Подлежат восстановлению: рекультивация нарушенных почв в районе добычи природного газа

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. 1. Карта-схема территории отбора образцов почв и торфа.

1 – полуостров Ямал;
2 - Тазовский полуостров;
3 – Гыданский полуостров;
4 – междуречье рек Пур и Таз; из легенды: а – реки; б - озера; в - болота; г – район отбора образцов почв и торфа.

Поверхность полуострова равнинная, покрыта многочисленными мелкими озерами, а также 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 протяжении местное население использовало и продолжает использовать для пастбищного оленеводства.

ООО «Газпром добыча Ямбург» в своей производственной деятельности руководствуется соблюдением баланса экономических, социальных и экологических составляющих общеизвестной концепции устойчивого развития. Одним из основополагающих принципов экологической составляющей данной концепции, которого придерживается ООО «Газпром добыча Ямбург», является минимизация техногенного воздействия с целью сохранения окружающей среды в зонах размещения производственных объектов, что реализуется, в частности, в виде рекультивации (восстановления плодородия) нарушенных тундровых почв. Так, например, почвы лишенные органогенного слоя, покрывают смесью торфа и песка (в отношении 1:4) толщиной до 5–6 см, что, в конечном счете, должно ускорить восстановление растительности, а, следовательно, и самой почвы.

Однако в условиях сурового климата тундры об эффективности рекультивации почв можно будет судить по факту регенерации на них исходной растительности только спустя десятки лет после начала рекультивации. Поэтому становится крайне важной предварительная экспрессная оценка эффективности рекультивации нарушенных почв путем проведения лабораторных опытов в контролируемых гидротермических условиях с анализом ключевых показателей процесса формирования почвенного плодородия. К числу таких показателей можно отнести активность такого органического катализатора белковой природы, как фермента дегидрогеназы, продуцируемой микроорганизмами и растениями и широко применяемой при оценке типов почвы, плодородия и окультуренности почв, эффективности тех или иных агротехнических приемов и т. д. Дегидрогеназа катализирует реакции дегидрирования (отщепления атомов водорода) органических веществ (углеводов, спиртов, органических кислот и др.), поступающих в почву с растительными остатками.

Цель данной работы состояла в биохимическом тестировании эффективности рекультивации посредством торфа нарушенных тундровых почв Тазовского полуострова в районе добычи природного газа путем анализа активности дегидрогеназы в лабораторных условиях.

Для исследований отбирали образцы из слоя 0–6 см двух нарушенных тундровых почв, представляющих собой по гранулометрическому составу связный песок, т.е. содержание в почве глины составляло 5–10%, песка — 90–95%. Образцы отбирали в районе расположения установок комплексной подготовки газа ООО «Газпром добыча Ямбург», обеспечивающих сбор и обработку природного газа и газового конденсата в соответствии с требованиями отраслевых и государственных стандартов. На одном участке растительность отсутствовала, на другом отмечалось фрагментарное восстановление растительности в виде отдельных представителей травяно-злаковой ассоциации и мхов. Содержание органического углерода в почве без растительности составляло 0,2%, в почве с растительностью — 0,9%. Для рекультивации нарушенных почв применяли торф с зольностью 54%, который добавляли в почву в отношении 1:4. Здесь под зольностью понимается содержание золы в сухом органическом материале, получаемой при нагревании последнего до температуры 800ºС. В качестве эталона использовали органогенный слой толщиной 0–10 см торфяно-глеезема типичного тундрового с зольностью 39%. Физико-химическая характериcтика образцов исследуемых почв и торфа приведена в таблице. Для биохимического тестирования эффективности рекультивации нарушенных почв образцы массой 50 г исходных почв и чистого торфа, а также почв после добавления торфа, увлажненные до 70% от полной влагоемкости, инкубировали в чашках Петри в термостате при температуре 30ºС. На 5, 10, 20 и 30 сут анализировали активность дегидрогеназы образцов по нижеописанной методике (Патент на изобретение № 2387996, РФ).

ТАБЛИЦА. Физико-химическая характеристика образцов почв и торфа

МЕТОДИКА АНАЛИЗА АКТИВНОСТИ ДЕГИДРОГЕНАЗЫ

Для количественного определения активности дегидрогеназы используют 2,3,5-трифенилтетразолийхлорид (C₁₉H₁₅N₄Cl, 2,3,5-ТТХ), бесцветное вещество, который, акцептируя мобилизованный дегидрогеназой водород, превращается в почве в 2,3,5-трифенилформазан (C₁₉H₁₆N₄, 2,3,5-ТФФ), вещество красного цвета:

C₁₉H₁₅N₄Cl + H₂  C₁₉H₁₆N₄ + HCl

Для анализа активности дегидрогеназы навеску почвы (торфа) массой 1 г помещают в модифицированную колбу Эрленмейера емкостью 20 мл с коленчатым боковым отростком емкостью 3 мл со шлифами (рис. 2).

