Development of one- and dicotyledic plants on reclaimed oil-contaminated alluvial turf soils

Full Text

Введение. Добыча, разведка и транспортировка нефтяных углеводородов для удовлетворения растущего спроса мирового населения на ископаемое топливо наносят ущерб окружающей среде, загрязняя ее, особенно почву [20]. Загрязнение почвы нефтяными углеводородами является серьезной проблемой глобального масштаба, прежде всего в странах добывающих, транспортирующих и перерабатывающих нефть [25].

В настоящее время биологическая рекультивация рассматривается, как наиболее перспективная. Относительно традиционных физико-химических способов почвенной рекультивации, биологические являются более дешевыми и эффективными, обеспечивают удаление широкого спектра органических поллютантов окружающей среды, в том числе и нефтяных загрязнителей [16; 23].

Фиторемедиация, как любой подход имеет свои ограничения. Основным является негативное влияние поллютанта на рост и развитие возделываемых культур [5]. В условиях загрязнения нефтью значительно снижается площадь ассимиляционной поверхности, корневая система меняет свою морфологию [9]. Нарушения обменных процессов в присутсвии нефтяных углеводородов вызывают окислительный стресс, задержку роста и деформацию листьев, что приводит к некрозу тканей и клеток растений [24].

Полностью устойчивых к техногенному загрязнению видов растений нет. Существует лишь некоторый порог чувствительности растений к определенным концентрациям поллютанта, при которых физиологические изменения не приводят к их гибели [6; 28]. Соответственно необходимо уделять особое внимание подбору растений, которые, в частности, могут хорошо развиваться и давать большую биомассу на загрязненных почвах, обладают мощной корневой системой, способной совместно с симбиотическими микроорганизмами ризосферы трансформировать токсичную часть загрязнений [1; 7; 27].

Изучение ответной реакции растений на действие разных доз нефти позволяет выявить факторы, обеспечивающие их устойчивое развитие, и в дальнейшем использовать полученные результаты при разработке методов эффективной фиторекультивации почв. Выбор фиторемедиаторов для конкретных участков является эмпирическим и основан, как правило, на результатах лабораторных экспериментов [18].

Прорастание семян — одно из наиболее важных направлений жизненного цикла растений, за которым следует выход из состояния покоя семян [14; 22]. Поэтому лабораторные методы фитотестирования, как наиболее доступные и экспрессные, широко используются в экологическом мониторинге, при разработке нормативов допустимого остаточного содержания нефтепродуктов (НП) в почве [10; 13].

Показатели изменения линейного роста и биомассы растений применяются при выяснении уровня загрязнения почвы нефтью и устойчивости сельскохозяйственных культур к негативным факторам [8]. Растения, относящие к семействам злаковые и бобовые, являются наиболее подходящими культурами для фиторекультивации нефтезагрязненных территорий [12; 15; 19; 21; 26]. Таким образом, при оценке воздействия нефтезагрязненных почв на растения такие показатели, как всхожесть семян, изменения линейного роста и биомассы весьма информативны. Однако вопросы устойчивости отдельных видов растений к нефтяному загрязнению в конкретных почвенно-климатических условиях остаются практически нерешенными.

Целью данного исследования стало изучение влияния остаточного содержания нефти и продуктов ее трансформации в рекультивированных аллювиальных дерновых тяжелосуглинистых (АДтс) и легкосуглинистых (АДлс) почвах на рост пшеницы яровой и гороха посевного в хроническом лабораторном эксперименте.

Материалы и методы исследования. Лабораторные хронические вегетационные опыты проводились согласно ГОСТ Р ИСО 22033-2009 [2] при температуре окружающего воздуха 19-26°С и искусственном освещении с интенсивностью света 4000 Лк. Влажность почв поддерживалась на уровне 60% от полной влагоемкости. В качестве тест-объектов были использованы два вида растений: односемядольное растение – пшеница яровая (Triticum vulgare L.) сорта «Йолдыз» и двусемядольное растение — горох посевной (Pisum sativum L.) сорта «Казанец». Всхожесть семян составляла более 95%.

