The influence of oil pollution on the growth and development of phleum pratense, festuca pratensis, phalaris canariensis

Full Text

Введение. Нефтеперерабатывающая отрасль промышленности является одной из ведущих в Тюменской области и оказывает решающее влияние на экологическую ситуацию региона [18, с. 98]. Особую опасность представляет химическое загрязнение местности нефтью и нефтепродуктами. Нефть в окружающую среду попадает как по геологическим причинам в подземном пространстве, так и в результате аварий на промысловом оборудовании, сооружениях по ее подготовке и при транспортировании.

В настоящее время, несмотря на предпринимаемые меры, проблема загрязнения окружающей среды нефтью и продуктами ее переработки остается все еще нерешенной. В значительной мере это связано с загрязнением почв, которое происходит практически на всех стадиях технологического процесса нефтедобычи [2, с. 222]. Основными факторами отрицательного воздействия нефтяного загрязнения на растения являются токсическое действие поллютанта и изменения физико-химических свойств почвы. Влияние нефтяного загрязнения на физикохимические свойства почвы связано, главным образом, с обволакиванием нефтью почвенных частиц в связи, с чем происходит сильное увеличение гидрофобности почвы. Она утрачивает способность впитывать и удерживать воду, происходит вытеснение воздуха из почвенных пор, и, в конечном итоге, нарушается водный и воздушный режимы почвы [19, с. 314].

По данным Е.Е. Орловой с соавторами [16, с. 104], изучавших состояние почв и растительности участков разливов нефти разной давности месторождений, находящихся на территории Ямало-Ненецкого автономного округа, показано, что на свежих разливах (2016 г.) растительный покров практически полностью отсутствовал или был представлен редкими всходами травянистой растительности, только выполненной биорекультивации. Как сырая, так и товарная нефть, оказывает сильное влияние на рост растений и состояние культурного фитоценоза в целом. Она резко снижает всхожесть семян и густоту травостоя, вызывая его сильное изреживание и оказывая ингибирующее действие на рост оставшихся (выживших) растений [20, с. 126]. Изучение механизмов адаптации растений в ответ на действие нефти позволяет выявить признаки (в том числе анатомо-морфологические, обеспечивающие их устойчивость к данному антропогенному фактору) и подобрать высокотолерантные виды местной флоры для разработки научно обоснованных методов фитомелиорации почв, загрязненных нефтью. Изучаемые признаки можно использовать как индикаторы для характеристики состояния почв при нефтяном загрязнении [10, с. 16].

Воздействие загрязнения почв нефтепродуктами на жизнедеятельность растений носит неоднозначный характер. В.В. Дмитриевой и Г.А. Петуховой [6, с. 9] показано, что негативное влияние нефти на рост и развитие растений проявляется уже при внесении ее в дозе выше 50 мг/кг. Токсичные эффекты проявляются в быстром повреждении, разрушении, а затем и отмирании всех живых, активно функционирующих тканей растений в вегетирующем состоянии, на которые попадают ее брызги. Нефть оказывает отрицательное влияние на рост, метаболизм и развитие растений, а также молодые проростки, подавляет рост надземных и подземных частей растений.

Согласно результатам хронических экспериментов, проведенных А.А. Утомбаевой и А.М. Петровым [19, с. 314], выращивание гороха на более легкой нефтезагрязненной почве активизирует прирост корневой системы. Активный прирост корневой системы наблюдался и при выращивании гороха на среднесуглинистой почве в вариантах, содержавших 5,9 г/кг и 10,8 г/кг НП, при незначительном ингибировании роста при максимальной испытанной концентрации поллютанта. Нефтяное загрязнение значительно изменяет морфологию растения осоки острой (Carex acuta). Наблюдается уменьшение роста стебля в высоту, уменьшается его радиальный рост, нефтяное загрязнение ингибирует ростовые процессы. В условиях загрязнения нефтью значительно снижается площадь ассимиляционной поверхности растений (у мезофитных и ксерофитных растений), биопродуктивность [10, с. 16]. Значительным изменениям подвергаются анатомические особенности растений. Увеличивается толщина листовой пластинки, исчезает кутикула, уменьшаются размеры клеток и количество хлоропластов. В условиях нефтяного загрязнения происходит утолщение эпидермы корня, что возможно является защитным механизмом на токсическое действие нефти [10, с. 17].

В результате исследования Е.С. Осиповой и Г.А. Петуховой было выявлено, что при действии нефтяного загрязнения среды растения находятся в состоянии стресса, активизируются процессы перекисного окисления липидов. При действии нефтяного загрязнения отмечено снижение концентрации пигментов фотосинтеза у большинства исследуемых растений. У рогоза узколистного и осоки сероватой выявлено увеличение концентрации хлорофилла а и b, каротиноидов, что свидетельствует об адаптации растений [17, с. 135]

При обработке растений ауксинпродуцирующими бактериями рода Pseudomonas (P. plecoglossicida 2.4- D, P. turukhanskensis IB 1.1, P. hunanensis IB C7) и штамма Enterobacter sp. UOM 3 на рост и гормональный баланс растений ячменя при нефтяном загрязнении почвы наблюдалось подавление роста растений и повышение массовой доли корней, что, очевидно, было связано с обнаруженным накоплением АБК в побегах растений. Бактеризация растений, хотя и в разной степени в зависимости от штамма, предотвращала накопление гормона и положительно влияла на накопление массы растений [3, с. 51].

