Представлен способ биохимического контроля рекультивации нарушенных тундровых почв с различной полной влагоемкостью, который заключается в оценке эффективности применения для этой цели смеси торфа с конкретной почвой. Рациональное соотношение данной смеси выбирается в зависимости от полной влагоемкости почвы, то есть с возрастанием данного показателя 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 нарушенной почвы, что позволяет рекомендовать данную смесь для широкомасштабной рекультивации в условиях in situ.
На Крайнем Севере, в условиях функционирования газовой промышленности, нарушение тундровых почв, то есть лишение их растительного покрова и верхнего органогенного слоя с выходом минеральных горизонтов на дневную поверхность, происходит при проезде техники с целью осуществления геологоразведки, бурения скважин и обустройства промыслов по добыче природного газа. К числу других геоэкологических проблем следует отнести нарушения почвы на кустовых площадках, обусловленные с ее просадками и нетипичной потерей устойчивости стволов отдельных скважин [1]. Причиной этих нарушений является тепловое воздействие на вмещающие мерзлые породы при кустовом способе разработки газовых месторождений из-за термического влияния скважин.
Между тем почва обладает самовосстановлением, что происходит 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 десятками лет. В этой связи представляется вполне рациональным ускорить восстановление плодородия нарушенных почв внесением торфа как биоорганического удобрения, а также оценить эффективность подобной рекультивации первоначально в условиях in vitro эксперимента с целью получения необходимой информации для осуществления широкомасштабной рекультивации почв in situ.
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 [2]. К числу недостатков данного способа относится применение местного торфа в смеси с песком, специально привозимого из песчаного карьера, и без учета полной влагоемкости нарушенных тундровых почв, а также многолетние наблюдения за восстановлением их плодородия. Здесь под полной влагоемкостью понимается, то наибольшее количество влаги, которое содержится в почве при полном насыщении всех ее пор.
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 растительного покрова в условиях in situ в течение 12-24 месяцев [3]. Существенными недостатками данного способа является использование привозного торфа в смеси с различными компонентами, также без учета полной влагоемкости почв и многомесячные наблюдения за восстановлением их плодородия.
В целом отмеченные недостатки рассмотренных способов не позволяют рационально использовать торф, в связи с ограниченностью его запасов, как единственного местного рекультивирующего средства для восстановления нарушенных почв в условиях Крайнего Севера, а также представить в скором времени эффективность их рекультивации.
Целью данной работы явилась разработка способа биохимического контроля рекультивации нарушенных тундровых почв Тазовского полуострова (Ямало-Ненецкий автономный округ) в условиях функционирования Ямбургского газоконденсатного месторождения (рис. 1). Суть данного способа заключается в оценке эффективности использования местного торфа в смеси с конкретной нарушенной почвой с учетом полной влагоемкости последней в условиях in vitro эксперимента. Оценка эффективности использования смеси торф:почва осуществляется посредством анализа активности фермента дегидрогеназы.
Концепция биохимического контроля рекультивации нарушенных тундровых почв с различной полной влагоемкостью посредством применения торфа
Суть концепции биохимического контроля рекультивации нарушенных тундровых почв с различной полной влагоемкостью посредством применения торфа состоит в формулировании представления о влиянии полной влагоемкости почвы, а также торфа 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, при полной влагоемкости почва превращается в двухфазную систему, то есть состоящую из твердой и жидкой фазы, если не считать ничтожного по объему сорбированного, или зажатого, количества воздуха, оставшегося в почве [4]. В этом случае в почве создаются анаэробные условия, что имеет свое аналитическое приложение, так как при передаче отщепляемого водорода в процессе реакции дегидрирования, веществам типа хинонов (соли тетразолия) можно будет измерять активность анаэробной дегидрогеназы [5].
