CC BY
26
УДК 631.427.12
DOI 10.24411/0235-2516-2018-10055
ДИНАМИКА ФИТОТОКСИЧНОСТИ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННОЙ СЕРОЙ ЛЕСНОЙ ПОЧВЫ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ СОРБЕНТОВ
Г.Ф. Рахманова, Н.Л. Шаронова, к.б.н., И.А. Дегтярева, д.б.н., Г.Х. Нуртдинова
Татарский научно-исследовательский институт агрохимии и почвоведения ФИЦ Казанский научный центр РАН, e-mail.ru: niiaxp2@mail.ru
Проведены исследования фитотоксичности нефтяного загрязнения серой лесной почвы при применении сорбентов. Установлен ряд морфобиометрических параметров растений по степени чувствительности к нефтяному загрязнению: длина корней > биомасса корней > биомасса проростков > длина проростков. Применение сорбентов позволило эффективно снизить фито-токсическое действие нефти. Выявлен эффект фитостимуляции сорбентов в отношении длины и биомассы корней, а также проростков при среднем и сильном уровнях нефтяного загрязнения почвы с наилучшими показателями у наноструктурного бентонита.
Ключевые слова: нефть, серая лесная почва, фитотоксичность, сорбенты, наноструктур-ный бентонит.
DYNAMICS OF PHYTOTOXICITY OF GRAY FOREST SOIL POLLUTED BY OIL
AT APPLICATION OF SORBENTS
G.F. Rakhmanova, Ph.D. N.L. Sharonova, Dr.Sci. I.A. Degtyareva, G.H. Nurtdinova
Tatar Scientific Research Institute of Agrochemistry and Soil Science, FRC Kazan Scientific Center, Russian Academy of Sciences, e-mail: niiaxp2@mail.ru
Phytotoxicity studies of oil polluted gray forest soil with sorbents have been carried out. A number of morpho-phobiometric parameters of plants were determined according to the degree of sensitivity to oil pollution: root length > root biomass > seedlings biomass > length of sprouts. The use of sorbents allowed to effectively reducing the oil phytotoxic effect. The phytostimulation of sorbents to the length and biomass of roots and sprouts at an average and strong level of oil contamination with the best indices for nanostructured bentonite was revealed.
Keywords: oil, gray forest soil, phytotoxicity, sorbents, nanostructured bentonite.
Интенсивное развитие нефтедобычи и нефтепро-изводства сопровождается увеличением масштабов и ростом объемов нефтяного загрязнения окружающей среды. Особенно интенсивному загрязнению подвержены почвенные экосистемы. Ежегодно в почвы попадает 20-30 млн. т углеводородов и еще до 50-90 млн. т осаждается из атмосферы в процессе сжигания нефтепродуктов [1]. В Российской Федерации ежегодно происходит до 20000 официально зарегистрированных аварий в процессе добычи нефти и ее транспортировки. Проблема загрязнения нефтью также актуальна для Республики Татарстан (РТ), которая является крупным производителем сельскохозяйственной продукции, при этом осуществляя интенсивную добычу и переработку углеводородного сырья [2-5]. Поэтому актуальна разработка приемов эффективного снижения токсического действия углеводородов в отношении жизнедеятельности растений. Особый интерес представляет использование новых материалов, полученных с помощью методов нанотехнологий.
Цель работы - оценка динамики фитотоксич-ности нефтезагрязненной серой лесной почвы при
применении агроминералов и сорбентов нового поколения, созданных на их основе.
Объекты и методы исследований. Эксперименты проводили на серой лесной среднесуглини-стой почве, которая характеризовалась следующими показателями: содержание органического углерода 1,62%, pHkci 6,72, гидролитическая кислотность 0,75 мг-экв/100 г почвы, сумма поглощенных оснований 29,8 мг-экв/100 г почвы, щелочногидро-лизуемый азот (по Корнфилду) 102,0 мг/кг, подвижный фосфор 136,0 мг/кг, обменный калий (по Кирсанову в модификации ЦИНАО) 116,0 мг/кг.
В качестве тест-объектов были исследованы пшеница яровая (Triticum vulgare L.) сорта Йолдыз и горох посевной (Pisum sativum L.) сорта Кабан. В качестве сорбентов использовали глауконит, фосфорит Сюндюковского и бентонит Тарн-Варского месторождения РТ в термо-механоактивированном виде, а также наноструктурный глауконит, нано-структурный фосфорит и наноструктурный бентонит. Наноструктурные сорбенты получали по методике, разработанной в Научно-исследовательском инновационно-прикладном центре «Наноматериа-
лы и нанотехнологии» ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет» [6]. Дозы сорбентов были установлены в соответствии с литературными данными и на основании собственных исследований [7]. Заделку сорбентов в почву проводили сразу после загрязнения однократно при тщательном перемешивании в период набивки сосудов Варбурга. Масса почвы в сосуде 5 кг. Площадь одного сосуда 0,018 м2. По-вторность опыта трехкратная.
Вегетационные опыты проводили по следующей схеме: 1) контроль (без загрязнения); 2) загрязнение почвы нефтью без внесения сорбентов; 3) загрязнение почвы нефтью при заделке глауконита; 4) загрязнение почвы нефтью при заделке фосфорита; 5) загрязнение почвы нефтью при заделке бентопорошка; 6) загрязнение почвы нефтью при заделке наноструктурного глауконита; 7) загрязнение почвы нефтью при заделке наноструктурного фосфорита; 8) загрязнение почвы нефтью при заделке наноструктурного бентонита. Загрязнение осуществляли девонской нефтью месторождения РТ в концентрациях 3 и 7%.
Определение влияния сорбентов в термо-механоактивированном и наноструктурном виде на фитотоксичность нефтезагрязненной почвы проводили методом элюатного биотестирования [8]. Фи-тотестирование основывалось на сравнении длины проростков и корней исследуемых культур, их биомассы в контрольных и опытных вариантах на 30-е и 90-е сутки после загрязнения.
Результаты исследований. Водные вытяжки из почвы, загрязненной девонской нефтью, как при средней, так и при высокой концентрации, оказывали негативное воздействие на ростовые процессы пшеницы и гороха на протяжении эксперимента. Наблюдали закономерное снижение фитопродук-тивности по сравнению с контрольным вариантом и усиление фитотоксичности почвенной вытяжки серой лесной почвы с увеличением дозы нефти по показателям роста и развития исследуемых тест-культур. Более существенный фитотоксический эффект был установлен для элюата из почвы, загрязненной нефтью в концентрации 7%.
Значительное угнетение морфобиометрических показателей в нефтезагрязненных вариантах отмечено на 30 сутки исследований. Снижение длины корней растений по сравнению с контролем составило в среднем 11,0% при исследовании водной вытяжки из почвы, содержащей нефть в концентрации 3 и 15,5% - при концентрации нефти 7%. Корневая биомасса в загрязненных вариантах была ниже по сравнению с контролем соответственно на 9,1 и 14,3%. Аналогичные тенденции прослеживались по показателям длины и биомассы проростков. При исследовании водной вытяжки из почвы, загрязненной нефтью в концентрации 3%, снижение дли-
ны проростков по сравнению с контролем составило 4,1%, при концентрации нефти 7% - 9,8%. Депрессия надземной биомассы для растений составила соответственно 6,0 и 11,1%.
Установлено ослабление фитотоксического действия углеводородов нефти в отношении роста и развития растений через 90 суток. При средней степени загрязнения выявлена достаточно слабая токсичность: депрессия длины, биомассы корней и проростков находилась в диапазоне 0,3-0,9%. При высоком уровне загрязнения показатели фитотоксичности для исследуемых параметров были выражены в большей степени и находились в пределах 2,0-4,5%.
В основе устойчивости растений к углеводородному загрязнению почвы лежит целый ряд факторов, в том числе морфологическое строение семени, генетические и физиолого-биохимические особенности [9]. Между растениями пшеницы яровой и гороха посевного по комплексу исследованных параметров не было отмечено достоверных видовых отличий и они характеризовались одинаковой степенью чувствительности к действию углеводородов нефти. При заделке агроминералов в загрязненную почву через 30 суток фитотоксичность почвенных вытяжек снижалась по сравнению с нефтезагрязнен-ными вариантами, через 90 суток в этих вариантах был установлен фитостимулирующий эффект.
При применении глауконита и фосфорита на 30 сутки выявлено токсическое действие почвенных вытяжек, однако фитотоксичность была ниже по сравнению с загрязненными вариантами. Так, снижение длины корней обоих растений по сравнению с контролем составило в среднем 9,9 и 9,3% - в случае водной вытяжки из загрязненной почвы в концентрации 3%, 14,8 и 14,2% - при концентрации нефти 7%. Показатели корневой биомассы в водной вытяжке из почвы, загрязненной нефтью в концентрации 3%, при использовании глауконита снижались по сравнению с контролем на 8,7% и при использовании фосфорита - на 8,5%. При 7% нефти депрессия была выше: 13,6% при заделке в почву глауконита и 13,7% - фосфорита.
Снижение длины проростков и их биомассы к контролю без загрязнения при применении глауконита составило 4,0 и 5,5% в элюате из почвы с 3% загрязнением, 7% - 8,9 и 10,4%; фосфорита соответственно 3,5 и 4,1%; 8,2 и 9,9%.
При заделке бентопорошка депрессия длины корней и проростков к контролю составила 9,1 и 1,3% при среднем уровне загрязнения, при высоком - 13,7 и 7,9%. Углеводородное загрязнение в исследуемых концентрациях при использовании бентопорошка снизило биомассу корней на 8,4 и 12,5%, а биомассу проростков - на 2,9 и 9,2% соответственно.
Через 90 суток внесение агроминералов оказало фитостимулирующее действие с наилучшими показателями в варианте с бентопорошком. При сред-
нем уровне загрязнения длина корней и проростков растений увеличилась на 0,8-2,4%, а их биомасса -на 0,8-2,0%. В случае высокой степени нефтяного загрязнения стимуляция длины корней и проростков составила 0,1-1,5%. Показатели биомассы растений повысились на 0,2-1,2%.
Внесение наноструктурных агроминералов оказалось эффективным способом снижения фитоток-сичности. На 30 сутки при применении наноглауко-нита и нанофосфорита депрессия длины корней составила 8,7 и 7,9% к контролю при 3% уровне загрязнения и 12,7 и 12,9% - при 7%. Показатели корневой биомассы в случае средней концентрации нефти были ниже по сравнению с контролем на 7,5% при заделке в почву наноглауконита и на 7,0% - при применении нанофосфорита. При высокой степени нефтяного загрязнения депрессия корневой биомассы при внесении в почву наноглауконита составила 12,7%, нанофосфорита - 12,2%.
Водная вытяжка из почвы, загрязненной нефтью в концентрации 3%, с внесением наноглауконита снижала длину проростков на 0,9%, в концентрации 7% - на 6,7%. В то время как почвенная вытяжка, содержащая среднюю дозу нефти, при заделке в почву нанофосфорита на 30 сутки стимулировала длину проростков на 1,0%. При 7% загрязнении в варианте заделки нанофосфорита фитотоксический эффект сохранялся: длина проростков снижалась на 6,2% к контролю. Депрессия биомассы проростков при внесении в почву наноглауконита составила 2,3% в элюате из почвы с 3% загрязнением и 9,2% -с 7% загрязнением; при заделке нанофосфорита соответственно 2,1 и 8,7%.
Фитотоксичность водных вытяжек из загрязненных образцов почвы в наибольшей степени снижалась в вариантах с наноструктурным бентонитом. Депрессия длины корней по сравнению с контролем составила 6,0% при 3% и 9,6% при 7%. Биомасса корней в вытяжке при концентрации нефти в почве 3%, снижалась на 5,0%, при 7% - на 9,3%. Депрес-
сия биомассы проростков составила 1,2 и 6,7% соответственно.
Основным механизмом действия наноструктур-ных сорбентов в отношении нефти, по-видимому, служит активизация сорбции углеводородов за счет увеличения объема и площади контактной поверхности агроминералов вследствие модификации. Повышение сорбционных свойств исследуемых агроминералов обусловлено возникновением большого числа открытых связей частиц [13].
Вытяжки из почвы с внесением наноструктурного бентонита оказали фитостимулирующий эффект на длину проростков тест-культур. В случае элюата из почвы с концентрацией нефти 3% длина проростков увеличилась на 2,0%, при 7% - на 0,9%. Через 90 суток все наноструктурные агроминералы оказали стимулирующий эффект на рост и развитие растений. Стимуляция длины проростков и корней по вариантам составила 1,9-4,2% при средней степени нефтяного загрязнения и 0,3-2,6% - в случае высокой. Биомасса проростков и корней повысилась на 2,0-4,0% в вытяжке из почвы при 3% концентрации и 0,8-2,4% - при 7%. В наибольшей степени положительное действие наблюдалось в вытяжках из почвы с внесением наноструктурного бентонита.
Таким образом, использование сорбентов эффективно снижало токсический эффект при обоих уровнях загрязнения загрязнения серой лесной почвы нефтью. Через 90 суток выявлен фи-тостимулирующий эффект применения сорбентов в нативном и наноструктурном виде при обоих уровнях загрязнения серой лесной почвы девонской нефтью в отношении длины и биомассы корней и проростов с наилучшими показателями у наноструктурного бентонита. По степени чувствительности к нефтяному загрязнению морфобиологические параметры растений пшеницы и гороха расположились следующим образом: длина корней - биомасса корней - биомасса проростков - длина проростков.
Литература
1. Ершов Б.А., Звягина Л.Н. Тенденции и масштабы загрязнения нефтью окружающей среды в России на современном этапе // Глобальный научный потенциал, 2015, № 1(46). - С. 89-92.
2. Рахманова Г.Ф. и др. Использование сорбентов в рекультивации нефтезагрязненной почвы при выращивании Vicia sativa L. // Достижения науки и техники АПК, 2017, № 7. - С. 59-62.
3. Sharonova N.L., Breus I.P. Tolerance of cultivated and wild plants of different taxonomy to soil contamination by kerosene // Sci. Total Environ., 2012, V. 424. - P. 121-129.
4. Киреева Н.А., Кузяхметов Г.Г., Мифтахова А.М., Водопьянов В.В. Фитотоксичность антропогенно-загрязненных почв. - Уфа: Гилем, 2003. - 266 с.
5. Гилязов М.Ю., Яппаров А.Х., Гайсин И.А. Нефтезагрязненные почвы Республики Татарстан и приемы их рекультивации. - Казань: Центр инновационных технологий, 2009. - 244 с.
6. Ежков В.О. и др. Наноструктурные минералы: получение, химический и минеральный составы, структура и физико-химические свойства // Вестник Казанского технологического университета, 2014, Т. 17, № 11. - С. 41-45.
7. Исследования в области нанобиотехнологий в сельском хозяйстве и международное сотрудничество с Социалистической Республикой Вьетнам / под общ. ред. А.Х. Яппарова. - Казань: Центр инновационных технологий, 2017. - 320 с.
8. Селивановская С.Ю., Галицкая П.Ю., Ахметзянова Л.Г., Курынцева П.А. Теория и методы экологического нормирования. - Казань: Казанский ун-т, 2014. - 38 с.
9. Кольцова Т.Г., Сунгатуллина Л.М., Григорьян Б.Р. Оценка фитотоксичности черноземных почв в условиях нефтяного загрязнения // Вестник Казанского технологического университета, 2015, Т. 18, № 1. - С. 376-382.
