Влияние биопрепарата на основе липидного экстракта гриба Mortierella alpina на снижение нефтезагрязнения почвы

DOI:

Нефть и нефтепродукты являются распространенными загрязнителями всех компонентов природной среды, в том числе почвен- ного покрова. В РФ в 2020 году ущерб от загрязнения нефтепродуктами увеличился с 1,0 до 5,1 млрд рублей по сравнению с 2019 годом [7; 8]. По причине большой концентрации промышленных предприятий и заводов Ниж- нее Поволжье находится в двадцатке регионов, где наблюдаются повышенные объемы выбросов загрязняющих веществ, поэтому с этим существуют острые экологические проблемы данной территории [4; 5].

Почва выступает в качестве своеобразного «депо», куда различные загрязняющие вещества попадают в результате деятельности человека и переноса выбросов их природных и антропогенных источников, и наиболее подвержена загрязнениям. Под влиянием неф-тезагрязнения в почве происходят глубокие, а иногда и необратимые изменения морфологических, физических, физико-химических, микробиологических свойств, приводящие к потере продуктивности земель, а нередко и полной деградации ландшафтов, что негативно сказывается на росте и развитии растений, произрастающих на этих почвах [1; 3; 8; 9].

В свою очередь, в соответствии со своими природно-экономическими условиями и ресурсами Нижнее Поволжье выступает как крупный производитель овощной продукции и устойчиво дает 4–5 % овощей для страны или почти 30 % в объеме производства по югу России [10]. Культура томат в этом регионе поданным на 2020 г. занимала 4-е место среди основных овощных культур по посевным площадям, валовой сбор при этом составил 45,62 тыс. т. Необходимость разработки и применения новых, эффективных, недорогих и экологически безвредных методов очистки почв в агроэкосистеме от нефтяных загрязнений очевидна, в том числе и с использованием биопрепаратов, в состав которых входят жизнеспособные клетки углеводородокисляющих микроорганизмов и их бактериальные ассоциации [6]. Целью наших исследований являлось обоснование трансформации основных агрохимических и микробиологических параметров светлокаштановой почвы в посевах томата при нефтяном загрязнении почв юга-востока России.

Материалы и методы

Полевые эксперименты проводились с 2013 по 2020 г. в условиях полевых стационарных опытов при возделывании овощной культуры томат сорта Геркулес в качестве биотеста и с использованием регулятора роста Биодукс.

Почвы опытных участков – светло-каштановые тяжелосуглинистые, загрязненные нефтью. Делянки полевых опытов представляют собой бездонные ящики, заделанные в почву на глубину 0,30 м. Площадь делянок 0,50 м2, повторность опыта 4-кратная. Почва была искусственно загрязнена товарной нефтью заливкой делянок с поверхности из расчета 1; 5; 10 % от массы почвы. Посев семян томата производили через 5 суток после внесения загрязнителя в почву.

Варианты опыта: 1) контроль (фоновая почва); 2) обработка семян и растений томата регулятором роста; 3) загрязненная нефтью почва в различных концентрациях (1; 5; 10 %); 4) обработка семян и растений регулятором роста + загрязнение почвы нефтью (1; 5; 10 %).

Норма применения препарата Биодукс при замачивании семян на 60 минут – 0,2 мл/кг (расход рабочей жидкости – 2л/кг), при опрыскивании в фазе начала бутонизации – 3 мл/га и 400 л/га, соответственно [2; 6]. Биодукс является препаратом для предпосевной и вегетационной обработок сельскохозяйственных культур на основе комплекса биологически активных полиненасыщенных жирных кислот гриба Mortierella alpina .

Агрохимические анализы почв были выполнены общепринятыми методами: содержание гумуса и органического вещества по методу И.В.Тюрина в модификации ЦИНАО в соответствии с ГОСТ 26213-91; рН солевой суспензии в модификации ЦИНАО в соответствии ГОСТ 26483-83; содержание подвижного фосфора и обменного калия (ГОСТ 26207-91), общего азота (ГОСТ 26107-84). Для общей характеристики почв проводился анализ водной вытяжки в соотношении почва-вода 1:5. Было определено содержание катионов – Са, Mg, Na и анионов – Cl, SO4, HCO3.

