Оценивается потенциал рекультивации с помощью торфа нарушенных тундровых почв Тазовского полуострова (Ямало-Ненецкий автономный округ) в районе добычи природного газа. Диагностику потенциала рекультивации нарушенных почв осуществляли посредством спектрофотометрического анализа активности фермента дегидрогеназы.
Известно, что при проезде техники, связанной с осуществлением разведки, бурением скважин и обустройством промыслов по добыче природного газа в условиях Крайнего Севера, происходит механическое воздействие на почвенно-растительный покров, когда почвы частично или полностью лишаются растительного покрова и органогенного слоя, а минеральные горизонты выходят на дневную поверхность, и изменяется криогенная обстановка (рис. 1, 2) [1].
В этой связи возникает необходимость рекультивации (восстановления плодородия) нарушенных тундровых почв, в частности Тазовского полуострова, где дочерняя компания ОАО «Газпром» - ООО «Газпром добыча Ямбург» проводит геологоразведочные работы, обустройство и разработку новых месторождений, а также осуществляет добычу природного газа и газового конденсата и их подготовку к транспорту [2].
Тазовский полуостров находится на севере Западно-Сибирской равнины в Ямало-Ненецком автономном округе между Обской губой (морским заливом) на западе и Тазовской губой на востоке (рис. 3).
Поверхность полуострова равнинная, покрыта многочисленными мелкими озерами и болотами, слабо наклонена на востоке к Тазовской губе и падает крупными обрывами на западе к Обской губе. Полуостров представляет собой мохово-лишайниковую и кустарниковую тундру, которую в течение столетий на всем ее пространстве местное население использует для пастбищного оленеводства.
Между тем ООО «Газпром добыча Ямбург» в своей производственной деятельности руководствуется соблюдением баланса между экономическими, социальными и экологическими составляющими общеизвестной концепции устойчивого развития (sustainable development) [2, 3]. При этом одним из основополагающих принципов экологической составляющей данной концепции, которого придерживается компания, является минимизация техногенного воздействия с целью сохранения окружающей среды в зонах размещения ее производственных объектов, что реализуется, в частности, в рекультивации нарушенных тундровых почв. Так, например, почвы лишенные органогенного слоя покрывают смесью торфа и песка (в соотношении 1:4) толщиной до 5-6 см, что, в конечном счете, должно ускорить регенерацию растительности, а, следовательно, и почвы как таковой [1]. Однако в условиях сурового климата тундры об эффективности рекультивации почв подобным способом можно будет судить по факту регенерации на них исходной растительности, только спустя десятки лет после начала этого мероприятия. Поэтому становится крайне важной осуществление диагностики потенциала рекультивации нарушенных почв путем проведения лабораторных опытов в контролируемых гидротермических условиях с использованием ключевых показателей процесса формирования почвенного плодородия. К числу таких показателей можно отнести активность фермента дегидрогеназы, продуцируемой микроорганизмами и растениями и широко применяемой при оценке эффективности тех или иных приемов рекультивации [4]. Роль дегидрогеназы заключается в катализе реакции дегидрирования (отщепления водорода) органических веществ (углеводов, спиртов, органических кислот и др.), как ее субстратов, поступающих с растительными остатками.
Цель работы - диагностика потенциала рекультивации с помощью торфа нарушенных тундровых почв Тазовского полуострова путем анализа активности фермента дегидрогеназы.
Для исследования отбирали усредненные образцы из слоя 0-6 см двух нарушенных тундровых почв, представляющих собой по гранулометрическому составу связный песок, то есть с содержанием глины 5-10%, а песка 90-95%, на участках в районе расположения установок комплексной подготовки природного газа ООО «Газпром добыча Ямбург», обеспечивающих сбор и обработку природного газа и газового конденсата в соответствии с требованиями отраслевых и национальных стандартов. На одном участке растительность отсутствовала, на другом участке отмечалась фрагментарная регенерация растительности в виде отдельных представителей травяно-злаковой ассоциации и мхов. Содержание органического углерода в почве без растительного покрова было 0,2%, а с растительным покровом – 0,9%. В опытах для рекультивации нарушенных почв в них добавляли торф с зольностью 54% в соотношении 4:1. Здесь под зольностью понимается содержание золы в сухом органическом материале, получаемой при нагревании последнего до температуры 800ºС. Для сравнительной оценки потенциала рекультивации использовали 0-10 см органогенный слой ненарушенной почвы - торфяно-глеезема типичного тундрового с зольностью 39%. Физико-химическая характериcтика исследуемых образцов почв и торфа дана в табл. 1.
Для оценки потенциала рекультивации нарушенных почв образцы массой 50 г без добавления и с добавлением торфа, увлажненные до 70% от полной влагоемкости инкубировали в чашках Петри в термостате при температуре 30ºС. Здесь под полной влагоемкостью понимается то наибольшее количество влаги, которое содержится в почве при полном насыщении всех ее пор. В динамике на 5, 10, 20 и 30 сут анализировали активность дегидрогеназы образцов различных вариантов опыта способом, защищенным патентом Российской Федерации [5].