Чаще всего опасность техногенного воздействия оценивается на основании суммарного коэффициента техногенного загрязнения, рассчитанного в соответствии с данными валового содержания химических элементов. Такой подход является не всегда эффективным. Методы биотестирования, основанные на ответной реакции живых организмов на негативное воздействие загрязняющих веществ, способны давать достоверную информацию о качестве компонентов окружающей среды, в том числе почв [11, с. 84].

Материал и методы исследования. Работа проведена в лабораториях Государственного аграрного университета Северного Зауралья и Горыбцентра. В опытах использовали нефть, поступающую по трубопроводу из п. Шаим на нефтеперекачивающую станцию г. Тюмени. Почва органогенного типа (торф) предварительно освобождалась от посторонних включений (корни растений и пр.), измельчалась и высушивалась в соответствии с требованиями [4; 5; 12]. Дистиллированная вода пропускалась через торф, который равномерно с помощью пульверизатора загрязнялся раствором сырой нефти в петролейном эфире. Полученную смесь упаривали под вытяжкой в течение трех суток в лабораторных условиях. Объем загрязняющего раствора около 0,5 л содержал навеску нефти, необходимую для получения концентраций 300, 1000, 3000 и 10000 мг/кг. В качестве контроля использовали идентичный незагрязненный торф.

Для проведения биотестирования использовали семена травянистых растений: овсяницы луговой Festuca pratensis Huds., тимофеевки луговой Phleum pratense L., канареечника (двукисточник канареечный) Phalaris canariensis L., используемых в составе травосмесей при рекультивации нефтезагрязненных территорий [15, с. 52]. Продолжительность наблюдений – 20 суток. Эксперименты проводили в 3-х повторностях, в каждой – по 100 штук семян. Всего в экспериментах было использовано 4500 семян растений – с учетом повторностей и сроков наблюдений, произведено более 13 тысяч измерений и 4500 взвешиваний (определение массы растений). Для взвешивания использовали технические весы.

Параметры оценки: всхожесть семян, длина корня проростка, количество корней проростка, общая масса растений. На 5 сутки подсчитывали количество проросших растений в каждой чашке Петри (учет всхожести). Морфометрические характеристики растений анализировали в течение всего срока наблюдений. Для этого растения осторожно извлекали из субстрата, корни каждого растения тщательно отмывали в воде. Затем измеряли длину самого длинного корня каждого растения. Подсчитывали также количество корней и массу растений. Для каждого срока наблюдений чашки Петри с почвой готовили отдельно для каждого варианта опыта.

При определении степени токсичности почв методами биотестирования большое значение имеет чувствительность к токсикантам подопытных организмов [11, с. 85]. В нормативных документах [9] рекомендовано использовать минимум два тест-организма. Результаты исследований подвергали математической обработке методом вариационной статистики, основанном на вычислении критерия достоверности, сравниваемого затем с табличными данными (критерием достоверности Стьюдента) [1, с. 180-181].

Результаты и их обсуждение. В результате изучения воздействия нефтезагрязненного торфа на всхожесть семян растений было установлено, что наибольшие отличия по сравнению с контролем отмечались в максимальной концентрации 10000 мг/кг: на 11% (тимофеевка луговая) – 23,8% (канареечник), тогда как в пробах с содержанием нефти 300–1000 мг/кг количество всхожих семян не отличалось от контрольных значений (рис. 1).

Рис. 1. Изменение всхожести семян растений (% к контролю) в зависимости от концентраций нефти

Отрицательное влияние нефти сказывалось и на морфологических функциях растений. Так, в начальный период наблюдений, 5 сутки, длина проростков овсяницы луговой, в зависимости от содержания токсиканта в почве, снизилась на 10–25%. Аналогичными отличиями характеризовались и другие изучаемые параметры – на 10–40% ниже по сравнению с контролем (табл. 1).

Вероятно, растения испытывали стресс от влияния токсиканта. Как видим, по мере увеличения содержания нефти в торфе уменьшались и линейные размеры растений. С продлением срока наблюдений регистрировали увеличение негативного воздействия нефти на растения, проявляющееся в снижении массы растений и количества корней. По утверждению Л.Е. Мазуниной [10, с. 17], изменения анатомии и морфологии органов направлены на создание защитных механизмов и выполняют компенсаторную функцию в ответ на нефтяное загрязнение. Наибольшее снижение (% к контролю) длины проростков, количества корней, массы растений тимофеевки луговой наблюдалось на 5 сутки опыта и составляло 24,31 и 19% соответственно при максимальной концентрации нефти 10 000 мг/кг, а наибольшее снижение длины корней составило 37% при той же концентрации на 15 сутки (табл. 2).

