Влияние загрязнения почвы нефтепродуктами на рост secalecereale L. и перспективы ее использования при фиторемедиации

УДК 631.427.12

В. А. Мязин, В. В. Редькина

Влияние загрязнения почвы нефтепродуктами на рост Secale cereale L. и перспективы ее использования при фиторемедиации

V. A. Myazin, V. V. Redkina

The impact of soil contamination by oil products on the growth of Secale cereale L. and prospects for its use in phytoremediation

Аннотация. В работе проведена оценка влияния загрязнения почвы светлыми и темными нефтепродуктами на рожь многолетнюю (Secale cereale L.) и рассмотрена перспектива использования данного растения при фиторемедиации. Установлены остаточные концентрации нефтяных углеводородов в почве, при которых возможно проведение фиторемедиации с использованием ржи многолетней - не более 5 г/кг для светлых и не более 13 г/кг для темных нефтепродуктов.

Abstract. In the paper the effect of soil contamination by light and dark oil products on a rye (Secale cereale L.) and the prospects of using the plants with phytoremediation have been evaluated. Residual hydrocarbon oil concentration in the soil has been determined, phytoremediation may conduct not more than 5 g/kg of light and not more than 13 g/kg of dark oil.

Ключевые слова: фиторемедиация, Secale cereale L., нефтепродукты, агрозём Al-Fe-гумусовый. Key words: phytoremediation, Secale cereale L., petroleum products, cultivated Al-Fe-humus soil.

Введение

В последнее время было проведено множество исследований, направленных на изучение реакции растений на загрязнение почвы нефтью и нефтепродуктами (НП) как в природных условиях на территориях нефтяных разливов, так и в лабораторных условиях с использованием различных тест-растений. Показано как положительное, так и отрицательное влияние нефти и НП на растения, зависящее от концентрации и типа нефтепродуктов, продолжительности и условий воздействия, вида растений, почвенно-климатических условий и др.

Обнаружено, что невысокие концентрации нефти и НП в почве (по разным данным, до 5 %) не оказывают достоверного влияния или даже стимулируют рост растений, увеличивая такие показатели, как всхожесть, биомассу, длину надземной и подземной части, ассимиляционную поверхность, содержание хлорофилла в листьях [1-3]. При увеличении содержания нефти в почве начинает оказываться ингибирующее влияние НП - снижение скорости прорастания семян и их количества, торможение роста растения и смещение фаз развития [4-7].

Различные растения в одинаковых условиях по-разному реагируют на действие одних и тех же нефтепродуктов. В результате многочисленных исследований удалось установить наиболее устойчивые к нефтяному загрязнению виды растений, которые впоследствии можно использовать на этапе фиторемедиации загрязненных почв. Среди таких растений встречаются как дикорастущие, так и окультуренные виды -кукуруза, подсолнечник, зеленые бобы, соя, рожь многолетняя, овсяница луговая, волоснец песчаный, двукисточник тростниковидный, кострец безостый, бодяк щетинистый [2; 7-11].

По результатам полевых исследований, проведенных на территории Мурманской области сотрудниками Института проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН, выявлено, что рожь многолетняя проявляла устойчивость к загрязнению почвы нефтепродуктами.

Цель данной работы - оценить способность ржи к росту на почвах, загрязненных светлыми и темными продуктами переработки нефти, а также перспективы ее использования для фиторемедиации загрязненной почвы в условиях Кольского Севера.

Для этого был заложен полевой модельный эксперимент с разной степенью загрязнения почвы светлыми и темными НП. Район проведения работ находился в Мурманской области, в 2-х км южнее г. Апатиты (67°32'55.84", N 33°22'2.53"E, 120 м над ур. моря) на территории Полярной опытной станции ГНУ ВНИИР им. Н. И. Вавилова. По физико-географическим характеристикам район находится в пределах северной тайги. Почва на участке проведения полевого опыта - агрозём Al-Fe-гумусовый на песчаных озерно-ледниковых отложениях. Пахотный горизонт 0-20 см. Почва характеризуется слабокислой или

нейтральной реакцией среды (рНвод Mg - 0,41 мг-экв/100 г.

6,3-6,6), содержание С - 3,38 %, N - 0,3 %, Са - 2,26 мг-экв/100 г,

Материалы и методы

В качестве загрязняющего вещества использовали дизельное топливо (ДТ) марки Л-0,2-62 в количестве 1,4, 2,8 и 14 л/м2 и мазут топочный марки М-100 в количестве 1,3, 2,6 и 7,5 л/м2. После внесения НП почву не перемешивали. Площадь каждого варианта 1 м2.

