BIOLOGICAL ACTIVITY AND TOXICITY OF SOILS POLLUTED BY WINTER DIESEL FUEL

БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ И ТОКСИЧНОСТЬ ПОЧВ, ЗАГРЯЗНЕННЫХ ЗИМНИМ ДИЗЕЛЬНЫМ ТОПЛИВОМ

Научная статья

Лукошкова А.А.*

Федеральный исследовательский центр комплексного изучения Арктики им. Н.П. Лаверова Уральского отделения Российской академии наук, Архангельск, Россия

* Корреспондирующий автор (a.luckoshkova[at]yandex.ru)

Аннотация

В статье представлены результаты изучения биологической активности и токсичности почв при загрязнении зимним дизельным топливом.

В лабораторных условиях проведено загрязнение чистых почв различного гранулометрического состава (глина, суглинок, супесь) зимним дизельным топливом (концентрациями: 0,5; 1,0; 5,0%). В качестве контроля использованы чистые почвы. Осуществлена инкубация чистых и загрязненных почв в течение месяца. После месяца инкубации остаточное содержание углеводородов нефтепродукта в загрязненных почвах составляет 456–6 287 мг/кг (7,1-18% от начальной концентрации). Дизельное топливо проявляет двойственный характер на численность бактерий, актиномицетов (стимулирует на 0,1–4,2 млн./г; угнетает на 0,1–1,6 млн./г). Численность грибов в загрязненных почвах на всем диапазоне концентраций нефтепродукта уменьшается на 7,0–22 тыс./г. Активность каталазы в загрязненных почвах ингибируется. Микробная дыхательная активность в загрязненных почвах выше в 1–2 раза, чем в незагрязненных инкубированных почвах. Интенсивность микробного разложения целлюлозы подавляется зимним дизельным топливом. За месяц инкубации в загрязненных почвах разлагается 3–42% хлопчатобумажной ткани. Всхожесть семян кресс-салата и рост длины корня проростка снижаются на 12–43% и на 13–33%, соответственно.

Установлено, что загрязненные почвы остаются в категории «загрязненные» и «токсичные» после одного месяца инкубации. В загрязненных почвах выявлены изменения биологических свойств.

Ключевые слова: зимнее дизельное топливо, дерновая и дерново-подзолистая почвы, биологические свойства почв, токсичность.

BIOLOGICAL ACTIVITY AND TOXICITY OF SOILS POLLUTED BY WINTER DIESEL FUEL

Research article

Lukoshkova A.A.*

N. Laverov Federal Center for Integrated Arctic Research of the Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Arkhangelsk, Russia

* Corresponding author (a.luckoshkova[at]yandex.ru)

Abstract

The article presents the results of studying the biological activity and toxicity of soils during winter diesel fuel pollution.

The study carries out laboratory contamination of clean soils of various granulometric compositions (clay, loam, sandy loam) with winter diesel fuel (concentrations: 0.5; 1.0; 5.0%). Clean soils were used as a control sample. Incubation of clean and polluted soils was carried out in the course of one month. After a month of incubation, the residual content of petroleum product hydrocarbons in contaminated soils amounted to 456-6 287 mg/kg (7.1-18% of the initial concentration). Diesel fuel demonstrates a dual character on the number of bacteria, actinomycetes (stimulates by 0.1-4.2 million / g; decreases by 0.1-1.6 million / g). The number of fungi in polluted soils over the entire range of oil product concentrations decreases by 7.0-22 thousand/g. Catalase activity in polluted soils is inhibited. Microbial respiratory activity in polluted soils is 1-2 times higher than in uncontaminated incubated soils. The intensity of microbial decomposition of cellulose is suppressed by winter diesel fuel. A month of incubation shows the decomposition of 3-42% of cotton fabric in polluted soils. The germination of cress seeds and the growth of the root length of the seedling are reduced by 12-43% and 13-33%, respectively.

