощелочной реакцией среды — рН=7,5, средней оструктуренностью, низкой биологической активностью: общая численность бактерий — 1,9 млрд/г почвы, активность каталазы — 2,6 мл О 2 /г почвы за 1 мин, активность дегидрогеназы — 3,9 мг ТФФ/10 г почвы за 24 часа, обилие бактерий рода Azotobacter — 100 % комочков обрастания. Для исследования в качестве загрязняющих веществ были взяты нефть и ТМ (в форме оксидов) – PbO, CuO, CrO 3, NiO. Из ТМ выбрали Cr, Cu, Ni и Pb, поскольку ими в значительной степени загрязнены почвы Черноморского побережья Кавказа [2]. Кроме

того, для этих металлов можно провести сравнение по степени токсического эффекта, так как их предельно допустимые концентрации (ПДК) составляют 100 мг/кг почвы. Использовали значения ПДК, разработанные в Германии [6]. 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. ТМ вносили в почву в количестве 1, 10, 100 ПДК, что соответствует 100, 1000 и 10000 мг/кг, дозы нефти составили 1, 5, 10% от массы почвы.

Почву инкубировали в вегетационных сосудах при комнатной температуре (20-22 ° С) и оптимальном увлажнении (60% от полевой влагоемкости) в трехкратной повторности. Состояние почвы определяли через 30 суток после загрязнения. Этот срок проявил себя наиболее информативным при исследовании влияния химического загрязнения на биологические свойства почвы. Лабораторно-аналитические исследования были выполнены с использованием общепринятых в экологии методов [9,5]. Были проведены биохимические, микробиологические, фитотоксические анализы. Анализировали общую численность бактерий, обилие бактерий рода Azotobacter , активность каталазы и дегидрогеназы, целлюлозолитическую активность, фитотоксические свойства почвы. Общую численность бактерий в почве учитывали методом люминесцентной микроскопии по Звягинцеву, Кожевину, Azotobacter — методом комочков обрастания на среде Эшби, целлюлозолитическую способность — по степени разложения хлопчатобумажного полотна, о фитотоксичности почв судили по изменению длины корней редиса. Активность каталазы — по методике Галстяна, дегидрогеназы — по методике Галстяна в модификации Хазиева,

Определяли интегральный показатель биологического состояния (ИПБС) почвы [5]. Для расчета ИПБС значение каждого из указанных выше показателей на контроле (в незагрязненной почве) принимали за 100% и по отношению к нему выражали процентное значения всех остальных вариантов опыта (в загрязненной почве). После определяли среднее значение 5 выбранных показателей для каждого варианта опыта. Полученное значение ИПБС выражали в процентах по отношению к контролю (к 100%). Данная методика позволяет интегрировать относительные значения разных показателей, абсолютные значения которых не могут быть интегрированы, так как имеют разные

Известия Самарского научного центра Российской академии наук, том 18, №2(2), 2016

единицы измерения. Для проверки полученных данных на достоверность был проведен дисперсионный анализ с определением наименьшей существенной разности (НСР).

Результаты и их обсуждение. По результатам исследования было установлено, что загрязнение солончака гидроморфного сорового карбонатного Pb, Cr, Ni, Cu и нефтью приводит к ухудшению его биологического состояния. В большинстве случаев наблюдалось достоверное снижение исследованных биологических показателей (рис. 1-7): общей численности бактерий, активности, целлюлозолитической, обилия бактерий рода Azotobacter, активности каталазы и дегидрогеназы, длины корней редиса, ИПБС. Механизмы токсического действия ТМ на биологические свойства почвы определяется тем, что клеточные мембраны имеют большое количество лигандов, способных связываться с ТМ. При взаимодействии их с ТМ могет нарушаться их структура, с возникновением микропор, которые, в свою очередь, изменяют транспорт ионов. В цитоплазме клетки ТМ легко связываются с сульфгидрильными группами белков, приводя к нарушению всех биохимических процессов клетки.

