Биогенные наночастицы на основе железа как нейтрализатор токсичности углеводородов

УДК 504.06 С.В. Хижняк, Ю.Л. Гуревич,

Е.Я. Мучкина, М.Е. Баранов

БИОГЕННЫЕ НАНОЧАСТИЦЫ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА КАК НЕЙТРАЛИЗАТОР ТОКСИЧНОСТИ УГЛЕВОДОРОДОВ*

В статье представлена оценка перспектив использования биогенных наночастиц гидроксида железа для снижения фитотоксичности нефтепродуктов в почве.

Ключевые слова: биогенные наночастицы, гидроксид железа, почва, нефтепродукты, фитотоксичность.

S.V. Khizhnyak, Yu.L. Gurevich, E.Ya. Muchkina, M.E. Baranov

THE IRON BASE BIOGENIC NANOPARTICLES AS A NEUTRALISATOR OF HYDROCARBONS TOXICITY

Estimation of the prospects of the iron hydroxide biogenic nanoparticle use in order to decrease oil product phytotoxicity in soil is given in the article.

Key words: biogenic nanoparticles, iron hydroxide, soil, oil products, phytotoxicity.

Нефтяные углеводороды являются одними из наиболее опасных и широко распространенных поллю-тантов. Попадая в почву, нефтепродукты снижают численность и биологическое разнообразие почвенных и надпочвенных беспозвоночных, вызывают неблагоприятные изменения почвенного микробного комплекса, снижают ферментативную активность почвы, ухудшают ее плодородие, оказывают фитотоксическое действие на высшие растения [4, 11, 13]. Поступая в водоемы, углеводороды нефти вызывают гибель фито- и зоопланктона, икры и личинок рыб, а в малых концентрациях - нарушения индивидуального развития гидро-бионтов [7, 8]. Несмотря на существование технологий биоремедиации нефтезагрязненных почв и водоемов, поиск новых технологий устранения последствий нефтяного загрязнения продолжает оставаться актуальным. Настоящая работа посвящена оценке перспектив использования биогенных наночастиц гидроксида железа для снижения фитотоксичности нефтепродуктов в почве.

Объекты и методы

Биогенные наночастицы гидроксида железа получали с помощью бактерий, образующих гидроксиды железа при культивировании [5]. Наночастицы вносили в почву из расчета 40 мг действующего вещества на 1 кг почвы.

В качестве почв, загрязненных нефтепродуктами, использовали:

1) черноземную почву, в которую вносили отработанное компрессорное масло, являющееся компонентом промышленных стоков ОАО "Красмаш" в количестве 25 г/кг почвы; контролем служила та же почва без компрессорного масла, а также почва без компрессорного масла с внесенными наночастицами;

2) загрязненную мазутом почву (4 образца), отобранную из пахотного горизонта в районе поселка "Кедровый" Емельяновского района Красноярского края (бывшее место дислокации воинской части) в зоне мазутного загрязнения; контролем служила почва, отобранная на том же участке вне зоны мазутного загрязнения, и эта же почва с внесенными наночастицами.

Тест-объектами служил кресс-салат (Lepidium sativum), широко использующийся для биотестирования техногенного загрязнения [1, 3, 6, 12]. В качестве показателей учитывали энергию прорастания и всхожесть семян в соответствии с ГОСТ 12038-84 [2]. Статистическую обработку результатов проводили стандартными методами [9, 10] с использованием пакета StatSoft STATISTICA 6.0.

Результаты и обсуждение

Отработанное компрессорное масло оказало на тест-культуру относительно небольшой, но статистически значимый (p<0,05) фитотоксический эффект, проявившийся в снижении энергии прорастания (с 67% в контроле до 55% в опыте) и всхожести (с 71 до 62%). Некоторое снижение энергии прорастания отмечено и при внесении наночастиц, однако данный эффект является статистически незначимым. Внесение наноча-

* Работа выполнена при поддержке РФФИ (грант 10-08-01278).

