Динамика токсикологических характеристик серой лесной почвы в условиях длительного воздействия нефти

УДК 631.45

А. М. Петров, Э. Р. Зайнулгабидинов, И. В. Князев, Н. В. Шурмина, Р. Э. Хабибуллин

ДИНАМИКА ТОКСИКОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СЕРОЙ ЛЕСНОЙ ПОЧВЫ В УСЛОВИЯХ ДЛИТЕЛЬНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НЕФТИ

Ключевые слова: нефть, нефтепродукты, серые лесные почвы, токсичность, пшеница, рачки, инфузории, черви.

Проведено изучение динамики токсикологических характеристик серых лесных почв при длительном воздействии разных доз нефтяных загрязнений. Продемонстрировано отсутствие прямых зависимостей между временем инкубации и токсикологическим действием нефтезагрязненной почвы и водной вытяжки из нее на растительные и животные организмы. Эффективность удаления нефтепродуктов из почвы в эксперименте составила 63,2% в варианте, исходно содержавшем 5% нефти, 53,4-56,8% при 10-20% содержании поллютанта.

Key words: oil, oil products, grey forest soil, toxicity, wheat, crustaceans, insects, worms.

Changes of toxicological characteristics of grey forest soils under chronic exposure to different doses of oil pollutant were examined over time. No direct correlation between the incubation time and toxic effect of oil-contaminated soil and soil-water extract on plants and animals was evidenced. The effectiveness of extraction of oil products from the soil in experiment equaled to 63.2% when the initial oil content made 5% and 53.4-56.8% at a pollutant concentration of 10-20%.

Введение

Последствиями воздействия нефтяных

загрязнений на почвы являются изменение их физико-химических свойств, снижение плодородия, деградация или полная гибель педобионтов, отрицательное воздействие на экологическое состояние сопредельных сред и территорий. В настоящее время имеется достаточно много работ, описывающих влияние содержания нефти и продуктов ее трансформации на респираторную, ферментативную активности, состав почвенных биоценозов [1-3], имеются работы, оценивающие токсикологическое воздействие нефтяных

углеводородов на отдельные животные и растительные организмы [4, 5], и меньшее количество работ по исследованию динамики токсикологических характеристик почв при длительном воздействии поллютантов и комплексном использовании тест-объектов разного организационного уровня [6, 7].

Цель работы - изучить динамику токсикологического воздействия разного уровня нефтяных загрязнений на высшие растения, педобионты и гидробионты.

Материалы и методы

В качестве объекта исследования была использована серая лесная легкоглинистая почва с характерным для данного подтипа почв содержанием органического вещества. Опытные варианты готовились путем внесения в почву нефти таким образом, чтобы ее конечное содержание составляло 5, 10, 15 и 20%. Модельные эксперименты проводились в контейнерах из пищевого пластика, содержащих по 1400 г воздушно-сухой почвы. Контролем (К) служила чистая почва. Инкубация контрольных и опытных образцов осуществлялась при температуре окружающего воздуха 20-25оС и поддержании влажности почвы на уровне 60% от полной влагоемкости. В ходе эксперимента с интервалом в 7

суток проводилось перемешивание контрольных и опытных почвенных образцов. Суммарное содержание нефтепродуктов (НП) в почве определяли ИК-спектрофотометрическим методом на анализаторе КН-2м [8].

Токсикологические действие на высшие растения оценивали по всхожести семян и изменению длины корней и ростков на ранних стадиях развития в соответствии с [9]. В качестве тест-объекта использовалась пшеница (Triticum vulgare) со всхожестью семян не менее 95%.

В чашки Петри (диаметр 10 см) слоем около 1 см вносилась подготовленная для биотестирования и предварительно увлажненная до 60% от полной влагоемкости почва, на поверхность которой равномерно высаживались семена пшеницы. Количество повторностей для каждого рассматриваемого варианта - 3. Норма высева семян в каждом параллельном определении - 20 штук.

Тестирование водной вытяжки рассматриваемых вариантов почвы на семенах пшеницы проводилось в соответствии с [10].

