Функционально-морфологические изменения высших растений при действии нефтяного, солевого и нефтесолевого загрязнения почв (стр. 1 )

На правах рукописи

ФУНКЦИОНАЛЬНО-МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ

ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ ПРИ ДЕЙСТВИИ

НЕФТЯНОГО, СОЛЕВОГО И НЕФТЕСОЛЕВОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ

03.02.08 – экология (биология)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата биологических наук

Тюмень – 2012

Работа выполнена в Тюменской государственной сельскохозяйственной

академии

Научный руководитель:	кандидат биологических наук, профессор Тюменской государственной сельскохозяйственной академии Людмила Владимировна Михайлова
Официальные оппоненты:	доктор биологических наук, в. н.с. Института проблем экологии и эволюции им РАН
	доктор биологических наук, профессор Сургутского государственного университета
Ведущая организация:	Московский государственный университет

Защита диссертации состоится 28 марта 2012 г. в 1600 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.064.02 при Тюменской государственной сельскохозяйственной академии по адресу: 625003 .

Тел/; E-mail: *****@***ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тюменской

государственной сельскохозяйственной академии.

Автореферат разослан 25 февраля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат с.-х. наук __________________________

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Нефтедобывающая промышленность составляет основу экономики России и в то же время является одной из наиболее опасных отраслей хозяйства по воздействию на окружающую природную среду (Михайлова, 2006; Геннадиев, Пиковский, 2010; Соромотин, 2010). В результате аварий, а их в гг. насчитывалось от 1598 до 5480 в год, происходит загрязнение окружающей среды нефтью, а также подтоварными и сеноманскими водами, используемыми для поддержания пластового давления и обладающими агрессивными химическими свойствами (Большаник, 2003; Отчет о состоянии…, 2011). Нефтесолевое загрязнение территорий промыслов ХМАО-Югры больше чем механическая трансформация земель (Чижов, 1998; Садов, Солнцева, 2003). В литературе достаточно широко освещено влияние нефтяного и солевого загрязнения на растительность, как в полевых, так и в лабораторных условиях. Данные по совместному действию нефти и хлорида натрия практически отсутствуют. Вместе с тем нефтесолевое загрязнение таит в себе большую опасность для экосистем. Изучение механизмов и последствий влияния нефти на растительность и транслокацию в них нефтяных углеводородов важно не только для экосистем, но и для человека, поскольку растения накапливают ароматические углеводороды, в том числе мутагенные и канцерогенные.

В связи с этим, актуальным является изучение действия нефтяного и солевого загрязнения порознь и совместно как на сельскохозяйственные растения, так и на растительный покров в районах нефтедобычи, а также накопление в них опасных экотоксикантов.

Цель исследований – оценка влияния нефтяного, солевого и нефтесолевого загрязнения на морфофункциональные показатели сельскохозяйственных растений.

Задачи исследований:

1.  Изучить влияние нефтяного, солевого и нефтесолевого загрязнения на лук репчатый, овес посевной, кострец безостый.

2.  Сравнить исследуемые растения по чувствительности и устойчивости к данным видам загрязнения.

3.  Исследовать действие нефтяного загрязнения на сельскохозяйственные растения в кратковременных и хронических опытах и накопление ими нефтяных углеводородов.

4.  Оценить фитотоксичность почв территории ХМАО с разной давностью нефтесолевого загрязнения и рекультивации методом биотестирования.

5.  Установить пороговые и подпороговые концентрации нефти в торфяной почве по показателям фитотоксичности, транслокации, генотоксичности.

Научная новизна работы. Впервые на торфяных почвах изучено влияние на растения (Allium cepa, Avena sativа, Bromopsis inirmus) раздельно и совместно нефти и хлорида натрия. Показана различная чувствительность и устойчивость растений к данным типам загрязнения.

Установлены пороги транслокации и токсического действия нефти на сельскохозяйственные растения и растительность на территории нефтедобычи.

С помощью биотестирования оценена токсичность нефтезагрязненных почв с территории ХМАО разной давности загрязнения и рекультивации.

Практическое значение работы. Данные по фитотоксичности, геноток­сичности, транслокации нефти и биотестированию вошли в отчет по НИР «Раз­работка и апробация нормативов предельно допустимого уровня нефти в поч­вах органогенного и минерального типов для территории ХМАО-Югры» (Тюмень, 2009). Госконтракт № 84.7.2/4/2 с Департаментом охраны окружающей среды и экологической безопасности ХМАО.

