Экологическая оценка эффективности очистки нефтезагрязненных почв биопрепаратом «псевдомин» в условиях различных режимов увлажнения (стр. 4 )

Проведенные исследования фитотоксичности исследуемой дерново-подзолистой почвы на проростках кресс-салата показали, что в начале эксперимента в обоих горизонтах отмечалось выраженное токсическое действие водных экстрактов из загрязненных дизельным топливом почв на тест-растения (табл. 4.2).

Таблица 4.2. Влияние загрязнения дизельного топлива на фитотоксичность исследуемой дерново-подзолистой почвы двух различных горизонтов на проростки кресс-салата

Варианты опыта	1 неделя	7 недель	12 недель
Число пророс -ших семян, %	Длина пророс -тков, см	Число пророс -ших семян, %	Длина пророс -тков, см	Число пророс-ших семян, %	Длина пророс-тков, см
Контроль	Вода	100	1,7	100	1,9	100	2,9
Горизонты А1+А1А2	1	Незагрязненная почва	100	2,0	100	2,7	100	3,0
2	Загрязненная почва	87,5	1,8	95,0	2,0	100	3,0
3	Незагрязненная почва+ Pseudomonas	95,0	2,0	97,5	2,0	100	2,7
4	Загрязненная почва + Pseudomonas	87,5	1,9	90,0	2,6	100	3,0
Горизонт А2	5	Незагрязненная почва	97,5	2,0	95,0	2,5	97,5	2,2
6	Загрязненная почва	87,5	1,4	97,5	1,9	100	2,0
7	Незагрязненная почва+ Pseudomonas	97,5	2,1	95,0	2,5	100	2,5
8	Загрязненная почва + Pseudomonas	90,0	1,6	92,5	2,0	97,5	2,4

НСР05 – 0,03

В этом эксперименте мы использовали водную вытяжку из загрязненных почв, поэтому ингибирующее влияние загрязнения выражено слабее, чем в предыдущем эксперименте с посевом семян овса в исследуемых почвах. Доли проросших семян снижались на 10-12,5%, но со временем токсический эффект ослаблялся, за счет разложения дизтоплива микробиотой почвы и биопрепарата (см. табл. 4.1). К 12 неделе наблюдается постепенное увеличение процента проросших семян до 97,5-100% и длины проростков кресс-салата до 3 см.

Таким образом, проведенные исследования фитотоксичности в двух модификации эксперимента (посев на загрязненной почве и с использова-нием водной вытяжки из нее) показали положительное влияние микроорга-низмов-деструкторов биопрепарата Псевдомин на снижение токсичности загрязненных почв на использованных тест-растениях.

Глава 5. Влияние режима увлажнения и внесения биопрепарата «Псевдомин» на биологическую активность исследуемых почв загрязненных дизельным топливом

Для оценки биологической активности исследуемых почв в зависимости от их загрязнения дизельным топливом, внесения биопрепарата и уровня увлажнения, определяли базальное дыхание (БД), субстрат-индуцированное дыхание (СИД) и метаболический коэффициент (QR), как интегральные показатели экологического состояния и устойчивости микробного сообщества почвы. По их количественной оценке судили о влиянии изучаемых факторов на биологическую активность почв.

Проведенные исследования показали определяющую роль уровня увлажнения исследуемых почв в интегральной интенсивности их микро-биологических процессов. При влажности почвы в (0,6-0,5)ПВ наблюдается наиболее интенсивное базального дыхания в исследуемых дерново-подзолистой почве (рис. 5.1. А, Б) и черноземе (рис. 5.1. В, Г), что свидете-льствует о более активном прохождении микробиологических процессов, в частности – с использованием загрязняющего почву дизельного топлива в качестве дополнительного питательного субстрата.

- незагрязненная почва; - загрязненная почва; - загрязненная почва + Pseudomonas

Рис. 5.1. Динамика интенсивности базального дыхания микроорганизмов исследуемых почв.

(А) дерново-подзолистая почва + влажность (0,6-0,5)ПВ. (Б) дерново-подзолистая почва + влажность (0,3-0,2)ПВ. (В) чернозем + влажность (0,6-0,5)ПВ. (Г) чернозем + влажность (0,3-0,2)ПВ.

В вариантах с пониженным уровнем увлажнения ((0,3-0,2)ПВ) интенсивность базального дыхания исследуемых почв гораздо ниже, что говорит об их низкой биологической активности, замедлении метаболизма, а также снижении способности микроорганизмов к разложению внесенного дизтоплива при этом уровне увлажнения.

