Использование газонных трав для фиторемедиации почв, загрязненных нефтепродуктами

SUMMARY

O.P. Bazhenova, Ya.I. Gulchenko

Significance of the Irtysh River middle reaches phytoplankton species as an water pollution indicators

Influence of hydrological and hydro-chemical factors to the Irtysh River middle reaches phytoplankton structure (near Omsk city) during the 2014 open water period is analyzed. The canonical correspondence and correlation analysis are used. A significant influence to river's phytoplankton is established for the flow rate and water temperature, COD and BOD5. The method of calculation and interpretation of the pollution compositional variable is advanced on the basis of COD and BOD5. Using the weight-average method, values of optimum and tolerance to river pollution are calculated for the abundant phytoplankton species. Combined method of determining the weights of individual indicator species using the values of tolerance is suggested. The individual indicator weight and valence are determined due to identified values of tolerance and optimum for mass species. There was detected 31 regional indicator of water pollution degree among river phytoplankton, including 1 - clean water, 2 - polluted, 21 - dirty and 7 - very dirty water. Prevalence of dirty water indicator species points to the appropriate river pollution degree. The method of determining the regional water pollution indicators and calculation of indicator weights and valences for mass phytoplankton species is described in detail. Obtained indicators will be used for calculating the saprobity water index for Omsk Priirtyshje rivers and lakes in the Marwan-Zelinka modification.

Keywords: bioindication, phytoplankton, indicator species, water quality class, Irtysh River.

Bazhenova Olga Prokopjevna, Dr. Biol. Sci., Prof., Omsk SAU, ph. (3812) 65-46-27, e-mail: olga52@bk.ru; Gulchenko Yaroslava Ivanovna, Postgraduate, Omsk SAU, e-mail: gulchenkoyi@gmail.com.

УДК 68.75.41.34

А.В. Синдирева, С.Б. Ловинецкая, В.В. Гейс

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГАЗОННЫХ ТРАВ ДЛЯ ФИТОРЕМЕДИАЦИИ ПОЧВ, ЗАГРЯЗНЕННЫХ НЕФТЕПРОДУКТАМИ

Представлены результаты исследований по фиторемедиации почв, загрязненных нефтепродуктами, с использованием трех смесей газонных трав. Эксперимент проводился в лабораторных и полевых условиях. В лабораторном опыте были определены биометрические показатели и масса растений газонных смесей, оценено содержание нефтепродуктов в почве до и после проведения фиторемедиационных работ, а также в процессе самоочищения в отсутствии растений. Все газонные смеси при низких концентрациях нефтепродуктов в почве (40-2000 мг/кг) обладают примерно одинаковой устойчивостью. При концентрации нефтепродуктов в почве свыше 2000 мг/кг засухоустойчивая газонная смесь оказалась наиболее устойчивой. Выявлено значительное снижение содержания нефтепродуктов в почве при использовании для ремедиации почвы газонных трав в лабораторных условиях. В условиях самоочищения концентрация нефтепродуктов в почве за первые 10 суток снижается на 63-72% в образцах с начальными концентрациями нефтепродуктов 5000-1000 мг/кг. В последующие 20 суток наблюдается незначительное снижение концентрации нефтепродуктов. В образцах почвы с начальной концентрацией 10000 мг/кг содержание нефтепродуктов снижается на 41%. Фитореме-диация с использованием газонных трав более эффективна по сравнению с самоочищающей способностью почвы без использования растений для концентраций нефтепродуктов 1000-5000 мг/кг. Максимальное снижение концентрации нефтепродуктов в почве (82-96%) наблюдается при использовании для фиторемедиации засухоустойчивой газонной смеси. В полевом опыте использовалась засухоустойчивая газонная смесь. Отмечена более низкая эффективность фиторемедиационных работ в полевых условиях по сравнению с лабораторными. Содержание нефтепродуктов в городской почве в результате фиторемедиационных работ снизилось на 6-33% в течение месяца.

Ключевые слова: почва, нефтепродукты, фиторемедиация, газонные травы.

© Синдирева А.В., Ловинецкая С.Б., Гейс В.В., 2016

92

Введение

Нефтепродукты (НП) являются одним из основных загрязнителей почвенного покрова. Поступление в почву НП ведет к изменению физических, химических, биологических и микробиологических свойств. Результатом загрязнения почв НП может явиться снижение или полная утрата почвенного плодородия [1].

В рамках долгосрочной целевой программы «Об охране окружающей среды в Омской области (2010-2015)» в городе Омске и Омской области ежегодно проводятся мониторинговые исследования загрязнения почв различными токсикантами промышленного происхождения, в том числе нефтепродуктами. По данным Обь-Иртышского УГМС, в г. Омске концентрации НП в почве составляют 625-3126 мг/кг или 16-78 Ф (Ф - фоновая концентрация, для Омской области 40 мг/кг) [2].

Для решения проблемы восстановления нарушенных экосистем используются различные приемы рекультивации, в том числе фиторемедиация [3].

Цель работы - разработать научно обоснованные приемы фиторемедиации почв, загрязненных НП.

Объекты и методы исследования

Объектами исследования были образцы лугово-черноземной почвы, наиболее часто встречающейся в Омской области; газонные смеси состава, представленного в табл. 1, и нефтепродукты.

Таблица 1

Состав газонных смесей

Засухоустойчивая Спортивная Натуральная

Райграс пастбищный - 20% Овсяница красная - 20% Овсяница тростниковая - 60% Райграс пастбищный - 25% Райграс однолетний - 5% Овсяница тростниковая - 5% Овсяница луговая - 30% Тимофеевка луговая - 20% Фестулоллиум - 15% Райграс пастбищный - 20% Овсяница луговая - 40% Тимофеевка луговая - 40%

В качестве НП использовалось дизельное топливо (ДТ), соответствующее ГОСТ Р 55475-2013 «Топливо дизельное зимнее и арктическое депарафинированное» [4].

Для решения поставленной задачи было проведено два опыта: лабораторный (модельный) эксперимент и полевой.

1-й опыт. Для проведения модельного эксперимента были подготовлены образцы почв с концентрацией НП 1000; 2000; 5000 и 10000 мг/кг. В качестве контроля использовали чистую почву с начальной концентрацией НП около 40 мг/кг.

Эксперимент проводился в двух направлениях: с посевом травяных газонных смесей; без использования растений.

Посев газонных смесей проводился на 2-е сутки после загрязнения почвы. На 30-е сутки после окончания эксперимента были определены показатели роста и развития, а также концентрация НП в почве.

Для изучения самоочищающей способности почвы без использования растений оценивалась концентрация НП в почве на 10, 20 и 30-е сутки после внесения загрязнителя.

2-й опыт. Для изучения способности к фиторемедиации почв, загрязненных нефтепродуктами, в городских условиях в течение 1 месяца был проведен полевой эксперимент. Для этого в трех точках города Омска (ул. Заозерная, ул. Енисейская, ул. 24-я Северная) вблизи автотрасс с разной интенсивностью движения, на расстоянии 20-25 м от проезжей части, была высажена засухоустойчивая смесь газонных трав. Для оценки содержания НП почвенные образцы отбирались до посева растений и после окончания эксперимента.

Содержание НП в почве определяли методом ИК-спектрометрии [5].

Опыт проводили в трехкратной повторности.

Результаты исследований

При изучении воздействия НП на биометрические показатели и массу растений было выявлено, что все исследуемые показатели снизились при повышении концентрации НП в почве (рис. 1).

Высота проростков изменялась практически одинаково для растений исследуемых газонных смесей. Данный показатель засухоустойчивой газонной смеси при изменении концентрации НП от 40 до 10000 мг/кг снижался на 28,6%, спортивной - на 29%, натуральной -на 33%. Масса проростков (г/сосуд) изменялась неодинаково. Например, для засухоустойчивой смеси этот показатель снижался для того же исследуемого диапазона концентраций НП на 19%, спортивной - на 32%, натуральной - на 35%.

Установлено, что корневая система больше подвержена воздействию НП, чем наземная часть растений. Длина корней при повышении концентрации НП в почве от 40 до 10000 мг/кг снизилась для засухоустойчивой газонной смеси на 48%, спортивной - на 56%, натуральной -на 58%. Масса корней растений (г/сосуд) засухоустойчивой газонной смеси снизилась на 70%, спортивной - на 75%, натуральной - на 86%.

Рис. 1. Влияние нефтепродуктов: а, б - на биометрические показатели; в, г - на массу растений

При изменении концентрации НП в почве от 40 до 2000 мг/кг высота проростков снизилась на 10-11% по сравнению с контролем, масса проростков - на 10-16%, длина корней на 31-35%, масса корней - на 40-43% для всех исследуемых смесей, что говорит о примерно одинаковом воздействии на них концентраций нефтепродуктов этого диапазона.

Нефтепродукты образуют на поверхности раздела твердой и жидкой фаз почвы поверхностную пленку, что ухудшает влагообеспеченность растений. Вероятно, по этой причине

наибольшей устойчивостью к воздействию НП с концентрацией их в почве выше 2000 мг/кг обладает засухоустойчивая газонная смесь.

В условиях самоочищения почвы при отсутствии растений основное максимальное снижение содержания НП для образцов с начальными концентрациями 1000-5000 мг/кг произошло в течение первых 10 суток в результате процессов испарения и фотохимического окисления (рис. 2). Содержание НП в образцах с начальной концентрацией 1000 мг/кг на 30-е сутки снизилось на 76%, с концентрацией 2000 мг/кг - на 73%, с концентрацией 5000 мг/кг - на 65%.

При максимальной для данного эксперимента начальной концентрации загрязнителя 10000 мг/кг содержание НП снизилось лишь на 27% за первые 10 суток и продолжало равномерно снижаться, достигнув 41% очищения на 30-е сутки.

В образцах незагрязненных почв, используемых в качестве контроля, количество НП по истечению 30 суток практически не изменилось.

Рис. 2. Изменение концентрации НП в почве в условиях самоочищения

К концу опыта (табл. 2) снижение содержания НП до допустимого уровня загрязнения (< 1000 мг/кг) произошло в образцах почв с исходной концентрацией НП 1000 и 2000 мг/кг. Количество НП в почве с концентрацией 5000 мг/кг достигло среднего уровня загрязнения (от 2000 до 3000 мг/кг), а с концентрацией 10000 мг/кг осталось по-прежнему на очень высоком уровне загрязнения (> 5000 мг/кг) [6].

Эффективность проведения фиторемедиации в условиях модельного эксперимента оценивалась для трех смесей газонных трав во всем диапазоне исследуемых концентраций НП в почве на 30-е сутки с момента посева растений (табл. 2).

Таблица 2

Изменение содержания НП в почве в условиях модельного эксперимента

Вид смеси Доза внесения нефтепродуктов, мг/кг

Контроль 1000 2000 5000 10000

Засухоустойчивая 37,23 ± 9 40,2 ± 10 201,2 ± 50 998,5 ± 250 5189,01 ± 1297

Натуральная 39,68 ± 10 75,9 ± 19 246,1 ± 62 1143,5 ± 286 5423,1 ± 1356

Спортивная 37,75 ± 9 64,5 ± 16 228,6 ± 57 1096,5 ± 274 5433 ±1358

Без растений 40,0 ± 10 239 ± 60 541±135 1749±437 5889 ±1472

В образцах почвы с исходной концентрацией загрязнителя 1000 мг/кг произошло снижение содержания НП на 92-96%, с концентрацией 2000 мг/кг - на 88-91%, с концентрацией 5000 мг/кг - на 78-82%. В образцах почв с засухоустойчивой газонной смесью это снижение произошло в большей степени.

На всех образцах с концентрацией загрязнения НП 10000 мг/кг растения были сильно угнетены, что привело к тому, что концентрация НП снизилась всего на 46-48%. Использование газонных смесей не способствовало снижению содержания НП до безопасного уровня для данной начальной концентрации, однако позволило ускорить процесс очищения почвы по сравнению с вариантами, на которых растения не выращивались.

В контрольных образцах достоверного снижения содержания НП в слое почвы в течение вегетационного периода не произошло.

Фиторемедиация почвы в лабораторных условиях была более эффективна по сравнению с процессом самоочищения без использования растений. Содержание загрязнителя снизилось в почвенных образцах с начальной концентрацией 1000 мг/кг на 16-20%, с концентрацией 2000 мг/кг - на 15-18%, с концентрацией 5000 мг/кг - на 12-17% и с концентрацией 10000 мг/кг - на 5-7%.

В условиях полевого опыта была использована засухоустойчивая газонная смесь в связи с ее большей устойчивостью по отношению к НП в почве. Было отмечено снижение концентрации НП в почве на всех опытных участках (рис. 3).

ул. Заозерная ул. Енисейская ул. 24-ал Северная

нде ^тгаре'/едиэции  после фгораавдпцм

Рис. 3. Изменение содержания НП в почве в условиях полевого эксперимента

Эффективность процесса фиторемедиации определялась в процентах по снижению концентрации НП в почве после окончания эксперимента. Содержание НП в почве по ул. Заозерная снизилось на 24%, по ул. Енисейская - на 33%, по ул. 24-я Северная - на 6%.

Разные результаты в модельном и полевом опыте можно объяснить оптимальным температурным режимом и своевременным поливом при проведении модельного эксперимента, а также постоянным антропогенным поступлением в почвы НП в городских условиях.

Выводы

1. Все газонные смеси при низких концентрациях НП в почве (40-2000 мг/кг) обладают примерно одинаковой устойчивостью. Наиболее устойчивой к загрязнению почвы НП концентрацией свыше 2000 мг/кг является засухоустойчивая газонная смесь.

2. В условиях самоочищения концентрация НП в почве за первые 10 суток снижается на 63-72% в образцах с начальными концентрациями НП 5000-1000 мг/кг. В последующие 20 суток наблюдается незначительное снижение концентрации НП. В образцах почвы с начальной концентрацией 10000 мг/кг содержание НП снижается на 41%.

3. Фиторемедиация с использованием газонных трав более эффективна по сравнению с самоочищающей способностью почвы без использования растений для концентраций НП

1000-5000 мг/кг. Максимальное снижение концентрации НП в почве (82-96%) наблюдается при использовании для фиторемедиации засухоустойчивой газонной смеси.

4. В условиях полевого эксперимента содержание НП в городской почве снизилось на 6-33% в течение месяца.

Список литературы

1. Гогмачадзе, Г.Д. Агроэкологический мониторинг почв и земельных ресурсов Российской Федерации / Г.Д. Гог-мачадзе ; предисл. и общ. ред. Д.М. Хомякова. - М. : Изд-во Моск. ун-та, 2010. - 592 с.

2. О состоянии и об охране окружающей среды Омской области в 2013 году / Мин-во природных ресурсов и экологии Омской области. - Омск : Изд-во ОмГПУ, 2014. - 208 с.

3. Нуянзина, Е.В. Фиторемедиация: преимущества, ограничения, состояние на сегодня / Е.В. Нуянзина, Т.В. Ковальская. - Томск : ТУСУР, 2009. - 24 с.

4. ГОСТ Р 55475-2013. Топливо дизельное зимнее и арктическое депарфинированное. Технические условия. - Введ. 2014-07-01. - М. : Стандартинформ, 2013. - 9 с.

5. 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.

6. Технологии восстановления почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами : справочник / Н.Ю. Гре-чищева [и др.]. - М. : РЭФИА ; НИА-Природа, 2003. - 258 с.

Синдирева Анна Владимировна, доктор биол. наук, доцент, Омский ГАУ, тел. (3812) 65-46-27, e-mail: sindireva72@mail.ru; Ловинецкая Светлана Борисовна, старший преподаватель, Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия, e-mail: a.lovin@mail.ru; Гейс Виалетта Викторовна, магистрант, Омский ГАУ, e-mail: witylik@mail.ru.

SUMMARY

A. V. Sindireva, S.B. Lovinetckaia, V. V. Geys

The use of lawn grasses for phiytoremediation of soils contaminated

with petroleum products

The results of studies on phytoremediation of soils contaminated with petroleum products, using three mixtures of lawn grasses. The experiment was conducted in laboratory and field conditions. In a laboratory experiment were determined for biometric indices and mass plants grass seed mixtures, measured oil content in soil before and after phyto-remediation works, as well as in the process of self-purification in the absence of plants. All grass seed mixtures at low concentrations of petroleum products in soil (40-2000 mg/kg) have approximately the same resistance. When the concentration of petroleum products in soil in excess of 2000 mg/kg of drought-resistant grass seed mixture appeared to be the most sustainable. A significant decrease in the content of oil products in the soil when used for remediation of soil turfgrass in the laboratory. In terms of self-purification, the concentration of petroleum products in the soil during the first 10 days decreases by 63-72% in samples with initial concentrations of 5000 petroleum products - 1000 mg/kg. In the next 20 days there has been a slight decrease in the concentration of petroleum products. In soil samples with an initial concentration of 10000 mg/kg petroleum products content is reduced by 41%. Phytoremediation with the use of lawn grasses are more effective in comparison with self-cleaning capacity of the soil without the use of plants to concentrations of petroleum products 1000-5000 mg/kg. the maximum decrease in the concentration of petroleum products in the soil 82-96% is observed when used for phytoremediation of drought-resistant grass seed mixtures. In a field experiment were used drought-tolerant grass seed mixture. Was observed lower efficacy of the phytoremediation works in field conditions compared to laboratory. The petroleum products content in the urban soil resulting from the phytoremediation works decreased 6-33% during the month.

Keywords: soil, petroleum, phytoremediation, lawn grass.

Sindireva Anna Vladimirovna, Dr. Biol. Sci., Assoc. Prof., Omsk SAU, ph. (3812) 65-46-27, e-mail: sindire-va72@mail.ru; Lovinetckaia Svetlana Borisovna, Senior Lecturer, Siberian state automobile and highway Academy, e-mail: a.lovin@mail.ru; Geys Violetta Viktorovna, Undergraduate, Omsk SAU, e-mail: witylik@mail.ru.