Функционально-морфологические изменения высших растений при действии нефтяного, солевого и нефтесолевого загрязнения почв (стр. 2 )

Изменение функциональных показателей было более существенным. У костреца содержание хлорофилла «а», «б» и каротиноидов увеличивалось в ответ на действие нефти в 1,1-2,5 раза, оставаясь на уровне контроля при максимальной концентрации. Активность пероксидазы резко снижалась во всех вариантах опыта, содержание аскорбиновой кислоты не отличалось от контроля (рис. 2).

Нефтяное

Солевое

Нефтесолевое

ПО – активность пероксидазы АК – аскорбиновая кислота

Рисунок 2 – Изменение функциональных показателей овса и костреца при

разных видах загрязнения в минимальной (слева) и максимальной (справа)

концентрациях

У овса содержание пигментов возрастало против контроля в 1,2-2,1 раза при концентрации нефти 12,5 г/кг, а в варианте опыта 0,1 г/кг – содержание хлорофилла «б» было снижено на 43,8%. Биохимические показатели изменялись не существенно, за исключением аскорбиновой кислоты, содержание которой в максимальной концентрации превысило контроль в 1,32 раза.

При действии соли у костреца и овса наблюдался противоположный эффект. У овса содержание пигментов фотосинтеза было снижено на 51-94%, активность пероксидазы оставалась на уровне контроля, а содержание аскорбиновой кислоты возрастало в 1,7-1,9 раз. У костреца содержание хлорофилла «а», «б» и каротиноиды превышали контроль в 1,2-3,4 раза во всех вариантах опыта, наиболее существенной разница была при концентрациях соли 1,25 и 5,0 г/л. Достоверно отличалась от контроля активность пероксидазы при содержании хлорида натрия 5,0 г/л – в 1,3 раза, и содержание аскорбиновой кислоты – в 1,2-1,4 раза в вариантах опыта 1,25 и 5,0 г/л.

При совместном действии двух поллютантов у овса содержание пигментов фотосинтеза было снижено против контроля на 30-70%, но в 1,5-2 раза превышало аналогичные показатели при действии солевого загрязнения. Активность пероксидазы и аскорбиновой кислоты значительно возрастала – в 1,8-2,8 и 1,6-1,8 раз. Реакция костреца была иной: содержание хлорофилла «а» не отличалось от контроля, хлорофилла «б» и каротиноидов было снижено на 26-40% в максимальных концентрациях нефти. Активность пероксидазы также возрастала лишь при высоком содержании загрязнителя, а содержание аскорбиновой кислоты снижалось пропорционально концентрациям нефти в почве.

Хромосомные аберрации во всех видах загрязнения у овса и костреца превышали контроль в 1,3-2,0 раза, гибель клеток в корнях костреца превышала в 1,6-4,8 раз, у овса – значительно возрастала при солевом (в 3,1-11,2 раза) и была выше, чем при нефтесолевом (в 4,5-7,8 раз) загрязнении.

3.2 Оценка чувствительности и устойчивости растений к разным видам

загрязнения

Для сравнительной оценки чувствительности лука, овса и костреца к исследуемым видам загрязнения было подсчитано общее число показателей, со статистически достоверным отклонением от контроля в каждом варианте у каждого вида растений. В число негативных отклонений включены: снижение прорастания семян и луковиц, длины и количества листьев и корней, содержание пигментов фотосинтеза и аскорбиновой кислоты, активности пероксидазы, увеличение хромосомных аберраций и гибели клеток в корнях. В число показателей, возрастающих при действии поллютантов, включены: морфометрия, пигменты фотосинтеза, активность пероксидазы и содержание аскорбиновой кислоты.

По сумме достоверных отклонений от контроля у растений в сторону угнетения и стимуляции судили о чувствительности, по величине отклонений показателей в сторону угнетения в максимальных концентрациях – об устойчивости.

По увеличению чувствительности растения в соответствии со средним баллом суммы всех отклонений от контроля расположились в следующий ряд:

Нефть – овес < кострец < лук;

Соль – лук < кострец < овес;

Нефть+соль – кострец < овес < лук.

