Почвоведение, 2022, № 7, стр. 795-807

ВВЕДЕНИЕ

Для обеспечения устойчивого функционирования природных экосистем проводится поиск действенных способов восстановления нарушенных биотопов, комплексная диагностика эффективности и безопасности проводимых мероприятий. Среди множества углеродсодержащих веществ, рекомендуемых для улучшения здоровья почв, доминирующее положение занимают гуминовые продукты (ГП). Прогнозируется, что к 2024 г. объем рынка ГП превысит 1 млрд долларов США [92]. Объяснение этому видят в том, что ГП используются во всем мире в качестве кондиционеров и ремедиантов почвы и наиболее востребованы в сельском хозяйстве для обработки пахотных земель [81].

ГП рекомендуются к практическому применению для разных целей. Благодаря своему составу и свойствам они легко включаются в естественные круговороты веществ и не только активируют рост и развитие живых организмов (в первую очередь, растений и почвенных микроорганизмов), но и способны иммобилизовать и трансформировать загрязняющие вещества [46, 82]. ГП широко доступны благодаря развитой производственной базе, достаточной для удовлетворения спроса на эти почвенные ремедианты, a priori считающиеся эффективными и экологически безопасными. ГП производят из разных сырьевых источников натурального происхождения [29, 48]. Согласно Биллингхэму [53], ГП – это материалы, которые часто продаются в виде почвенных добавок с или без сопутствующих питательных веществ для растений.

Восстановление под влиянием ГП экологических функций почв, загрязненных химическими веществами, представляет собой сложный физико-химический и биологический процесс, включающий иммобилизацию (уменьшение биодоступности) токсикантов, изменение показателей продуктивности фитомассы и активности почвенного микробиома. Аналогичное действие ГП фиксируется и при изучении их влияния на водные экосистемы.

Вместе с тем воздействие ГП в большой степени зависит от природы исходного сырья, дозы и условий применения препарата, оцениваемого параметра. В ряде работ показано наличие ингибирующего эффекта ГП на активность почвенного микробиома [31]. При определенном уровне загрязнения токсикантами проявление положительного воздействия ГП в большой степени зависит от почвенных свойств. Так, при сильном загрязнении тяжелыми металлами (Cu 660, Zn 1100, Pb 650 мг/кг) агродерново-подзолистой почвы обработка равными дозами лигногумата (0.25%) образцов с разным содержанием органического углерода (С_орг 3.86 и 1.30%) неодинаково сказалась на развитии тест-растений горчицы белой (Sinapis alba). Лигногумат в почве с низким содержанием органического углерода, загрязненной комплексом солей тяжелых металлов, не стимулировал рост растений [53].

Наличие экспериментально обоснованных универсальных схем оценки качества и ремедиационных характеристик – важное условие безопасного и эффективного использования ГП в природных средах. Неоднократно поднимался вопрос о необходимости сертификации ГП [48]. Известны разные способы и подходы к оценке качества ГП. Вещества, применяемые в природоохранных целях, подвергаются анализу в тест-системах, основанных на реакциях живых систем разного уровня организации. При анализе биологической активности ГП в почвенных, водных или искусственных средах отдается предпочтение тем или иным измеряемым показателям.

Подходы к оценке эффективности и безопасности гуминовых продуктов в почвенных средах. Как известно, гуминовые вещества (ГВ) способствуют формированию органо-минеральной матрицы, что обеспечивает структурную организацию почвы [7]. Положительное воздействие на агрофизические показатели происходит как напрямую, так и опосредованно через увеличение биологической активности почвенной биоты и растений [8, 14, 57], в связи с чем естественными и важными представляются исследования по оценке качества ГП, проводимые непосредственно в почвенной среде.

Фитотестирование на высших растениях. Наиболее доступной и распространенной оценкой ГП является проверка их детоксицируюшей и фитостимулирующей способности по отношению к высшим растениям. В качестве доказательства поглощения ГП растениями приводятся сведения о количественной оценке кинетики усвоения растениями препаратов, меченных тритием [13].

