Экологические аспекты трансформации ферментного пула почвы при нефтяном загрязнении и рекультивации
Скачать 0.92 Mb.
|
На правах рукописи Новоселова Евдокия Ивановна ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ТРАНСФОРМАЦИИ ФЕРМЕНТНОГО ПУЛА ПОЧВЫ ПРИ НЕФТЯНОМ ЗАГРЯЗНЕНИИ И РЕКУЛЬТИВАЦИИСпециальность 03.00.27 - почвоведение 03.00.16 – экология Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора биологических наук Воронеж 2008 Работа выполнена в ГОУ ВПО «Башкирский государственный университет» Научные консультанты: доктор биологических наук, профессор Киреева Наиля Ахняфовна доктор биологических наук, профессор Хазиев Фангат Хаматович Официальные оппоненты: доктор биологических наук, профессор Девятова Татьяна Анатольевна доктор биологических наук, профессор Селивановская Светлана Юрьевна доктор биологических наук, профессор Русанов Александр Михайлович Ведущая организация Московский государственный университет им. М.В.Ломоносова, факультет почвоведения Защита состоится « 27 » мая 2008г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.038.02 при Воронежском государственном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, Университетская пл., 1 С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного университета Автореферат разослан « » апреля 2007 г. Ученый секретарь диссертационного совета Брехова Л.И. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность исследования. Почва является неотъемлемой частью любой наземной экосистемы и играет важную роль в поддержании устойчивости биосферы. Ее бесконтрольное использование приводит к разрушению почвенного покрова. Деградация почв носит глобальный характер и является одной из самых главных причин экологического кризиса (Добровольский, 1997, 2003; Никитин, 2003). Антропогенная деградация почв в районах добычи, транспортировки и переработки нефти часто связана с загрязнением нефтью и нефтепродуктами, относящимися к приоритетным загрязнителям биосферы. На сегодняшний день это загрязнение является экологической проблемой мирового масштаба (Аржанников, Громова, 2001). По экспертным оценкам, загрязнение почвы в результате деятельности нефтедобывающих и транспортных предприятий на территории России достигает сотен тысяч гектаров. В Башкирии ежегодно загрязняется 72 тыс. м2 поверхности в год (Абдрахманов, 1993). Разливы нефти вследствие аварий на нефтепроводах оцениваются миллионами тонн. Загрязнение почвы нефтью нарушает ее стабильное функционирование: меняются физико-химические свойства, характер биохимических процессов, подавляется активность микробиоты (Kiss, 1985; Исмаилов, 1988; Пиковский, 1993; Гузев и др., 1989; Oberbremer, Müller-Hurtig, 1989; Киреева и др., 1994; Kiss, 1995; Киреева и др., 1996; Киреева и др., 1997; Гилязов, 1999; Margesin et al., 2000; Хабиров и др., 2001; Kiss, 2001; Габбасова, 2002; Киреева и др., 2004; Рахимова и др., 2005). Почвы, несмотря на техногенные воздействия, способны поддерживать гомеостаз за счет регуляторных механизмов, основанных на микробном пуле и пуле ферментов, контролирующих синтетико-деструктивные биохимические процессы в почве (Звягинцев, 1978; 2003; Хазиев, 1982). Ферменты участвуют в процессах «самоочищения» почв от экзогенных веществ, трансформируя, нейтрализуя, разрушая не свойственные почвам вещества, которые могут быть токсичными изначально или в результате их накопления выше определенных пределов (Исмаилов, 1982; Пиковский, 1988). Гидролитические и окислительно-восстановительные ферментные системы включают в биогеохимические циклы азот, фосфор, углерод, серу. Тем самым пул ферментов непосредственно участвует в осуществлении почвой ряда экологических функций: трофической, санитарно-восстановительной и др. Ферменты системы микроорганизмы - почва играют важную роль в сохранении биохимического равновесия в почве при ее различных загрязнениях (Хазиев, 1982). Благодаря ферментному пулу метаболизм почвы может сохраняться стабильным, даже если условия окружающей среды неблагоприятны для жизнедеятельности микроорганизмов. Вторжение потоков