CC BY
74
ВЕСТНИК ТГГПУ. 2011. №4(26)
УДК 632.122.2:631.46:631.445.41
ОЦЕНКА ФИТОТОКСИЧНОСТИ УВ РАЗНОЙ ХИМИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ ПРИ ИХ ПРЯМОМ КОНТАКТЕ С СЕМЕНАМИ И ОПОСРЕДОВАННО ЧЕРЕЗ ПОЧВУ
© Н.В.Кулагин, Н.С.Архипова, И.П.Бреус
В статье исследовано влияние нефтяных углеводородов (УВ) алифатического и ароматического ряда на всхожесть семян растений различной систематической принадлежности, характеризующей их жизнеспособность и выживаемость в условиях загрязнения. Показана зависимость фитотоксичности УВ от химической природы поллютанта, времени воздействия его на растение и сорбционных свойств почвы.
Ключевые слова: углеводороды, загрязнение, прорастание, фитотоксичность, сорбция.
Нефть и нефтепродукты являются одними из самых распространенных и опасных загрязнителей окружающей среды. Их важнейшей составляющей (до 70 масс.%) являются углеводороды (УВ), из которых основную часть составляют насыщенные УВ (алканы и циклоалканы): на их долю приходится 60-80% фракций нефти. Воздействие нефтяных УВ пагубно влияет на все элементы экосистемы. Одним из ее наиболее уязвимых звеньев являются растения, так как УВ воздействуют на них как через почву, так и через атмосферу [1]. Углеводороды оказывают пагубное действие не только на уже сформировавшиеся растения, но также оказывают ингибирующий эффект на семена (фитотоксичность) [2; 3; 4].
В то же время известно, что почва способна изменять токсическое влияние УВ за счет их взаимодействия с минеральными и органическими компонентами почвы. Попадая в нее, токсиканты вступают в разнообразные физико-химические взаимодействия как с минеральными, так и с органическими компонентами - живыми и неживыми. Их конечный результат зависит от соотношения скоростей и термодинамических параметров процессов связывания, фильтрации, испарения, растворения и биодеградации и в итоге определяет аккумуляцию поллютантов в компонентах экосистемы. Ключевым взаимодействием в этих процессах является сорбция [5, 6]. Тем самым она определяет биодоступность пол-лютантов, в том числе возможность самоочищения почвы.
Наиболее токсичны в отношении культурных и дикорастущих растений ароматические (АУ) и полиароматические (ПАУ) углеводороды (при концентрации 0,005-0,12% они вызывают депрессию всхожести семян до 100%) [7; 8; 9; 10], а также УВ легких фракций нефти [11; 12]. УВ средних и тяжелых фракций нефти менее токсичны [13; 14; 15]. Управление процессами био-
деградации нефти должно быть направлено, прежде всего, на активизацию микробных сообществ, создание оптимальных условий их существования [16]. Фиторемедиация является наиболее подходящим для сельскохозяйственных территорий средством очистки почвы из-за большой протяженности угодий и относительной дешевизны метода. Важными показателями устойчивости растений к углеводородным поллютантам являются всхожесть и энергия прорастания семян, характеризующие их жизнеспособность и выживаемость в условиях загрязнения.
Целью работы было изучение влияния нефтяных углеводородов разной химической природы на всхожесть и энергию прорастания семян различных видов растений после прямого, различного по длительности, воздействия УВ и опосредованного, через почву.
Материалы и методы исследования При прямом воздействии УВ Лабораторную всхожесть семян определяли согласно ГОСТ 12038-84 [17]. В качестве загрязнителей исследовали жидкие УВ алифатического (н-тридекан (ТД), н-декан, н-гексан) и ароматического (кумол - изопропилбензол, псевдокумол
- 1,2,4-триметилбензол (ПК)) рядов. Объектом исследования прямого воздействия УВ были семена пшеницы яровой (сорт Костанайская-12).
Воздушно-сухие семена по 30 штук помещали в УВ на разное время (20, 40, 60, 120, 240, 300, 360 и 480 мин). Семена вынимали, просушивали. Всхожесть и энергию прорастания определяли в чашках Петри на увлажненной фильтровальной бумаге на 3, 7, 10 и 14 день.
При опосредованном воздействии УВ Для определения опосредованного воздействия УВ использовали выщелоченный чернозем (Алексеевский район) как одну из распространенных в Республике Татарстан почву.