Подготовку водной вытяжки почв для биотестирования на Ceriodaphnia affinis, Paramecium caudatum и семенах пшеницы проводили согласно [9]. Водные вытяжки из исследуемых вариантов почв готовились в соотношении почва:вода=1:4. В качестве экстрагента использовали культивационную (дехлорированную) воду.

Статистическая обработка полученного материала при тестировании на пшенице проводилась в соответствии c [9, 10]. Фитотоксическое действие считалось доказанным, если фитоэффект составлял более 20%.

Статистическую обработку результатов при тестировании на Ceriodaphnia affinis, Paramecium caudatum проводили в соответствии [11, 12].

При токсикологическом тестировании почв на червях был применен международный стандарт ISO 16387:2004(Е) [13]. В качестве тест-объекта использован рекомендованный стандартом вид -Enchytraeus crypticus.

Эксперименты проводились в лабораторных условиях при температуре окружающей среды 19-23оС. В экспериментальные сосуды на поверхность исследуемых образцов почвы осторожно высаживали по 10 экземпляров взрослых особей E. crypticus. В тестируемой почве в ходе экспериментов поддерживалась влажность на уровне 60% от полной влагоемкости. Кормление тест-объекта проводилось согласно [13].

Продолжительность эксперимента составляла 28 дней. Через 14 дней после начала эксперимента для оценки смертности тест-организмов из опытных и контрольных вариантов аккуратно вручную выбирались взрослые особи червей, которые подсчитывались и удалялись. Экспериментальные опытные и контрольные варианты, из которых были удалены взрослые черви, содержали отложенные за время первичной инкубации коконы. Все варианты эксперимента дополнительно инкубировали при выше указанных условиях 14 дней, после чего для оценки плодовитости подсчитывали количество

вылупившейся и выжившей молоди.

Данные, полученные в лабораторных тестах, были подвергнуты стандартной статистической обработке. Для расчета пороговых концентраций использовался однофакторный регрессионный анализ. В качестве дополнительного критерия применялся

дисперсионный анализ [14].

Результаты и обсуждение

В ходе двухлетнего эксперимента всхожесть семян в контрольной почве варьировала в интервале от 95 до 100% (средняя 96%). Согласно полученным данным, достоверное отрицательное влияние нефтяного загрязнения на всхожесть семян пшеницы проявлялось только на 7 сутки эксперимента в варианте, исходно содержавшем 20% нефти (рис. 1). В остальных случаях в опытных вариантах отклонение всхожести семян от контроля не превышало погрешности использованной методики. В вариантах исходно содержавших 5-15% нефти при увеличении времени инкубации наблюдалась более высокая, чем в контроле, всхожесть пшеницы.

Длина проростков корней пшеницы в опытных образцах на 7 сутки после внесения нефти определялась начальным содержанием поллютанта и варьировала от 57% в варианте 5% до 38% в варианте 20% относительно длины корней контрольных образцов (рис. 2). Увеличение времени инкубации до 180 суток приводило к устранению острой токсичности в вариантах, исходно содержавших 5 и 10% поллютанта (отклонение от контроля не превышает 20%). На 270 сутки эксперимента в вариантах 5-15% наблюдалась стилуляция роста корней пшеницы при увеличении токсического эффекта в варианте, содержавшем 20% нефти.

Рис. 1 - Влияние нефтяного загрязнения на всхожесть семян пшеницы

Рис. 2 - Влияние нефтяного загрязнения на рост корней пшеницы

Увеличение времени инкубации до 365 суток привело к устранению стимулирующего действия нефтяных метаболитов в вариантах 5 и 15%, появлению вторичной фитотоксичности в варианте с 10% содержанием поллютанта. Дальнейшее увеличение времени инкубации сопровождалось монотонным снижением токсического действия нефтяных компонентов на семена пшеницы. К 730 суткам эксперимента все опытные образцы не обладали острой токсичностью. Увеличение времени инкубации проб, содержавших 5% поллютанта, с 365 до 730 суток стимулировало рост корней пшеницы.

