Представлен способ биохимического контроля рекультивации нарушенных тундровых почв различного гранулометрического состава, который заключается в оценке эффективности применения для этой цели торфа в смеси с конкретной почвой.
Рациональное соотношение данной смеси выбирается в зависимости от гранулометрического состава почвы, то есть с возрастанием в ней содержания физической глины (частиц <0,01 мм) количество торфа в смеси снижается.
Эффективность использования смеси торф: почва для рекультивации оценивается в условиях in vitro эксперимента посредством анализа активности фермента дегидрогеназы. При этом активность дегидрогеназы смеси торф: почва должна превышать активность фермента самой нарушенной почвы, что позволяет рекомендовать данную смесь для ее рекультивации в условиях in situ.
Нарушение тундровых почв, то есть лишение их растительного покрова и верхнего органогенного слоя с выходом минеральных горизонтов на дневную поверхность, происходит при проезде техники, связанном с осуществлением геологоразведки, бурением скважин и обустройством промыслов по добыче нефти и газа. Между тем почва обладает самовосстановлением, происходящим путем постепенного ее заселения растительностью, далее поступления растительного опада, развития дернового процесса и накопления гумуса. Однако в условиях сурового климата тундры самовосстановление почвы потребует продолжительного времени, измеряемого не одним 10-летием. В этой связи представляется вполне рациональным ускорить восстановление плодородия нарушенных почв тем или иным способом рекультивации, а также оценить ее эффективность первоначально в условиях in vitro эксперимента с целью получения необходимой информации для последующего осуществления рекультивации почв in situ.
Между тем известен способ визуального контроля эффективности рекультивации нарушенных тундровых почв in situ, когда почву покрывают слоем смеси торф: песок (1: 4) до 5-6 см и осуществляют наблюдение за восстановлением ее плодородия в течение 15-20 лет [1]. К числу недостатков данного способа относится применение торфа в смеси с песком, специально привозимого из песчаного карьера, и без учета гранулометрического состава нарушенных тундровых почв, то есть содержания частиц различной величины (в мм), а также многолетние наблюдения за восстановлением их плодородия.
Другой способ визуального контроля эффективности рекультивации нарушенных почв включает создание плодородного слоя на почве, посредством ее покрытия сложной смесью торфа, песка и других компонентов и наблюдение за произрастанием травяного покрова в условиях in situ в течение 12-24 месяцев [2]. Существенными недостатками данного способа является использование торфа в смеси с различными компонентами, также без учета гранулометрического состава почв и многомесячные наблюдения за восстановлением их плодородия.
В результате отмеченные недостатки рассмотренных способов не позволяют рационально использовать торф, в связи с ограниченностью его запасов, как единственного рекультивирующего средства для восстановления нарушенных почв в условиях Крайнего Севера, а также представить в скором времени эффективность их рекультивации.
Целью данной работы является разработка подхода в виде биохимического контроля рекультивации нарушенных тундровых почв посредством:
- оценки эффективности использования торфа в смеси с конкретной нарушенной почвой с учетом ее гранулометрического состава в условиях in vitro эксперимента.
- оценки эффективности использования торфа в смеси с почвой осуществляется посредством анализа активности фермента дегидрогеназы.
Концепция биохимического контроля
Суть концепции биогеохимического контроля рекультивации нарушенных тундровых почв различного гранулометрического состава посредством применения торфа, как биоорганического удобрения, обладающего собственной микрофлорой, состоит в формулировании представления о влиянии гранулометрического состава почвы, а также торфа, как рекультивирующего средства, на рост и развитие микроорганизмов, а, следовательно, на активность продуцируемых ими ферментов, в частности на дегидрогеназу. Последняя катализирует реакции дегидрирования (отщеплении водорода) органических веществ, в частности, углеводов, спиртов и органических кислот, поступающих с растительными остатками в почву и на практике успешно используется в качестве ключевого показателя процесса восстановления плодородия почвы.