Касаемо токсического действия нефти, то она действует на биологические показатели почвы косвенно, обволакивая почвенные частицы плотной пленкой, тем самым ограничивая возможность протекания в живых организмах многих биологических процессов. Также входящие в ее состав фенолы, углеводороды могут в значительной степени накапливаться в почве, образуя ядовитые для живой клетки продукты окисления - гексадециловый спирт, пальмитиновая, бензойная, салициловая кислоты и др. Степень снижения биологических показателей, как правило, коррелировала с концентрацией загрязняющих веществ в почве.

По степени негативного воздействия на биологические показатели солончака гидроморфного соро-вого карбонатного оксиды ТМ образуют следующий ряд: CrO 3 (52) > PbO (61) ≥ NiO (62) ≥ CuO (65). Полученные результаты свидетельствуют о том, что наиболее значительное негативное воздействие оказал Cr. Pb, Ni и Cu проявили меньшее по силе токсическое воздействие. Схожая закономерность была получена в исследованиях, проведенных ранее, с другими почвами Юга России: черноземами обыкновенными, южными, типичными, выщелоченными, черноземами слитыми, бурыми и серыми лесными, дерново-карбонатными, горно-луговыми, каштановыми. Однако такая последовательность ТМ по их экологической опасности для почв в ряде случаев не полностью совпадает с результатами, полученными в других исследованиях. По-видимому, высокая токсичность хрома в данном исследовании определяется тем, что был использован высший оксид хрома (CrO 3 ), в котором хром находится в степени окисления +6 и обладает значительной окислительной способностью. В опыте использовали эту форму оксида, поскольку она чаще попадает в почву. Степень токсичности Cr по сравнению с тремя другими металлами - Pb, Ni, Cu, в солончаке гидроморфном соровом карбонатном была значительна, поскольку почва обладает слабощелочной реакцией среды, следовательно, это условие дает высокую подвижность CrO 3 ,а вместе с этим большую токсичность его производного - хромата. Более того, в слабощелочной реакции среды Cr проявляет анионообразующие свойства. Подобное воздействие Cr наблюдалось в иных щелочных и нейтральных почвах (например, в черноземах). Невысокая токсичность Pb, по-видимому, обусловлена

относительно высоким содержанием в солончаке гумуса (2,7%), и, соответственно, гуминовых кислот, которые сильнее связывают Pb, чем Cu. В почвах с меньшим содержанием гумуса (бурые лесные, бурые полупустынные), Pb часто более токсичен, чем Cu и Ni.

Рис. 1. Влияние химического загрязнения на активность каталазы солончака гидроморфного сорового карбонатного (% от контроля)

Рис. 2. Влияние химического загрязнения на активность дегидрогеназы солончака гидроморфного сорового карбонатного (% от контроля)

Рис. 3. Влияние химического загрязнения на численность бактерий р. Azotobacter в солончаке гидроморфном соровом карбонатном (% от контроля)

Рис. 4. Влияние химического загрязнения на фитотоксичность солончака гидроморфного сорового карбонатного (% от контроля)

Рис. 5. Влияние химического загрязнения на целлюлозолитическую активность солончака гидроморфного сорового карбонатного (% от контроля)

Рис. 6. Влияние химического загрязнения на численность бактерий в солончаке гидроморфном соровом карбонатном (% от контроля)

Рис. 7. Влияние химического загрязнения на ИПБС солончака гидроморфного сорового карбонатного (% от контроля)

«Средний» уровень биологической активности, от которой зависит скорость разложения нефти в почве, и «средняя» степень оструктуренности, от которой зависят водно-воздушные и окислительно-восстановительные условия в почве, определяют «средний»

уровень устойчивости солончака гидроморфного соро-вого карбонатного к загрязнению нефтью по сравнению с другими почвами Юга России.

Выводы:

• 1.    Загрязнение солончака гидроморфного сорового карбонатного полуострова Тамань Cr, Cu, Ni, Pb, нефтью приводит к ухудшению его биологических свойств: снижается общая численность бактерий, активность каталазы и дегидрогеназы, целлюлозолитическая способность, обилие бактерий рода Azotobacter , усиливаются фитотоксические свойства почвы.

• 2.    По степени негативного влияния на биологические свойства солончака гидроморфного сорового карбонатного тяжелые металлы образуют следующий ряд: Cr (52) > Pb (61) ≥ Ni (62) ≥ Cu (65).

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).