Материалы диссертации используются в лекциях и практических заня­тиях по курсу «Экологическая токсикология» для студентов отделения «Вод­ные биоресурсы и аквакультура» Института биотехнологии и ветеринарной ме­дицины Тюменской государственной сельскохозяйственной академии.

Основные положения, выносимые на защиту:

1.  Нефтяное, солевое и нефтесолевое загрязнение торфяной почвы вызывает нарушение роста и развития, хромосомные перестройки и гибель клеток в меристеме корней сельскохозяйственных растений и инициирует неспецифический физиолого-биохимический ответ.

2.  Растения обладают разной чувствительностью и устойчивостью по отношению к изучаемым видам загрязнения.

3.  Нефтяные углеводороды накапливаются в опасных для человека и животных концентрациях сельскохозяйственными и дикорастущими растениями.

4.  Почвы, подвергшиеся нефтесолевому загрязнению разных лет давности, сохраняют токсичность длительное время (более 25 лет) даже после рекультивации и вызывают трансформацию растительного покрова.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной академической конференции «Состояние, тенденции и проблемы развития нефтегазового потенциала Западной Сибири» (Тюмень, 2008); Международной научно-практической конференции «Пути по­вышения эффективности сельскохозяйственного производства в Сибирском ре­гионе» (Тюмень, 2009); I конференции молодых ученых NACEE «Вопросы аквакультуры» (Тюмень, 2009); VI Всероссийской научно-практической конфе­ренции Тобольск-научный (Тобольск, 2009); Всероссийском конкурсе (2 и 3 тур) на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых ВУЗов Министерства сх РФ (Троицк, 2010; Краснодар, 2010); Всероссийской конференции «Отражение био-гео-антропосферных взаимодействий в почвах и почвенном покрове» (Томск, 2010); Конференции молодых ученых «Научно-техническое творчество молодежи – агропромышленному комплексу Урала и Сибири» (Тюмень, 2010); Международной конференции «Окружающая среда и менеджмент природных ресурсов» (Тюмень, 2010); Международной научно-практической конференции «Экологическая безопасность и сбалансированное природопользование в АПК» (Киев, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 4 работы в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Материал изложен на 193 страницах маши­нописного текста. Состоит из введения, 6 глав, выводов. Содержит 31 таблицу, 57 рисунков и 7 приложений. Список литературы включает 277 источников, в том числе 53 иностранных авторов.

Личный вклад. Исследование влияния нефтяного, солевого, нефтесолевого загрязнения на 3 вида растений и биотестирование почв с территории ХМАО выполнены автором в гг. самостоятельно. Вегетационные опыты и определение транслокации углеводородов в растения проведено совместно с сотрудниками Уфимского НИИ медицины труда и экологии человека, обследование нефтезагрязненных почв в районах нефтедобычи ХМАО-Югры и отбор проб проводилось совместно с сотрудниками Сибирской ЛОС, чему посвящены совместные публикации.

Автор выражает глубокую благодарность родителям, супругу и сотрудникам кафедры водных биоресурсов и гидроэкологии ТГСХА за помощь и поддержку, сотрудникам УфНИИМТиЭЧ к. м.н. , к. б.н. , , сотрудникам Сибирской ЛОС д. б.н. , , а также с. н.с. » и к. ф.-м. н. ТюмГУ за консультации при выполнении химических анализов.

Особую признательность и благодарность выражаю моему научному руководителю к. б.н. Людмиле Владимировне Михайловой за постоянную помощь, терпение и чуткость, проявленные при выполнении, обсуждении и написании диссертации и за весь период работы на кафедре.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1  Обзор литературы

Освещено современное экологическое состояние территории нефтегазового комплекса ХМАО. Проанализированы публикации по воздействию нефтяного и солевого загрязнения почв на растения.

2 Материал и методы исследований

В опытах использовали нефть, поступающую по трубопроводу из п. Шаим на нефтеперекачивающую станцию г. Тюмени и хлорид натрия (минерал галит, NaCl). Почвы (верховой торф) для опытов были отобраны в экологически чистом районе ХМАО. В опытах по изучению влияния нефтяного (0,1; 0,5; 2,5; 12,5 г/кг), солевого (0,05; 0,25; 1,25; 5,0 г/л) и нефтесолевого (0,1; 0,5; 2,5;12,5 г/кг+5,0 NaCl) загрязнения использовали лук репчатый Allium cepa L., овес посевной Avena sativa L., кострец безостый Bromopsis inermis (Leyss) Holub. Почву освобождали от посторонних включений, измельчали и высушивали, вносили раствор нефти в петролейном эфире 40-70. Растения выращивали при температуре 18-220С в лаборатории. При нефтяном загрязнении полив производили отстоянной питьевой водой, при солевом – растворами NaCl соответствующих концентраций, при нефтесолевом – раствором NaCl (5,0 г/л). Повторность опытов четырехкратная, длительность – лук 20-30 сут, овес и кострец – 10-20 сут.

