Сведения об авторах

Эффективность применения торфяных мелиорантов для биоремедиации грунта отвала угольных карьеров

 Писарчук А. Д., Терещенко Н. Н., Национальный исследовательский Томский государственный университет, Томск, Россия
Алексеева Т. П., Бурмистрова Т. И., Сибирский научно-исследовательский институт  сельского хозяйства и торфа, Томск, Россия

Для техногенных ландшафтов характерно отсутствие почвенного и растительного покровов. В Кузбассе карьеры и отвалы, возникающие  при открытом способе добычи угля, часто концентрируются в окрестностях населенных пунктов и городов, поэтому особенно нуждаются в биологической рекультивации. Ее основная цель — формирование на вскрышных породах эмбриоземов путем интенсификации почвообразовательных процессов и создания устойчивых фитоценозов.  Ведущую роль в почвообразовании играют растения и сопутствующий комплекс микроорганизмов, поступающих в грунт с фитомассой и способных трансформировать органическое вещество растений во фрагменты гумуса, а также разрушать горные породы, переводя их в мелкозем. 

Цель работы — изучить влияние торфяных мелиорантов на динамику накопления и трансформации органического вещества, микробиологическую и ферментативную активность для интенсификации в грунте отвала процессов первичного эмбриогенеза.  

Объекты и методы исследования

Эффективность использования торфяных мелиорантов изучали в полевом опыте на спланированном участке угольного отвала Краснобродского разреза Кемеровской области. При выравнивании с участка предварительно удалили все крупные фрагменты горных пород. В качестве торфяных мелиорантов использовали органоминеральное удобрение (ОМУ) и оксигумат. ОМУ готовится на основе низинного торфа и содержит азотные, фосфорные и калийные минеральные соли. Кроме того, в состав ОМУ входит остаток от гидролиза торфа перекисью водорода и аммиаком — отход производства стимулятора роста растений. Оксигумат получают из верхового торфа путем щелочного гидролиза в присутствии перекиси водорода (окислителя) и сульфата кобальта (катализатора). В готовый продукт добавляют гидроксид аммония.

Мелиоранты из торфа являются источником органического вещества и обогащают грунт микрофлорой. Кроме того, наличие в составе мелиорантов продуктов гидролитической деструкции торфа придает им свойства адаптогенов и стимуляторов роста растений. ОМУ также улучшает водный режим и снижает потери элементов минерального питания, обусловленные промывным режимом рекультивируемого участка.

Варианты полевого опыта: 1) грунт отвала (ГО) — контроль; 2) ГО + ОМУ (25 т/га); 3) ГО + NPK + обработка семян и вегетирующих растений оксигуматом (0,005 % по гуминовым кислотам).

Длительность опыта — 4 года. Первые два на участке высевали донник, способный обогащать грунт азотом за счет азотфиксации, на 3-й год проводили одновременный посев многолетних бобовых и злаковых травяных культур: донник, эспарцет, люцерна, ежа сборная, костер безостый.

Эффективность торфяных мелиорантов оценивали по изменению содержания в грунте углерода лабильного органического вещества (ЛОВ), качественного состава органического вещества, ферментативной и микробиологической активности грунта на протяжении 4-х вегетационных периодов.

Результаты и обсуждение

Органическое вещество грунта отвальной породы представлено в основном углистыми частицами. Образование дополнительного органического вещества на поверхности отвала возможно только за счет разложения растительных остатков. В результате их трансформации получается легкоразлагаемое ЛОВ. Как наименее устойчивое в биохимическом отношении оно служит непосредственным и наиболее доступным источником питания растений и микроорганизмов. Согласно результатам полевого опыта формирование устойчивого травостоя на поверхности отвала оказалось возможным только при использовании мелиорирующих композиций — торфяных препаратов. В контрольном варианте травяные культуры, высеваемые каждую весну, всходили и погибали.

Разумеется, даже за 4 года проведения рекультивационных мероприятий с использованием торфяных мелиорантов и регулярной заделкой фитомассы трудно ожидать значительного накопления на поверхности отвала органического вещества. Можно лишь отследить процесс образования ЛОВ за счет трансформации пожнивно-корневых остатков. Согласно данным, представленным в табл. 1, в грунте контрольного варианта при отсутствии растительности на протяжении всех 4-х вегетационных периодов изменений в содержании общего углерода (С_ОБЩ) и углерода ЛОВ (С_ЛОВ) не произошло. При этом С_ЛОВ не превышает 2 % от С_ОБЩ (таблица).

