Оценка фиторемедиационного потенциала сельскохозяйственных растений при нефтяном загрязнении почвы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Башкирский государственный університет

Оценка фиторемедиационного потенциала сельскохозяйственных растений при нефтяном загрязнении почвы

Ю.М. Сотникова, В.В. Федяев, А.С. Григориади, М.И. Гарипова, А.Р. Махмутов, И.Р. Галин, Е.И. Новоселова, А.А. Ямалеева, Р.Г. Фархутдинов

Аннотация

Актуальность и цели. На сегодняшний день одним из актуальных и перспективных методов очистки и восстановления нефтезагрязненных земель является фиторемедиация. Преимущество данного метода заключается в экологической безопасности и минимизации финансовых затрат на проведение экологических мероприятий. Растения обладают способностью аккумулировать органические загрязнители и увеличивать биологическую активность почвы. Имеется множество исследований, посвященных оценке ремедиационных свойств растений, способных произрастать при разном уровне нефтяного загрязнения почв. Однако не существует единого мнения о выборе растительных объектов для очистки определенных типов земель от поллютантов сопутствующих нефтяному загрязнению (углеводороды, тяжелые металлы и др.). Целью данной работы явилась оценка фиторемедиационного потенциала некоторых сельскохозяйственных растений при нефтяном загрязнении серой лесной почвы. Материалы и методы. Растения семейства Злаковые (Poaceae) и семейства Бобовые (Fabaceae) высаживали в почву, загрязненную нефтью в концентрациях 1, 3, 4, 6 и 8 %. Определяли фитотоксичность загрязненной почвы, валовое содержание тяжелых металлов, проводили оценку устойчивости растений к условиям длительного нефтяного загрязнения, рассчитывали коэффициент аккумуляции тяжелых металлов. Результаты. Наиболее высокая всхожесть семян растений и рост проростков были установлены у люцерны посевной и ржи посевной при загрязнении почвы нефтью в концентрации 4 %. Люцерна посевная обладает меньшей по сравнению с рожью посевной способностью к фитоэкстракции тяжелых металлов, однако лучше поглощает мышьяк. Выводы. Люцерна посевная и рожь посевная могут быть рекомендованы к возделыванию поочередно или в травосмеси для фитоэкстракции земель, подвергнутых нефтяному загрязнению.

Ключевые слова: рожь посевная, люцерна посевная, фиторемидиация, фитотоксичность, нефтяное загрязнение, тяжелые металлы

Abstract

Assessment of the agricultural plants' phytoremediation potential under oil pollution of the soil Yu.M. Sotnikova, V.V. Fedyaev, A.S. Grigoriadi, M.I. Garipova, A.R. Makhmutov, I.R. Galin, E.I. Novoselova, A.A. Yamaleeva, R.G. Farkhutdinov

Bashkir State University

Background. Nowadays phytoremediation is one of the most relevant and promising methods of cleaning and restoring oil-contaminated lands. The advantage of this method is environmental safety and minimization of financial costs. Plants have the ability to accumulate and metabolize organic pollutants and increase the biological activity of the soil. There are many studies devoted to assessing the remidiation properties of plants growing on various types of oil-contaminated soils. However, there is no consensus on the choice of plant objects for cleaning land from organic pollutants. In this regard, the purpose of this work was to assess the phytoremediation potential of agricultural plants with oil pollution of the soil. Materials and methods. Plants of the Poaceae family and the Legume family (Fabaceae) were planted in soil contaminated with oil at concentrations of 1, 3, 4, 6, and 8 %. The phytotoxicity of the contaminated soil, the total content of heavy metals were determined, the resistance of plants to the conditions of long-term oil pollution was assessed, and the accumulation coefficient of heavy metals was calculated. Results. Relatively stable germination of plant seeds and growth of seedlings were established in alfalfa and rye when the soil was contaminated with oil at a concentration of 4 %. Alfalfa sowing has a lower capacity for phytoextraction of heavy metals in comparison with sowing rye, but it absorbs arsenic better. Conclusions. Sowing alfalfa and sowing rye can be recomended for cultivation alternately or in a grass mixture for phytoextraction of lands exposed to oil pollution. Keywords: sowing rye, sowing alfalfa, phytoremidation, phytotoxicity, oil pollution, heavy metals