углеводородов, имеющих различные физико-химические характеристики, в биосферу происходит в разных природно-климатических условиях, что ведет к обилию ответных реакций природных систем. Процесс «самоочищения» и восстановления почв до исходного уровня длителен, это вызывает необходимость разработки приемов рекультивации с учетом их региональных особенностей, несмотря на значительное число исследований, выполненных по этой проблеме. Цель работы - комплексная оценка состояния ферментативного пула почв в условиях нефтяного загрязнения и при рекультивации. Задачи исследований: 1. Изучить трансформацию агрохимических свойств нефтезагрязненных почв и распределение нефти по почвенному профилю. 2. Изучить в почвах, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, состояние пула ферментов, участвующего в обмене азотсодержащих органических веществ, в углеводном обмене, особенности обмена фосфорсодержащих органических веществ, серусодержащих соединений, активность гидролазы эфиров карбоновых кислот - триацилглицерол-липазы. 3. Изучить состояние окислительно-восстановительных процессов в почвах, загрязненных нефтью и нефтепродуктами по активности оксидоредуктаз. 4. Изучить состояние ферментного пула, пула микроорганизмов в нефтезагрязненных почвах при проведении различных рекультивационных мероприятий. Научная новизна исследований. Впервые на территории Башкортостана в полевых, микрополевых, лабораторных опытах проведена комплексная оценка состояния ферментов азотного, углеводного, серного, фосфорного обмена серой лесной почвы и выщелоченного чернозема в условиях нефтяного загрязнения. Охвачен большой спектр ферментов различных классов и проанализированы изменения их активности при загрязнении почв сырой и товарной нефтью и различными нефтяными фракциями [ЛГК (легкий газойль коксования), ЭМ II (экстракт второй масляной фракции), Г (гудрон), КО (крекинг остаток), А (асфальтит), ДТ (дизельное топливо), ММ (моторное масло), Б (бензин), ДГФ (дистилят газойлевой фракции)], нефтяными углеводородами (н- парафины, циклопарафины, циклогексан, н-гексадекан, ароматические углеводороды), продуктами окисления углеводородов (гексадециловый спирт, пальмитиновая, бензойная и салициловая кислоты). В результате исследований предложено использовать активность некоторых ферментов в качестве диагностических показателей загрязненности почв нефтью – уреазы, нитрат- , нитритредуктазы, липазы, аскорбатоксидазы. Показано появление «компенсационных механизмов», за счет действия которых предотвращаются потери серы. Приведен материал многолетних исследований по окислительно-восстановительным ферментам, участвующим в трансформации нефтяных углеводородов (пероксидаза, полифенолоксидаза, каталаза, дегидрогеназа). Впервые изучена аскорбатоксидазная, липазная активность в почвах, подвергшихся нефтяному загрязнению в Южном Предуралье. Модифицированы методы определения активности дегидрогеназы и липазы. Разработаны и проверены на практике приемы рекультивации нефтезагрязненных почв с учетом природно-климатических условий Южного Предуралья и их влияние на ферментативную активность почв. Первый ряд приемов направлен на стимуляцию естественной углеводородокисляющей микробиоты, он включает в себя ежегодное внесение органо-минерального комплекса. Второе направление – внесение активного ила биохимкомбината, содержащего естественную ассоциацию углеводородокисляющих микроорганизмов и питательные вещества – соединения азота, фосфора, калия, микроэлементы в составе ила. Третье направление – очистка почв путем внесения препарата Бациспецин, полученного на основе природного штамма Bacillus sp. 739 в Институте биологии УНЦ РАН (г.Уфа), четвертое - фитомелиорация нефтезагрязненной почвы с использованием люцерны в качестве фитомелиоранта. Все испытанные приемы рекультивации показали свою эффективность в повышении активности ферментного пула загрязненных нефтью почв и в ускорении процессов их восстановления. Основные положения, выносимые на защиту:
Практическая значимость работы. Установленная специфика функционирования пула ферментов, участвующего в азотном, углеводном, серном, фосфорном обменах, позволяет научно обоснованно корректировать направленность биохимических процессов в нефтезагрязненных почвах для наиболее полного обеспечения доступными элементами питания как микроорганизмов, так и растений. Активность ряда ферментов можно использовать в практике биомониторинга почв, подвергшихся нефтяному загрязнению. Предложенный метод рекультивации серой лесной почвы, загрязненной в результате прорыва магистрального нефтепровода, опубликован в информационном листке ЦНТИ и внедрен в колхозе «Рассвет» Калтасинского района. Препарат Бациспецин опробирован в условиях Южного Предуралья на Сергиевском месторождении (Чекмагушевский район), Западной Сибири (территория Быстринскнефть ПО Сургутнефтегаз) и показал свою эффективность в разных климатических зонах (на основе разработанного метода получен патент РФ №2077397, МКИ В 09 с 1/10.). Апробация работы. Материалы диссертационной работы апробированы на международных симпозиумах и конференциях: «Современные проблемы биоиндикации и биомониторинга» (Сыктывкар, 2001; 2003), «Почва как связующее звено функционирования природных и антропогенно-преобразованных экосистем» (Иркутск, 2001), «Проблемы биодеструкции техногенных загрязнений окружающей среды» (Саратов, 2005), «Вiдновлення порушених природных экосистем» (Донецьк, 2002), «Экология и биология почв» (Ростов - на - Дону, 2004, 2007); «Биологическая рекультивация и мониторинг нарушенных земель» (Екатеринбург, 2007), «Экология биосистем: проблемы изучения, индикации и прогнозирования» (Астрахань, 2007); на Всесоюзных и Всероссийских съездах, конференциях и симпозиумах: микробиологического общества (Алма-Ата, 1985) и общества почвоведов (Ташкент, 1985; Новосибирск, 1989, 2004; Санкт-Петербург, 1996), общества биотехнологов России (Москва, 2005); «Мониторинг нефти и нефтепродуктов в окружающей среде» (Уфа, 1985), «Проблемы рекультивации нарушенных земель» (Свердловск, 1988); «Региональные проблемы экологии» (Казань, 1985), «Микробиологические процессы в почвах и урожайность сельскохозяйственных культур» (Вильнюс, 1986), «Биология почв антропогенных ландшафтов» (Днепропетровск, 1991), «Актуальные вопросы мониторинга экосистем антропогенно-нарушенных территорий» (Ульяновск, 2000); «Проблемы экологии Южного Урала» (Оренбург, 2007); на региональных конференциях (Уфа 1983, 1984, 1985, 1986, 1987, 1989, 1995, 1996). Личный вклад автора в работу. Диссертационная работа является результатом многолетних (1982-2007 гг.) исследований по изучению влияния нефти и нефтепродуктов на биологическую активность почв Южного Предуралья. Все результаты получены лично автором или при его непосредственном участии. Доля личного участия в совместных публикациях пропорциональна числу соавторов. Публикации. По теме диссертации опубликовано 72 работы, в том числе 2 монографии, 2 учебных пособия, 1 внедрение, 1 патент, 14 работ опубликованы в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК. Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 10 глав, заключения, выводов, списка литературы. Работа изложена на 340 страницах машинописного текста, в том числе 62 таблицы, 70 рисунков. Список литературы включает 558 источников, из них 132 на иностранном языке. Выражаю искреннюю благодарность проф., д.б.н. Киреевой Н.А.; заслуженному деятелю науки РФ, ведущему научному сотруднику лаборатории почвоведения Института биологии УНЦ РАН, чл. корр. АН РБ проф., д.б.н. Хазиеву Ф.Х. за поддержку, помощь в проведении экспериментов и консультации; д.б.н. заведующему лабораторией почвоведения Института биологии УНЦ РАН Габбасовой И.М. за консультации при написании работы, сотрудникам лаборатории почвоведения Института биологии УНЦ РАН, а также коллегам по работе, принимавшим участие в проведении экспериментов: к.б.н. Ямалетдиновой Г.Ф., аспирантам Тарасенко Е. М, Валиуллиной (Шамаевой) А.А., Онеговой Т.С. и многим другим за неоценимую помощь в работе. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В главе 1 «Структурно-функциональная трансформация биогеоценоза при нефтяном загрязнении и пути его восстановления» (Обзор литературы) в п.1.1 «Влияние нефтяного загрязнения на физические и химические свойства почв» приведены данные исследований по распределению нефти в почвенном профиле и ее влиянии на физико-химические свойства почв (Przedwojski et al., 1980; Андресон, Хазиев, 1981; Пиковский, Солнцева, 1981; 1993; Солнцева, 1998; Гилязов, 1999; Хабиров и др., 2001; Габбасова, 2002; Плешакова и др., 2005). В п. 1.2. «Состояние микробиоты и ферментативной активности почв при нефтяном загрязнении» рассмотрено влияние различных концентраций нефти и углеводородов на состояние микробиоты и ферментативной активности почв в различных климатических условиях (Donnelly, Mikucki, 1987; Oberbremer, Muller-Hurtig, 1989; Гузев и др., 1989; Халимов и др., 1996; Киреева и др., 1996 а, б, 1997, 1998 а, 2004; Гилязов, 1999; Margesin et al., 2000; Kiss, 1985, 1995, 2001; Рахимова и др., 2005). В п.1.3. «Рост и развитие растений в нефтезагрязненных почвах» подробно проанализированы причины ухудшения роста и развития растений на загрязненных почвах (Mac'kiewicz et al, 1982; Демидиенко и др., 1983; Тупицина и др., 2001; Аниськина и др., 2001; Киреева и др., 2002), использование высших растений как фитоиндикаторов техногенного загрязнения (Кавеленова, 1999, 2006). В п.1.4. «Биоремедиация нефтезагрязненных почв» проведен анализ различных методов рекультивации нефтезагрязненных почв (Meller et al., 1995; Braddock et al., 1997; Киреева и др., 1998; Емцев и др., 2000; Аржанников, Громова, 2001; Медведева, 2002; Карасева и др., 2005). В главе 2 «Объекты и методы исследований» описаны особенности природно-климатических условий изучаемого района, дана подробная характеристика исследуемых почв. В течение более двадцати лет в многолетних полевых, микрополевых и лабораторных опытах изучалось влияние различных концентраций нефти и отдельных углеводородов на ферментативную активность серой лесной тяжелосуглинистой, темно-серой лесной среднесуглинистой, песчаной иллювиально-железисто-гумусовой почвы, чернозема выщелоченного среднесуглинистого. Условия постановки и проведения опытов приведены в диссертации. Исследовались почвы, загрязненные сырой арланской, тюменской товарной (обессоленной, обезвоженной) нефтью, нефтепродуктами, краткая характеристика которых приведена в диссертации. Аналитические исследования проводили на свежих образцах почвы. Разрыв во времени с момента отбора и поступления образцов в лабораторию составлял 2-3 дня. О биологической активности почвы и ее способности к самоочищению судили по ферментативной активности почв, численности основных физиологических групп микроорганизмов, интенсивности дыхания, содержанию остаточной нефти в почве, коэффициенту минерализации углеводородов, всхожести семян, урожайности сельскохозяйственных культур. Активность ферментов азотного, углеводного, фосфорного, серного, липидного обмена, окислительно-восстановительных ферментов, участвующих в биодеградации углеводородов, определяли по методам, описанным Ф.Х.Хазиевым (1976, 1990, 2005):
- уреазы: субстрат 10% мочевина, время инкубации 24 часа, температура инкубации 30ºС, активность выражали в мг NН3 на 1г почвы за 24 часа. - аспарагиназы: субстрат 3,3% аспарагин, время инкубации 48 часов, температура инкубации 30ºС, активность выражали в мг NН3 на 1г почвы за 48часов. - глутаминазы: 3% глутамин, время инкубации 24 часа, температура инкубации 30ºС, активность выражали в мг NН3 на 1г почвы за 24 часа. - нитратредуктазы: субстрат 1% азотнокислый калий, время инкубации 24 часа, температура инкубации 30ºС, активность выражали в мг восстановленного NO3-на 10г почвы за 24 часа. - нитритредуктазы: субстрат 0,5% раствор NaNO2, время инкубации 24 часа, температура инкубации 30ºС, активность выражали в мг восстановленного NO2-на 10г почвы за 24 часа. - гидроксиламинредуктазы: субстрат 0,5% солянокислый гидроксиламин, время инкубации 5 часов, температура инкубации 30ºС, активность выражали в мг восстановленного NH2OH на 1г почвы за 5 часов.
