Фитодиагностика нефтяного загрязнения чернозема выщелоченного в условиях модельного эксперимента

УДК 631.427.1

ФИТОДИАГНОСТИКА НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ЧЕРНОЗЕМА ВЫЩЕЛОЧЕННОГО В УСЛОВИЯХ МОДЕЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА

С.Я. Трофимов, А.Д. Фокин, Е.И. Дорофеева, Ю.П. Кошелева

Загрязнение почв нефтью и нефтепродуктами вызывает глубокие и часто необратимые изменения морфологических, физических, физико-химических, микробиологических свойств, что приводит к потере плодородия, нарушению функционирования почвы в природных и агроэкосистемах, отторжению загрязненных земель из сельскохозяйственного использования. Такое загрязнение является практически неизбежным следствием добычи и переработки нефти, поэтому наряду с совершенствованием технологий рекультивации нефтезагрязненных почв актуальной является проблема разработки нормативов допустимого остаточного содержания нефти в почвах (ДОСНП) после проведения рекультивационных работ.

Несмотря на наличие общих черт внутрипочвен-ной деструкции нефти в почвах различных типов и биоклиматических зон, скорость естественного самоочищения почв сильно различается в зависимости от конкретного сочетания факторов почвообразования, а также состава нефти или нефтепродуктов [1]. В связи с этим при разработке нормативов допустимого содержания нефти представляется необходимым учитывать зонально-климатические особенности, ланд-шафтно-литолого-геоморфологические условия, хозяйственный и экологический статус территории, возможность самоочищения почв от нефтяного загрязнения до допустимого уровня во избежание нанесения большего ущерба окружающей среде в процессе очистки территории; совместное негативное воздействие нефтепродуктов и сопутствующих загрязняющих веществ (легкорастворимых солей, тяжелых металлов и других ксенобиотиков) [2]. В связи с вышесказанным не может быть предложено единого допустимого уровня загрязнения почв для всей территории России. Рассмотрение функций, выполняемых почвой в наземных экосистемах и биосфере в целом, а также общих принципов экологического нормирования позволяет заключить, что допустимым уровнем содержания нефти в почве следует считать такой, при котором не наблюдается значимого отрицательного влияния на сопредельные среды (атмосферный воздух, поверхностные и грунтовые воды, растительность), почвенную биоту и не происходит изменения почвенных свойств, влекущего за собой потерю устойчивости почвенной системы и невозможность выполнения почвой своих экосистемных, биосферных и хозяйственных функций. С учетом вышеизложенного при разработке нормативов ДОСНП необходимо учитывать следующие показатели:

1) состояние растительности;

2) физические и химические свойства почв;

3) состояние почвенной биоты (способность к дальнейшему самоочищению, отсутствие патогенных видов почвенных организмов и др.);

4) переход в растения нефтепродуктов, тяжелых металлов;

5) миграцию с нисходящими потоками влаги;

6) влияние сопутствующих факторов.

Для лесостепной подзоны, в пределах которой ведется активная нефтедобыча и нефтепереработка (Татарстан, Башкирия, Самарская, Ульяновская области и другие регионы), преобладающим типом почв являются черноземы — основа сельского хозяйства этих регионов.

Целью настоящей работы является оценка влияния различных концентраций нефти и хлорида натрия на произрастание пшеницы на черноземе выщелоченном в условиях модельного опыта.

Схема модельного опыта следующая.

В Самарской обл. были отобраны почвенные образцы гумусового горизонта А чернозема выщелоченного. После доведения почвы до воздушно-сухого состояния без разрушения естественной структуры почву помещали в емкости объемом около 1л, в дне которых были проделаны дренажные отверстия. На дно сосудов насыпали речную гальку слоем 2 см для предотвращения закупоривания почвой дренажных отверстий. Гальку отделили от почвы капроновой сеткой с размером ячеек около 1 мм. Поверх сетки помещали 300 г воздушно-сухой почвы (толщина слоя около 3,5 см), после чего на поверхность также была положена сетка. Затем поверх сетки помещали еще 200 г загрязненной (за исключением контроля) почвы (толщина слоя около 2,5 см). Всего подготовили 65 сосудов с разным характером и уровнем загрязнения в соответствии с вариантами опыта (в опыте имитировалось не только загрязнение почв нефтью, но и засоление, обычно сопровождающее загрязнение почв нефтью):

а) контроль (в пяти повторностях);

б) №С1 (1 ммоль/100 г) в пяти повторностях;

в) №С1 (2,5 ммоль/100 г) в пяти повторностях;

г) №С1 (5 ммоль/100 г) в пяти повторностях;

д) №С1 (10 ммоль/100 г) в пяти повторностях;

ж) нефть (0,3 г/100 г) + №С1 (1 ммоль/100 г) в пяти по-вторностях;

з) нефть (0,75 г/100 г) + №С1 (2,5 ммоль/100 г) в пяти повторностях;

е) нефть (1,5 г/100 г) + №С1 (5 ммоль/100 г) в пяти по-вторностях;

и) нефть (3 г/100 г) + №С1 (10 ммоль/100 г) в пяти по-вторностях;

к) нефть (0,3 г/100 г) с 14С-бензолом;

л) нефть (0,75 г/100 г) с 14С-бензолом; м) нефть (1,5 г/100 г) с 14С-бензолом; н) нефть (3 г/100 г) с 14С-бензолом. Количество 14С-бензола было пропорционально количеству внесенной нефти. Применение радиоактивной метки обусловлено необходимостью контролировать миграцию компонентов нефти в растения. Поэтому в качестве меченого вещества использовали бензол как один из наиболее подвижных и токсичных компонентов нефти.

Во все сосуды с почвой высевали предварительно про-рощенные семена пшеницы сорта Московская-39 в количестве 15 семян на сосуд, после чего сосуды помещали в специальную климатическую камеру с искусственным освещением, в которой поддерживалась постоянная температура 20°. Сосуды устанавливали в специальные поддоны для сбора дренажных вод. Периодически (один раз в два дня) в сосуды добавляли 50 мл дистиллированной воды. Длительность вегетационного опыта составила один месяц. Через неделю после посева определяли число всходов пшеницы по вариантам, а в конце опыта определили общее число выживших растений и биомассу надземных органов. Со дна поддонов (в вариантах с нефтью и 14С-бен-золом) осадок смывали четыреххлористым углеродом для определения удельной активности. В этих же вариантах определяли удельную активность в растениях.

Число всходов и выживших экземпляров растений. На

рис. 1 и 2 представлены данные по числу всходов (через неделю после посадки) и выживших экземпляров растений пшеницы через месяц после посева в различных вариантах опыта. Наиболее сильно отрицательное воздействие загрязнений на растения сказалось в варианте «нефть с солью» как по числу всходов через неделю, так и по числу взошедших впоследствии и выживших через месяц экземпляров. В этом варианте наиболее отчетливо прослеживается задержка в прорастании семян, так как число выживших экземпляров спустя месяц превышает число всходов через неделю.

В меньшей степени этот феномен отмечен в варианте «нефть с бензолом» при максимальных дозах нефти.

Обращает на себя внимание тот факт, что число всходов и выживших экземпляров в варианте с засолением фактически соответствует контрольному. Небольшие различия, которые наблюдаются при разных количествах внесенной соли, фактически лежат в пределах погрешности метода. Эти результаты наглядно свидетельствуют об эффективности промывок, поскольку в ходе опыта для обеспечения прорастания и роста семян пшеницы было добавлено значительное количество воды.

Биомасса пшеницы. Результаты определения воздушно-сухой надземной фитомассы представлены на рис. 3. Наибольший негативный эффект обнаружен в варианте «Нефть с солью», что согласуется с данными по числу всходов и выживших экземпляров растений. В варианте «нефть» также отчетливо проявляется тенденция к снижению биомассы, но в существенно меньшей степени, чем в варианте «нефть с солью». В варианте «соль» снижение биомассы, так же как и числа всходов и выживших экземпляров, проявляется лишь при максимальной дозе соли. По-видимому, добавленной воды было недостаточно для полного удаления солей при таком их количестве.

Таким образом, отчетливо проявляется синергизм негативных факторов — каждый по отдельности воздействует в гораздо меньшей степени, чем оба вместе. Механизм такого синергетического действия обусловлен схожим влиянием нефти и легкорастворимых солей на растение: одним из факторов негативного влияния нефти является снижение водоудерживаю-щей способности почв, в результате растение страдает от недостатка влаги. Легкорастворимые соли вследствие осмотического эффекта также приводят

Рис. 1. Число всходов пшеницы в разных вариантах опыта, шт. и % от контроля

Рис. 2. Число выживших растений через 1 месяц после посева, шт. и % от контроля

к нарушению водопотребления растениями. Но если в варианте «соль» хлорид натрия мог вымываться при поливе, то в варианте «нефть с солью» нефть, придавая гидрофобность почвенным агрегатам, препятствовала вымыванию соли.

Активность 14С надземной фитомассы. Определения проводились в высушенных пробах растений на радиометре «Бета» в варианте «нефть с 14С-бензо-лом». Результаты представлены на рис. 4, из которого следует, что:

1. Во всем диапазоне доз нефти от 0,3 до 3% обнаруживается поступление 14С-бензола

Рис. 3. Биомасса пшеницы, г и % от контроля

Na, 900

800 700 600 500 400 300 200 100 0

мг/кг

i

ч\\

i ш 1 I

1 4\S

ш ш

* 1ш

контроль 0,3 г нефти+ 0,75 г нефти+ 1,5 г нефти+ 3 г нефти+ NaCI NaCI NaCI NaCI

Рис. 5. Содержание Na в растениях, мг/кг

Рис. 4. Общая (1) (% от внесенной) и относительная удельная (2) (% от внесенной на 1 г фитомассы) активность 14С-бензола в

растениях

дает основание предполагать, что и другие мобильные компоненты нефти могут поступать в растения.

2. Наблюдается нелинейная зависимость общего поступления бензола в фитомассу от дозы нефти. Вогнутый характер кривой, отражающей зависимость «доза-поглощение», свидетельствует или об отсутствии у растений эффективных механизмов, ограничивающих поступление мобильных липофильных компонентов нефти, или об их подавлении при повышенных концентрациях нефти. В пользу такого предположения свидетельствует более интенсивное возрастание удельной активности (на единицу биомассы) 14С-бен-зола в составе растений при увеличении дозы нефти.

Содержание металлов в растениях. В растениях для варианта «нефть с солью» проведено определение металлов — магния, натрия, кальция, ванадия, хрома, марганца, железа, кобальта, никеля, меди, цинка, мышьяка, селена. Для большинства элементов не выявлено изменения их содержания под влиянием нефтезагряз-нения. Значительно возросло, как и следовало ожидать при внесении №С1, лишь содержание натрия (рис. 5).

Под влиянием вносимых веществ значимо возросло также содержание селена (рис. 6) в растениях. Возможно, это объясняется присутствием селена в нефти.

Заключение

Проведенный модельный эксперимент дает основание для предварительного установления значения ДОСНП на черноземах. По всем исследованным параметрам (скорость прорастания семян и выживае-

Рис. 6. Содержание 8е в растениях, мкг/к

мость растений, их надземная биомасса, накопление в растениях мобильных компонентов нефти и элементов, сопутствующих нефтяному загрязнению) содержание нефти в почве на уровне 0,3% не вызывает негативных изменений в растениях пшеницы.

Однако, хотя пшеница и является основной товарной культурой на черноземах, необходимы дальнейшие исследования в данном направлении с другими культурами этого региона, среди которых, возможно, окажутся более (или менее) чувствительные к нефтяному загрязнению.

Кроме того, не исключено, что результаты натурных экспериментов могут оказаться иными и будут существенно зависеть от погодных условий и технологии выращивания культур.

Для корректного обоснования значений ДОСНП необходимо также всестороннее исследование влияния нефтяного загрязнения на физические, химические, биологические свойства почвы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Солнцева Н.П. Добыча нефти и геохимия природных ландшафтов. М., 1998. 369 с.

2. Шоба С.А., Трофимов С.Я., Аветов Н.А., Дорофеева Е.И., Кожевин П.А., Степанов А.А. Экологическое нор-

мирование содержания нефти в почвах таежной зоны Западной Сибири / Тез. докл. Междунар. конф. «Новые технологии для очистки нефтезагрязненных вод, почв, переработки и утилизации нефтешламов». М., 2001.

Поступила в редакцию 16.11.06

PHYTO-DIAGNOSTICS OF OIL POLLUTION IN A LABORATORY EXPERIMENT

WITH THE LEACHED CHERNOZEM

S.Ya. Trofmov, A.D. Fokin, E.I. Dorofeeva, Yu.P. Kosheleva

A model experiment with the leached chernozem was performed to estimate the effect of various oil and sodium chloride concentrations on the wheat plants growth. When the oil concentration was as high as 0,3% no unfavorable changes were found to occur in any of the plant growth parameters controlled (the rate of seed germination, survival plant potential, accumulation of mobile oil components and that of compounds accompanying oil contamination in plants).

The data obtained make possible to give preliminary recommendations concerning the establishing of the maximum allowable residual oil content in chernozem soils.