Статья: Оценка эффективности биоремедиации нефтезагрязненной бурой полупустынной почвы Республики Калмыкия (модельный эксперимент)

Таким образом, стимуляция численности бактерий в нефтезагрязненной бурой полупустынной почве достигается при любой дозе гумата натрия и «Байкал ЭМ-1».

Рис. 2. Изменение численности почвенных бактерий в нефтезагрязенной бурой полупустынной почве после внесения биочара, нитроаммофоса, гумата натрия и «Байкал ЭМ-1».

Активность каталазы и дегидрогеназ. Активность ферментов при добавлении ремедиантов изменялась по похожему сценарию (рис. 3, 4). Активность каталазы почвы при добавлении нитроаммофоса была простимулирована в 4.2, 3.8 и 2.9 раза больше, чем в контроле (5.7, 5.2 и 4 раза больше чем в нефтезагрязненном фоне). Внесение биочара стимулировало активность каталазы при Д0.5 на 14% по сравнению с нефтезагрязненным фоном (ингибировала на 17% по сравнению с контролем). Гумат натрия так же, как и биочар, стимулировал при Д0.5 на 43% относительно фона (на 5% выше, чем в контроле).

Рис. 3. Изменение активности каталазы в нефтезагрязенной бурой полупустынной почве после внесения биочара, нитроаммофоса, гумата натрия и «Байкал ЭМ-1».

Остальные дозы гумата натрия и биочара вызывали ингибирование активности фермента.

Все дозы «Байкал ЭМ-1» ингибировали активность каталазы на 9-17%. Наименьшее ингибирование установлено при дозе «Байкал ЭМ-1» Д2 на 9% ниже, чем в фоне (на 33% ниже, чем в контроле).

Активность дегидрогеназ также была простимулирована в вариантах с нитроаммофосом 2.4, 2.5, 2.6 раз при Д0.5, Д1 и Д2 соответственно. Биочар только в дозе Д1 достоверно отличался от нефтезагрязненного фона на 8%, в то время как остальные дозы (Д0.5 и Д2) достоверно не отличались от фона. Внесение гумата натрия стимулировало активность дегидрогеназ на 34, 35 и 60% по сравнению с фоном в Д0.5, Д1 и Д2 соответственно. Внесение «Байкал ЭМ-1» простимулировало активность фермента на 31, 39 и 55% по сравнению с фоном в Д0.5, Д1 и Д2 соответственно.

Ферментативная активность почв при внесении нитроаммофоса была простимулирована в несколько раз по сравнению с контролем и фоном, при внесении гумата натрия и «Байкал ЭМ -1» установлена стимуляция активности дегидрогеназ.

Рис. 4. Изменение активности дегидрогеназ в нефтезагрязенной бурой полупустынной почве после внесения биочара, нитроаммофоса, гумата натрия и «Байкал ЭМ-1».

Показатели интенсивности начального роста и развития семян. Всхожесть редиса после внесения ремедиантов изменилась значительно (рис. 5). Установлено, что всхожесть в почве с нитроаммофосом была ингибирована на 70-94% по сравнению с контролем (61-91% по сравнению с контролем). Всхожесть также была ингибирована при дозах Д2 гумата натрия и «Байкала ЭМ-1» на 30 и 60% по сравнению с контролем (9 и 48% по сравнению с нефтезагрязненным фоном).

Рис. 5. Изменение всхожести, длины корней и побегов в нефтезагрязенной бурой полупустынной почве после внесения биочара, нитроаммофоса, гумата натрия и «Байкал ЭМ-1».

Длина побегов редиса была простимулирована при добавлении любой дозы биочара на 27-32% по сравнению с фоном, при добавлении «Байкал ЭМ-1» Д0.5 и Д1 - на 35 и 17% выше, чем в нефтезагрязненном фоне. По длине корней получены похожие закономерности: биочар при любой дозе стимулировал длину корней на 9-18% выше, чем в фоне, а «Байкал ЭМ-1» Д0.5 и Д1 - на 22 и 50% соответственно.

Нитроаммофос ингибирует все фитотоксические показатели нефтезагрязненной почвы, при этом биочар и гумат натрия оказывают стимулирующее воздействие во всех дозах.

Для сравнения эффективности ремедиантов по их воздействию на экологическое состояние почвы оценивали ИПБС бурой полупустынной почвы (рис. 6).