Через год после загрязнения для определения степени фитотоксичности почвы и возможности проведения этапа фиторемедиации на опытные участки была посеяна рожь многолетняя (Secale сегеа1е L.) сорта Хибины-2 (норма посева - 26 г/м2). Перед посевом в почву внесли азотно-фосфорно-калийное удобрение "Азофоска" (Нитроаммофоска) марки №К (МОР) с содержанием действующих веществ - N - 16 %, Р205 - 16 %, К20 - 16 % в количестве 60 г/м2.

Через 3 месяца после посева в конце вегетационного периода провели учет фитомассы и высоты надземной части растений, количества и массы колосьев. Определение массовой доли НП в почве проводили согласно ПНД Ф 16.1:2.2.22-98 методом ИК-спектрометрии с использованием анализатора АН-2 [12]. Влажность почвы определяли общепринятым методом, высушивая навеску почвы при 105 °С до постоянного веса. Определение актуальной кислотности почвы проводили потенциометрическим методом на рН-метре с комбинированным электродом.

Результаты

К моменту посева семян наиболее токсичные летучие компоненты нефтепродуктов испарились, а валовое содержание углеводородов в слое почвы 0-10 см снизилось. В таблице представлены данные по содержанию НП в слое почвы 0-10 см через сутки после загрязнения и через 1 год.

Таблица

Содержание НП в слое почвы 0-10 см

Внесено в почву НП, л/м ДТ 1,4 ДТ 2,8 ДТ 14 Мазут 1,3 Мазут 2,6 Мазут 7,5

Содержание НП через 1 сут, г/кг 5,61 ± 0,43 17,79 ± 0,30 23,59 ± 0,56 3,47 ± 0,13 4,80 ± 0,12 25,30 ± 0,97

Содержание НП через 1 год, г/кг 0,55 ± 0,03 3,24 ± 0,17 5,28 ± 0,25 1,66 ± 0,09 2,58 ± 0,13 13,49 ± 0,67

Полученные данные показали, что перед посевом ржи в вариантах с низкой и средней дозой загрязнения ДТ и низкой дозой загрязнения мазутом процессы самоочищения привели к снижению содержания НП ниже значений ОДК - 4 г/кг для светлых НП и 2 г/кг для темных НП [13]. В вариантах с более высокой исходной степенью загрязнения содержание НП превышало ОДК. Влажность почвы в начале вегетационного периода на разных участках составляла от 29 до 36 %, что близко к значениям влажности незагрязненной почвы. Актуальная кислотность почвы - 6,1-6,2 ед. рН.

В результате учета, проведенного в конце вегетационного периода, установлено следующее. Достоверное снижение высоты растений от 10 до 48 % наблюдали на участках с исходно высокой степенью загрязнения мазутом и ДТ. В то же время на участке с низким уровнем загрязнения мазутом отмечали увеличение высоты растений ржи многолетней на 17 % (рис. 1, а). Наименьшее значение фитомассы надземной части растений также характерно для участков с высокой степенью загрязнения. Так, при высоком уровне загрязнения ДТ фитомасса не превышала 3 % от контрольного значения, при высоком уровне загрязнения мазутом - 38 %. Более низкое содержание нефтепродуктов привело к увеличению фитомассы. В большей степени это проявилось при загрязнении почвы мазутом, где значение фитомассы увеличилось в 1,5-2,7 раза (рис. 1, б).

100 80 60 40 20 0

и

1500

1200

900

600

300

б

¿1

гЬ

II

Рис. 1. Средняя высота (а) и фитомасса (б) надземной части растений ржи многолетней в конце вегетационного периода: 1 - контроль; 2 - ДТ 1,4 л/м2; 3 - ДТ 2,8 л/м2; 4 - ДТ 14 л/м2; 5 - мазут 1,3 л/м2; 6 - мазут 2,6 л/м2; 7 - мазут 7,5 л/м2

а

Негативное воздействие на растения ржи высоких концентраций нефтепродуктов подтвердили данные по числу колосьев и массе одного колоса. При максимальной для данного опыта степени загрязнения ДТ количество колосьев не превышало 12 % от контрольного значения, а средняя масса колоса составляла 0,1 г, что в 5 раз ниже контрольных показателей. При высокой степени загрязнения мазутом количество колосьев составляло 3 % от контроля, а масса одного колоса - не более 0,2 г. В то же время, как и в случае с высотой и фитомассой растений, низкие концентрации нефтепродуктов, особенно мазута, привели к увеличению числа и массы колосьев (рис. 2).

