WWW.DISUS.RU

БЕСПЛАТНАЯ НАУЧНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

 

Функционально-морфологические изменения высших растений при действии нефтяного, солевого и нефтесолевого загрязнения почв

На правах рукописи

Цулаия Анна Мебрдзолиевна

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 А.Н. Северцова РАН Терехова Вера Александровна
доктор биологических наук, профессор Сургутского государственного университета Шепелева Людмила Федоровна
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 г. Тюмень, ул. Республики 7.

Тел/факс (3452) 46-87-77; E-mail: dissTGSHA@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 __________________________ Н.В. Литвиненко

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 2001-2010 гг. насчитывалось от 1598 до 5480 в год, происходит загрязнение окружающей среды нефтью, а также подтоварными и сеноманскими водами, используемыми для подде ржания 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 2008-2011 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. Дубининой О.Н., к.б.н. Юсуповой З.Р., Хуснутдиновой Н.Ю., сотрудникам Сибирской ЛОС д.б.н. Чижову Б.Е., Черкашиной М.В., а также с.н.с. ФГУП «Госрыбцентр» А.И. Коваленко и к.ф.-м.н. ТюмГУ А.А. Кудрявцеву 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 52325-2005. 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 26425-85), 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.

 ПО – активность пероксидазы АК – аскорбиновая кислота -0

 ПО – активность пероксидазы АК – аскорбиновая кислота -1

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.

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).

 ПО – активность пероксидазы АК – аскорбиновая кислота -2

 ПО – активность пероксидазы АК – аскорбиновая кислота -3

 ПО – активность пероксидазы АК – аскорбиновая кислота Изменение-4

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. Цулаия А.М. 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. Цулаия А.М. Влияние нефтяного, солевого и нефтесолевого загрязнения на морфофункциональные показатели овса посевного Avena sativa // Вестник Алтайского ГАУ. – 2011. – №4. – С. 33-39.
  3. Цулаия А.М. Влияние нефтесолевого загрязнения на морфофункциональные показатели овса посевного – Avena sativa // Известия Оренбургского ГАУ. – 2011. – №3. – C. 50-53.
  4. Михайлова Л.В., Соколовская Е.А., Цулаия А.М., Дубинина О.Н., Хуснутдинова Н.Ю., Мустаева Л.Н. Фитотоксичность органогенных почв (верховой торф) загрязненных нефтью // Проблемы региональной экологии. – 2012. – №2. – С. 37-42.

Научные статьи и материалы:

  1. Михайлова Л.В., Цулаия А.М. 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.
  2. Михайлова Л.В., Масленко Е.А., Цулаия А.М. Растительные организмы в биотестировании природных объектов (вода, донные отложения, почвы) // I конф. молодых ученых NACEE. – Тюмень: Госрыбцентр, 2009. – С. 13-14.
  3. Михайлова Л.В., Масленко Е.А., Рыбина Г.Е., Гордеева Ф.В., Цулаия А.М., Кудрявцев А.А., Знаменщиков А.Н., Талипова Е.В., Черкашина М.В. Влияние 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.
  4. Михайлова Л.В., Цулаия А.М. Влияние солевого загрязнения на рост и физиологическую активность лука – Allium сера// Вестник ТГСХА, 2009. – №4. С. – 16-21.
  5. Дубинина О.Н., Черняева Н.Ю., Юсупова З.Р., Мустаева Л.Н., Парфёнова Т.И., Михайлова Л.В., Цулаия А.М. Влияние 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.
  6. Михайлова Л.В., Цулаия А.М. Влияние нефтезагрязненного торфа на рост и развитие овса // Тобольск-научный: Сб. мат. VI Всеросс. научно-практ. конф. – Тобольск: «Папирус», 2009. – C. 78-81.
  7. Михайлова Л.В, Цулаия А.М. 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.
  8. Михайлова Л.В., Цулаия А.М., Рыбина Г.Е., Масленко Е.А, Гордеева Ф.В., Кудрявцев А.А. Экологическая 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.


 



<
 
2013 www.disus.ru - «Бесплатная научная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.