ГП обладают физиологической активностью по отношению к растениям. Эта активность ГП зачастую имеет гормоноподобный характер: стимулирование в низких концентрациях и ингибирование в высоких [3, 46, 48]. Многими отмечается наибольшее стимулирование роста и развития растений при внесении ГП в жестких по физическим или химическим параметрам неблагоприятных условиях окружающей среды (недостаточного или чрезмерного влагосодержания, низких температур, недостаточного освещения, а также загрязнения тяжелыми металлами или радионуклидами) [63, 83].

Определение действующих доз ремедиационных препаратов, а также оценку безопасности разрабатываемых новых ГП проводят при экспресс-фитотестировании (96 ч). Традиционно фитотоксический эффект загрязненных почв, как и эффективность ремедиации, определяют по развитию растений в водных экстрактах. Однако неизбежно встают вопросы об информативности результатов такой оценки, об особенностях химических свойств как ГП, так и непосредственно токсикантов (гидрофильность, гидрофобность) [2].

Немало работ посвящено сравнению двух распространенных подходов к фитотестированию – элюатного и аппликатного. При первом заключение делают по реакции семян растений на водную вытяжку из анализируемых образцов (элюат), а при втором – анализируют отклики растений на всю массу твердого образца. Применительно к анализу ГП аппликатный способ заключается в анализе действия внесенного в почву препарата, то есть непосредственно в массе почвенного образца. Тогда как элюатный способ фитотестирования ГП предусматривает анализ роста растений в серии концентраций растворов ГП, либо в водных экстрактах из почв, предварительно обработанных ГП [32, 35, 42].

Закономерно отмечаются различия в результатах анализа водных экстрактов и твердой массы почвы [87]. Так, в экспериментах при элюатном способе фитотестирования редко обнаруживаются эффекты от ГП. Как правило, значения в опытных образцах статистически неотличимы от значений в контрольных, в то время как при проведении фитотестирования ГП аппликатным способом обнаруживаются достоверные различия [1, 28, 74, 87]. Важно отметить, что проведение фитотестирования элюатным способом не только не дает четкого представления о качестве ГП при небольших дозах воздействия, но потенциально может приводить к недооценке экологических рисков химического загрязнения почв и эффективности ремедиационных мероприятий с применением ГП.

С помощью аппликатного фитотестирования показан детоксицирующий эффект ряда ГП в аллювиальной луговой почве, подверженной многолетнему техногенному загрязнению ТМ [89], дерново-подзолистой почве, черноземе в условиях моделирования полиметаллического загрязнения ТМ [10, 46, 90]. В ряде случаев для сравнительных оценок качества ГП целесообразно использовать стандартные образцы почвы, которые широко применяются в экотоксикологических исследованиях препаратов за рубежом [84, 99].

В целом фитотестирование аппликатным способом способствует быстрому и надежному определению ремедиационных свойств и безопасности гуминовых продуктов. Немаловажным фактором является экономическая доступность и простота выполнения такого исследования. К недостаткам фитотестирования на высших растениях следует отнести отсутствие комплексности, ограниченность подхода к оценке токсичности лишь для растений. Предпринимаются попытки введения расширенных схем для комплексной оценки воздействия ГП.

Биотестирование по реакции микроорганизмов. Почвенные организмы играют ключевую роль в функционировании почвы, поэтому для современных подходов к оценке потенциала ГП к восстановлению нарушенных территорий характерно включение биологических и биохимических показателей микробиома [9, 51]. В некоторых европейских странах в качестве показателя “здоровья” почв используется микробная биомасса и ее функциональная активность [67].

