CC BY
66
Рациональное природопользование
УДК 504.064
DOI 10.1555/2409-3203 -2017-0-11-154-161
ФИТОТЕСТИРОВАНИЕ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННОГО ПОЧВОГРУНТА ПОСЛЕ ПРИМЕНЕНИЯ СОРБЕНТОВ
Фомина Наталья Валентиновна
к.б.н., доцент кафедры Ландшафтной архитектуры, ботаники, агроэкологии
ФГБОУ ВО Красноярский ГАУ Россия, г. Красноярск [email protected]
Аннотация. В работе представлены данные по фитотестированию нефтезагрязненного почвогрунта методом «водной вытяжки» и «почвенных пластин». Проведенные исследования показали, что использование сорбентов значительно снижает токсическое воздействие высоких концентраций нефти, проявляющееся в тестируемых параметрах тест-объекта. Фитотестирование, проведенное с использованием тест-культуры кресс-салат, которое позволило установить закономерности в изменении уровня загрязнения и состояния нефтезагрязненного субстрата. В течение всего периода исследования в вариантах с применением сорбентов наблюдалась тенденция увеличения биометрических параметров проростков кресс-салата. Наиболее эффективное действие проявилось у сорбента «Унисорб-био» и доказано при среднем и максимальном уровнях загрязнения.
Ключевые слова. Почвогрунт, нефть, загрязнение, сорбенты, очистка, тестирование.
PHYTOTESTING OF OIL POLLUTED SOIL-GRANTS AFTER USE OF SORBENTS
Fomina Natalia V.
PhD, assistant professor of landscape architecture, botany, agroecology FGBOU IN Krasnoyarsk GAU Russia, Krasnoyarsk [email protected]
Abstract: The paper presents data on phytotesting of oil-contaminated soils by the method of «water extract» and «soil plates». Studies have shown that the use of sorbents significantly reduces the toxic effect of high concentrations of oil, manifested in the test parameters of the test object. Phytotesting, carried out using the test culture of watercress, made it possible to establish regularities in the level of contamination and the state of the oil-contaminated substrate. Throughout the study period, in variants using sorbents, there was a
tendency to increase the biometric parameters of seedlings as cress salad. The most effective effect was shown in the sorbent «Unisorb-bio» and proved at the average and maximum levels of contamination.
Keywords. Soil, oil, pollution, sorbents, cleaning, testing.
Введение. В настоящее время установлено, что применение современных полимерных сорбентов является одним из наиболее экономически и экологически целесообразных методов рекультивации нефтезагрязненных почв [2, 3, 5-9, 10]. Биодиагностика техногенного загрязнения почв является достаточно простым методом, который способен дать реальную оценку состояния почв. Это стало возможным после долгих лет исследований, когда были обнаружены наиболее информативные показатели, объективно отражающие уровень и последствия загрязнения и не требующие для своего определения дорогостоящего оборудования [18]. Анализ эффективности снижения токсичности нефтяного загрязнения можно провести с помощью методов фитотестирования. Фитотестирование должно являться ориентиром при проведении комплексной экотоксикологической оценки загрязненных почв, так как растительность -важнейшая составная часть биоценозов [1, 16-17, 21-22].
Цель исследования - провести фитотестирование нефтезагрязненного почвогрунта после применения сорбентов.
Объекты и методы исследования. Объектом исследования являлся нефтезагрязненный почвогрунт до и после внесения сорбентов серии «Унисорб» и «Унисорб-био». В лабораторных условиях были поставлены модельные опыты с разным уровнем загрязнения, в частности изучали следующие концентрации нефти - 1; 5 и 10 % от массы почвогрунта. Все опыты проводили в лаборатории при оптимальных стандартных условиях на почвогрутне «Универсальный». Использовали сырую нефть ОАО «Трансибнефть». Сорбенты «Унисорб» и «Унисорб-био» применяются для сорбции нефти и нефтепродуктов на твердых и жидких поверхностях в широком диапазоне температур. Сорбент «Унисорб-био» характеризуется тем, что в него дополнительно иммобилизованы нефтеокисляющие микроорганизмы.
Оценка фитотоксичности загрязненного почвогрунта проводилась с помощью тест-культур кресс-салат. За тест-функцию у тест-растений принимали: энергию прорастания, всхожесть семян, длину проростка и длину корня проростка. Общие принципы данного методы описаны в следующих руководствах [4, 11, 12]. Для оценки уровня фитотоксичности почвы была принята градация степени прорастания семян салата, предложенная в работе Федоровой А.И. и Никольской А.Н. [19]. Определение фитотоксичности нефтезагрязненного почвогрунта с исследуемыми сорбентами также проводили на влажных почвенных пластинах [23]. Тест-объект был аналогичным предыдущему методу. Фитотоксичность оценивалась по количественному показателю прорастания семян (лабораторная всхожесть) и биометрическому показателю (длина проростка и корня [18].