The study finds that contaminated soils remain in the category of "polluted" and "toxic" after one month of incubation. The study also identifies changes in biological properties in polluted soils.

Keywords: winter diesel fuel, turf and sod-podzolic soils, biological properties of soils, toxicity.

Введение

Загрязнение почв углеводородами нефти и нефтепродуктов является экологической проблемой России: она остра в нефтедобывающих районах и актуальна для территорий, не имеющих нефтедобывающие комплексы [13]. Одновременно существует проблема нормирования нефтяного загрязнения почв. В России в отношении загрязняющего вещества «нефтепродукты» применяются меры государственного регулирования в области охраны почв. Однако в настоящее время предельно допустимая концентрация для нефтепродуктов в почве не утверждена. Отсутствие предельно допустимой концентрации затрудняет оценку состояния почв, проведение мероприятий по восстановлению земель, осложняет расчет ущерба, причиненного почвам как объекту охраны окружающей среды.

В почвах, испытывающих негативное воздействие от данного вида загрязнения, происходят глубокие и зачастую необратимые изменения морфологических, физико-химических и биологических свойств, а иногда и существенная перестройка всего почвенного профиля, трансформация почвенных экосистем. Биологические показатели являются чувствительными к загрязнению. Сведения о влиянии углеводородов нефтепродуктов на биологические свойства и токсичность почв Крайнего Севера (местности без нефтедобывающей промышленности) отсутствуют. В связи с этим, целью работы является исследование биологической активности и токсичности почв Крайнего Севера России при загрязнении зимним дизельным топливом.

Методы и принципы исследования

Методом моделирования проведен лабораторный эксперимент по загрязнению почв зимним дизельным топливом. В лабораторном эксперименте использованы чистые дерновая (глинистая), дерново-подзолистая (супесчаная) почвы Приморского района Архангельской области и смесь данных почв (суглинистая). Физико-химические свойства чистых почв представлены в таблице 1. В чистых почвах углеводороды нефтепродуктов не обнаружены. Чистые почвы загрязнялись зимним дизельным топливом с концентрациями: 0,5; 1,0; 5,0%. Вес почвы для каждого образца составлял 0,7 кг. Образец почвы (после внесения нефтепродукта) перемешивали шпателем для равномерного загрязнения и переносили в пластиковую емкость 0,001 м³. После загрязнения почвы инкубировали при температуре 20–22 °С с оптимальной влажностью в 60% от полной влагоемкости в течение 1 месяца. Параллельно проведено инкубирование незагрязненных почв. Опыт проведен в трехкратной повторности.

 

Таблица 1 – Физико-химические свойства чистых почв

Измеряемый показатель	Глина	Суглинок	Супесь
Физическая глина, %	89	50	12
Влажность, %	10	6,4	3,6
Гигроскопическая влажность, %	2,0	3,2	1,5
Полная влагоемкость, %	29	33	14
Емкость катионного обмена, мг-экв./100 г	31	23	13
Актуальная кислотность, рН	7	6,4	6,4
Обменная кислотность, рН	6,8	6,3	6,0
Гидролитическая кислотность, мг-экв./100 г	1,3	2,1	2,6
Общее органическое вещество, %	3,2	2,8	2,5

 

После инкубации в почвенных образцах (9 незагрязненных и 27 загрязненных) было определено остаточное содержание углеводородов нефтепродукта флуориметрическим методом, численность колониеобразующих единиц (КОЕ) бактерий, актиномицетов и грибов методом посева почвенной суспензии на плотные агаровые среды, активность почвенной каталазы фотометрическим методом, микробная дыхательная активность по скорости выделения углекислого газа, интенсивность микробного разложения целлюлозы методом аппликаций, фитотоксичность методом посева семян кресс-салата (Lepidium sativum) на почвенные пластинки.

Полученные экспериментальные данные статистически обработаны. Для оценки разности средних значений показателей использован критерий Фишера.