По увеличению устойчивости растения расположились в следующий ряд:

Нефть – кострец< овес <лук;

NaCl – овес < лук <кострец;

Нефть+ NaCl – лук< овес <кострец.

Таким образом, растения обладают разной чувствительностью и устойчивостью к разным видам загрязнения. Лук – наиболее чувствительный и наиболее устойчивый к нефти; наименее чувствительный и среднеустойчивый к соли; наиболее чувствительный и наименее устойчивый к нефтесолевому загрязнению. Овес – наименее чувствительный и среднеустойчивый к нефтесолевому загрязнению; наиболее чувствительный и наименее устойчивый к соли; среднечувствительный и среднеустойчивый к нефтяному загрязнению. Кострец – среднечувствительный и наименее устойчивый к нефти; среднечувствительный и наиболее устойчивый к соли; наиболее чувствительный и наиболее устойчивый к нефтесолевому загрязнению. Овес и лук можно использовать в биотестировании, кострец – при рекультивации нефтесолезагрязненных почв.

Глава 4 Токсический эффект нефти при кратковременном и длительном воздействии на растения

При проращивании семян культурных растений на торфе с оптимизированной рН и нефтью их всхожесть практически не отличалась от контроля. Длина корней горчицы и гороха снижалась, у овса и огурцов наблюдалась стимуляция роста корней.

После завершения длительных (1-4 месяца) вегетационных опытов средняя масса листьев лука и овса, выращенных в нефтезагрязненном торфе, не отличалась от контроля, а у салата и свеклы – превышала контроль на 33,8-202,7% и 30,5-65,7% соответственно. Масса корней салата при содержании нефти 1,5-3,0 г/кг превышала контроль. У свеклы наблюдалась стимуляция роста корнеплодов в почвах до концентрации 1,5 г/кг, а их средняя масса снижалась при содержании нефти 3,0 г/кг (табл. 2).

Таблица 2 – Показатели роста и развития сельскохозяйственных растений в нефтезагрязненном торфе к концу вегетации (% к контролю)

Культура	Показатель	Концентрации нефти, г/кг почвы
0	0,3	0,7	1,5	3,0
Салат	Масса листьев	100,0	97,2	133,8	178,0	302,7
	Масса корней	100,0	74,0	111,1	148,1	192,5
Свекла	Масса листьев	100,0	148,8	165,7	136,7	130,5
	Масса корнеплодов	100,0	128,6	127,6	124,4	70,8
Овес	Масса листьев	100,0	98,3	96,7	100,0	80,6
	Масса корней	100,0	112,6	166,6	213,5	92,4
	Масса зерен,	100,0	100,0	112,5	131,2	75,0
Лук	Масса листьев	100,0	95,6	95,4	98,0	100,7
Примечание: жирным шрифтом выделены достоверные различия с контролем

У овса масса корней и зерен увеличивалась при содержании нефти 0,7 и 1,5 г/кг и снижалась при концентрации 3,0 г/кг. При совместном выращивании овса с викой при содержании нефти 0,3-3,0 г/кг у обоих растений наблюдалось угнетение роста корней (у овса с концентрации 1,5 г/кг, у вики во всех вариантах) и стимуляция роста зеленой массы, цветков и количества цветущих растений у вики. У овса, напротив, масса надземной части растений снижалась в концентрациях 3,0-10,0 г/кг.

Луговые растения завершали вегетацию, хотя и испытывали негативное влияние экотоксиканта: у костреца нефть стимулировала рост корней до концентрации 1,5 г/кг и угнетала рост листьев при концентрации выше 1,5 г/кг, у овсяницы наблюдалось усиление роста зеленой массы в вариантах 0,3 и 0,7 г/кг нефти и угнетение в более высоких (1,5 и 3,0 г/кг), а рост корней усиливался во всех исследуемых концентрациях. У тимофеевки наблюдалось угнетение роста всего растения во всем диапазоне исследуемых концентраций. У донника масса листьев и корней существенно от контроля не отличалась.

