MICROBIOLOGY CONTAMINATED WITH NITROGEN COMPOUNDS OF SOILS


Cite item

Full Text

Abstract

Anthropogenic pollution of soil greatly disturbs the self-cleaning mechanism and assists in its degradation. As a result of contamination in the soil changes the humidity, temperature, impaired aeration mode. Significant changes occur in the species and qualitative composition of microorganisms, the mode of life is disrupted that has a negative effect on the processes of soil formation and self-purification. The greatest threat to the soil is chemical pollution. The object of the study was the soil and its microbial community at the storage facility KRT (rocket fuel). After the liquidation of the military unit near the settlement of pamyati 13 Bortsov, Emelyanovsky district, Krasnoyarsk region due to contact with soil significant amount of KRT was unfavorable ecological situation that has reflected in maintaining a high level of phytotoxicity. Nowadays the former missile base is unattended, special structures are destroyed. In the soil cover there is visible oily spots, a peculiar smell. The contents of KRT in soil is 0.001 mg/l, which corresponds to the level of “Danger” according to the testimony of the army device of chemical investigation (VPHR). In this connection it is necessary to study in depth the places of the Strait of KRT for the work on detoxification of soil cover. For the experiment, we selected 13 samples from different sites located at a certain distance from each other and covering the area close to technical facilities, as well as one sample for the removal of three kilometers from the object of study. The aim of the study is to conduct a microbiological analysis of soil and identify the most polluted areas on the object. In this connection, you need to study the microbiological parameters of soil as the main indicator defining the level of pollution. It is necessary to compare the microbiological characteristics of the study area prior to reclamation of soil microbial complexes in the region. To carry out statistical processing of the obtained experimental data to minimize the area subject to reclamation.