Эксперименты по определению фитотоксичности включали несколько вариантов с различным остаточным содержанием поллютанта, в условно рекультивированных предварительно загрязненных сернистой нефтью Ямашинского месторождения АДтс и АДлс почвах Республики Татарстан (варианты В1–В4). Контролем (К) служила чистая, не загрязненная нефтью почва. В ходе рекультивации для активизации физико-химических и биологических процессов еженедельно в течение 5 месяцев осуществляли рыхление контрольных и опытных почвенных образцов. В хронических экспериментах, в качестве вегетационных сосудов использовали пластиковые емкости диаметром 11 см и объемом 550 мл. Количество повторностей в каждом варианте – 3. В опытные и контрольные емкости высаживали по 10 семян. После учета проросших семян число растений в каждом сосуде сокращали до 8. В первую неделю опыта ежедневно измеряли высоту растений. На 14-й день после появления всходов в каждой емкости на уровне поверхности почвы срезали по 4 выбранных случайным образом тест-растения. За оставшимися растениями вели наблюдения в течение 44 суток, после чего их аккуратно освобождали от земли и определяли сухую зеленую массу и сухую массу корней [11].

Сухую массу зеленых проростков и корней растений определяли путем высушивания образцов в термостате, температуру в которой поддерживают на уровне 100-1050С. Перед высушиванием бюкс с навеской взвешивают на аналитических весах. Высушивание проводят до тех пор, пока бюкс с навеской не достигнет постоянного веса.

Остаточное содержание НП в почвах определяли сопоставлением потерь при прокаливании массы образцов чистых и загрязненных нефтью почв. Прокаливание подготовленных почвенных образцов осуществлялось в муфельной печи “SNOL 8,2/1100” при температуре 6000С в фарфоровых тиглях. Возможности использования метода потерь при прокаливании, условия прокаливания были рассмотрены ранее [3; 4]. Расчет НП производился по формуле [3]:

$OCH=\sum _{i=1}^n\left(m_{i3}-\overline{M_k}\right)/n$,

где ОСН – масса органических соединений нефти (в данной работе рассматривается как НП), miЗ – потеря массы после прокаливания отдельного образца нефтезагрязненной пробы,  – средняя потеря массы после прокаливания для контрольных образцов, n – количество повторностей (повторности 3). Полученные результаты подвергались стандартной статистической обработке при помощи программы OpenOffice Calc. Исследуемые варианты сравнивались используя t-критерий Стьюдента. Различия признавались значимыми при P ≤ 0,05.

Результаты и обсуждение. Эксперименты показали, что в АДтс почве испытанные концентрации нефтяных загрязнений практически не влияют на всхожесть семян пшеницы (табл. 1).

 

Таблица 1

Всхожесть семян пшеницы и гороха на АДтс почве при разном остаточном содержании нефтяных загрязнений

Вариант	Содержание НП, г/кг	Всхожесть, %
		Пшеница			Горох
		3 сутки	6 сутки	8 сутки	3 сутки	6 сутки	8 сутки
К	<0.05	80	95	100	5	85	100
В1	4.5	65	100	100	5	85	100
В2	8.1	85	90	100	10	80	100
В3	11.8	85	90	100	5	90	100
В4	16.9	60	90	100	15	50	100

 

На третьи сутки, в варианте с максимальным содержанием поллютанта, всхожесть была на 20% ниже, чем в контроле. На шестые сутки эксперимента различия нивелировались, а к 8 суткам она во всех вариантах имела одинаковые максимально достижимые значения. В варианте В4 АДтс почвы на 3 сутки всхожесть семян была в 3 раза выше, чем в контроле, на шестые сутки, наоборот, на 35% ниже, чем в чистой почве. На 8 сутки эксперимента во всех опытных вариантах взошли все посаженные растения (табл. 1).

В эксперименте с легкосуглинистой почвой на 3 сутки в вариантах В2 и В4 всхожесть семян пшеницы была на 20% ниже, чем в контроле (табл. 2). В дальнейшем, различия нивелировались, а на 8 сутки эксперимента всхожесть семян во всех вариантах составляла 100%. В опыте на АДлс почве токсическое действие поллютанта в вариантах В2-В4 задерживало прорастание семян гороха, при устранении различий между контролем и опытом к 8 суткам культивирования.

 

Таблица 2

Всхожесть семян пшеницы и гороха на АДлс почве при разном остаточном содержании нефтяных загрязнений

Вариант	Содержание НП, г/кг	Всхожесть, %
		Пшеница			Горох
		3 сутки	6 сутки	8 сутки	3 сутки	6 сутки	8 сутки
К	<0.05	85	90	100	15	95	100
В1	5.4	75	95	100	15	100	100
В2	9.7	60	90	100	15	40	100
В3	11.7	75	90	100	10	40	100
В4	21.8	60	85	100	0	50	100

 

Анализ динамики роста пшеницы на АДтс почве в варианте В4 выявил достоверное ингибирующее влияние НП в первые 2 недели эксперимента (на 54% на 6 сутки и на 35% на 13 сутки) (рис. 1). На 6 сутки вегетационного эксперимента на АДлс почве в вариантах В2 и В4 наблюдалось 32% и 54% торможение роста пшеницы (рис. 2). В варианте В4 ингибирующее действие поллютанта сохранялось при увеличении времени экспозиции, на 4-6 неделях эксперимента оно составляло 25-38%.