Адекватность использования активности дегидрогеназы при оценке эффективности рекультивации нарушенных тундровых почв с различной полной влагоемкостью была ранее нами доказана путем проведения корреляционного и регрессионного анализа данных опыта по зависимости активности данного фермента от полной влагоемкости почв [6]. Так, расчет коэффициента корреляции, указывающего на направление и степень сопряженности в изменчивости признаков, показал наличие сильной существенной корреляционной зависимости (r = 0,95) между полной влагоемкостью и активностью дегидрогеназы почв. Соответствующая формула корреляционной зависимости, то есть уравнение линейной регрессии, позволяющее судить о том, как количественно меняется результативный признак (y) при изменении факториального (x) на единицу измерения, имело следующий вид:
y = 7,71 + 0,15x
Как оказалось, чем больше была полная влагоемкость почвы, тем выше активность ее дегидрогеназы. Ведущее значение влажности для активности дегидрогеназы почвы связано с тем, что влага определяет нормальное физиологическое состояние микроорганизмов и растений, как продуцентов ферментов в почве, а также поддерживает в реакционном состоянии ферменты и их субстраты (углеводы, спирты и органические кислоты).
Что касается применения торфа, как биоорганического удобрения, для рекультивации нарушенных тундровых почв, то он будет усиливать активность ферментов, так как это природное образование обладает определенным пулом различных физиологических групп микроорганизмов (бактерии, актиномицеты и грибы), зависящим от места нахождения (залежь или навал), глубины отбора, вида и степени разложения и рН торфа [7]. Именно в этой связи применение торфа будет способствовать восстановлению биогеохимического цикла веществ на уровне микробных популяций, функционирование которых диагностируется через биохимическую активность. Примечательно также, что темный цвет торфа способствует поглощению тепла и быстрому прогреву почвы, что особенно важно в условиях Крайнего Севера.
Ниже представлен способ биохимического контроля рекультивации нарушенных тундровых почв с различной полной влагоемкостью, посредством применения торфа, который рекомендуется для использования на территориях с равнинным или слаборасчлененным рельефом и однообразным почвенным покровом. Как известно, на большей части территории тундры господствует равнинный рельеф и, кроме того, почвообразование в тундре протекает в условиях переувлажнения (гидроморфизма) почвы и недостатка тепла и охватывает лишь сезоннооттаивающий ее слой [8]. Гидроморфизм почвы представляет собой результат временного или постоянного переувлажнения в данном случае сезоннооттаивающего слоя, когда количество влаги превышает 70-80% от полной влагоемкости.
Способ биохимического контроля рекультивации нарушенных тундровых почв с различной полной влагоемкостью посредством применения торфа
Первым этапом биохимического контроля рекультивации нарушенных тундровых почв является анализ их полной влагоемкости, осуществляемый весовым методом [4]. Для этого отдельный образец почвы предварительно доводят до воздушно-сухого состояния, измельчают и просеивают через сито с диаметром ячеек 2 мм. Суть анализа полной влагоемкости почвы состоит в использовании для этого стеклянного цилиндра (1) с одного конца закрытого фильтровальной бумагой (2) и марлей (3), перетянутой закрепляющей резиновой полоской (4) и заполненной ниже верхнего края цилиндра почвой (5), (рис. 2).
Подготовленный таким образом цилиндр с почвой устанавливают в химический стакан (6) на стеклянные палочки (7) с длиной меньше внутреннего диаметра стакана. Затем в стакан наливают дистиллированную воду (8) с таким расчетом, чтобы уровень воды совпадал с верхней кромкой почвы, и оставляют цилиндр в воде до полного насыщения. Исходный уровень воды поддерживают ее доливанием по мере поглощения почвой и испарения. Полное насыщение почвы водой контролируют ежедневным вытаскиванием цилиндра с почвой из стакана и его взвешиванием до стабилизации массы. Полную влагоемкость почвы (ПВ) вычисляют по формуле:
ПВ = ((a-б)/б) · 100%,
где a – масса почвы в цилиндре после насыщения водой (г), б – масса воздушно-сухой почвы в цилиндре (г).
Далее составляют смесь торф:почва в соответствующем соотношении этих компонентов, исходя из результата определения полной влагоемкости нарушенной почвы (табл. 1). Как почву, так и торф используют в воздушно-сухом состоянии. В данной таблице в качестве стартового расчетного соотношения было использовано соотношение торф:песок (1:4), рекомендованное в работе [2] и где песок характеризовался низким уровнем полной влагоемкости (40%).
