Экологическая оценка влияния гуминовых продуктов на почвы, загрязненные тяжелыми металлами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.02.08, кандидат наук Панова Мария Игоревна

• Панова Мария Игоревна
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Панова Мария Игоревна

Список сокращений

Введение

Глава 1. Обзор литературы

1.1 Гуминовые продукты и природоподобные технологии для органического земледелия и ликвидации неблагоприятных воздействий на почвы

1.2 Полиметаллическое загрязнение почв - актуальная экологическая

проблема

1.3 Основные показатели экологического состояния почв

1.4 Методы интегральной оценки состояния нарушенных экосистем

1.5 Подходы к оценке безопасности и эффективности гуминовых

продуктов

Глава 2. Материалы и методы исследования

2.1 Материалы исследования

Почвы

Гуминовые продукты и биоуголь

План лабораторных экспериментов

2.2 Методы исследования

Физико- химический анализ

Биотестирование

Биоиндикация

2.3 Интегральная оценка экологического состояния

Расчет индекса состояния - методология Триад

Расчет индекса ремедиации

Глава 3. Полученные результаты и обсуждение

3.1 Влияние гуминовых продуктов на экологическое состояние агродерново-подзолистой почвы, загрязненной тяжелыми металлами

3.2 Влияние гуминовых продуктов на экологическое состояние аллювиально-луговой почвы, загрязненной промышленными выбросами металлургического предприятия

3.3 Влияние гуминовых продуктов на экологическое состояние искусственной стандартной почвы, загрязненной тяжелыми металлами

3.4 Индекс ремедиации как мера оценки гуминовых продуктов

Заключение

Выводы

Список литературы

Приложение

Список сокращений

АДПП - агродерново-подзолистая почва АЛП - аллювиально-луговая почва

ИСП - искусственная стандартная почва (по ISO 11268-1) FL - гумат калия «Флексом» LG - лигногумат

HA - очищенные гуминовые кислоты

KR - киргизский угольный гумат

ААБ - ацетатно-аммонийный буфер

ВР - водорастворимые формы тяжелых металлов

ДР - доступные для растений формы тяжелых металлов

ОК - обменные формы тяжелых металлов

БД - интенсивность базального (гетеротрофного) дыхания почв

СИД - интенсивность субстрат-индуцированного (с добавлением глюкозы)

дыхания почв

Смик - расчетная величина углерода, содержащегося в микробной биомассе ТМ - тяжелые металлы ГП - гуминовые продукты

ИСх - индекс состояния почв, рассчитанный по химическим параметрам ИСб - индекс состояния почв, рассчитанный по биоиндикационным параметрам ИСт - индекс состояния почв, рассчитанный по экотоксикологическим параметрам

ИС - индекс состояния (обобщенный) ИР - индекс ремедиации

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Экологическая оценка влияния гуминовых продуктов на почвы, загрязненные тяжелыми металлами»

Введение

Химическое загрязнение почв - одна из наиболее острых проблем современной экологии. Для обеспечения устойчивого функционирования наземных экосистем необходим поиск эффективных способов восстановления нарушенных почв, комплексная оценка надежности и безопасности проводимых ремедиационных мероприятий.

Гуминовые продукты (ГП), производимые из разных сырьевых источников органической природы, легко включаются в естественные круговороты веществ, активируют рост и развитие живых организмов (Kozlova et al., 2015; Olk et al., 2018; Canellas et al., 2020). Наличие в составе ГП разнообразных функциональных групп, в том числе ароматических структур, обуславливает их активное участие в сорбционных процессах, в снижении подвижности и биодоступности токсичных элементов. Благодаря этим свойствам ГП рекомендуются к практическому применению во многих сферах, в том числе, для восстановления экологического состояния почв, подверженных химическому загрязнению, в частности тяжелыми металлами (ТМ) (Kulikova et al., 2005; Perminova et al., 2006; Soler-Rovira et al., 2010).

Наличие экспериментально обоснованных универсальных схем оценки качества и ремедиационных свойств ГП - важное условие их безопасного и эффективного использования в природных средах. С помощью высокотехнологичного оборудования достигнуты большие успехи в изучении структурно-функциональной организации гуминовых компонентов почв (Попов, 2004; Лодыгин и др., 2014; Трубецкой, Трубецкая, 2017; Zavarzina et al., 2019; Vinci et al., 2021). Однако, критерии и подходы к выбору базовых показателей качества гуминовых продуктов в отношении улучшения «здоровья» почв до сих пор недостаточно разработаны (Чуков и др., 2010; Якименко, Терехова, 2011; Yakimenko et al., 2019). В некоторых европейских странах для характеристики «здоровья» почв используются показатели микробной биомассы,

дыхательной активности почвенных микроорганизмов (Hofman et al., 2004; Ritz et al., 2009; Goss et al., 2013). Известны оценки качества ГП, характеризующие защитные свойства и детоксицирующую способность по отношению к высшим растениям (Куликова, 2008, Воронина и др., 2012), микроводорослям (Чуков, Голубков, 2005).

Разработка универсального индекса и экспериментально-обоснованной оценки ГП в отношении восстановления нарушенных почв, в которой будут учтены данные химических, биоиндикационных и экотоксикологических анализов, необходимая мера по обеспечению эффективности их применения и устойчивого развития наземных экосистем.

Согласно биотической концепции, доминирующей в современной системе экологического контроля, первостепенное значение в анализе значимых экологических функций почв следует придавать показателям роста растений, отражающим плодородие, и снижению токсичности для живых систем.

Цель работы заключалась в исследовании влияния гуминовых продуктов на восстановление экологических функций почв, загрязненных тяжелыми металлами.

Задачи

1. Изучить влияние гуминовых продуктов на изменение химических, биоиндикационных и экотоксикологических показателей почв, загрязненных тяжелыми металлами.

2. Оценить экологическое состояние агродерново-подзолистой, аллювиально-луговой, искусственной стандартной почв с высоким содержанием тяжёлых металлов после обработки гуминовыми продуктами (лигногумат, флексом, киргизский угольный гумат и очищенные гуминовые кислоты).

3. Охарактеризовать ремедиационный потенциал гуминовых продуктов в почвах по снижению экотоксичности для гидробионтов и высших растений,

иммобилизации тяжелых металлов, структурным и функциональным характеристикам почвенного микробиома.

4. Разработать алгоритм оценки гуминовых продуктов, используемых при ремедиации почв, загрязненных тяжелыми металлами, для возможного включения в программы их сертификации.

Объект исследования - гуминовые продукты (лигногумат, флексом, киргизский угольный и очищенные гуминовые кислоты) из лигносульфоната, торфа, угля; предмет исследования - изменения химических, биоиндикационных и экотоксикологических свойств верхних горизонтов аллювиально-луговой почвы, загрязненной ТМ в результате промышленной деятельности, агродерново-подзолистой и искусственной стандартной почв, загрязненных ТМ в условиях эксперимента, до и после обработки гуминовыми продуктами.

Научная новизна

Предложен индекс ремедиации (ИР) как мера оценки гуминовых продуктов в отношении их способности восстанавливать свойства почв при химическом загрязнении. Для расчета ИР гуминовых продуктов определен набор химических, биоиндикационных и экотоксикологических показателей почв, влияющих на их устойчивое функционирование при загрязнении тяжелыми металлами. Получена дополнительная информация об изменении свойств почв, загрязненных в естественных и экспериментальных условиях, позволяющая расширить представления о ремедиационной способности гуминовых продуктов из разных сырьевых источников.

Практическая значимость

Результаты исследования дали основание предложить алгоритм оценки гуминовых продуктов как потенциальных ремедиантов почв при химическом загрязнении ТМ с целью сертификации. Характеристика сравнительной

эффективности изученных ремедиантов полезна для потребителей и совершенствования производства гуминовых продуктов.

Отдельные положения и выводы могут быть включены в образовательные программы для студентов экологических специальностей ВУЗов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Междисциплинарная методология ТРИАД позволяет оценить изменение химических и биологических (биоиндикационных и экотоксикологических) характеристик почв, загрязненных ТМ, под воздействием гуминовых продуктов в виде обобщенного показателя - индекса состояния почв.