У трав, выращенных на нефтезагрязненном торфе без нейтрализации рН, рост корней угнетался: у костреца на 70-83 %, у тимофеевки – 50-60%, у овсяницы – 41-45%. Гибель клеток в меристеме корней была наибольшей у тимофеевки – 50 %, затем у овсяницы – 33-35% и костреца – 29-39%. Максимальное число хромосомных нарушений в клетках корней отмечалось при содержании нефти 10,0 г/кг и превышало контроль в 2,0-2,5 раза. Наиболее частыми были множественные нарушения, что характеризует нефть как потенциальный мутаген.

Глава 5 Фитотоксичность почв в районах нефтедобычи ХМАО

Биотестирование проб почв из районов аварийных разливов нефти разной давности (с рекультивацией и без) и с «фоновых» (относительно чистых) территорий с помощью тест-организмов, в том числе овса и костреца, показало практически полное отсутствие нетоксичных почв в районах нефтедобычи (табл. 3).

Таблица 3 – Градация исследованных почв по токсичности

Градация	Индекс	Диапазон концентраций, г/кг	Средняя величина, г/кг	% встречаемости
Не токсичные	НТ	0,61-0,79	0,7	1,8
Малотоксичные	МТ	0,80-6,10	5,3	9,8
Среднетоксичные	СТ	6,20-34,70	9,0	33,9
Высокотоксичные	ВТ	35,00-1251,00	259,6	54,5
Содержание хлоридов в почвах составляло 0,17-2,6 г/кг

Из тестовых растений более чувствительным был овес. При действии нефтесолезагрязненых почв у него снижались всхожесть семян (на 22-84%), длина листьев (26,9-78,1%), длина корней (31,9-78,1%) и масса растений (24,9-67,8%). Кострец подтвердил свою более высокую устойчивость.

На обследованной территории в период комплексной экспедиции совместно с сотрудниками Сибирской ЛОС на фоновых (чистых) участках было определено 47 видов травянисто-кустарничковой флоры, а также подрост деревьев березы, ивы, осины, редко хвойных. Доминирующими видами были: пушица (разные виды), осоки, вейник, частуха подорожниковая, подбел многолистный, вахта трехлистная, политриховые мхи, сфагнум оттопыренный, клюква, морошка, багульник, голубика. На участках, где содержание нефтепродуктов составляло 0,8-3,0 г/кг, отсутствовали кустарнички, мхи. При содержании нефти 3,0-10 г/кг увеличивалось количество сеяных трав – череды, ячменя, тимофеевки. При более высоком содержании нефтепродуктов встречались лишь устойчивые виды – пушица, череда, рогоз, кипрей и сеяные травы.

На фоновых участках проективное покрытие составляет 72-98%. На участках с содержанием нефти выше 1,0 г/кг проективное покрытие снижалось до 47-25%.

Таким образом, биотестирование почв, отобранных на местах аварий, и оценка состояния растительного покрова показали, что трансформированная в течение длительного времени в естественных условиях нефть представляет опасность для растений, вызывая снижение видового разнообразия и гибель наиболее чувствительных представителей флоры.

Глава 6 Транслокация нефти в растения

Опасные экологические последствия нефтяного загрязнения сопряжены с накоплением нефтяных углеводородов растениями, используемыми в пищу человеком и животными (табл. 4).

Таблица 4 – Остаточное содержание нефтяных углеводородов (мг/кг) в

сельскохозяйственных растениях по окончании вегетации

Объект исследования	Концентрации нефти, г/кг почвы
0	0,3	0,7	1,0	1,5	3,0	10,0
Овес	листья	н/о	н/о	-	н/о	-	84,0	200,0
корни	н/о	н/о	-	н/о	-	33,3	53,5
Свекла	листья	н/о	1,8	-	3,6	-	6,6	12,0
корнеплоды	н/о	1,8	-	4,8	-	7,0	15,7
Лук	листья	н/о	н/о	н/о	-	2,6	6,6	12,0
	луковица	н/о	н/о	6,7	-	10,0	24,6	37,6
Кострец	корни	н/о	н/о	н/о	-	н/о	н/о	60,0
Овсяница	корни	8,5	125,0	135,0	-	165,0	185,0	400,0
Тимофеевка	корни	24,0	45,0	63,3	-	83,3	173,0	282,0
Вико-овсяная смесь:
Овес	листья	н/о	н/о	н/о	-	н/о	33,3	96,6
	корни	н/о	н/о	н/о	-	н/о	33,3	53,5
Вика	листья	н/о	н/о	н/о	-	114,6	186,6	236,8

Примечание: н/о – не обнаружено.