Почвенное дыхание. Одним из наиболее общих показателей активности почвенных микроорганизмов является так называемое дыхание почв – выделение углекислого газа и поглощение кислорода образцами почв [30, 50, 60]. Выделение углекислого газа из почвы отражает интенсивность жизнедеятельности почвенной биоты, скорость минерализации опада и подстилки. Известно, что на присутствие токсикантов в почве микроорганизмы откликаются изменением основных функциональных характеристик – сокращением биомассы и интенсивности дыхания [2, 36, 93]. Внесение же ГП может оказывать положительный эффект на эти показатели [6, 9, 15].

В ряде исследований показано, что добавление ГП в загрязненную ТМ дерново-подзолистую почву стимулирует развитие микробного сообщества, увеличивая показатель С_мик (углерод микробной биомассы), рассчитываемый по скорости эмиссии СО₂ [36]. Обнаруженная положительная корреляция между дыханием почв и развитием растений повышает биодиагностическую ценность микробного показателя.

Ферментативная активность почвенных образцов. Применение ГП существенно влияет на биохимические процессы в почвах и активность почвенных ферментов. Внесение ГП может оказывать действие на поступление углерода и азота в растения, и, как следствие, процессы разложения органического вещества в почве. Кроме того, ГП могут воздействовать на споры грибов, цисты простейших и бактерий, которые образуют фермент-субстратные и сополимеризованные комплексы с органическим веществом почв [100]. Энзиматическую активность почв многие авторы рассматривают в качестве экспрессного и чувствительного способа биотестирования ГП, в том числе при оценке ремедиации нарушенных почв.

При проведении исследований ферментативной активности почвенных образцов обнаруживаются разнонаправленные эффекты, зависящие как от свойств самих ГП, так и от вида определяемого фермента. Для таких ферментов, как фосфатазы, инвертаза, пероксидаза имеются данные, как о стимулировании, так и ингибировании активности при добавлении в почву ГП [1, 20]. Показано положительное влияние гуминовых добавок на активность фосфатазы, уреазы и дегидрогеназы в условиях засухи [88], каталазы, фосфатазы, пероксидазы и гидролаз при химическом загрязнении [20, 25].

Важно отметить способность почвенных ферментов окислять гуминовые добавки за счет разрыва С–С связей, способствовать окислению феноксильных радикалов и ароматических соединений [55, 59, 101], и тем самым увеличивать активность ферментов не благодаря улучшению условий функционирования микробного комплекса, а за счет разложения самих ГП, что существенно снижает достоверность получаемых результатов для целей биодиагностики ремедиационной способности ГП.

Бактериальные люминесцентные методы. В современной практике бактериального тестирования известно несколько перспективных для экомониторинга люминесцентных тест-систем: прямые люминесцентные бактериальные тесты (ЛБТ) и ферментативные люминесцентные бактериальные тесты (ФЛТ) [54, 72]. Люминесцентные бактериальные тесты успешно используются для оценки токсичности растворов ГВ, а также их антиоксидантной и прооксидантной активности [8, 54, 64, 69, 71]. Однако их применение для изучения детоксицирующей способности ГВ имеет свои особенности и потенциальные аналитические сложности [5, 71, 73].

Прямые ЛБТ основаны на использовании светящихся бактерий, содержащих фермент люциферазу (Vibrio harveyi, V. fisheri, Photobacterium phosphoreum, P. leiognathi) [49, 54]. За рубежом зарегистрированы такие тест-системы, как “Микротокс” и “Люмитокс”. В России производится тест-система на основе генноинженерных светящихся бактерий Escherichia coli, получившая фирменный знак “Эколюм” [26, 27]. Измеряемым параметром является биолюминесценция в видимой области спектра, регистрируемая с помощью фотоэлектронного умножителя прибором “Биотокс-10М”. Уменьшение интенсивности биолюминесценции пропорционально токсическому эффекту [26, 27]. При анализе токсичности водных вытяжек из загрязненных почв и смесей загрязняющих веществ с ГП необходимо проводить параллельное измерение водных вытяжек из контрольных (незагрязненных) образцов почвы и растворов ГП для предотвращения ложного вывода о токсичности пробы, вызванного не наличием загрязняющих веществ, а воздействием ГВ на бактериальную культуру. Ранее в обзоре [48] отмечалось, что ГП с повышенным содержанием кислоторастворимой фракции (например, ГП из сапропеля и лигносульфоната) стимулировали свечение бактериального препарата относительно контроля. Подобное стимулирование возможно даже на фоне присутствия в пробе загрязняющих веществ.