Для выявления общего количества микроорганизмов, усваивающих органические формы азота. использовали мясо-пептонный агар (МПА), минеральные формы азота – крахмало-аммиачный агар (КАА), микроскопических грибов – среду Чапека. На МПА подсчитывали колонии бактерий, на средах КАА и Чапека – колонии бактерий, грибов и актиномицетов. Посевом почвы на поверхность пластинки агара методом комочков оп- ределяли целлюлозоразлагающие бактерии на среде Гетчинсона.

Статистическая обработка результатов анализов проведена методом дисперсионного анализа с использованием программ для Microsoft Excel.

Результаты и обсуждение

Многочисленные исследования показывают крайне негативное влияние нефтяного загрязнения почвы на рост и развитие культурных растений из различных ботанических семейств. При этом основными факторами являются токсическое действие углеводородов нефти и изменение физико-химических свойств почвы. Рост гидрофобности и другие изменения физических свойств почвы обусловлены тяжелыми фракциями углеводородов, а прямой токсический эффект определяется легкими фракциями углеводородов нефти. Кроме того, обволакивание нефтью почвенных частиц препятствует миграции подвижных форм фосфора, азота, калия и других незаменимых элементов в раствор и тем самым может вызвать угнетение растений за счет недостатка элементов питания. Растения в процессе своей жизнедеятельности входят в сложные взаимоотношения с микроорганизмами, населяющими почву.

Проведенные нами исследования показали, что в процессе загрязнения почвы нефтепродуктами наблюдалось в значительной степени колебание реакция почвенной среды. Данные о влиянии нефтяного загрязнения на изменение состава почвы в слое 0,0–0,3 м в среднем за годы исследований представлены в таблице 1.

Установлено, что с возрастанием степени нефтезагрязнения почвы прослеживалась тенденция к подщелачиванию почв исследуемого участка и снижению уровня гидролитической кислотности с 6,1 в незагрязненной почве до 8,4 при нефтезагрязнении почвы в 10 %-ной концентрации. Отмечается, что обработка семян и вегетирующих растений томата регулятором роста Биодукс способствовала незначительному повышению значения pH – 6,4 % на фоновой почве без загрязнения и снижению значения pH на 0,4 % при максимальной концентрации нефтезагрязнения. Уменьшение кислотности и появление щелочности было связано с заменой ионов водорода в почвенном поглощающем комплексе на ионы натрия, доля которого на загрязненных нефтью почвах резко возрастала на 0,486 % от массы почвы (100 г) относительно варианта с незагрязненной почвой.

В годы исследований отмечалось возрастание в почве исследуемых участков соотношения между количеством углерода и азота, наблюдалось увеличение доли нерастворимого осадка в гумусе, что уменьшало стойкость почвенно-поглощающего комплекса к неблагоприятным внешним воздействиям и приводило к снижению плодородия почвы (см. табл. 2).

В результате исследований установлено, что в составе гумуса загрязненных нефтью почв замедлялись процессы минерализации

Таблица 1

Влияние нефтяного загрязнения на изменение состава почвы в слое 0,0–0,3 м, среднее за 2013–2020 гг.

Вариант опыта рН Сумма ионов % от массы почвы (100 г) Са2+ Mg2+ Na+ HCO3- Cl - SO42- Контроль (фоновая почва) 6,1 0,124 0,018 0,004 0,016 0,043 0,018 0,025 Биодукс 6,4 0,131 0,019 0,003 0,017 0,044 0,017 0,031 Нефтезагрязнение в концентрации 1 % 7,5 0,392 0,015 0,003 0,145 0,052 0,134 0,043 Нефтезагрязнение в концентрации 5 % 7,9 0,697 0,013 0,002 0,305 0,061 0,258 0,058 Нефтезагрязнение в концентрации 10 % 8,4 1,308 0,010 0,001 0,567 0,089 0,565 0,076 Биодукс + нефтезагрязнение в концентрации 1 % 7,2 0,351 0,016 0,003 0,131 0,050 0,112 0,039 Биодукс + нефтезагрязнение в концентрации 5 % 7,7 0,617 0,014 0,002 0,275 0,059 0,217 0,050 Биодукс + нефтезагрязнение в концентрации 10 % 8,0 1,161 0,012 0,001 0,502 0,081 0,498 0,067 органического вещества, что сказывалось на азотном режиме почвы и в конечном итоге на росте и продуктивности растений.