Результаты исследования и их обсуждение. Для повышения достоверности исследования очищающей способности сорбентов, в работе проведено фитотестирование нефтезагрязненного почвогрунта двумя методами: «водной вытяжки» и «почвенных пластин». Анализ данных, характеризующих состояние тест-культуры (кресс-салат) показал, что уже минимальное загрязнение почвогрунта нефтью (1 %) приводит к снижению показателей энергии прорастания и всхожести семян до 85-84 %, по сравнению с контролем в 89 и 94 % соответственно (таблица 1). Применение сорбентов «Унисорб» и «Унисорб-био» способствовало увеличению исследуемых значений при данном уровне загрязнения, которые достоверно не различались с контролем и к концу инкубации составили - 89,3 и 94,2 % соответственно, наблюдался переход от очень
слабого загрязнения к его отсутствию при использовании «Унисорб-био». При следующем уровне загрязнения (5 %) почвогрунта показатели энергии прорастания и лабораторной всхожести семян тест-культуры составили лишь 39-40 %. В вариантах с применением сорбентов в данном опытном варианте происходит восстановление показателей до 52-55,7 % и 59,5-62,8 %. Уровень токсичности при использовании сорбента «Унисорб-био» переходит из градации «среднее загрязнение» в градацию «слабое загрязнени», что подтверждает эффективность его очистки. Наиболее эффективно прослеживается результат применения сорбентов при очень высоком уровне загрязнения (10 %) [20]. Показатели энергии прорастания и всхожести семян кресс-салата увеличились с 10-14 % до 18-22 и 23-25,2 % соответственно для первого о второго исследуемых сорбентов. Таким образом, сорбент «Унисорб-био» проявил свою эффективность очистки нефтезагрязненного почвогрунта, согласно снижению показателей фитотоксичности при всех концентрациях загрязнителя, тогда как сорбент «Унисорб» лишь при 5 %-ом уровне загрязнения. Длина проростка используется как тестовый показатель уровня загрязнения почвы или субстрата при проведении фитотестирования [13-15].
Таблица 1 - Показатели энергии прорастания и всхожести тест-объекта _загрязненного почвогрунта (метод водной вытяжки)_
Вариант опыта Энергия прорастания, % Всхожесть, % Оценка токсичности
«Унисорб» «Унисорб-био»
Контроль (грунт без обработки). 89±1,1 94,0±2,5 отсутствует
Грунт+сорбент 88±1,6 85±2,1 91,0±1,9 93,0±3,0 отсутствует
1% загрязнение нефтью 85,0±2,0 84±2,1 оч. слабая
1% загрязнение нефтью +сорбент 83,0±1,3* 89±2,2 89,3±1,8 94,2 оч.слабая нет токсичности
5% загрязнение нефтью 40±1,7 39±1,6 высокая
5% загрязнение нефтью +сорбент 52±2,1 59,5±2,2 55,7±2,0 62,8±2,3 средняя слабая
10% загрязнение нефтью 14,0±2,2 10±1,8 оч. высокая
10% загрязнение нефтью +сорбент 18,0±1,2 23,0±1,3 22,0±2,4 25,2±1,7 оч. высокая высокая
*числитель - сорбент Унисорб; знаменатель - сорбент «Унисорб-био».
Характеризуя данные по длине корня проростка, установили, что при воздействии минимальной концентрации нефти длина корня проростка кресс-салата была ниже, чем в контроле (8,2 см) и составляла в среднем 7,05 см, тогда как при использовании сорбента значения увеличились в среднем до 7,5 и 8,0 см. На диаграмме, представленной на рисунке 2, отчетливо видна тенденция снижения загрязнения в вариантах при использовании сорбентов. Исследуя длину проростка при 5 % уровне загрязнения почвогрунта, установили, что она снизилась по сравнению с контролем в среднем в 2,3 раза, тогда как в вариантах с применением сорбентов наоборот показатели увеличились в 1,4 раза (по сравнению с 5 %-м уровнем загрязнения) (рисунок 1). Максимальное загрязнение почвогрунта (10 %) привело к снижению длины проростка по сравнению с контролем почти в 6 раз. Сорбенты к концу инкубации увеличили длину проростка до 2,6
и 3,0 см, что в 2 раза больше, чем в варианте без их применения (рисунок 1). Таким образом, длина проростка является чувствительной ответной функцией тест-культуры на загрязнение, так как реагирует достоверным изменением показателей.