Результаты

После одного месяца инкубации в исследуемых незагрязненных почвах углеводороды нефтепродукта отсутствуют; в загрязненных почвах остаточное содержание углеводородов нефтепродукта от начальной концентрации 5 000–50 000 мг/кг составляет 456–6 287 мг/кг (7,1-18% от начальной концентрации), (см. таблицу 2). Максимальное остаточное содержание углеводородов нефтепродукта наблюдается в почвах тяжелого гранулометрического состава, что обусловлено аккумулятивной способностью глины и суглинка [2], [11]. Несмотря на потери содержания углеводородов нефтепродукта после одного месяца инкубации, почвы в соответствии с градацией для урбанизированных почв [7] остаются в категории «загрязненные».

Внесение нефтепродукта в почвы приводит к изменениям биологических свойств почв (см. таблицу 2).

Микробное сообщество

Незагрязненные инкубированные почвы по школе Д. Г. Звягинцева [3] имеют среднюю степень обогащенности КОЕ бактерий. Численность актиномицетов и грибов меньше чем бактерий. Дизельное топливо незначительно подавляет численность бактерий, актиномицетов на 0,1–1,6 млн./г (см. таблицу 2). При 0,5%-м загрязнении зафиксировано стимулирующее действие зимнего дизельного топлива на численность бактерий в глине, на численность актиномицетов во всех почвах на 0,1–4,2 млн./г. Стимулирующее действие дизельного топлива на показатели микробиологической активности при концентрации в почве меньше 5,0% соответствует данным, полученным Т. П. Славниной с соавторами [10], и связано с появлением питательного субстрата для микроорганизмов. Увеличение численности бактерий на начальных сроках загрязнения подтверждается исследованиями С. И. Колесникова с соавторами [5], проведенными на черноземе обыкновенном южно-европейской фации, загрязненном нефтью и нефтепродуктами. Численность грибов в исследованных почвах на всем диапазоне концентраций нефтепродукта угнетается на 7,0–22 тыс./г. Численность актиномицетов (29 ≤ F_эксп ≤ 34), грибов (26 ≤ F_эксп ≤ 652) в загрязненных почвах различного гранулометрического состава существенно отличается. Численность основных микроорганизмов увеличивается в ряду: супесь → суглинок → глина.

 

Таблица 2 – Средние значения (диапазоны) биологических показателей незагрязненных и загрязненных почв после инкубационного периода

Примечание:  – стимулирующее воздействие;  – не оказывает существенного воздействия; – токсичное воздействие

  Активность почвенной каталазы

Степень обогащенности незагрязненных почв каталазой по шкале Д. Г. Звягинцева [3] «очень бедная». Нефтепродукт ингибируют активность каталазы (фермент класса оксидоредуктаз) почв. Дизельное топливо незначительно уменьшает активность почвенной каталазы (см. таблицу 2). В. П. Серединой с соавторами [8] в исследованиях биологических свойств аллювиальной дерновой почвы, загрязненной нефтью, и С. И. Колесниковым с соавторами [5] в исследованиях чернозема обыкновенного южно-европейской фации, загрязненного нефтью и нефтепродуктами, отмечена данная закономерность. Снижение активности каталазы дизельным топливом может быть обусловлено как присутствием в нефтепродуктах серы и меркаптанов, которые являются ингибиторами данного фермента [12], так и снижением численности аэробных микроорганизмов в почве [8] в результате нарушений влаго- и газообменных процессов, обусловленных образованием маслянистыми нелетучими углеводородами нефтепродуктов пленок на поверхности почв и почвенных частиц. В целом, в почвах различного гранулометрического состава, загрязненных нефтепродуктом, существенные отличия активности каталазы не зафиксированы.