В ФЛТ функция биосенсоров представлена ферментативными реакциями [11, 12]. Три ферментативные системы обладают максимальной чувствительностью к разным классам токсикантов: бутирилхолинэстераза, НАД(Ф)Н:ФМН-оксидоредуктаза + люцифераза и лактатдегидрогеназа + + НАД(Ф)Н:ФМН-оксидоредуктаза + люцифераза [11]. Комбинированная ферментная система люминесцентных бактерий: НАД(Ф)Н:ФМН-оксидоредуктаза + люцифераза (Red + Luc) использовалась для прогнозирования потенциальной токсичности промышленных урбостратоземов [69]. По данным [69], эффект на ферментную систему Red + Luc может быть вызван не только загрязняющими веществами в образцах почвы, но и природными почвенными свойствами, влияющими на активность ферментной системы. Например, установлено, что содержащиеся в почве ГВ ускоряют скорость потребления никотинамидадениндинуклеотида, приводя к уменьшению интенсивности свечения светящихся бактерий [96]. Поэтому возможна формулировка ложного вывода о загрязнении почвы. Авторы [69] отмечают, что существует потребность в поправочных коэффициентах для точного биолюминесцентного анализа загрязнения образцов почвы, богатых гумусом.

Подходы к оценке эффективности и безопасности гуминовых продуктов в водных и искусственных средах. Оценить биологические эффекты ГП можно не только с помощью биотестирования в почвенных средах, но и в искусственных питательных средах и водной среде. Применение этих подходов позволяет получить дополнительную информацию об эффективности применения ГП в качестве ремедиантов.

Микотестирование. Группой организмов, которую потенциально можно использовать для тестирования биологических и ремедиационных свойств ГП, являются почвенные микроскопические грибы (микромицеты) – активный компонент почвенных микробных сообществ [33, 58, 66].

Обоснованием применения микроскопических грибов в качестве тест-организмов служит то, что микромицеты чувствительны к загрязнению почв и природных вод. Причем эта чувствительность фиксируется на разных уровнях биологической организации: клеточном, организменном, биоценотическом. Под влиянием антропогенных факторов происходят изменения в прорастании спор, росте мицелия, морфологии колоний многих чувствительных видов, в частности Fusarium oxysporum [16, 33]. Введение тяжелых металлов в среду роста вызывает физиологические и морфологические адаптационные стратегии в микробном сообществе [7]. Устойчивость к тяжелым металлам, например, может определяться секвестрацией и комплексообразованием с катионами, продукцией внутриклеточных и внеклеточных ферментов [8, 65, 66]. В загрязненных средах увеличивает обилие и разнообразие группа условно-патогенных грибов (оппортунистов), которые характеризуются специфическими свойствами, такими как мицелиально-дрожжевой диморфизм, клеточный меланизм, способность к адгезии и внеклеточной секреции протеаз и фосфолипаз [70]. Помимо этого, грибные сообщества отражают и реагируют на изменение физико-химических свойств почв. Содержание и состав органического вещества почв имеет значительное влияние на формирование грибного сообщества [37, 79]. Грибы, способные к отклику на изменения гумусного статуса почв, реагируют и на внесение углеродсодержащих добавок, к которым относятся ГВ и биоуголь. Показано, что ГВ оказывают как благоприятное (стимулирующее), так и негативное (ингибирующее) воздействие на отдельные виды микромицетов [38, 40, 64, 75–77]. В целом замечено, что ГВ проявляют большее стимулирующее действие на виды-антагонисты, чем на фитопатогенные виды [75, 76]. Внесение ремедиантов вызывало заметные изменения в структуре грибного сообщества: положительный эффект проявился в возрастании показателей обилия целлюлозолитических видов (Isaria, Trichoderma), в уменьшении обилия фитопатогенных и темнопигментированных видов [37]. Широкий диапазон наблюдаемых эффектов объяснить можно полифункциональностью ГВ, а также пластичностью почвенного микробиома. При этом, однако, высокая резистентность к токсикантам и адаптационная способность снижает перспективность применения широкого набора видов в качестве тест-культур. Необходимы дополнительные исследования по поиску оптимального тест-вида, с определенным уровнем чувствительности, не отличающегося от широко используемых стандартизованных видов [32, 33, 37].