Введение

Для эффективной фиторемедиации почв, загрязненных нефтепродуктами, необходимо использовать растения, районированные на данной территории и обладающие высокой адаптивной устойчивостью [1]. Растения-фиторемедианты должны проявлять высокую скорость накопления биомассы, быть способными поглощать и накапливать тяжелые металлы и другие ксенобиотики, а также активизировать деятельность почвенных микроорганизмов [2-4]. В настоящее время установлено несколько сотен видов-гиперакку- мулянтов различных загрязнителей, показана эффективность их использования для восстановления почв, загрязненных тяжелыми металлами (ТМ) [5]. Продолжаются поиски видов растений, пригодных для целей фиторемедиации, предполагающей извлечение тяжелых металлов из загрязненных почв корневой системой растений с последующим их переносом и аккумуляцией в надземной части растений [6, 7]. Достижение высокой эффективности фиторемедиации возможно при высеве районированных сельскохозяйственных растений и изучении металл-аккумулирующей способности этих растений путем определения коэффициента переноса металлов в системе «почва-корни- надземная часть растений» [7-9]. Целью данной работы было сравнение растений, способных произрастать на почвах, подвергнутых нефтяному загрязнению и эффективно экстрагировать тяжелые металлы, поступающие в почву из нефти.

Материалы и методы

Объектами исследования были растения семейства Злаковые (Poaceae) (рожь посевная (Secale cereale L.) сорт «Татьяна», ячмень яровой (Hordeum distichum L.) сорт «Новичок», сорго суданское (Sorghumdrum mondii) сорт «Чишминская ранняя») и семейства Бобовые (Fabaceae) (люцерна посевная (Medica gosativa L.) сорт «Надежда», клевер луговой (Trifolium pratense L.) сорт «Трио», донник желтый (Melilotus officinalis L.) сорт «Альшеевский», вика посевная (Vicia sativa L.) сорт «Валентина»).

Лабораторные модельные опыты проводили на серых лесных почвах, которые были отобраны для исследований в северо-восточной части Уфимского района Республики Башкортостан. Пробы почв отбирали согласно требованиям, описанным в ГОСТ 17.4.4.02-2017 ГОСТ 17.4.4.02-2017. ГОСТ 17.4.4.02-2017. Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, бактериологического, гельминтологического анализа. М. : Стандартинформ, 2018. 12 с.. Почву измельчали, просеивали через сито 3 мм, после чего в ней определяли агрохимические и агроэкологические показатели: рН солевой вытяжки - потенциометрическим методом - ГОСТ 26483-85 ГОСТ 26483-85. Почвы определение pH солевой вытяжки, обменной кислотности, обменных катионов, содержания нитратов, обменного аммония и подвижной серы методами ЦИНАО. М. : Изд-во стандартов, 1985. 6 с.; гумус по методу Тюрина - ГОСТ 26213-91 ГОСТ 26213-91. Почвы. Методы определения органического вещества. М. : Изд-во стандартов, 1992. 8 с.. В месте отбора проб почвы гумусовый горизонт серого цвета, мощностью 25-30 см, содержание гумуса 4-5 %, реакция слабо-кислая (рН 5,0-6,0).

Для определения показателя «фитотоксичность» в чашки Петри насыпали по 100 г почвы, затем вносили нефть в концентрациях 1, 3, 4, 6 и 8 % от сухой массы почвы и тщательно перемешивали. В качестве контроля использовали незагрязненную почву. Через 3 сут в почву вносили семена исследуемых растений в соответствии с нормами высева для каждой культуры [10]. Оценку результатов проводили через 7 сут. Отмечали количество проросших семян в опытном и контрольном варианте. Измеряли длину и массу корней и наземной части растений, вычисляли процент всхожести семян. фиторемедиация нефтяной загрязнение растение

Оценку устойчивости растений к условиям длительного нефтяного загрязнения (через 30 сут) проводили, выращивая растения в сосудах объемом 0,5 л при 12-часовом светом периоде, интенсивности освещения 30 клк и температуре воздуха 22-25 °С. В сосуды с почвой вносили товарную нефть в концентрациях 1, 3, 4, 6 и 8 % от сухой массы почвы. Почву увлажняли до 60 % влагоемкости и поддерживали ее на протяжении всего периода выращивания. Через 3 сут в почву вносили семена исследуемых растений в соответствии с рекомендациями для каждой культуры [10], а также с учетом требований ГОСТ Р ИСО 18769-2019 ГОСТ Р ИСО 18763-2019. Качество почвы. Определение токсического воздействия загрязняющих веществ на всхожесть и рост на ранних стадиях высших растений. М. : Стан- дартинформ, 2019. 23 с. ГОСТ Р ИСО 22030-2009. Качество почвы. Биологические методы. Хроническая фитотоксичность в отношении высших растений. М. : Стандартинформ, 2010. 20 с. и ГОСТ Р ИСО 22030-20092. В контрольном варианте эксперимента растения выращивали без внесения нефти. Для определения валового содержания тяжелых металлов в почве до и после внесения нефти использовали атомно-абсорбционный спектрометр с электротермической атомизацией КВАНТ-7.ЭТА по методике Хавезова и Цалева (1983) [11]. Валовое содержание мышьяка в образцах определяли по ГОСТ Р 51766-2001 ГОСТ Р 51766-2001. Сырье и продукты пищевые. Атомно-абсорбционный метод определения мышьяка. М. : Стандартинформ, 2011. 12 с.. В высушенных и размолотых растительных образцах определяли содержание ТМ атомно-абсорбционным методом по ГОСТ 30178-96 ГОСТ 30178-96. Сырье и продукты пищевые. Атомно-абсорбционный метод определения токсичных элементов. М. : Стандартинформ, 2010. 10 с..

Рассчитывали коэффициент накопления (КН) ТМ как отношение их содержания в воздушно-сухой массе растения и почве [8].

Все эксперименты проводили в 4-кратной биологической, а измерения в 3-6-кратной аналитической повторности. Статистическую обработку полученных результатов проводили с использованием пакета прикладных программ Зіайзйса 10.0, рассчитывали средние значения, стандартные отклонения и доверительный интервал при р < 0,05.

Результаты и обсуждение

Одним их определяющих параметров при выборе растений-фитореме- диантов является их устойчивость к действию поллютантов. Нами была проведена оценка способности семян к всхожести в условиях нефтяного загрязнения (табл. 1).

Таблица 1 Влияние уровня нефтяного загрязнения почвы на всхожесть (%) семян растений разных видов

Примечание. Представлены средние значения и их стандартные ошибки; * - значения достоверны при р < 0,05.

Всхожесть семян на незагрязненной почве у люцерны, клевера, донника превышала 90 %, а у вики была ниже 90 %. У вики также наблюдалась большая вариативность значений показателя всхожести между повторностями (табл. 1).

При концентрации нефти в почве 1 % не наблюдалось значительного снижения всхожести семян у всех растений, по сравнению с контрольным вариантом. При повышении концентрации нефти в почве до 3 и 4 % было установлено токсическое ее действие на появление проростков - ячменя, сорго, клевера, донника. Данные концентрации нефти не оказывали значительного фитотоксического эффекта на всхожесть семян ржи и люцерны. Повышение концентрации нефти в почве 6 и 8 % привело к резкому снижению всхожести семян у всех исследуемых видов растений. Таким образом, при содержании нефти в почве в концентрации до 4 % для проведения фиторемедиационных работ наиболее подходящими для проращивания оказались семена люцерны и ржи.

Оценка устойчивости растений к условиям длительного нефтяного загрязнения на растения семейства Бобовые показала, что при содержании в почве 1 % нефти ростовые показатели практически не отличались от контрольных значений, но при повышении концентрации нефти в почве средняя длина проростков уменьшалась (табл. 2). Так, при концентрации нефти 8 % средняя длина побегов люцерны была меньше контрольного варианта почти в 2,0 раза, у клевера в 2,9 раза, у донника - в 4,5 раза, у вики - в 6,6 раза. Растения люцерны при росте на почве, содержащей 4 % нефти, уменьшили скорость ростовых процессов в меньшей степени по сравнению с другими растениями. Так, длина побега люцерны была меньше на 16 % по сравнению со значением контроля, тогда как у других растений на 23-61 %. Рост корней также снижался: в наименьшей степени у люцерны (на 28 %) и более значительно у остальных культур (клевер, донник, вика) соответственно на 40, 30 и 60 % (табл. 2). ГН 2.1.7.2042-06. Ориентировочно допустимые концентрации химических веществ в почве. Гигиенические нормативы. М. : Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2006. 11 с.

При анализе данных ростовых показателей у растений семейства Злаковые было выявлено, что, начиная с концентрации 1 % нефти в почве, наблюдалось значительное снижение длины побегов в сравнении с контролем. Длина побега ржи была меньше по сравнению с контрольным образцом на 25 %, ячменя - на 8 %, сорго - на 31 %. При увеличении концентрации нефти в почве до 4 % происходило дальнейшее подавление ростовых процессов побега - у ржи на 46 %, ячменя на 64 % и сорго на 53 %. Длина корней Злаковых при 4 % концентрации нефти в почве была меньше на - 31, 43 и 31 % соответственно (табл. 2).

Таким образом, при содержании нефти в почве в концентрации до 4 % для проведения фиторемедиационных работ можно использовать растения люцерны посевной и ржи посевной.

Выявленное в экспериментальных образцах серой лесной почвы значение природного валового содержания ТМ соответствовало данным многолетних исследований почв Башкирии [12]. Внесение в почву нефти в концентрации 4 % привело к повышению содержания ТМ в почве (табл. 3). Причем достоверно увеличилось содержание Cu (+16 %), Zn (+17 %) и As (+176 %). Из литературы известно, что основным сопутствующим нефтяному загрязнению токсическим агентом является мышьяк [13]. Показатели по уровню загрязнения ТМ и мышьяком используемых образцов почвы находятся в пределах ориентировочно допустимых концентраций (ОДК).

Влияние нефтяного загрязнения почвы на длину побега (П) и корня (К) растений разных видов, см

Таблица 2

Примечание. Представлены средние значения и их стандартные ошибки; * - значения достоверны при р < 0,05.

Установлена избирательная аккумуляция ТМ и мышьяка в надземной части у ржи и люцерны (табл. 3). После проведения расчетов коэффициента накопления было установлено, что наиболее активно накапливались в надземной части ржи свинец, медь и мышьяк, а у люцерны - медь и мышьяк. КН кадмия у обоих растений был одинаковым и меньше 10 % от установленного в нефтезагрязненных почвах. Аккумуляция цинка в надземной части у обоих растений не была установлена, что может свидетельствовать об их избирательности поглощения и транспорта в надземную часть ионов цинка (табл. 3).

Валовое содержание тяжелых металлов и мышьяка в почве и в надземной части растений, мг/кг

Таблица 3

Примечание. НЧ - надземная часть; ОДК - ориентировочно допустимые концентрации тяжелых металлов в почве [14]; КН - коэффициент накопления определяется как отношение содержания ТМ в растении/в почве [15].

Таким образом, по результатам нашего исследования люцерну посевную и рожь посевную можно рекомендовать к возделыванию поочередно или в травосмеси для фитоэкстракции земель, подвергнутых нефтяному загряз- нению.

Список литературы

1. Панченко Л. В., Муратова А. Ю., Дубровская Е. В. [и др.]. Атлас растений-фито- ремидиантов. Саратов : Научная книга, 2015. 560 с.

2. Башмаков Д. И., Лукаткин А. С. Аккумуляция тяжелых металлов некоторыми высшими растениями в разных условиях местообитания // Агрохимия. 2002. № 9. С. 66-71.

3. Тафеева Е. А., Иванов А. В., Титова А. А., Петров И. В. Содержание тяжелых металлов и нефтепродуктов в почве на территории нефтедобывающих районов Республики Татарстан // Гигиена и санитария. 2016. № 10. С. 939-941. doi:http:// dx.doi.org/10.18821/0016-9900-2016-95-10-939-941

4. Prabha J., Kumar M., Tripathi R. Opportunities and challenges of utilizing energy crops in phytoremediation of environmental pollutants // Bioremediation for Environmental Sustainability. Elsevier, 2021. Р. 383-396.

5. Киреева Н. А., Кузяхметов Г. Г., Мифтахова А. М., Водопьянов В. В. Фитотоксичность антропогенно-загрязненных почв. Уфа : Гилем, 2003. 266 с.

6. Киреева Н. А., Григориади А. С., Водопьянов В. В., Амирова А. Р. Подбор растений для фиторемедиации почв, загрязненных нефтяными углеводородами // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2011. Т. 13, № 5. С. 184-187.

7. Trakal L., Martinez-Fernandez D., Vitkova M., Komarek M. Phytoextraction of Metals: Modeling Root Metal Uptake and Associated Processes // Phytoremediation Management of Environmental Contaminants. 2015. Vol. 1. P. 69-86.

8. Галиулин Р. В., Галиулин Р. А. Особенности фитоэкстракции тяжелых металлов из загрязненных почв // Агрохимия. 2010. № 11. С. 81-85.

9. Pinto A. P., Varennes A. de, Dias C. M. B., Lopes M. E. Microbial-Assisted Phytoremediation: A Convenient Use of Plant and Microbesto Clean Up Soils // Phytoremediation Management of Environmental Contaminants. 2020. Vol. 6. P. 21-91.

10. Фирсов И. П., Соловьев А. М., Трифонова М. Ф. Технология производства продукции растениеводства. М. : КолосС, 2006. 472 с.

11. Хавезов И., Цалев Д. Атомно-абсорбционный анализ / пер. с болг. Г. А. Шейниной ; под ред. С. З. Яковлевой. Л. : Химия, 1983. 144 с.

12. Асылбаев И. Г., Хабиров И. К. Концентрация химических элементов в почвах и породах Республики Башкортостан // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. 2013. № 2. С. 11-16.

13. Бабаев Э. Р., Мовсумзаде Э. М. Фитоэкстракция тяжелых металлов из нефтезагрязненных почв Апшеронского полуострова // Нефтегазохимия. 2016. № 3. С. 27-30.

14. Патент 2231944 Российская Федерация. Способ биологической очистки почв / Башмаков Д. И., Лукаткин А. С. ; заявитель и патентообладатель Мордов. гос. ун-т им. Н. П. Огарева. № 2002117549/12 ; заявл. 01.07.2002 ; опубл. 10.07.2004, Бюл. № 19.

15. Патент 2582352 Российская Федерация. Способ биологической очистки почв / Красильников В. В., Серебренников Б. В., Поторопин Е. Б., Дымнич С. А. ; заявитель и правообладатель ФГБУ «33 Центральный научно-исследовательский испытательный институт» Минобороны России. № 2014141425/13 ; заявл. 14.10.2014 ; опубл. 27.04.2016, Бюл. № 12.

References

1. Panchenko L.V., Muratova A.Yu., Dubrovskaya E.V. [et al.]. Atlas rasteniyfitoremi- diantov = Atlas of phytoremediation plants. Saratov: Nauchnaya kniga, 2015:560. (In Russ.)

2. Bashmakov D.I., Lukatkin A.S. Accumulation of heavy metals by some higher plants in different habitat conditions. Agrokhimiya = Agrochemistry. 2002;(9):66-71. (In Russ.)

3. Tafeeva E.A., Ivanov A.V., Titova A.A., Petrov I.V. The content of heavy metals and oil products in the soil on the territory of the oil-producing regions of the Republic of Tatarstan. Gigiena i sanitariya = Hygiene and sanitation. 2016;(10):939-941. (In Russ.).

4. Prabha J., Kumar M., Tripathi R. Opportunities and challenges of utilizing energy crops in phytoremediation of environmental pollutants. Bioremediation for Environmental Sustainability. Elsevier, 2021:383-396.

5. Kireeva N.A., Kuzyakhmetov G.G., Miftakhova A.M., Vodop'yanov V.V. Fitotoksich- nost' antropogenno-zagryaznennykh pochv = Phytotoxicity of anthropogenically contaminated soils. Ufa: Gilem, 2003:266. (In Russ.)

6. Kireeva N.A., Grigoriadi A.S., Vodop'yanov V.V., Amirova A.R. Selection of plants for phytoremediation of soils contaminated with petroleum hydrocarbons. Izvestiya Sa- marskogo nauchnogo tsentra Rossiyskoy akademii nauk = Proceedings of Samara Scientific Center of the Russian Academy of Sciences. 2011;13(5):184-187. (In Russ.)

7. Trakal L., Martinez-Fernandez D., Vitkova M., Komarek M. Phytoextraction of Metals: Modeling Root Metal Uptake and Associated Processes. Phytoremediation Management of Environmental Contaminants. 2015;1:69-86.

8. Galiulin R.V., Galiulin R.A. The features of phytoextraction of heavy metals from contaminated soils. Agrokhimiya = Agrochemistry. 2010;(11):81-85. (In Russ.)

9. Pinto A.P., Varennes A. de, Dias C.M.B., Lopes M.E. Microbial-Assisted Phytoremediation: A Convenient Use of Plant and Microbesto Clean Up Soils. Phytoremediation Management of Environmental Contaminants. 2020;6:21-91.

10. Firsov I.P., Solov'ev A.M., Trifonova M.F. Tekhnologiya proizvodstvaproduktsii raste- nievodstva = Crop production technology. Moscow: KolosS, 2006:472. (In Russ.)

11. Khavezov I., Tsalev D. Atomno-absorbtsionnyy analiz = Atomic absorption analysis. Transl from. Bulgarian by G.A. Sheynina. Leningrad: Khimiya, 1983:144. (In Russ.)

12. Asylbaev I.G., Khabirov I.K. Concentration of chemical elements in soils and rocks of the Republic of Bashkortostan. Vestnik Ul'yanovskoy gosudarstvennoy sel'skokhozyay- stvennoy akademii = Bulletin of Ulyanovsk State Agricultural Academy. 2013;(2): 11-16. (In Russ.)

13. Babaev E.R., Movsumzade E.M. Phytoextraction of heavy metals from oil-contaminated soils of the Absheron Peninsula. Neftegazokhimiya = Petrochemicals. 2016;(3): 27-30. (In Russ.)

14. Patent 2231944 Russian Federation. Sposob biologicheskoy ochistki pochv = Method for biological treatment of soils. Bashmakov D.I., Lukatkin A.S.; applicant and patentee Mordovia State University named after N.P. Ogarev. № 2002117549/12; appl. 01.07.2002; publ. 10.07.2004, bull. № 19. (In Russ.)

15. Patent 2582352 Russian Federation. Sposob biologicheskoy ochistki pochv = Method for biological treatment of soils. Krasil'nikov V.V., Serebrennikov B.V., Potoropin E.B., Dymnich S.A.; applicant and patentee Federal State Budgetary Institution “33 Central research institute” Ministry of defense of the Russian Federation. № 2014141425/13; appl. 14.10.2014; publ. 27.04.2016, bull. № 12. (In Russ.)

Размещено на Allbest.ru