Влияние мелиорантов на биологическое состояние чернозема при нефтезагрязнении Минникова Татьяна Владимировна

Содержание к диссертации

Введение

Глава 1. Обзор литературы. Влияние загрязнения нефтью на свойства почв и экосистем 11

1.1 Состав нефти и нефтепродуктов 11

1.2. Источники техногенного загрязнения нефтью почвы 13

1.3. Влияние загрязнения нефтью на компоненты экосистем 16

1.4. Влияние загрязнения нефтью на биологические свойства почв 18

1.5 Биоремедиация нефтезагрязненных почв 21

Глава 2. Объект исследования 26

Глава 3. Методы исследования 32

3.1 Характеристика нефти и мелиорантов 32

3.2. Схемы экспериментов 35

3.3 Исследование биологических свойств чернозема 36

3.4 Статистическая обработка результатов 39

Глава 4. Влияние мелиорантов на биологическое состояние чернозема при 5% уровне нефтезагрязнения 40

4.1. Влияние мелиорантов на содержание нефти в почве 40

4.2. Влияние мелиорантов на содержание органического вещества 41

4.3. Влияние мелиорантов на ферментативную активность и интенсивность выделения СО2 43

4.4. Влияние мелиорантов на изменение фитотоксических свойств 51

4.5. Влияние мелиорантов на изменение интегрального показателя биологического состояния (ИПБС) почвы 55

4.6 Использование различных биологических показателей в целях биомониторинга и биодиагностики нефтезагрязненного чернозема после внесения мелиорантов 56

Глава 5. Влияние мелиорантов на биологическое состояние чернозема при 10% уровне нефтезагрязнения 59

5.1. Влияние мелиорантов на содержание нефти 59

5.2. Влияние мелиорантов на изменение содержания органического вещества 60

5.3. Влияние мелиорантов на изменение ферментативной активности и интенсивности выделения СО2 62

5.4. Влияние мелиорантов на изменение фитотоксических свойств 67

5.5. Влияние мелиорантов на общую численность почвенных бактерий 71

5.6. Влияние мелиорантов на изменение интегрального показателя биологического состояния (ИПБС) чернозема 72

5.7 Использование различных биологических показателей в целях биомониторинга и биодиагностики нефтезагрязненного чернозема после внесения мелиорантов 73

5.8 Многофакторный дисперсионный анализ 77

Выводы 79

Список литературы 81

Приложения 98

• Влияние загрязнения нефтью на биологические свойства почв
• Влияние мелиорантов на ферментативную активность и интенсивность выделения СО2
• Влияние мелиорантов на изменение ферментативной активности и интенсивности выделения СО2
• Использование различных биологических показателей в целях биомониторинга и биодиагностики нефтезагрязненного чернозема после внесения мелиорантов

Введение к работе

Актуальность исследования. Ежегодно в мире загрязнению нефтью и нефтепродуктами подвергаются миллионы гектаров почвы. Многими исследователя установлено, что при загрязнении нефтью происходит ухудшение биологического состояния почв, и, как следствие, нарушение их сельскохозяйственных и экологических функций (Исмаилов, Пиковский, 1985; Хазиев и др., 1988; Габбасова и др., 1997; Киреева и др., 1998; 2009, Трофимов и др., 2000; Пиковский и др., 2003; Геннадьев, Пиковский, 2007; Колесников и др., 2006, 2011, 2012, 2013; Эркенова и др., 2016; Serrano et al., 2009; Mikkonen et al., 2011; Minnikova et al., 2018; Polyak et al., 2018).

В настоящее время для ликвидации загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами используют различные способы мелиорации. В качестве мелиорантов используют разные по природе и механизмам вещества: бактериальные препараты, удобрения, минеральные сорбенты (Каниськин и др., 2007; Колесников и др., 2011; Филатов и др., 2011; Ефремова и др., 2016; Dindar et al., 2013). При этом основное внимание уделяется эффективности разложения нефти, а изменение состояния почвы остается малоизученным. Наиболее информативными показателями для оценки состояния почвы при нефтезагрязнении, как и при других антропогенных воздействиях, являются биологические показатели и первыми реагируют на внешнее воздействие на почву и коррелируют с концентрацией загрязняющего вещества в почве (Хазиев, Фатхиев, 1981; Кайгородова, 1996; Киреева и др., 2009; Колесников и др., 2006, 2007, 2011; Петров и др., 2015; Казеев и др., 2016; Serrano et al., 2009; Mikkonen et al., 2011).