2. Способность гуминовых продуктов к восстановлению экологических функций почв следует характеризовать по комплексу параметров, включающих содержание ТМ в доступной для растений форме, интенсивность базального дыхания и содержание углерода микробной биомассы, токсичность для гидробионтов и высших растений.

3. Для первичной оценки гуминовых продуктов в отношении восстановления почв, загрязненных ТМ, допустимо использование. искусственной почвы стандартного состава (по ISO 11268-2). Для применения ГП в естественных условиях необходим выбор доз внесения в зависимости от степени загрязнения и природных почвенных характеристик.

4. Значения индекса ремедиации как меры качества гуминовых продуктов позволяют ранжировать их эффективность в отношении восстановления нарушенных почв.

Степень достоверности и апробация результатов

Эксперименты проводились в двух-трех параллелях, в каждой параллели было не менее трех повторностей. Проанализировано 339 образцов почв. Результаты

обработаны с применением методов вариационной статистики. Выводы достоверны при принятом уровне доверительной вероятности P=0.95.

Материалы работы представлены на конференциях и международных конгрессах: II Всероссийская научно-практическая конференция «Утилизация отходов производства и потребления: инновационные подходы и технологии» (Киров, Россия, 17 ноября 2020); SETAC Europe 25th Annual Meeting (Барселона, Испания, 3-7 мая 2015); Докучаевские молодежные чтения "Деградация почв и продовольственная безопасность России" (Санкт-Петербург, Россия, 2-5 марта 2015); 4th International Conference on Environmental Pollution and Remediation (Прага Чехия, 2014); 9th International Soil Science Congress on "The Soul of Soil and Civilization" (Сиде, Турция, 14-16 октября 2014); международной школе "Технологии биотестирования в экологической оценке агроценозов и гуминовых веществ" (Москва, Россия, 2014).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 18 работ: 8 статей в научных журналах (из них 4 - включены в международные базы цитирования Scopus и WoS, 4 - включены в RSCI, рекомендованы ВАК), 1 статья в сборнике конференции, 9 тезисов в сборниках российских и международных конференций.

Личный вклад автора в работу заключается в разработке и теоретическом обосновании схем экспериментов, отборе почвенных образцов, организации опытов в контролируемых лабораторных условиях, выполнении экспериментальной работы и основной части статистической обработки результатов, визуализации, анализе и интерпретации результатов, а также подготовке публикаций и докладов по результатам работы, в том числе и настоящей рукописи.

Финансовая поддержка. Экспериментальная часть выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований проект РФФИ 18-04-01218-а и 10-04-90758-моб_ст. На первых этапах исследования работы проводились при поддержке проекта 14-04-31293 мол_а.

Обобщение результатов и подготовка к защите осуществляли в рамках Программы развития Междисциплинарной научно-образовательной школы Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова "Будущее планеты и глобальные изменения окружающей среды".

Благодарности. Автор выражает глубокую искреннюю благодарность своему научному руководителю, профессору кафедры земельных ресурсов и оценки почв, Вере Александровне Тереховой за всестороннюю поддержку в ходе проведения исследования, ценные советы и рекомендации, полученные при планировании экспериментальных работ и обсуждении результатов. Коллективу кафедры земельных ресурсов и оценки почв факультета почвоведения МГУ имени М.В. Ломоносова за активную дискуссию и важные замечания, полученные в процессе обсуждения промежуточных результатов работы. Коллективу лаборатории экотоксикологического анализа почв за помощь в проведении экспериментальных работ. А также д.х.н. Кыдралиевой К.А., к.б.н. Пукальчик М.А., к.б.н Якименко О.С. - за консультации, обсуждение результатов, предоставление образцов гуминовых продуктов, к.б.н. Карпухину М.М. за помощь в проведении химического анализа почв, к.б.н. Ивановой А.Е. за помощь в идентификации видов микромицетов.

Глава 1. Обзор литературы 1.1 Гуминовые продукты и природоподобные технологии для органического земледелия и ликвидации неблагоприятных воздействий на

почвы

Технологии интенсивного земледелия, основоположником которых считается отец «зелёной революции» Н. Борлауг, требуют большого количества невозобновляемых природных ресурсов и подвергаются критике со стороны мирового научного сообщества. В качестве альтернативы предлагается развивать природоподобные технологии - «органическое» земледелие. Разрабатываются и применяются различные схемы севооборотов, ландшафтного земледелия, технологии точного посева. Одним из наиболее активно развивающихся направлений природоподобных технологий в сфере агропромышленности является разработка и применение биологически активных соединений и стимуляторов роста растений, в том числе гуминовых продуктов (Полиенко и др., 2016; Байбеков, 2018).

В настоящее время объем рынка гуминовых продуктов огромен и, по оценкам, превысит 1 миллиард долларов США к 2024 году (Pulidindi, Pandey, 2017), поскольку они используются во всем мире в сельском хозяйстве и для целей ремедиации (Каниськин и др., 2011; Olk et al., 2018). По приблизительным оценкам, в России постоянно применяют гуминовые продукты на площади около 3 млн. га, ежегодное производство ГП составляет около 2000 тонн, а общая потенциальная потребность в гуминовых продуктах оценивается примерно в 30000 тонн (Якименко, 2016). Многочисленные производители гуминовых препаратов и их композиций с бактериальными или минеральными добавками, как правило, заявляют об универсальности их действия на разных типах почвах и при разных уровнях химического загрязнения. Однако на практике это не всегда подтверждается, единые системы экспериментальной оценки их качества отсутствуют, а значит эффекты от

бесконтрольного внесения ГП в разных условиях загрязнения могут быть непредсказуемы и опасны. Необходимо проводить комплексную многостороннюю оценку воздействия продуктов новых технологий на почвы, уделяя особое внимание биотическим методам, поскольку оценить накопление и трансформацию таких продуктов аналитическими методами не всегда возможно.

Сырьевые источники и их влияние на свойства ГП

Гуминовые продукты производят из различных видов сырья: угля, торфа, сланцев, вермикомпоста, лигнина или других материалов. Передовые аналитические методы анализа (ЯМР, ГХ-МС) позволяют исследовать природные гуминовые вещества на молекулярном уровне, что дает возможность в дальнейшем предсказывать свойства гуминовых продуктов (Попов, 2004; Лодыгин и др., 2014; Трубецкой, Трубецкая, 2017; Zavarzina et al., 2019; Vinci et al., 2021). Сырьевой источник и технология получения гуминового продукта во многом определяют их свойства: содержание С, растворимость и подвижность С, соотношение гуминовых и фульвокислот, соотношение и количество гидрофильных / гидрофобных / алифатических групп, площадь удельной поверхности молекул, наличие микроэлементов, рН раствора и некоторые другие (Kulikowska et al., 2015; Zakharova et al., 2016).

Наличие широкого спектра функциональных групп обуславливает способность ГП активно участвовать в сорбционных процессах, проявлять полярные и амфифильные свойства, способствующие стабилизации тяжелых металлов в почвенной матрице, без угрозы перехода в сопредельные среды и растения.

Повышенный интерес к гуминовым препаратам способствует совершенствованию традиционных технологий их производства, расширению сырьевой базы, а также внедрению инноваций в этой отрасли, в частности, при создании новых продуктов на основе ускоренной гумификации лигнинсодержащего

сырья (Koivula, 2004) и увеличения количества реакционных центров за счет включения в гуминовую матрицу наноразмерных атомов металлов, или их оксидов (Ponder et al., 2000; Perminova, 2012; Kydralieva et al., 2021).

Низкомолекулярные соединения гуминовых веществ обладают повышенным биостимулирующим действием на рост и развитие растений, им свойственна высокая миграционная подвижность в почве. Высокомолекулярные соединения при меньшей миграционной подвижности и невысоком биостимулирующем действии имеют повышенные сорбционные свойства связывания элементов по механизму комплексообразования, что снижает возможности попадания токсичных и вредных веществ в растение (Лыхман, 2017).