Микробная дыхательная активность

В незагрязненных глине, суглинке и супеси интенсивность выделения СО₂ составляет 44 мг/кг в сут., 30 мг/кг в сут. и 14 мг/кг в сут., соответственно. Почвенное органическое вещество является субстратом для микробного дыхания [6]. В почвах, загрязненных углеводородами нефтепродукта, появляется дополнительный пищевой субстрат, и наблюдается ответная реакция микробного сообщества почвы на углеводороды нефтепродукта – скорость дыхания выше в 1–2 раза, чем в незагрязненных инкубированных почвах. Исследование Синдиревой А.В., Ловинецкой С.Б. [9] подтверждает выявленную закономерность. Почвы тяжелого гранулометрического состава характеризуются максимальной микробной дыхательной активностью, что, возможно, обусловлено более высоким содержанием органического вещества и количеством микроорганизмов. Микробная дыхательная активность существенно не отличается в почвах.

Интенсивность микробного разложения целлюлозы

За месяц инкубации в незагрязненных почвах разлагается 26–46% хлопчатобумажной ткани, в загрязненных – 3–42%. Дизельное топливо подавляет интенсивность микробного разложения целлюлозы что, возможно обусловлено снижением численности целлюлозоразлагающих микроорганизмов. Исследования У.О. Гасановой [1], проведенные на серо-бурой почве, подтверждают отрицательное воздействие нефти на численность целлюлозоразлагающих микроорганизмов. Темпы деструкции полотна снижаются в ряду: глина → суглинок → супесь. Показатели в загрязненных почвах в разрезе гранулометрического состава существенно не отличаются.

Фитотоксичность почв

Всхожесть тестовых растений снижается при 0,5%-м загрязнении на 12–21%, при 1,0%-м на 30–35% и при 5,0%-м на 37–43%. Согласно шкале токсичности, предложенной Р. Р. Кабировым с соавторами [4], почвы относятся к IV классу «низкая токсичность» и III классу «средняя токсичность». Исследования А.В. Синдиревой и С.Б. Ловинецкой [9] подтверждают фитотоксичность почв, загрязненных нефтепродуктами. Почвы, загрязненные дизельным топливом с 0,5%-м содержанием углеводородов, не оказывают токсичного воздействия на длину корня проростков. Величина длины корня проростков находится на уровне контроля (V класс токсичности «норма»). 1,0%-е и 5,0%-е загрязнения вызывают низкую (IV класс) и среднюю токсичность (III класс) почв. Наблюдается уменьшение длины корня проростков по сравнению с контролем на 13–33%. Показатели в загрязненных почвах в разрезе гранулометрического состава существенно не отличаются.

Заключение

Почвы, загрязненные зимним дизельным топливом, после одного месяца инкубации остаются в категории «загрязненные» и «токсичные»; их биологическая активность изменена. Зимнее дизельное топливо воздействует неоднозначно на биологические свойства. Топливо проявляет антибиологическое воздействие на численность грибов, активность почвенной каталазы, интенсивность разложения целлюлозы и всхожесть семян кресс-салата; двойственный характер на численность бактерий, актиномицетов, рост главного корня проростка кресс-салата; стимулирующий эффект на микробную дыхательную активность.

Конфликт интересов	Conflict of Interest
Не указан.	None declared.