Для количественного определения активности дегидрогеназы использовали 2,3,5-трифенилтетразолийхлорид (2,3,5-ТТХ), C19H15N4Cl, бесцветное вещество, который, акцептируя мобилизованный ферментом водород, превращается в почве (торфе) в 2,3,5-трифенилформазан (2,3,5-ТФФ), C19H16N4, вещество красного цвета [4]:
C19H15N4Cl + H2 ® C19H16N4 + HCl.
Для анализа активности дегидрогеназы навеску почвы (торфа) массой 1 г помещали в модифицированную колбу Эрленмейера емкостью 20 мл с коленчатым боковым отростком емкостью 3 мл со шлифами. В эту же колбу добавляли навеску карбоната кальция (0,1 г), CaCO3, затем последовательно приливали по 1 мл 1%-ных водных растворов глюкозы (С6H12O6) и 2,3,5-ТТХ. Содержимое колбы перемешивали, а в коленчатый отросток вводили шприцем 2,5 мл насыщенного щелочного раствора пирогаллола, C6H3(OH)3, который готовили с использованием гидроксида калия (KOH). Колбу и ее коленчатый отросток герметично закрывали и на сутки помещали в термостат на инкубацию при температуре 30oC. После этого образовавшийся в почве (торфе) 2,3,5-ТФФ кратно экстрагировали этиловым спиртом, C2H5OH, до достижения бесцветной вытяжки. Окрашенную вытяжку пропускали через бумажный фильтр в мерную пробирку. Интенсивность окрашивания объединенных фильтратов этилового спирта измеряли спектрофотометром при длине волны 490 нм. Концентрацию 2,3,5-ТФФ вычисляли по калибровочному графику, составленному для этого вещества в диапазоне, например, 1-25 мкг 2,3,5-ТФФ/мл. Активность дегидрогеназы выражали в единицах мкг 2,3,5-ТФФ /(г·cут).
Данные табл. 2 показали, что в течение всего периода наблюдения, добавление торфа существенно повышает активность дегидрогеназы нарушенной почвы без растительности и, особенно с растительностью, соответственно на 11,4-23,4% и 29,1-51,9% относительно вариантов без добавления торфа. Это связано с тем, что торф содержит в своем составе перегной, питательные элементы (азот, фосфор и калий) и микроорганизмы, в совокупности, приводящие к восстановлению плодородия почв с участием различных ферментов, в том числе дегидрогеназы. Высокий потенциал рекультивации с помощью торфа нарушенных почв подтверждается повышением активности дегидрогеназы. Что касается активности дегидрогеназы торфа, то она не только достигала соответствующей активности ненарушенной почвы, но и в первые 5 сут была выше на 28,5%.
Доказательством адекватности использования активности дегидрогеназы при оценке потенциала рекультивации с помощью торфа нарушенных почв послужили результаты корреляционного и регрессионного анализа результатов опыта. Так, расчет коэффициента корреляции (r), указывающего на направление и степень сопряженности в изменчивости признаков, показал наличие сильной корреляционной зависимости между активностью дегидрогеназы и объемной массой образцов (r = -0,95), активностью дегидрогеназы и капиллярной влагоемкостью образцов (r = 0,95), а также активностью дегидрогеназы и полной влагоемкостью образцов (r = 0,95). Здесь под капиллярной влагоемкостью понимается то максимальное количество капиллярно-подпертой воды, которое может содержаться в почве. Соответствующие формулы корреляционной зависимости, то есть уравнения линейной регрессии, позволяющие судить о том, как количественно меняется результативный признак (y) при изменении факториального (x) на единицу измерения, имели следующий вид:
y = 76,9 – 44,4x; y = 2,74 + 0,28x; y = 7,71 + 0,15x.
Как оказалось, чем меньше объемная масса почвы и соответственно больше капиллярная и полная влагоемкости, определяемые в основном органической составляющей используемых образцов, тем выше активность дегидрогеназы. Ведущее значение влажности в активность дегидрогеназы почвы связано с тем, что влага определяет нормальное физиологическое состояние микроорганизмов, как продуцентов ферментов в почве, а также поддерживает в реакционном состоянии ферменты и их субстраты (углеводы, спирты, органические кислоты и др.).
Таким образом, проведенные исследования позволяют прийти к заключению о возможности в лабораторных условиях посредством анализа активности дегидрогеназы оперативно (в течение 30 суток) провести диагностику потенциала рекультивации с помощью торфа нарушенных тундровых почв по сравнению с многолетними полевыми наблюдениями. Корректность использования активности дегидрогеназы для оценки потенциала рекультивации нарушенных почв подтверждается наличием сильных корреляционных зависимостей между этим ключевым показателем плодородия и основными физико-химическими свойствами почв.
Список литературы
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. Андреев О.П., Башкин В.Н., Галиулин Р.В., Арабский А.К., Маклюк О.В. Решение проблемы геоэкологических рисков в газовой промышленности. Обзорная информация. М.: Газпром ВНИИГАЗ, 2011. 78 с.
3. Маркелов В.А., Андреев О.П., Кобылкин Д.Н., Арабский А.К., Арно О.Б., Цыбульский П.Г., Башкин В.Н., Казак А.С., Галиулин Р.В. Устойчивое развитие газовой промышленности. М.: ООО «Издательский дом Недра», 2013. 244 с.
4. Хазиев Ф.Х. Ферментативная активность почв. Методическое пособие. М.: Наука, 1976. 180 с.
5. 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.). С. 141.