Нефтяные углеводороды обнаружены в наземной части овса, в листьях и корнеплодах свеклы, в зелени и луковице лука. В организм человека возможно поступление нефтяных углеводородов со свеклой при содержании их в почве 1,0 г/кг и с луком – при содержании 1,5 г/кг, что определено в соответствии с гигиеническими нормативами. Луговые травы и овес могут быть источником поступления нефтепродуктов в организм крупного рогатого скота, а те, в свою очередь, являются их источником для человека (по трофической цепи).

Особенно опасно накопление растениями ароматических углеводородов, мутагенных и канцерогенных, содержание которых в верхнем (0,5 см) слое торфяных почв в районах нефтедобычи ХМАО колебалось от 2 до 6710 мкг/кг, в то время как ПДК для 3,4-БП (индикаторный ПАУ) для почвы составляет 0,02 мкг/кг. Растения, произрастающие на территории, загрязненной нефтью более 10-20 лет, ароматические углеводороды накапливают до опасных уровней (в мг/кг): ягоды клюквы – до 480, морошки – до 730, брусники – до 701, голубики – до 203, грибы – до 902, орехи кедровые – до 730. Транслокация загрязняющих веществ (в том числе нефти) в растения является одним из основных критериев при нормировании, особенно для почв сельскохозяйственного назначения.

ВЫВОДЫ

1.  Нефтяное загрязнение торфяной почвы стимулирует прорастание семян и луковиц, количество листьев и корней, содержание пигментов фотосинтеза и подавляет синтез аскорбиновой кислоты и пероксидазы. Солевое загрязнение угнетает прорастание и рост растений, содержание пигментов фотосинтеза; стимулирует пероксидазу и аскорбиновую кислоту. Совместное действие нефти в варьирующих концентрациях и соли в максимальной концентрации угнетает растения меньше, чем только соль в максимальной концентрации, но больше чем нефть.

2.  При действии нефти и хлорида натрия у растений возникает сильный окислительный и энергетический стресс, о чем свидетельствует активация антиоксидантной системы (пероксидаза, аскорбиновая кислота, каротиноиды, хлорофиллы). Фазные изменения компонентов антиоксидантной системы отражают процесс стресс-индуцированной оптимизации метаболизма, что соответствует фазе неспецифической адаптации растений к токсическому воздействию в сублетальных концентрациях. В высоких концентрациях фаза резистентности завершается угнетением и гибелью растений. Растения выбирают разные стратегии выживания и адаптации: у лука – резкое увеличение содержания пигментов, у злаков – активация пероксидазы и увеличение содержания аскорбиновой кислоты.

3.  Наибольшее число хромосомных аберраций наблюдается при нефтяном загрязнении, погибших клеток – при действии соли. При совместном действии обнаружены и хромосомные аберрации и гибель клеток. Из трех исследованных типов загрязнения наиболее опасным является солевое в концентрациях выше 0,25 г/л, затем совместное действие нефти и хлорида натрия в варьирующих концентрациях и нефтяное в концентрациях выше 0,3 г/кг.

4.  Растения обладают разной чувствительностью и устойчивостью к исследуемым видам загрязнения: лук – наиболее устойчив к нефти, среднеустойчив к соли, наименее устойчив к нефтесолевому загрязнению; овес – среднеустойчив к нефти и нефтесолевому загрязнению, наименее устойчив к соли; кострец – наиболее устойчив к солевому и нефтесолевому загрязнению, наименее устойчив к нефти. Лук и овес можно использовать при биотестировании, кострец при рекультивации нефтесолезагрязненных почв.

5.  В оптимальных агрохимических условиях растения, выращиваемые в торфе с концентрациями нефти от 0,1 до 10 г/кг, завершают вегетацию и дают урожай семян и корнеплодов. При содержании нефти выше 0,3 г/кг происходит снижение длины корней гороха и горчицы; массы корней овса, вики, костреца, донника; массы листьев овса, костреца, овсяницы, массы колосьев донника.