Full Text

Введение. Эксплуатация ракетной техники явля- ется многофункциональным и сложным процессом, связанным с использованием химически опасных веществ и материалов [1]. В настоящее время на фазе предстартовой подго- товки ракет разработаны эффективные мероприятия, позволяющие существенно снизить экологическую нагрузку на окружающую среду [2]. Например, про- цессы нейтрализации паров и жидкой фазы окислите- ля с помощью поглотителей, дожигание горючего в специальных аппаратах и т. д. Несмотря на это, в процессе ликвидации военных объектов неодно- кратно могли происходить аварии [3]. Серьезной эко- логической проблемой является слив из ракет и спе- циальных емкостей несимметричного диметилгидра- зи́на (НДМГ) и азотной кислоты (АК) при выводе их из эксплуатации. Извлечение всего объема топлива и окислителя - технологически сложный и опасный процесс [4]. В связи с этим возникает необходимость проведения экологических исследований в области воздействия объектов ракетно-космической техники (РКТ) на природную среду, которые могли бы дать объективную информацию о масштабах и интенсив- ности этого воздействия [5]. Одним из факторов тако- го воздействия является попадание в почву окислите- ля - тетраоксида азота [6]. На сегодняшний день существует множество спо- собов определения химического загрязнения почвы [7]. Самым распространенным и универсальным по праву считается метод биотестирования [8]. Большинство животных, растений, микроорганизмов однозначно реагируют на наличие загрязнения в окружающей их среде [9]. Для определения загрязненности почвенного покрова можно использовать бактерии, находящиеся в нем [10]. Микробиологические показатели почвы являются основными индикаторами уровня загрязнения. При- няв за показатель загрязненности грунта количество колоний, можно судить о наличии отсутствия антро- погенного загрязнения в почвенном покрове. Целью исследования является проведение микро- биологического анализа почвы и выявление загряз- ненных участков на исследуемом объекте, определе- ние зон для последующей рекультивации. Объект и методы исследований. Объектом иссле- дования является почвенный покров и его микробные сообщества на территории хранилища КРТ, располо- женного на бывшем месте дислокации воинской части в районе поселка Кедровый Емельяновского района Красноярского края (рис. 1). Летом 2017 года на исследуемом объекте было выбрано 13 пробных площадок размером 2×2 м [11]. Площадки выбирались с учетом видимых проливов на поверхности почвы вблизи технических сооружений. Для контроля выбрана площадка на удалении трех километров от исследуемого объекта. Точечные про- бы отбирали на пробных площадках из слоя 0-20 см методом конверта (рис. 2). Рис. 1. Хранилище окислителя (фото авторов) Fig. 1. Fuel storage (photo of the authors) Рис. 2. Схема зоны хранения КРТ (цифрами обозначены точки отбора проб) Fig. 2. Diagram of storage areas of KRT (the numbers marked by the sampling points) Объединенные пробы составили путем смешива- ния 5 точечных проб, отобранных на одной пробной площадке. Наличие химических опасных веществ в почве определяли с помощью ВПХР. Для выявления уровня загрязнения использовали индикаторные трубки «ИТ-Г1», «ИТ-АК». В лабораторных условиях определяли численность микроорганизмов различных эколого-трофических групп [12]. Выделение микро- организмов проводили стандартными методами рас- сева на поверхность агаризованной питательной сре- ды [13]. В качестве питательных сред использовали следующие среды: для выделения аммонифицирую- щих бактерий - ПД-агар (пептон ферментативный, сухой для бактериологических целей - 9,0 гл, гидро- лизат казеина ферментативный, неглубокой степени расщепления - 8,0 гл, дрожжевой экстракт - 3,0 гл, хлорид натрия - 5,0 гл, натрий гидроортофосфат - 2,0 гл, агар микробиологический - 20 гл, pH = 7,0-7,2); для выделения гетеротрофных бактерий, усваивающих минеральный азот, - модифицированную среду Чапека (глюкоза - 20,0 гл, NH4NO3 - 2,0 гл, KH2PO4 - 0,5 гл, MgSO4*7H2O - 0,5 гл, КСl - 0,5 гл, FeSO4 * 7H2O - 0,01 гл, агар микробиологический - 20,0 гл, вода - 1000 мл, pH = 7,0-7,2); для выделения олиготрофных бактерий - среду для выделения олиготрофов (50 мл ПД-агара + 50 мл модифицированной среды Чапека на 1 л среды). Численность микроорганизмов опреде- ляли стандартным методом высева из серийных раз- ведений суспензии на поверхность питательного агара [14; 15]. Численность выражали в колониеобразую- щих единицах (КОЕ) на вес сухой почвы. Математи- ческую обработку результатов проводили стандарт- ными методами с использованием пакета анализа MS Excel и StatSoft STATISTICA 6.0 [16]. Результаты исследования. По результатам иссле- дований на изучаемой территории выделены два уча- стка: участок № 1 слива и хранения КРТ и участок № 2 нейтрализации и очистки стоков. На участке № 1 расположены сооружения № 1 «Хранилище НДМГ» и сооружение № 2 «Хранилище азотной кислоты», в сооружениях расположены емко- сти и сливно-наливные устройства. На участке № 2 расположены сооружение № 2 «Станция очистки», сооружение № 3 «Специальная лаборатория», соору- жение № 5 «Станция нейтрализации». В ходе ликви- дации базы хранения КРТ при сливно-наливных опе- рациях и нейтрализации технических средств хранения, перекачки и транспортирования произошли техноло- гические проливы топлива. На участке № 1 присутст- вует резкий неприятный запах, имеются видимые маслянистые пятна на поверхности почвы, которые свидетельствуют о химическом загрязнении почвы. В ходе естественной миграции последствия пролива КРТ ярко выражены вблизи сооружений № 1, 4. По результатам проведённых анализов микробио- логические показатели почвы изученной территории варьировали в широких пределах. Численность бакте- рий изучаемых эколого-трофических групп и размах варьирования этих численностей превышал аналогич- ные показатели для почв региона по данным А. В. Богородской и О. А. Сорокиной (табл. 1). Так, в почвенных образцах, взятых с участка № 1, преобладают бактерии, усваивающие минеральный азот, их количесство по сравнению с показателями почв региона превышено в 160 раз по данным О. А. Сорокиной. Также отмечено значительное пре- вышение амоннификаторов и олиготрофов. Обращает на себя внимание существенно меньшая доля олиго- трофов и амоннификаторов по отношению к бактериям, усваивающим минеральный азот. На участке № 2 преобладают олиготрофные бакте- рии, и их количество превышает показатели по регио- ну (данные О. А. Сорокиной) более чем в 100 раз. Данный вид микроорганизмов характерен для почв с бедным содержанием азота. Отмечена меньшая доля аммонификаторов и бактерий, усваивающих мине- ральный азот, по сравнению с олиготрофами. Повы- шенное содержание аммонификаторов обусловлено процессом разложения микроорганизмами азотсодер- жащих органических соединений. Возможно предположить, что вблизи с хранили- щем азотной кислоты имелись аварийные проливы, что способствовало притоку в почву большого коли- чества азота и повышению численности микробиоты. Многочисленными исследованиями доказано, что умеренное загрязнение КРТ приводит к увеличению численности и метаболической активности почвенных бактерий. Это увеличение обусловлено способностью ряда почвенных микроорганизмов использовать азот в ка- честве источника энергии. Продуцируемая бактерия- ми, усваивающими минеральный азот, биомасса в свою очередь может служить субстратом для других групп микроорганизмов. В ходе статистической обработки результатов, по- лученных в эксперименте, было выявлено отсутствие значимых отличий между бактериями, усваивающими минеральный азот, и олиготрофными бактериями, p > 0,05. При проецировании на оси дискриминации, в свою очередь, был обнаружен общий кластер, состоящий из данных, полученных с участков под номерами 1, 2, 4, что привело к изменению группировки путем объединения микробиологических пока- зателей данных участков в общий кластер. Таким образом, был определен общий кластер с большей статистической значимостью, при этом колонии, вы- сеянные на среду Чапека, не являются статистически значимыми. Для дальнейших исследований исключили эту среду из расчета. Повторно проведя дискриминант- ный анализ, получили статистически значимое откло- нение от контрольного образца p < 0,02. На рис. 3 показаны проекции данных изучаемых образцов, отнесенных к различным территориальным группам, на оси дискриминации. Несмотря на отсутствие ста- тистически значимых различий между микробными комплексами территории хранения КРТ и прилегающей территории, из проекции видно, что эти комплексы образуют два обособленных кластера. В данном случае статистически значимые разли- чия прослеживаются у аммонифицирующих бактерий и олиготрофных бактерий, p < 0,05. Отмечается по- вышенное количество микроорганизмов, усваиваю- щих минеральный азот, в