Как известно, основная масса почвенных микроорганизмов (до 90-99%) связана с твердой фазой почвы, что объясняется способностью почвенных частиц адсорбировать клетки микроорганизмов [3]. В основе адсорбции почвой микроорганизмов лежит взаимодействие положительно заряженных ее частиц с отрицательно заряженными клетками микроорганизмов. Между тем были установлены существенные различия в сорбционной способности различных почв по отношению к микроорганизмам, которые определялись в 1ю очередь гранулометрическим составом почвы: чем больше было в ней содержание физической глины (частицы <0,01 мм), тем больше была адсорбция микроорганизмов [4]. При этом микроорганизмы наиболее активно адсорбируются мелкой пылью и илом, то есть частицами с размерами соответственно 0,001-0,005 и <0,001 мм [3, 5].
Что касается внесения в нарушенную тундровую почву торфа, то он усиливает активность ферментов, так как это природное образование характеризуется определенным количеством различных физиологических групп микроорганизмов (бактерии, актиномицеты и грибы), зависящем от места нахождения (залежь или навал), глубины отбора, вида и степени разложения и рН торфа [6].
Итак, с возрастанием содержания физической глины в нарушенных тундровых почвах, то есть с утяжелением гранулометрического состава, и внесением торфа должна возрастать естественная ферментативная активность почв как таковая, что позволяет судить о восстановлении их плодородия и использовать этот показатель для оценки эффективности рекультивации посредством анализа активности фермента дегидрогеназы.
Ниже представлен способ биохимического контроля рекультивации нарушенных тундровых почв различного гранулометрического состава, который рекомендуется для использования на территориях с волнистым или расчлененным рельефом, с разнообразными почвообразующими (материнскими) породами и неоднородным почвенным покровом. Это связано с тем, что гранулометрический состав почвы, во-первых, является довольно устойчивым признаком, унаследованным от почвообразующей породы, а, во-вторых, он оказывает существенное влияние, в частности, на водно-физические, физико-механические, воздушные и тепловые свойства почвы и на накопление гумуса в ней.
Биохимический контроль рекультивации
1м этапом биохимического контроля рекультивации нарушенных тундровых почв является анализ их гранулометрического состава, осуществляемый широко распространенным пирофосфатным методом [5]. Суть данного метода состоит в приготовлении суспензии растиранием образца почвы с 4%-м раствором пирофосфата натрия (Na4P2O7) и в анализе содержания различных почвенных фракций пипет-методом, то есть путем отбора пипеткой проб суспензии из различных глубин мерных цилиндров через определенные промежутки времени. Далее пробы суспензии выпаривают, высушивают, взвешивают и производят соответствующие расчеты по содержанию различных почвенных фракций по специальной методике.
После определения гранулометрического состава исследуемой почвы необходимое соотношение торф: почва для рекультивации выбирают из табл. 1. В данной таблице в качестве стартового расчетного соотношения торф: почва было использовано соотношение торф: рыхлый песок (1: 4), рекомендованное в работе [1].
На 2м этапе биохимического контроля рекультивации нарушенных тундровых почв проводят сравнительный анализ активности дегидрогеназы смеси торф: почва с активностью фермента нарушенной почвы и самого торфа в условиях in vitro эксперимента способом, защищенным патентом Российской Федерации [7]. С этой целью образцы смеси торф: почва, нарушенной почвы и торфа, каждый массой по 50 г, помещают в чашки Петри и увлажняют до 70% от полной влагоемкости. Здесь под полной влагоемкостью почвы понимается то наибольшее количество влаги, которое содержится в почве при полном насыщении всех пор [5]. Чашки Петри с образцами помещают в термостат для инкубирования при 30○С. Через каждые 5-10 сут отбирают пробы в 6-кратной повторности, в количествах достаточных для анализа активности дегидрогеназы, после их доведения до воздушно-сухого состояния. Активность фермента определяют с помощью устройства в виде модифицированной колбы Эрленмейера (1) с коленчатым отростком (2) (Рис. 1).
Рис. 1. Устройство для анализа активности фермента дегидрогеназы проб почвы и торфа:
1 - модифицированная колба Эрленмейера;
2 - коленчатый отросток колбы;
a - смесь пробы, карбоната кальция и растворов глюкозы и 2,3,5-трифенилтетразолийхлорида;
б - насыщенный щелочной раствор пирогаллола.