Список литературы / References

1. Гасанова У.О. Воздействие нефтяного загрязнения на ферментативную активность и целлюлозоразлагающие микроорганизмы в серо-бурой почве / У.О. Гасанова // Международный научно-исследовательский журнал. – 2019. – № 3(81). – С. 52–58.
2. Глазовская М. А. Методологические основы оценки эколого-геохимической устойчивости почв к техногенным воздействиям / М. А. Глазовская. – М., 1997. – 102 с.
3. Звягинцев Д. Г. Биологическая активность почв и шкалы для оценки некоторых ее показателей / Д. Г. Звягинцев // Почвоведение. – 1978. – № 6. – С. 48–54.
4. Кабиров Р. Р. Разработка и использование многокомпонентной тест-системы для оценки токсичности почвенного покрова городской территории / Р. Р. Кабиров, А. Р. Сагитова, Н. В. Суханова // Экология. – 1997. – №6. – С. 408–411.
5. Колесников С. И. Биодиагностика экологического состояния почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами / С. И. Колесников, К. Ш. Казеев, В. Ф. Вальков и др. – Ростовн/Д: Изд-во ЗАО Ростиздат, 2007. – 192 с.
6. Кудеяров В. Н. Дыхание почв России: анализ базы данных, многолетний мониторинг, общие оценки / В. Н. Кудеяров, И. Н. Курганова // Почвоведение. – 2005. – №9. – С. 1112–1121.
7. Попова Л. Ф. Степень загрязнения почв нефтепродуктами как показатель воздействия автотранспорта / Л. Ф. Попова, А. А. Михайлова, Н. Е. Труфанова // Экологические проблемы человечества: сборник материалов II Международной научно-практической конференции / Рос. гос. аграр. заоч. ун-т. М. – 2009. – С. 56–59.
8. Середина В. П. Нефтезагрязненные почвы: свойства и рекультивация / В. П. Середина, Т. А. Андреева, Т. П. Алексеева и др. – Томск : Изд-во ТПУ, 2006. – 270 с.
9. Синдирева А.В. Оценка фитотоксичности почвы, загрязненной нефтепродуктами / А.В. Синдирева, С.Б. Ловинецкая // Вестник НГАУ. 2017. № 1(42). С. 116–121.
10. Славнина Т. П. Влияние загрязнения нефтью и нефтепродуктами на свойства почв / Т. П. Славнина, М. И. Кахаткина, В. П. Середина и др. // Мелиорация земель Сибири. Научные основы использования и охраны земельных ресурсов Сибири. – Красноярск, 1984. – С. 141–144.
11. Солнцева Н. П. Закономерности миграции нефти и нефтепродуктов в почвах лесотундровых ландшафтов Западной Сибири / Н. П. Солнцева, А. П. Садов // Почвоведение. – 1998. – №8. – С. 996–1008.
12. Хазиев Ф. В. Методы почвенной энзимологии / Ф. В. Хазиев. – М. : Наука, 2005. – 252 с.
13. Экология города : учебное пособие / под ред. проф. В. В. Денисова. – М. : ИКЦ «МарТ», ростов н/Д : Издательский центр «МарТ», 2008. – 832 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Gasanova U.O. Vozdejstvie neftjanogo zagrjaznenija na fermentativnuju aktivnost' i celljulozorazlagajushhie mikroorganizmy v sero-buroj pochve [The Impact of Oil Pollution on Enzymatic Activity and Cellulose-Decomposing Microorganisms in Gray-Brown Soil] / U.O. Gasanova // Mezhdunarodnyj nauchno-issledovatel'skij zhurnal [International Scientific Research Journal]. – 2019. – № 3(81). – pp. 52–58. [in Russian]
2. Glazovskaya M. A. Metodologicheskie osnovy ocenki ehkologo-geokhimicheskojj ustojjchivosti pochv k tekhnogennym vozdejjstvijam [Methodological Foundations for Assessing the Ecological and Geochemical Stability of Soils to Man-Made Impacts] / M. A. Glazovskaya // - M., 1997. - p. 102 [in Russian]