6.  Растения, выращенные в условиях эксперимента и собранные в нефтедобывающих районах ХМАО, накапливают нефть и, что особенно опасно, мутагенные и канцерогенные ароматические углеводороды. Пороговыми концентрациями нефти по транслокации для сельскохозяйственных растений является содержание в почве 1,0 г/кг, для трав и дикорастущих растений – 1,5 г/кг, допустимыми – 0,7 и 1,0 г/кг.

7.  Почвы с разной давностью загрязнения и рекультивации сохраняют токсичность более 25 лет. При остаточном содержании нефтяных компонентов в торфяных почвах выше 1,0 г/кг изменяется видовой состав растительности, выпадают из фитоценозов наименее устойчивые виды (мхи, лишайники, разнотравье, кустарнички) и снижается проективное покрытие нефтезагрязненных земель.

8.  Луговые травы (вика, овсяница, тимофеевка) являются концентраторами нефтяных углеводородов, что может быть использовано при проведении санации нефтезагрязненных земель и при рекультивации.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ:

1.  Биотестирование торфяных почв с мест аварийных разливов нефти разной давности в Ханты-Мансийском автономном округе (ХМАО) // Аграрный вестник Урала. – 2011. – №3. – С.81-85.

2.  Влияние нефтяного, солевого и нефтесолевого загрязнения на морфофункциональные показатели овса посевного Avena sativa // Вестник Алтайского ГАУ. – 2011. – №4. – С. 33-39.

3.  Влияние нефтесолевого загрязнения на морфофункциональные показатели овса посевного – Avena sativa // Известия Оренбургского ГАУ. – 2011. – №3. – C. 50-53.

4.  , , , , Мустаева органогенных почв (верховой торф) загрязненных нефтью // Проблемы региональной экологии. – 2012. – №2. – С. 37-42.

Научные статьи и материалы:

5.  , Изменение морфологических и физиологических показателей лука Allium cepa, выращенного на нефтезагрязненном торфе// Повышение эффективности сельскохозяйственного производства в Северном Зауралье: Сб. мат. Всеросс. научн.-практ. конф. – Тюмень, 2008. – С. 77-80.

6.  , , Растительные организмы в биотестировании природных объектов (вода, донные отложения, почвы) // I конф. молодых ученых NACEE. – Тюмень: Госрыбцентр, 2009. – С. 13-14.

7.  , , , , Черкашина нефтезагрязненного торфа на высшие растения и остаточная токсичность почв рекультивированных болот после аварийных разливов нефти // Состояние, тенденции и проблемы развития нефтегазового потенциала Западной Сибири: Сб. мат. междунар. конф. – Тюмень: ЗапСибНИИГГ, 2009. – C. 497-507.

8.  , Влияние солевого загрязнения на рост и физиологическую активность лука – Allium сера// Вестник ТГСХА, 2009. – №4. С. – 16-21.

9.  , , И., , Цулаия нефтяного загрязнения торфяной почвы на рост и развитие луговых трав в условиях вегетационного опыта // Нефть и здоровье: Мат. Всеросс. научно-практ. конф. – Уфа, 2009. – С. 70-73.

10.  , Влияние нефтезагрязненного торфа на рост и развитие овса // Тобольск-научный: Сб. мат. VI Всеросс. научно-практ. конф. – Тобольск: «Папирус», 2009. – C. 78-81.

11.  В, Экспериментальное исследование влияния нефтесолевого загрязнения на растительный тест-объект Allium cepa // Отражение био-гео-антропосферных взаимодействий в почвах и почвенном покрове: Сб. мат. IV Всеросс. конф. – Томск: ТМЛ-Пресс, 2010. – Т.2. – С. 133-136.

12.  , , , А, , Кудрявцев оценка качества почв площади водосбора в районах нефтедобычи Ханты-Мансийского автономного округа методом биотестирования // Окружающая среда и менеджмент природных ресурсов: Тез. докл. междун. конф. – Тюмень, 2010. – С. 184-186.