С целью анализа активности анаэробной дегидрогеназы, 1 г пробы, отдельно из каждого вышеназванного варианта, а также 0,1 г тонко измельченного карбоната кальция (CaCO3), по 1 мл 1%-водных растворов глюкозы (C6H12O6) и 2,3,5-трифенилтетразолийхлорида (C19H15N4Cl) последовательно помещают в колбу и смесь (а) перемешивают круговыми движениями. В коленчатый отросток (2) с помощью шприца вводят насыщенный щелочной раствор пирогаллола, C6H3(OH)3 (б) для поглощения кислорода (O2) в устройстве с целью создания анаэробных условий. Далее колбу герметизируют пробками с использованием вакуумной смазки и ставят в термостат на инкубирование при 30 оС на 1 день. Начинается биохимическая реакция, когда 2,3,5-трифенилтетразолийхлорид (бесцветное вещество) акцептируя мобилизованный дегидрогеназой водород, превращается в инкубируемой среде в 2,3,5-трифенилформазан (C19H16N4, вещество красного цвета) [8]:
C19H15N4Cl + H2 = C19H16N4 + HCl
После завершения инкубирования проб производят экстракцию образующегося в них 2,3,5-трифенилформазана из каждой колбы с помощью этилового спирта (C2H5OH) - 5 раз по 4 мл. Затем экстракты каждой пробы объединяют до объема в 25 мл и измеряют оптическую плотность на спектрофотометре при длине волны λ = 490 нм и рассчитывают количество 2,3,5-трифенилформазана по калибровочному графику, составленному, например, от 1 до 30 мкг/мл данного вещества, и выражают в мкг 2,3,5-трифенилформазана/(г·сут) или в процентах от активности фермента, например, в торфе. При расчете активности фермента в различных пробах учитывают их влажность.
Об эффективности использования смеси торф: почва для рекультивации нарушенной тундровой почвы судят по статистически доказанному повышению активности фермента дегидрогеназы относительно пробы нарушенной почвы, что позволяет рекомендовать данную смесь для рекультивации.
Таблица 1. Соотношение торф: почва для рекультивации нарушенных тундровых почв в зависимости от их гранулометрического состава
|
Классификация почвы по гранулометрическому составу [5] |
Содержание физической глины (частицы <0,01 мм), % [5] |
Соотношение торф: почва |
|
Песок рыхлый |
0-5 |
1: 4 |
|
Песок связный |
5-10 |
1: 4 |
|
Супесь |
10-20 |
1: 4 ÷ 1: 5 |
|
Суглинок легкий |
20-30 |
1: 5÷ 1: 6 |
|
Суглинок средний |
30-40 |
1: 6 ÷ 1: 7 |
|
Суглинок тяжелый |
40-50 |
1: 7 ÷ 1: 8 |
|
Глина легкая |
50-65 |
1: 8 ÷ 1: 11 |
|
Глина средняя |
65-80 |
1: 11 ÷ 1: 20 |
|
Глина тяжелая |
>80 |
1: 20 |
Так, нами в условиях in vitro эксперимента оценивалась возможность рекультивации 2х нарушенных тундровых почв связнопесчаного гранулометрического состава (содержание физической глины, то есть частиц <0,01 мм составляло 5-10%) из Тазовского полуострова - района функционирования ООО «Газпром добыча Ямбург» (рис. 2), соответствующими смесями торф: почва в соотношении 1: 4, взятого из табл. 1. Как видно из рис. 3, в динамике, за 20 сут инкубирования, активность дегидрогеназы смесей возрастала в среднем на 20 и 46% (2 и 4) по сравнению с самими нарушенными почвами (1 и 3). При этом наиболее близкой к активности фермента торфа оказалась вторая почва (4). Результаты проведенного in vitro эксперимента позволили рекомендовать данные смеси торф: почва в соотношении 1: 4, для рекультивации нарушенных тундровых почв связнопесчаного гранулометрического состава в условиях in situ.