Присутствие нефти в почве приводило к более сильному относительно корней торможению развития ростков пшеницы. Их длина на 7 сутки эксперимента составляла 31-10% от контроля. К 30 суткам инкубации ингибирующее действие поллютанта усилилось, длина ростков в вариантах 5, 10, 15 и 20% составила, соответственно, 13, 15, 11 и 9% от длины ростков в контроле (рис. 3). Ингибирующее действие нефтяных компонентов в опытных вариантах проявлялось на протяжении всего эксперимента и к концу инкубации составляло 41, 64, 61 и 70%, соответственно.

Анализ влияния нефтяных компонентов на развитие круглых червей Enchytraeus crypticus показал, что если на 30-е сутки эксперимента выживаемость червей в опытных вариантах была высокой и составляла 78-100%, то к 180 суткам она снизилась до 41-53%. К 730-м суткам эксперимента в вариантах с содержанием поллютанта 5-15% выживаемость червей Enchytraeus crypticus не

отличалась от контроля, тогда как в варианте, содержавшем 20% поллютанта, при тестировании все живые организмы погибли.

100

О 200 400 600 800

Время, сутки

Рис. 3 - Влияние нефтяного загрязнения на развитие ростков пшеницы

На начальных этапах эксперимента при содержании поллютанта в почве 5-15% плодовитость червей снижалась на 66-81% при отсутствии развития живых организмов в варианте, содержавшем 20% нефти. К 180 суткам инкубации появление потомства у червей было зарегистрировано и при максимальной испытанной концентрации поллютанта. Через 6 месяцев плодовитость червей составляла 0, 4, 79 и 74% в вариантах, содержавших 5, 10, 15 и 20% нефти, соответственно.

На 730 сутки в варианте, содержавшем 5% поллютанта, плодовитость червей была на 60% выше, чем в контроле, в варианте 10% токсический эффект составлял 60%, а в вариантах, исходно содержавших 15 и 20%, потомство у червей отстутствовало.

Учитывая необходимость оценки возможного влияния поллютанта на сопредельные среды, в том числе на поверхностные и подземные воды, в ходе эксперимента определялись токсикологические характеристики водной вытяжки из

нефтезагрязненных почв.

Проведенные анализы показали, что водная вытяжка из всех опытных вариантов почв в ходе 730 суточного эксперимента не обладала острым токсическим действием по отношению к равноресничной инфузории Paramecium caudatum.

Результаты токсикологического тестирования водной вытяжки на пшенице показали, что в испытанном диапазоне концентраций в первый месяц эксперимента она практически не оказывала токсического действия на рост корней и ростков растений. Незначительное ингибирование роста корней пшеницы было зарегистрировано на 7 сутки эксперимента в варианте, содержавшем 20% нефти (табл. 1). В дальнейшем действие водной вытяжки из нефтезагрязненных почв на рост проростков пшеницы носило немонотонный характер и определялось начальным содержанием поллютанта и временем инкубации почв. При 5% содержании нефти достоверное токсическое действие водной вытяжки на рост корней было зарегистрировано только на 180 сутки эксперимента (31%).

Таблица 1 - Влияние водной вытяжки из нефтезагрязненных почв на рост проростков пшеницы

Вариант 7 сут 30 сут 90 сут 180 сут 270 сут 365 сут 545 сут 720 сут

Длина корней, % от контроля

5% 82 86 77 69 96 86 98 101

10% 83 96 93 101 85 59 69 79

15% 81 79 102 81 90 81 70 69

20% 75 85 81 88 98 85 69 58

Длина ростков, % от контроля

5% 85 98 78 70 105 85 100 106

10% 91 103 98 109 92 65 76 86

15% 93 90 110 87 97 82 81 81

20% 79 92 86 106 106 81 69 60

Торможение на начальных этапах эксперимента процессов метаболизма нефтяных компонентов при более высоких концентрациях поллютанта привело к тому, что токсическое действие водной вытяжки в варианте 10% было зарегистрировано на 365 сутки инкубации, а в вариантах 15 и 20% - на 545 сутки эксперимента. Увеличение времени экспозиции до 730 суток приводило к устранению токсического действия водной вытяжки (вариант 10%), сохранению (вариант 15%) или увеличению ингибирующего действия на рост корней пшеницы (вариант 20%).