Изучение содержания минеральных форм азота в почве показало, что под действием нефтезагрязнения количество катионов аммония (N-NH4+) снижалось более чем в два раза – с 3,7 мг/кг почвы на контрольном варианте до 1,8 мг/кг при 10 %-ном загрязнении почвы нефтепродуктами. При использовании препарата Биодукс на загрязненной почве отмечалось незначительное повышение этого показателя относительно значений на варианте с загрязненной почвой.

Однако при уровне нефтезагрязнения почвы в концентрации 1 % наблюдалось возрастание в почве количества нитратной формы азота (N-NO3-) в среднем по годам исследований на 37,5 % по отношению к незагрязненной почве. При 5 %-ном загрязнении отмечалось снижение до 2,9 мг/кг воздушно-сухой почвы, а при 10 %-ном загрязнении нитратная форма вообще не была обнаружена.

Установлено, что нефтезагрязнение почвы в посевах томата приводило к нарушению питания растений основными макро- и микроэлементами. Так, в контрольных образцах почвы содержание азота, фосфора и калия было несколько ниже, чем на загрязненных участках. Объясняется это выносом микроэлементов растениями, возделываемыми на иссле- дуемых почвах. На загрязненных участках не наблюдался вынос минеральных веществ из почвы, поскольку, по нашему мнению, загрязнение почвы нефтепродуктами действовало угнетающе на рост и развитие растений томата. Таким образом, на нефтезагрязненных почвах наблюдалось повышение показателей содержания общего азота, подвижных форм фосфора и калия.

Особое значение в освобождении почв от нефтепродуктов, как известно, принадлежит почвенной микрофлоре. Изменение видового состава некоторых групп микроорганизмов обнаруживает более определенную связь со степенью нефтяного загрязнения. При высокой степени нефтяного загрязнения может произойти полное подавление роста и развития микроорганизмов.

Проведенные исследования показали, что внесение нефтепродуктов в почву в концентрации 1 и 5 % стимулировало развитие практически всех исследованных групп почвенных микроорганизмов, за исключением целлюлозоразрушающих (см. табл. 3).

В почве проходили многосторонние реакции, связанные с превращением азота. Цикл превращений азотсодержащих соединений в почве имел непосредственное отношение с развитием и биохимической деятельностью аммонифицирующих, нитрифицирующих, денитрифицирующих и азотфиксирующих микроорганизмов. Количество микроорганизмов,

Таблица 2

Влияние нефтяного загрязнения на агрохимические свойства почвы в слое 0,0–0,3 м, среднее за 2013–2020 гг.

Вариант опыта Углерод Азот Органическое вещество N-NO3- N-NH4+ Р2О5 К2О % мг/кг воздушно-сухой почвы Контроль (фоновая почва) 1,71 0,10 2,04 27,5 3,7 85 363 Биодукс 1,68 0,10 2,06 28,0 3,6 84 361 Нефтезагрязнение в концентрации 1 % 1,81 0,12 1,89 37,8 2,7 89 426 Нефтезагрязнение в концентрации 5 % 1,89 0,13 1,61 2,9 2,3 92 495 Нефтезагрязнение в концентрации 10 % 2,34 0,13 1,43 не обнаружено 1,8 96 543 Биодукс + нефтезагрязнение в концентрации 1 % 1,76 0,12 1,90 34,7 2,9 88 398 Биодукс + нефтезагрязнение в концентрации 5 % 1,82 0,13 1,65 3,2 2,4 90 445 Биодукс + нефтезагрязнение в концентрации 10 % 2,23 0,13 1,45 1,7 2,0 93 486 которые использовали органические формы азота (на МПА), было первоначально (через 3 суток) ниже, чем на контроле. Однако уже через 1 месяц численность восстанавливалась и по истечении 3 месяцев она превосходила значения в контрольных вариантах. Подобного рода картина отмечалась при исследовании влияния нефтезагрязнения на количественный состав микроорганизмов, которые способны использовать минеральные формы азота (на КАА), и через 1 год количество этих групп микроорганизмов в загрязненной почве была выше, чем в фоновых почвах.

