CC BY
20
УДК 632.122.2:581.52:631.46
ЭФФЕКТ ФИТОРЕМЕДИАЦИИ НА ВЫЩЕЛОЧЕННОМ ЧЕРНОЗЕМЕ, ЗАГРЯЗНЕННОМ ЖИДКИМИ УГЛЕВОДОРОДАМИ
Н.Л. Шаронова, к.б.н., И.А. Яппаров, д.б.н., А.М. Ежкова, д.б.н., Г.Ф. Рахманова, аспирант Татарский НИИ агрохимии и почвоведения, e-mail: niiaxp2@mail.ru
Почвенные системы в наибольшей степени подвержены химическому загрязнению, поскольку нефтяные углеводороды сорбируются в отдельных почвенных горизонтах и способны к вертикальной миграции по профилю с током воды. Из-за низкой растворимости они в течение длительного времени остаются в почве в виде отдельной фазы и деградируют очень медленно, создавая, серьезную проблему для окружающей среды из-за токсичности и угрозы вторичного загрязнения сопредельных сред (атмосферы и грунтовых вод). Проблема загрязнения земель углеводородами особенно остро стоит в Республике Татарстан, где площадь нефтедобывающих территорий составляет 3492,8 тыс. га, или 51,5% общей площади республики. В вегетационных экспериментах при выращивании кукурузы и эспарцета на выщелоченном черноземе, загрязненном жидкими углеводородами, выявлено ингибирование накопления биомассы растениями кукурузы и эспарцета: депрессия надземной и корневой воздушно-сухой биомассы составила - 1897%. При этом смесь углеводородов (1-метилнаталина и н-тридекана) была более токсичной по сравнению с керосином. При выращивании кукурузы и эспарцета выявлен эффект фиторемедиации: содержание углеводородов при загрязнении выщелоченного чернозема керосином снижалось на 55-90% (18 дней), смесью УВ - на 15-95% (через 50-100 дней). Установлено, что одним из основных механизмов фитореме-диации является стимуляция микробиологической активности почвы (ризоремедиация).
Ключевые слова: выщелоченный чернозем, углеводороды, кукуруза, эспарцет, фиторемедиация, ризо-ремедиация, микробиологическая активность.
EFFECT OF PHYTOREMEDIATION ON A LEACHED CHERNOZEM CONTAMINATED WITH LIQUID HYDROCARBONS
PhD. N.L. Sharonova, Dr. Sci. I.A. Yapparov, Dr. Sci. A.M. Ezhkova, PhD. student G.F. Rakhmanova
The Tatar scientific research Institute of Agrochemistry and soil science, e-mail: niiaxp2@mail.ru
Soil systems are most susceptible to chemical contamination, as petroleum hydrocarbons are absorbed in soil horizons and are capable of vertical migration through the profile with a current of water. Because they have low solubility for long periods in the soil remain as a separate phase and degrade very slowly, creating serious problems for the environment due to toxicity and secondary pollution of surroundings (air and ground water). The problem of land pollution by hydrocarbons is particularly acute in Tatarstan Republic, where the square of the oil-producing areas is 3492.8 thousands ha, or 51.5% of the total area of the republic. In pot experiments at growing corn and sainfoin on leached chernozem polluted by liquid hydrocarbons, the effect of phytoremediation was identified: found the inhibition of the accumulation of biomass plants corn and sainfoin depression above-ground and root air-dry biomass was - 18-97%. The mixture of hydrocarbons (1-metilnatalin and n-tridecane) was more toxic than the kerosene. When growing corn and sainfoin effect of phytoremediation was detected: content of hydrocarbons at pollution of leached chernozem by kerosene decreased by 55-90% (18 days), by mixture of hydrocarbons - by 15-95% (50-100 days). It was established that one of the basic mechanisms ofphytoremediation is the stimulation of microbial activity in the soil (rhizoremediation).
Keywords: leached chernozem, hydrocarbons, corn, sainfoin, phytoremediation, rhizoremediation, microbial activity.
Увеличение объемов добычи и транспортировки нефти, а также интенсивное использование в народном хозяйстве продуктов ее переработки сопровождается масштабным загрязнением природной среды. Почвенные системы в наибольшей степени подвержены химическому загрязнению, поскольку нефтяные углеводороды (УВ) сорбируются в отдельных почвенных горизонтах и способны к вертикальной миграции по профилю с током воды.
Из-за низкой растворимости они в течение длительного времени остаются в почве в виде отдельной фазы и деградируют очень медленно, создавая, серьезную проблему для окружающей среды из-за токсичности и угрозы вторичного загрязнения сопредельных сред (атмосферы и грунтовых вод). Проблема загрязнения земель УВ особенно остро стоит в Республике Татарстан (РТ), где площадь нефтедобывающих территорий составляет 3492,8
тыс. га, или 51,5% общей площади республики. Также на территории РТ расположены крупнейшие нефтехимические предприятия.