Цель работы — изучить влияние мелиорантов различной природы (мочевины, глауконита, гумата калия и «Dop-Uni») на биологическое состояние чернозема обыкновенного при загрязнении нефтью.

Задачи исследования:

1. Установить закономерности влияния мелиорантов на биологическое состояние нефтезагрязненного чернозема в зависимости от их природы (источник азота — мочевина, минеральный сорбент — глауконит, гуминовый препарат — гумат калия, бактериальный препарат — «Dop-Uni»).

2. Оценить эффективность разложения нефти разными мелиорантами в зависимости от их природы и механизма действия (связывание или разложение нефти).

3. Изучить раздельное и совместное воздействие мелиорантов на биологические свойства чернозема при нефтезагрязнении.

4. Выявить наиболее информативные и чувствительные показатели для оценки биологического состояния нефтезагрязненной почвы после применения мелиорантов.

Основные положения, выносимые на защиту:

5. По стимулирующему действию на биологическую активность нефтезагрязненного чернозема исследованные мелиоранты располагаются в следующей последовательности: гумат калия > глауконит > «Dop-Uni» > мочевина.

6. По эффективности разложения нефти, исследованные мелиоранты образуют следующий ряд: гумат калия (гуминовый препарат) > «Dop-Uni» (бактериальный препарат) > мочевина (источник азота).

7. При совместном использовании мочевины и гумата калия наблюдается синергетический эффект, что свидетельствует о целесообразности их совместного применения. При внесении мочевины с «Dop-Uni» проявляется антагонистический эффект.

8. По чувствительности к применению мелиорантов при нефтезагрязнении чернозема биологические показатели образуют следующую последовательность: активность инвертазы > активность каталазы > активность фосфатазы активность уреазы > длина корней длина побегов пероксидаз полифенолоксидаз численность бактерий.

9. По информативности использованные биологические показатели состояния почвы образуют ряд: активность инвертазы > активность каталазы > пероксидаз > полифенолоксидаз > длина корней > высота побегов > активность фосфатазы активность уреазы > численность бактерий.

Научная новизна. Впервые дана оценка влияния мелиорантов различной природы (источник азота — мочевина, минеральный сорбент — глауконит, гуминовый препарат — гумат калия, бактериальный препарат — «Dop-Uni») и с различными механизмами действия (связывание или разложение нефти) на биологическое состояние чернозема. Исследованы совместное и раздельное применение мелиорантов, динамика восстановления биологического состояния почвы, разные уровни нефтезагрязнения. Дана оценка чувствительности и информативности биологических показателей чернозема после применения мелиорантов.

Практическая значимость. Результаты могут быть использованы при выборе
способа восстановления почвы после нефтезагрязнения. Обоснована

целесообразность использования каждого конкретного мелиоранта в зависимости от их природы, механизма действия, сочетаемости с другими мелиорантами. Полученные результаты используются для преподавания в Южном федеральном университете при преподавании дисциплин: «Экология, природопользование и охрана окружающей среды» бакалаврам, «Оценка антропогенного воздействия на экосистемы» аспирантам, в проектной деятельности бакалавров и магистров, при подготовке курсовых и выпускных квалификационных работ бакалавров и магистров.

Личный вклад автора. В диссертации представлены результаты

диссертационного исследования, проведенные за 2015-2018 гг. Название, цель, задачи, объекты и методы исследования определены и проанализированы автором лично и совместно с научным руководителем. Лабораторные модельные эксперименты и аналитические исследования проведены автором лично. Обобщение результатов, формулировка выводов и защищаемых положений были сделаны автором лично при участии научного руководителя.

Апробация работы. Полученные результаты были доложены на научных
конференциях: «Эволюция и деградация почвенного покрова» (Ставрополь, 2015,
2017); «Докучаевские молодежные чтения» (Москва, 2017); «Проблемы деградации и
охраны почв», Вильямсовские чтения (Москва, 2017); «Красная книга почв и ее
значение для охраны почвенного покрова» (Ялта, 2015); Международной
конференции молодых ученых стран БРИКС (Ростов-на-Дону, 2015); «Радиационная
и промышленная экология» (Ростов-на-Дону, 2016); «Техногенные системы и
экологический риск» (Обнинск, 2015-2018); «Проблемы природоохранной

организации ландшафтов» (Новочеркасск, 2017); «Современные технологии в изучении биоразнообразия и интродукции растений» (Ростов-на-Дону, 2017); «Актуальные вопросы экологии и природопользования» (Ростов-на-Дону, 2015-2017); «Ломоносов» (Москва, 2016-2018); «Экология и биология почв» (Ростов-на-Дону, 2014-2017); «Современное состояние черноземов» (Ростов-на-Дону, 2018) и другие.