Установлено, что биочар вызывает стимуляцию ИПБС при дозах Д0.5, Д1, Д2 - 11, 7 и 6% соответственно по сравнению с нефтезагрязненным фоном, но при этом он на 14, 17 и 19% ниже, чем в контроле. Нитроаммофос, несмотря на угнетение фитотоксических показателей, стимулирует по результатам расчета ИПБС при дозах Д0.5, Д1 и Д2 на 58, 54 и 33% по сравнению с нефтезагрязненным фоном и на 32, 29 и 8% выше, чем в контроле. Гумат натрия стимулировал ИПБС бурой полупустынной почвы при дозах Д0.5, Д1 и Д2 на 21, 20 и 23% относительно нефтезагрязненного фона, при этом достоверно не отличаясь от контроля. Внесение «Байкал ЭМ-1» в дозах Д0.5, Д1 и Д2 простимулировало ИПБС на 34, 40 и 18% относительно нефтезагрязненного фона, но лишь в двух дозах Д0.5 и Д1 была установлена стимуляция относительно контроля - на 8 и 15% соответственно. Таким образом, наиболее благоприятно на экологическое состояние нефтезагрязненной бурой полупустынной почвы влияет внесение ремедиантов в виде следующей последовательности: гумат натрия (Д0.5, Д, Д2) > «Байкал ЭМ-1» (Д0.5 и Д1) > биочар (Д0.5) > нитроаммофос (Д0.5).

Рис. 6. Изменение интегрального показателя биологического состояния нефтезагрязенной бурой полупустынной почве после внесения биочара, нитроаммофоса, гумата натрия и «Байкал ЭМ-1».

При этом внесение нитроаммофоса хотя и вызывает стимуляцию ферментативной активности почвы, но не может считаться наиболее экологически эффективным для ее ремедиации, поскольку при внесении этого вещества реакция почвенной среды становится очень кислой (рН - 3-3.5). Внесение азотных удобрений с высоким содержанием азота (15-20%) в такую щелочную почву, как чернозем, не оказывает токсического воздействия (Вальков и др., 2008). При внесении в бурую полупустынную почву, обладающую более легким гранулометрическим составом и содержанием карбонатов, высоким содержанием легкорастворимых солей, внесение нитроаммофоса вызывает токсический эффект для микробиоты и ферментативной активности вследствие реакции почвенной среды (Панкова и др., 2014; Рухович и др., 2019).

Оценка чувствительности биологических показателей. Все показатели отражают состояние почвы при ремедиации нефтяного загрязнения. Однако между ремедиантами и откликом биологических показателей есть существенная разница. Усредненные данные по дозам для каждого ремедианта представлены в таблице 3.

При внесении биочара в нефтезагрязненную бурую полупустынную почву представлен следующий ряд чувствительности (от наиболее чувствительного к наименее): длина корней > всхожесть = активность каталазы > активность дегидрогеназ > длина побегов > общая численность бактерий.

При внесении нитроаммофоса в нефтезагрязненную бурую полупустынную почву представлен следующий ряд чувствительности (от наиболее чувствительного к наименее): общая численность бактерий = активность каталазы > всхожесть > длина побегов > длина корней.

При внесении гумата натрия в нефтезагрязненную бурую полупустынную почву представлен следующий ряд чувствительности (от наиболее чувствительного к наименее): активность

каталазы > активность дегидрогеназ > длина корней > общая численность бактерий > длина побегов > всхожесть.

При внесении «Байкал ЭМ-1» в нефтезагрязненную бурую полупустынную почву представлен следующий ряд чувствительности (от наиболее чувствительного к наименее): длина корней > активность каталазы > активность дегидрогеназ > общая численность бактерий > длина побегов > всхожесть.

Установлено, что при внесении биочара и «Байкал ЭМ-1» наибольшую чувствительность наблюдали по длине корней, а наименьшую - по общей численности бактерий, всхожести и длине побегов. При внесении нитроаммофоса и гумата натрия наибольшую чувствительность наблюдали по общей численности бактерий и активности каталазы, а наименьшую - по всхожести и длине побегов (корней).

Оценка информативности биологических показателей. Для оценки информативности рассчитывали коэффициенты корреляции между остаточным содержанием нефти и значением каждого биологического показателя (табл. 4). Наибольшую информативность проявляют биологические показатели с отрицательным корреляционным коэффициентом c остаточным содержанием нефти от г = -0.60 до г = -1.00.

Таблица 3. Оценка чувствительности биологических показателей при ремедиации бурой полупустынной почвы (данные усреднены по дозам).

Таблица 4. Корреляционные коэффициенты (г) между содержанием нефти и изменением биологических показателей бурой полупустынной почвы.

Примечание к таблице 4. Достоверное отличие: * - p < 0.01, ** - p < 0.001.

