Влияние нефтезагрязнения на почву и растительность

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Влияние нефти и нефтепродуктов на свойства и живые организмы почвы

нефтепродукт почва растительность

Почва - это сложнейшая система, одним из основных функциональных компонентов которой являются населяющие её живые организмы. В этой сложной системе непрерывно происходит синтез и разрушение органического вещества, круговорот элементов зольного и азотного питания растений, детоксикация различных загрязняющих веществ, поступающих в почву и т.д. (Агроэкология, 2000).

Почва аккумулирует загрязняющие вещества в большей степени, чем атмосфера и природные воды. Одними из основных техногенных загрязнителей являются нефть и продукты её переработки, которые ухудшают водный режим и физические свойства почвы, нарушают почвенно-поглощающий комплекс, резко снижают содержание в почве подвижных соединений азота и фосфора, влияют на деятельность микроорганизмов, а так же активность окислительно-восстановительных ферментов. В результате изменяется экологическое состояние агроэкосистемы (Киреева Н.А., 2001).

С момента попадания нефти в почву постоянно происходят процессы ее перераспределения в почвенных слоях. Попадая в почву, углеводороды нефти мигрируют в вертикальном и горизонтальном направлении, зависит это, главным образом, от её гранулометрического состава и влажности почвы. Воздействие углеводородов нефти на почву во многом зависит от её физико-химических характеристик, в загрязненной почве происходят определенные геохимические и структурные изменения. Нефтяное загрязнение препятствует нормальному тепло- и газообмену почвы (Самоочищение и рекультивация…, 1988). При высоких дозах механические элементы и структурные агрегаты почвы покрываются нефтяной пленкой, которая изолирует питательные вещества от корневых систем растений (Зволинский В.П., 2005).

Различные фракции нефти влияют на гидрофобность почвы по-разному: моторное масло и гудрон оказывают на почву действие, аналогичное пролитой в почву сырой нефти, в то время как легкие фракции нефти не оказывают значительного влияния даже при высоких концентрациях (Самоочищение и рекультивация…, 1988).

Рассматривая влияние равнозначных по давности и уровню воздействия нефтепродуктов в одинаковых ландшафтах, но разных экосистемах (пашня, лес, пастбище или луг), можно заключать, что пахотные почвы пропитываются на большую глубину, чем лесные и луговые. А в почвах под луговой растительностью и лесом происходит интенсивное накопление в верхних горизонтах, поскольку задернённость почвы и наличие лесной подстилки значительно снижают как горизонтальную, так и вертикальную миграцию потоков загрязняющих веществ (Изменение свойств почв…, 1997).

Изучение влияния нефтезагрязнения на серых лесных почвах показало, что нефть существенно влияет на реакцию почвенной среды. С увеличением уровня загрязнения происходит снижение кислотности. С повышением загрязнения происходит подщелачивание почвы, резко снижается гидролитическая кислотность и возрастает сумма поглощенных оснований (Шаркова С.Ю., 2008).

В загрязненных почвах наблюдается уменьшение емкости поглощения, что связано с обволакиванием почвенных коллоидов нефтяной пленкой. При загрязнении почвы товарной (т.е. обессоленной) нефтью количество поглощенных катионов может восстанавливаться через три года, а при загрязнении сырой (необессоленной) нефтью - не восстанавливается.

Под действием нефти происходят существенные изменения в содержании углерода в почве. Загрязнение вызывает изменения во фракционно-групповом составе гумуса. В составе гумуса загрязненных почв увеличивается доля гумина, и снижаются процессы минерализации органического вещества, что сказывается на азотном режиме почв (Шаркова С.Ю., 2008). Скорость минерализации органических соединений в почве определяется, в основном, соотношением углерода к азоту (С:N). Избыток углеродсодержащих соединений приводит к ухудшению азотного режима почв и нарушению корневого питания растений (Пиковский Ю.Н., 1988).

Изучение содержания минеральных форм азота показало, что под действием нефти количество обменно-поглощенного аммония снижается более чем в два раза (Шаркова С.Ю., 2008). Так же вначале происходит незначительное снижение содержания нитратного азота, а затем постепенно он накапливается в ощутимых количествах и достигает максимума на третий год. Существенное накопление нитратного азота в почве связано с поступлением этого элемента с нефтью и снижением потерь почвенного азота в результате процессов денитрификации. Этому способствуют первоначальный перевод высвобождаемого минерального почвенного азота в биомассу микроорганизмов, интенсивно развивающихся в результате трансформации углеводородов, а в дальнейшем - усиление процессов минерализации азотсодержащих органических соединений (Назарюк В.М., 2007).

Нефтяное загрязнение дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы вызывает резкое снижение содержания подвижных форм фосфора и калия. Это объясняется тем, что нефть образует вокруг почвенных частиц и агрегатов гидрофобные пленки, которые препятствуют проникновению водных растворов к их внутренним частям (Дедыев А.В., 2005).

Однако в исследованиях В.М. Назарюк (2007) в серой лесной почве содержание доступных растениям соединений фосфора и калия практически не меняется в результате ее загрязнения нефтью, небольшие различия наблюдаются только по годам. Увеличение содержания зольных элементов в почве происходит главным образом в результате применения фосфорно-калийных удобрений.

Вероятно, обволакивание почвенных частиц нефтяной пленкой препятствует миграции подвижных соединений азота и фосфора в раствор. Поэтому и через год после загрязнения содержание подвижного фосфора с ростом дозы нефти уменьшается, хотя внесение нефти приводит к увеличению количества подвижных фосфатов вследствие высокого содержания парафиновых углеводородов, легко поддающихся разложению (Влияние нефтяного загрязнения…, 1988).

Основной причиной роста численности микроорганизмов при загрязнении почвы нефтью и нефтепродуктами является, по-видимому, поступление в почву дополнительного количества доступного микробам органического вещества. При этом чувствительные к нефти и нефтепродуктом микроорганизмы погибают, а устойчивые формы активно развиваются, давая скачок численности.

Снижение численности микроорганизмов, вероятно, обусловлено наличием в составе нефти загрязняющих веществ толуола, ксилола, нафталина, тяжелых металлов и других, токсичных для микроорганизмов соединений.

Загрязнение нефтью оказывает большее стимулирующее действие на численность бактерий и актиномицетов. Численность грибов возрастает в большей степени при загрязнении почвы бензином (Изменение комплекса почвенных микроорганизмов…, 2007).

Грибы оказываются самыми устойчивыми микроорганизмами к нефтяному загрязнению серой лесной почвы. Нефть в дозе 8 л/м² уменьшала их количество незначительно, при 16 л/м² численность снижалась в 1,5 раза, а дальнейшее увеличение концентрации нефти привело к возрастанию количества сапрофитных грибов в почве. Вероятно, грибы используют углеводороды нефти в качестве источника углеродного питания или благодаря высокой ферментативной активности они очень быстро вырабатывают ферменты и разлагают нефть на низкомолекулярные соединения (Влияние нефтяного загрязнения…, 1988).

Влияние нефти на свойства дерново-подзолистой почвы изучены в модельном опыте Е.В. Просянникова и В.Е. Смольского (2009), заложенном в естественном биогеоценозе. Почвенные пробы отбирались по истечению 6 часов после разлива нефти. Количество нефти, вылитой на поверхность почвы, изменялось от 4 до 32 л/м². Были исследованы физико-химические, агрохимические и биологические показатели почв.

Более значительные изменения физико-химических показателей почвы наблюдаются только при самых высоких дозах нефти. Снижается pH_KCl, гидролитическая кислотность и сумма обменных оснований. Также нахождение на поверхности почвы нефти в количестве от 4 до 32 л/м² обусловливает стойкое снижение емкости катионного обмена и степени насыщенности основаниями.

Содержание общего углерода и общего азота существенно увеличивается по мере возрастания количества нефти. Нахождение на поверхности почвы нефти в количестве 4-32 л/м² существенно не изменяло содержание подвижного фосфора. Содержание обменного калия значительно уменьшалось по мере возрастания количества нефти.

Почвенные животные, которые составляют 90-95% по биомассе и числу видов от всего населения наземных экосистем, наряду с микрофлорой, выполняют важную экологическую роль. Поэтому основным показателям экологического благополучия почвы является величина суммарной биомассы почвенных микроорганизмов. Нахождение на поверхности почвы 4 л/м² нефти существенно увеличивало суммарную биомассу микроорганизмов, а 8-32 л/м² значительно её снижало. (Е.В. Просянников, 2009).

Нефть в зависимости от фракционного состава и количества может оказывать определенное токсическое действие и на растительные организмы. При концентрации свыше 2 г на 1 кг почвы происходит необратимое угнетение растений. Содержание нефти в почве даже небольшой концентрации (0,15%) снижает урожай зерновых культур (Очистка окружающей среды…, 1999).

Воздействие загрязнения почв нефтепродуктами на жизнедеятельность растений носит неоднозначный характер.

Многочисленными работами установлено, что загрязнение почвы нефтью и нефтепродуктами приводит к замедлению роста и развития растений. Главными причинами замедленного развития растений или их гибели в результате загрязнения служат нарушения поступления воды, питательных веществ и кислородного голодания (Колесников С.И., 2007).

В то же время, некоторыми исследователями отмечалось стимулирующее действие нефти на рост растений. Установлено, что решающее значение имеет степень загрязнения (доза нефти) и агрохимический фон (Зильберман М.В., 2005).

Таким образом, влияние нефтезагрязнения на свойства и живые организмы почвы зависит как от объема разлитой нефти, так и от изначальных характеристик почвы, её состава и типовой принадлежности.

нефтепродукт почва растительность

2. Изменения в растениях, происходящие в результате нефтезагрязнения

На современном этапе развития общества растения испытывают разнообразные антропогенные воздействия, в ответ на которые они меняют процессы своей жизнедеятельности. Эти изменение проявляется в возникновении механизмов адаптации к новым экологическим факторам на разных уровнях организации растений. Основным антропогенным фактором, оказывающим стрессовое воздействие на растения, является нефтяное загрязнение. Изучение адаптационных механизмов растений в ответ на действие нефти делает возможным выявление признаков, обеспечивающих устойчивость растений в условиях нефтяного загрязнения, с целью их использования в процессе разработки методов рекультивации и подборки для неё устойчивых к нефтяному загрязнению растений. Изучаемые признаки можно использовать как индикаторы для характеристики состояния почв при нефтяном загрязнении (Мазунина Л.Е., 2010).

Морфологические и анатомические изменения

Анатомия изучает внутреннее строение растений на клеточном и тканевом уровнях. Морфология растений изучает строение тела растительных организмов, внешнее строение органов растений (Андреева И.И., 2005).

Нефтяное загрязнение значительно изменяет морфологию растения. Наблюдается уменьшение роста стебля в высоту, уменьшается его радиальный рост, нефтяное загрязнение ингибирует ростовые процессы. В условиях загрязнения нефтью значительно снижается площадь ассимиляционной поверхности растений (у мезофитных и ксерофитных растений). Корневая система уменьшает свои размеры, меняет свою морфологию (переход от мочковатого типа корневой системы к стержневому). Прекращается формирование клубеньков и развитие корневых волосков. Значительным изменениям подвергаются анатомические особенности растений. Увеличивается толщина листовой пластинки, исчезает кутикула, уменьшаются размеры клеток и количество хлоропластов. В корневой системе растений происходит утолщение эпидермы, увеличивается количество ксилемных элементов и размер центрального цилиндра, объем воздухоносных тканей. Размеры ксилемных элементов сокращаются, что обеспечивает корню более энергетически выгодный механизм поглощения и транспорта воды и минеральных элементов. Изменения анатомии и морфологии органов направлены на создание защитных механизмов и выполняют компенсаторную функцию в ответ на нефтяное загрязнение. Ответная реакция растений на нефтяное загрязнение зависит от их принадлежности к экологической группе. Наблюдается усиление ксероморфных признаков у устойчивых к нефтяному загрязнению растений, что обеспечивает им защиту от токсического действия нефти (Мазунина Л.Е., 2010).

При проведении морфологических исследований в Кабардино-Балкарском государственном университете им. Х.М. Бербекова были отобраны наиболее распространенные полевые виды растений: ромашка непахучая (Matricaria recutita L.), конский щавель (Rumex confertus Willd.), одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale Wigg. s.l.) подорожник большой (Plantago major L.).

Ингибирующее влияние нефтезагрязнений на все исследуемые виды растений выразилось в уменьшении числа соцветий и количества семян в среднем на одно соцветие и в снижении всхожести семян. Так, в загрязненных зонах количество цветков на одно растение уменьшилось в среднем в 1,2 - 2,3 раза, а семян - в 1,3 - 2,1 раза. У отдельных растений отмечены минимальные значения этих признаков. В то же время, эти растения имели наибольшую высоту.

Самые значительные изменения наблюдались во всхожести семян. Всхожесть в загрязненных зонах снизилась в 2,9 - 5,5 раза. Значительное снижение всхожести наблюдается у растений одуванчик лекарственный (Джамбетова П.М., 2005).

Нефтяное загрязнение оказывает значительное влияние на морфологические показатели пшеницы в лабораторных опытах. В почвах загрязненных нефтью, были обнаружены определенные изменения в линейных размерах корней и надземной части растений.

Длина надземной части растения пшеницы в возрасте 12 суток в варианте с концентрацией нефти 2% от массы почвы составляет лишь 61% по сравнению с контрольным вариантом.

Аналогичные закономерности наблюдаются в отношении длины корня. С повышением концентрации нефти она заметно уменьшается. При 1% загрязнения происходила некоторая стимуляция роста корней, и длина корня составляла 124% по сравнению с контролем. Сходные данные были получены при измерении объема корневой системы. В варианте концентрации нефти 1% объем корневой системы превысил контроль на 50%.

В полевом опыте более детальное наблюдение за растениями пшеницы проводились в фазе колошения. В этой фазе завершается закладка генеративных и вегетативных органов. Высота растений яровой пшеницы во всех опытных вариантах в фазе колошения была значительно ниже, чем контроль.

Нефтяное загрязнение сильно подавляло развитие листовой поверхности. По сравнению с контролем ассимиляционная поверхность растений на загрязненных делянках была в 3-15 раз ниже. Следует отметить, что нефтяное загрязнение стимулировало в некоторой степени листообразование у растений пшеницы (Киреева Н.А, 2006).

При проведении полевых опытов, где в качестве тест-растения был выбран донник лекарственный, нефтяное загрязнение оказывало заметное влияние на формирование листьев этого растения. Уже при самой низкой концентрации (0,5%) длина и ширина листа достоверно уменьшалась по сравнению с контролем. Рост донника лекарственного высоту замедлялся с увеличением дозы загрязнителя. Как низкие, так и высокие дозы нефти стимулировали рост стержневого корня донника.

При посеве семян культуры на второй год после загрязнения почвы нефтью всходы растений появились не дружно, росли и развивались не ровно. Нефть, особенно в высоких дозах ингибировала рост растений, ветвление стеблей, закладку генеративных органов. Значительно увеличилась длина вегетационного периода, при этом высота растений не достигала величины контрольного уровня (Киреева Н.А., 2001).

Влияние бензина, керосина, машинного масла и мазута (20 мл на 200 г. почвы) изучали на клевере луговом, подсолнечнике сорта «Передовик» и ячмене сорта «Роланд». Под действием машинного масла и мазута развитие клевера лугового тормозилось: всходы появились на два дня позже, чем в контроле, и появился только один настоящий лист, тогда как в контроле - три настоящих листа. На почве, загрязненной бензином или керосином, всходы клевера вообще не появились. Более сильное действие бензин и керосин оказали также на подсолнечник и ячмень. При этом всходов ячменя под действием бензина и керосина вообще не наблюдалось. Эти данные указывают на то, что действие более легких фракций нефти для растений токсичнее (Дедков В.П., 1997).

Проводились исследования по влиянию различных доз нефти на рост и развитие растений звездчатки, пырея и куриного проса в лабораторных и полевых условиях. Данные исследований приведены в таблице 1.

Наблюдения за ростом и развитием растений велись в течение опытов. Одним из наиболее информативных показателей роста растений является их высота. Нефть губительно действует на проросшие растения. При всех концентрациях нефти в начале вегетации рост растений в высоту отставал от контроля, при различных дозах высота растений была в 2 и более раз ниже, чем в контроле.

Рост и развитие вегетативных органов звездчатки средней в зависимости от уровня нефтяного загрязнения (приведены среднестатистические величины) (Киреева Н.А, 2001)

Ингибирующее влияние нефть оказала на формирование второго листа у растений. Если в контрольном варианте опыта появление второго листа у растений пырея начиналось на четвертый день, у звездчатки и куриного проса на пятый день после появления всходов, то при загрязнении почвы нефтью (0,5-6%) появление второго листа задерживалось на 3 - 6 дней.

При изучении влияния нефтяного загрязнения почв на листовую поверхность выявлено, что увеличения общей листовой поверхности не происходило. Наоборот, даже низкие дозы нефти (0,5-2%) угнетали формирование листовой поверхности у растений звездчатки, пырея, куриного проса, что связано со снижением, как длины, так и ширины листа.

Интерес представляет изучение влияния нефтяного загрязнения на развитие корневой системы. При 0,5%-м загрязнении почвы отмечалось стимулирующее действие на рост первичного корня пырея. При дальнейшем увеличении уровня загрязнения длина первичного корня пырея соответственно уменьшалась. Совершенно иная картина наблюдалась у звездчатки. Нефть оказала особенно сильное влияние на длину корней. Общая длина корней растения звездчатки даже при 1%-м загрязнении составляла только 2/3 от длины корней в контрольном варианте (Киреева Н.А., 2001).

Физиологические и биохимические изменения

Физиология и биохимия растений - область науки, изучающая процессы, определяющие жизнь растений, особенности их метаболизма и системы их регуляции. Исследования охватывают молекулярный, клеточный, организменный и ценотический уровни (Андреева И.И, 2005).

В последнее время загрязнение окружающей среды становится важным внешним фактором, к которому растения эволюционно не приспособлены. Загрязняющие вещества сужают пределы толерантности растений к естественным факторам среды.

При выявлении влияния нефтяного загрязнения почв на уровни содержания фотосинтетических и флавоноидных пигментов в листьях кипрея узколистного и полыни обыкновенной. В ходе работы были получены следующие результаты:

У растения полынь обыкновенная, произрастающей в условиях нефтезагрязнения наблюдается снижение содержания всех фотосинтетических пигментов (хлорофилла а - в 1,4-3 раза, хлорофилла b - в 2,5-4,2 раза, каротиноидов в 1,1-1,8 раза), увеличение соотношения хлорофилл а / хлорофилл b и возрастание количества флавоноидных соединений (1,3 - 2,5 раза) по сравнению с контролем.

Растения кипрея узколистного проявляют реакцию на нефтяное загрязнение среды, выраженную в резком снижении содержания всех фотосинтетических пигментов (хлорофилла а в 1,6-3,3 раза, хлорофилла b в 1,5-3,4 раза) и в большей степени каротиноидов (в 2-7 раз) со снижением их процентной доли (9,9% - контроль и 7,2% - на нефтезагрязнении), а также увеличении содержания флавоноидных соединений по сравнению с контролем.

Наиболее устойчивым к нефтезагрязнению по исследованным показателям видом является полынь обыкновенная, наиболее чувствительным кипрей узколистный. Содержание хлорофиллов, каротиноидов и флавоноидных соединений у этих растений можно использовать для ранней диагностики экологического неблагополучия подверженных нефтезагрязнению территорий (Андреевских М.А., 2010).

Одним из веществ, занимающих доминирующее положение во внеклеточной и внутриклеточной антиоксидантной защите, является аскорбиновая кислота (витамин C). Антиоксидантная система участвует в процессах нейтрализации продуктов окислительного стресса. Следовательно, показатель уровня содержания аскорбиновой кислоты можно использовать для оценки физиологического состояния растений, выращенных на загрязненных поллютантами почвах (Киреева Н.А., 2009).

В течение вегетационного периода содержание аскорбиновой кислоты в листьях пшеницы постепенно уменьшалось, что свидетельствовало об уменьшении активности окислительно-восстановительных процессов в них. Это согласуется с данными по уменьшению ассимиляционной активности. При загрязнении почвы нефтью отмечено достоверное увеличение содержания аскорбиновой кислоты, что связано, по-видимому, с ее участием в механизмах адаптации растений к условиям техногенеза. Наибольшее содержание аскорбиновой кислоты отмечено в листьях 20-суточных растений пшеницы, выращенных при загрязнении нефтью почвы в концентрации 6%. С увеличением техногенной нагрузки от 1 до 6% во все фазы роста растений пшеницы содержание аскорбиновой кислоты увеличилось в 1.5-2.5 раза, что может быть обусловлено их устойчивостью к загрязнению.

Наличие нефтепродуктов в почве оказало влияние на уровень содержания аскорбиновой кислоты и в листьях растений ячменя. Оно превысило контрольный уровень у 10-суточных проростков при загрязнении в концентрации 1% - в 1.2 раза, 2% - в 1.5 раза, 6% - в 2.1 раза, у 20-суточных проростков - в 1,2; 1,5 и 2 раза, в фазе колошения - в 1,2; 1,2 и 1,3 раза, соответственно. При этом необходимо отметить, что изначально в листьях растений ячменя содержание аскорбиновой кислоты было достоверно в 1.5 раза меньше, чем в листьях растений пшеницы. Несмотря на это, в условиях нефтяного загрязнения почвы растения ячменя также характеризовались высокой активностью окислительно-восстановительных процессов, одним из показателей которой является накопление аскорбиновой кислоты.

Таким образом, в условиях техногенеза наблюдали накопление аскорбиновой кислоты и, следовательно, интенсификацию окислительно-восстановительных процессов, что способствовало поддержке жизнедеятельности растений в экологически неблагоприятных условиях (Киреева Н.А., 2009).

В опыте с редисом было установлено, что с ростом концентрации нефти в почве содержание нитратов в корнеплодах уменьшалось, заметно увеличивалась концентрация витамина С. Повышение концентрации витамина в корнеплодах редиса обусловлено ухудшением условий минерального питания.

В отличие от редиса, у салата содержание нитратов в листьях салата во всех вариантах нефтезагрязнеиия почему-то оказалось несколько выше, чем в контроле. Содержание витамина С в зеленой массе салата, как и при выращивании редиса, повышалось, хотя и в меньшей степени. При этом увеличение загрязнения почвы нефтью снижало содержание витамина С (в отличие от редиса), что, по-видимому, связано с крайней степенью угнетения биохимических процессов в растениях повышенными концентрациями нефти в почве.

В опытах с картофелем было установлено, что минимальный уровень загрязнения почвы (500 мг/кг нефти в почве) нефтью оказал стимулирующее влияние на содержание витамина С в клубнях, повысив его на 16%. Средний и максимальный уровни (1000 и 1500 мг/кг нефти в почве) загрязнения негативно отразились на данном показателе, снизив его на 30,2% к контролю. Содержание нитратов в клубнях оказалось на порядок ниже общепринятых нормативов (250 мг/кг, СанПиН 2.3.2.560-96) и колебалось от 20,9 до 27,7 мг/кг сырого вещества (Пригодность почв, загрязненных нефтью…, 2006).

Были исследованы листья растений гравилата городского, купыря лесного, будры плющевидной, одуванчика лекарственного, ежи сборной, тысячелистника обыкновенного, произрастающих в условиях загрязнения железнодорожными поллютантами (нефтяные и трансмиссионные масла)

В результате выявлено, что загрязнение железнодорожными поллютантами способствует накоплению антоциановых пигментов во всех исследуемых растениях в среднем в 5,2 раза: наибольшее количество пигментов было отмечено в растениях гравилата - в 16.9 раза, наименьшее - в растениях будры плющевидной (в 1.4 раза по сравнению с контролем). Содержание антоциана определено с помощью спектрометрического метода.

Наличие в почве железнодорожных поллютантов оказало влияние на уровень восстановленной формы аскорбиновой кислоты в исследуемых растениях: оно превысило контрольный уровень в листьях гравилата в 2.3 раза, в листьях тысячелистника, купыря, одуванчика, будры - почти в 2 раза, а в листьях ежи сборной - в 1.6 раза. Количество аскорбиновой кислоты определяли с помощью титрационного метода (Чупахина Г.Н., 2004).

Отмечено положительное влияние нефти в дозе 1% на содержание суммарного хлорофилла в листьях пшеницы. Содержание хлорофилла превышало на контроль на 35%. Но в то же время следует отметить, что увеличение содержания нефти в почве значительно снижало содержание хлорофилла в листьях пшеницы. При загрязнении почвы в дозе 4% содержание хлорофилла в листьях пшеницы было в 2 раза меньше, чем в контроле.

Содержание сырого протеина в зерне яровой пшеницы, выращенной на нефтезагрязненной почве, значительно снизилось, особенно при высоких концентрациях поллютанта. Это свидетельствовало о нарушении азотного обмена в растениях, когда при уменьшении ассимиляционной поверхности листьев на нефтезагрязненной почве, вероятно, вырабатывалось меньшее количество азотистых веществ, для образования белка в зерне (Киреева Н.А., 2006).

Таким образом, под действием нефтяных загрязнений в растениях происходят различные изменения как внешние, которые можно различить визуально, так и внутренние, которые можно обнаружить только с помощью специальных исследований и проведения ряда анализов.

Чувствительность растений к нефтяному загрязнению

Опасность нефтяного загрязнителя, прежде всего, связана с высокой чувствительностью к нему высших растений, притом, что они занимают ключевое положение практически во всех наземных экосистемах, определяя существование и состав остальных биологических компонентов биогеоценозов. Поэтому большой интерес представляют исследования растительных группировок, образующихся на загрязненных нефтью почвах. Данная информация необходима для мониторинга нефтезагрязненных почв, а также для разработки и совершенствования практических приемов их восстановления (Назаров А.В., 2007).

Экспериментальные площадки, находящиеся на биологическом стационаре в Добрянском районе Пермской области, были загрязнены нефтью в дозе 24 л/м².

В первый год видовой состав растительного покрова контрольных площадок без загрязнения и участков с нефтезагрязнением не имел существенных отличий. Наиболее обильными в том и другом варианте опыта были сорные однолетники (марь белая, ясколка костенцовая, звездчатка средняя). Нужно заметить, что при большой численности однолетние сорные растения на загрязненных участках были сильно угнетены. Проективное покрытие растительного покрова на площадках без загрязнения составляло 30%, для нефтезагрязненных участков показатели проективного покрытия, составлял всего 1%.

Во второй год на участках без нефтяного загрязнения преобладали многолетние злаки, в первую очередь пырей ползучий и кострец безостый. Кроме тысячелистника обыкновенного, численность растений видов других семейств и особенно сорных однолетних заметно снижается. Ряд однолетних сорных видов исчезают. На нефтезагрязненных площадках такого резкого «всплеска» численности многолетних злаков не происходит. Проективное покрытие растительных сообществ на площадках без загрязнения составляло 50%, для нефтезагрязненных участков данные показатели составлял 5%.

В третий год на контрольных площадках (как и во второй) травостой состоял почти исключительно из пырея ползучего и костреца безостого, в сравнении с предыдущим годом уменьшалось число растений вида тысячелистника. На участках с внесенной нефтью преобладал клевер ползучий. Сорные однолетние виды растений встречались лишь единично, несмотря на низкое проективное покрытие и отсутствие видимой конкуренции. Проективное покрытие растительных сообществ на площадках без загрязнения составляло 60%, для нефтезагрязненных участков данные показатели составляли 10% (Назаров А.В., 2007).

Устойчивость растений к нефтяному загрязнению сильно зависит от стадии их развития и биомассы. Наиболее чувствительны к токсическому воздействию нефтепродуктов растения, находящиеся на ранних стадиях развития, а устойчивы - многолетние взрослые растения, так как у них происходит отрастание новых органов из спящих почек после гибели части растений после загрязнения. Поэтому нефтезагрязненные участки заселяют, прежде всего, виды растений способные к вегетативному размножению, при котором образуются уже вполне развитые растения малочувствительные к нефти в почве. Это доказывает и то, что большинство видов растений, которые указываются как наиболее толерантные к нефтяному загрязнению, а также как пионерные растения нефтезагрязненных почв, способны к быстрому вегетативному размножению. Растения, высаженные рассадой и корневищами, обнаруживают большую устойчивость к нефтяному загрязнению почвы. Снижение общей биомассы данных растений при загрязнении по сравнению с биомассой растений, посаженных в чистую почву, на порядок меньше, чем у растений, посеянных семенами. Таким образом, данным способом посадки удается получить большую биомассу растений на нефтезагрязненной почве, чем при высеве растений семенами. Часто пионерными растениями нефтезагрязненных почв в связи с их повышенной толерантностью являются деревья и кустарники; мхи же, напротив, демонстрируют повышенную чувствительность к нефтяному загрязнению (Оборин А.А., 2008).

Очевидно, что способность различных растений произрастать в условиях нефтяного загрязнения неодинакова. Выявление и изучение растений, способных не только произрастать на нефтезагрязненных почвах, но и способствовать их восстановлению является очень важным аспектом.

По результатам лабораторно-вегетационных опытов для анализа данных по накоплению растениями надземной биомассы на различных почвах в условиях нефтяного загрязнения был использован показатель депрессии, который выражает снижение массы растений в процентах по отношению к контролю.

Легкая нефть во всех вариантах опыта проявила более высокую токсичность по сравнению с тяжелой. Вероятно, это связано с наличием в ее составе низкомолекулярных летучих соединений, которые оказывают токсическое влияние на рост и развитие растений именно в начальный период вегетации. В целом ряде случаев имеет место заметное увеличение фитомассы тест-культур при содержании нефтезагрязнений в почве до 10 г./кг почвы. В ряде случаев при внесении невысоких доз нефти на фоне применения удобрений проявлялась стимуляция роста растений до 26,0% (бобы на черноземе). На двух других почвах это явление также прослеживалось, особенно у люцерны и костреца (на луговой почве); а также у райграса и озимой пшеницы (на темно-серой лесной почве).

Наиболее устойчивы вне зависимости от типовых особенностей почв и нефти были: бобы кормовые, соя, сорго (Швец А.А., 2009).

3. Фиторемедиация нефтезагрязненных почв

Физические, термические и химические методы разрушения нефтяных углеводородов, несмотря на то, что способствуют интенсификации их разложения, не обеспечивают полного удаления из почвенного слоя и могут являться дополнительным источником поступления загрязняющих веществ в окружающую среду.

Концепция фиторемедиации привлекает большое внимание и является предметом многих публикаций. Растения ускоряют процессы очистки почвы и позволяют обеспечить стабильность процесса биологического распада при относительно невысокой стоимости затрат. Фиторемедиация не требует снятия плодородного слоя почвы, может применяться на больших площадях и способствует сохранению и улучшению окружающей среды, поскольку связана с обогащением почвы и повышением ее плодородия. Корневая система растений способствует усилению газообмена глубинных слоев почвы и воды, развитию нефтеокисляющей микробиоты в естественной среде, подвергшейся нефтяному загрязнению, которая в обычных условиях характеризуется низкой температурой, недостатком биогенных элементов, недостатком кислорода, избыточной кислотностью.

Значительное фитомелиоративное воздействие культуры сорго на почвы с развивающимися процессами физической деградации широко известно, однако не достаточно изучено (Шамаева А.А., 2007).

Культура сорго показала высокую устойчивость к нефтяному загрязнению на 13 черноземных почвах в условиях проведенного лабораторно-вегетационного опыта. Это обусловило выбор данной культуры для дальнейшего изучения ее как фитомелиоранта в условиях микрополевого опыта.

В проводимом микрополевом опыте дважды за вегетацию культуры сорго определялось содержание нефтепродуктов в слое 0-20 см чернозема выщелоченного. Из полученных данных видно, что содержание нефтепродуктов уже к середине вегетации сорго было на 38% меньше, чем на варианте без его посева. К концу вегетации под культурой сорго количество нефтепродуктов в почве уменьшилось на 48-50% по сравнению с первоначальным, хотя и не достигло фонового уровня. Снижение содержания нефтепродуктов на варианте без посева сорго было менее значительным и составило 35%.

В процессе проведения исследований в вегетационном опыте осуществлялся мониторинг содержания в почвах нефтепродуктов. Поскольку в рассматриваемых опытах нефтепродукты вносились в почву искусственно в строго фиксированных дозах, начальное содержание нефти было определено. Общеизвестным является тот факт, что даже при отсутствии аварийных ситуаций и разливов на поверхности почвы, в местах добычи и транспортировки нефти в почвенном покрове обязательно имеется фоновое содержание нефтепродуктов. В данном опыте на различных почвах оно составило от 0,15 до 0,21 г./кг.

Результаты исследований показали, что к концу вегетации растений в первый год исследований снижение содержания нефти в почвах составило 29-35% от первоначального.

К концу вегетации второго года исследований содержание в почвах углеводородов нефти снизилось еще на 30-34% от первоначального и составило, таким образом, 59-69% от исходного загрязнения. По окончании третьей и четвертой вегетации исследуемых агрофитоценозов снижение содержания нефти в почвах происходило, но уже не столь значительное, и составило 10-15% от первоначального.

Таким образом, после проведения фиторемедиации с использованием агрофитоценозов райграс + клевер и овсяница + ежа по окончании четырех вегетационных периодов общее содержание нефтепродуктов в зависимости от типа почвы снизилось на 69-84% (Швец А.А., 2009).

Исследование биологических процессов в нефтезагрязненных почвах и возможностей применения растений для рекультивации нарушенных почв в качестве активного мелиоративного фактора является одной из актуальных задач современной прикладной экологии и биотехнологии.

Таким образом, загрязнение почв нефтью и нефтепродуктами оказывает влияние на физические, физико-химические и агрохимические свойства почвы, а также на её биологическую активность. Нефтяное загрязнение значительно изменяет анатомию, морфологию и физиологию растения. Происходящие изменения могут быть как еле различимыми, так и весьма заметными невооруженным глазом. Эти изменения направлены на создание защитных механизмов и выполняют компенсаторную функцию в ответ на нефтяное загрязнение. Актуальной задачей современной прикладной экологии и биотехнологии является возможность применения растений для фиторемедиации нарушенных почв.

Размещено на Allbest.ru