Важно отметить существенное увеличение интенсивности выделения СО2 в загрязненных вариантах с инокуляцией Pseudomonas: в 5,6-6,3 раз (в случае дерново-подзолистой почвы) и в 1,9-3,5 раз (в случае чернозема) – по сравнению с контрольными и загрязненными вариантами. Это позволяет говорить об успешной интродукции биопрепарата в микробное сообщество и активизации действия почвенной микрофлоры, способны использовать дизтопливо в качестве дополнительного источника энергии.

При сравнительной оценке степени нарушения равновесия в микроб-ном сообществе по (табл. 5.1) исследуемых дерново-подзолистых почв установлена их повышенная чувствительность к загрязне-нию при низком уровне увлажнения: внесение дизтоплива оказывало значи-тельное больше нарушение (в 2,0-4,9 раз), и наибольшая величина QR дости-гала катастрофических значений на 3 неделе эксперимента (рис. 5.2. А).

Таблица 5.1. Оценка воздействия поллютантов на устойчивость микробного сообщества почвы по величине микробного метаболического коэффициента (QR) (Ананьева, 2003)

QR = БД/ СИД	QR = БД/СИД(QR с поллютантом /QR без поллютанта)	Степень нарушения
0,1-0,2	1,0	Отсутствует
0,2-0,3	1-2	Слабая
0,3-0,5	2-5	Средняя
0,5-1,0	5-10	Сильная
> 1,0	> 10	Катастрофическая

Загрязненная почва + Pseudomonas + влажность: - (0,6-0,5)ПВ; - (0,3-0,2)ПВ.

Рис. 5.2. Динамика отношения метаболического коэффициента (QR), в исследуемых дерново-подзолистых почвах (А); черноземах (Б), загрязненных дизельным топливом.

При увеличении уровня увлажнения до (0,6-0,5)ПВ микробный метаболический коэффициент значительно ниже, что свидетельствует о меньшей степени нарушения более увлажненной почвы и активизации микробиологических процессов, в том числе – разложение нефтепродуктов.

Такая же тенденция наблюдается в эксперименте с черноземом: при влажности (0,6-0,5)ПВ степень нарушения в загрязненных вариантах гораздо ниже (в 1,4-3,0 раза), чем при влажности (0,3-0,2)ПВ, пик которого оказался катастрофическим на 6 неделе (рис. 5.2. Б). Затем отношение величин QR уменьшалось за счет снижения количества нефтепродукта в почве.

Проведенные исследования по оценке биологической активности почв методом микробиологического посева на питательных средах с мясопеп-тонным агаром (МПА) показали, что при благоприятных условиях увлажне-ния почв ((0,6-0,5)ПВ) численность углеводородокисляющих микроорганиз-мов в вариантах эксперимента с загрязнением дизтопливом и инокуляцией Pseudomonas значительно выше, чем при пониженных уровня увлажнения ((0,3-0,2)ПВ): в 1,5-13 раз в случае с дерново-подзолистой почвой (рис. 5.3.А) и в 1,6-2,5 раз – в случае с черноземом (рис. 5.3.Б).

Загрязненная почва + Pseudomonas + влажность: - (0,6-0,5)ПВ; - (0,3-0,2)ПВ.

Рис. 5.3. Динамика численности микроорганизмов исследуемых дерново-подзолистых почв (А); черноземов (Б), учитываемых на МПА.

Это подтверждает сделанный ранее вывод об оптимальном уровне увлажнения для эффективной работы биопрепарата Псевдомин в диапазоне (0,6-0,5)ПВ, при биоремедиации загрязненных нефтепродуктами почв.

Таким образом, анализ биологической активности исследуемых загрязненных почв методом измерения дыхания почв и микробиологического посева, показал значительное влияние уровня увлажнения и внесения биопрепарата Псевдомин на интенсивность микробиологических процессов и приживаемость микроорганизмов в исследуемых почвах. Биологическая активность микроорганизмов исследуемых почв достигается наибольших значений в условиях их благоприятных увлажнения ((0,6-0,5)ПВ).

Выводы

1.  Проведенные исследования по изучению влияния трех уровней увлажнения на скорость разложения нефтепродуктов в исследуемых дерново - подзолистых почвах показали существенное влияние фактора влажности, который в 5 раз (в случае дизтоплива) и 3 раза (в случае трансмиссионного масла) ускоряет скорость разложения нефтепродуктов в условиях благоприя-тного увлажнения ((0,6-0,5)ПВ) – по сравнению с условиями недостатка ((0,3-0,2)ПВ) или переизбытка влаги (ПВ), которые существенно замедляют процесс биоремедиации исследуемой почвы.