 

Рис. 1. Динамика роста пшеницы в хроническом эксперименте на АДтс почве при разном остаточном содержании НП

 

Рис. 2. Динамика роста пшеницы в хроническом эксперименте на АДлс почве при разном остаточном содержании

 

Двудольное растение более чувствительно к нефтяному загрязнению АДтс почвы. Так, в варианте В1 в первые 4 недели эксперимента наблюдалось 22-32% ингибирование роста гороха. В варианте В2 на 8 сутки экспозиции длина растений была на 23%, в В3 на 13 сутки на 28% меньше, чем в контроле (рис. 3). Как и в случае с пшеницей, в варианте В4 в ходе всего эксперимента влияние поллютанта проявлялось в замедлении роста, при незначительном увядании и подсыхании листьев гороха на последней неделе культивирования. В первую неделю экспозиции в данном варианте длина растений была на 44-55%, а на 5-6 неделе на 25-38% меньше, чем в контроле.

При культивировании гороха на АДлс почве на восьмые сутки в вариантах В1 и В2 наблюдалось 26% и 49% торможение роста растений (рис. 4). При более высоком содержании поллютанта (варианты В3 и В4) ингибирующее действие на двудольные растения проявлялось на протяжении всего периода наблюдений, причем в варианте В3 в интервале 22-42 суток эксперимента оно было более значительным и составляло 44-53%. Токсическое действие поллютанта в данных вариантах приводило к подсыханию и пожелтению верхушечных листьев. Представленные данные в целом коррелируют с ранее полученными при культивировании одно- и двудольных растений на загрязненной нефтью аллювиальной луговой почве результатами [8].

 

Рис. 3. Динамика роста гороха в хроническом эксперименте на АДтс почве при разном остаточном содержании НП

 

Рис. 4. Динамика роста гороха в хроническом эксперименте на АДлс почве при разном остаточном содержании НП

 

Высокое остаточное содержание нефтяных углеводородов в почве оказывает воздействие не только на интенсивность роста, но и на урожайность зеленой массы, развитие корневой системы растений. Так в вариантах В4 обеих почв наблюдалось снижение урожайности зеленой биомассы пшеницы, которая в конце эксперимента в легкосуглинистой почве была на 48%, а в тяжелосуглинистой на 23% ниже, чем в контроле (рис. 5).

В эксперименте на АДлс почве было выявлено наличие прямой зависимости между длиной растения пшеницы и ее зеленой массой в зависимости от дозы поллютанта (y = 0,0008x - 0,1512 при значении R² = 0.9494), при отсутствии таковой у пшеницы на АДтс почве и у гороха на обеих почвах. Более интенсивное, чем в контроле накопление массы корневой системы пшеницы было зарегистрировано во всех опытных вариантах на АДтс и вариантах В1 и В4 на АДлс почве (рис. 5). Необходимость активизации массообменных процессов в системе почва-растение при высоком содержании НП в вариантах В4 стимулировало развитие корневой системы, масса которой была в 1,9–2,0 раза больше, чем в контроле. Следует отметить, что корневая система пшеницы в опытных вариантах имела менее разветвленную, чем в контроле, более тонкую и длинную, чем-то похожую на стержневую структуру.

 

Рис. 5. Влияние остаточного содержания НП на урожайность сухой зеленой массы и развитие корневой системы пшеницы выросшей на аллювиальной дерновой почве разного гранулометрического состава

 

Рис. 6. Влияние остаточного содержания НП на урожайность сухой зеленой массы и развитие корневой системы гороха выросшего на аллювиальной дерновой почве разного гранулометрического состава

 

В хронических экспериментах с горохом, в вариантах В3–В4 на АДтс и вариантах В2–В4 на АДлс почвах урожайность зеленой массы была достоверно ниже, чем в контроле (рис. 6). Культивирование двудольных растений на тяжелосуглинистой почве, содержащей до 8.1 г/кг НП, стимулировало развитие корневой системы, при отсутствии отрицательного влияния более высоких концентраций поллютанта. Во всех опытных вариантах на АДлс почве, масса корневой системы гороха была на 9-36% меньше чем в контроле. Корневая система гороха в опытных вариантах имела достаточно развитую стеблевую корневую систему. По мере роста содержания НП в почве наблюдалось уменьшение толщины основного корня при увеличении его длины. Сопоставление полученных данных показало, что интенсивность метаболизма поллютанта в ходе выращивания определялось его концентрацией в среде, характеристиками почвы, свойствами растений. Выращивание пшеницы на АДтс почве привело к снижению содержания поллютанта в вариантах В2 и В3, в АДлс почве, в вариантах В2-В4. При культивировании гороха на АДтс почве снижение содержания НП наблюдалось в вариантах В2 и В3, на АДлс в вариантах В1 и В4 (табл. 3).