Соответствие паспорту специальности. Диссертация соответствует

подразделу паспорта специальности «Прикладная экология»: разработка принципов и практических мер, направленных на охрану живой природы как на видовом, так и экосистемном уровне; исследование влияния антропогенных факторов на экосистемы различных уровней с целью разработки экологически обоснованных норм воздействия хозяйственной деятельности человека на живую природу.

Публикации. Опубликовано 58 научных работ, объемом 12,5 п.л., из них 5 статьи в изданиях, индексируемых в базах Web of Science и Scopus, 10 статей в изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией (ВАК). Процент участия автора в публикациях составляет 60%.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 107 страницах печатного текста и содержит 11 таблиц и 28 рисунков. Список литературы включает 160 источников, в том числе 31 источников на английском языке.

Конкурсная поддержка работы. Исследование выполнено при государственной поддержке ведущих научных школ РФ (гранты Президента РФ НШ-2449.2014.4, НШ-9072.2016.11, НШ-3464.2018.11), Президента РФ для молодых кандидатов наук (МК-326.2017.11) и Минобрнауки России (6.345.2014/K, 5.5735.2017/8.9).

Благодарности. Автор благодарен за помощь в работе своему научному руководителю, зав. кафедрой экологии и природопользования ЮФУ, д.с.-х.н.,

профессору С.И. Колесникову; профессору кафедры экологии и природопользования, д.б.н. Т.В. Денисовой; профессору кафедры экологии и природопользования, д.г.н, профессору К.Ш. Казееву за ценные советы и рекомендации при написании диссертации. За постоянную помощь и поддержку также автор благодарен всем сотрудникам кафедры экологии и природопользования Академии биологии и биотехнологии им. Д.И. Ивановского Южного федерального университета.

Влияние загрязнения нефтью на биологические свойства почв

Влияние загрязнения нефтью и нефтепродуктами на численность почвенных бактерий. В статье С.И. Колесникова с соавторами (2012) подтвердились ранее сделанные выводы о чувствительности бактериального сообщества нефтезагрязненных черноземов (Колесников и др., 2007) в сравнении с загрязнением мазутом на Майкопском полигоне чернозема слитого, где показано отсутствие влияния загрязнения мазутом на обилие бактерий р. Azotobacter. Авторы утверждают, что увеличение концентрации нефти и нефтепродуктов в почве приводит к увеличению морфотипов и снижению степени доминирования Bacillus megaterium. Однако подобные тенденции не характерны для бурой лесной почвы, устойчивость которой к мазутному загрязнению выражена слабее, что показано авторами в предыдущих публикациях (Гайворонский, Колесников, 2008; Ротина, Колесников, 2008). С.И. Колесникова с соавторами (2010) представлено, что численность аммонифицирующих бактерий, целлюлозолитическая активность которых по данным при загрязнении почв юга России нефтью, так же и мазутом с ростом концентрации, снижались на 20-30% относительно контроля.

Современные подходы к биоремедиации почв включают добавление экзогенных нефтеразрушающих бактерий (метод биоаугментации) или добавление химических веществ, таких как поверхностно-активные вещества для эмульгирования нефти и увеличения его биодоступности бактериям – биостимуляции (Gong, 2012; Silva-Castro et al., 2013). Активизация нефтеразрушающей биоты заключается в использовании углеводородов как в качестве источника пищи непосредственно из почвенного раствора, так и путем адгезии с небольшими каплями нефти (Mishra, Singh, 2012; Abdel-Megeed et al., 2014). Хотя эмиссия СО2 – косвенный показатель биологической активности почвы, определение этого показателя дает экспрессную оценку степени разложения нефти в почвах. В некоторых исследованиях указывалось, что корневые выделения влияют на количество почвенных микроорганизмов, на биодоступность полициклических ароматических углеводородов (ПАУ), на процессы адсорбции и десорбции ПАУ в почве (Meng, Zhu, 2011; Bielsk et al., 2012). Биодоступность ПАУ, как летучего компонента нефтепродуктов, представляет собой все фракции, которые доступны для пересечения клеточной мембраны организмов, включая не только биодоступные, но и потенциально биодоступные фракции в почве (Crampon et al., 2016).