Сорбенты «Унисорб» и «Унисорб-био» снижают концентрацию нефти и соответственно токсичность почвогрунта, выполняя сорбирующую функцию. В течение всего периода исследования во всех вариантах с высоким и очень высоким уровнем загрязнения токсический эффект усиливается, а сорбенты заметно снижают его. Во всех вариантах с применением сорбента, как при низкой, так и при высокой концентрации нефти все значения длины проростка были выше, особенно при 5 % уровне загрязнения, что свидетельствует об эффективном действии и снижении уровня токсичности.
10 % загрязнение нефтью +сорбент 10 % загрязнение нефтью 5 % загрязнение нефтью+сорбент 5 % загрязнение нефтью 1 % загрязнение нефтью+сорбент 1 % загрязнение нефтью Грунт+сорбент Контроль
I-1-1-1-1-1
0 2 4 6 8 10 Длина корня проростка кресс-салата, см
Рисунок 1 - Средние показатели длины корня проростка тест-культуры
(метод «водной вытяжки»)
Показатели фитотоксичности, рассчитанные на основании сопоставления результатов длины корня проростка с контрольными значениями показали, что при 1% уровне токсичность низкая, а при 5% уровне загрязнения показатели фитотоксичности переходят из градации высокая в среднюю при использовании как сорбента «Унисорб», так и сорбента «Унисорб-био», а при 10 %-м уровне загрязнения из градации очень высокая степень токсичности в высокую - 82,7 до 69 % и 83,9 до 63,0 % соответственно.
С целью определения исходной безопасности сорбента необходимо проверить его токсичность в вариантах без загрязнения. В результате получены данные, указывающие, что сорбент не оказывает активного отрицательного воздействия на тест-культуру, что выражается в отсутствие достоверных различий во всхожести по равнению с контролем. Длина корня проростка также снизилась лишь незначительно (рисунок 1). Таким образом, исследуемые сорбенты способствовали снижению токсического эффекта при нефтяном загрязнении. Токсичность снизилась в 1,2-1,3 раза, особенно при максимальном уровне загрязнения (рисунок 2). В целом на основании изученных показателей (энергия прорастания, всхожесть и длина проростка тест-культуры), а также уровеня фитотоксичности - исследуемые сорбенты «Унисорб» и «Унисорб-био» можно рекомендовать в качестве эффективно снижающих токсичное действие нефтяного загрязнения, особенно при загрязнении почвогрунта 5 и 10 %.
Главным направлением процесса восстановления нефтязагрязненных почв является повышение их биогенности и очищающей способности с обязательной стимуляцией деятельности нефтеокисляющей микрофлоры. В таблице 2 представлены результаты исследования энергии прорастания и всхожести семян тест-культуры кресс-
157
Унисорб-био Унисорб
салат, полученных при выращивании непосредственно на субстрате (метод «почвенных пластин»).
Рисунок 2- Фитотоксичность нефтезагрязненного почвогрунта (по ингибированию роста корня) Необходимо отметить, что в контрольном варианте биометрические показатели тест-растения были намного больше, чем определяемые методом водной вытяжки. При 1%-ом уровне нефтяного загрязнения выявлена слабая и очень слабая токсичность, применение сорбентов «Унисорб» и «Унисорб-био» полностью убрали токсичность почвогрунта и показатели восстановились до 92,7 и 98 %.
