Влияние уровня нефтезагрязнения на состав почвенных

Вестник КрасГАУ. 20 11. №7
ПОЧВОВЕДЕНИЕ
УДК 574.24:581.19
Д.Е. Полонская, С.В. Хижняк, В.И. Полонский, Т.С. Бородулина
ВЛИЯНИЕ УРОВНЯ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕНИЯ НА СОСТАВ ПОЧВЕННЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ
В работе исследовалось влияние низких уровней нефтезагрязнения на состав микробоценозов чернозема выщелоченного. Показано, что выращивание растений пшеницы способствовало двукратному повышению численности почвенных микроорганизмов, а также изменению соотношения мицелиальных грибов,
бактерий и актиномицетов в структуре микробного ценоза.
В условиях нефтяного загрязнения почвы увеличивалась общая численность микроорганизмов в вариантах с концентрацией поллютанта 0,3..1,0 г/кг почвы, а также изменялось соотношение мицелиальных
грибов, бактерий и актиномицетов.
Ключевые слова: нефть, почва, растения пшеницы, бактерии, грибы, актиномицеты.
D.E. Polonskaya, S.V. Khizhnyak, V.I. Polonsky, T.S. Borodulina
PETROPOLLUTION LEVEL INFLUENCE ON SOIL MICROORGANISM STRUCTURE
Petropollution low level influence on leached chernozem microbiocenosis structure is researched in the article. It
is shown that wheat plant cultivation promoted double increase of soil microorganism number and change of balance of
the filamentous fungi, bacteria and actinomycetes in microbic cenosis structure.
In the conditions of soil petropollution the whole number of microorganisms increased in variants when pollutant
concentration was 0,3..1,0 g/kg of soil, and filamentous fungi, bacteria and actinomycetes changed too.
Kew words: oil, soil, wheat plants, bacteria, fungi, actinomycetes.
Нефть является одним из тех техногенных загрязнителей, при разливах которой на длительное время
нарушается нормальное функционирование почвенной экосистемы, ухудшается почвенное плодородие и резко
меняется интенсивность и направленность окислительно-восстановительных процессов. По данным Ф.Х. Хазиева с соавторами [15], внесение высоких доз нефти (25 л/м2) уже через три дня значительно уменьшило по
сравнению с незагрязненной почвой численность основных групп микроорганизмов: нитрификаторов, аэробных целлюлозоразрушающих микроорганизмов, а к концу 1-го года численность актиномицетов снизилась в 5–
10 раз.
Иные сведения представлены в работах С.И. Колесникова с соавторами [8, 9], которые свидетельствуют,
что в результате загрязнения чернозема обыкновенного нефтью (1, 5, 10 и 25% от массы почвы) наблюдалось
увеличение разнообразия бактерий, а численность микромицетов уменьшалась. Основные группы микроорганизмов при загрязнении чернозема нефтью по степени увеличения их численности образуют следующий ряд:
актиномицеты > аммонифицирующие бактерии > спорообразующие бактерии > грибы. При этом изменяются не
только численность, но и качественный состав этих групп микроорганизмов. В загрязненных вариантах общая
численность аммонифицирующих бактерий возрастала от 2–3 до 5 раз, спорообразующих бактерий не более чем
в два, а актиномицетов от 1,5 до 20 раз. Основной причиной роста численности микроорганизмов при загрязнении почвы нефтью и нефтепродуктами, считают авторы [9], является, по-видимому, поступление в почву дополнительного количества доступного микробам органического вещества. При этом чувствительные к нефти и нефтепродуктам микроорганизмы погибают, а устойчивые формы активно развиваются, давая скачок численности.
По нашим данным [13], концентрации нефти от 0,37 до 1,35 г/кг почвы не оказывали воздействия на олигонитрофильные микроорганизмы и микроскопические грибы почвенного микробоценоза чернозема выщелоченного.
Бактерии на КАА не выделялись при варьировании концентрации нефти от 0,37 до 0,74 г/кг почвы, но, начиная с
концентрации 1,35 г/кг почвы, относительная численность этой группы в микробном ценозе достигала 100 %, с концентрации 0,74 г/кг доминировали аммонификаторы.
Поступая в почву, нефть в первую очередь влияет на ее биологические свойства, в результате меняется
общая численность микроорганизмов, их качественный состав, структура микробоценозов [4, 16]. При этом в
47
Почвоведение
процесс трансформации нефти и нефтепродуктов включаются микроорганизмы, которые способны привести почвенную систему в исходное состояние равновесия [17].