Применение ГП в сельском хозяйстве

Наиболее широкое применение гуминовые продукты находят в сельском хозяйстве в качестве стимуляторов роста растений, в основном, в форме легкорастворимых солей гуминовых кислот с щелочными металлами. Они являются физиологически активными формами гуминовых кислот и действуют на клеточном уровне - изменяют проницаемость клеточных мембран; повышают активность ферментов и скорость физиологических и биохимических процессов; стимулируют процессы дыхания, синтеза белков и углеводов у растений (Куликова и др., 1997; Чуков, Голубков, 2005; Calvo et al., 2014; Canellas et al., 2015; Shah et al., 2018). Применение этих препаратов приводит к повышению урожайности, особенно в неблагоприятных климатических условиях. Являясь неспецифическими активаторами иммунной системы, гуминовые продукты повышают устойчивость растений к различным заболеваниям. В экспериментах с различными культурами высших растений показано, что применение промышленных гуматов (солей гуминовых кислот) натрия, калия и аммония, независимо от источника сырья для их производства, в оптимальных дозах заметно стимулирует прорастание семян,

улучшает дыхание и питание растений, увеличивает длину и биомассу проростков растений, усиливает ферментативную активность и сокращает поступление в растения тяжелых металлов и радионуклидов (Якименко, Терехова, 2011).

Положительное влияние ГП на рост растений обычно связывают не только с прямым взаимодействием молекул ГП на корни ("гормоноподобная активность") и активацией физиологических процессов в растении, но и через проявление различных косвенных эффектов. Например, гуминовые продукты способны буферизовать рН, увеличивать задержку воды и мобилизировать доступность питательных веществ (Rose et al., 2014; Canellas, Olivares, 2015; Nardi et al., 2016; Shah et al., 2018).

Установлено, что гуминовые продукты могут проявлять токсичность для растений и гидробионтов (Таран и др., 2013; Guo et al., 2019; Терехова и др., 2021;). В исследовании Т.А. Кирдей (2015) показано, что присутствие гуминового продукта из торфа усиливает фитотоксический эффект нитрата свинца, при этом содержание свинца в надземных органах растений (Triticum aestivum L.) увеличивается в 4.5-10 раз.

Влияние ГП на почвенные свойства

Необходимо отметить важнейшую функцию гуминовых веществ, способствующих формированию органо-минеральной матрицы, обеспечивающую структурную организацию почвы (Зубкова, Карпачевский, 2001). Применение гуминовых продуктов улучшает и поддерживает агрофизические показатели в оптимальном диапазоне: увеличивается доля агрономически ценных агрегатов, за счёт сокращения пылеватой и глыбистой фракций, гуминовые препараты опосредованно - через увеличение биологической активности - улучшают структурное состояние почвы (Касимова, Порываева, 2004; Clapp et al., 2004; Лыхман и др., 2018).

Применение гуминовых продуктов оказывает существенное влияние на биохимические процессы в почвах и активность почвенных ферментов. Внесение ГП может оказывать действие на поступление углерода и азота в растения, и, как следствие, процессы разложения органического вещества в почве. ГП могут воздействовать на споры грибов, цисты простейших и бактерий, которые образуют фермент-субстратные и сополимеризованные комплексы с органическим веществом почв (Wallenstein, Burns, 2011).

Таким образом, внесение гуминовых веществ влияет на физические и химические свойства почв, структурные и функциональные параметры микробиома, изменяют физиологические условия роста и развития растений, жизни педобионтов. В то же время, в определенном диапазоне концентраций известны случаи токсического действия ГП.

Применение ГП для целей ремедиации

Хорошо известно, что органическое вещество почв оказывает большое влияние на подвижность и биодоступность тяжелых металлов (ТМ) - приоритетных токсикантов на протяжении многих десятилетий. Использование органических добавок, таких как гуминовые продукты (ГП) и биоуголь, широко применяются для ремедиации почв, загрязненных ТМ (Hernandez-Soriano, Jimenez-Lopez, 2012; Pontoni et al, 2016; Попов и др., 2016; Безуглова, 2016; Степанов и др., 2018).

Технологии детоксикации загрязненных почв и грунтов с применением гуминовых и гумино-минеральных веществ главным образом основаны на инактивации поллютантов при внесении ГП в загрязненные почвы и грунты путем связывания ионов тяжелых металлов, перевода их в неподвижные формы, обезвреживания органических экотоксикантов при их сорбции на гуминовых матрицах (Шульгин, 1994; Kaschl, Chen, 2005; Perminova et al., 2006; Khaled and Fawy, 2011; Pukalchik et al., 2017; Tregubova et al., 2017). Однако, имеются данные и о том,

что ГП, наоборот, повышают подвижность ТМ: в работе М."" Еуа^е1ои (2004) показано значительное накопление кадмия в растениях табака при внесении гуминового продукта из торфа и рассматривается возможность их применения для фитоэкстракции, как альтернатива использованию синтетических хелатов.

Использование ГП для целей микробной и фиторемедиации почв связано, прежде всего, с тем, что они обладают физиологической активностью по отношению к растениям и некоторым видам микроорганизмов, что вызывает стимулирование аборигенной микробиоты почв. Максимальная эффективность применения ГП наблюдалась при неблагоприятных условиях окружающей среды, таких как, недостаточное или чрезмерное влагосодержание, низкие температуры, недостаточное освещение, а также загрязнение тяжелыми металлами или радионуклидами (Регштоуа е! а1., 2005).

Количество и разнообразие производимых гуминовых продуктов неуклонно возрастает, их рекомендуют как для сельскохозяйственных, так и для природоохранных целей. Одним из наиболее перспективных является применение гуминовых продуктов для детоксикации загрязненных тяжелыми металлами почв, восстановления их экологических функций.

1.2 Полиметаллическое загрязнение почв - актуальная экологическая проблема

Проблема загрязнения почв и сопредельных сред тяжелыми металлами не теряет своей актуальности вот уже несколько десятков лет. В отличии от органических загрязнений, соединения ТМ не подвержены микробиологической деградации, период полуудаления в результате эрозии, вымывания, потребления растениями и дефляции длится от 70 до 510 лет для 7и, от 310 до 1500 для Си, от 740 д 5900 для РЬ (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Тяжелые металлы могут быть либо стабилизированы в почвенной матрице, в состоянии, не приносящем вреда

биогеоценозам, либо извлечены/удалены. По данным Государственного доклада «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2019 году» за последние пять лет наблюдений отмечается значительное загрязнение почв ТМ (среднее значение превышений не ниже 3 ПДК и 3 ОДК).

На современном этапе развития человечества полностью исключить фактор техногенного загрязнения почв и сопредельных сред тяжелыми металлами невозможно. Однако, для поддержания нормального функционирования биогеоценозов и возвращению состояния нарушенных территорий к допустимым уровням можно проводить их ремедиацию. Современные методы ремедиации почв можно разделить по видам воздействия (Копцик, 2014):

- физическое (выемка, витрификация, электроремедиация, промывка и др.);

- химическое (растворение, стабилизация путем адсорбции, изменение рН и др.);

- биологическое (биоэкстракция, фитоэкстракция, фитостабилизация и др.).

Для стабилизации тяжелых металлов в почвах in situ используются многочисленные добавки - группы каолинита и серпентина, пирофиллита, талька, слюд, вермикулита, смектитов; оксиды и гидроксиды Al, Fe и Mn, цеолиты и цеолитсодержащие породы; шунгитсодержащие сланцы, углистоглинистые сланцы, торф. Техногенные шлаки, золы, отходы производства Al, фосфогипс, доломитовые остатки, опилки, кора, лигнин, и другие составляют группу промышленных отходов, используемых для связывания ТМ (Копцик, 2014; Xu et al., 2017)

Одним из наиболее перспективных направлений в вопросах ремедиации загрязненных тяжелыми металлами почв является применение гуминовых продуктов, положительные эффекты которых показаны в ряде исследований (Пукальчик и др., 2015; Степанов, Якименко, 2016; Tregubova et al., 2017).