 

Таблица 3

Относительное остаточное содержание НП в опытных вариантах аллювиальной дерновой почвы после выращивания пшеницы и гороха

(% от исходного)

Вариант	Тест-объект
	Пшеница		Горох
	АДтс	АДлс	АДтс	АДлс
В1	100%	90%	100%	63%
В2	74%	63%	83%	100%
В3	69%	64%	84%	95%
В4	98%	79%	100%	79%

 

Особенностью использованной в работе АДлс почвы оказалось преобладание в ней четных н-алканов над нечетными, с максимумом их содержания в среднемолекулярной области (С₁₄ - С₂₆), что рассматривается как довольно редкое явление в геосфере [10].

Вышеуказанная особенность почвы, способность гороха активизировать почвенные микробиологические процессы, вероятно, явились причиной наблюдаемых отличий в эффективности деструкции поллютанта в АДлс почвах в вариантах с разным исходным содержанием НП.

Выводы. Высокое остаточное содержание НП в рекультивированной почве приводило к увеличению времени прорастания семян, при отсутствии влияния на их всхожесть. При выращивании пшеницы на рекультивированной АДтс почве токсическое действие НП проявлялось только на ранних этапах развития растений при остаточном содержании поллютанта 16,9 г/кг. В варианте АДлс почвы, содержавшей 21,8 г/кг поллютанта, торможение роста растений пшеницы наблюдалось в ходе всего эксперимента. При выращивании гороха на загрязненной АДтс почве содержавшей НП в концентрации 16,9 г/кг, на АДлс почве содержавшей 11,7 г/кг и выше на протяжении всего эксперимента наблюдалось торможение роста растений, с тенденцией увеличения токсического эффекта к концу эксперимента.

Нефтяные загрязнения в концентрации до 11-12 г/кг в рекультивированной аллювиальной дерновой тяжело- и легкосуглинистой почвах не оказывают влияние на урожайность зеленой массы пшеницы.

Остаточное содержание нефтяных загрязнений в аллювиальной дерновой почве 9,7 г/кг и выше ингибирует рост растений гороха, приводит к снижению урожайности зеленой массы.

Культивирование пшеницы и гороха в вариантах, содержавших в АДтс почве 16,9 г/кг поллютанта, приводило к 23 и 59% снижению урожайности зеленой массы растений, в АДлс почве при остаточном содержании нефтепродуктов 21,8 г/кг снижение урожайности составило 48% и 53%, соответственно. Присутствие поллютанта в почве приводило к изменению структуры корневой системы выращиваемых растений.

Эффективность окисления нефтяных загрязнений при выращивании растений на рекультивированной аллювиальной дерновой почве не превышает 37% и определяется их исходной концентрацией. Одно- и двудольные культурные растения при культивировании на тяжелых почвах более устойчивы к отрицательному действию НП. Полученные данные показывают, что в сравнении с пшеницей, двудольное растение горох посевной более чувствительно к присутствию НП в рекультивированной почве.

About the authors

Alina A. Utombaeva

Institute of Ecology and Subsoil Use Problems of the Academy of Sciences of Tatarstan

Author for correspondence.
Email: semionova.alin@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-7407-9108
Russian Federation, Kazan

Andrey M. Petrov

Institute of Ecology and Subsoil Use Problems of the Academy of Sciences of the Republic of Tatarstan

Email: zpam2@rambler.ru
ORCID iD: 0000-0002-5117-2609

Ph.D.

Russian Federation, Kazan

Erik R. Zainulgabidinov

Institute of Ecology and Subsoil Use Problems of the Academy of Sciences of the Republic of Tatarstan

Email: comp05@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-5372-9984

Ph.D.

Russian Federation, Kazan

Yury A. Ignatiev

Institute of Ecology and Subsoil Use Problems of the Academy of Sciences of the Republic of Tatarstan

Email: chromjura@mail.ru

Ph.D.

Russian Federation, Kazan

References

Supplementary files