Известно, что большинство микромицетов, являющихся типичными частыми и доминирующими в загрязненных почвах, используют в качестве единственного источника углерода и энергии углеводороды. Это представители родов Aspergillus, Fusarium, Penicillium, которые в исследованиях Н.А. Киреевой с соавторами успешно разлагали нефть, бензин, гудрон, т.е. хорошо развивались как на легких, так и тяжелых фракциях нефти [6]. Негативное влияние различных концентраций нефти на общую численность почвенных микроорганизмов (бактерий и
микроскопических грибов) отмечено для типов нефти с содержанием нефтяных углеводородов более 10% от
массы почвы. Более низкие дозы загрязнителя способствовали росту численности бактерий и грибов вследствие
бурного развития микроорганизмов, участвующих в деструкции углеводородов. Динамика их численности в таком
случае не была связана напрямую с токсичностью почвы, а момент достижения исходного значения численности
совпадал с завершением процесса разложения легкодоступных для микроорганизмов нефтяных фракций [7].
Е. Домингес-Росадо [18] показано, что в загрязненной моторным маслом почве бактерии были самой обильной
группой по сравнению с актиномицетами и грибами. Микробные поселения почвы испытали экспоненциальный
рост до 50 дней, после которых их численные характеристики возвратились к уровням, предшествующим загрязнению.
Проблема влияния нефти, особенно в низких концентрациях, на качественный и количественный состав
почвенной микрофлоры остается недостаточно изученной. Целью работы являлось исследование влияния низких уровней нефтезагрязнения на состав микробоценозов чернозема выщелоченного.
Методика исследований
Микробиологическому анализу подвергали чернозем выщелоченный, использованный в качестве тестобъекта. При проведении вегетационного опыта почву очищали от растительных остатков и корней и заполняли
ею вегетационные сосуды емкостью 3 л. Поверхность почвы обрабатывали водной эмульсией нефти в концентрациях – 0 (контроль), 0,3; 1; 3; 6 г/кг. Параллельно в опытах использовались сосуды с аналогичными концентрациями нефти, в которые высевали пророщенные семена яровой пшеницы сорта Новосибирская 29. В каждом вегетационном сосуде находилось по 10 растений пшеницы. Повторность трехкратная.
Растения выращивали в остекленной теплице в течение 40 суток при средней температуре 23°С. Влажность почвы в вегетационных сосудах поддерживали на уровне 60% от полной влагоемкости [3]. Учет почвенной
микробиоты во всех вегетационных сосудах по завершению опытов проводили последовательным высевом почвенной суспензии в чашки Петри на поверхность агаризованной среды Чапека. Среда была выбрана в качестве
основной по результатам предварительных высевов. Она позволяет учитывать мицелиальные грибы и актиномицеты, а также гетеротрофные бактерии, способные использовать минеральные формы азота, которые, по
нашим данным [14], наряду с аммонификаторами могут служить индикаторами изменения условий среды обитания при концентрации нефти в почве, начиная с 0,37 г/кг почвы. Чашки с посевами инкубировали в термостате
при температуре плюс 26±0,5°C до завершения появления новых колоний. При обработке данных результаты
последовательных рассевов и повторностей суммировали и статистически обрабатывали на основе распределения Пуассона [11, 12].
Сравнение относительной встречаемости бактерий, актиномицетов и грибов микроорганизмов в различных вариантах эксперимента проводили по критерию χ2 для анализа таблиц сопряженности [12].
Результаты и обсуждение
В отсутствие нефти влияние растений на почвенный микробный комплекс выразилось в существенном
увеличении в его структуре доли актиномицетов. Так, в контрольном варианте (без внесения нефти) общая численность микроорганизмов, учитываемых на среде Чапека, в присутствии растений практически удвоилась
(p<0,001) за счет увеличения численности грибов в 2 и актиномицетов в 12 раз соответственно. Статистически
значимых различий численности бактерий в сравниваемых вариантах не было (рис.1). В почве с растениями
пшеницы (вариант без внесения нефти) среди микроорганизмов, способных к росту на среде Чапека, выявлены
бактерии, актиномицеты и мицелиальные грибы. Среди грибов преобладали виды р.р. Penicillium, Aspergillus
(включая A. niger) и Trichoderma.