- целлюлаз: субстрат 50мг целлофана, время инкубации 10 дней, температура инкубации 30º С, активность выражали в мг глюкозы на 20г почвы. - амилаз: субстрат 2% раствор крахмала, время инкубации 24 часа, температура инкубации 30º С, активность выражали в мг мальтозы на 1г почвы за 24 часа. - ксиланазы: субстрат 1% ксилан, время инкубации 3 суток, температура инкубации 30º С, активность выражали в мг ксилозы на 1мл реакционной смеси.
- дегидрогеназ: субстрат 1% тритетразолий хлористый, время инкубации 24 часа, температура инкубации 30ºС, активность выражали в мг формазана на 10г почвы за 24 часа. Для определения активности дегидрогеназ нами был дополнительно введен контроль для нефтезагрязненной почвы без субстрата, так как в спиртовой элюат экстрагировались сильно измененные в гипергенных условиях окисленные компоненты нефти, которые значительно завышали данные по дегидрогеназной активности. - пероксидаз: субстрат 1% гидрохинон, 1 мл 0,05% перекись водорода, время инкубации 1час, температура инкубации 30ºС, активность выражали в мг 1,4-п-бензохинона на 1г почвы за 1 час. - полифенолоксидаз: субстрат 1% гидрохинон, время инкубации 1час, температура инкубации 30º С, активность выражали в мг 1,4-п-бензохинона на 1г почвы за 1 час. - аскорбатоксидазы: субстрат 1% аскорбиновая кислота, время инкубации 1час, температура инкубации 30ºС, активность выражали в мг дигидроаскорбиновой кислоты на 100г почвы за 1час. 4. фосфогидролаз: - фосфатазы: субстрат 1% фенолфталеинфосфат натрия, время инкубации 1час, температура инкубации 30ºС, активность выражали в мг фенолфталеина на 1г почвы за 1час. - фитазы: субстрат 5% пирофосфат натрия, время инкубации 1час, температура инкубации 30º С, активность выражали в мг Р2О5 на 10г почвы за 1час. - АТФазы: субстрат 0,02М АТФ-Nа, время инкубации 1час, температура инкубации 30º С, активность выражали в мг Р на 100г почвы за 1час. - нуклеаз (РНК-аза, ДНК-аза): субстрат РНК или ДНК, время инкубации 1час, температура инкубации 30ºС, активность выражали в мг деполимеризованной нуклеиновой кислоты за 1 час на 1г почвы.
- сульфатредуктазы: субстрат 0,5н Na2SO4, время инкубации неделя, температура инкубации 30ºС, активность выражали в мг восстановленного SO2-4 на 1г почвы. - сульфитредуктазы: субстрат 0,6М сульфит натрия, время инкубации 24 часа, температура инкубации 30ºС, активность выражали в мг восстановленного SO2-3 на 1г почвы за 24 часа. - сульфидоксидазы: субстрат 1% Na2S, время инкубации 48 часов, температура инкубации 30ºС, активность выражали в мг SO2-4 на 100г почвы за 24 часа. - сульфитоксидазы: субстрат 0,5М раствор сернистокислого натрия, время инкубации 1 час, температура инкубации 30ºС, активность выражали в мг SO2-3 на 1г почвы за 1 час. - арилсульфатазы: субстрат 1% раствор п-нитрофенилсульфата калия, время инкубации 1 час, температура инкубации 30ºС, активность выражали в мг S на 100г почвы за 1 час. 6. гидролазы эфиров карбоновых кислот - триацилглицерол-липазы. Методика модифицирована. Вместо подсолнечного масла в качестве субстрата использовали 3,3% оливковое масло, эмульгированное на ультразвуковом диспергаторе УЗДН - 1 в поливиниловом спирте, время инкубации 72 часа, температура инкубации 30ºС, активность выражали в мл 0,05N KOH на 1г почвы. Учет численности основных физиологических групп микроорганизмов проводили общепринятыми методами посева почвенной суспензии на агаризованные питательные среды: гетеротрофные микроорганизмы - на МПА, целлюлозоразрушающие аэробы - на среду Гетчинсона, актиномицеты - на КАА, грибы - на среду Чапека, сульфатвосстанавливающие бактерии (СВБ) - на среду Постгейта, тионовые бактерии - на среду Ваксмана и Бейеринка, нитрификаторы I и II фаз - на голодный агар с аммониево-магниевыми солями, углеводородокисляющие микроорганизмы - на среду Ворошиловой – Диановой (Егоров, 1976; Колешко, 1981; Методы..., 1991). Агрохимические и агрофизические анализы почв проводили общепринятыми методами (Аринушкина, 1970; Вадюнина, Корчагина, 1989). Содержание остаточных нефтепродуктов определяли горячей экстракцией метиленхлоридом (McGill, Rowell, 1980), содержание серы - спектральным методом на инфракрасном анализаторе ИК-4250, интенсивность дыхания почв по А.