стиц в загрязненную маслом почву статистически значимо снизило ее фитотоксичность, что проявилось в увеличении как энергии прорастания, так и всхожести (табл. 1, 2). Таким образом, можно констатировать относительно небольшой, но статистически значимый антитоксический эффект биогенных наночастиц гидроксида железа при их внесении в загрязненную отработанным компрессорным маслом почву.

В загрязненной мазутом почве проявилось существенно более значительное фитотоксическое действие, чем почва, в которую вносили компрессорное масло. В зависимости от удаления места отбора образца почвы от источника загрязнения энергия прорастания тест-культуры составила от 30 до 52% при 88% в контроле, а всхожесть - от 48 до 72% при 90% в контроле. Внесение наночастиц повысило и энергию прорастания, и всхожесть кресс-салата во всех вариантах, включая контрольный (рис. 1).

100

90

80

Я

е 60

з

5 зо “ 20 10 о

Контроль Образец 1 Образец 2 Образец 3 Образец 4

100 90 80 о 70 £ 60 % 50 § 40

Контроль Образец 1 Образец 2 Образец 3 Образец-1 Ш Без добавления наночастиц  С добавлением наночастпц

Рис. 1. Влияние внесения биогенных наночастиц гидроксида железа на энергию прорастания и всхожесть семян кресс-салата в образцах почвы, загрязненной мазутом

Таблица 1

Влияние компрессорного масла и биогенных наночастиц гидроксида железа на энергию прорастания кресс-салата

Вариант Энергия прорастания, % Статистическая зн с конт ачимость различий ролем

по Р-критерию по критерию х2

Контроль 67 - -

Наночастицы 60 Нет Нет

Компрессорное масло 55 < 0,05 < 0,05

Компрессорное масло + наночастицы 61 Нет нет

Таблица 2

Влияние компрессорного масла и биогенных наночастиц гидроксида железа

на всхожесть кресс-салата

Вариант Энергия прорастания, % Статистическая зн с конт ачимость различий ролем

по Р-критерию по критерию х2

Контроль 71 - -

Наночастицы 69 Нет Нет

Компрессорное масло 62 0,05 0,05

Компрессорное масло + наночастицы 66 Нет Нет

Наиболее значительное увеличение энергии прорастания и всхожести отмечено для самых фитотоксичных образцов, отобранных на расстоянии соответственно 5 и 10 м от границ мазутного пятна (образцы 1 и 2). Так, при внесении наночастиц в почву образца 1 энергия прорастания увеличилась с 30 до 42%, а при внесении в почву образца 2 - с 32 до 65%. Всхожесть при внесении наночастиц увеличилась с 48 до 60% и с 52 до 78% соответственно. Менее значительное увеличение энергии прорастания и всхожести отмечено при внесении наночастиц в малотоксичные образцы почвы, отобранные на расстоянии 15 и 20 м от мазутного пятна (соответственно образцы 3 и 4), а также при внесении наночастиц в контрольный образец почвы (см. рис. 1).

В целом по всем вариантам увеличение энергии прорастания и всхожести при внесении биогенных наночастиц гидроксида железа статистически значимо (р<0,05 по критерию Уилкоксона). С учетом результатов, полученных при внесении в почву компрессорного масла, обнаружена положительная корреляция (коэффициент ранговой корреляции Спирмена = 0,80) между фитотоксичностью почвы и эффектом от внесения наночастиц. Чем выше исходная фитотоксичность почвы, тем более сильное относительное снижение фитотоксичности наблюдается при внесении биогенных наночастиц гидроксида железа.

При анализе ростовых показателей 7-суточных проростков тест-культуры выявлено статистически значимое (р<0,05) увеличение длины побега при внесении наночастиц. Этот эффект проявился и для высокотоксичных, и для малотоксичных образцов почвы (рис. 2).

Механизмы снижения фитотоксичности загрязненной углеводородами почвы при внесении наночастиц неоднозначны и требуют дальнейшего изучения. В качестве рабочих гипотез можно предположить сорбцию и каталитическое окисление токсических веществ на наночастицах либо стимулирующее действие наночастиц на почвенную микробиоту, разлагающую углеводороды.