140 г шт

120 -

100

80

60

40

20

б

0,8

0,6

0 4

0,2

Рис. 2. Количество колосьев (а) и средняя масса одного колоса (б) растений ржи многолетней в конце вегетационного периода: 1 - контроль; 2 - ДТ 1,4 л/м2; 3 - ДТ 2,8 л/м2; 4 - ДТ 14 л/м2; 5 - мазут 1,3 л/м2; 6 - мазут 2,6 л/м2; 7 - мазут 7,5 л/м2

Таким образом, было установлено, что почва, содержащая более 5 г/кг ДТ и 13 г/кг мазута и продуктов их трансформации, оказала отрицательное влияние на исследуемые параметры роста растений. Так, при данных концентрациях ДТ произошло уменьшение высоты растений относительно контроля на незагрязненном участке в 2 раза, фитомасса снизилась в 30 раз, количество колосьев - в 8,5 раз, средняя масса одного колоса - в 5 раз. Мазут обладает менее выраженными фитотоксичными свойствами, что привело к меньшему снижению показателей роста растений. Высота растений уменьшилась на 10 %, фитомасса снизилась в 2,5 раза, количество колосьев - в 20 раз, средняя масса колоса - в 2,5 раза.

В то же время низкие содержания НП и продуктов их трансформации в почве оказали стимулирующее влияние на рост растений, что может быть связано с усилением биологической активности углеводородокисляющих микроорганизмов и стимулированием метаболических процессов в ризосферной зоне [14]. В большей степени это характерно для участков, загрязненных мазутом при концентрации менее 3 г/кг, где высота растений увеличилась на 10-17 %, фитомасса 1,5-2,7 раза, количество колосьев -в 1,4-2,4 раза, масса одного колоса - на 17-30 %.

За 3 месяца вегетационного периода содержание НП в слое почвы 0-10 см достоверно снизилось на участках с низким и средним исходным уровнем загрязнения ДТ. При более высоком уровне загрязнения ДТ, как и при загрязнении мазутом, проведение этапа фиторемедиации не повлияло на содержание НП в почве (рис. 3).

20 г г/кг

16

12

ГШ , П

2 3 4 5 6

26.05.2013 018.09.2013

Рис. 3. Остаточное содержание нефтяных углеводородов в почве после проведения фиторемедиации:

1 - ДТ 1,4 л/м2; 2 - ДТ 2,8 л/м2; 3 - ДТ 14 л/м2; 4 - мазут 1,3 л/м2; 5 - мазут 2,6 л/м2; 6 - мазут 7,5 л/м

2

В конце вегетационного периода актуальная кислотность почвенной вытяжки достоверно не изменилась. Влажность почвы снизилась во всех вариантах, в том числе и в незагрязненной почве, и составляла от 18 до 28 %, что вызвано малым количеством осадков и относительно высокой температурой в летний период 2013 г.

Заключение

В результате проведенного исследования установлено, что почва, содержащая в слое 0-10 см более 5 г/кг светлых нефтепродуктов (ДТ) и более 13 г/кг темных нефтепродуктов (мазут), а также продуктов их трансформации, оказывает сильное токсичное действие на растения ржи многолетней, поэтому приемы фиторемедиации с использованием данного вида растений целесообразно проводить при остаточных уровнях загрязнения, не выше указанных. В то же время наличие в почве углеводородов мазута и продуктов их трансформации в количестве менее 3 г/кг привело к стимулированию роста растений.

В результате проведения фиторемедиации содержание углеводородов в почве, загрязненной ДТ в количестве 1,4 и 2,8 л/м2, снизилось на 75 % и 35 % соответственно. При загрязнении почвы мазутом приемы фиторемедиации с использованием ржи многолетней позволили снизить содержание углеводородов на 25 %.

Таким образом, показана возможность использования ржи многолетней при фиторемедиации почв, загрязненных нефтепродуктами, в условия северо-запада Европейской части России. Изучение состояния растений ржи в течение второго и последующих вегетационных периодов в ходе этапа фиторемедиации, а также возможность включения ее в ассоциации с другими видами устойчивых растений требует проведения дальнейших исследований.

Библиографический список

1. Киреева Н. А., Мифтахова А. М., Салахова Г. М. Рост и развитие растений яровой пшеницы на нефтезагрязненных почвах и при биоремедиации // Агрохимия. 2006. № 1. С. 85-90.

2. Маслова С. П., Табаленкова Г. Н. Реакция корневищного злака Phalaroides arundinacea на загрязнение почвы нефтью // Агрохимия. 2010. № 8. С. 66-71.

3. Зейферт Д. В., Гамерова Л. М. Характер зависимости между концентрацией нефти в почве и ее токсичностью // Экологический вестник России. 2012. № 12. С. 16-19.

4. Биологическая активность и микробиологическая рекультивация почв, загрязненных нефтепродуктами / В. Г. Алехин, В. Т. Емцев, Е. А. Рогозина, А. И. Фахрутдинов // Биологические ресурсы и природопользование : сб. науч. трудов. Нижневартовск : Изд-во Нижневартовского пед. ин-та, 1998. Вып. 2. С. 95-105.

5. Киреева Н. А., Мифтахова А. М., Кузяхметов Г. Г. Рост и развитие сорных растений в условиях техногенного загрязнения почвы // Вестник Башкирского университета. 2001. № 1. С. 32-34.

6. Седых В. Н., Игнатьев Л. А. Влияние отходов бурения и нефти на физиологическое состояние растений // Сибирский экологический журнал. 2002. № 1. С. 47-52.

7. Воздействие загрязнения почв дизельным топливом на растения и ризосферную микробиоту / Г. А. Евдокимова, Н. П. Мозгова, М. В. Корнейкова, И. В. Михайлова // Агрохимия. 2007. № 12. С. 49-55.

8. Dominguez-Rosado E., Pichtel J., Coughlin M. Phytoremediation of soil contaminated with used motor oil: Enhanced microbial activities fTom laboratory and growth chamber studies // Environmental Engineering Science. 2004. V. 21, N 2. P. 157-168.

9. Евдокимова Г. А., Мозгова Н. П., Михайлова И. В. Способы биоремедиации почв Кольского Севера при загрязнении дизельным топливом // Агрохимия. 2009. № 6. С. 61-66.

10. Влияние загрязнения дизельным топливом на устойчивость культур и биологическую активность выщелоченного чернозема / А. П. Денисова, Н. С. Архипова, А. Ф. Халилова [и др.] // Агрохимия. 2011. № 2. С. 41-50.

11. Маслобоев В. А., Евдокимова Г. А. Очищение почв Кольского полуострова от нефтепродуктов: сроки и способы реабилитации // мат. междунар. конф. "Окружающая среда и человек: друзья или враги?". Пущино, 2011. С. 19-23.

12. ПНД Ф 16.1:2.2.22-98. Методика выполнения измерений массовой доли нефтепродуктов в почвах и донных отложениях методом ИК-спектрометрии. М., 1998. 15 с.

13. Проблема диагностики и нормирования загрязнения почв нефтью и нефтепродуктами / Ю. И. Пиковский, А. Н. Геннадиев, С. С. Чернянский, Г. Н. Сахаров // Почвоведение. 2003. № 9. С. 1132-1140.

14. Шарапова И. Э., Маслова С. М. Биологическая активность нефтезагрязненной почвы при фиторемедиации и реакция растений на различные уровни нефтезагрязнения // Проблемы региональной экологии в условиях устойчивого развития : мат. Всерос. науч.-практ. конф. с междунар. участием. Вып. 5. Ч. 1. Киров : ВятГГУ, 2007. С. 105-108.

References

1. Kireeva N. A., Miftahova A. M., Salahova G. M. Rost i razvitie rasteniy yarovoy pshenitsy na neftezagryaznennyh pochvah i pri bioremediatsii [Growth and development of spring wheat in the oil-contaminated soils and with bioremediation] // Agrohimiya. 2006. N 1. P. 85-90.

2. Maslova S. P., Tabalenkova G. N. Reaktsiya kornevischnogo zlaka Phalaroides arundinacea na zagryaznenie pochvy neftyu [Reaction of rhizomatous cereal Phalaroides arundinacea to the soil contamination by oil] // Agrohimiya. 2010. N 8. P. 66-71.

3. Zeyfert D. V., Gamerova L. M. Harakter zavisimosti mezhdu kontsentratsiey nefti v pochve i ee toksichnostyu [The character of relationship between the oil concentration in the soil and its toxicity] // Ekologicheskiy vestnik Rossii. 2012. N 12. P. 16-19.

4. Biologicheskaya aktivnost i mikrobiologicheskaya rekultivatsiya pochv, zagryaznennyh nefteproduktami [Biological activity and microbial remediation of soils contaminated with oil products] / V. G. Alehin, V. T. Emtsev, E. A. Rogozina, A. I. Fahrutdinov // Biologicheskie resursy i prirodopolzovanie : sb. nauch. trudov. Nizhnevartovsk : Izd-vo Nizhnevartovskogo ped. in-ta, 1998. Vyp. 2. P. 95-105.

