Влияние остаточного содержания нефтепродуктов на токсикологические характеристики рекультивированных почв

УДК 631.453

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

ВЛИЯНИЕ ОСТАТОЧНОГО СОДЕРЖАНИЯ НЕФТЕПРОДУКТОВ НА ТОКСИКОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РЕКУЛЬТИВИРОВАННЫХ ПОЧВ

Ключевые слова: нефтепродукты, нефтяное загрязнение, почвы, фитотоксичность, зоотоксичность.

При использовании фито- и зоотоксикологических критериев исследовано влияние различных уровней остаточного содержания нефтепродуктов после проведения рекультивационных и иных восстановительных работ на ряд почв Чувашской Республики. Представлены результаты токсикологического тестирования нефтезагрязненных почв на высших растениях и энхитреидах, водных вытяжек из почв на высших растениях и гидробионтах.

Key words: petroleum products, oil pollution, soil, phytotoxicity, zootoxicity.

Using the phyto- and zootoxicity criteria the effect of different levels of residual content of oil products after remediation and other rehabilitation activities on a number of soils in Chuvash Republic is determined. The results of toxicity assessment for oil-contaminated soils on higher plants and worms as well as toxicity assessment for soil-water extracts on higher plants and aquatic organisms are presented.

Введение

Нефтяное загрязнение почв приводит к серьезным изменениям их физико-химических, биологических, токсикологических характеристик. Следствием поступления поллютанта в почву является деградация ландшафтов, снижение биопродуктивности.

Планы рекультивационных мероприятий должны опираться на экспериментально определенные концентрации поллютантов, обеспечивающие сохранение способности природных экосистем к самовосстановлению, оценке их возможного воздействия на сопредельные среды и территории. Определение экологически аргументированных критериев допустимого остаточного содержания нефти и продуктов ее трансформации в почве позволяет экономически обосновано выбирать методы ликвидации последствий нефтяных разливов, обеспечивает скорейшее восстановление свойств почв, их возврат в хозяйственный оборот.

С экологической точки зрения результаты аналитического определения концентраций вредных веществ имеют относительную ценность. В конечном счете, при прогнозировании последствий, важно знать не уровни загрязнения, а вызванные ими комплексные биологические эффекты.

В настоящее время в лабораторной практике применяется ряд методов определения токсического воздействия загрязненных почвенных образцов на растения и живые организмы. Воздействие поллютантов оценивается по скорости прорастания семян и росту корней, по степени токсичности водной вытяжки для растений и гидробионтов, по «дыхательной» и ферментативной активности почвенной микрофлоры, по выживаемости и плодовитости педобионтов, по результатам вегетативных экспериментов на однодольных и двудольных растениях и другие [1-10].

Целью настоящей работы являлось получение экспериментальных данных по определению токсического действия остаточного содержания нефтепродуктов (НП) в ряде почв Чувашской Республики после проведения рекультивационных и иных восстановительных работ.

Экспериментальная часть

При проведении лабораторных экспериментов использовались образцы дерново-подзолистых (ДП), светло-серых лесных (ССЛ), серых лесных (СЛ), темно-серых лесных (ТСЛ), аллювиальных дерновых (АД) фоновых (контрольных) и загрязненных сернистой нефтью почв (горизонты А) (табл. 1).

Опытные варианты с заданными концентрациями НП готовились путем смешивания в различных соотношениях загрязненных нефтью и чистых (контрольных) образцов соответствующих почв. Концентрации НП в опытных образцах почв в экспериментах составляли в ДП - 1,2, 2,5, 3,2 и 4,8 г/кг, в ССЛ - 1,1, 1,6, 5,2 и 7,2 г/кг, в СЛ - 0,8, 1,8, 2,8 и 5,2 г/кг, в ТСЛ - 0,8, 2,2, 3,6 и 7,0 г/кг и АД -1,6, 2,9, 4,1 и 5,8 г/кг.