Грибы, как стало известно, проявили себя самыми устойчивыми к нефтяному загрязнению почвы микроорганизмами. Обработка семян и растений томата регулятором роста практически не оказывала влияние на их численность. Внесение 1 % нефти в почву увеличивало содержание грибов на 1,1 %, при внесении 10 % нефти численность грибов повышалась в 1,5 раза. Обработка семян и растений томата регулятором роста на загрязненной почве несколько снижала дальнейшее возрастание количества сапрофитных грибов в почве. Это было связано с тем, что повышение численности грибных зачатков коррелировало с усилением спорообразования в присутствии высоких концентраций нефти, превосходя по количеству микроорганизмы на фоновых почвах.

Высокий уровень загрязнения нефтяными углеводородами ингибировал численность и видовой состав микроорганизмов, обедняя комплексы почвенных актиномице-тов. Численность актиномицетов в почве в соответствующем количестве является показателем степени ее загрязнения нефтью и может быть использована для биологического мониторинга.

Обработка семян биопрепаратом оказала неоднозначное влияние на численность микроорганизмов различных физиологических групп, в том числе и целлюлозоразрушающих микроорганизмов. Их численность повышалась при обработке посевов биопрепаратом, что свидетельствовало об интенсификации процессов разложения клетчатки и, соответственно, улучшении углеводного питания растений под влиянием метаболитов эндомикоризного гриба, входящего в состав биопрепарата.

В ходе проведенных исследований обнаружена определенная взаимосвязь между микробным потенциалом и токсичностью загрязненных нефтью почв. При этом было отмечено снижение темпов роста и развития растений томата или их гибели под влиянием антропогенного загрязнения почвы нефтью за счет нарушения поступления элементов питания, водных ресурсов и поступления кислорода.

Таблица 3

Влияние нефтяного загрязнения на численность и состав почвенной микрофлоры в посевах томата, среднее за 2013–2020 гг.

Вариант опыта	Микроорганизмы, растущие на МПА	Микроорганизмы, растущие на КАА	Грибы на среде Чапека	Актино-мицеты	Целлюлозоразрушающие микроорганизмы
	млн, г почвы		тыс., г почвы
Контроль (фоновая почва)	3,6	2,3	2,1	325,4	0,48
Биодукс	3,9	2,6	2,2	386,7	0,52
Нефтезагрязнение в концентрации 1 %	4,1	2,8	2,4	452,6	0,40
Нефтезагрязнение в концентрации 5 %	4,5	3,2	2,7	375,3	0,36
Нефтезагрязнение в концентрации 10 %	4,9	3,5	3,1	256,3	0,31
Биодукс + нефтезагрязнение в концентрации 1 %	4,3	3,0	2,3	412,5	0,44
Биодукс + нефтезагрязнение в концентрации 5 %	4,8	3,5	2,5	331,2	0,39
Биодукс + нефтезагрязнение в концентрации 10 %	5,2	4,1	2,8	297,2	0,35
НСР 0,5	0,12	0,2	0,14	28,6	0,03

Заключение

Результаты исследования показали, что изменение агрохимических свойств светлокаштановых почв Нижнего Поволжья коррелирует со степенью загрязнения; при нефте-загрязнении почвы в 10 %-ной концентрации отмечается наибольшее неблагоприятное воздействие на процессы минерализации органического вещества, а также численность и состав почвенной микробиоты в посевах томата. Нефтепродукты при попадании в почву приводили к изменению ее биологической активности, негативно влияли на рост, развитие и, в итоге, на урожайность овощной культуры. Под влиянием исследуемого препарата Биодукс при использовании его для предпосевной и вегетационной обработки отмечалось формирование у растений томата устойчивости к стрессовым условиям произрастания культуры в Нижневолжском регионе.