2.  Проведенные исследования фитотоксичности исследуемых дерново-подзолистых почв, загрязненных нефтепродуктами (дизельное топливо и трансмиссионное масло), показали значительное увеличение процента проросших семян (до 100%) и длины проростков овса (до 11 см) при благоприятных условиях увлажнений почвы ((0,6-0,5)ПВ). При пониже-нных уровня увлажнения ((0,3-0,2)ПВ) процент проросших семян увеличился всего до 60%, а длина проростков овса – до 7,7 см.

3.  Сравнительная оценка эффективности действия биопрепарата на биоремедиации загрязненных дизельным топливом гумусово-аккумулятив-ных (А1+А1А2) и элювиальных (А2) горизонтов дерново-подзолистых почв показала, значительное более высокую скорость разложении дизельного топлива в гумусово-аккумулятивных горизонтах (до 8,7 раз) – по сравнению с элювиальным горизонтом, что подтверждается результатам сравнительного анализа их фитотоксичность.

4.  Проведенные исследования по оценке биологической активности методом измерения базального дыхания показали определяющую роль уровня увлажнения исследуемых почв в интенсивности их микробиоло-гических процессов, которая при благоприятных условиях увлажнений ((0,6-0,5)ПВ) возрастает в 1,5-5,7 раз в случае дерново-подзолистой почвы и в 1,5-4 раза – в случае чернозема.

5.  Сравнительный анализ приживаемости интродуцированной популяции Pseudomonas в исследуемых дерново-подзолистых почвах и черноземах значительно улучшается при оптимальном режиме увлажнения ((0,6-0,5)ПВ) – по сравнению с условиями дефицита влаги ((0,3-0,2)ПВ), что должно учитываться при планировании биоремедиационных мероприятий.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1.  , Федулова биопрепарата «Псевдомин» в условиях разных режимов увлажнения на биологическую активность нефтезагрязненных дерново-подзолистых почв // Молодежный научный экологический форум: сборник тезисов. – М.: Изд-во МЦ «Тимирязевский» 2011. – С. 1-2.

2.  , , Алонге биопрепарата «Псевдомин» в условиях разных режимов увлажнения на биологическую активность нефтезагрязненных черноземных почв // Международная научная конференция молодых ученых и специалистов РГАУ-МСХА имени : сборник статей, том 1. – М.: Изд-во РГАУ-МСХА, 2012. – С. 101-105.

3.  , Алонге -микробиологические основы биорекультивации нефтезагрязненных почв // Международная научная конференция студентов, аспирантов и молодых учёных «Ломоносов-2012». – М.: Изд-во МГУ, 2012. – С. 172-173.

4.  , , В. Влияние биопрепарата «Псевдомин» на биологическую активность и экологическое состояние нефтезагрязненных окультуренных дерново-подзолистых почв в условиях различного увлажнения // Агрохимический вестник, 2013. № 1.– С. 5-9.

__________________________________________________________________

Alonge O. O. Ecological evaluation of the effectiveness of biopreparation «Pseudomin» in the cleaning up of oil contaminated soils under different soil moisture conditions. Author summary of the thesis submitted in fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in Ecology and Microbiology. M.: RSAU-МТА, 2013. 24p.

Executive Summary

Typical of recent years the local intensification of agricultural development (in large holdings), and the rapid takeover of agricultural territories in big cities on the one hand, and also the retention and predominance of very old farm machinery on small farms, on the other hand, lead to the gradual increment of the total area of farmland contaminated by petroleum products in the central region of Russia.

This fact actualizes the task of developing environmental safe and cost-effective technologies for the cleaning up of oil contaminated lands using modern biopreparations that accelerate the processes of bioremediation, petroleum hydrocarbon degradation, soil fertility and landscape environmental services restoration.

The most perspective cleanup technology of soils contaminated by petroleum and petroleum products is considered to be the introduction into the soil of a complex of microorganism adapted to that particular soil, which possess highly specialized biodegradable capabilities of the major hydrocarbon components of crude oil and its derivatives.

The efficacy and safety of bioremediation directly depends on the total compliance and implementation of all the technological details of the introductory process of microorganisms into the contaminated mediums; the genus and species of the introduced microorganisms; the type and scale of oil pollution; prevailing climatic conditions; the amount of mineral nutrients contained in the contaminated mediums, necessary for microbial activity, the physical and chemical properties of the soil, such as granulometric composition, pH, and especially soil moisture.

