Условия среды и Динамика токсикологических характеристик нефтезагрязненных почв

ОБЩАЯ БИОЛОГИЯ

УДК 631.453

Д. В. Акайкин, А. М. Петров

УСЛОВИЯ СРЕДЫ И ДИНАМИКА ТОКСИКОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ

Ключевые слова: нефть, дерново-подзолистые почвы, гранулометрический состав, влажность, фитотоксичность.

Исследована динамика фитотоксичности дерново-подзолистых почв при действии различных концентраций нефти в зависимости от исходной влажности. Установлены сроки естественной детоксикации нефтезагрязненных почв разного гранулометрического состава.

Keywords: crude oil, soddy-podzolic soils, particle size distribution of the soil, humidity, phytotoxicity.

The dynamic of phytotoxicity of the soddy-podzolic soils under the influence of different concentrations of crude oil depending on initial humidity was researched. The natural detoxication time of oil-contaminated soils with different particle size distribution was determined.

Введение

Скорость деструкционных процессов, происходящих в нефтезагрязненной почве, определяет ее способность к самовосстановлению и зависит от исходного содержания поллютанта [1-3]. Между тем, способность почв к самоочищению определяется не только начальным содержанием нефтяных компонентов, но и комплексом условий среды, как постоянных (гранулометрический состав), так и переменных (исходная влажность), которые влияют на сроки естественной детоксикации почвы, восстановление ее экологического состояния [4,5]. Как следствие, конечный результат естественной трансформации нефти в почвах во времени может существенно различаться и будет определяться комбинацией характеристик почв и переменных факторов воздействия.

Целью настоящей работы явилось изучение динамики токсикологических характеристик дерново-подзолистых супесчаной и

среднесуглинистой почв в условиях различной исходной влажности при разных начальных уровнях нефтяного загрязнения.

Материал и методика

В исследовательской работе использованы дерново-подзолистые почвы (ДПП) Республики Татарстан супесчаного и среднесуглинистого гранулометрического состава. Серии экспериментов были представлены 2 вариантами.

Вариант 1 - в дерново-подзолистые супесчаную и среднесуглинистую почвы с исходной влажностью 60% от полной влагоемкости вносили различное количество нефти. С учетом сорбционных свойств исследуемых почв [4], в экспериментах с супесчаной почвой были использованы образцы с начальным содержанием нефти 2,4%, 4,8%, 9,0%, 13,0% и 16,7%, со среднесуглинистой почвой 7,1%, 9,0%, 13,0%, 16,7% и 20,0%.

Вариант 2 - в дерново-подзолистые супесчаную и среднесуглинистую почвы с исходной влажностью

1-3% вносили различное количество нефти. В экспериментах с супесчаной почвой были использованы образцы с начальным содержанием нефти 2,4%, 4,8%, 9,0%, 13,0%, со среднесуглинистой почвой 4,8%, 7,1%, 9,0%, 13,0%, 16,7% и 20,0%.

Эксперименты проводились в лабораторных условиях при температуре окружающего воздуха 20-24°С, в контейнерах из пищевого пластика размером 180х140х90 мм, содержащих по 1400 г почвы. Использовалась сырая сернистая, парафиновая нефть, смолистого типа Ямашинского месторождения Республики Татарстан.

В ходе экспериментов, для поддержания аэробных условий, а также активизации физических процессов рассеивания поллютанта, химического и биологического окисления углеводородов, проводили минимальные рекультивационные мероприятия в виде периодического рыхления чистых и загрязненных нефтью почв при поддержании их влажности на уровне 60% от полной влагоемкости.

Определение динамики токсичности нефтезагрязненных почв основалось на изменении всхожести семян и длины корней проростков пшеницы (Triticum vulgare L.) относительно контрольных (чистых) образцов, в соответствии с ФР.1.39.2006.02264 [6]. Время инкубации семян при фитотестировании составляло 5-7 суток. Острую токсичность исследуемых образцов определяли с периодичностью 4-19 суток на протяжении 365 дней.

При обсуждении результатов экспериментов по тексту используется условное обозначение для Варианта 1 - исходно «влажная» почва, для Варианта 2 - исходно «воздушно-сухая» почва.