Установлено, что внесение биочара в нефтезагрязненную почву вызывает повышение общей численности бактерий на фоне снижения содержания нефти в почве (г = -0.84), увеличение длины побегов (г = -0.58) и корней (г = -0.58). Внесение нитроаммофоса стимулировало активность дегидрогеназ (г = -0.84), каталазы (г = -0.63) и общую численность бактерий (г = -0.56). Гумат натрия вызывал стимуляцию активности каталазы (г = -0.60), длины побегов (г = -0.54), корней (г = -0.56) и всхожести редиса (г = -0.64). «Байкал ЭМ-1» в нефтезагрязненной почве стимулировал общую численность бактерий (г = -0.83) и активность дегидрогеназ (г = -0.89).

По степени информативности биологические показатели при ремедиации бурой полупустынной почвы составляют ряд: общая численность бактерий > активность дегидрогеназ > активность каталазы > длина корней > длина побегов > всхожесть. Наиболее информативным показателем при ремедиации бурой полупустынной почвы является численность почвенных бактерий и активность дегидрогеназ. Полученные результаты согласуются с ранее проведенными исследованиями по оценке информативности биологических показателей после ремедиации нефтезагрязненных почв Юга России (Minnikova et al., 2022), а также при ремедиации нефтью, мазутом и бензином с помощью «Байкал ЭМ-1» (Русева и др., 2022). экологический биоремедиация нефтезагрязненный почва

Согласно оценке информативности биологических показателей и с учетом разложения нефти для биоремедиации нефтезагрязненной бурой полупустынной почвы с сохранением ее экологического состояния, а значит, сельскохозяйственных и экологических функций, необходимо вносить гумат натрия Д0.5 и биочар Д0.5. Применение нитроаммофоса во всех дозах, несмотря на стимуляцию биохимических и микробиологических показателей, значительно ингибирует фитотоксические показатели, а применение «Байкал ЭМ-1» также ингибирует фитотоксические показатели и активность каталазы почвы.

Ранее в работе А.Н. Пархоменко (2018) по аридным почвам Астраханской области при нефтяном загрязнении было установлено, что наиболее применимы микробиологические показатели по сравнению с биохимическими. В нашем исследовании представлено, что микробиологические и ферментативные показатели почвы в равной степени чувствительны к ремедиации нефтяного загрязнения биочаром, нитроаммфосом гуматом натрия и «Байкал ЭМ-1».

Выводы

В результате исследования было установлено, что загрязнение бурой полупустынной почвы нефтью оказывает влияние не ее физические и биологические свойства. Внесение биочара приводит к разложению нефти и способствует стимуляции численности бактерий, росту побегов и корней редиса (Raphanus sativus L.). Гумат натрия вызывает стимуляцию активности каталазы (г = -0.48), длины побегов (г = -0.54) и корней (г = -0.54), а также всхожести редиса (г = -0.64). Нитроаммофос стимулирует численность бактерий (г = -0.56) и активность каталазы и дегидрогеназ (г = -0.63, г = -0.84), но угнетает длину побегов и корней редиса. Внесение «Байкал ЭМ- 1» стимулирует численность почвенных бактерий (г = -0.83), активность дегидрогеназ (г = -0.89) и угнетает длину корней, побегов и всхожесть редиса. По степени информативности биологические показатели при ремедиации бурой полупустынной почвы составляют ряд: общая численность бактерий > активность дегидрогеназ > активность каталазы > длина корней > длина побегов > всхожесть. Для восстановления экологического состояния нефтезагрязненной бурой полупустынной почвы после биоремедиации, а значит сохранения сельскохозяйственных и экологических функций необходимо вносить гумат натрия Д0.5 и биочар Д0.5. Результаты исследования целесообразно использовать при организации мероприятий по ремедиации нефтезагрязненной бурой полупустынной почвы.

Финансирование. Исследование выполнено за счет гранта Президента (МК-175.2022.5), при финансовой поддержке проекта Программы стратегического академического лидерства Южного федерального университета («Приоритет 2030») по созданию Молодежной лаборатории экобиотехнологий диагностики и охраны здоровья почв (№ СП-12-23-01), Министерства науки и высшего образования РФ, лаборатории «Здоровье почвы» Южного федерального университета (соглашение № 075-15-2022-1122), проекта Минобрнауки России «Лаборатория молодых ученых» в рамках Межрегионального научно-образовательного центра Юга России (№ ЛабНОЦ-21-01АБ, FENW-2021-0014).

Список литературы

1. Бананова В.А., Лазарева В.Г. 2014. Тенденции изменения ботанического разнообразия под влиянием опустынивания в республике Калмыкия // Аридные экосистемы. Т. 20. № 2 (59). С. 87-96. [Bananova V.A., Lazareva V.G. 2014. Trends of Changes in the Botanical Diversity under the Influence of Desertification in the Republic of Kalmykia // Arid Ecosystems. Vol. 4. No. 2. P. 119-126.]