5. Kireeva N. A., Miftahova A. M., Kuzyahmetov G. G. Rost i razvitie sornyh rasteniy v usloviyah tehnogennogo zagryazneniya pochvy [Growth and development of weed plants in the conditions of technogenic contamination of soil] // Vestnik Bashkirskogo universiteta. 2001. N 1. P. 32-34.

6. Sedyh V. N., Ignatev L. A. Vliyanie othodov bureniya i nefti na fiziologicheskoe sostoyanie rasteniy [The influence of drilling waste and oil on a physiological state of plants] // Sibirskiy ekologicheskiy zhurnal. 2002. N 1. P. 47-52.

7. Vozdeystvie zagryazneniya pochv dizelnym toplivom na rasteniya i rizosfernuyu mikrobiotu [The impact of soil contaminated by diesel fuel on plants and rhizosphere microbiota] / G. A. Evdokimova, N. P. Mozgova, M. V. Korneykova, I. V. Mihaylova // Agrohimiya. 2007. N 12. P. 49-55.

8. Dominguez-Rosado E., Pichtel J., Coughlin M. Phytoremediation of soil contaminated with used motor oil: Enhanced microbial activities from laboratory and growth chamber studies // Environmental Engineering Science. 2004. V. 21, N 2. P. 157-168.

9. Evdokimova G. A., Mozgova N. P., Mihaylova I. V. Sposoby bioremediatsii pochv Kolskogo Severa pri zagryaznenii dizelnym toplivom [The methods of bioremediation of soils contaminated by diesel fuel on the Kola Peninsula] // Agrohimiya. 2009. N 6. P. 61-66.

10. Vliyanie zagryazneniya dizelnym toplivom na ustoychivost kultur i biologicheskuyu aktivnost vyschelochennogo chernozema [The impact of pollution of diesel fuel on the stability of cultures and the biological activity of leached chernozem] / A. P. Denisova, N. S. Arhipova, A. F. Halilova [i dr.] // Agrohimiya. 2011. N 2. P. 41-50.

11. Masloboev V. A., Evdokimova G. A. Ochischenie pochv Kolskogo poluostrova ot nefteproduktov: sroki i sposoby reabilitatsii [Purification of soils of the Kola Peninsula from oil products: Timing and methods of rehabilitation] // mat. mezhdunar. konf. "Okruzhayuschaya sreda i chelovek: druzya ili vragi?". Puschino, 2011. P. 19-23.

12. PND F 16.1:2.2.22-98. Metodika vypolneniya izmereniy massovoy doli nefteproduktov v pochvah i donnyh otlozheniyah metodom IK-spektrometrii [Methods of measurement of mass fraction of petroleum products in soils and sediments by IR spectroscopy]. M., 1998. 15 p.

13. Problema diagnostiki i normirovaniya zagryazneniya pochv neftyu i nefteproduktami [The problem of diagnostic and regulation of soil contamination by oil and oil products] / Yu. I. Pikovskiy, A. N. Gennadiev, S. S. Chernyanskiy, G. N. Saharov // Pochvovedenie. 2003. N 9. P. 1132-1140.

14. Sharapova I. E., Maslova S. M. Biologicheskaya aktivnost neftezagryaznennoy pochvy pri fitoremediatsii i reaktsiya rasteniy na razlichnyie urovni neftezagryazneniya [The biological activity of oil-contaminated soils at the phytoremediation and response of plants to different levels of oil pollution] // Problemy regionalnoy ekologii v usloviyah ustoychivogo razvitiya : mat. Vseros. nauch.-prakt. konf. s mezhdunar. uchastiem. Vyp. 5. Ch. 1. Kirov : VyatGGU, 2007. P. 105-108.

Сведения об авторах

Мязин Владимир Александрович - Институт проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН, канд. биол. наук; e-mail: myazin@inep.ksc.ru

Myazin V. A. - Institute of North Industrial Ecology Problems KSC RAS, Cand. of Biol. Sci.; e-mail: myazin@inep.ksc.ru

Редькина Вера Вячеславовна - Институт проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН, канд. биол. наук; e-mail: kalmykova@inep.ksc.ru

Redkina V. V. - Institute of North Industrial Ecology Problems KSC RAS, Cand. of Biol. Sci.; e-mail: kalmykova@inep.ksc.ru