Российскими и зарубежными исследователями предложен ряд физико-химических и биологических способов восстановления загрязненных УВ почв [16]. В основе фиторемедиации лежат различные биологические процессы, протекающие в растениях и загрязненной ризосферной почве. По сравнению с физико-химическими способами восстановления фиторемедиация - экологически безопасна и рентабельна [5-7]. Однако использование этого метода существенно сдерживается вследствие недостаточной изученности механизмов фиторемедиации из-за их сложности и комплексности действия.
Цель исследования - экспериментальная оценка и установление механизмов фиторемедиации при выращивании растений на выщелоченном черноземе, загрязненном жидкими УВ.
Объекты и методы исследования. Эксперименты проводили на выщелоченном тяжелосуглинистом черноземе (Алексеевский район РТ). Агрохимические характеристики (слой 0-20 см) [8]: гумус 4,0%, pHкa 5,9, Кбщ. 122 мг/кг, Р2О5 251 мг/кг; К2О 189 мг/кг; гидролитическая кислотность 3,0 мг-экв/100 г почвы; сумма поглощенных оснований 41,8 мг-экв/100 г почвы.
В качестве углеводородных загрязнителей использовали нефтепродукт - керосин и смесь УВ (1 -метилнафталин и н-тридекан в соотношении 1 : 2).
В экспериментах выращивали кукурузу обыкновенную сорта Катерина и эспарцет песчаный сорта Петушок. Схема опытов: 1) загрязнение почвы керосином в концентрациях 1, 2 и 5 вес.% (длительность вегетации - 18 дней); 2) загрязнение почвы смесью УВ в концентрации 0,5, 1 и 2 вес.% (длительность вегетации: после первого посева - 50 дней, после повторного посева - 50 дней). В качестве контроля интенсивности биодеградации закладывались варианты без растений.
Качественное и количественное определение содержания УВ в экстрактах проводили методом газожидкостной хроматографии на хроматографе Кристаллюкс-4000, оснащенном капиллярной колонкой Zebron ZB-1 (длина - 30 м, внутренний диаметр - 0,25 мм); с нанесенной фазой типа SE-30; тип детектора - пламенно-ионизационный; газ-носитель - Не2 (давление на входе в колонку - 109 кПа, расход через колонку - 0,91 мл/мин, деление потока - 1:44), t колонки - 150°С, t испарителя -200°С, t детектора - 220°С. Предел детектирования - 5 х 10-6 вес.%.
Общую биологическую активность почвы оценивали по скорости продуцирования СО2. Количество выделившегося СО2 определяли хроматогра-фически (С^от-5). Базальное (Уыы) и субстрат-индуцированное дыхание (Уяг.) определяли по Е.В.
Благодатской и Н.Д. Ананьевой [9, 10]. Рассчитывали также показатели V'basal из соотношения (V'basal =
V basal обработ. / V basal контр. ) и V'sir из соотношения (V'sir = V'sir обработ. / V'sir контр х 100% ). Величину коэффициента микробного дыхания (QR) рассчитывали как отношение Vbasal / Vsir. Значение Q R определяли из соотношения величины QR в загрязненной почве к величине QR в незагрязненной почве (контроле) -
(Q
R = QR загряз. / Qr конт.).
Результаты. Загрязнение почвы керосином оказывало токсический эффект на рост исследованных растений (табл. 1). Депрессия накопления надземной воздушно-сухой биомассы при 1 и 2% керосина в почве составила для кукурузы 18 и 32%, для эспарцета соответственно 43 и 74%. В случае эспарцета при 1 и 2% керосина корневая биомасса в загрязненной почве снижалась более чем на 70 и 90%. Развитие корневой системы кукурузы было угнетено в меньшей степени: вплоть до 2% керосина в почве депрессия биомассы корней не превышала 20%. Перераспределение биомассы в пользу корней является адаптивной ростовой реакцией, обеспечивающей приспособление растений к стрессовым условиям среды. Подобные факты отмечались, в частности, на фоне недостатка элементов минерального питания и воды [11]. Для обоих видов растений концентрация керосина 5% приводила к практически полному подавлению роста и развития.
Смесь УВ обладала выраженным токсическим эффектом в отношении роста растений: в концентрации 0,5% - депрессия воздушно-сухой надземной биомассы кукурузы и эспарцета составляла более 50% (рис. 1). При более высоких концентрациях смеси в почве наблюдали практически полное ингиби-рование роста - депрессия 90-97%. Депрессия воздушно-сухой биомассы корней кукурузы при 0,5% смеси в почве превышала 70%, в случае эспарцета снижение биомассы было значительно меньше - 22% (рис. 2). При 1 и 2% смеси в почве наблюдали единичные корни растений. Через 50 дней (повторный посев) токсичность загрязнения существенно снижалась: в отношении накопления надземной биомассы на 40-100%, биомассы корней - на 10-60%.