Таблица 2 - Показатели энергии прорастания и всхожести тест-объекта загрязненного почвогрунта методом «почвенных пластин» (Хср^!^)_
Вариант Сорбенты
опыта Унисорб Унисорб-био
Энергия Всхожесть, % Энергия Всхожесть, %
прорастания, % оценка уровня прорастания, % оценка уровня
оценка уровня токсичности оценка уровня токсичности
токсичности токсичности
Контроль 93,6±1,1 94,0±1,0 93,6±1,1 94,0±1,0
(грунт без обработки). отсутствие отсутствие отсутствие отсутствие
Грунт+сорбент 95,3±1,6 98,0±1,9 95,3±1,6 98,0±1,9
отсутствие отсутствие отсутствие отсутствие
1% загрязнение 74,0±2,0 88,6±2,1 74,0±2,0 88,6±2,1
нефтью слабая оч. слабая слабая оч.слабая
1% загрязнение 80,3,3±1,3 92,7±1,8 95,5±1,4 98±1,2
нефтью +сорбент оч. слабая отсутствие отсутствие отсутствие
5% загрязнение 50,2±1,7 46,0±1,6 50,2±1,7 46,0±1,6
нефтью средняя средняя средняя средняя
5% загрязнение 43,7±2,1 51,7±2,0 54,5±2,1 65,4±1,2
нефтью +сорбент средняя средняя средняя слабая
10% загрязнение 13±2,2 10,08±1,8 13±2,2 10,08±1,8
нефтью оч. высокая оч. высокая оч. высокая оч. высокая
10% загрязнение 14,1±2,5 16,2±2,4 24,7±2,3 31,8±2,9
нефтью +сорбент оч. высокая оч. высокая высокая высокая
Установлено, что почти в 2 раза по сравнению с контролем снизились показатели энергии прорастания и всхожести при 5%-ом уровне загрязнения, а сорбент «Унисорб» незначительно увеличил показатели, тогда как сорбент «Унисорб-био» перевел токсичность из «средней» в «слабую», что доказывает е более высокую его очищающую способность по сравнению с сорбентом «Унисорб» (таблица 2).
Анализ данных, представленных на диаграмме (рисунок 3) показал, что средние показатели длины проростка снижены по сравнению с контролем при 1 %-м уровне незначительно с 12,4-12,6 см до 9,1-9,2 см, тогда как значения длины проростка уменьшились в среднем в 2,5-3,0 раза и 7-8 раз при 5%-ом и 10%-ом уровнях значения (рисунок 3).
Рисунок 3 - Показатели длины проростка тест-культуры (метод «почвенных пластин») Наиболее эффективно согласно данным, полученным при изучении длины проростка при действии сорбентов методом водной вытяжки, изменения проявились при максимальном загрязнении 10 % в 2,0 и 2,5 раза соответственно для сорбентов «Унисорб» и «Унисорб-био». Наличие углеводородокисляющих бактерий в составе последнего сорбента, способствует более эффективному его действию. Результаты фитотоксичности, представленные на диаграмме (рисунок 4) свидетельствуют о том, что сорбенты переводят среднюю токсичность, возникающую при 1%-ом уровне загрязнения в низкую, а очень высокую при 10%-м уровне в высокую. При исследовании 5 %-го уровня загрязнения нефтью по ингибированию роста проростка градация токсичности осталась средней.
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
■ ■II
Унисорб Унисорб-био
^ / ^ ^ ^
\
о\°
Г
«яг
>\°
г
\
о\о
«5
Рисунок 4- Фитотоксичность нефтезагрязненного почвогрунта
159
по ингибированию проростка тест-растения до и после применения сорбентов
В целом процесс сорбции эффективен, осуществляемый сорбентами «Унисорб» и «Унисорб-био», так как показатели как энергии прорастания и всхожести, так и биометрические длина корня и длина проростка восстанавливаются, а уровень токсичности снижается. Принцип современной очистки нефтезагрязненных почв должен базироваться на применении современных способов очистки, используемых с минимальными затратами и высокой эффективностью их действия.
Заключение. Нефтяное загрязнение почвогрунта ингибирует рост и развитие растений, снижает показатели энергии прорастания и всхожести семян тест-культуры. Фитотестирование нефтезагрязненного почвогрунта показало, что уровень токсичности при использовании сорбентов «Унисорб» и «Унисорб-био» снижается в 2-2,5 раза после использования сорбентов. На основании изученных показателей (энергия прорастания, всхожесть и длина проростка тест-культуры), а также уровня фитотоксичности, исследуемые сорбенты «Унисорб» и «Унисорб-био» можно рекомендовать в качестве эффективно снижающих токсическое воздействие нефтяного загрязнения, особенно при высоких уровнях загрязнения. В течение всего периода исследования в вариантах с применением сорбентов наблюдалась тенденция увеличения биометрических параметров проростков кресс-салата. Наиболее эффективное действие проявилось у сорбента «Унисорб-био» и доказано при среднем 5 %-ом и максимальном 10 %-ом уровнях загрязнения.
Статья подготовлена в рамках поддержки гранта РГНФ (проект 16-16-24011) «Реализация системного подхода в экологическом образовании и просвещении на примере города Красноярска и прилегающих территорий».
Список литературы:
1Бакина Л.Г. и др. К методике фитотестирования техногенно загрязненных почв и грунтов // Материалы междунар. конф. «Экологические проблемы северных регионов и пути их решения». - Ч. 1. Апатиты, 2004. - С. 167-169.
2 Вальков В.Ф. Экологическое почвоведение. - Краснодар: КубГАУ, 2004. - 168 с.
3 Васильев, А.В. Экологический мониторинг токсического загрязнения почвы нефтепродуктами с использованием методов биотестирования / А.В. Васильев и др. // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». - 2012. - № 4 - С. 242-250.
4 Галицкая П.Ю., Селивановская С. Ю., Гумерова Р. Х.Тестирование отходов, почв, материалов с использованием живых систем : учебно-методическое пособие. -Казань: Казанский университет, 2011. - 47 с.
5 Заболотских, В.В. Экспресс-диагностика токсичности почв, загрязнённых нефтепродуктами / В. В. Заболотских, А. В. Васильев, С. Н. Танких //Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2012. - Т. 14. №1 (3). - С. 734-738.
6 Киреева, Н.А., Тарасенко Е.М.// Биотестирование как метод оценки загрязнения почв нефтью. - Экология и промышленность России, 2004. - С. 26 - 29.
7 Колесников С.И. и др. Биодиагностика экологического состояния почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами. - Ростов н/Д: Изд-во Ростиздат, 2007. - 192 с.
8 Лисовицкая O.B., Терехова В.А. Фитотестирование: основные подходы, проблемы лабораторного метода и современные решения // Доклады по экологическому почвоведению. - 2010. - № 1. Вып. 13. - С. 1-18.
9 Маячкина Н.В., Чугунова М.В. Особенности биотестирования почв с целью их экотоксикологической оценки // Вестн. Нижегород. ун-та. - 2009. - № 1. - С. 84-93.
10 Мелкозеров В.М. и др. Очистка нефтезагрязненных земель и водоемов Сибири с применением адсорбентов // Нефтепромысловое дело. - 2010. - №11. - С. 58-62.
11 Методика биотестирования по проращиванию семян. Санитарные правила и нормы СанПиН 2.1.7.573-96 «Гигиенические требования к использованию сточных вод и их осадков для орошения и удобрения». - 1996.- 20 с.
12 Методика выполнения измерений всхожести семян и длины корней проростков высших растений для токсичности техногенно загрязненных почв. ФР 1.39.2006.02264. - СПб., 2009. - 19 с.
13 Мынбаева Б.Н. и др. Установление токсичности почв г. Алматы методом фитотестирования // Биодиагностика и оценка качества природной среды: подходы, методы, критерии и эталоны сравнения в экотоксикологии - М: ГЕОС, 2016. - С. 166-169.
14 Привалова Н.М. и др. Определение фитотоксичности методом проростков // Успехи современного естествознания. - 2006. - № 10. - С. 45-45.
15 Смольникова, В.В. Фитотоксическое действие нефтяного загрязнения / В.В. Смольникова // Современные наукоемкие технологии. - 2009. - № 10. - С. 90-92.
16 Терехова В.А. Биоиндикация и биотестирование в экологическом контроле // Использование и охрана природных ресурсов в России. Информационно-аналитический бюллетень. - 2007. - № 1. - С. 88-90.
17 Терехова В.А. Биотестирование почв: подходы и проблемы // Почвоведение, 2011. - № 2. - с. 190-198.
18 Титова В.И. и др. Агро- и биохимические методы исследования состояния экосистем: учеб. пособие для вузов. - Нижегород. гос. с.-х. академия. - Н. Новгород: Изд-во ВВАГС, 2011. - 170 с.
19 Федорова А.И., Никольская А.Н. Практикум по экологии и охране окружающей среды. - М.: ВЛАДОС, 2001. - 288 с.
20 Фомина, Н.В. Оценка фитотоксичности нефтезагрязненного почвогрунта после применения сорбента / Н.В. Фомина // Сборник научных статей международной конференции «Проблемы современной аграрной науки». - Красноярск, 2016. - сайт Красноярский ГАУ. http://www.kgau.ru/new/all/konferenc.
21 Хомич В.С. Загрязнение почв нефтепродуктами в Беларуси // Природные ресурсы (межведомственный бюллетень). - 2005. - № 2. - C. 43.
22 Цаценко, Л.В. Фитоиндикация загрязнения воды и почвенной вытяжки / Л. В. Цаценко, О. Д. Филипчук // Агрохимия, 1999. - № 1. - С. 90-93.
23 Экологическое почвоведение: Лабораторные занятия для студен- тов-экологов (бакалавров): метод. указания / Сост. И.Н. Волкова, Г.В. Кондакова; Яросл. гос. ун-т. - Ярославль, 2002. - 35 с.