48
Вестник КрасГАУ. 20 11. №7
140
120
100
80
60
40
20
0
Бактерии
Грибы
Актиномицеты
Без растений
Сумма
С растениями
Рис. 1. Численность основных групп микроорганизмов, тыс. КОЕ/г
Реакция почвенного микробного сообщества на внесение нефти в концентрации 1 г/кг почвы подтверждена статистически значимым (p<0,01) стимулирующим воздействием на показатель суммарной численности
исследованных групп почвенной микробиоты. Так, в варианте без растений установлено увеличение суммарной
численности микроорганизмов более чем в 8 раз, а в варианте с растениями только в 1,5 раза (рис. 2). При этом
ответная реакция почвенного микробоценоза на внесение указанной выше концентрации нефти в варианте без
растений сопровождалась следующими изменениями его структуры: численность грибов и актиномицетов увеличилась в 3 и 100 раз соответственно, а бактерий снижалась в 1,25. Это вполне понятно, поскольку и для почвенных микроскопических грибов и актиномицетов нефть является доступным источником как азота, так и углерода, чего нельзя сказать о бактериях, для большинства которых, особенно неспоробразующих форм, нефть
является недоступным соединением.
Общая численность микроорганизмов
600
500
400
300
200
100
0
0
1
2
3
4
5
6
7
Концентрация нефти
Без растений
С растениями
Рис. 2. Влияние нефтяного загрязнения на численность почвенных микроорганизмов, учитываемых
на среде Чапека, тыс. КОЕ/г
Введение в опытные сосуды растений пшеницы вызывает иной по характеру отклик микробоценоза
почвы (см. рис. 2), поскольку в этом случае проявляется конкуренция за питательные вещества между расте49
Почвоведение
ниями и микроорганизмами. А именно, в присутствии этой концентрации нефти численность микроскопических
грибов несколько снижается, оставаясь по-прежнему высокой (в 2 раза выше контрольного варианта). Кроме
того, численность бактериальных форм увеличилась в 3 раза, что обусловлено появлением в почве эксудатов
корней растений, богатых легко растворимыми органическими соединениями углерода, служащими для этой
группы микроорганизмов источником углерода и азота.
Это явление может происходить также за счет образования симбиотических связей с почвенными и ризосферными микроорганизмами, накопления в почве свежих отмерших растительных остатков. Однако при этом
резко снижается (в 17 раз) численность актиномицетов – активных деструкторов нефти, аэробных микроорганизмов. Это косвенно может свидетельствовать не только об изменении окислительно-восстановительных условий в почве (за счет образования нефтяной пленки), но и о снижении активности разрушения нефти, как следствие изменения соотношения в почве С:N в сторону создания условий для иммобилизации азота и ухудшения
условий азотного питания растений. Прогрессирующее с ростом концентрации нефти угнетение роста листовой
поверхности и снижение надземной части биомассы растений пшеницы показано ранее [1].
Все это нашло отражение в статистически значимом (p<0,001) изменении структуры микробных комплексов при внесении нефти в вариантах "с растениями" и "без растений" по сравнению с соответствующими
контрольными вариантами, а также в статистически значимых (p<0,001) различиях в структуре микробных комплексов в вариантах "с растениями" и "без растений" в нефтезагрязненной почве (рис. 3).
Без растений
7%
3%
90%
Бактерии
Грибы
Актиномицеты
С растениями
9%
2%
89%
Бактерии
Грибы
Актиномицеты
Рис. 3. Относительная встречаемость представителей различных групп микроорганизмов
в нефтезагрязненной почве, 1 г/кг
Как указано выше, увеличение численности почвенной микробиоты в присутствии низких концентраций
нефти (0,3 и 1 г/кг) хорошо согласуется с литературными данными и общебиологическими закономерностями,
поскольку нефть является хорошим источником углерода для целого ряда почвенных бактерий и грибов [8, 10].
Кроме того, возможно проявление эффекта Арнд-Шульца, который заключается в том, что токсические соединения, содержащиеся в нефти и нефтепродуктах, аккумулируясь на поверхности клетки в нелетальных концентра50
Вестник КрасГАУ. 20 11. №7
циях, изменяют проницаемость мембраны, нарушают ее барьерные функции, что определяет свободное поступление пищи в клетку и соответственно усиление метаболизма [2].
Снижение численности микроорганизмов может быть также обусловлено наличием в составе загрязняющих веществ толуола, бензола, ксилола, нафталина, тяжелых металлов и ряда токсичных для микроорганизмов соединений [8].
Следует также учитывать, что в сообществах почвенных микроорганизмов происходят сукцессии, занимающие по времени от десятков часов до первых десятков суток, в ходе которых может существенно меняться и
суммарная численность микроорганизмов, и соотношение представителей различных эколого-трофических
групп. Могут наблюдаться и автоколебательные процессы по аналогии с хорошо известной моделью ЛоткиВольтерра.