В рамках данной работы наибольший интерес представляет загрязнение медью, свинцом и цинком. В почвах медь является слабомиграционным элементом, хотя

содержание подвижной формы бывает достаточно высоким. Количество подвижной меди зависит от многих факторов: химического и минералогического состава материнской породы, рН почвенного раствора, содержания органического вещества и других. Наибольшее количество меди в почве связано с оксидами железа, марганца, гидроксидами железа и алюминия и особенно с монтмориллонитом, вермикулитом. Гуминовые и фульвокислоты способны образовывать устойчивые комплексы с медью. При рН 7-8 растворимость меди наименьшая. (Ладонин, 2002; Водяницкий, 2008Ь).

Стоит отметить, что медь является одним из важнейших незаменимых элементов, необходимых для живых организмов. В растениях она активно участвует в процессах фотосинтеза, дыхания, восстановления и фиксации азота. Медь входит в состав целого ряда ферментов-оксидаз - цитохромоксидазы, церулоплазмина, супероксидадисмутазы, уратоксидазы и других, и участвует в биохимических процессах как составная часть ферментов, осуществляющих реакции окисления субстратов молекулярным кислородом. (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989). Известно альгицидное действие меди, а также ее губительное воздействие на почвенные микроорганизмы. (Фелленберг, 1997) Токсическое действие меди в повышенных концентрациях проявляется в снижении накопления фитомассы, уменьшении оводненности тканей растений и содержания в них хлорофилла, ингибировании поглощения ионов некоторых других металлов и их транслокации по растению (Семенова и др., 2015)

Подвижность свинца сильно зависит от реакции почвенной среды. В условиях повышенных значений рН ионы свинца осаждаются в почве в виде гидроксидов, фосфатов, карбонатов, а также образовывают РЬ-органические комплексы. Глинистые минералы, особенно иллиты, также имеют большую склонность сорбировать свинец. Однако, наибольшие концентрации свинца обнаруживаются в обогащенном органическим веществом верхнем слое необрабатываемых почв, таким образом,

органическое вещество должно рассматриваться как важный потребитель свинца в загрязненных почвах (Минкина и др., 2006; Фещенко, 2014).

Повышение уровня свинца в почвах приводит к снижению энзиматической активности, и, как следствие, накоплению не полностью разложившихся органических веществ, особенно медленно разлагаемых. Так же свинец способствует накоплению нитратов в почвах. Органометаллические соединения свинца нарушают фундаментальные физиологические процессы в растениях - фотосинтез, рост, митоз и т.п. (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989: Hinojosa et al., 2004; Belyaeva et al., 2005).

Цинк в почвах ассоциируется главным образом с водными оксидами железа и алюминия (14-38% от общего содержания) и с глинистыми минералами (24-63%), в то время как легкоподвижные формы составляют 1-20%, а органические комплексы 1.52.3%. Органическое вещество почв способно связывать цинк в устойчивые формы, вследствие чего наблюдается накопление цинка в органических горизонтах почв и торфах. Однако, константы устойчивости 7п-органических соединений в почвах относительно низкие (Водяницкий, 2008a).

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Панова Мария Игоревна, 2021 год

- - J —

b

b

ab

\\\\\ \\\\\ \\\\\

.ww

.WW .WW

\\\\?4\\\v

wwwww wwwww wwwww .wwwww wwwww

Контроль LG 0.5

LG 1

BC 5 + LG 0.5

BC 0.5

0

Функциональные характеристики микробиома

По показателям эмиссии диоксида углерода дана характеристика функционального состояния микробного сообщества в разных вариантах эксперимента с почвой. Значения микробной биомассы (Смик), базального дыхания почвы (БД) и метаболического коэффициента (дС02) в образцах аллювиально-луговой почвы приведены в таблице 3.9.

Таблица 3.9 - Влияние обработки лигногуматом (ЬО) и биоуглем (ВС) на микробиологические характеристики аллювиально-луговой почвы (АЛП)

Вариант опыта БД, мкг С-СО2 / г^мдхч С^МИК:, мкг C / г qCOi, мкг СО2-С / мг СмикхН

Контроль 217±2 51.2±1.4 4.25±0.21

LG 0.5 248±2* 58.4±1.6* 4.24±0.21

LG 1.0 289±23* 56.9±1.8* 4.85±0.39

LG 0.5 + BC 5 238±14* 55.0±3.1* 4.32±0.22

BC 0.5 239±4* 48.4±0.4* 4.94±0.25*

BC 5.0 190±3* 44.7±2.5* 4.26±0.21

* выделено достоверное отличие (р=0.05) от контроля - исходного почвенного образца

Лигногумат (LG) увеличивает скорость базального дыхания АЛП на 14 и 33% в дозе 0.5 и 1 г/кг, содержание углерода в микробной биомассе - на 14 и 11%, соответственно. Содержание микробной биомассы некоторыми авторами считается лучшим показателем плодородия почвы, чем С0рГ, поскольку она быстрее и чувствительнее реагирует на изменения почвенных условий (Powlson et al., 1987; Garcia et al., 2000). Достоверное увеличение микробной биомассы в почвах с углеродсодержащими добавками происходит в основном за счет микробной биомассы и добавления субстрата - углерода, который стимулирует аборигенную почвенную микробиоту, однако возможен и прямой эффект от внесения микроорганизмов (Ros et al., 2006).

В наших экспериментах метаболический коэффициент, характеризующий уровень стресса, не изменялся при добавлении BC в дозе 0.5 %, и увеличивался на 14% в большей дозе, что свидетельствует о повышении уровня стресса в микробиоме. Биоуголь увеличивает БД на 10% в дозе 0.5 %, но уменьшает на 12% в дозе 5 %. Смик уменьшается на 6 и 13%, соответственно. Кроме того, внесение 0.5 % биоугля значимо увеличивает метаболический коэффициент на 16%. Совместное применение биоугля и лигногумата менее эффективно чем отдельно лигногумата (LG 0.5).

Таким образом, только для лигногумата (0.5 г/кг) обнаружен заметный ремедиационный эффект по реакции почвенного микробиома.

Интегральный индекс состояния почв

Для сопоставления и обобщения данных химических, биоиндикационных и токсикологических исследований были рассчитаны индексы состояния почв (ИСх, ИСб, ИСт) и интегральный индекс состояния почв (ИС) с использованием Триадного подхода (методика расчетов изложена в главе 2.3, подробные расчеты представлены в Приложении, таблица 4.3). Из химических параметров оценивали содержание Cd, Cu, Zn, Pb в водном и солевом (доступная для растений форма) экстрактах; из биоиндикационных - скорость базального (гетеротрофного) дыхания почв, содержание углерода микробной биомассы (рассчитанное из скорости субстрат-индуцированного дыхания), активность почвенных ферментов (кислая фосфатаза, данные предоставлены Brendova K.); из токсикологических - реакции гидробионтов (D. magna) на водные экстракты и высших растений при аппликатном способе фитотестирования твердой массы почвы. Исходные данные, их перевод в шкалу от 0 до 1, и расчет интегральных индексов представлены в Приложении (таблица П3). Сравнение вариантов проведено относительно образца без углеродсодержащих добавок - исходная загрязненная аллювиально-луговая почва (контроль). Значение индекса состояния (ИС) исходной экстремально загрязнённой почвы приняли равным

единице (ИС =1), в связи с невозможностью отбора незагрязненного фонового образца в данной местности. Результаты в опытных вариантах (с добавками ремедиантов) сравнивали с контролем.

На рисунке 3.7 представлены интегральные индексы состояния почв (ИС. ИС

1.00

0.50 046 0.53 0.54 О;,6,2,,

Исходная ЬС 0.5 ЬС 1 ВС 5+ЬС 0.5 ВС 0.5 ВС 5

почва

Рисунок 3.7 - Влияние лигногумата (ЬО, г/кг) и биоугля (ВС, %) на интегральный индекс экологического состояния (ИС) аллювиально-луговой почвы (АЛП)

Все исследованные добавки уменьшали ИС на 38-54% относительно исходного почвенного образца, содержащего высокие концентрации тяжелых металлов, что свидетельствует о высоком детоксицирующем потенциале ремедиантов. При добавлении в загрязненную почву лигногумата (ЬО) происходит снижение ИС соответственно увеличению дозы ЬО на 50 и 54%, в то время как для биоугля (ВС) показана обратная зависимость от дозы - ИС уменьшается на 44 и 38%, соответственно. Совместное применение биоугля и лигногумата уменьшает ИС на 47%, что несколько меньше, чем для одного лигногумата. На основании расчетов ИС можно заключить, что все добавки испытанных ремедиантов способствуют изменению экологического состояния почв, переводя их в категорию менее нарушенных.