Результаты и обсуждение

Вариант 1. В образцах исходно «влажной» дерново-подзолистой супесчаной почвы, содержащих 2,4% и 4,8% поллютанта, в ходе эксперимента всхожесть семян изменялась в

интервале от 66 до 100%. Если с первых и по 108 сутки эксперимента всхожесть семян при вышеуказанных концентрациях составляла 90-100%, то в интервале между 127 и 261 сутками она снижалась и варьировала в интервале от 66 до 92%. При дальнейшем увеличении времени инкубации, всхожесть семян была сопоставима со всхожестью в контрольных образцах.

При начальном содержании нефти в почве 13,0% семена пшеницы не прорастали на протяжении всего эксперимента. В варианте с 9,0% содержанием поллютанта прорастание семян было зарегистрировано в промежутке между 52 и 191 сутками инкубации. Количество проросших семян возрастало с 20 до 48% между 52-108 сутками и далее снижалось с 43 до 8% в промежутке между 127-191 сутками эксперимента. При дальнейшем увеличении времени инкубации почв, в интервале между 206 и 275 сутками, семена не прорастали. Начиная с 293 суток инкубации, всхожесть семян постепенно увеличивалась и к концу эксперимента достигла контрольных значений.

В варианте с исходно «влажной» дерново-подзолистой среднесуглинистой почвой семена пшеницы прорастали с первых суток и на протяжении всего эксперимента при испытанных концентрациях загрязнителя до 16,7%. Всхожесть семян ниже 80% за период инкубации проб была зарегистрирована в образцах, содержащих 9,0% поллютанта в интервале с 86 по 108 сутки эксперимента.

При 20,0% содержании нефти в почве всхожесть семян фиксировалась только с 16 суток эксперимента, но уже в первый месяц составляла 80% от контроля. При дальнейшей инкубации всхожесть пшеницы на данных образцах почв не отличалась от контроля.

Анализ роста корней пшеницы показал, что в варианте с исходно «влажной» дерново-подзолистой супесчаной почвой, изменение острой токсичности в экспериментах с начальным содержанием нефти 2,4% и 4,8% имело схожий вид и характеризовалось однонаправленными процессами (рис. 1). С первых дней инкубации токсичность данных почвенных образцов постепенно снижалась и составляла 2022% к 64 суткам эксперимента. В дальнейшем, при увеличении времени инкубации до 206 суток, наблюдался повышение токсичности до значений, на 13-19% превышающих начальные показатели, а после 219 суток было зарегистрировано повторное снижение токсичности опытных почвенных образцов. Полное устранение негативного воздействия поллютанта на пшеницу в остром опыте в данном варианте было зарегистрировано к 339 суткам эксперимента (отклонение длины корней пшеницы от контроля 20% и менее [7]).

При исходном содержании нефти 9,0%, снижение острой токсичности зарегистрировано в интервале между 52 и 97 сутками эксперимента. Минимальное токсическое действие было зафиксировано на 92 сутки и составило 62%. Дальнейшее увеличение времени инкубации приводило к повышению токсичности опытных

образцов вплоть до 100%, и лишь начиная с 306 дня эксперимента, вновь была отмечена тенденция к снижению токсического действия нефтесодержащих образцов почв.

. - -. IT 4-i V

0 60 120 180 240 300 360

Время сут>м

4,8"* -9.0% г --1ЭДШ

Рис. 1 - Динамика фитотоксичности дерново-подзолистой супесчаной почвы

В экспериментах с исходно «влажной» дерново-подзолистой среднесуглинистой почвой до 52 суток эксперимента во всех опытных вариантах наблюдалось снижение острой токсичности (рис. 2). Увеличение времени инкубации до 86 суток сопровождалось ростом фитотоксичности, которая проявлялась в 30-80% ингибировании роста корней пшеницы.

Рис. 2 - Динамика фитотоксичности дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы

Устранение острого токсического действия нефтяных загрязнений в среднесуглинистой почве при начальном содержании поллютанта 7,1% и 9,0% было зарегистрировано на 103 и 127 сутки эксперимента, соответственно. Для данных концентраций в эксперименте отмечены временные интервалы, в которых остаточные концентрации нефти в почве оказывали стимулирующее действие на растения, что приводило к увеличению длины корней пшеницы в опыте относительно контрольного варианта.