Система информативных биоиндикаторов почв после техногенного воздействия показана в ряде работ (Акименко и др., 2015, 2017; Киреева и др, 2009; Колесников и др., 2016; Эркенова и др., 2016; Минникова и др., 2017; Minnikova et al., 2017). Биоремедиация почв достаточно эффективный комплекс мероприятий по очистке почв, что отмечено в ряде работ (tursov, Baldrian, 2011; Souza et al., 2014). Технологии ремедиации нефтезагрязненных почв непосредственно влияют на состояние микробного сообщества и ферментативную активность почв (Dawson et al., 2007; Gong, 2012). Ферментативная активность почв, в частности оксидоредуктаз (каталаза, дегидрогеназы), демонстрирует применительно к деградации ПАУ разрушение бензольных колец (tursov, Baldrian, 2011). Активность инвертазы, фосфатазы и уреазы, как гидролазных ферментов, может косвенно влиять на деградацию органических загрязнителей путем изменения метаболической активности деградиентов посредством питания. По данным различных исследований представлена эффективность использования мелиорантов при оценке состояния нефтезагрязненных почв после мелиорации с использованием активности дегидрогеназ, каталазы и уреазы (Maila, Cloete, 2005; Wu et al., 2016; Polyak et al, 2018). Эффективность применения методов биоремедиации при очистке нефтезагрязненных почв зависит от условий, которые влияют на биодеградацию нефти: тип и характеристики почвы, микробная активность, влажность, температура, рН, окислительно-восстановительные условия, питательные вещества (Varjani, Upasani, 2017).

Влияние загрязнения нефтью и нефтепродуктами на активность оксидоредуктаз и гидролаз. Активность наиболее информативного фермента класса оксидоредуктаз – каталазы и класса гидролаз – инвертазы – снижалась при внесении нефти на 20-30% (Колесников и др., 2007, 2010; Колесников, Татлок, 2012). По чувствительности микробиологических показателей и ферментативной активности авторы строят ряд: обилие бактерий рода Azotobacter активность каталазы активность инвертазы целлюлозолитическая способность численность микромицетов численность аммонифицирующих бактерий

Влияние загрязнения нефтью и нефтепродуктами на фитотоксичность почв. Авторами замечена низкая токсичность почв для растительных тест-культур (редиса) и естественной растительности на полигоне (Колесников и др., 2012). Ранее авторами отмечено, что наиболее устойчивыми к загрязнению мазутом были показатели фитотоксичности: всхожесть, длина корней и надземных побегов редиса (Ротина, Колесников, 2008).

Влияние загрязнения нефтью и нефтепродуктами на ИПБС. Согласно рассчитанному авторами интегральному показателю состояния почв (ИПБС) по 6 биологическим показателям, наибольшую чувствительность наблюдали у серопесков и бурой лесной почвы, наименьшую – для чернозема обыкновенного и дерново-карбонатных почв (Колесников и др., 2010). По устойчивости почв Майкопского полигона к мазутному загрязнению, авторами также был рассчитан ИПБС (Колесников и др., 2012). Авторами подтверждена большая устойчивость чернозема слитого как к нефтяному, так и к мазутному загрязнению, по сравнению с бурой лесной почвой, как предрекультивационный период, так и после биологической рекультивации.

Пролонгированное (хроническое) токсическое действие на растительный покров обусловлено загрязнением почв, из-за медленного самоочищения загрязненных почв. Почвы загрязнены нефтепродуктами, если концентрация УВ в почве достигает уровня, при котором наблюдаются следующие изменения (по Трофимову с соавторами, 2000):

- угнетение или деградация растительного покрова;

- снижается продуктивность сельскохозяйственных земель;

- нарушается равновесие в почвенном биоценозе;

- происходит вытеснение растительности остальных видов;

- ингибируется деятельность микроорганизмов;

- исчезают виды альгофлоры, мезофауны;

- происходит вымывание нефтепродуктов (НП) из почв в подземные или поверхностные воды;

- изменяются водно-физические свойства и структура почв;

- возрастает доля углерода НП в органическом углероде почв (до более 10% от всего органического углерода).

Влияние мелиорантов на ферментативную активность и интенсивность выделения СО2

Активность каталазы многие исследователи часто используют как диагностический показатель при антропогенной нагрузке на почвы (Киреева и др., 2009b; Ковалева и др., 2016). При рекультивации нефтезагрязненных почв именно активность каталазы считают наиболее информативной при оценке состояния экосистемы (Сулейманов и др., 2007; Сулейманов, Шорина, 2012). На активность каталазы 5%-ное загрязнение нефтью оказало подавляющее воздействие – активность фермента была ниже контроля на 25%, на активность пероксидазы и полифенолоксидазы загрязнение нефтью не оказало достоверного влияния (рис. 6, Приложение 2).