Изменение содержания С_ОБЩ и С_ЛОВ в вариантах опыта

В вариантах опыта с использованием торфяных мелиорантов содержание С_ОБЩ также не изменилось. Однако отмечено изменение величины С_ЛОВ. Самое высокое значение С_ЛОВ в конце 1-го вегетационного периода отмечено в 2-м варианте с использованием ОМУ (9,9 % от С_ОБЩ), что обусловлено привнесением углерода ЛОВ с торфом, входящим в состав ОМУ. В 3-м варианте с использованием оксигумата содержание С_ЛОВ в этот период находится на уровне контрольного варианта (2,5% от С_ОБЩ).

В результате трансформации растительных остатков образующееся органическое вещество на поверхности угольного отвала претерпевает также и качественные изменения на протяжении всего периода исследований. В вариантах с использованием торфяных мелиорантов с течением времени отмечена тенденция возрастания содержания в составе органического вещества грунта долей легкоокисляемой (лабильной) и среднеокисляемой групп и снижение доли трудноокисляемой (стабильной) группы, что связано, по всей вероятности, с разложением растительных остатков и частичной деструкцией углистых частиц, обеспечивающими накопление первичных структур гумуса. Самые благоприятные условия для процесса деструкции органического материала сложились в варианте с использованием ОМУ. В нем к окончанию 4-го вегетационного периода по сравнению с вариантом, где применяли оксигумат, суммарная доля легкоокисляемой и среднеокисляемой групп оказалась заметно выше (68,6 % против 46,0 %), а трудноокисляемой ниже (31,0 % против 54,0 %).

Трансформация органического вещества в процессе почвообразования протекает при обязательном участии ферментов, увеличивающих скорость биохимических реакций. Среди различных классов ферментов важное место принадлежит окислительно-восстановительным.

Активность каталазы и дегидрогеназы во всех вариантах опыта на протяжении 4-х вегетационных периодов находилась на низком уровне. В 1-й и 2-й вегетационные периоды самая высокая полифенолоксидазная активность отмечена в контрольном варианте, без использования мелиорирующих композиций, что свидетельствует о процессе деградации самой угольной фракции, находящейся в грунте отвальной породы, с образованием веществ фенольной природы — субстратом для данных ферментов. Более низкая по сравнению с контрольным вариантом активность этих ферментов в вариантах с использованием торфяных мелиорантов может быть связана с адсорбцией ферментов на частицах грунта при нарушении состояния равновесия в системе грунт–фермент, имеющем место при перекопке, внесении удобрений и мелиоранта. К окончанию 3-го вегетационного периода во всех вариантах опыта отмечено значительное снижение полифенолоксидазной активности.

Снизилась относительно первых двух вегетационных периодов и активность пероксидазы и оказалась практически равной во всех вариантах опыта, составив 5,5–6,2 бензохинона/10 г за 30 мин. Это, возможно, связано с тем, что роль пероксидазы заключается в активировании перекисей, участвующих в окислении полифенолов. К окончанию 4-го вегетационного периода отмечено возрастание полифенолоксидазной и в особенности пероксидазной активности до 16,1–22,9 бензохинона/10 г за 30 мин. Высокая дегидрогеназная, полифенол- и пероксидазная активность грунта в вариантах с использованием торфяных мелиорантов создают условия для реакций поликонденсации окисленных фенольных соединений с образованием первичных структур гумуса.

Анализ результатов микробиологического исследования образцов грунта, проводимого в течение 4-х вегетационных периодов, показал, что максимальные показатели микробиологической активности во все периоды отмечены в варианте с использованием ОМУ. Этому варианту соответствуют максимальные показатели численности микроорганизмов, потребляющих как органические, так и минеральные источники азота (82,5 млн и 37,1 млн КОЕ/1 г грунта соответственно). В варианте с использованием оксигумата численность этих микроорганизмов ниже (59,2 млн и 31,6 млн КОЕ/1 г грунта), но выше, чем в контрольном (16,2 и 15,0 млн КОЕ/1 г грунта). При использовании ОМУ отмечена и максимальная численность актиномицетов, что свидетельствует о более высокой степени протекания процессов минерализации труднодоступных органических соединений.

Во всех вариантах опыта наблюдается невысокая численность разрушителей целлюлозы. Причем основу целлюлозолитического микробного сообщества (98 % от общей численности) составляют актиномицеты. Низкое количество наиболее активных миксобактерий, вероятнее всего, связано как с недостатком в грунте минерального азота, так и с дефицитом доступного органического вещества. Однако за все время наблюдений численность миксобактерий в варианте с использованием ОМУ (11 тыс. КОЕ/1 г грунта) была выше, чем в контрольном (4,0 тыс. КОЕ/1 г грунта).

Таким образом, 4-летними исследованиями установлены увеличение микробиологической и ферментативной активности грунта, а также качественные изменения в составе органического вещества формируемого эмбриозема, в частности увеличение доли легкоразлагаемого ЛОВ, что свидетельствуют о перспективности применения торфяных мелиорантов для повышения эффективности биоремедиации грунта отвала угольных карьеров.