Несмотря на общую тенденцию к снижению фитотоксичности в вариантах с 13,0%, 16,7% и 20,0% содержанием нефти, за анализируемый период не было зарегистрировано устранение острого токсического действия. Ингибирование роста корней пшеницы в них к концу эксперимента

варьировало в интервале 46-67%.

Вариант 2. В экспериментах с исходно «воздушно-сухой» дерново-подзолистой супесчаной почвой, при начальном содержании нефти 2,4% и 4,8% всхожесть семян практически не отличалась от контроля.

Изменение всхожести семян пшеницы в экспериментах с бПльшим исходным содержанием нефти носило не монотонный характер на протяжении эксперимента. В почве с содержанием нефти 9,0% всхожесть семян менее 80% за период инкубации была зарегистрирована в интервалах между 70-82 и 211-240 сутками. При концентрации поллютанта 13,0% в интервале между 218-262 сутками эксперимента также было зарегистрировано 21-36% снижение всхожести семян. Стабилизация всхожести семян пшеницы относительно контроля, в вариантах содержащих 9,0% и 13,0% поллютанта наблюдалась начиная с 251 и 272 суток, соответственно.

На протяжении годового эксперимента, при всех испытанных концентрациях нефти, в исходно «воздушно-сухой» дерново-подзолистой

среднесуглинистой почве всхожесть семян мало отличалась от контроля. Минимальная всхожесть пшеницы (84%) была зафиксирована на 228 сутки эксперимента в варианте с 20% исходным содержанием поллютанта.

В отличие от Варианта 1, в эксперименте с исходно «воздушно-сухой» супесчаной почвой влияние нефтяных загрязнений на рост корней пшеницы во всем испытанном диапазоне концентраций имело сходный характер. Фитотоксические свойства почв изменялись достаточно синхронно, отличаясь только уровнем воздействия на тест-объект в зависимости от начальной концентрации поллютанта (рис. 3). Наблюдалось периодическое снижение (в интервалах с первых дней по 52 сутки и со 108 по 177 сутки) и увеличение (в интервалах с 58 по 103 и с 184 по 218 сутки) токсичности почвенных образцов. Следует обратить внимание на то, что фитотоксические характеристики почвы, исходно содержащей 9,0% поллютанта, в ходе эксперимента менялись незначительно и варьировали в пределах 32%.

100

но-

у «о -1- —

е >Л /' г*'

'' « ОЧ ../'Л . V

£ 20 \ . 4 . ^,

О ВО 120 160 2« 300 ЗМ

-я —

Врэмя.су™

•-2.4% *..... М'А *- -13.«

Рис. 3 - Динамика фитотоксичности дерново-подзолистой супесчаной почвы

Устранение токсического действия нефтяных загрязнений на высшие растения в эксперименте было зарегистрировано при начальной концентрации загрязнителя 2,4% на 135 сутки. При концентрации 4,8% отсутствие токсического действия нефтяных загрязнений наблюдалось в интервале 155-184 сутки и с 233 суток инкубации до конца эксперимента.

В отличие от супесчаной, в исходно «воздушно-сухой» среднесуглинистой почве, устранение токсического действия в ходе эксперимента было зарегистрировано при начальном содержании поллютанта до 16,7% (рис. 4). При 4,8% исходном содержании нефти устранение токсичности фиксировалось на 52 сутки эксперимента, при 7,1% - на 68 сутки, при 9,0% и 13,0% - на 94 сутки, при 16,7% - на 304 сутки инкубации.

Время сутш

4.8% *.......7.1% »-—9.0% «---13.0% 4- - 16.7% <--20.0%

Рис. 4 - Динамика фитотоксичности дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы

Следует отметить, что в экспериментах со среднесуглинистой почвой при содержании поллютанта от 4,8% до 13,0% было зарегистрировано стимулирующее действие поллютанта на рост корней пшеницы.

При максимальной испытанной концентрации нефти (20,0%) в среднесуглинистой почве, несмотря на общий тренд снижения действия углеводородов, фитотоксичность сохранялась на протяжении всего эксперимента при варьировании негативного эффекта от 79% в начале до 36% к концу эксперимента.

Выводы

1. В ходе изучения динамики фитотоксичности нефтезагрязненных почв рассмотрено влияние исходной влажности дерново-подзолистых супесчаной и среднесуглинистой почв на скорость их детоксикации.

2. Анализ экспериментальных данных показал, что дерново-подзолистая среднесуглинистая почва вне зависимости от исходного состояния среды более устойчива к воздействию нефтяного загрязнения и способна к преодолению фитотоксического действия поллютанта в обозримый временной период при проведении минимальных восстановительных мероприятий. Супесчаные дерново-подзолистые почвы, требуют

более длительного восстановительного периода или проведения более интенсивных рекультивационных мероприятий.

3. Влажность дерново-подзолистой почвы в момент ее загрязнения нефтью определяет сроки, необходимые для устранения фитотоксического действия поллютанта. При исходно низкой влажности супесчаной почвы преодоление негативного воздействия нефти в концентрациях 2,4% и 4,8% наступало соответственно в 2,5 и 1,5 раза быстрее, чем при исходно высокой влажности почвы. При содержании поллютанта 9,0% и выше фитотоксичность почвы проявлялась на протяжении всего эксперимента независимо от исходной влажности дерново-подзолистой супесчаной почвы.

4. При поступлении нефти в концентрациях 7,1% и 9,0% в дерново-подзолистую среднесуглинистую почву с низкой влажностью ее острое фитотоксическое действие устраняется соответственно в 1,5 и 1,4 раза быстрее, чем при загрязнении влажной почвы. При 13,0% и 16,7% содержании нефти в среднесуглинистой почве с низкой влажностью устранение фитотоксического действия происходит на 94 и 304 сутки эксперимента, соответственно, тогда, как при поступлении нефти вышеуказанных концентраций во влажную почву, фитотоксическое действие сохраняется и через год после ее загрязнения.

Литература

1. О.С. Вансович. Автореф. дисс. канд. биол. наук, Московский гос. ун-т им. М.В. Ломоносова, Москва, 2009, 27 с.

2. А.М. Петров, Э.Р. Зайнулгабидинов, Л.М. Сунгатуллина, Р.Р. Шагидуллин, Д.В. Иванов, О.Ю. Тарасов, Б.Р. Григорьян. Разработка нормативов допустимого остаточного содержания нефти и продуктов ее трансформации в почвах Республики Татарстан для земель сельскохозяйственного назначения // Вестник Казанского технологического университета, 14, 23, 129-136 (2011).

3. А.М. Петров, Э.Р. Зайнулгабидинов, Р.Р. Шагидуллин, Д.В. Иванов, Т.В. Кузнецова, Л.К. Каримуллин. Разработка нормативов допустимого остаточного содержания нефти и продуктов ее трансформации в почвах для земель лесного фонда Республики Татарстан // Вестник Казанского технологического университета, 16, 20, 265-270 (2013).

4. Д.В. Акайкин, Э.Р. Зайнулгабидинов, А.М. Петров. Влияние исходной влажности на токсикологические характеристики нефтезагрязненных почв // Журнал экологии и промышленной безопасности, 3, 63-64 (2013).

5. А.А. Вершинин, А.М. Петров, Д.В. Акайкин, Ю.А. Игнатьев. Оценка биологической активности дерново-подзолистых почв разного гранулометрического состава в условиях нефтяного загрязнения // Почвоведение, 2, 250-256 (2014).

6. ФР.1.39.2006.02264. Методика выполнения измерений всхожести семян и длины корней проростков высших растений для определения токсичности техногенно загрязненных почв. СПб.: 2009.

7. Н.В. Маячкина, М.В. Чугунова. Особенности биотестирования почв с целью их экотоксикологической оценки // Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 1, 84-93 (2009).

© Д. В. Акайкин - аспирант лаборатории экологических биотехнологий Института проблем экологии и недропользования Академии наук Республики Татарстан, akaykin@mail.ru; А. М. Петров - к.б.н., заведующий лабораторией экологических биотехнологий Института проблем экологии и недропользования Академии наук Республики Татарстан, zpam2@rambler.ru.

© D. V. Akaikin - graduate student of the Laboratory of Ecological Biotechnologies Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, akaykin@mail.ru; A. M. Petrov - Cand. Sci. (Biol), Head of the Laboratory of Ecological Biotechnologies Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, zpam2@rambler.ru.