Зоотестирование почв осуществляли в соответствии с [9]. В качестве тест-объекта использовали рекомендованный международным стандартом вид - Enchytraeus crypticus.

Подготовку водной вытяжки из почв и биотестирование на Ceriodaphnia affinis и Paramecium caudatum проводили согласно [3, 4].

Фитотестирование в острых опытах проводили с использованием в качестве тест-объекта семян пшеницы яровой (Triticum vulgare) [1, 2]. Всхожесть семян составляла 95%.

Постановка токсикологических

экспериментов осуществлялась в лабораторных условиях при 16-ти часовом освещении «фитолампами» с интенсивностью 6000+1000 Лк. Температура окружающего воздуха составляла 21-25°С. Влажность почвы поддерживалась на уровне

60% от полной влагоемкости, плотность почвы составляла 1,15-1,25 г/см3. Для выравнивания условий культивирования местоположение вегетационных сосудов ежедневно меняли.

Для поиска действующих значений использовали регрессионный анализ, который проводили при условии, что статистически отличающимися от контроля являются не менее 3 значений рассматриваемых концентраций.

Результаты и обсуждение

Физико-химические свойства исследуемых почв

Исследуемые почвы отличались, как гранулометрическим составом, так и содержанием органического вещества, подвижного фосфора и калия. Проведенные анализы показали, что содержание органического вещества в ДП почве было среднее, характерное для данного типа почв (табл. 1), реакция среды близкая к нейтральной, обеспеченность подвижным фосфором и калием -повышенная (III группа обеспеченности). В ССЛ почве содержание органического вещества было довольно низкое для данного подтипа почвы. Реакция среды была кислая при средней обеспеченности подвижным фосфором (IV группа) и очень высокой обеспеченности подвижным калием (I группа обеспеченности). Довольно низким содержанием органического вещества

характеризовалась и СЛ почва. Реакция среды в ней была близкой к нейтральной при очень высокой обеспеченности подвижным фосфором и калием. В отличие от вышерассмотренных почв, в ТСЛ содержание органического вещества приближалось к верхнему пределу, характерному для данного подтипа почв. Реакция среды была нейтральной, обеспеченность подвижным фосфором высокая (II), подвижным калием - очень высокая (I). АД почва характеризовалась средним содержанием органического вещества среднее при практически нейтральной реакция среды и повышенной обеспеченностью подвижными формами фосфора и калия (III группа).

Таблица 1 - Характеристики фоновых (контрольных) образцов изучаемых почв

Всхожесть семян растений является самым распространенным показателем, на основании которого проводят оценку степени токсичности почвы [11-14]. Наши исследования показали, что

данный критерий при оценке степени токсичности нефтезагрязненных почв является недостаточным т.к. в испытанном диапазоне концентраций НП на всех почвах всхожесть семян составила не менее 95% и не отличалась от контрольных значений.

Согласно [15], действующей концентрацией (ДК) может быть признана такая концентрация вещества, которая вызывает торможение развития корней проростков не менее чем на 20% относительно контроля (ДК20).

С целью определения влияния НП на начальные этапы развития растений были проведены «контактные» острые токсикологические эксперименты с использованием в качестве тест-объекта семян пшеницы яровой (Triticum vulgare). Эксперименты позволили выявить взаимосвязь между концентрацией НП в почве и изменением длины корней пшеницы, которая, в той или иной мере прослеживалась во всех вариантах опытов на всех исследованных подтипах почв.

В экспериментах на ДП, ССЛ почвах ингибирование роста корней пшеницы регистрировалось во всех вариантах, содержащих НП. В ТСЛ и АД почвах ингибирующее действие НП на семена пшеницы проявлялось при концентрациях выше 2,2 и 2,9 г/кг, соответственно, а в СЛ при концентрации поллютанта выше 1,1 г/кг.