На втором этапе биохимического контроля рекультивации нарушенных тундровых почв проводят сравнительный анализ активности дегидрогеназы нарушенной почвы с активностью смеси торф:почва в условиях in vitro эксперимента способом, защищенным патентом Российской Федерации [9]. С этой целью образцы нарушенной почвы (1) и смеси торф:почва (2), каждый массой по 50 г, помещают отдельно в чашки Петри и увлажняют до 70% от полной влагоемкости. Чашки Петри с образцами помещают в термостат (а) для инкубирования при 30○С (рис. 3). Исходную влажность образцов контролируют через каждые 2 дня путем взвешивания и доувлажнения. Через 10 сут отбирают пробы в 6-кратной повторности для анализа активности дегидрогеназы, после доведения образцов до воздушно-сухого состояния непосредственно в чашках Петри. Активность фермента определяют с помощью устройства в виде модифицированной колбы Эрленмейера (3) с коленчатым отростком (4).
С целью анализа активности анаэробной дегидрогеназы, 1 г пробы (нарушенной почвы или смеси торф:почва), отдельно из каждого 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 Эрленмейера и реакционную смесь (5) перемешивают круговыми движениями. В коленчатый отросток (4) с помощью шприца вводят насыщенный щелочной раствор пирогаллола, C6H3(OH)3 (6) для поглощения кислорода (O2) в устройстве с целью создания анаэробных условий. Далее колбу герметизируют пробками с использованием вакуумной смазки и ставят в термостат (б) на инкубирование при 30оС на одни сутки. 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) [5]:
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). 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 дегидрогеназы пробы данной смеси относительно пробы нарушенной почвы, что позволяет рекомендовать эту смесь для рекультивации.
Так, нами в условиях in vitro эксперимента оценивалась возможность рекультивации трех нарушенных тундровых почв с 50, 60 и 70% уровнями полной влагоемкости из Тазовского полуострова (район Ямбургского газоконденсатного месторождения) соответствующими смесями торф:почва - 1:4, 1:5 и 1:6. Если активность дегидрогеназы образцов нарушенных почв (1, 3 и 5) составила соответственно 8, 7 и 9 мкг 2,3,5-трифенилформазана/(г·сут), то образцов смеси торф:почва (2, 4 и 6) – 29, 27 и 29 мкг 2,3,5-трифенилформазана/(г·сут), то есть активность фермента возрастала в 3,6, 3,9 и 3,2 раза (рис. 4). Результаты проведенного in vitro эксперимента позволили рекомендовать данные смеси торф:почва в соотношениях 1:4, 1:5 и 1:6, для широкомасштабной рекультивации нарушенных тундровых почв in situ путем их покрытия заранее приготовленной смесью слоем до 5-6 см.
Таким образом, представленный в данной работе способ биохимического контроля рекультивации нарушенных тундровых почв с различной полной влагоемкостью посредством применения торфа, позволяет рационально использовать данное биоорганическое удобрение в связи с ограниченностью его запасов на Крайнем Севере, и экспрессно оценить эффективность использования смеси торф:почва для рекультивации. Вследствие реализации данного способа будут оптимизироваться затраты на проведение работ по рекультивации нарушенных почв и ускоряться получение результатов по оценке эффективности данного процесса.
Литература
1. Горелик Я.Б., Солдатов П.В., Селезнев А.А. Инженерно-геокриологические условия Ямбургского газоконденсатного месторождения и динамика состояния кустовых площадок эксплуатационных скважин // Криосфера Земли. 2015. Т. XIX. № 1. С. 58-69.
2. 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.
3. Семенцов А.Ю. Применение суперкомпоста ПИКСА для реабилитации городских почв. Методические рекомендации. М.: ВНИИА. 2006. 32 с.
4. Ревут И.Б. Физика почв. Л.: Колос, 1972. 368 с.
5. Хазиев Ф.Х. Ферментативная активность почв. Методическое пособие. М.: Наука, 1976. 180 с.
6. Галиулин Р.В., Башкин В.Н., Галиулина Р.А., Припутина И.В., Арабский А.К. Рекультивация нарушенных тундровых почв Тазовского полуострова с помощью торфа: оценка эффективности посредством анализа активности ферментов // Агрохимия. 2013. № 4. С. 76-80.
7. 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.
8. Кауричев И.С., Александрова Л.Н., Гречин И.П., Панов Н.П., Поддубный Н.Н., Розов Н.Н., Стратонович М.В. Почвоведение. М.: Колос, 1982. 496 с.
9. 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.