Представленная на рисунке 3.8 площадь треугольника для каждого варианта обработки АЛП ремедиантами (ЬО и ВС) отражает интегральный ИС и степень нарушенности.

1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0

ИСх

ИСт

81 ИСб

LG 0.5

ИСх

ИСт

0.79

ИСб

LG 1.0

ИСх

ИСт

0.97 ИСб

ВС 0.5

ИСх

ИСт

1.00 ИСб

ВС 5.0

Рисунок 3.8 - Графическое отображение результатов оценки влияния лигногумата (LG) и биоугля (BC) на экологическое состояние аллювиально-луговой почвы (АЛП) согласно методологии Триад

Как видно из результатов, представленных на рисунке 3.8, воздействие ВС и ЬО на почву заметно различалось, что выразилось в разном снижении ИС. Так, биоуголь эффективнее чем лигногумат снижает ИСх (на 44-61% против 39-45%), а значит большее воздействие оказывает на иммобилизацию и биодоступность ТМ, но при этом оказывает меньшее воздействие на биоиндикационные параметры (ИСб). Лигногумат (ЬО) отдельно и совместно с биоуглем (ВС) полностью снимал токсичность почвы (до ИСт=0). Важно отметить, что доза биоугля 5.0 % не снижала ИСб, т.е. на микробиом исходной (экстремально грязной) почвы не оказывала положительного воздействия. Это связано со снижением базального дыхания (БД), содержания углерода микробной биомассы и активности фосфатазы. Вероятно, высокая доза биоугля негативно воздействует на микробный комплекс почвы, что отмечалось и другими авторами (Дше1оо1 й а1., 2013; ОаБео й а1., 2016). Установлено небольшое улучшение экологических условий АЛП по биотическим показателям при внесении ЬО, о чем свидетельствует снижение ИСб на 19-21%.

Таким образом, длительное неблагоприятное воздействие токсикантов в природных условиях заметно угнетает функционирование микробиома АЛП. Эффект лигногумата на фоне такого загрязнения почвы возможно мог бы быть выше, если оценивать его воздействие в течение более продолжительного времени, что может стать предметом дальнейших исследований.

По результатам проведенного исследования аллювиально-луговой почвы, подверженной длительному техногенному загрязнению высоких доз тяжелых металлов, можно заключить, что влияние лигногумата выражается в значительном снижении интегрального индекса состояния (ИС) на 50-54%, что соответствует снижению степени нагрузки от «очень высокой» до «высокой» и «средней» (см. таблица 2.4, стр. 47). В первую очередь, улучшение состояния происходит по изменению химических (до 45%) и экотоксикологических (до 100 %, т.е. полного отсутствия токсичности) параметров. Методами биоиндикации показано, что

микробный комплекс почв, формирующийся в условиях многолетнего поступления и накопления тяжелых металлов в почвах, претерпевает незначительные изменения при внесении лигногумата (не более 21%), и не изменяется вовсе при внесении биоугля. Применение лигногумата перспективно для целей восстановления экологических функций загрязненных ТМ почв, в первую очередь, благодаря снижению подвижности ТМ, что уменьшает риск загрязнения сопредельных сред, а также способствует улучшению условий для роста и развития растений.

3.3 Влияние гуминовых продуктов на экологическое состояние искусственной стандартной почвы, загрязненной тяжелыми металлами

Искусственная стандартная почва (ИСП, по ISO 11268-1) широко используется в мировой практике экспериментальных исследований для оценки и сравнения различных препаратов, установления действующих концентраций новых веществ в отношении токсичности и других характеристик. Ее используют в качестве контрольной или в качестве среды при приготовлении серии разбавлений с исследуемыми почвами или референтными веществами во многих методиках биотестирования почв, когда нет возможности выбрать почвенный аналог для сравнения разных видов воздействий (ISO 18763-2019).

В диссертации исследовано действие следующих гуминовых продуктов: FL -флексом, LG - лигногумат, KR - киргизский угольный гумат, на изменение химических и биологических свойств ИСП. Оценка детоксицирующей способности ГП в образцах ИСП проведена на фоне двух доз меди - 264 и 528 мг/кг Cu в составе CuSO4*5H2O, что соответствует 2 и 4 ОДК, согласно СанПиН 1.2.3685-2. Обработка гуминовыми препаратами проводилась в контролируемых лабораторных условиях в дозах 0.1 и 1.0 г/кг (по массе ИСП). Основные результаты этой части диссертационной работы представлены в опубликованных статьях: Экспериментальная характеристика

ремедиационных свойств гуминовых препаратов разного генезиса по фону загрязнения почв медью. Теоретическая и прикладная экология (2015), Динамика структуры сообществ микроскопических грибов в почвах при химическом загрязнении и внесении гуминовых веществ. Агрохимия (2016).

Выбор поллютантов обоснован рядом причин. Как известно, в почвах агро- и урбоэкосистем содержание тяжелых металлов, в частности РЬ, Си, подлежит обязательному контролю, согласно ФЗ №52. Отметим, что цинк и свинец относятся к I (высоко опасные) классу опасности ТМ, медь ко II (умеренно опасные) (ГОСТ 17.4.1.0283). Важной особенностью меди, имеющей значение в биологических исследованиях, является то, что в следовых количествах её соединения необходимы для метаболизма, роста и развития растений, тогда как в высоких концентрациях они могут проявлять сильное токсическое действие.

Химический анализ

Внесение Си в дозе 4 ОДК привело к повышению гидролитического рН на 0.2 единицы, по сравнению с фоновыми значениями незагрязненного почвенного образца, Си в дозе 2 ОДК не оказала влияния на рН среды (таблица 3.10). Флексом (БЬ) увеличил рН водного экстракта (соотношение почвы к воде - 1:4) на 0.1 и 0.2 единицы при 2 ОДК меди, а лигногумат (ЬО) в дозе 1г/кг подщелачивал реакцию среды на 0.2 единицы. Киргизский угольный гумат (КЯ) в дозе 0.1 г/кг подщелачивал на 0.2 при 2 ОДК, а 1 г/кг подкислял на 0.45 единицы при 4 ОДК меди.

Таблица 3.10 - Изменение рН при внесении CuSO4*5H2O и гуминовых продуктов (г/кг) в стандартную искусственную почву (ИСП)

Си, мг\кг Без ГП ЕЬ ЬО кя

0.1 1.0 0.1 1.0 0.1 1.0

264 6.65 ± 0.19 6.75 ± 0.14 6.86 ± 0.09 6.75 ± 0.23 6.8 ± 0.19 6.8 ± 0.24 6.88 ± 0.11

528 6.8 ± 0.11 6.92 ±0.23 6.7 ± 0.09 6.67 ± 0.22 6.82 ± 0.05 6.53 ± 0.14* 6.35 ± 0.08*

фон (без ТМ и ГП) 6.61 ± 0.06

*-выделены варианты, достоверно отличимые от контроля (с ТМ, без ГП) прир=0.05

Влияние гуминовых продуктов на содержание водорастворимых и доступных для растений форм меди отражено на рисунке 3.9 (обозначения ГП: БЬ - флексом, LG - лигногумат, KR - киргизский угольный гумат).

600

500

5 400

и

о 300

к §

* 200 а

Л100

0

а

без ГП

0.1

Си-264 мг/кг

а

ь Ь

£

ь

БЬ

0.1

Ьв

ь

ь

0.1

кя

600 500 400 300 200 100 0

без ГП

Си-528 мг/кг

а

а

БЬ

а

И

0.1

Ьв

а

а

0.1

кя

Планка погрешностей отражает стандартные отклонения от среднего (п=3); значения, обозначенные разными буквами, различаются достоверно при р=0.05.