По результатам проведенных

экспериментов расчетным методом были определены концентрации НП в почвах, при которых не проявляется фитотоксическое действие на тест-культуру [2,15]. Принимая во внимание [10], для изучаемых почв были также рассчитано содержание НП при котором наблюдалось 50% ингибирование роста корней пшеницы (ДК50). Полученные формулы и результаты расчетов представлены в таблице 2.

Таблица 2 - Концентрации НП в почвах, не оказывающие острого токсического действия и отрицательного воздействия на рост корней пшеницы

Тип почвы Уравнение линейной регрессии R2 ДК50, г/кг ДК20, г/кг

ДП y = 11,417х+16,033 0,72 3,0 0,4

ССЛ y = 8,9138х+14,089 0,74 4,0 0,7

СЛ y = 11,415х+5,259 0,87 3,9 1,3

ТСЛ y = 9,0911х-2,9733 0,98 5,8 2,5

АД y = 14,484х-2,5851 0,94 3,6 1,6

Биотестирование водной вытяжки из почв на пшенице

Наряду с методикой выполнения измерений всхожести семян и длины корней проростков высших растений при определении токсичности техногенно загрязненных почв «контактным» методом [1], в токсикологическом тестировании используется метод, в котором обоснование класса опасности осуществляется по фитотоксичности водной вытяжки из загрязненных почв [2], который также был использован при проведении исследований.

Гу- N Р pH P K Г ранулометрический состав, %

мус вал вал вод подв подв 1,0- 0,25- 0,05- 0,01- 0,005- <

% мг/100 г 0,25 0,05 0,01 0,005 0,001 0,001

Дерново-подзолистая

2,7 0,09 0,14 5,42 12,5 17,2 45,12 22,73 15,00 3,80 4,45 8,90

Светло- серая лесная

2,8 0,31 0,26 4,9719,5 36,4 45,72 24,73 8,55 3,35 4,70 12,95

Серая лесная

6,1 0,33 0,25 6,47 27,6 50,3 0,80 18,05 22,35 9,10 16,70 33,00

Темно-серая лесная

7,9 0,07 0,20 7,04 17,8 26,0 1,16 16,84 47,90 7,65 10,65 15,80

Аллювиальная дерновая

4,9 0,17 0,20 8 11,5 10,3 18,20 9,65 32,70 10,8 10,60 18,05

Биотестирование почв на пшенице

Тестирование водной вытяжки

рассматриваемых подтипов почв на семенах пшеницы показало, что содержание НП в них в испытанном диапазоне концентраций фактически не сказывалось на скорости роста корней пшеницы.

Увеличение содержания НП в ДП и ССЛ почвах приводило к незначительному снижению длины корней тест-растения (менее, чем на 20%). Для водной вытяжки из СЛ почвы была характерна прямая зависимость между длиной корней и содержанием НП в опытных пробах. В водной вытяжке из АД почвы, при содержании НП в образцах до 2,9 г/кг также наблюдалась стимуляция роста корней пшеницы (гормезис). При более высоком содержании НП в почве отмечалось не достоверное снижение скорости роста проростков корней пшеницы. Таким образом, результаты исследования водной вытяжки из

нефтезагрязненных почв не выявили зависимостей между фитотоксичностью и концентрацией НП в почве.

Определение плодовитости ЕпоЬ^гавив огурИоиэ в хронических опытах

Почвенная фауна является неотъемлемым компонентом природных экосистем, требующим особого внимания для поддержания ее жизнедеятельности. Она играет ключевую роль в экосистемах, определяя их устойчивость к негативным факторам. Масштаб деятельности почвообитающих беспозвоночных, которые составляют 90-95% по биомассе и числу видов от всего населения наземных экосистем, в почве очень велик. Данные, касающиеся роли почвообитающих животных в поддержании и повышении почвенного плодородия, сведены во многих известных в России и за рубежом научных сборниках и монографиях [16-18].

Рассматривая вопросы, связанные с изменением физических свойств почв, прежде всего, следует отметить, что животные, роющие ходы в почве, способствуют формированию почвенной структуры. Своей активностью они улучшают водно-воздушный режим, создают систему аэрации минерального субстрата и корней растений. В целом, роющая деятельность животных имеет большое значение для поддержания биологической активности почвы и роста корней растений.