Определяли: длину и количество корней и листьев, ростовые индексы (Петухова, 2008); содержание пигментов фотосинтеза (Методические указания…, 1989), аскорбиновой кислоты (Hewitt, Dickes, 1961), активность пероксидазы (Юсупова и др., 2006) в листьях растений; число хромосомных аберраций и погибших клеток в корнях (Временное методическое руководство, 2002).

В вегетационных опытах использовали овсяницу луговую Festuca pratensis Huds., тимофеевку луговую Phlenium pratense L., кострец безостый Bromopsis inermis (Leyss) Holub, вику яровую Vicia sativa L., донник белый Melilotus alba Medik. свеклу столовую Bеta vulgaris, горчицу белую Sinаpsis аlba L., салат посевной Lactuca sativa L., горох посевной Pisum sativum L., огурец обыкновенный Cucumis sativus L. Фитотоксичность нефти определяли с нормализацией рН и без. В почву (верховой торф) добавляли известь (CaCO3) и нефть (0,3; 1,0; 3,0; 10,0 г/кг). Проращивали семена овса, горчицы, огурца, гороха, костреца, тимофеевки, овсяницы. На 3-5 сут подсчитывали число проросших семян, на 7-10-е – измеряли длину корней проростков. Длительные (1-4 мес) вегетационные опыты проводились в теплице, где условия соответствуют требованиям вегетации (Журбицкий, 1968). Выращивали свеклу, салат, овес, лук, тимофеевку, донник, кострец, вика-овсяную смесь, семена которых соответствовали ГОСТ . По достижении полного развития выполнялась уборка растений и определение массы листьев, корней, массы соцветий, зерен и корнеплодов, количество побегов, а также уровень накопления нефтяных углеводородов (ПНД Ф 16.1:2-2.22-98). В экспериментах без нейтрализации рН в торф известь не добавляли, концентрации нефти были 0,3; 1,0; 3,0; 10,0 г/кг. Определяли рост корней, листьев и изменения в клетках корней костреца, тимофеевки, овсяницы.

Полевые исследования проводили в Сургутском и Нижневартовском районах ХМАО, отбирали пробы почв с участков, подвергшихся свежему и давнему (1-25 лет) нефтяному загрязнению, рекультивированных и не рекультивированных. Во всех образцах почв определяли рН (ГОСТ 2623-85), хлориды (ГОСТ ), нефтепродукты (РД 52.18.575-96). В лаборатории пробы высушивали, освобождали от посторонних включений, измельчали и проращивали семена овса и костреца в течение 7 дней. Определяли: всхожесть семян, массу проростков, количество и длину листьев и корней.

Статистическую обработку экспериментальных данных и корреляционный анализ проводили по общепринятым методикам (Лакин, 1980) с использованием пакета программ Microsoft Excel и программы Statistika.

Глава 3 Изменение функционально-морфометрических показателей растений при действии нефтяного, солевого и нефтесолевого загрязнения

3.1 Влияние нефти, соли и их совместного действия на Allium cepa, Avena sativa, Bromopsis inermus

Нефть в исследуемых концентрациях стимулировала рост корней и листьев лука в длину (рис. 1 А, Б). Усиление вегетации сопровождалось резким увеличением содержания пигментов фотосинтеза во всем диапазоне концентраций на протяжении опыта: хлорофилла «а» – на 73-453%, «б» – на 27-636%, каротиноидов – на 63-332%. Содержание других компонентов антиоксидантной системы (пероксидаза, аскорбиновая кислота) от контроля отличалось не существенно. Показатели длины корней и листьев, содержание пигментов и аскорбиновой кислоты, активность пероксидазы были связаны прямой коррелятивной связью (r= 0,70-0,92) с концентрацией нефти в почве. Такая динамика свидетельствует о высокой устойчивости лука к нефтяному загрязнению. Вместе с тем проявилось поражающее действие нефти на клетки меристемы корней. В них наблюдались нарушения хромосомного аппарата, сопровождающиеся гибелью клеток (r=0,74-0,99).