This study was conducted to evaluate the effectiveness of the biopreparation Pseudomin in the bioremediation of oil contaminated derno-podzoluvisols and leached black soils of the Russian central region under different soil moisture conditions. To achieve this goal the following objectives were placed:

1.  Examine the effects of three different levels of soil moisture condition (total soil moisture capacity (TWC), 60 % and 30 % of total soil moisture capacity) on the rate of degradation of two variants of petroleum products (diesel fuel, transmission oil) in the upper horizons of forest derno-podzoluvisols, typical of the Central Region of Russia, during the process of bioremediation using the biopreparation Pseudomin.

2.  Make comparative assessments on the efficacy of the biopreparation Pseudomin in the bioremediation of diesel contaminated humus-accumulative (A1+A1A2) and eluvial (A2) horizons of derno-podzoluvisols.

3.  Analyze the effects of different levels of soil moisture conditions on the ecological state and biological activity of the upper layers of diesel contaminated derno-podzoluvisols and black soils typical of the Central Russian Region, during the process of bioremediation using the biopreparation Pseudomin.

Materials for this study included two representatives of soils form the Central Russian Region: derno-podzoluvisols and black soils; diesel fuel and transmission fluid as pollution agents and Pseudomonas putida as petroleum hydrocarbon degradation microorganism. Methods of research included Total Petroleum Hydrocarbons (TPH) analysis using IR-spectrometry method; soil biological activity was assessed by measuring soil respiration using gas chromatography method and quantifying microbial population using microbial cultivation method; soil phytotoxicity test was carried out by method of biotesting on seedlings of oats and watercress.

The study was conducted from the years 2010 to 2012, in the agro-ecological monitoring and microbiology laboratories of the RSAA-MTA named after K. A. Timiryazev. Statistical analysis of the research results were performed with the program «Statistic 8.0».

Results of the research on the effect of three different levels of moisture on the rate of petroleum hydrocarbon degradation in the soil showed that the optimal condition in enhancing the efficacy of the biopreparation Pseudomin was noted under conditions of around (50-60)% of soil total moisture capacity. The rate of petroleum hydrocarbon degradation in the understudy derno-podzoluvisols under this soil moisture condition was accelerated up to 5 times (in the case of diesel) and up to 3 times (in the case of transmission fluid), in comparison with soil moisture conditions of around (20-30)% and complete saturation, which significantly slowed down the process of bioremediation in the soil under study.

Evaluation of the phytotoxicity of the understudy derno-podzoluvisols contaminated by petroleum products (diesel fuel and transmission fluid) after 12 weeks of experiment, showed a significant increase in the percentage of germinated seeds to 100% and the length of oat seedlings to 11 cm under favorable conditions of soil moisture (50-60%). Under deficient moisture conditions (20-30%) the percentage of germinated seeds increased only to 60% and the length of oat seedlings to 7.7 cm.

Comparative assessment on the efficacy of the biopreparation Pseudomin in the bioremediation of diesel contaminated humus-accumulative (A1+A1A2) and eluvial (A2) horizons of the understudy derno-podzoluvisols showed a significantly higher rate of diesel fuel degradation in the humus-accumulative horizons (up 8.7 times) – compared to the eluvial horizon, which was verified by results of the comparative analysis of their phytotoxicity.

Comparative analysis of the effects of different soil moisture conditions on soil biological activity showed that biopreparation Pseudomin was capable of efficiently stimulating the natural microflora of uncontaminated and especially oil contaminated understudy derno-podzoluvisols and black soils. It was established that the best survival rate of the introduced population of Pseudomonas species (RTSAU strain) with the biological preparation, was noted under conditions of around (50-60)% of soil total moisture capacity, in comparison to conditions of around (20-30)%, which should be considered when planning bioremediation measures.

This study is the first of its kind on the effects of different soil moisture conditions on the efficacy of the biopreparation Pseudomin in the cleanup and restoration of the fertility of oil contaminated soils of the agricultural landscapes of the Central Russian Region. Results of which established the optimal working range of soil moisture conditions of between (60-50) % of total soil moisture capacity, which should be considered when planning bioremediation measures, especially of soils of the agricultural landscapes of the Central Russian Region. This also provides the basis for isolating perspective strains of petroleum hydrocarbon decomposing microorganism from Nigerian soils and developing new biopreparations adapted to the climatic conditions of the region, using the results, skills and knowledge obtained.

Keywords: soil ecology, soil bioremediation, oil contamination, bioremediation conditions, moisture factor, microbial metabolism, phytotoxicity, petroleum hydrocarbon.