CC BY
61
УДК: 631.427.3:58.04
Э.Р. Зайнулгабидинов, А.М. Петров, Ю.А. Игнатьев, Т.В. Якимова
Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Казань
ДИНАМИКА ФИТОТОКСИЧНОСТИ ДЕРНОВОКАРБОНАТНОЙ ПОЧВЫ, ЗАГРЯЗНЕННОЙ ДИЗЕЛЬНЫМ ТОПЛИВОМ
В лабораторном эксперименте изучена фитотоксичность дерново-карбонатной почвы, загрязненной дизельным топливом в различных концентрациях. Показано, что фитотоксичность определяется начальным уровнем загрязнения и влиянием легких фракций углеводородов.
Ключевые слова: фитотоксичность, загрязнение, дизельное топливо, дерново-карбонатные почвы.
Введение
Аварийные разливы нефти и нефтепродуктов при их добыче и транспортировке приводят к загрязнению природных ландшафтов. Попадая в почву эти поллю-танты изменяют ее физико-химические свойства, снижают плодородие, в значительной степени подавляют жизнедеятельность биоты (Киреева, Водопьянов, Миф-тахова, 2001).
По территории Республики Татарстан проходят неф-тепродуктопроводы общей длиной около 800 км. Среднегодовой объем перекачиваемого дизельного топлива (ДТ) превышает 400 тыс. тонн. При эксплуатации трубопроводов существует высокая потенциальная опасность возникновения различных нештатных ситуаций, следствием которых являются аварийные разливы нефтепродуктов и загрязнение почв. Данное обстоятельство делает актуальным изучение воздействия дизельного топлива на почвы республики, механизмов его детоксикации и деградации в процессе естественного самовосстановления, что необходимо для разработки мероприятий, направленных на оперативный возврат почв в хозяйственный оборот с учетом целевого использования земель.
В настоящее время, наряду с методами химического анализа почв, используются методы биотестирования на высших растениях, что обеспечивает получение более объективной интегральной информации о состоянии почвенного покрова.
Для определения токсичности почв широко используется биотестирование как собственно почв, так и их водных вытяжек, что позволяет оценить влияние загрязняющих веществ не только на почвенную биоту, но и на сопредельные среды.
В то же время, при загрязнении почвы малорастворимыми в воде загрязняющими веществами, например, ДТ, данные по токсичности водных экстрактов почвенных образцов оказываются заниженными и, следовательно, неоднозначно отражают связь между эффектом воздействия нефтепродуктов и уровнем загрязнения почвы (Маячкина, Чугунова, 2009; Зайнулгабидинов и др., 2010).
Именно поэтому наиболее широко применяются так называемые «контактные» тесты, позволяющие оценить не только эффекты водорастворимых компонентов, но и
учесть вклад других факторов, связанных с изменением свойств самой почвы.
Методики определения токсичности техногенно загрязненного почвенного покрова, в которых используется прямой контакт тест-объекта с анализируемым почвенным образцом, позволяют выявить способность почвы поддерживать рост и развитие растений, оценить ее потенциальную продуктивность.
Целью настоящей работы является экспериментальная оценка изменения фитотоксичности дерново-карбонатных почв при различных начальных уровнях загрязнения ДТ в процессе самоочищения.
Материал и методы
Образцы отобраны из горизонта Ад+А1 (0-20 см) дерново-карбонатной типичной почвы на территории ООПТ «Массив «Дачный», Республика Татарстан. Почва сред-негумусная (4%), тяжелоглинистая (содержание физической глины 87%), нейтральная (рН=7,6).
Подготовка почвенных образцов для эксперимента включала удаление растительных остатков и корешков, просеивание через сита Винклера с диаметром ячеи 3 мм и высушивание до воздушно-сухого состояния.
Искусственное загрязнение почвенных образцов проводили весовым методом из расчета 3%, 5%, 10% и 15% начального содержания ДТ. Контролем служила незагрязненная почва.