Выращивание кукурузы на выщелоченном черноземе, загрязненном керосином, в течение 18 дней приводило к снижению содержания УВ в почве на 89% (при 1% содержании УВ) и 55% (при 2% содержании УВ). При выращивании эспарцета сниже-
1. Влияние загрязнения почвы керосином на _накопление биомассы растениями_
Растение Воздушно-сухая биомасса, % к контролю
1% керосина 2% керосина 5% керосина
Кукуруза 82/106 68/82 17/
Эспарцет 57/29 26/6 5/
Примечание. В числителе - биомасса проростков, в знаменателе - биомасса корней р < 0,05.
Рис. 1. Влияние уровня загрязнения выщелоченного чернозема смесью углеводородов на накопление воздушно-сухой надземной биомассы растениями в разное время посева
□ Кукуруза □ Эспарцет
Рис. 2. Влияние уровня загрязнения выщелоченного чернозема смесью углеводородов на накопление воздушно-сухой биомассы корней растениями в разное время посева
0
1
ч о
X
- £
У, § =
с4- и . I
са
^ о.
& а = ^
&
ч о
о
100
80 60 40 -20 -
1 посев | 2 посев 1%УВ
г~5 |
1 посев | 2 посев 2%УВ
□ Кукуруза □ Эспарцет ^ Без растений
Рис. 3. Влияние вида растения и уровня загрязнения выщелоченного чернозема смесью углеводородов на снижение их концентрации
при разных сроках посева
ние содержания керосина в почве составило 69 и 62%. Без растений снижение содержания УВ в почве не превышало 30% в обоих вариантах загрязнения.
После сбора первого урожая содержание УВ как при выращивании растений, так и в их отсутствии снизилось на 24-25% (при 1% содержании УВ) и на 16-17% (при 2% содержании УВ) (рис. 3).
После сбора второго урожая содержание УВ снизилось на 49-54% по сравнению с исходным 1% загрязнением во всех вариантах опыта. В случае исходного уровня загрязнения 2% снижение содержание УВ в вариантах выращивания растений было более значительным по сравнению с почвой без растений, причем у кукурузы эффект фиторемедиации был выше (снижение на 70% от исходного содержания), у эспарцета - более 30%.
Исходя из данных литературы [1, 3-6], наиболее вероятными механизмами, лежащими в основе фиторемедиации УВ загрязнителей, являются непосредственное влияние растений на судьбу УВ и ризоремедиа-ция (стимуляция микробиологической активности почвы в ризосферной зоне в отношении трансформации поллютантов).
Для выяснения возможности поглощения экзогенных УВ корнями растений на загрязненных почвах были исследованы кукуруза обыкновенная, обладающая мочковатой корневой системой, и эспарцет песчаный, обладающий стержневой корневой системой. В процессе хроматографиче-ского анализа экстрактов корневой биомассы кукурузы и эспарцета не было зафиксировано пиков, соответствующих о наличии УВ. Таким образом, наиболее вероятным механизмом фиторемедиации в случае жидких УВ является ризоремедиация.
Для оценки изменения состояния и функциональной активности микробиоценоза загрязненного УВ выщелоченного чернозема оценивали общую биологическую активность почвы по показателям ба-зального, субстрат-индуцированного дыхания и коэффициента микробного дыхания почвы [9, 10].
Загрязнение выщелоченного чернозема смесью 1 -метилнаталина и н-тридекана в концентрации 1 и 2% приводило к резкому повышению скорости базального дыхания почвы как в почве без растений, так и при их выращивании (табл. 2). Показатель Уь^ь отражающий доступность органического вещества почвы для микроорганизмов и ха-
2. Влияние выращивания растений на показатели базального и субстрат-индуцированного
Вариант Скорость базального дыхания (Vbasal), РС02 мг/кг*ч Скорость субстрат-индуцированного дыхания (Vsir), РС02 мг/кг*ч Коэффициент микробного дыхания (Qr)
0% УВ 1% УВ 2% УВ 0% УВ 1% УВ 2% УВ 0% УВ 1% УВ 2% УВ
Кукуруза 16±3 70±6 108±2 67±36 83±7 114±3 0,24±0,05 0,85±0,11 0,95±0,13
Эспарцет 15±2 55±3 64±8 74±5 119±13 99±4 0,21±0,03 0,46±0,04 0,65±0,08
Без растений 13±1 108±5 115±3 73±0 69±7 68±2 0,18±0,01 1,56±0,3 1,69±0,1
рактеризующий процесс деградации поллютанта, составлял от 3,7 до 8,8, что свидетельствовало об активном процессе биодеградации УВ [7].