Соль незначительно стимулировала количество листьев лука, снижала длину листьев и корней (рис. 1А) и угнетала их рост в максимальной концентрации (рис. 1Б). Содержание хлорофиллов, каротиноидов, аскорбиновой кислоты и активность пероксидазы возрастали до 10 сут, с последующим снижением ниже контроля (кроме аскорбиновой кислоты). Истощение защитных механизмов сопровождалось ростом гибели клеток в меристеме корней в 3,7-14,2 раза и отмиранием всего растения при содержании соли выше 0,25 г/л. Обнаруживалась обратная корреляционная зависимость высокой степени (r=-0,71-0,99) всех показателей от концентрации соли в почве.

А

ПО – активность пероксидазы АК – аскорбиновая кислота

Рисунок 1 – Функционально-морфометрические показатели лука в нефти, соли и их совместном действии в минимальной (А) и максимальной (Б)

концентрации (% к контролю)

При совместном действии нефти и соли рост корней и листьев лука полностью ингибировали концентрации нефти 2,5 и 12,5 г/кг. Содержание хлорофиллов было ниже контроля на 78-94 % при концентрациях нефти в почве 0,1 и 0,5 г/кг (рис. 1А). Был подавлен и синтез каротиноидов. В вариантах опыта 2,5 и 12,5 г/кг нефти рост листьев начинался только с 15 сут. Содержание других компонентов антиоксидантной системы резко увеличилось: пероксидазы – на 155-277%, аскорбиновой кислоты – на 124-240% против контроля. Положительно коррелировали с концентрацией нефти в почве только содержание аскорбиновой кислоты, гибель клеток и частота хромосомных аберраций (r=0,71-0,92).

Сравнивая ответную реакцию овса и костреца в фазе 2 листа развития (табл. 1), можно оценить не только характер и силу возникших изменений, но и чувствительность и устойчивость растений к гидрофобному (нефть) и гидрофильному (NaCl) поллютантам и их смеси.

Таблица 1 – Морфометрические показатели овса и костреца при разных видах загрязнения (% к контролю)

Варианты опыта	Всхо-жесть семян	Длина листь - ев	Длина корней	Количество корней	Всхо-жесть	Длина листь - ев	Длина корней	Количество корней
	Овес	Кострец
Нефтяное загрязнение
К	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0	100,0
0,1	108,1	121,9	92,5	95,9	86,0	83,2	100,0	104,0
0,5	81,1	113,2	97,5	104	75,2	88,3	116,7	120,0
2,5	89,2	95,6	85,0	114,2	63,8	78,1	183,3	100,0
12,5	67,5	92,3	85,0	114,2	52,1	59,8	175,0	96,0
Солевое загрязнение
К	100,0	100,0	100,0	100	100,0	100,0	100,0	100,0
0,05	97,0	50,6	27,6	100,9	85,0	80,2	112,5	75,0
0,25	89,0	85,7	39,6	81,7	64,8	91,3	106,2	87,5
1,25	74,0	16,7	6,13	64,4	54,1	74,0	68,7	46,2
5,0	52,0	16,0	5,28	59,1	39,4	45,6	55,5	25,0
Нефтесолевое загрязнение
К	100,0	100,0	100,0	100	100,0	100,0	100,0	100,0
0,1	23,6	102,9	14,8	63,9	54,5	107,0	85,7	103,7
0,5	26,0	173,1	35,5	84,3	44,3	101,7	96,2	92,6
2,5	25,6	170,6	36,3	66,7	37,2	96,5	85,7	111,1
12,5	24,6	146,5	24,3	68,0	22,5	92,1	85,6	96,3
Примечание: жирным шрифтом выделены достоверные различия с контролем

Солевое и нефтесолевое загрязнение затормаживали развитие растений. Всхожесть семян у костреца отставала от контроля в варианте с нефтью на 14-48%, с солью – на 15-61%, с нефтесолевым загрязнением – на 45-77%.У овса отличие от контроля по данному тесту при нефтяном и солевом загрязнении меньше (на 11-35 и 11-48% соответственно) и возникало при более высоких концентрациях, а в варианте с нефтесолевым загрязнением – больше (на 74-76%) и не зависело от концентрации нефти. Следовательно, токсичность при совместном действии в основном обусловлена солью. У костреца при действии нефти увеличивалось количество листьев, но затормаживался их рост в длину, количество корней не изменялось, но увеличивалась их длина в опытах с концентрацией нефти 2,5 и 12,5 г/кг. В то же время у овса наблюдалась стимуляция роста листьев в длину в минимальной концентрации (0,1 г/кг) при отсутствии изменений прочих морфометрических показателей.