почвенных образцах № 5-6. Снижение численности микроорганизмов отмечены в пробах № 1, 4, 8-10. Известно, что ракетное топливо является доста- точно реакционно-способным веществом, при окис- лении которого образуется целый ряд веществ, оказы- вающих негативное влияние на биоту. Существенный разброс микробиологических показателей между разными площадками может быть связан с разным уровнем загрязнения. Максимальная антропогенная нагрузка выявлена на пробных площадках № 5, 6. Результаты измерений, полученные с помощью ВПХР, подтверждают опасные концентрации НДМГ и азот- ной кислоты в почве (табл. 2). Пределы варьирования состава микробных комплексов изучаемого участка в сравнении с почвенными микробными комплексами региона, тыс. КОЕ/г Таблица 1 Показатель Бактерии, усваивающие мине- ральный азот Аммони- фикаторы Олиготрофы Сумма Участок слива и хранения КРТ № 1 Минимум 1000 1000 3000 5000 Максимум 425000 112000 201000 738000 Участок нейтрализации и очистки стоков № 2 Минимум 1000 3000 32000 36000 Максимум 22000 76000 201000 299000 Почвы сосновых лесов Средней Сибири (по данным А. В. Богородской) Минимум 456 300 717 1473 Максимум 8074 7227 13651 28952 Почвы красноярской лесостепи (по данным О. А. Сорокиной) Минимум 1714 700 1376 4304 Максимум 2643 1500 1890 5523 Рис. 3. Проекции данных с изучаемых участков на оси дискриминации Fig. 3. Projections of data from the studied areas on the axis of discrimination Результаты измерений ВПХР на наличие КРТ в почве по окраске индикаторных трубок ИТ-Г1, ИТ-АК, мг/л Таблица 2 № точки отбора проб Концентрация Уровень опасности НДМГ АК НДМГ АК 1 0,001 0,01 Опасно Малоопасно 2 0,0001 0,02 Малоопасно Малоопасно 3 0,0001 0,001 Малоопасно Малоопасно 4 0,001 0,001 Опасно Малоопасно 5 0,0001 9 Малоопасно Очень опасно 6 0,0001 10 Малоопасно Очень опасно 7 0,0001 0,1 Малоопасно Опасно 8 0,001 0,2 Опасно Опасно 9 0,0001 0,001 Малоопасно Малоопасно 10 0,0001 0,001 Малоопасно Малоопасно 11 0,0001 0,001 Малоопасно Малоопасно 12 0,0001 0,001 Малоопасно Малоопасно 13 0,0001 0,005 Малоопасно Малоопасно 14 контроль Индикаторная окраска отсутствует, «Не опасно» Полученные результаты показали очень опасные концентрации азотной кислоты в пробах № 5, 6, взя- тых вблизи хранилищ НДМГ и АК. Проба № 8 содер- жит опасные концентрации по обоим оцениваемым параметрам, что, возможно, связано с топографиче- скими особенностями местности. Экспресс-анализ почвенных образцов однознач- но указывает на то, что участок № 1, где непосредст- венно хранились КРТ, является наиболее загрязнен- ным, с максимальным содержанием НДМГ и АК. Стоит также обратить внимание на высокие концен- трации НДМГ в пробах № 1, 4. Заключение. 1. После ликвидации специального объекта из-за попадания в почву значительного количества КРТ сложилась неблагоприятная экологическая обстанов- ка, что нашло своё отражение в сохранении высокого уровня фитотоксичности грунта вблизи сооружений для хранения НДМГ и АК. 2. Математическая обработка показала статистиче- ски значимые отличия микробных комплексов иссле- дуемого объекта от микробных комплексов лесов и ле- состепей региона, что свидетельствует об экосистемном нарушении почвенных микробиоценозов изучаемой территории. 3. Максимальная антропогенная нагрузка на окру- жающую среду отмечена на участке слива и хранения КРТ, высокие концентрации НДМГ отмечены в про- бах № 1, 4, 8; азотной кислоты - в пробах № 5, 6. 4. Наименьшее загрязнение почвы отмечено на участке нейтрализации и очистки стоков, проба № 9, 10-13, по показаниям ВПХР. 5. По совокупности данных микробиологического исследования и экспресс-анализа почв выявлены кон- кретные участки, требующие мер усиленной рекуль- тивации, и зоны, в принципе, способные к самореге- нерации с незначительными восстановительными мероприятиями, что непосредственным образом отра- зится на планировании финансовых затрат при ре- культивации данной территории. Рекомендации: 1. Для ликвидации проливов КРТ рекомендуется проведение мероприятий по рекультивации объекта на основании методики рекультивации грунтов, за- грязненных компонентами ракетных топлив, патент РФ № RU 2253520 C1. 2. Для проведения рекультивации рекомендуется разделить территорию на две зоны: первая зона ак- тивной рекультивации - вблизи сооружений для хра- нения КРТ № 1, 4; вторая зона частичной рекультива- ции - вблизи сооружений нейтрализации и очистки стоков № 2, 3, 5.
×