В почвенных сообществах беспозвоночных большую роль играет сапрофитная группа -потребители разлагающихся органических остатков. Четкая реакция почвенных животных на изменение свойств почвы была положена М.С.Гиляровым [16] в основу зоологического метода диагностики почвы. Поскольку при различных техногенных воздействиях могут резко изменяться свойства почвы, почвенные животные могут быть использованы как индикаторы степени нарушенности биогеоценозов.

Зарубежные исследования последних десятилетий, показали, что семейство Enchytraeidae является наиболее адекватным при оценке условий обитания живых организмов в почве [19], что

определило выбор червей Enchytraeus crypticus в качестве тест-объекта при лабораторном токсикологическом тестировании нефтезагрязненных почв, которое проводилось согласно международному стандарту [9].

Данные, полученные в лабораторных острых и хронических тестах, были подвергнуты дисперсионному анализу. В качестве дополнительного критерия проводилось сравнение групповых средних дисперсионного комплекса методом Шеффе, который одинаково применим и к равно-, и к неравновеликим по составу группам [20].

Анализ полученных данных, при высоком уровне значимости (а = 0,01) не выявил влияния испытанных концентраций на смертность и плодовитость тест-объекта Enchytraeus crypticus. Рассматриваемые критерии достоверно не отличались от контрольных значений даже в вариантах с максимальным содержанием НП во всех рассматриваемых подтипах почв, что вероятно определяется отсутствием в рекультивированных образцах легких токсичных фракций и наличием более «тяжелых» компонентов, характерных для второго этапа деградации нефти в почве [21].

Влияние водной вытяжки из почв на выживаемость гидробионтов

Тестирование водной вытяжки из загрязненных почв с использованием в качестве тест-объекта равноресничной инфузории Paramecium caudatum, не выявило наличие острого токсического действия при всех испытанных концентрациях НП в изучаемых почвах.

Анализ действия водной вытяжки из нефтезагрязненных почв на Ceriodaphnia affinis в испытанном диапазоне концентраций также не выявил ее острого токсического действия, критерием которого является смертность 50% и более тест-организмов. В тоже время, в водной вытяжке из ТСЛ и АД почв, содержащих НП в концентрации 5,8 и 7,0 г/кг, наблюдалась 30% и 20% смертность ветвистоусых рачков.

Полученные в ходе токсикологических анализов водной вытяжки результаты показывают отсутствие токсического воздействия на сопредельные среды и территории при попадании на них талых и дождевых вод с участков загрязненных ДП, ССЛ, СЛ, ТСЛ и АД почв, содержащих НП в испытанном диапазоне концентраций.

Заключение

Полученные в экспериментах результаты показали, что в испытанном диапазоне поллютанта не наблюдается токсическое действие водной вытяжки из почв на гидробионтов и высшие растения, что исключает вероятность загрязнения сопредельных сред и территорий нефтяными компонентами и их метаболитами талыми и ливневыми водами с рекультивированных территорий.

Остаточное содержание НП в рекультивированных почвах не оказывает

воздействие на смертность и плодовитость червей Enchytraeus crypticus.

Ингибирующее действие нефтепродуктов выявлено при токсикологическом тестировании почв «контактным» методом при использовании в качестве тест-объекта пшеницы яровой (Triticum vulgare), не действующие и острые токсичные концентрации в почвах для которого составили (ДК50/ДК20) на ДП - 3,0/0,4 г/кг; на ССЛ - 4,0/0,7 г/кг; на СЛ - 3,9/1,3 г/кг; ТСЛ - 5,8/2,5 г/кг; АД -3,6/1,6 г/кг.

Результаты проведенных исследований были использованы в качестве основы при разработке региональных нормативов допустимого остаточного содержания нефтепродуктов в почве после проведения рекультивационных и иных восстановительных работ в Чувашской Республике [22].