3. Zvjagincev D. G. Biologicheskaja aktivnost' pochv i shkaly dlja ocenki nekotoryh ee pokazatelej [Biological Activity of Soils and Scales for Evaluating Some of Its Indicators] / D. G. Zvjagincev // Pochvovedenie [Soil Science]. – 1978. – № 6. – pp. 48–54. [in Russian]
4. Kabirov R. R. Razrabotka i ispol'zovanie mnogokomponentnoj test-sistemy dlja ocenki toksichnosti pochvennogo pokrova gorodskoj territorii [Development and Use of a Multicomponent Test System for Assessing the Toxicity of Urban Soil Cover] / R. R. Kabirov, A. R. Sagitova, N. V. Suhanova // Jekologija [Ecology]. – 1997. – №6. – pp. 408–411. [in Russian]
5. Kolesnikov S. I. Biodiagnostika ehkologicheskogo sostojanija pochv, zagrjaznennykh neft'ju i nefteproduktami [Biodiagnostics of the Ecological State of Soils Contaminated With Oil and Petroleum Products] / S. I. Kolesnikov, K. Sh. Kazeev, V. F. Valkov et al. // - Rostov-on-Don: Publishing house ZAO Rostizdat, 2007. - p. 192 [in Russian]
6. Kudejarov V. N. Dyhanie pochv Rossii: analiz bazy dannyh, mnogoletnij monitoring, obshhie ocenki [Respiration of Soils of Russia: Database Analysis, Long-Term Monitoring, General Assessments] / V. N. Kudejarov, I. N. Kurganova // Pochvovedenie [Soil Science]. – 2005. – №9. – pp. 1112–1121. [in Russian]
7. Popova L. F. Stepen' zagrjaznenija pochv nefteproduktami kak pokazatel' vozdejjstvija avtotransporta [The Degree of Soil Contamination With Petroleum Products as an Indicator of the Impact of Motor Transport] / L. F. Popova, A. Mikhailova, N. E. Trufanova // Ehkologicheskie problemy chelovechestva: sbornik materialov II Mezhdunarodnojj nauchno-prakticheskojj konferencii [Ecological Problems of Mankind: Proceedings of the II International Scientific and Practical Conference] / Russian State Agrarian University, M. - 2009. - pp. 56-59 [in Russian]
8. Seredina V. P. Neftezagrjaznennye pochvy: svojjstva i rekul'tivacija [Oil-Contaminated Soils: Properties and Recultivation] / V. P. Seredina, T. A. Andreeva, T. P. Alekseeva et al. // - Tomsk : TPU Publishing House, 2006. - p. 270 [in Russian]
9. Sindireva A.V. Ocenka fitotoksichnosti pochvy, zagrjaznennoj nefteproduktami [Assessment of Phytotoxicity of Soil Contaminated With Petroleum Products] / A.V. Sindireva, S.B. Lovineckaja // Vestnik NGAU [Bulletin of Novosibirsk State Agricultural University]. 2017. № 1(42). pp. 116–121. [in Russian]
10. Slavnina T. P. Vlijanie zagrjaznenija neft'ju i nefteproduktami na svojstva pochv [Influence of Oil and Oil Products Pollution on Soil Properties] / T. P. Slavnina, M. I. Kahatkina, V. P. Seredina et al. // Melioracija zemel' Sibiri. Nauchnye osnovy ispol'zovanija i ohrany zemel'nyh resursov Sibiri. [Land Reclamation of Siberia. Scientific Foundations of the Use and Protection of Siberian Land Resources.] – Krasnojarsk, 1984. – pp. 141–144. [in Russian]
11. Solntseva N. P. Zakonomernosti migracii nefti i nefteproduktov v pochvakh lesotundrovykh landshaftov Zapadnojj Sibiri [Regularities of Oil and Petroleum Products Migration in Soils of Forest-Tundra Landscapes of Western Siberia] / P. Solntseva, A. P. Sadov // Pochvovedenie [Soil Science]. - 1998. - No. 8. - pp. 996-1008 [in Russian]
12. Haziev F. V. Metody pochvennoj jenzimologii [Methods of Soil Enzymology] / F. V. Haziev // – M. : Nauka, 2005. – p. 252 [in Russian]
13. Jekologija goroda : uchebnoe posobie [Ecology of the City: A Textbook] / Edited by Prof. V. V. Denisova // – M. : IKC «MarT», Rostov n/D : MarT, 2008. – p. 832 [in Russian]