Таблица 1

Морфометрические показатели овсяницы луговой

Примечание: здесь и далее * – Р < 0,05; ** – Р < 0,01; *** – Р < 0,001

Таблица 2

Морфометрические показатели тимофеевки луговой

Наибольшее снижение (% к контролю) длины проростков канареечника (кисточника) наблюдалось на 10 сутки и составляло 19%, количества корней на 15 сутки – 38% при максимальной концентрации нефти 10000 мг/кг, а наибольшее снижение длины корней составило 18% при той же концентрации на 5 сутки. Масса растений на протяжение всего опыта оставалась почти на уровне контроля, лишь на 10 сутки отклонение от контроля составило 11% (табл. 3). Таким образом, было установлено, что все исследуемые у растений параметры снижаются при увеличении концентрации нефти в торфе. Анализ всхожести семян позволяет расположить растения по степени увеличения чувствительности в следующем ряду: тимофеевка луговая → овсяница луговая → канареечник.

Таблица 3

Морфометрические показатели канареечника

По данным В.В. Дмитриевой и Г.А. Петуховой [6, с. 9], при действии нефтяного загрязнения в концентрации 1% по учету всхожести семян большую чувствительность проявила овсяница красная. В нашем эксперименте среди трех растений овсяница проявила умеренную чувствительность – вторая позиция, что, вероятно, связано с видовой спецификой. По изменению длины проростков растений значимых отличий не наблюдалось. Одним из самых чувствительных органов у растений оказывается корень, поскольку непосредственно контактирует с почвой. В отличие от побега развитие корневой системы осуществляется в условиях ослабленного генотипического контроля, допускающего огромную свободу фенотипического реагирования на особенности почвы. Это связано с тем, что почвенная среда обитания, где проходила эволюция корневых систем растений, является более неоднородной, неупорядоченной и непредсказуемой в разных точках по сравнению с воздушной средой обитания, в которой располагается побег [10, с. 18]. По данным анализа изменения длины и количества корней по степени увеличения чувствительности растения можно расположить в следующем порядке: изменение длины корней: тимофеевка луговая → канареечник→ овсяница луговая; – количество корней растений: тимофеевка луговая → овсяница луговая→ канареечник.

Л.В. Михайлова с соавторами также отмечали заторможенность роста травянистых растений. Особенно заметным было угнетение роста корней [14, с. 91–92]. Д.В. Зейферт и Л.М. Гамерова установили обратную зависимость между концентрацией нефти в почве и средней длиной надземной и подземной части растений кресс-салата (Lepidium sativum) [8, с. 80]. По данным Т.С. Шориной и О.Ю. Ермаковой установлено, что при минимальном загрязнении (3%) наиболее чувствительными видами к углеводородам в почве являются представители семейства Злаковых (Мятликовые Poaceae Barnhart.) [21, с. 165]. Т.В. Минникова с соавторами наблюдали снижение длины корней редиса посевного Raphanus sativus на 38–40% по сравнению с контролем на 30-е и 60-е сутки при загрязнении почвы нефтью в количестве 10% [13, с. 46]. В течение наблюдаемого периода масса растений регистрировалась достоверно ниже контрольных значений на 8% (канареечник) и на 14% (овсяница луговая). Торможение накопления зеленой массы злаков, видимо, объясняется тем, что в результате обволакивания корневой системы нефтяными загрязнениями питательные вещества в нее не поступают. Одновременно в значительной мере ухудшается фотосинтез. В результате этих проявлений растения замедляют свой рост [7, с. 12]. К концу срока наблюдений (20 суток) у растений в максимальной концентрации нефти, 10000 мг/кг, наибольшие регистрируемые отличия от контрольных значений составляли: у овсяницы луговой – длина корня (26%), у канареечника – количество корней (31,8%) (рис. 2).

Рис. 2. Изменение морфологических показателей растений (% к контролю) в концентрации нефти 10000 мг/кг на 20 сутки опыта

Выводы. В результате проведенных исследований было установлено:

1. Наибольшие отклонения морфометрических показателей растений наблюдались при максимальной концентрации нефти в торфе, 10000 мг/кг.
2. Наибольшую чувствительность к нефтяному загрязнению проявил канареечник, менее – тимофеевка луговая.
3. Наибольшая изменчивость среди изученных тест – функций у всех растений под влиянием нефтяного загрязнения наблюдалась по количеству корней.
4. Определены наиболее устойчивые показатели: овсяница луговая – длина проростков, тимофеевка луговая – всхожесть, канареечник – масса растений.

About the authors

Tatyana G. Akateva

Author for correspondence.
Email: akatyevat@mail.ru

Ph.D.

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Fig. 1. Change in seed germination of plants (% to control) depending on the concentration of oil

Download (60KB)

Indexing metadata

3. Fig. 2. Change in morphological parameters of plants (% of control) in oil concentration 10,000 mg / kg on the 20th day of the experiment

Download (59KB)

Indexing metadata