В исследованиях Т.Р. Кабирова также установлено, что нефть при внесении в почву оказывает на микроорганизмы угнетающее действие, пропорциональное концентрации загрязнителя. Наиболее быстро гетеротрофная часть микробного комплекса восстанавливается при малой концентрации загрязнителя (1%). Углеводороды нефти, попавшие в почву, могут, вероятно, использоваться как свежий органический материал, что и обусловливает экологическую сукцессию. При средних и высоких концентрациях нефти такого эффекта не наблюдается, так как токсический пресс большого количества поллютанта перекрывает возможную выгоду от утилизации его компонентов, и восстановление численности гетеротрофов происходит медленно [5].
Итак, растения пшеницы оказали статистически значимое влияние на общую численность и качественный состав почвенных микроорганизмов, учитываемых на среде Чапека. Это влияние выразилось в двукратном
увеличении численности микроорганизмов, а также в изменении соотношения мицелиальных грибов, бактерий и
актиномицетов в структуре микробного ценоза в вариантах с растениями по сравнению с контролем. Нефтяное
загрязнение оказало статистически значимое влияние на общую численность и качественный состав почвенных
микроорганизмов, учитываемых на среде Чапека. Это влияние выразилось в увеличении общей численности
микроорганизмов в вариантах с низким (0,3...1,0 г/кг почвы) уровнем нефтяного загрязнения, а также в изменении соотношения мицелиальных грибов, бактерий и актиномицетов под воздействием изученного поллютанта.
На наш взгляд, на варьирование численности исследованных групп микроорганизмов при внесении нефти также
оказывало влияние изменение окислительно-восстановительных условий среды. Об этом в проведенных экспериментах свидетельствовали колебания численности именно аэробных микроорганизмов-актиномицетов и микроскопических грибов, а также бактерий, численность которых при внесении нефти возрастала именно за счет
факультативно-анаэробных форм.
Литература
1. Бородулина Т.С., Полонский В.И. Влияние нефтезагрязнения почвы на физиологические характеристики растений пшеницы // Вестн. КрасГАУ. – 2010. – № 5. – С. 50–55.
2. Роль почвенной микробиоты в рекультивации нефтезагрязненных почв / В.С. Гузев, С.В. Левин, Г. И. Селецкий [и др.] //Микроорганизмы и охрана почв. – М.: Изд-во МГУ, 1989. – С. 121–150.
3. Журбицкий З.И. Теория и практика вегетационного метода. – М.: Наука, 1968. – 260 с.
4. Кабиров Т.Р. Использование биопрепарата «ленойл» для биотехнологической очистки нефтезагрязненных почв // Проблемы экологии в современном мире: мат-лы IV Всерос. конф. – Тамбов, 2007. – С. 172–175.
5. Киреева Н.А., Бакаева М.Д., Мифтахова А.М. Литическая активность микромицетов нефтезагрязненных почв как один из факторов фитотоксичности // Агрохимия. – 2006. – № 9. – С. 75–81.
6. Киреева Н.А., Галимзянова А.М., Мифтахова А.М. Микромицеты почв, загрязненных нефтью, и их фитотоксичность // Микология и фитопатология. – 2000. – Т. 34. – Вып. 1. – С. 36–41.
7. Киреева Н.А., Бакаева М.Д., Тарасенко Е.М. Комплексное биотестирование для оценки загрязнения
почв нефтью // Экология и промышленность России. – 2004. – № 2. – С. 26–29.
8. Влияние загрязнения нефтью и нефтепродуктами на биологическое состояние чернозема обыкновенного / С.И. Колесников, К.Ш. Казеев, М.Л. Татосян [и др.] // Почвоведение. – 2006. – № 5. – С. 616–620.
9. Изменение комплекса почвенных микроорганизмов при загрязнении чернозема обыкновенного
нефтью и нефтепродуктами / С.И. Колесников, К.Ш. Казеев, Н.В. Велигонова [и др.] //Агрохимия. – 2007. – №
12. – С. 44–48.
10. Колесников С.И., Татосян М.Л., Азнаурьян Д.К. Изменение ферментативной активности чернозема
обыкновенного при загрязнении нефтью и нефтепродуктами в модельных экспериментах // Докл. Россельскохозакадемии. – 2007. – № 5. – С. 32–34.