Ш.Галстяну (1974), коэффициент минерализации углеводородов по Н.М.Исмаилову с соавт.(1984). Статистическая обработка результатов проводилась по Е.А.Дмитриеву (1995) и с использованием пакета прикладных программ Excel, Statistica V.4.5. В таблицах приведены среднестатистические данные. |
Добавить документ в свой блог или на сайт
Похожие:
 | Торговля и политика в области охраны окружающей среды Но при истощении природных ресурсов или при загрязнении воздуха, почвы и воды больше всего страдает бедное и экономически уязвимое... |  | Приложение №3 Техническое задание Фз «Об охране окружающей среды», федерального закона от 18. 06. 2001 №78-фз «О землеустройстве», иных нормативно-правовых актов,... |
| Оценка состояния почвы в дёмском районе города уфы Почвы городов существенно отличаются от природных. Чаще всего в городе можно встретить перемешанные и насыпные почвы с высокой степенью... | | Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... Цель: Познакомить с процессом образования почвы. Показать значение почвы для растений и живых организмов. Выделить основное свойство... |
| “Космические технологии (научно-технические, экологические и экономические аспекты)” Как устроена ракета? | | Экологические аспекты производства Работа выполнена коллективом кафедры процессов и аппаратов химической технологии рхту им Д. И. Менделеева |
| Экологические аспекты применения биоудобрений на черноземе обыкновенном... Защита состоится 14 ноября 2007 г в 1430 на заседании диссертационного совета д 212. 208. 16 по биологическим наукам при Южном Федеральном... | | Доклад на тему: «Энергетическая проблема мира и пути её решения» Научная студенческая конференция «социальные и экологические аспекты мирового экономического развития» |
| Программа по формированию навыков безопасного поведения на дорогах... В теме «Почвы и почвенные ресурсы» изучается вторым, после урока «Почвы и их разнообразие» | | Экологические аспекты реакции моллюсков dreissena polymorpha (pallas,... Студенты старших курсов, магистранты и аспиранты российских вузов (знание английского языка обязательно) |
| Тема: Почвы Ставропольского края и их плодородие Учение о почве как о самостоятельном природном теле возникло в России в результате творческой работы Докучаева, Симбирцева, Вильямса.... | | Доклад на научной студенческой конференции 7 декабря 2006 года «Социальные... Сравнительный анализ научно-технологического потенциала промышленно развитых стран мира |
| Методическая разработка практикума учебной дисциплины «Экологические основы природопользования» «Экологические основы природопользования» предназначена для реализации фгос к практической подготовке выпускников учреждений среднего... | | Применение ферментного стабилизатора «дорзин» в дорожном строительстве Фгбоу впо «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А» |
| Экологические аспекты преподавание химии в школе В наше непростое время. Когда химия как наука превратилась в изгоя общества. Приходиться пересматривать и содержание предмета и методы... | | Рабочая программа дисциплины «Уголовная ответственность за экологические правонарушения» Целями освоения дисциплины «Уголовная ответственность за экологические правонарушения» являются: формирование у студентов личностных... |
