Экспериментальная микробиологическая рекультивация отвалов Бородинского угольного разреза

Введение. Разработка угольных месторождений влечет за собой разрушение почвенного и растительного покрова, нарушение естественного рельефа, изменение гидрологического режима и микроклимата, трансформацию сложившихся природных циклов углерода и азота, вынос на дневную поверхность значительных объемов горных пород [1, 2, 8, 13]. Восстановление почв как первообразующего компонента биоценоза является необходимым условием регенерации техногенного ландшафта, а значит, и главной целью рекультивации отвалов угольных разрезов. Однако в большинстве случаев темпы рекультивационных работ значительно отстают от объемов нарушения земель, а применяемые технологии рекультивации имеют низкий уровень экологической эффективности [4, 13]. Восстановление почвы как сложной биокостной экологической системы - наиболее сложный процесс, объединяющий формирование механической структуры почвогрунтов, их химического состава, водного и воздушного режима и, наконец, биологического насыщения. Фактически на техногенных субстратах проходит ювенильный этап процесса почвообразования, даже несмотря на нанесение плодородного слоя почвы на горные породы отвалов. Совершенно очевидно, что для повышения эффективности биологической реабилитации и ускорения почвообразовательного процесса требуется разработка новых методических подходов в технологию проведения рекультивационных работ.

Морфология почвенного профиля, физико-химические свойства почв, скорость круговорота веществ напрямую связаны с активностью микрофлоры [5]. Поскольку интенсивность почвообразовательных процессов на первых этапах восстановления отвалов во многом определяется активностью микрофлоры, как наиболее активного и пионерного компонента педобионтов, быстро реагирующих на изменение физикохимических свойств почвогрунтов [9, 13], предполагается, что интродукция в ювенильную почву популяций микроорганизмов повысит биологическую активность почвогрунтов и позволит ускорить процессы первичного почвообразования на отвалах Бородинского буроугольного разреза.

Цель исследований. Оценка влияния бакпрепарата и дополнительных источников органического вещества на повышение биологической активности и продуктивности отвалов Бородинского буроугольного разреза.

Материалы и методы исследований. Территория Бородинского буроугольного разреза (восточная часть КАТЭК) расположена в Канской котловине, которая в соответствие со схемой природной зональности Средней Сибири является северной окраиной степной зоны [12]. По почвенно-географическому районированию изучаемая территория относится к Красноярско-Канской подпровинции выщелоченных и обыкновенных черноземов, лугово-черноземных и серых лесных длительносезонномерзлотных почв [11].

Закладка эксперимента по микробиологической рекультивации техногенных поверхностных образований (ТПО) проводилась на двух пятилетних отвалах с нанесением плодородного слоя почвы (ПСП) (реплан-тозем) и без (литострат) [6]. Верхний 20 см слой ТПО предварительно взрыхляли фрезой, затем размечали участки (2*2 м) с разными вариантами эксперимента (рис. 1).

Рис. 1. Схема закладки эксперимента (цифрами обозначены посевы травянистых растений: 1 – горчица;

2 – клевер красный; 3 – газонная травосмесь (мятлик луговой, овсяница красная); 4 – мелисса)

Каждый участок ограничивали от других слоем толстого полиэтилена, который вкапывали на глубину 25 см (обозначено на схеме двойной линией). Каждый вариант делился на четыре части (1×1 м) для посева тестовых травянистых растений (на схеме обозначены цифрами). В варианте «Контроль» ТПО оставляли без изменений. В варианте «БАК» после посева трав поливали раствором (1:100) бакпрепарата «Кэм Бин Байкал». (Многокомпонентный, многофункциональный экологически безопасный микробиологический препарат. Состав: фототрофные бактерии, молочнокислые гомоферментные кокки, молочнокислые гомофер-ментные и гетероферментативные лактобактерии, азотфиксирующие бактерии, одноклеточные грибы и др. Производитель: Сибирского института физиологии и биохимии растений Сибирского отделения РАН.) Свежие сосновые опилки и навоз на каждый вариант вносили в объеме 20 л, затем проводили посев трав и поливали раствором бакпрепарата.

Образцы для микробиологического анализа отбирали с каждого варианта в начале закладки эксперимента 18.05.2011 года и трижды за вегетационный период: в середине июня, июля и в начале сентября из верхнего слоя 0-10 см. Для каждого варианта отбирали смешанный образец в четырех повторностях по секциям с посевом трав. Определяли численность основных эколого-трофических групп микроорганизмов (ЭК-ТГМ) стандартными методами [7, 14]. В конце вегетативного сезона определяли актуальную продуктивность ТПО по надземной фитомассе тестовых видов трав, которую определяли стандартным методом [10].

Результаты исследований и их обсуждение. Минимальная численность гетеротрофной микрофлоры отмечается в начале вегетационного периода (рис. 2). К июлю она увеличивается в основном за счет олиготрофной и олигонитрофильной группировок и достигает максимума в конце вегетации. При этом значительно возрастает численность органотрофного комплекса и значительно снижается олиготрофность почв в отношении доступного органического вещества и азота. Динамичность структуры и численности микроорганизмов ТПО описана ранее [3] и объясняется поступлением легкогидролизуемого органического вещества и сезонным изменением гидротермических условий.