Рис. 2. Карта-схема исследуемой территории. Условные обозначения:
1 - полуостров Ямал;
2 - Тазовский полуостров;
3 - Гыданский полуостров;
4 - междуречье рек Пур и Таз;
а - реки, б - озера;
в - болота;
г - район отбора образцов почв и торфа.
Рис. 3. Динамика активности фермента дегидрогеназы нарушенных тундровых почв связнопесчаного гранулометрического состава без внесения торфа (1 и 3) и с внесением торфа (2 и 4) в соотношении торф:почва, 1:4.
Таким образом, представленный в данной работе подход в виде биохимического контроля рекультивации нарушенных тундровых почв различного гранулометрического состава позволяет рационально использовать торф в смеси с нарушенной почвой, в связи с ограниченностью его запасов на Крайнем Севере, и экспрессно оценить эффективность использования данной смеси для рекультивации. Как следствие данного подхода оптимизируются затраты на проведение работ по рекультивации нарушенных почв и ускоряется получение результата по эффективности данного процесса.
Литература
1. Андреев О.П., Ставкин Г.П., Левинзон И.Л., Перепелкин И.Б., Лобастова С.А. Защита и восстановление земель и ландшафтов Крайнего Севера при добыче газа, Экология и промышленность России. 2003. № 6. С. 4-9.
2. Семенцов А.Ю. Применение суперкомпоста ПИКСА для реабилитации городских почв. Методические рекомендации. М.: ВНИИА. 2006. 32 с.
3. Мишустин Е.Н., Емцев В.Т. Микробиология. М.: Колос, 1978. 351 с.
4. Миненков А. Р. Адсорбция бактерий различными типами почв, Дневник Всесоюзного съезда ботаников. Л., 1928. С. 206-207.
5. Кауричев И.С., Панов Н.П., Стратонович М.В. и др. Практикум по почвоведению. М.: Колос, 1980. 272 с.
6. Емельянова Т.Я., Крамаренко В.В. Обоснование методики изучения деформационных свойств торфа с учетом изменения степени его разложения, Известия Томского политехнического университета. 2004. Том 307. № 5. С. 54-57.
7. Арно О.Б., Арабский А.К., Башкин В.Н., Галиулин Р.В., Галиулина Р.А., Маклюк О.В., Припутина И.В. Патент на изобретение № 2491137. Российская Федерация. Способ контроля эффективности рекультивации нарушенных тундровых почв различного гранулометрического состава посредством анализа активности дегидрогеназы, Изобретения (патенты). М.: ФГБУ ФИПС, 2013. № 24 (1 ч.). C. 141.
8. Хазиев Ф.Х. Ферментативная активность почв. Методическое пособие. М.: Наука, 1976. 180 с.
English announcement
The method of biochemical control of recultivation of the disturbed tundra soils of various granulometric composition consisting in an assessment of efficiency of application for this purpose of peat in mixture with the concrete soil is presented. The rational ratio of this mixture is chosen depending from granulometric composition of the soil, that is with increase of the content of physical clay in its (particles <0.01 mm) the amount of peat in mixture decreases. Efficiency of use of a peat: soil mixture for recultivation is estimated in the conditions of in vitro experiment by means of the dehydrogenase enzyme activity analysis. At the same time a dehydrogenase activity of a peat: soil mixture has to exceed enzyme activity of itself disturbed soil that allows to recommend this mixture for its recultivation in the conditions of in situ.
Авторы:
Р. В. Галиулин, доктор географических наук, ведущий научный сотрудник Института фундаментальных проблем биологии РАН.
Р. А. Галиулина, научный сотрудник Института фундаментальных проблем биологии РАН,
В. Н. Башкин, доктор биологических наук, главный научный сотрудник ООО «Газпром ВНИИГАЗ» и Института физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН,
А. К. Арабский, доктор технических наук, заместитель главного инженера ООО «Газпром добыча Ямбург»
Автор: Р. В. Галиулин, Р. А. Галиулина, В.Н. Башкин, А.К. Арабский,