Литература

1. 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.

2. 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.

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

4. 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 методом биотестирования с использованием равноресничных инфузорий Paramecium caudatum Ehrenberg, Москва, 2006, 42 с.

5. А.М. Петров, Э.Р. Зайнулгабидинов, Л.М. Сунгатуллина, Р.Р. Шагидуллин, Д.В. Иванов, О.Ю. Тарасов, Б.Р. Григорьян, Вестник Казанского технологического университета, 23, 129-136 (2011).

6. А. М. Петров, Э. Р. Зайнулгабидинов, Р. Р. Шагидуллин, Д.В. Иванов, Т.В. Кузнецова, Л.К. Каримуллин, Вестник Казанского технологического университета, 20, 265-270 (2013).

7. Р.Р. Шагидуллин, А.М. Петров., Д.В. Иванов, О.Ю. Тарасов, Р.А. Шагидуллина, М.А. Буфатина, Экология и промышленность России, июнь, 24-28 (2011).

8. Ф.Х. Хазиев, Методы почвенной энзимологии. Наука, Москва, 2005, 252 с.

9. ISO 16387:2004(E). Soil quality - Effects of pollutants on Enchytraeidae (Enchytraeus sp.) - Determination of effects on reproduction and survival, ISO, 2004, - 24. p.

10. ГОСТ Р ИСО 22033-2009. Качество почвы. Биологические методы. Хроническая токсичность в отношении высших растений. Стандартинформ, Москва, 2010, 15с.

11. Chaineau C.H., Water, Air, Soil Pollut., 144, 419-440 (2003).

12. Gong P., Chemosphere, 44, 491-500 (2001).

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

14. Селивановская С.Ю. Обоснование подходов к оценке и нормированию воздействия осадков сточных вод на природные среды: Дис. ... докт. биол. наук. - Казань, 2004, 346 с.

15. Методические рекомендации по гигиеническому обоснованию ПДК химических веществ в почве (утверждены 5 августа 1982 г. № 2609-82).

16. Гиляров М.С. Зоологический метод диагностики почв. Наука, М, 1965, 278 с.

17. Криволуцкий Д. А. Основные направления современной почвенной зоологии. Почвенная фауна Северной Европы. Наука, М, 1987, 11-18.

18. Стриганова Б.Р. Питание почвенных сапрофагов. Наука, М, 1980, 243 с.

19. Jansch, S, Rombke J,. Didden W. Ecotox. and Envir. Safety 62, 266-277 (2005).

20. Лакин Г.Ф. Биометрия. Высшая школа, М, 1990, 352 с.

21. Т. И. Артемьева Комплексы почвенных животных и вопросы рекультивации техногенных территорий. Наука, Москва, 1989. 112 с.

22. Постановление КМ Чувашской Республики «Об утверждении нормативов допустимого остаточного содержания нефти и продуктов её трансформации после проведения рекультивационных и иных восстановительных работ в дерново-подзолистых, светло-серых лесных, серых лесных, тёмно-серых лесных и аллювиальных дерновых почвах для земель сельскохозяйственного назначения, лесного фонда и особо охраняемых территорий и объектов на территории Чувашской Республики» от 24.01.2013 г. № 6.

© А. М. Петров - к.б.н., зав. лаб. экологических биотехнологий Института проблем экологии и недропользования АН РТ; Э. Р. Зайнулгабидинов - к.б.н., с.н.с. той же лаборатории; И. В. Князев - н.с. той же лаборатории; Р. Э. Хабибуллин - к.т.н., доцент 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@rambler.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; I. V. Knyazev -senior researcher of the Laboratory of Ecological Biotechnologies Research Institute for Problems of Ecology and Mineral Wealth Use of Tatarstan Academy of Sciences; R. E. Khabibullin - Cand. Sci. (Tech.), Associate professor, Depatment of Meat and Milk Products Technology, hrustik@yandex.ru.