Отмечено, что численность аммонификаторов во все сроки выше на отвале с нанесением ПСП (уч. №9), причем к концу вегетативного сезона их количество в реплантоземе превышает таковое в литострате (уч. №16) в 3,5 раза, что объясняется бедностью литостратов доступным органическим веществом. Внесение бакпрепарата и дополнительных источников органического вещества на отвалах, как без ПСП, так и с ПСП, сразу же приводит к увеличению численности аммонификаторов в 1,5-3 раза, причем максимальное увеличение их численности наблюдается при внесении бакпрепарата в сочетании с навозом и опилками. Численность олиготрофной микрофлоры также увеличивается при внесении бакпрепарата в сочетании с дополнительными источниками органического вещества. Как и следовало ожидать, численность прототро-фов, использующих минеральные соединения азота и сложные углеводы, мало изменяется. Таким образом, внесение одного бакпрепарата и в сочетании с дополнительными источниками органического вещества приводит к молниеносному увеличению численности гетеротрофной флоры (вероятно, за счет содержания в самом препарате и органическом субстрате пула активных органотрофов).

Через месяц после начала эксперимента количество почти всех ЭКТГМ на отвале с ПСП (№9) снижается в вариантах «БАК» и «БАК+опилки», а в варианте «БАК+навоз» количество микрофлоры возрастает в

• 1,5–9 раз. На отвале без нанесения ПСП (№16) наблюдался устойчивый положительный эффект и почти во всех вариантах численность ЭКТГМ была выше контроля .

В середине июля на отвале с нанесением ПСП количество микроорганизмов всех изучаемых групп возрастает по сравнению с началом сезона, особенно олиготрофных форм, а количество аммонификаторов сравнимо с контролем или ниже его. Численность прототрофов, использующих минеральные соединения азота, напротив, во всех вариантах выше контроля, что свидетельствует об интенсификации процессов микробиологической минерализации органических веществ. Количество олиготрофов во всех вариантах (кроме варианта с опилками) ниже контроля, тогда как численность олигонитрофилов превышает контроль.

На отвале без нанесения ПСП в середине вегетационного сезона несколько иная ситуация: количество аммонификаторов во всех вариантах превышает контроль в 1,3–1,7 раза, кроме варианта с бакпрепа-ратом, где их численность находится на уровне контроля. Численность прототрофов, а также всех олиготрофных форм значительно превышает контроль.

■ Аммонификаторы □ Использующие минеральный азот и сложные углеводы □ Олиготрофы □ Олигонитрофилы

Рис. 2. Сезонная динамика численности ЭКТГМ в верхнем слое ТПО (0–10 см) отвалов с нанесением ПСП (№9) и без нанесения ПСП (№16) в экспериментах с микробиологической рекультивацие

К сентябрю численность гетеротрофной микрофлоры значительно возросла по сравнению с началом сезона, особенно на отвале с ПСП, где максимально увеличивается численность всех ЭКТГМ в вариантах «БАК+навоз» и «Навоз». На отвале без ПСП численность гетеротрофной микрофлоры выше контроля в 1,5– 6 раз в вариантах БАК в сочетании с дополнительными источниками органического вещества и с навозом. Внесение одного бакпрепарата не дало положительного эффекта для микробного комплекса.

Во всех вариантах эксперимента наблюдалось увеличение фитомассы тестовых травянистых растений (рис. 3). На отвале с ПСП создаются лучшие условия по обеспеченности питательными веществами и азотом для произрастания растений, при этом максимальное увеличение продуктивности отмечено в варианте «БАК+навоз». Актуальная продуктивность почвогрунтов без ПСП выше в вариантах «БАК+навоз» и «Навоз». Общая численность гетеротрофной микрофлоры хорошо коррелирует с запасам фитомассы (r=0,59–0,84), а количество аммонификаторов имеет более тесную связь с запасами клевера и горчицы (r=0,68–0,83).

Рис. 3. Запасы надземной фитомассы на отвалах с нанесением ПСП (№9) и без нанесения ПСП (№16) в экспериментах с микробиологической рекультивацией

Заключение

Изучена сезонная динамика численности эколого-трофических групп микроорганизмов в экспериментах с внесением бакпрепарата и дополнительных источников органического вещества (опилки и навоз) на двух пятилетних отвалах с нанесением ПСП и без. Показано, что сразу после внесения бакпрепарата и дополнительных источников органического вещества увеличивается численность гетеротрофной микрофлоры. В середине вегетационного периода эффект от рекультивационных мероприятий на участке с ПСП несколько сглаживается, но достигает максимума к концу сезона. Прослеживается тенденция максимального увеличения численности гетеротрофной микрофлоры на обоих отвалах при внесении БАК в сочетании с дополнительными источниками органического вещества и с навозом. Общая численность гетеротрофной микрофлоры и количество аммонификаторов хорошо коррелируют с данными по запасам фитомассы травянистых растений. Полученные результаты показывают недостаток органического вещества для развития микробного комплекса на отвалах без ПСП. Внесение бакпрепарата эффективно в сочетании с органическими удобрениями и может быть рекомендовано для улучшения плодородия почвогрунтов отвалов Бородинского буроугольного разреза.