About the authors

M. E. Baranov

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

L. A. Gerasimova

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

S. V. Khizhnyak

Siberian State Agrarian University

90, Mira Av., Krasnoyarsk, 660049, Russian Federation

P. A. Dubynin

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

Email: pavel.dubynin@mail.ru
31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

I. A. Kleshnina

Reshetnev Siberian State University of Science and Technology

31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation

References

  1. Охрана почв от химического загрязнения / Я. М. Аммосова [и др.]. М. : Изд-во МГУ, 1989. 174 с.
  2. Асонов Н. Р. Практикум по микробиологии. М. : Агропромиздат, 1988. 155 с.
  3. Большаков Г. Ф. Химия и технология компонен- тов жидкого ракетного топлива. Л. : Химия, 1983. 320 с.
  4. Ермаков Е. И., Попова Г. Г., Петрова З. М. Влияние несимметричного диметилгидразина на состоя- ние почвенно-растительной системы // Экологические аспекты воздействия компонентов жидких ракетных топлив на окружающую среду : Материалы науч.-практ. конф. СПб. : РНЦ Прикладная химия, 1996. С. 15-19.
  5. Анализ экологической обстановки на объектах хранения ракетного топлива / М. Е. Баранов [и др.]. Вестник СибГАУ. 2016. Т. 17, № 4. С. 1044.
  6. Седова Г. И., Глебова Л. Ф. К методике оценки загрязнения почвы компонентами ракетных топлив // Бюллетень токсикологии, гигиены и профпатологии ракетных топлив. 1978. № 31. С. 84.
  7. Трофимов С. Я. Рекультивация и инвентариза- ция загрязненных земель // Экология производства. 2006. № 3. С. 56-59.
  8. Сергейчик А. Растения и экология. Минск : Урожай, 1997. 224 с.
  9. Захаров В. М. Здоровье среды. М. : ЦЭПР, 2000. 65 с.
  10. Независимый экологический мониторинг со- стояния окружающей природной среды вокруг центра ликвидации межконтинентальных баллистических ракет / Занозина В. Ф. [и др.] // Экологические проблемы промышленных городов : сб. науч. тр. по мате- риалам 6-й Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием. Саратов, 2013. С. 192-194.
  11. Комплексная экологическая оценка районов падения отделяющихся частей ракет-носителей на полигоне Плесецк / А. Б. Бушмарин [и др.] // Эколо- гические аспекты воздействия компонентов жидких ракетных топлив на окружающую среду : Материалы науч.-практ. конф. СПб. : РНЦ «Прикладная химия», 1996. С. 508.
  12. Билай В. И. Методы экспериментальной мико- логии. Киев : Наукова думка, 1982. 550 с.
  13. Павлов Н. В., Смольянов А. С., Вайс А. А. Математические методы в лесном хозяйстве / СибГТУ. Красноярск, 2005. 192 с.
  14. Черненькова Т. В. Методика комплексной оценки состояния лесных биогеоценозов в зоне влия- ния промышленных предприятий // Пограничные проблемы экологии : сб. науч. тр. Свердловск : УНЦ АНССР, 1986. С. 127.
  15. Седова Г. И., Коваленко И. В. К вопросу о ста- бильности НДМГ в подзолистой супесчаной почве // Бюллетень токсикологии, гигиены и профпатологии ракетных топлив. 1976. № 23. С. 163.
  16. Electronic textbook StatSoft [Электронный ре- сурс]. URL: http:statsoft.ruresourcesstatistica_text_book.php (дата обращения: 10.9.2017).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2017 Baranov M.E., Gerasimova L.A., Khizhnyak S.V., Dubynin P.A., Kleshnina I.A.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies