Морфологический анализ и резистентность растений, рекомендуемых для фиторемедиации нефтезагрязненных почв

УДК 581.5

МОРФОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ И РЕЗИСТЕНТНОСТЬ РАСТЕНИЙ, РЕКОМЕНДУЕМЫХ ДЛЯ ФИТОРЕМЕДИАЦИИ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ПОЧВ

С.А. Красноперова

Удмуртский государственный университет

В настоящее время известны различные технологии фиторемедиации нефтязагряз-ненных почв, но их эффективность могла бы повыситься за счет поиска и селекции более устойчивых форм растений к такому виду загрязнения. Результаты исследований на примере ежи сборной показали неодинаковое воздействие водонефтяной эмульсии на прорастание семян из разных ценопопуляций (ЦП) данного вида.

Ключевые слова: эколого-морфологическое разнообразие, ценопопуляция, фито-ремедиация, нефтяное загрязнение, загрязнение почв.

Биоразнообразие растений и животных есть залог устойчивости природных экосистем, но в настоящее время оно имеет тенденцию к сокращению в связи с высокой интенсификацией техногенных процессов, поэтому исследования внутривидового разнообразия растений, в частности эколого-морфологического, становятся все более актуальными. Поиск природных ценопопуляций (ЦП) растений, обладающих теми или иными селективными свойствами, позволяет выявить более устойчивые виды к разнообразным условиям среды и с различной степенью антропогенной нагрузки.

К числу таких видов можно отнести ежу сборную (Dactylisglomerata) - это многолетний поликарпический верховой кормовой злак. Видовой особенностью указанного вида является высокая экологическая пластичность и морфологическая изменчивость генеративных и вегетативных органов, обуславливающих большое число форм, рас и разновидностей [4], [6], [7], а также значительная устойчивость к разнообразным видам загрязнения окружающей среды данного злака, в частности нефтяного [3], что позволяет использовать этот вид в качестве фитомелиоранта при ремедиации нефте-загрязненных земель.

Материалы и методы исследований

Для выявления эколого-морфологического разнообразия ЦП Dactylis glomerata исследования проводились в разных географических точках (центральной, северной, юго-западной) Удмуртской Республики (УР), различающихся геоботаническими районами (территория УР расположена в южнотаежной полосе и подтайге, граничит с зоной лесостепи [1]). Всего изучено 15 ЦП на разных типах местообитаний: I) сосновые леса (ЦП 1-3); II) смешанные леса (ЦП 4-5); III) пойменные луга (ЦП 67); IV) приручьевые участки, расположенные около леса (ЦП 8-10); V) суходольные луга (ЦП 11-12); VI) антропогенно трансформированные экотопы (пустыри, придорожные участки, пастбище, ЦП (13-15)) в течение вегетационных сезонов 2007-2010 гг.

При проведении морфометрических исследований в каждой из ЦП методом случайной выборки отобрано по 3 побега с 15-20 парциальных кустов среднегене-ративного возрастного состояния У каждого из побегов проанализировано по 18 количественных параметров: высота до соцветия (Н1), длина верхнего метаме-ра (Ьшш1) и метамера, расположенного над максимально развитым листом

(Lmm2), количество узлов (Nuz), длина листового влагалища (Lv), длина (L) и ширина (W) листовой пластинки, высота соцветия (Lsoc), количество веточек первого порядка (Nvet), у последних - длина двух нижних (L1 и L2) и расстояние между ними (L3), площадь листовой пластинки (S=2/3LW) и другие аллометрические показатели - H/Lmm1, H1/Lsoc, L/W, L/Lv.

На втором этапе мы отобрали созревшие семена ежи сборной из изученных 6 ЦП указанных местообитаний: I -сосновые леса (ЦП 3, г. Ижевск, Ленинский р-н, опушка соснового леса); II -смешанные леса (ЦП 4, г. Ижевск, Индустриальный р-н, парк им. Космонавтов, опушка смешанного леса); III - пойменные луга (ЦП 7, г. Ижевск, Ленинский р-н, ул. Азина, пойменный луг); IV- при-ручьевые участки (ЦП 10, Кизнерский р-н, окр. д. Яналка); V- суходольные луга (ЦП 11, г. Ижевск, Устиновский р-н, бывший аэропорт, суходольный луг); VI - антропогенно трансформированные экотопы (ЦП13 (г. Ижевск, Первомайский р-н., окр. ОАО «Нефтемаш», придорожный участок) в период августа 2014 г.

После хранения в прохладных условиях очищенные и отсчитанные в индивидуальные пакетики (по 50 штук) семена ежи сборной проращивали в физиологически благоприятный период (май 2014 г.). В лабораторном эксперименте использовали метод рулонной культуры по ГОСТ 12038-84 [2]. Для приготовления рулона фильтровальную бумагу и кальку нарезали размером 40 x 50 см (+/- 2 см). На увлажненной фильтровальной бумаге раскладывали одну пробу семян зародышами вниз по линии, проведенной на расстоянии 2 - 3 см от верхнего края листа. Семена округлой формы раскладывали без ориентации зародыша. Сверху семена накрывали полоской кальки такого же размера, затем полосы неплотно свертывали в рулон и помещали в вертикальном положении в сосуд, который при-

крывали, оставляя небольшое отверстие для вентиляции. Сосуды, фильтровальную бумагу и кальку выдерживали в сушильных шкафах в течение 2 ч. при t= 100°C. Рулон опускали в водонефтяную эмульсию при концентрациях: 1%, 5% и 10%. Уровень жидкости в сосудах отмечали маркером, по мере ее уменьшения доливали до метки. Сосуды расставляли рандомизированно на специальные стеллажи в темном месте. В каждом варианте любого опыта было не менее трех по-вторностей. Дистиллированную воду использовали как условия лабораторного контроля. Использование дистиллированной воды было продиктовано тем, что на срок проведения эксперимента в семени содержится достаточно количество питательных веществ. Продолжительность экспериментов составляла 7 дней. К этому сроку в контроле у проростков уже развивались листья и корни.

Статистический анализ результатов исследований проведен в соответствии с общепринятыми стандартными методами описательной статистики с использованием компьютерной программы «STATISTICA 5,5» и «MS EXCEL».

Результаты анализа и их обсуждение

На основании статистических методов анализа (однофакторного дисперсионного и кластерного анализов) на территории Удмуртии выявлен внутривидовой полиморфизм ежи сборной, который связан с дифференцированной адаптивной реакцией различных органов этого вида на воздействие эколого-ценотических условий местообитаний [4, 5].

Так, растения из ЦП верхнего кластера (рис. 1) характеризуются средними значениями морфологических признаков, за исключением параметров соцветия (L1, L2, L3). В подкластеры выделены ЦП, приуроченные к разреженным светлох-войным лесам (ЦП 1-3) и луговым участкам: пойменным (ЦП 6-7) и суходольным (ЦП 11-12).

В средний кластер отнесены (ЦП

13-15) антропогенно трансформированных местообитаний. Здесь выявлены наименьшие значения большинства признаков (Н, Н1, Ьшш1, Ьшш2,Ки^ Ьу, Ь, Б, Ьбос, Н/Ьшшь Н/Ьбос, Ь/Ш).

Растения из ЦП нижнего кластера

Таким образом, эколого-морфологическое разнообразие ежи сборной представлено следующими фе-нотипически различающимися морфо-биологическими группами.

1. Морфобиологическая группа светлохвойных лесов. В сосновых лесах растения D. glomerata невысокого роста в среднем 110 см. Их отличают самые длинные узкие листья, достигающие 57 см (в среднем 34,5 см), и поникающие соцветия как следствие приспособленности к условиям затенения.

2. Морфобиологическая группа смешанных лесов. Растения D. glomerata, произрастающие в смешанных лесах, характеризуются прямостоячими длинными стеблями (до 199 см высотой) - в среднем 123,6 см, обычно с 3-7 генеративными побегами в куртине, длинными листьями (до 52 см), расширяющимися у основания до 1,4 см, и раскидистыми метелками.

3. Морфобиологическая группа пой-

отличаются максимальными значениями большинства морфологических признаков. Здесь в подкластеры выделены ЦП ежи сборной, расположенные в смешанных лесах (ЦП 4-5) и приручьевых участках (ЦП 8-10).

менных лугов. На пойменных лугах растения D. glomerataхарактеризуются мощными широкими генеративными побегами, которые нередко превышают количество вегетативных побегов в куртине, образуют очень плотные темно-зеленые дернины с хорошо облиственными плодоносящими стеблями и длинными раскидистыми метелками.

4. Морфобиологическая группа приручьевых участков. В приручьевых участках, расположенных около леса, генеративные растения D. glomerata отличаются максимальными значениями большинства морфологических признаков. Так, высота побега указанного вида в данных местообитаниях составляет в среднем 155 см, но может достигать более 2 м.

5. Морфобиологическая группа суходольных лугов. На суходольных лугах ежа сборная имеет тонкие побеги средней длины, слегка дугообразно изогнутые, с

Ward's method Euclidean distances

ЦП1 ЦП2 ЦП3 ЦП6 ЦП7 ЦП11 ЦП12 ЦП13 ЦП15 ЦП14 ЦП4 ЦП5 ЦП8 ЦП9 ЦП10

У

Zb

60

(Dlink/Dmax)*100

Рис. 1. Кластерный анализ ЦП БаЫуШglomerata по средним значениям морфометрических признаков побегов

0

20

40

80

короткими сжатыми метелками. Эта морфобиологическая группа отличается более ранним цветением и раннеспелостью, обладает быстрым отрастанием после укосов.

6. Морфобиологическая группа нарушенных местообитаний. В антропогенно трансформированных местообитаниях (придорожные насыпи, пустыри, пастбища) для ежи сборной характерны короткие сжатые метелки и большое количество вегетативных побегов в куртине (более 300 шт.). Отличительной особенностью растений данной морфогруппы являются самые низкие значения большинства морфологических параметров: высота побега, длина и площадь листовой

пластинки, длина междоузлия, количество листьев на побеге [4, 5].

На втором этапе исследований мы отобрали созревшие семена Б. glomerataпо 50 шт. из 6 ЦП каждой мор-фобиологической группы в 2014 г. и проращивали в течение 7 дней (см. методику исследований).

На основании результатов экспериментальных данных выявлено (рис. 2), что всхожесть семян ежи сборной из ЦП 11 и 13 (Уи VI морфобиологических групп) при концентрации нефти в воде 1% характеризуется наибольшими значениями (75,3% и 82% соответственно) по сравнению с другими ЦП указанного вида (14,4-16,7%).

Рис. 2. Всхожесть семян Ба^уНз §1ошега1а при разных уровнях концентрации нефти в воде

Примечание: тип местообитаний: I - сосновые леса (ЦП 3, г. Ижевск, Ленинский р -н, опушка соснового леса); II - смешанные леса (ЦП 4, г. Ижевск, Индустриальный р -н, парк им. Космонавтов, опушка смешанного леса); III - пойменные луга (ЦП 7, г. Ижевск, Ленинский р -н, ул. Азина, пойменный луг); IV- при-ручьевые участки (ЦП 10, Кизнерский р -н, окр. д. Яналка); V- суходольные луга (ЦП 11, г. Ижевск, Усти-новский р-н, бывший аэропорт, суходольный луг); VI - антропогенно трансформированные экотопы (ЦП13 г. Ижевск, Первомайский р - н., окр. ОАО «Нефтемаш», придорожный участок).

В единичных повторностях отмечены случаи превышения значений на 1,3% (ЦП 11) и 11,1% (ЦП 13) исследуемого параметра по сравнению с контролем, то есть наблюдалось явление стимулирующего эффекта при прорастании семян данного вида.

Угнетение всхожести семян ежи сборной из разных ЦП выявлено в первые дни опыта при концентрации нефти в воде 5% по сравнению с контролем. Наименьшие показатели данного параметра отмечены в ЦП 3 (11,2%) и ЦП 10 (10,3%), в ЦП 11 и 13 последние станови-

лись близки к контрольным к 7 дню (64,7% и 66,7% соответственно).

Резкое снижение показателей всхожести семян у всех ЦП данного вида отмечено в 10% водонефтяной эмульсии. Более устойчивыми к данному уровню концентрации нефти в воде оказались ЦП 11 (29,3%) и 13 (27,3%), наименее - ЦП 3 (3,8%) и 4 (4,7%).

Таким образом, водонефтяная эмульсия оказывает неодинаковое воздействие на прорастание семян из разных ЦП ежи сборной, о чем свидетельствуют результаты однофакторного дисперсионного анализа, который выявил достоверные различия (при p<0,05) всхожести семян исследуемых ценопопуляций данного вида при разных уровнях концентрации нефти в воде.

Постановка опыта в малом объеме позволяет при малом расходе материалов сделать выводы о возможных перспективах применения ценопопуляций Dactylis glomerata, произрастающих на суходольных лугах, как наиболее устойчивых фи-томелиорантов нефтезагрязненных земель применительно для условий Удмуртской Республики совместно в травосмеси с клевером луговым и овсянни-цей луговой. Такое сочетание растений обусловлено проведенными эколого-фитоценотическими и геоботаническими исследованиями, в ходе которых выявле-

но, что наибольший процент встречаемости ежи сборной на 1 м2приходится именно на эти растения, то есть они хорошо уживаются вместе, закрывая при этом пустые пространства земельных участков [5].

ЛИТЕРАТУРА

1. Баранова, О.Г. Конспект флоры Удмуртской республики (сосудистые растения): Монография / О.Г. Баранова, А.Н. Пузырев. - М. - Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2012. -212 с.

2. ГОСТ 12038-84 Методы определения всхожести семян.

3. Зильберман, М. В. Биотестирование почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами / М.В. Зильберман, Е.А. Порошина, Е.В. Зырянова. -ФГУ УралНИИ «Экология», Пермь, 2005. - 111 с.

4. Красноперова, С. А. К изучению адаптивного полиморфизма Dactylis glomerata L. в условиях Удмуртской Республики / С.А. Красноперова, Н.Р. Веселкова // Вестник Удмуртского университета. Сер. Биология. Науки о земле. - 2011. - Вып. 4. -С. 49-54.

5. Красноперова, С. А. Эколого-ценотическая и морфологическая характеристика популяций Dactylis glomerata L. в условиях Удмуртской Республики /С.А. Красноперова, Н.Р. Веселкова // Вестник Челябинского государственного педагогического университета. - 2011. - № 9. - С. 357-365.

6. Синская, Е. Н. Проблемы популяционной ботаники / Е.Н. Синская. - Екатеринбург: УрО РАН, 2003. -Т.2 - 402с.

7. Скоблин Г. С. Ежа сборная / Г.С. Скоблин. -М.: Колос, 1983. - 101 с.

Рукопись поступила в редакцию 01.10.2015.

THE MORPHOLOGICAL ANALYSIS AND RESISTANCE OF PLANTS RECOMMENDED FOR PHYTOREMEDIATION OF THE OIL-POLLUTED SOILS

S. Krasnoperova

Currently there exist various technologies of phytoremediation the oil-polluted soils, but their effectiveness could be increased by finding and breeding more resistant forms of plants to this kind of pollution. The results of studies on the example of the Jerzy team showed varying impacts of the oil-water emulsion for the germination of seeds from different CPUs of this type.

Key words: ecological and morphological diversity, cenopopulation, phytoremediation, oil pollution, soil pollution.