Почвенная система in situ включает сложные микробные сообщества, поэтому различить биологические воздействия на отдельные виды микроорганизмов в этих условиях затруднительно [52]. По этой причине использование искусственных питательных сред и выращивание отдельных чистых культур может пролить свет на биологическое воздействие загрязняющих веществ и ГВ на метаболизм грибов [61]. При культивировании на искусственных питательных средах тест-реакциями микроскопических грибов, применимыми для целей биотестирования, могут быть скорость прорастания спор, скорость роста колоний, прирост биомассы, изменения в морфогенезе и репродукции [16, 33, 64]. Медленнорастущие виды (k-стратеги), более устойчивые (часто меланинсодержащие) в неблагоприятных условиях окружающей среды предпочитают образовывать компактные колонии [16, 64]. Были случаи, когда экологические условия для активного спорообразования отличались от благоприятных для роста колонии [78]. Сочетание двух грибных тест-реакций, таких как снижение скорости роста мицелия и активация спороношения, может рассматриваться как отклик на стресс. Однако, разумеется, искусственные питательные среды имитируют лишь определенные природные абиотические и биотические условия, необходимые для роста микробиоты. Для всестороннего рассмотрения химических, физических и биологических процессов в средах, где живут микроорганизмы, использование выявленных стресс-реакций отдельных видов с учетом всех взаимодействий проблематично [85].

Альтернативой искусственным питательным средам может стать стандартная почва, которая применяется в биотестировании в качестве референтного образца. Стандартная или, так называемая, искусственная почва согласно ISO 11268-1, состоит из торфа (10%), каолиновой глины (20%) и кварцевого песка (70%); с добавлением некоторого количества CaCO₃ [84, 100].

Флуоресцентные методы в альготестировании. Биотестирование с применением культуры водорослей (Scenedesmus quadricaudа, Chlorella vulgaris, Phaeodactylum tricornutum и Sceletonema costatum), широко применяется благодаря доступности условий культивирования и высокой воспроизводимости [38, 39]. В настоящее время активно развиваются флуоресцентные методы, характеризующиеся как удобные, поскольку тест-параметры регистрируются высокоточными приборами [17, 18, 22, 38, 45]. Однако они имеют целый ряд особенностей, которые необходимо учитывать и детально анализировать при формулировке заключения о токсичности.

В практике экологического мониторинга альготестирование базируется на нескольких флуоресцентных тест-функциях.

Наиболее часто токсичность проб оценивают по изменению интенсивности флуоресценции хлорофилла относительно контроля. При этом считываемый с флуориметра положительный индекс токсичности свидетельствует об ингибировании, а отрицательный индекс – о стимуляции флуоресценции. Изменение интенсивности флуоресценции хлорофилла водорослей как тест-функция указана в нескольких методиках биотестирования, применяемых для целей государственного экологического контроля [5, 24, 43, 44 ] . Как правило, критерием острой токсичности служит положительный индекс токсичности ≥50%. За пороговый уровень токсичности воды принимают уменьшение величины интенсивности замедленной флуоресценции водорослевой тест-культуры на 20% и более или увеличение на 30% и более [24 ] .