Активность каталазы нефтезагрязненного чернозема была на 26% ниже контроля (рис. 6). Активность каталазы в нефтезагрязненном черноземе (5% от массы почвы) составила 5,4 мл О2/г/мин, что согласуется с результатами А.В. Шамраевой и О.Н. Гончаровой (2011). При внесении глауконита, гумата калия и «Dop-Uni» активность каталазы слабо изменялась по сравнению с контролем. В то время как при совместном внесении глауконита с «Dop-Uni» и глауконита с гуматом калия зафиксировано увеличение активности каталазы на 17 и 14%. Сочетания мочевина+гумат калия и всех мелиорантов с мочевиной вызывали стимуляцию активности каталазы на 80-140% от контроля. Применение мелиорантов при нефтезагрязнении носило разнонаправленный характер. В вариантах с внесением «Dop-Uni» и глауконит+гумат калия в нефтезагрязненный чернозем наблюдали выраженное подавление активности фермента на 43-60%. Во всех остальных вариантах наблюдали положительный мелиоративный эффект, где активность фермента повышалась по сравнению с нефтезагрязнением и достоверно не отличалась от контроля (Minnikova et al., 2018). Внесение мочевины и гумата калия в качестве мелиорантов стимулировало процессы окисления, и, следовательно, активности каталазы, как фермента, отвечающего за разрушение ядовитой для живых организмов перекиси водорода. Подобная стимуляция активности каталазы может быть обусловлена активизацией окислительно-восстановительных процессов в почве при загрязнении нефтью, что было показано в ряде работ (Киреева и др., 2009, 2011). По мнению Т.С. Шориной (2009) процессы окисления нефтезагрязненного чернозема в верхнем слое почвы, через месяц после внесения нефти, связаны с повышенной микробиологической активностью, простимулированной внесением биологически активных веществ. Похожие результаты были ранее получены при исследовании активности каталазы в нефтезагрязненных почвах юга России (Колесников и др., 2006, 2013). Замечена прямая тесная корреляция между активностью каталазы инвертазы (R=0,93), уреазы (R=63) и фосфатазы (R=0,87), обратная с активностью полифенолоксидаз (R=-0,78).

На активность пероксидазы и полифенолоксодазы мочевина и сочетаний мелиорантов с ней, как самостоятельно, так и на фоне нефтезагрязнения оказали выраженное стимулирующее действие на 200-270% относительно контроля (рис. 7, 8, Приложение 2). Загрязнение нефтью достоверно не изменяло активность пероксидазы. Самостоятельное применение мелиорантов стимулировало активность пероксидазы на 10-12%. Известно, что пероксидазы катализируют окисление полифенолов в присутствии перекиси водорода или органических перекисей, так как сами перекиси обладают сравнительно слабым окисляющим действием на фенолы.

Ее влияние направлено на окисление гумусовых веществ (Хазиев, 2005). Увеличение активности пероксидаз, может быть, следствием включения этого наблюдали с общим содержанием ОВ (R=0,64) и остаточным содержанием нефти (R=0,68).

Активность полифенолоксидаз нефтезагрязненного чернозема была простимулирована на 10% от контрольного. В сочетаниях Н+глауконит; Н+«Dop-Uni»+гумат калия наблюдали снижение активности полифенолоксидазы на 19 и 22% соответственно. Наблюдали, что по сравнению с незагрязненными образцами активность полифенолоксидаз увеличивалась на 15-20%. Похожие тенденции, заключаются в стимулировании активности полифенолоксидаз внесением нефти, наблюдали в работах Р.Р. Сулейманова с соавторами (2007, 2012). Обратная связь представлена с остаточным содержанием нефти (R=-0,83) и с активностью каталазы (R=-0,78) (Приложение 3).