90 -

80 - ------------------------------------------------------------------

70 -60 -50 -

40 - 1:1111:1 рШШЕШ

30 - 11:1111; 111111

20 - 11111:1 111111

•0 - 111111: 111111

0 _|--------[хххххухх::!-----------------^-------[::х:х:х:::х:::х:|---------

Образец 1 Образец 4

0 Без добавления наночастиц  С добавлением наночастиц

Рис. 2. Влияние биогеннх наночастиц гидроксида железа на рост проростков кресс-салата

в загрязненной мазутом почве

2

ч

о

О

и

и

03

и

ю

о

к

03

к

К

4

Выводы

1. Внесение биогенных наночастиц гидроксида железа снижает фитотоксичность почв, загрязненных углеводородами. Эффект снижения фитотоксичности проявляется в увеличении энергии прорастания и всхожести тест-культуры.

2. Обнаружена положительная корреляция (коэффициент ранговой корреляции Спирмена = 0,80) между фитотоксичностью почвы и интенсивностью эффекта от внесения наночастиц. Чем выше исходная фитотоксичность почвы, тем более значимое относительное снижение фитотоксичности наблюдается при внесении биогенных наночастиц гидроксида железа.

3. Зарегистрирован стимулирующий эффект наночастиц гидроксида железа на ростовые функции тест-культуры. При выращивании кресс-салата в загрязненной мазутом почве в присутствии наночастиц средняя длина побегов в семисуточной культуре статистически значима выше, чем в варианте без наночастиц.

Литература

1. Багдасарян А.С. Биотестирование почв техногенных зон городских территорий с использованием растительных организмов: дис. ... канд. биол. наук. - Ставрополь, 2005. - 159 с.

2. ГОСТ 12038-84 Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести. - М.: Изд-во стандартов, 1984.

3. Дашиева М.Д. Фитотоксичность и уровень транслокации кадмия в кресс-салат, петрушку, овес и нормирование его содержания в почвах Западного Забайкалья: дис. ... канд. биол. наук. - Улан-Удэ, 2008.

- 148 с.

4. Карташев А.Г., Смолина Т.В., Черданцев А.Ю. Влияние нефтезагрязнений на надпочвенных и почвенных беспозвоночных животных // Изв. Томского политехн. ун-та. - 2006. - Т. 309. - № 8. - С. 182-185.

5. Технология получения наночастиц суперпарамагнитного ферригидрита с помощью бактерий / В.П. Ладыгина, К.В. Пуртов, О.А. Баюков [и др.] // Ультрадисперсные порошки, наноструктуры: мат-лы V Ставеровских чтений. - Красноярск, 2009. - С. 431-433.

6. Мельникова О.В. Агроэкологическое обоснование биологизации растениеводства на юго-западе Центрального региона России : дис. ... д-ра с-.х. наук : 06.01.09, 03.00.16. - Брянск, 2009. - 610 с.

7. Михайлова Л.В. Действие водорастворимой фракции Усть-Балыкской нефти на ранний онтогенез стерляди Acipenser ruthenus // Гидробиол. журн. - 1991. - Т. 27. - № 3. - С. 77-86.

8. Патин С.А. Экологические проблемы освоения нефтегазовых ресурсов морского шельфа. - М.: Изд-во ВНИРО, 1997. - 350 с.

9. Плохинский Н.А. Биометрия. - М.: Изд-во МГУ, 1970. - 368 с.

10. Поллард Дж. Справочник по вычислительным методам статистики. - М.: Финансы и статистика, 1982.

- 344 с.

11. Смольнкова В.В. Фитотоксическое действие нефтяного загрязнения // Современные наукоемкие технологии. - 2009. - № 10. - С. 90.

12. Тыныбаева Т.Г. Мониторинг загрязнения почв на газо-нефтяном месторождении Северные Бузачи (Казахстан): дис. ... канд. биол. наук : 03.00.16. - М., 2006. - 164 с.

13. The effect of pollution with oil and oil products on the biological status of ordinary chernozems / S.I. Kolesnikov, Sh. Kazeev, M.L. Tatosyan [at el.] // Eurasian Soil Science. - 2006. - Vol. 39. - № 5. - Р. 552-556.