Влияние начального содержания поллютанта и времени инкубации на развитие ростков пшеницы на водной вытяжке из почвы имело сходный с корнями характер (табл. 1). К 730 суткам эксперимента ингибирующее действие на ростки проявлялось только в варианте, содержавшем максимальную испытанную концентрацию нефти.

По отношению к тест-объекту Ceriodaphnia affims в первые 30 суток эксперимента в вариантах, содержащих 5-15% нефти, токсическое действие водной вытяжки не проявлялось. В дальнейшем в опытных вариантах наблюдалось немонотонное изменение токсикологических свойств (рис. 4).

Так, на 90 сутки эксперимента в вариантах 5-15% кратность разбавления, при которой устранялось вредное воздействие на рачков (Кр10), составляла 1,5-2,0. Увеличение времени инкубации этих проб привело к снижению их токсичности к 180 суткам эксперимента и появлению вторичного токсического эффекта - на 270 сутки в варианте 5% и на 365 сутки в вариантах 10 и 15%. Активизация процессов метаболизма поллютанта в варианте 20% к 365 суткам инкубации привела к росту кратности разбавления водной вытяжки, при которой устранялось ее вредное воздействие на гидробионтов. К концу эксперимента все опытные образцы имели сопоставимый уровень воздействия на Ceriodaphnia affims.

Рис. 4 - Влияние нефтяного загрязнения серой лесной почвы на токсикологические характеристики водной вытяжки

Наиболее интенсивная минерализация нефтепродуктов в почве зарегистрирована в первые 365 суток эксперимента. Снижение содержания нефтепродуктов во времени не имело прямой зависимости от их начального содержания в почве. Эффективность их деструкции при минимальной испытанной концентрации только начиная с 270 суток эксперимента была на 17,5, 9,9 и 7,0% выше, чем в вариантах 10, 15 и 20%, соответственно (табл. 2). К концу эксперимента эффективность минерализации нефтепродуктов нивелировалась, различие между вариантом 5% и вариантами 10-20% составляло 6,49,7%.

Таблица 2 - Эффективность минерализации нефтепродуктов

Вариант 30 сут. 90 сут 180 сут 270 сут. 365 сут. 545 сут 720 сут.

5% 4,4 7,9 39,5 48,2 59,6 62,0 63,2

10% 7,3 19,2 22,2 30,8 47,4 52,1 53,4

15% 0,3 21,8 35,6 38,4 43,2 54,3 56,8

20% 12,0 29,6 41,2 41,2 51,8 53,8 54,8

Заключение

В вариантах с начальным содержанием нефти в почве 5-15% отрицательное воздействие поллютанта на всхожесть семян пшеницы в ходе эксперимента не наблюдалось.

Присутствие нефти в почве оказывало более сильное отрицательное воздействие на развитие ростков пшеницы, чем на развитие ее корней. Ингибирующее действие на ростки сохранялось до конца эксперимента.

Увеличение времени инкубации проб, содержавших 5% поллютанта, с 365 до 545-730 суток приводило к вторичной стимуляции роста корней пшеницы.

Токсическое действие поллютанта на червей проявлялось только после трехмесячной инкубации нефтезагрязненных проб. При достаточно высокой плодовитости червей в пробах почв, исходно содержавших 15 и 20% нефти, в первый год эксперимента, после двухлетней инкубации

смертность Enchytraeus crypticus в них составляла 100%. Длительное инкубирование почв, исходно содержавших 5% нефти, приводило к 60% увеличению плодовитости червей.

Отсутствуют корреляционные зависимости между токсичностью нефтезагрязненной почвы и водной вытяжкой из нее.

Время проявления ингибирующего и токсического действия водной вытяжки на тест-объекты определялось начальной концентрацией нефти в почве.

Максимальная эффективность удаления нефтепродуктов из почвы к концу эксперимента (63,2%) зарегистрирована в варианте, исходно содержавшем 5% нефти, при сопоставимой эффективности деструкции поллютанта с более высоким содержанием (53,4-56,8%).

Литература

1. Н.М. Исмаилов Микробиология и ферментативная активность нефтезагрязненных почв/Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем. М.: Наука, 1988.- С.42-56.

2. Н.А. Киреева, В.В. Водопьянов, А.М. Мифтахова. Биологическая активность нефтезагрязненных почв. -Уфа: Гилем, 2001.- 376с.