Известно, что полифенолоксидазы участвуют в превращении органических соединений ароматического ряда в компоненты гумуса. Активность полифенолоксидаз идентифицирует процессы гумификации чернозема (синтеза гумусовых веществ), а пероксидаз – минерализации (распада гумусовых веществ). Коэффициент гумификации или гумусообразования (КГ) демонстрирует отношение между активностью полифенолоксидазы и пероксидазы, позволяющий оценить тенденции процессов гумусообразования: минерализации или гумификации. Если значение коэффициента (КГ) равно 1, то можно утверждать, что процессы синтеза и распада гумусовых веществ находятся в относительном равновесии (Дырин, 2015; Хасанова и др., 2015). Так, в нефтезагрязненном черноземе показан баланс между процессами гумификации и минерализации (КГ=1). Внесение нефти, по сравнению с контролем, усиливает гумификацию чернозема. В контроле зафиксировано увеличение процессов минерализации, т.е. распада гумусовых веществ (КГ=0,90). При самостоятельном внесении биологически активных веществ, кроме гумата калия, обозначена разная интенсивность процессов минерализации и гумификации. Так для гумата калия свойственна тенденция к минерализации (КГ=0,89). При внесении гумата калия с другими мелиорантами коэффициент гумификации - КГ = 0,65 для комплекса гумата калия с глауконитом и КГ =0,77 для комплекса гумата калия с «Dop-Uni». Увеличение коэффициента гумификации не всегда можно идентифицировать как усиление процессов гумусообразования в сторону новообразования. Так же нельзя утверждать, что КГ меньше 1 свидетельствует об усилении процессов минерализации (Минникова и др., 2017). При ремедиации загрязненных техническим маслом почв и использовании для биоремедиации бактерий рода Acinetobacter, авторами наблюдалось увеличение коэффициента гумификации через 15 суток после начала опыта (Логинова и др., 2011). Н.А. Киреевой (2009a) доказано, что загрязнение нефтью оказывает влияние на активность пероксидаз в листьях и корнях, что, вероятно, связано с увеличением пула окисленной и восстановленной форм рибофлавина, которые обеспечивают устойчивость растительной клетки к стрессовым факторам.

На активность инвертазы, уреазы и фосфатазы загрязнение нефтью оказало подавляющее воздействие, активность ферментов снижалась на 30-80% (рис. 9, 10, 11, Приложение 2). На активность инвертазы самостоятельное применение мелиорантов или не оказало достоверного влияния, или оказало подавляющее воздействие (мочевина и комплексы с мочевиной – на 40-80%).

Активность инвертазы при ремедиации глауконитом, мочевиной, «Dop-Uni» и гуматом калия снизилась на 45%. При внесении всех мелиорантов, кроме глауконита с гуматом калия, наблюдались существенное снижение активности инвертазы. Вероятно, внесение мелиорантов в почву загрязненную нефтью было недостаточным, чтобы активизировать углеводокисляющую микробиоту, в том числе гидролазные бактерии – трансформирующие сложные сахара до более простых (например, фруктозы) сахаров. Прямую корреляцию активности инвертазы наблюдали с остаточным содержанием нефти (R=0,88), активностью каталазы (R=0,93), а обратная - с активностью пероксидаз (R=-0,92).

Учитывая изменение азотного фонда в почвах при нефтезагрязнении, предполагается, что активность уреазы – достаточно информативный показатель восстановления плодородия почв при нефтезагрязнении. После 30 суточной экспозиции внесения всех мелиорантов замечена высокая чувствительность активности уреазы (рис. 10). На активность уреазы в некоторых вариантах (мочевина или комплексы с мочевиной) наблюдались стимулирующие эффекты на 130-205%. На активность фосфатазы во всех вариантах отмечено подавляющее воздействие на 35-82%.

Влияние мелиорантов на изменение ферментативной активности и интенсивности выделения СО2

На активность каталазы, инвертазы и фосфатазы загрязнение нефтью проявили выраженное подавляющее воздействие на 18-80% (рис. 19, 21, 22). Наиболее чувствительным ферментом оказалась фосфатаза, при этом подавление составило на 40-80% (Приложение 4).

Наблюдалось, что мочевина и гумат калия повлияли на активность каталазы незагрязненного чернозема неоднозначно (рис. 20, Приложение 6, 7, 8). Применение мочевины снижало активность каталазы на 25-60% и стимулировало активность фосфатазы на 75-150%.

Нефть оказывала негативное воздействие на активность каталазы: на 30 сутки: активность была ниже контроля на 18%, на 60 и 90-е сутки - на 50-60%. Хотя при внесении мочевины, как удобрения, выявилось токсическое действие на активность каталазы. Также при нефтезагрязнении обнаружен стимулирующий эффект: активность каталазы на 60 и 90-е сутки превысила контроль на 18-37% соответственно. Для гумата калия заметен обратный эффект. Так при внесении мочевины наблюдали снижение активности каталазы на 25-35% по сравнению с контролем в течение всего периода наблюдения, а при внесении гумата калия на 60 и 90 сутки - неотличимое от контроля значение. Вероятно, окислительно-восстановительные процессы в почвах в присутствии нефти были ингибированы при внесении гумата калия. Подобные зависимости могут быть инициированы активизацией протекторной функции гуматов при биоремедиации относительно токсикантов в почве (Орлов, 1991; Perminova, Hatfield, 2005).