Контроль за исходным содержанием ДТ и изменением концентрации загрязнителя в течение эксперимента осуществляли путем определения суммарного содержания нефтепродуктов в почве на анализаторе КН-2м согласно ПНД Ф 16.1:2.2.22-98 (Методика выполнения измерений массовой доли..., 2005). Параллельно, методом газожидкостной хроматографии (ГЖХ) проводили анализ экстрактов ДТ из опытных образцов почв.
Определение фитотоксичности загрязненной ДТ почвы «контактным методом» и ее водной вытяжки проводили согласно ФР. 1.39.2006.02264 (Методика выполнения измерений всхожести., 2009) и МР 2.1.7.2297-07 (Обоснование класса опасности отходов., 2007). Подготовка водной вытяжки из образцов почвы выполнена согласно ФР. 1.39.2007.03221 (Методика определения токсичности воды ., 2007).
В качестве тест-объекта использовали семена пшени-
цы (Triticum vulgare L). Все семена перед началом эксперимента были отсортированы по размеру. Всхожесть семян составляла не менее 95%.
Химические и токсикологические исследования проводили на 3, 14, 30, 90 и 210 день после внесения ДТ. Для каждого срока анализа готовилась отдельная серия контейнеров с почвой, содержащей исследуемые концентрации ДТ. Влажность почвенных образцов поддерживали на уровне 60% от полной влагоемкости, температуру - в интервале 19-23°С.
В ходе эксперимента определяли всхожесть семян и интенсивность начального роста корней. Статистическая обработка полученного материала проведена в соответствии ФР. 1.39.2006.02264 (Методика выполнения измерений всхожести., 2009).
Результаты и обсуждение
Всхожесть семян растений является наиболее распространенным показателем, на основании которого проводят оценку токсичности почв (Chaîneau, 2003). Данный показатель в условиях техногенного загрязнения является одним из основных, поскольку определяет саму возможность существования растений.
Полученные результаты показывают, что процент прорастания семян зависит от степени первоначального загрязнения почвы (Рис. 1). Так, если при 3% содержании ДТ в почве прорастание семян было на уровне контроля в
100
80
60
40
20
■ 3 дня
■ 14 дней : 30 дней : 90 дней
■ 210 дней
контроль 3 5 10 15
Начальные уровни загрязнения почвы ДТ, %
Рис. 1. Изменение всхожести семян в дерново-карбонатной почве, загрязненной ДТ
ш 3 дня
■ 14 дней
□ 30 дней
□ 90 дней
■ 210 дней
течение всего эксперимента, то в варианте с 5% загрязнением регистрируется достоверное 30% снижение всхожести после 3-дневной экспозиции.
При увеличении содержания ДТ до 10% и более прорастание семян отмечается только после 30-дневной выдержки почвенных образцов. Дальнейшее увеличение времени экспозиции приводит к повышению процента всхожести семян. В конце эксперимента количество проросших семян во всех опытных вариантах не отличается от контроля.
Выявленное влияние ДТ на прорастание семян может быть связано не только с токсичностью, но и с приобретением почвой гидрофобных свойств. Пленка нефтепродуктов обволакивает семена и служит физическим барьером, нарушающим водно-воздушный обмен (Adam, Duncan, 2002), что и является причиной ингибирования всхожести при высоком содержании ДТ в почве.
Анализ водной вытяжки из опытных образцов почв показал, что водные экстракты не оказывают воздействие на всхожесть семян. На протяжении всего эксперимента во всех рассматриваемых вариантах всхожесть семян составляет более 95% и не отличается от контрольных значений.
Более информативным показателем при определении степени токсичности почвы является интенсивность развития проростков.
На рисунке 2 приведены данные по фитотоксичности, полученные при использовании «контактного» метода тестирования. Показано, что в вариантах опыта с 3% и 5% начальным содержанием ДТ токсичность почвы регист-
■ 3 дня
□ 14 дней
□ 30 дней
■ 90 дней
■ 210 дней
Начальные уровни загрязнения почвы ДТ, %
Рис. 3. Изменение фитотоксичности водной вытяжки дерново-карбонатной почвыг, загрязненной ДТ (% к контролю).
£
и
«
о
а о
I &
О 0) <Ц
к
Начальные уровни загрязнения почвы ДТ, %
Экспозиция, дни
Рис. 2. Изменение фитотоксичности дерново-карбонатной почвыг, загрязненной ДТ (% к контролю).
Рис. 4. Изменение содержания нефтепродуктов в дерново-карбонатной почве, загрязненной ДТ.
5(41)2011
УВ Содержание, %
Исходное ДТ Экстракт в момент загрязнения Экстракт через 3 дня экспозиции Экстракт через 14 дней экспозиции Экстракт через 30 дней экспозиции
Cs 1,6 0,6 н/о н/о н/о
c9 4,7 4,4 0,4 н/о н/о
c,„ 5,6 7,1 3,5 н/о н/о
c„ 5,6 7,4 7,0 н/о н/о
C,2 7,5 8,3 4,0 1,2 н/о
С,з 8,1 7,2 8,1 6,2 5,1
Cm 5,6 5,3 6,1 12,3 7,7
C15 5,4 6,2 7,0 7,4 12,8
Ci6 1,4 2,3 12,5 19,8 10,3
Cl7 0,3 1,1 3,6 19,8 12,8
Cig 0,1 0,4 0,8 7,4 20,5
Ci9 0,1 1,2 0,9 8,2 23,1
Табл. Динамика содержания предельных алифатических углеводородов нормального строения в почвенныгх экстрактах при начальном содержании ДТ 5 %. (Примечание: н/о - не обнаруженыг)
рируется только в течение 30 дней, а в дальнейшем не отмечается. При 10% и 15% исходном загрязнении условия для растений являются крайне неблагоприятными, что проявляется в ингибировании прорастания семян в первые 14 дней экспозиции (Рис. 1) и в низкой интенсивности роста корней пшеницы. Высокий токсический эффект в рассматриваемых вариантах сохраняется на протяжении всего эксперимента.
На рисунке 3 приведены результаты определения фитотоксичности водной вытяжки из почв с различным содержанием ДТ. Результаты показывают, что экстракты из почвенных образцов с 3% и 5% содержанием нефтепродуктов не оказывают отрицательного воздействия на тест-объект. На 3 и 14 день эксперимента отмечается эффект стимуляции роста корней в вытяжке из почвы в варианте с 10%, а на 14 день - с 15% загрязнением. Токсичность экстрактов в этих вариантах к концу эксперимента сохраняется только в водной вытяжке, полученной из почвы с 10% загрязнением.
Эффективность снижения содержания ДТ в почвенных образцах определяется начальным уровнем загрязнения (Рис. 4). Так, в варианте с 3% загрязнением к концу эксперимента концентрация нефтепродуктов снижается более чем в 200 раз, а в варианте с максимальным начальным содержанием ДТ (15%) - всего в 15, что, вероятно, связано с одновременным действием нескольких механизмов (физических и биохимических), определяющих убыль углеводородов (УВ).
Начальный период экспозиции почв характеризуется быстрым снижением содержания в них нефтепродуктов. Так, на 14 день остаточное содержание нефтепродуктов в вариантах с 3% и 5%-ным загрязнением составляет 25% и 46% от начального уровня, соответственно. В дальнейшем наблюдается снижение скорости убыли нефтепродуктов и относительная стабилизация их содержания в почве на 90-210 день эксперимента.
Анализ экстрактов исследуемых почвенных образцов методом ГЖХ показал, что изменение их состава во времени также зависит от степени загрязнения почвы.
В таблице представлены данные по содержанию УВ
(С8-С19) в исходном дизельном топливе и в экстрактах из почв (на примере варианта с 5% загрязнением). Уже на 3 день экспозиции в экстрактах из почвы УВ С8 не регистрируются и отмечается значительное снижение доли С9. На 14 день в них не обнаруживаются УВ нормального строения С9-С11, а на тридцатый - С12 (Табл.).
Отмеченное снижение концентрации нефтепродуктов в первые 30 дней после загрязнения почвы определяется процессом испарения легких фракций УВ дизельного топлива. При исследовании почв Испании, загрязненных ДТ, было также показано, что снижение концентрации поллютанта в течение 18 дней после загрязнения происходило за счет испарения легких фракций УВ (Serrano et al., 2006; 2008).
Известно, что наибольшим токсическим эффектом обладают летучие УВ (Киреева и др., 2001). Именно испарением легкокипящих фракций можно объяснить относительно невысокую фитотоксичность почв при 3 и 5 % загрязнении, и ее снижение до контрольных значений на 90 день эксперимента (Рис. 2, Табл.). В вариантах с 10% и 15% начальным содержанием ДТ неблагоприятные для развития растений условия, по-видимому, обусловлены дополнительным фактором - изменением физико-химических свойств почвы.
Заключение
Полученные данные свидетельствуют, что при загрязнении дерново-карбонатной почвы ДТ ее фитотоксичность, в первую очередь, определяется влиянием легких фракций углеводородов.
Для получения объективной информации при оценке токсичности почв, загрязненных малорастворимыми в воде веществами, в частности, ДТ, наряду с использованием «контактного» метода фитотестирования необходимо проводить тестирование ее водной вытяжки.
Литература
Зайнулгабидинов Э.Р., Петров А.М., Якимова Т.В. Особенности фитотестирования почв, загрязненных нефтепродуктами. Журнал экологии и промышленной безопасности. №2. 2010. 24-25.
Киреева Н.А., Водопьянов В.В., Мифтахова А.М. Биологическая активность нефтезагрязненных почв. Уфа: Гилем. 2001. 376.
Маячкина Н.В., Чугунова М.В. Особенности биотестирования почв с целью их экотоксикологической оценки. Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского. № 1. 2009. 84-93.
Методика выполнения измерений всхожести семян и длины корней проростков высших растений для определения токсичности техногенно загрязненных почв. М-П-2006 ФР. 1.39.2006.02264 СПб. 2009. 22.
Методика выполнения измерений массовой доли нефтепродуктов в минеральных, органо-минеральных почвах и донных отложениях методом ИК-спектрометрии. ПНД Ф 16.1:2.2.22-98. М. 2005. 18.
Методика определения токсичности воды и водных вытяжек из почв, осадков сточных вод, отходов по смертности и изменению плодовитости цериодафний. ФР.1.39.2007.03221. М: Акварос. 2007. 57.
Обоснование класса опасности отходов производства и потребления по фитотоксичности. МР 2.1.7. Почва. Очистка населенных мест. Бытовые и промышленные отходы. М. 2007. 7.
Adam G. and Duncan H. Influence of diesel fuel on seed
УДК: 631.4
Д.В. Иванов, А.Б. Александрова, Б.Р. Григорьян, В.И. Кулагина
Институт проблем экологии и недропользования АН РТ, Казань,
РЕДКИЕ И ИСЧЕЗАЮЩИЕ ПОЧВЫ РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН
В статье рассмотрены особенности морфологического строения и физико-химических свойств почв Республики Татарстан, нуждающихся в особой охране. Разработана структура Красной книги почв региона. В категорию редких и исчезающих почв рекомендовано включить 6 подтипов зональных и азональных почв. Ключевые слова: Красная книга почв РТ, редкие и исчезающие почвы, охрана почв.
В результате деятельности человека, интенсивного использования в сельском хозяйстве происходит трансформация почвенного покрова во многих регионах РФ (Керженцев, 2009). В Республике Татарстан (РТ) почвы находятся в сфере интенсивного воздействия человека: техногенного, сельскохозяйственного, рекреационного. Вследствие низкой лесистости (17.4 %), высокой распаханности (76.6 %) и отчуждения земель под строительство встает реальная угроза безвозвратного исчезновения некоторых видов почв.
В связи со сложившейся ситуацией становится актуальным и необходимым создание Красной книги почв региона, как предпосылки сохранения почвенного, биологического и природно-культурного разнообразия (Добровольский и др., 2003). Основным аргументом для создания Красных книг почв является сохранение их, как:
1) особого природного тела и почвенного разнообразия;
2) условия обеспечения видового и популяционного разнообразие флоры и фауны;
3) носителя памяти ландшафта и человеческой культуры;
4) особой среды для эволюции живых организмов (Апа-
рин, 2007; Климентьев, 2001; Никитин, 1994).
Сохранение входящих в биосферу организмов во многом теряет смысл, если уничтожается главная экологическая ниша живых организмов суши - почва.
Красная книга почв РТ необходима при решении многих практических задач: при мониторинге, разработке ландшафтно-адаптивных систем ведения хозяйства и земледелия, при изучении целинных и освоенных почв, при восстановлении деградированных и загрязненных почв, где не обойтись без системы показателей их эталонных свойств.
С использованием опыта создания Красных книг регионов Российской Федерации авторами разработана структура Красной книги почв РТ:
1. Эталоны;
1.1. Основные эталоны (зональные);
1.2. Локальные эталоны (интразональные или азональные);
1.3. Эталонные комплексы;
2. Редкие почвы;
2.1. Редкие (зональные и азональные) почвы РТ;
2.2. Уникальные почвы;
2.3. Редкие почвы РФ;
Окончание статьи Э.Р. Зайнулгабидинова, А.М. Петрова, Ю.А. Игнатьева, Т.В. Якимовой «Динамика фитотоксичности дерново-карбонатной почвы...»
germination. Environ. Poll. (120). 2002. 363-370.
Chaîneau C. H., Yepremian C., Vidalie J. F., Ducreux J., Ballerini D. Bioremediation of a Crude Oil-Polluted Soil: Biodegradation, Leaching and Toxicity Assessments. Water Air Soil Pollut. (144). 2003. 419-440.
Serrano A., Galego M., Gonzalez J.L., Tejada M. Natural attenuation of diesel aliphatic hydrocarbons in contaminated agricultural soil. Environ. Poll. (151). 2008. 494-502.
Serrano A., Galego M., Gonzalez J.L. Assessment of natural attenuation of volatile aromatic hydrocarbons in agricultural soil contaminated with diesel fuel. Environ. Poll. (144). 2006. 203209.
E.R. Zainulgabidinov, A.M. Petrov, Y.A. Ignatiev, T.V. Yakimova. Dynamics of the phytotoxicity of rendzina soil contaminated with diesel fuel.
The studying of the rendzina soil contaminated with various concentrations of diesel fuel was conducted in a laboratory experiment. It is shown that phytotoxicity is influenced by initial level of contamination and light hydrocarbon fractions.
Keywords: phytotoxicity, soil contamination, diesel fuel, rendzina soils.
■— научно-технический журнал
5 (41) 2011И «Mflw 9
Эрик Ренатович Зайнулгабидинов к. биол. н., старший научный сотрудник лаборатории эколого-аналитических измерений и мониторинга окружающей среды. Научные интересы: токсикология, биотестирование, загрязнение почв.
Юрий Алексеевич Игнатьев к. хим. н., старший научный сотрудник лаборатории эколого-аналитических измерений и мониторинга окружающей среды. Научные интересы: загрязнение почв, нефтепродукты, газожидкостная хроматография.
Тамара Владимировна Якимова Научный сотрудник лаборатории эколого-аналитичес-ких измерений и мониторинга окружающей среды. Научные интересы: аналитическая химия объектов окружающей среды, экологический мониторинг.
Институт проблем экологии и недропользования АН РТ 420087, Казань, ул. Даурская, 28. Тел.: (843) 298-19-30.