Рисунок 3.9 - Влияние ГП (г/кг) на содержание доступной для растений меди (экстракция в ААБ) в стандартной искусственной почве (обозначения ГП: БЬ -флексом, LG - лигногумат, KR - киргизский угольный гумат)

Гуминовые продукты существенно влияли на иммобилизацию ТМ в варианте с 264 мг Си /кг, однако, при 528 мг Си/кг достоверного влияния ГП не обнаружено. Флексом (БЬ 1 г/кг) значимо снижал содержание меди в доступной для растений форме на 40%, лигногумат и угольный киргизский гумат - на 20 и 32%, соответственно, независимо от дозы внесения.

Биотестирование на гидробионтах

Биодоступность ТМ для живых организмов оценивалась в батарее биотестов с применением стандартизованных тест-организмов. Токсический эффект оценивали по выживаемости пресноводных рачков С. affinis, инфузорий Р. caudatum, изменению

1

1

1

1

1

1

численности клеток микроводорослей S. quadricauda относительно фонового образца

(исходная ИСП). Результаты представлены в таблице 3.11.

Таблица 3.11 - Влияние меди и гуминовых продуктов (г/кг) на тест-функции стандартизованных тест-культур в водных экстрактах искусственной стандартной почвы (ИСП)

Гуминовые продукты (ГП). г/кг

Тест-параметр Cu, мг/кг Без ГП FL KR

0.1 1.0 0.1 1.0

Прирост численности 0 18.75i3.85a1 81.72±10.60b 98.91±8.43b 84.17±6.52b 183.83±19.30c

Sc. 264 2.19±1.31a 26.56±3.56b 25.94±7.73bc 26.67±4.15b 18.33±3.91c

quadricaudа., кл/мл*105 528 0.00±0.00a 27.97±6.34b 26.41±5.15b 9.00±3.48c 3.50±1.79d

0 95±5a 85±10ab 85±10ab 100±5a 80±9b

Выживаемость 264

C.affinis, % 67±13a 68±19a 45±18a 0±5b 75±14a

528 18±5a 30±13.2ab 32±5b 0±5c 0±5c

0 100±5a 73±11b 42±9c 33±15c 33±15c

Выживаемость 264

P.caudatum, % 2±5a 3±5a 54±7b 0±5a 0±5a

528 0±5a 0±5a 0±5a 0±5a 0±5a

1 Разные буквы в пределах строки означают достоверные различия при р=0.05 между образцами по критерию Фишера

Показано, что медь оказывает токсический эффект на развитие альгокультуры, что выражается в снижении прироста численности клеток микроводорослей Scenedesmus quadricauda относительно контроля. Гуминовые продукты заметно снижают токсичность. При этом больший положительный эффект обнаруживает БЬ. Стимуляцию прироста численности клеток микроводорослей флексомом (БЬ) можно объяснить присутствием большого количества органических добавок (около 60%) в этом препарате. Из этого следует, что применение высоких концентраций флексома (БЬ) на натурных почвах может приводить к эвтрофикации сопредельных водоемов в результате смывов, в том числе этого ремедианта.

Степень воздействия разных ГП на культуру микроводорослей X quadricauda зависела от уровня загрязнения Си. Так, БЬ в образцах с 2 и 4 ОДК меди способствует увеличению прироста клеток в суспензии водорослей (до 40%). При этом, добавка киргизского угольного гумата (КЯ) в почву с 4 ОДК меди угнетает рост X quadricauda (на 60-80%).

Водные экстракты ИСП, загрязненной 2 ОДК меди, снижали выживаемость рачков С. affinis на 30%, 4 ОДК - на 80%. Положительный эффект ГП на выживаемость С. affinis обнаружен только при применении КЯ (1.0 г/кг) на фоне 2 ОДК меди, БЬ - на фоне 4 ОДК меди.

Тест-культура инфузорий Р. caudatum оказалась наиболее чувствительной к воздействию водных экстрактов исследуемых вариантов стандартной почвы (таблица 3.11). Гибель особей наблюдалась как в пробах с медью, так и при добавлении гуминовых продуктов. О протекторных свойствах ГП можно говорить лишь в одном варианте эксперимента, а именно при воздействии FL (1 г/кг) на фоне 2 ОДК меди, где выживаемость составила более 50%.

Таким образом, методами биотестирования образцов стандартной почвы, загрязненной 2 и 4 ОДК меди, показано, что ремедиационный эффект гуминовых продуктов заметно ниже, чем это проявлялось в образцах естественных почв.

Реакция растений

Как и ожидалось, реакция растений на присутствие меди различалась в зависимости от ее концентрации в ИСП. При 2 ОДК Си наблюдалось стимулирование развития газонных трав (накопление фитомассы возросло с 0.21 до 0.68 г/сосуд), тогда как при 4 ОДК Си не выявлено заметных отклонений по показателям фитомассы от исходного (незагрязненного) образца. В этой связи влияние ГП было неоднозначным по показателю накопления зелёной фитомассы смеси газонных трав (таблица 3.10).

Таблица 3.10 - Влияние гуминовых продуктов на развитие зеленой массы газонных трав (г/сосуд) в стандартной почве (ИСП), загрязненной Си

Си, мг/кг Без ГП ЕЬ ЬС КИ

0.1 1.0 0.1 1.0 0.1 1.0

264 0.68±0.08Ь1 0.52±0.01с 0.11±0.05ё 0.22±0.03е 0.30±0.05£ 0.37±0.0^ 0.15±0.02а

528 0.21±0.04а 0.81±0.13Ь 1.68±0.26с 0.27±0.04а 0.37±0.02а 0.10±0.03е 0.21±0.01а

Контроль (ИСП без добавок) 0.20±0.03а

1Разные буквы в пределах одной строки означают достоверные различия при р= 0.05 по критерию Фишера.

Добавление FL, LG и KR достоверно снижало фитостимулирующий эффект 2 ОДК Си на 25, 35 и 55%, соответственно, при этом с возрастанием доз внесения ГП стимуляция роста газонных трав усиливалась

В почве с 4 ОДК Си наблюдалась заметная стимуляция продукции фитомассы флексомом (в 4-8 раз) и лигногуматом (на 28 и 76%, соответственно дозам внесения), однако киргизский угольный гумат (KR) не оказал заметного стимулирующего воздействия. Полученные данные согласуются с результатами аналогичных исследований на урбаноземах (Пукальчик и др., 2015).

Структура сообщества микроскопических грибов

Химическое загрязнение почв приводит к структурным и функциональным изменениям почвенного микробиома, в частности, снижению таксономического разнообразия, важность которого для функционирования экосистемы была определена более полувека назад Мак-Артуром (1955). При неблагоприятных условиях в микобиоте, как правило, происходит обеднение видового состава, увеличивается доля видов, несвойственных для данных зональных почвенных условий, эвритопов, адаптированных к различным видам загрязнений, а также видов, оппортунистических и патогенных, способных вызывать болезни растений и заболевания животных (МагГешпа, 2005; Терехова, 2007). Высокие концентрации тяжелых металлов в почвах приводят к повышению доли темноокрашенных видов

(Zhdanova et al., 1994; Киреева и др., 2002; Терехова, 2007). При изучении действия ТМ на организменном уровне установлено, что медь, например, влияет на развитие проростков спор, увеличивает спороношение колоний на питательных средах (Terekhova, 2007). Все это служило основанием ожидать, что по микобиотическим показателям можно характеризовать как степень токсичности ТМ, так и детоксицирующую активность ГП

В исследуемой почве число выявленных видов не превышало 12. Доминировали

Aspergillus sp., Clostachys rosea, Haematonectria haematococca, Mortierella alpina, Penicillium sp., Rhizopus arrhizus, Trichoderma sp. (таблица 3.12).

Видовое богатство (N) микромицетов было невысоким, можно говорить о некотором снижении N при действии 2 ОДК меди и его возрастании практически до фоновых значений после обработки FL. Однако, на фоне 4 ОДК Cu влияние FL (1.0 г/кг) выразилось в сокращении числа видов (на 30 %).