Особенность альготестирования проб, содержащих растворенные органические вещества (РОВ), заключается в стимуляции роста численности клеток и, следовательно, интенсивности флуоресценции хлорофилла водорослей [6, 21, 80]. В проведенных экспериментах в качестве проб, содержащих РОВ, использовались водные вытяжки из почв и грунтов и образцы морской природной воды. Во всех пробах наибольшая флуоресценция наблюдалась в образцах с наибольшим содержанием РОВ и/или веществ гуминовой природы, что маскировало токсический эффект загрязняющих веществ, присутствующих в пробе. Таким образом, РОВ в пробах, стимулируя рост водорослей и интенсивность флуоресценции хлорофилла, способны оказывать существенное влияние на результат альготестирования, а значит на решение о наличии или отсутствии токсического эффекта [39]. На этом основании использование водорослей в качестве тест-культуры для оценки эффективности применения ГП воспринимается критически [39]. Однако в целом в питательных средах, содержащих сниженные концентрации минеральных солей, можно повысить чувствительность водорослей к токсикантам [41].

Для количественного анализа характеристик фотосинтеза используются и более сложные расчеты, оперирующие параметрами кинетической кривой индукции флуоресценции при разной интенсивности (так называемый ЛР-тест) [18]. Анализ флуоресценции (максимальная переменная флуоресценция и максимальный квантовый выход) на разных фазах кинетической кривой позволяет получать характеристики первичных процессов фотосинтеза. Изменения в функционировании фотосинтетического аппарата также можно исследовать с помощью световых зависимостей параметров флуоресценции: относительная скорость нециклического электронного транспорта (ETR) и нефотохимическое тушение флуоресценции (NPQ), отражающее изменение электрохимического протонного градиента на мембране [4, 17].

С использованием описанного выше набора флуоресцентных параметров проведена оценка влияния ГВ на световые реакции фотосинтеза микроводорослей S. quadricauda [4]. Скорость роста микроводорослей S. quadricauda под действием ГВ оценивали по параметру флуоресценции (F_O) и установили, что ГВ обладают стимулирующим воздействием на рост микроводорослей в стрессовых ситуациях. Анализ световых зависимостей параметров флуоресценции показал, что ГВ оказывают некоторое положительное влияние на первичные процессы фотосинтеза. При измерении ETR обнаружили, что ГВ ведут к увеличению его скорости. При этом гуминовые кислоты (ГК) черноземов в большей степени стимулировали электронный транспорт по сравнению с фульвокислотами (ФК). Было установлено, что ГК влияют на состояние фотосинтетических мембран, что привело к увеличению NPQ. При этом ФК практически не оказывали воздействие на фотосинтетические мембраны. Сделан вывод, что исследование параметров индукционных кривых флуоресценции подтверждают тот факт, что ГВ могут оказывать влияние на функционирование фотосинтетического аппарата микроводорослей S. quadricauda. В этой связи способ измерения процессов фотосинтеза по параметрам индукции флуоресценции отнесен к чувствительным методам, который может быть предложен для оценки разрабатываемых для сельского хозяйства гуминсодержащих препаратов [4].

Расчет индексов эффективности и безопасности ГП. В настоящее время не существует единого способа определения активности ГП в природных средах. Актуальной представляется задача интегрирования совокупности данных, согласно которым возможно было бы оценить характер воздействия ГП и безопасность их применения, в том числе для целей ремедиации. Оценку воздействия ГП на подвижность токсикантов можно проводить путем расчетов и определения различных констант связывания и комплексообразования, основанных на законах аналитической и физической химии, однако такой подход не отображает реального влияния, которое оказывают ГП, попадая в сложные циклы природных веществ и взаимодействуя с микробными сообществами. Важным является поиск информативных, экспрессных, стабильных, а также комплексных показателей, учитывающих воздействие ГП на биологические параметры.