Активность инвертазы значительно варьировала, наблюдались подавляющие эффекты через 30 и 90 суток – на 62-39% и стимулирующие через 60 суток – на 25% выше контроля (рис. 20). Внесение гумата калия не оказало достоверного влияния на активность каталазы и фосфатазы, активность ферментов через 60 и 90 суток была на уровне контроля. Прямая корреляционная связь показана с активностью фосфатазы на 30-е (R=0,66), 60-е (R=0,99) и 90-е сутки (R=0,99). С другими теснота связи менялась в зависимости от срока экспозиции.

Мочевина оказывала на активность инвертазы сильное ингибирующее воздействие на уровне нефтезагрязнения. Внесение мочевины в чистую почву действует стимулирующее только на 60-е сутки – уровень на 22% выше контрольного. На 60-е (R=0,39) и 90-е сутки (R=0,99) наблюдалась прямая корреляционная связь с остаточным содержанием нефти. Обратная же связь продемонстрирована с активностью фосфатазы на 30-е (R=-0,77), 60-е (R=-0,75) и 90-е сутки (R=-0,59). При увеличении срока экспозиции до 90 суток зафиксировано усиление тесноты связи между активностью инвертазы и содержанием органического вещества: обратная - на 30-е (R=-0,29), 60-е (R=-0,71) и прямая - на 90-е сутки (R=0,56).

Применение мочевины при нефтезагрязнении увеличивало активность каталазы на 18-38% и фосфатазы на 25-100%, но подавляло активность инвертазы на 58-70% (рис. 22, Приложение 6, 7, 8). Применение гумата калия при нефтезагрязнении не оказывало восстанавливающего эффекта на активность каталазы и фосфатазы, через 90 суток стимулировало активность инвертазы по сравнению с нефтезагрязнением на 117%.

При самостоятельном внесении мелиорантов наблюдался разнонаправленный эффект. Так, внесение мочевины в незагрязненную почву приводило к увеличению активности фосфатазы на 150, 75 и 70% от контроля через 30, 60 и 90 суток соответственно. Внесение гумата калия, напротив, не приводило к достоверному изменению активности фосфатазы на протяжении всего периода наблюдения. Однако, при внесении гумата калия в нефтезагрязненный чернозем активность снижается практически в 2 раза на протяжении всего периода исследования. Внесение мочевины в нефтезагрязненный чернозем привело к ярко выраженному увеличению активности фермента и по сравнению с нефтезагрязнением и по сравнению с контролем на 25-100%. Вероятно, процессы мобилизации органического фосфора при внесении мочевины увеличиваются и способствуют активизации фосфатазы. Обратная корреляционная связь показана с высотой побегов на 30-е (R=-0,98) и 90-е сутки (R=-0,92). Прямую зависимость наблюдали с содержанием органического вещества на 30-е (R=0,53) и 90-е сутки (R=0,67). Тесную связь наблюдали между активностью фосфатазы и содержанием лабильного органического вещества: прямую - на 30-е (R=0,80), 60-е (R=0,99) и обратную -на 90-е (R=-1,00).

Эмиссии СОг при внесении нефти возрастала по сравнению с контролем на 42% (рис. 23, Приложение 6, 7, 8). Внесение мочевины и гумата калия в течение всех периодов экспозиции также вызывало увеличение эмиссии. При внесении мочевины в нефтезагрязненный чернозем наблюдалось наиболее существенное увеличение эмиссии СО2 на 67% по сравнению с нефтезагрязненным черноземом. Замечено, что при внесении гумата калия за первые 30 суток экспозиции не наблюдалось достоверных отличий от варианта с нефтезагрязнением.

Однако, мочевина оказывает стимулирующее воздействие на разложение нефти, что зафиксировано увеличением эмиссии к началу марта. При самостоятельном влиянии только мелиорантов эмиссия была на уровне контроля. На 60-е стуки продемонстрировано усиление эмиссии СО2, что, вероятно, обусловлено процессами разложения нефти в почвах, что не всегда достигается за первые 30 суток (Сулейманов, Воеводина, 2016). На рисунке 5 показано, что через 60 суток экспозиции эмиссия увеличилась при внесении мочевины 2-2,5 раза по сравнению с нефтезагрязнением. Для гумата калия отмечена эмиссия на уровне нефтезагрязнения, но выше контрольной почвы. Очевидно, что именно внесение мочевины увеличивает эмиссию за счет выравнивания отношения C:N.

За 3 месяца экспозиции (90 суток) показана существенная динамика эмиссии СО2. Мочевина также вызывала увеличение эмиссии в течение всего апреля с постепенным уменьшением к началу мая, что обусловлено разложением нефти на 90-е сутки, более чем на 80%. Гумат калия вызывал выделение СО2 аналогичное варианту внесения мочевины без нефтезагрязнения. Интенсивность выделения СО2 усиливалась на 60 и 90-е стуки, что, возможно, обусловлено процессом естественного разложения нефти, имеющей малую плотность (0,818 г/м3).

Использование различных биологических показателей в целях биомониторинга и биодиагностики нефтезагрязненного чернозема после внесения мелиорантов

Оценка чувствительности и информативности мочевины и гумата калия на эколого-биологические показатели чернозема при загрязнении нефтью 10% от массы почвы. Через 30 суток экспозиции при 10% нефтезагрязнении была рассчитана чувствительность, как среднее между показателями относительно контроля (табл. 6, Приложение 2, 6). По чувствительности экологических показателей при внесении в чернозем при нефтезагрязнении 10% от массы почвы после 30 суток после внесения мочевины и гумата калия можно построить следующий ряд: активность фосфатазы активность инвертазы активность каталазы длина побегов длина корней

Наиболее чувствительный биологический показатель к 10% нефтезагрязнению чернозема после внесения мелиорантов активность фосфатазы, наиболее устойчивыми показателями - активность каталазы, инвертазы, длина корней и высота побегов.

По информативности биологических показателей при внесении в чернозем при нефтезагрязнении 10% от массы почвы после 30 суток после внесения мелиорантов можно построить следующий ряд: активность фосфатазы длина корней длина побегов активность каталазы активность инвертазы

Наиболее информативным биологическим показателем к 10% нефтезагрязнению чернозема после 30 суток после внесения мелиорантов является активность инвертазы, наиболее устойчивыми показателями – длина корней и высота побегов.

Через 60 суток экспозиции при 10% нефтезагрязнении была рассчитана чувствительность, как среднее между показателями относительно контроля (табл. 7, Приложение 2, 7). По чувствительности эколого-биологических показателей при внесении в чернозем при нефтезагрязнении 10% от массы почвы после 60 суток после внесения мочевины и гумата калия можно построить следующий ряд: длина корней активность инвертазы активность каталазы активность фосфатазы длина корней Наиболее чувствительный биологический показатель к 10% нефтезагрязнению чернозема после внесения мелиорантов - длина корней, наиболее устойчивыми показателями - активность каталазы, фосфатазы, инвертазы и высота побегов.

По информативности биологических показателей при внесении в чернозем при нефтезагрязнении 10% от массы почвы после 60 суток после внесения мелиорантов можно построить следующий ряд: длина побегов длина корней активность фосфатази активность каталазы активность инвертазы Наиболее информативным биологическим показателем к 10% нефтезагрязнению чернозема после 60 суток после внесения мелиорантов является высота побегов, наиболее устойчивыми показателями - активность инвертазы.

Через 90 суток экспозиции при 10% нефтезагрязнении была рассчитана чувствительность, как среднее между показателями относительно контроля (табл. 8, Приложение 2, 8). По чувствительности эколого-биологических показателей при внесении в чернозем при нефтезагрязнении 10% от массы почвы после 90 суток после внесения мочевины и гумата калия можно построить следующий ряд: активность инвертазы высота побегов активность каталазы активность фосфатазы длина корней Наиболее чувствительный биологический показатель к 10% нефтезагрязнению чернозема после внесения мелиорантов - высота побегов и активность инвертазы, наиболее устойчивыми показателями - активность каталазы, фосфатазы и длины корней.

По информативности биологических показателей при внесении в чернозем при нефтезагрязнении 10% от массы почвы после 90 суток после внесения мелиорантов можно построить следующий ряд: активность инвертазы длина корней активность каталазы длина побегов активность фосфатазы

Наиболее информативным биологическим показателем к 10% нефтезагрязнению чернозема после 90 суток после внесения мелиорантов является активность инвертазы, наиболее устойчивыми показателями – активность фосфатазы.