Общая численность КОЕ микромицетов не относится к значимым информативным показателям экологического состояния почв (Terekhova, 2007), что подтверждается полученными данными. В проведенных экспериментах численность КОЕ возрастала относительно контроля как в образцах с Cu, так и при добавлении FL. Исключением оказался вариант почвы с 4 ОДК Cu и с FL 1.0 г/кг.

Таблица 3.12 - Видовой состав и структура сообществ культивируемых грибов в ИСП, содержащей медь и флексом (FL)

Варианты опыта

Доза Cu, мг/кг 0 264 528

FL, г/кг 0 0 0.1 1.0 0 0.1 1.0

Вид Частота встречаемости вида, %

Acremonium sp. 33 11

Aspergillus fumigatus Fresen. 11 33

Aspergillus niger Tiegh. 33 22 33

Aspergillus terreus Thom 11

Aspergillus ustus (Bainier) Thom & Church 11 33 22 56

Chaetomium globosum Kunze 22 11

Clostachys rosea (Link) Schroers, Samuels, Seifert & W. Gams 11 33 100 67 22 33 22

Fusarium oxysporum Schlecht. 22 44

Geotrichum candidum Link 11

Haematonectria haematococca (Berk. & Broome) Samuels & Rossman 33 11 44 89 78 44

Lichtheimia ramosa (Zopf) Vuill. 44 22 44 44 11 33

Mortierella alpina Peyronel 11 78 89 44 33

Paraconiothyrium sporulosum (W. Gams & Domsch) Verkley 33

Penicillium aurantiogriseum Dierckx 22 56 33 22

Penicillium citrinum Thom 67

Penicillium crustosum Thom 11 33 78 44 22

Penicillium griseofulvum Dierckx 11 44 11

Penicillium oxalicum Currie & Thom 11

Pseudogymnoascus pannorum (Link) Minnis & D.L. Lindner 56 11

Rhizopus arrhizus A. Fisch. 11 67 67 67 100 67 56

Sarocladium kiliense (Grütz) Summerb. 44 33 22

Trichoderma asperellum Samuels, Lieckf. & Nirenberg 11

Trichoderma harzianum Rifaiu 11 44 56 11

Trichoderma koningii Oudem. 11 22 33

Trichoderma virens (J.H. Mill., Giddens & A.A. Foster) Arx 22 67

Всего видов

12 8 11 11 11 11 8

Численность КОЕ, тыс. КОЕ/г

5.0±1.7 11±4 45±39 32±14 20±14 20±6 6±3

Индекс Шеннона

2.24 2.47 2.23 2.30 2.18 2.16 2.03

Индекс Шеннона (Н) свидетельствует о снижении разнообразия под действием 4 ОДК Си, в то время как 2 ОДК Си очевидно стимулировала покоящиеся формы грибов. Обработка БЬ почвы с 2 ОДК Си привела к возвращению значения Н на уровень с фона (исходный образец ИСП). Добавление БЬ на фоне 4 ОДК меди не привело к восстановлению показателя разнообразия.

Таксономическая структура микромицетных сообществ при воздействии соединений меди и ГП претерпевала значительные изменения, о чем свидетельствуют коэффициенты Съеренсена-Чекановского (таблица 3.13).

Таблица 3.13 - Влияние гуминового продукта флексом (г/кг) на сходство микромицетных комплексов в образцах загрязненной ТМ стандартной почвы (по

Си 528 мг/кг Си 264 мг/кг

1БЬ 0.1 БЬ 0 БЬ 1БЬ 0.1 БЬ 0 БЬ

Фон 0.31 0.23 0.15 0.22 0.23 0.26

Си мг/кг 264 0 БЬ 0.52 0.46 0.43 0.48 0.38

0.1 БЬ 0.37 0.39 0.46 0.65

1БЬ 0.44 0.56 0.53

Си мг/кг 528 0 БЬ 0.40 0.60

0.1 БЬ 0.40

1БЬ

Фон

Сходство всех вариантов с контролем было невысоким - 15-31%. Сходство между собой культивируемых грибов на средах с добавлением меди и БЬ достигало 40% и более. Максимальное сходство сообществ (более 60%) было выявлено между образцами с добавлением БЬ (0.1 и 1.0 г/кг) и 264 мг/кг меди.

Таким образом, характер и степень воздействия БЬ на микобиоту стандартной почвы зависели как от дозы внесения, так и от степени загрязнения.

Таким образом, изученные характеристики микобиоты ИСП оказались изменчивыми под действием как Си, так и ГП. Учитывая, что при более детальном анализе структуры сообществ выявляются надежные индикаторы экологического состояния почв, целесообразно включать структурные показатели микобиоты в расчеты индекса состояния почв. В частности, известно, что доля меланизированных резистентных к ТМ форм грибов возрастает в загрязненных почвах, и наоборот, снижается при благоприятных условиях ^Иёапоуа ^ а1., 19 ТегекЬоуа, 2007).

Ферментативная активность

В образцах ИСП, загрязненных медью, была проведена оценка активности каталазы и общей активности гидролаз по реакции гидролиза диацетат флюоресцеина (ФДА) (таблица 3.14)

Таблица 3.14 - Влияние меди (мг/кг) на активность почвенных ферментов в образцах стандартной почвы

Образец Активность каталазы, млО2/г*мин Общая активность гидролаз, мкмоль флюоресцеина/г*ч

Контроль 1.05±0.10 2.79±1.02

264 0.99±0.09 3.08±1.48

528 1.00±0.09 3.27±1.13

Активность почвенных ферментов в образцах стандартной почвы, загрязненных сульфатом меди, оказалась слишком низкой для проведения сравнения вариантов между собой. Вероятно, это обуславливается свойствами искусственной стандартной почвы, представляющей из себя почвоподобное образование без сложного микробного комплекса, обеспечивающего биогеохимические реакции в естественных почвах.

Интегральный индекс состояния почв

В расчетах индекса состояния искусственной стандартной почвы под влиянием солей меди и гуминового препарата флексом (БЬ) использовали следующие параметры: химические - содержание меди в доступной для растений форме (экстракция в ацетатно-аммонийном буфере - ААБ); биоиндикационные -численность КОЕ микромицетов и количество их видов, индекс сходства Съеренсена-Чекановского; токсикологические - токсичность для микроводорослей (& quadricauda), цериодафний (С. а$3\т£) и вес сухой биомассы газонной смеси. Исходные данные, их перевод в шкалу от 0 до 1, и расчет интегральных индексов представлены в Приложении (таблица 4.4). Результаты представлены на рисунке 3.11.

ИС

0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0

Си 2 ОДК Си2+Р1. 0,1 Си2+РЬ 1 Си 4 ОДК Си4+Р1. 0,1 Си4+Р1. 1

Рисунок 3.11 - Интегральный индекс экологического состояния стандартной искусственной почвы после внесения ТМ и обработки флексомом (БЬ 0.1 и 1 г/кг)

Индекс состояния ИСП, загрязненной 2 ОДК меди составляет 0.69. Флексом (БЬ) проявил заметный детоксицирующий эффект на образцы ИСП, загрязненные 2 ОДК (264 мг/кг) меди, ИС уменьшается на 9 и 21% при увеличении дозы ГП.

Расчеты индекса состояния почвы, подвергнутой влиянию 2 и 4 ОДК меди, показали, что ИС различается незначительно (0.69 и 0.65). Флексом оказывает детоксицирующее воздействие, поскольку ИС снижается на 11- 23% (до 0.50).

Характеристика степени нарушенности почв и эффект флексома на загрязненную Си почву отражена в виде частных индексов ИС на рисунке С применением «Триадного» подхода значения ИСх, ИСб, ИСт соответствующие индексам состояния, рассчитанным по химическим, биоиндикационным и токсикологическим данным, показали, что положительный эффект флексома (1 г/кг) на фоне 2 ОДК Си проявляется в отношении всех изученных характеристик (по трем осям треугольника), но наибольшее влияние на химические (ИСх снижается на 41%), тогда как на экотоксикологическим и биодиагностическим - ИСт и ИСб - лишь на 11 и 13%.