3. Л.К. Каримуллин, А.М. Петров, А.А. Вершинин, Н.В. Шурмина. Физиологическая активность почв при разных уровнях нефтяного загрязнения//Известия Самарского научного центра РАН, 17, 4, 797-803 (2015).

4. Н.А. Киреева, Г.Г. Кузяхметов, А.М. Мифтахова, В.В. Водопьянов. Фитотоксичность антропогенно-загрязненных почв.- Уфа: Гилем, 2003.- 266 с.

5. Т.Г. Кольцова, Л.М. Сунгатуллина, Б.Р. Григорьян, А.М. Петров. Оценка фитотоксичности черноземных почв в условиях нефтяного загрязнения//Вестник технологического университета, 17, 15, 261-267 (2014).

6. Д.В. Акайкин, А. М. Петров. Условия среды и динамика токсикологических характеристик нефтезагрязненных почв//Вестник технологического университета, 19, 8, 123-126 (2016).

7. А.М. Петров, А.А. Вершинин, Л.К. Каримуллин, Д.В. Акайкин, О.Ю. Тарасов. Динамика эколого-биологических характеристик дерново-подзолистых почв в условиях длительного воздействия нефтяного загрязнения //Почвоведение, 7, 848-856, (2016).

8. ПНД Ф 16.1:2.2.22-98. Методика выполнения измерений массовой доли нефтепродуктов в минеральных, органогенных, органо-минеральных почвах и донных отложениях методом ИК-спектрометрии.

9. ФР. 1.39.2006.02264. Методика выполнения измерений всхожести семян и длины корней проростков высших растений для определения токсичности техногенно загрязненных почв. М-П-2006.- СПб., 2009.- 22 с.

10. МР 2.1.7.2297-07. Обоснование класса опасности отходов производства и потребления по фитотоксичности. 2.1.7. Почва. Очистка населенных мест. Бытовые и промышленные отходы. - М., 2007. -7 с.

11. ФР.1.39.2007.03221. Методика определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов по смертности и изменению плодовитости цериодафний.- М.: АКВАРОС, 2007.- 52 с.

12. ПНД Ф Т 14.1:2:3.13-06, ПНД Ф Т 16.1:2.3:3.10-06. Методика определения токсичности отходов, почв, осадков сточных, поверхностных и грунтовых вод

13. ISO 16387:2004(Е) Soil quality - Effects on pollutants on Enchytraeidae (Enchytraeus sp.). Determination of effects on reproduction and survival.

14. Г.Ф. Лакин Биометрия. М.: Высшая школа, 1990.- 352 с.

© А. М. Петров - к.б.н., заведующий лабораторией экологических биотехнологий Института проблем экологии и недропользования Академии наук Республики Татарстан, zpam2@yandex.ru; Э. Р. Зайнулгабидинов - к.б.н., с.н.с. лаборатории экологических биотехнологий Института проблем экологии и недропользования Академии наук Республики Татарстан, comp05@mail.ru; И.В. Князев - н.с. лаборатории экологических биотехнологий Института проблем экологии и недропользования Академии наук Республики Татарстан, kneze3@yandex.ru; Н.В. Шурмина - н.с. лаборатории эколого-аналитических измерений и мониторинга окружающей среды Института проблем экологии и недропользования Академии наук Республики Татарстан; Р. Э. Хабибуллин - д.т.н., профессор кафедры ТММП КНИТУ, hrustik@yandex.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@yandex.ru; E. R. Zainulgabidinov - Cand. Sci. (Biol.), senior researcher of the Laboratory of Ecological Biotechnologies Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, comp05@mail.ru; 1 V. Knyazev - Researcher of the Laboratory of Ecological Biotechnologies Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences, kneze3@yandex.ru; N. V. Schurmina - Researcher of the Laboratory of Ecological and Analytical Measurements and Environmental Monitoring Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences; R. E. Khabibullin - Doctor of technical sciences (Full Professor), Professor of Department of Meat and Milk Products Technology, KNRTU, hrustik@yandex.ru.

методом биотестирования с использованием равноресничных инфузорий Paramecium caudatum Ehrenberg.