Определение физиологической активности ГП. Одним из показателей физиологической активности ГП служит оценка реакций водорослей Chlorella vulgaris [38, 47]. В расчетах используются величины валового фотосинтеза, потребления кислорода (дыхание) и прироста биомассы альгокультуры, значения которых сравниваются между контрольным и вариантами с внесением ГП. Такая мера оценки, безусловно, является экспрессной, стабильной и удобной, однако, на наш взгляд, связана с реальными эффектами ГП на одной узкой группе биоты, что недостаточно для понимания активности ГВ в природных средах, особенно таких гетерогенных и изменчивых как почва.

Определение ростостимулирующей активности ГП. К известным способам определения ростостимулирующей активности ГП относится расчет интегрального индекса фитоактивности (ИФ) по формуле (1) [3]:

где ЭП – энергия прорастания семян, ДК – длина корня проростка, ВК – высота проростка, выраженные в процентах от контроля.

Установлено, что при ИФ > 1.2 препарат можно характеризовать как качественный и рекомендовать для последующих испытаний в вегетационных и полевых опытах.

Расчет констант детоксикации и биоактивных свойств ГП. Способ оценки влияния ГП (или ГВ) на экотоксичность почв при фитотестировании путем расчета “константы детоксикации” предложен в работе Перминовой [23]. как показатель, отражающий изменение уровня токсичности в присутствии ГВ по сравнению с токсичностью проб в контроле (без ГП). Куликовой [13] предложено проводить аналогичные расчеты путем оценки биоактивных свойств собственно гуминовых препаратов в образцах без добавления токсикантов.

Для количественной оценки защитных свойств ГВ в присутствии токсикантов рассчитывают коэффициент детоксикации D по формуле (2):

где Т_т – токсичность пробы в отсутствии гуминовых веществ; Т_т + гв – токсичность пробы в присутствии ГВ.

Токсичность пробы в присутствии токсиканта считают по формуле (3):

где R₀ – тест-отклик в контроле, R_т – тест-отклик в присутствии токсиканта.

Токсичность пробы в присутствии токсиканта и ГВ считают по формуле (4):

где R_гв – тест-отклик в присутствии ГВ, R_т + гв – тест-отклик в присутствии токсиканта и ГВ.

Особенность такого подхода в том, что учитываются не только изменения фитотоксичности загрязненных почв под воздействием гуминовых продуктов (детоксикация), но и непосредственное влияние на растения самого ГП.

Расчет индекса ремедиации. Разработка универсального индекса и комплексной экспериментально обоснованной системы оценки влияния ГП – необходимый этап в расширении внедрения природоподобных технологий. Такие технологии важны как для сопоставления качества производимых ГП, так и для обеспечения устойчивого функционирования экосистем при их применении. Для рекомендаций ГП к применению в ремедиационных целях необходим анализ их эффектов на химические, биоиндикационные и экотоксикологические свойства биогеоценозов.

В этой связи целесообразно обратиться к такому показателю, как интегральный индекс состояния загрязненных почв, рассчитываемый по междисциплинарной методологии Триад [56, 62, 68]. На основе такой методологии для характеристики ремедиационного потенциала ГП, их вклада в восстановление экологических функций почв предложен индекс ремедиации (ИР) [19, 34].

Согласно запатентованному способу расчета ИР проводятся исследования свойств почв, подвергнутых воздействию ГП, по следующим показателям:

– химические – изменение подвижности ТМ (доступная для растений фракция, результат экстракции в ацетатно-аммонийном буфере);

– биоиндикационные – респирометрические характеристики (анализ активности микробиома);

– экотоксикологические – выживаемость гидробионтов в водных экстрактах образцов почв и фитоэффект на рост корней проростков высших растений аппликатным способом.