0.69

0.63

0.65

0.55

0.58

0.50

ИСх

1.00

ИСТ

ИСх

ИСб ИСТ

ИСб

Си 2 ОДК

Си 4 ОДК

ИСх

1.00

ИСт

ИСб

ИСт

ИСх

ИСб

Си2 + РЬ 0.1

Си4 + РЬ 0.1

ИСх

ИСт

ИСб

ИСт

ИСх

1.00

ИС б

Си2+РЬ 1

Си4+РЬ 1

Рисунок 3.12 - Графическое отображение результатов оценки экологического состояния стандартной почвы, загрязненной ТМ и после обработки флексомом (БЬ).

Проведенное на образцах стандартной почвы исследование показало наличие ремедиационного потенциала флексома. Он определяется снижением подвижности ТМ, улучшением условий роста и развития растений, уменьшением экотоксичности водных экстрактов из образцов ИСП для гидробионтов.

3.4 Индекс ремедиации как мера оценки гуминовых продуктов

Для унифицированного описания способности гуминовых продуктов в отношении восстановления нарушенности почв, вызванной химическим загрязнением, проведено обобщение полученных данных в виде индексов ремедиации. В расчётах использовали существенно отличимые от контроля (на 20% и более) отклики почвенных показателей на воздействие ГП. В агродерново-подзолистой почве - содержание Zn и Pb в доступной для растений и обменной формах; показатели базального дыхания (БД) и содержание углерода в микробной биомассе (Смик); активность ферментов; фитотестирование, биотестирование на гидробионтах (S. quadricauda). В аллювиально-луговой почве - содержание Zn, Pb, Cd, Cu в водорастворимых и доступных для растений формах; показатели БД и Смик; активность ферментов; фитотестирование, биотестирование на гидробионтах (D. magna). В искусственной стандартной почве - содержание Cu в доступной для растений форме; структурные показатели микобиоты; биотестирование на гидробионтах (C. affinis, S. quadricauda), фитотестирование.

Для оценки эффективности ГП использовали формулу расчета индекса ремедиации (ИР) почв (глава 2.2. формула 5, стр. 47), основу его составляет интегральный индекс состояния загрязненной почвы, значение которого получено по методологии Триад (Chapman, 2005; Dagnino et at., 2008, ISO 19204:2017) Интегральный индекс состояния загрязненных ТМ почв, принимали за 100,

относительно него рассчитывали детоксицирующую способность ГП в виде индекса ремедиации (ИР).

В агродерново-подзолистой почве показан высокий ремедиирующий потенциал примененных гуминовых продуктов (рисунок 3.13).

ИР

100

£ 80

к к а а

К «

и

и а о И

и «

К

К

60

40

20

7

ЕЬ 0.6

39

ЕЬ 1.8

29

19

37

43

ЬО 0.8

ЬО 2.3

НА 0.4

НА 1.2

Рисунок 3.13 - Индекс ремедиации (ИР) гуминовых продуктов в агродерново-подзолистой почве, загрязненной солями цинка и свинца

Наибольший ремедиационный потенциал проявили очищенные гуминовые кислоты (НА), индекс ремедиации - 37 и 43 единицы, соответственно дозам ГП. Значения ИР для флексома и лигногумата в большой степени зависели от дозы внесения, но при определенных концентрациях эти препараты были также достаточно эффективны (ИР> 20).

В аллювиально-луговой почве, подверженной многолетнему техногенному загрязнению высокими дозами ТМ, обработка детоксикантами способствовала улучшению почвенных параметров, о чем свидетельствуют значения ИР (рисунок 3.14).

0

ИР

5 80

к к а а

К «

и

и л о И

и «

К

К

60

40

20

50

54

47

46

\\\\\\\\\\\^ \\\\\\\\\\\^ \\\\\\\\\\\^ \\\\\\\\\\\^ \\\\\\\\\\\^ \\\\\\\\\\\^ \\\\\\\\\\\^ \\\\\\\\\\\^ \\\\\\\\\\\^ \\\\\\\\\\\^ \\\\\\\\\\\^ \\\\\\\\\\\^ \\\\\\\\\\\^

38

ч\\\\\\\\\\\ ч\\\\\\\\\\\ ч\\\\\\\\\\\ ч\\\\\\\\\\\ ч\\\\\\\\\\\ ч\\\\\\\\\\\ ч\\\\\\\\\\\ ч\\\\\\\\\\\ ч\\\\\\\\\\\ ч\\\\\\\\\\\ ч\\\\\\\\\\\

ЬО 0.5

ЬО 1 ВС 5+ЬО 0.5 ВС 0.5

ВС 5

0

Рисунок 3.14 - Индекс ремедиации в загрязненных ТМ образцах аллювиально-луговой почвы при полиметаллическом загрязнении после внесения лигногумата (ЬО г/кг) и биоугля (ВС %)

Наибольшая ремедиационная способность установлена для лигногумата - ИР -50-54. Отмечена высокая эффективность смеси биоугля и лигногумата - расчетное значение ИР = 47, при этом биоуголь в отдельности оказался чуть менее эффективным. В сильнозагрязненной аллювиально-луговой почве, испытывающей длительное воздействие ТМ, индекс ремедиации лигногумата оказался выше, чем в агродерново-подзолистой почве.

В условиях стандартной искусственной почвы детоксицирующий потенциал ГП проявился, однако в меньшей степени, чем в естественных почвах. Максимальный ИР флексома в ИСП - 23 (рисунок 3.15).

ИР

100

и 80

к

к

а

а К 60

«

и

и а 40

о

и

и

« К 20

К

0

9

21

ЕЬ 0.1 ЕЬ1

Си 264 мг/кг

23

11

ЕЬ 0.1 ЕЬ1

Си 528 мг/кг

Рисунок 3.15 - Индекс ремедиации (ИР) флексома, рассчитанный по изменению показателей искусственной стандартной почвы, загрязненной Си

Проведенное исследование на образцах естественных и искусственной почв, в условиях натурного и модельного (лабораторного) загрязнения тяжелыми металлами позволяет провести анализ большого набора параметров - химических, экотоксикологических и биоиндикационных, с целью выбора экспериментально обоснованных, чувствительных и надежных показателей, которые могут быть рекомендованы для оценки качества и сертификации гуминовых продуктов. В оценке качества ГП как ремедиантов почв при химическом загрязнении наиболее важными показателями являются иммобилизация ТМ, их безопасность для почв и сопредельных сред, и обеспечение роста и развития высших растений.

На основе полученных экспериментальных данных проведен корреляционный анализ связей химических, биоиндикационных и экотоксикологических показателей с индексом ремедиации (таблица 3.15). В расчетах использовали исходные данные всех изучаемых параметров почв, и оценивали их связь с индексом ремедиации для каждого варианта опыта.

Таблица 3.15 - Корреляционная матрица связи ИР (индекса ремедиации) с экспериментально полученными данными по химическим, биоиндикационным и экотоксикологическим параметрам в почвах_

Измеряемые параметры Агродерново- Аллювиально- Стандартная

подзолистая почва луговая почва (ТБО 11268-2) почва

Химические

Содержание подвижных форм ТМ

Zn -0.89* -0.27 -

Pb -0.91* -0.17 -

Cu - -0.53* -0.78*

Биоиндикационн ые

Ферменты

Пероксидаза 0.04 0.55* -

Гидролазы 0.18 0.72* -

Фосфатаза 0.42* 0.55* -

Респирометрические

Базальное дыхание, БД 0.14 -0.2 -

Углерод микробной биомассы, Смик -0.04 0 -

Структура микромицетов

Численность КОЕ - - 0.47*

Число видов, N - - -0.24

Экотоксикологические

Гидробионты

Смертность ракообразных -0.61* -0.93* -0.58*

Прирост численности -0.4 - -

клеток микроводорослеи

Смертность инфузорий -0.89*

Фитотестирование

Аппликатный метод, 0.45* 0.68* -

S. alba

*- выделена достоверная связь между факторами (р = 0.05); полужирным сильная связь (более 0.5).

Предложенный для оценки уровня восстановления экологических функций почв индекс ремедиации имеет тесную достоверную связь с изменением подвижности ТМ, активностью почвенных ферментов, и экотоксикологическими параметрами (смертность гидробионтов и фитотестирование в остром опыте).