РИС. 2. Устройство, использованное для анализа активности дегидрогеназы почвы (торфа):

1 – модифицированная колба Эрленмейера;
2 – коленчатый отросток колбы; а – смесь почвы (торфа), карбоната кальция и растворов глюкозы и 2,3,5-трифенилтетразолийхлорида; б - насыщенный щелочной раствор пирогаллола [Патент на изобретение № 2387996, РФ].

В эту же колбу добавляют 0,1 г карбоната кальция (СaCO₃), затем последовательно приливают по 1 мл 1%-ных водных растворов глюкозы (C₆H₁₂O₆) и 2,3,5-ТТХ. Содержимое колбы перемешивают, а в коленчатый отросток вводят шприцем 2,5 мл насыщенного щелочного раствора пирогаллола (C₆H₃(OH)₃), который готовят с использованием гидроксида калия (KOH). Колбу и ее коленчатый отросток герметично закрывают и на сутки помещают в термостат на инкубацию при температуре 30^oC. После этого образовавшийся в почве (торфе) 2,3,5-ТФФ кратно экстрагируют этиловым спиртом (C₂H₅OH) до достижения бесцветной вытяжки. Окрашенную вытяжку пропускают через бумажный фильтр в мерную пробирку. Интенсивность окрашивания объединенных фильтратов этилового спирта измеряют спектрофотометром при длине волны 490 нм. Концентрацию 2,3,5-ТФФ вычисляют по калибровочному графику, составленному для этого вещества в диапазоне, например, 1–25 мкг 2,3,5-ТФФ/мл. Активность дегидрогеназы выражают в мкг или мг 2,3,5-ТФФ/(г∙cут).

БИОХИМИЧЕСКОЕ ТЕСТИРОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РЕКУЛЬТИВАЦИИ НАРУШЕННЫХ ПОЧВ ПУТЕМ АНАЛИЗА АКТИВНОСТИ ДЕГИДРОГЕНАЗЫ

Данные рис. 3 показывают, что в течение всего периода наблюдения добавление торфа существенно повышало активность дегидрогеназы нарушенной почвы без растительности и особенно почвы с растительностью соответственно на 11–23% и 29–52% относительно почв без добавления торфа. Таким образом, подтверждается высокая эффективность рекультивации посредством торфа нарушенных почв. Активность дегидрогеназы чистого торфа не только достигала соответствующей активности торфяно-глеезема типичного тундрового, взятого в качестве эталона, но и в первые 5 сут была выше на 29%.

РИС. 3. Динамика активности дегидрогеназы образцов почв и торфа.

Контроль – торфяно-глеезем типичный тундровый:
1 – торф;
2 – нарушенная почва без растительности;
3 - нарушенная почва без растительности с добавлением торфа (1:4);
4 – нарушенная почва с растительностью;
5 – нарушенная почва с растительностью с добавлением торфа (1:4).

Доказательством адекватности использования активности дегидрогеназы для биохимического тестирования эффективности рекультивации нарушенных почв послужили результаты корреляционного и регрессионного анализа экспериментальных результатов. Так, расчет коэффициента корреляции (r) показал наличие сильной корреляционной зависимости между активностью дегидрогеназы и плотностью (объемной массой) образцов (r = –0,95), активностью дегидрогеназы и капиллярной влагоемкостью (r = 0,95), а также активностью дегидрогеназы и полной влагоемкостью (r = 0,95) образцов. Соответствующие уравнения линейной регрессии имеют следующий вид:

y = 76,9 – 44,4x;

y = 2,74 + 0,28x;

y = 7,71 + 0,15x.

Как оказалось, чем меньше плотность (объемная масса) и, соответственно, больше капиллярная и полная влагоемкость, обусловленная в основном органической составляющей образцов, тем выше активность дегидрогеназы. Значительное влияние влажности на активность дегидрогеназы почвы связано с тем, что влага определяет нормальное физиологическое состояние микроорганизмов и растений — продуцентов ферментов в почве, а также поддерживает в реакционном состоянии ферменты и их субстраты (углеводы, спирты, органические кислоты и др.), т.е. катализируемые вещества.

Таким образом, проведенные исследования позволяют прийти к заключению о возможности биохимического тестирования эффективности рекультивации посредством торфа нарушенных тундровых почв в районе добычи природного газа. Корректность оценки эффективности рекультивации нарушенных почв по активности дегидрогеназы подтверждается наличием сильных корреляционных зависимостей между этим ключевым показателем плодородия и основными свойствами почв и торфа. Данное лабораторное биохимическое тестирование эффективности рекультивации нарушенных почв, проведенное в пределах одного месяца, является альтернативой многолетним полевым наблюдениям.