Полученные экспериментальные данные нормируются по шкале от 0 до 1, согласно формуле (5):

где ${{{{\Pi }}}_{i}}$ – степень отклонения значения тест-функции (концентрация ТМ, респирометрические параметры, длина корня, выживаемость гидробионтов, и т. п.) в опытном образце от фона; ${{T}_{i}}~$ – значение тест-функции в опытном образце, ${{T}_{{{\text{фон}}i}}}$ – значение в фоновом образце (вариант без внесения токсикантов и ГП). В случае, когда ${{{{\Pi }}}_{i}}$ > 1 принимаем ${{{{\Pi }}}_{i}}$ = 1.

Далее рассчитываются, так называемые, частные индексы состояния почв по химическим (ИСх) биоиндикационным (ИСб) и токсикологическим (ИСт) данным как среднее арифметическое из П_i для каждого блока данных. Затем рассчитывается итоговый индекс состояния (ИС) согласно методологии Триад по формуле (6):

где ИС – индекс состояния; ИСх – частный индекс состояния по химическим данным; ИСт – токсикологическим; ИСб – биоиндикационным.

После чего расчет индекса ремедиации осуществляется по формуле (7):

где ИР – индекс ремедиации; ИСг – индекс состояния почвы, обработанной гуминовым продуктом; ИСз – индекс состояния загрязненной почвы, не обработанной ГП (контроль). Ранжирование ИР в процентах, отражающих эффективность гуминовых продуктов, может быть таким, как показано на рис. 1.

Для определения степени ремедиационной активности ГП предлагаются градации, соответствующие кратности превышения измеряемых значений в опытном варианте над таковыми в контроле, и при значении ИР < 20 – определяют отсутствие способности к ремедиации загрязненной почвы, при значении 20 < ИР < 50 – среднюю активность, при значении 50 < ИР < 80 – высокую активность и при значении ИР > 80 – очень высокую активность.

Применение ИР представляется удобным и универсальным способом как для сравнения различных ГП между собой, так и для установления наиболее эффективных доз ГП, которые могут быть рекомендованы производителями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Наличие экспериментально обоснованной оценки ремедиационных свойств гуминовых продуктов – важное условие их безопасного и эффективного использования. Проведенный анализ существующих способов биологической оценки гуминовых продуктов свидетельствует о разнообразии подходов и методов, применение которых не дает полного представления о их потенциале в улучшении “здоровья” почвы. Для сертификации и сравнения качества гуминовых продуктов необходима методика расчета количественного показателя их ремедиационной эффективности, которая включает химические, экотоксикологические и биоиндикационные почвенные показатели.

Для оценки качества гуминовых продуктов, рекомендуемых для детоксикации почв, загрязненных тяжелыми металлами, целесообразно использовать индекс ремедиации, имеющий тесную связь с изменением подвижности ТМ, и экотоксикологическими показателями. В частности, согласно проведенным исследованиям [19], алгоритм первичной оценки гуминовых продуктов должен включать исследования химических характеристик – изменение подвижности тяжелых металлов (доступной для растений фракции как результат экстракции образцов ацетатно-аммонийным буфером), биоиндикационных – респирометрические показатели дыхания почв (анализ активности микробиома) и экотоксикологические – значения тест-функций при биотестировании (выживаемость стандартизованных тест-видов гидробионтов в водных экстрактах почв и фитоэффект ГП на рост корней проростков высших растений) [34].

Универсальной почвенной матрицей для первичной оценки гуминовых продуктов может служить стандартная искусственная почва (по ISO 11268-2). Она является удобной в применении [84, 100], поскольку постоянный состав обеспечивает воспроизводимые данные, а измерения биологических и химических ее характеристик можно в контролируемых условиях проводить круглогодично. Для применения ГП на практике необходим подбор доз внесения ГП в зависимости от степени загрязнения почв и природных почвенных характеристик.