11. ГОСТ Р ИСО 7218-2008. Микробиология пищевых продуктов и кормов для животных: общие требования и рекомендации по микробиологическим исследованиям. – Введ. 01.01.2010. – М.: Изд-во стандартов,
2008.
51
Почвоведение
12. Поллард, Д. Справочник по вычислительным методам статистики. – М.: Финансы и статистика, 1982.
– 344 с.
13. Полонская Д.Е., Полонский В.И. Реакция почвенного микробного сообщества на низкие уровни нефтезагрязнения // Аграрная наука на рубеже веков: мат-лы регион. науч.-практ. конф. – Красноярск: Изд-во КрасГАУ, 2006. – С.23–25.
14. Полонский В.И., Полонская Д.Е. Реакция растений на низкие уровни нефтезагрязнения почвы // Сиб.
вестн. с.-х. науки. – 2009. – № 8. – С. 18–22.
15. Влияние нефтяного загрязнения на некоторые компоненты агроэкосистемы / Ф.Х. Хазиев, Е.И. Тишкина, Н.А. Киреева [и др.] //Агрохимия. – 1988. – № 2. – С. 56–61.
16. Хазиев Ф.Х., Фатхиев Ф.Ф. Изменение биохимических процессов в почвах при нефтяном загрязнении и активация разложения нефти //Агрохимия. – 1981. – № 10. – С. 102–111.
17. Шилова И.И. Биологическая рекультивация нефтезагрязненных земель в условиях таежной зоны // Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем. – М.: Наука, 1988. – С. 159–168.
18. Dominguez-Rosado E., Pichtel J., Coughlin M. Phytoremediation of Soil Contaminated with Used Motor
Oil: I. Enhanced Microbial Activities from Laboratory and Growth Chamber Studies // Environmental Engineering
Science. – 2004. – Vol. 21. – № 2. – P. 157–168.
С.А. Шляхов, С.Ю. Гришин, К.С. Круголь
ПОЧВЫ СУБАЛЬПИЙСКОГО ПОЯСА ВУЛКАНА КЛЮЧЕВСКАЯ СОПКА
В статье рассматривается разнообразие морфологии и свойств почв, сформированных в субальпийском поясе на склонах вулкана Ключевская сопка. Показано, что морфологические особенности изученных
почв определялись в первую очередь возрастом лавовых потоков, на которых они сформировались.
Ключевые слова: вулканические почвы, слоисто-пепловые почвы, почвы Камчатки, Ключевская сопка, субальпийский пояс.
S.A. Shlyakhov, S.Yu. Grishin, K.S. Krugol
SUBALPINE BELT SOILS OF THE KLYUCHEVSKAYA SOPKA VOLCANO
Morphology diversity and properties of the soils being formed in the subalpine belt on the Kluchevskaya Sopka
volcano slopes is considered in the article. It is shown that morphological peculiarities of the studied soils are mainly
determined by age of lava flows, where they were formed.
Key words: volcanic soils, ash and stratified soils, Kamchatka peninsula soils, Kluchevskaya Sopka, subalpine
belt.
Введение
Вулканические почвы весьма своеобразны и имеют множество вариантов строения профилей и наборов
свойств, что связано с климатической обстановкой в том или ином вулканическом районе, природой и объемами
извергаемого вещества, типом растительности и т.п. В нашей стране почвы различных вулканических ландшафтов все еще изучены недостаточно в связи с труднодоступностью мест их распространения. Поэтому актуальной
представляется задача создания базы данных по почвам, сформированным в различных экотопах вблизи разных вулканов нашей страны. Это позволит установить их естественное разнообразие и выявить некие общие
закономерности, присущие данным природным объектам. Цель данной работы – пополнить упомянутую базу
данных сведениями по морфологии и свойствам почв конкретного вулканического ландшафта – субальпийского
пояса вулкана Ключевская сопка.
Природные условия. Ключевская сопка – наиболее мощный вулкан Камчатки, самый высокий (4750 м)
из активных вулканов Евразии. Вулкан находится в Ключевской группе вулканов (Центральная Камчатка) – гигантском массиве, состоящем из 12 крупных и особо крупных вулканов. Район является крупнейшим центром
современного оледенения на Камчатке; верхняя граница леса и снеговая линия поднимаются здесь до наиболее
высокого положения на полуострове. Субальпийский пояс в массиве достигает необычно большой ширины [1].
Ключевская сопка – молодой вулкан, он образовался около 6–7 тыс. лет назад. На склонах вулкана располагаются около 100 побочных прорывов, образовавшихся за последние 4 тыс. лет. Из них излились лавовые
52