Скорость субстрат-индуцированного дыхания при загрязнении выщелоченного чернозема также повышалась в условиях загрязнения при выращивании растений. Анализ значений показателя Уяг, позволяющий судить об изменении активности микроорганизмов под действием поллютанта [6], указывал на существенное повышение активности микроорганизмов при выращивании растений на 20-70%; в почве без растений активность микроорганизмов практически не изменялась.
Отношение QR обраб / QR ют позволяет оценить степень нарушения устойчивости почвенных микробных сообществ под воздействием поллютанта. Наиболее сильное (в 8,7 и 9,4 раз) нарушение наблюдали в вариантах загрязнения почвы без растений по сравнению c незагрязненной почвой. При выращивании растений нарушение устойчивости микробоценозов составляло 2,2-4,0 раза по сравнению с незагрязненными вариантами опыта, что соответствует средней степени нарушения [7], по-
скольку процесс деградации УВ не завершен. Полученные данные свидетельствуют о стимуляции жизнедеятельности микроорганизмов в ризосфере растений - «ризосферный эффект». Наиболее вероятными механизмами данной стимуляции являются улучшение водно-воздушного режима почвы и выделение растениями корневых экссудатов [3].
Таким образом, при загрязнении выщелоченного тяжелосуглинистого чернозема жидкими УВ выявлено ингибирование накопления биомассы растениями кукурузы и эспарцета: депрессия надземной и корневой воздушно-сухой биомассы составила - 18-97%. При этом смесь УВ (1-метилнаталина и н-тридекана) была более токсичной по сравнению с керосином. При выращивании кукурузы и эспарцета выявлен эффект фито-ремедиации: содержание УВ при загрязнении выщелоченного чернозема керосином снижалось на 55-90% (18 дней), смесью УВ - на 15-95% (через 50100 дней). Установлено, что одним из основных механизмов фиторемедиации является стимуляция микробиологической активности почвы.
Литература
1. Ларионова Н.Л. Устойчивость растений к загрязнению почвы углеводородами и эффект фиторемедиации: автореф. дисс. к.б.н. (03.00.16). - Казань, 2005. - 22 с.
2. Киреева Н.А., Григориади А.С., Водопьянов В.В., Амирова А.Р. Подбор растений для фиторемедиации почв, загрязненных нефтяными углеводородами // Известия Самарского научного центра РАН, 2013, Т. 15, № 3-4. - С. 1266-1268.
3. Martin B.C. et al. The role of root exuded low molecular weight organic anions in facilitating petroleum hydrocarbon degradation: Current knowledge and future directions // Science of The Total Environment, 2014, V. 472. - P. 642-653.
4. Segura A., Ramos J.L. Plant-bacteria interactions in the removal of pollutants // Current Opinion in Biotechnology, 2013, V. 24, I.3. - P. 467-473.
5. Башкин В.Н., Завалин А.А., Жеребцова Г.П., Ивановский К.В., Карпова Д.В., Семенцов А.Ю., Прохоров И.С. и др. Программа первоочередных мероприятий по оздоровлению городских почв (отчет по НИР). - М.: Департамент природопользования и охраны окружающей среды города Москвы, 2004. - 198 с.
6. Башкин В.Н., Семенцов А.Ю., Галиуллин Р.В., Прохоров И.С. Применение препаратов для биологической очистки и реабилитации загрязненных сред. Стандарт организации (СТО 31323949-048-2007) ООО «ВНИИГАЗ» (стандарт). - М.: ООО «ВНИИГАЗ», 2007. - 54 с.
7. Флесс Н.А. Фиторемедиации почв, загрязненных навозными стоками // Агрохимический вестник, 2006, № 5. -С. 18-19.
8. Ягодин Б.А., Жуков Ю.П., Кобзаренко В.И. Практикум по агрохимии. - М.: Агропромиздат, 1987. - 512 с.
9. Благодатская Е.В., Ананьева Н.Д. Оценка устойчивости микробных сообществ в процессе разложения поллютантов в почве // Почвоведение, 1996, № 11. - C. 1341-1346.
10. Ананьева Н.Д., Стольникова Е.В., Иващенко К.В., Васенев В.И. Микробный почвенный компонент, его структура и продуцирование парниковых газов почвами // Агроэкология, 2014, № 1. - С. 19-27.
11. Усманов И.Ю., Рахманкулова З.Ф., Кулагин А.Ю. Экологическая физиология растений: Учебник - М.: Логос, 2001. - 224 с.