Таблица 1.
Агрохимические характеристики выщелоченного __________________чернозема ___________________
Почва Слой, см pH KCl P2O5 мг/100г С%/гум ^общий
Чернозем выщелочен- ный 0-20 6,49 26,7 3,13/5,40 0,25
Агрохимические характеристики почвы оп-
ределяли стандартными методами: содержание гумуса - по Никитину, рНКа -потенциометри-чески; содержание подвижного фосфора - по Чирикову, общий азот по Кьельдалю [18]. Влажность почвы определяли как потерю веса после высушивания образца при 105°С до достижения постоянного веса [19]. В качестве загрязнителей использовали н-тридекан и псевдокумол. Эксперименты проводили на предварительно загрязненной почве. Загрязненную почву выдерживали в герметичных условиях в течение 2-3 недель для установления равновесия в системе "почва -УВ". Образцы незагрязненной (контроль) и загрязненной почвы (по 50 г) помещали в чашки Петри диаметром 10 см, увлажняли (до 60% от полной влагоемкости почвы) и производили посев воздушно-сухих семян растений (по 30 штук) [13; 14; 15].
Учет количества взошедших семян проводили на 3, 7, 10 и 14 день.
Схема опыта:
Величины сорбции УВ почвой определяли методом газохроматографического анализа равновесного пара на газожидкостном хроматографе "КристалЛюкс" с капиллярной хроматографической колонкой и пламенно-ионизационным детектором. Аппроксимацию полученных данных осуществляли с использованием полиномиальных и кусочно-полиномиальных функций
(сплайнов) в программах Statistica, Excel и Origin. Статистическую обработку результатов проводили с использованием встроенных средств MS Excel (среднее значение и стандартное отклонение).
Результаты и их обсуждение.
1. Прямое воздействие углеводородов различной химической природы на прорастание пшеницы "Костанайская-12"
Непосредственный контакт семян пшеницы с углеводородами приводил к снижению их всхожести. Степень токсичности УВ зависела от их химической природы и длительности воздействия на семена.
Наибольший токсический эффект оказывали кумол и псевдокумол, даже кратковременный (20 минут) контакт с которыми приводил к снижению всхожести семян в среднем в 2 раза относительно контроля (рис.1). Кумол и псевдокумол с первых минут контакта с семенами оказывали негативное воздействие на их физиологические параметры. Эти УВ относят к классу ароматических, которые характеризуются своими ярко выраженными токсичными, мутагенными и канцерогенными свойствами [20; 21].
Как видно из рисунка, токсический эффект воздействия кумола на показатель всхожести при увеличении времени контакта с семенами возрастал, но не намного. При длительном контакте (240-480 мин) депрессия всхожести составляла 60%. Напротив, у псевдокумола токсический эффект значительно возрастал при увеличении времени контакта с семенами (в варианте 480 мин - депрессия всхожести была более 80%). Возможно, это связано с особенностями химической структуры этих поллютантов, т. е. наличием и количеством заместителей, их положением и специфическими реакциями.
УВ алифатического ряда также ингибировали всхожесть семян (рис.2). По уменьшению степени токсичности их можно расположить в следующем ряду: н-тридекан > н-декан > н-гексан, т.е. токсичность алифатических УВ повышалась с увеличением длины углеродной цепи.
При увеличении времени контакта с семенами токсический эффект этих УВ возрастал. При максимальном времени воздействия (480 мин) ингибирование всхожести было выше, чем при
Растения УВ Концентрация УВ, %
Пшеница яровая Тридекан 2 4
"Кустанайская- Псевдокумол 1 2
12"
Triticum durum
Сорго суданское Тридекан 2 4
(Суданская тра- Псевдокумол 1 2
ва)
Sorghum su-
danense
Клевер луговой Тридекан 2 4
Trifolium pratense Псевдокумол 1 2
Вика посевная Тридекан 2 4
Vicia sativa Псевдокумол 1 2
Донник лекарст- Тридекан 2 4
венный Псевдокумол 1 2
Melilotus offici-
nalis
Козлятник вос- Тридекан 2 4
точный "Гале" Псевдокумол 1 2
Galega orientalis
Горчица белая Тридекан
Sinapis alba. Псевдокумол
кратковременном (20 мин) воздействии у триде-кана, декана и гексана в 3; 1,5 и 1,2 раза соответственно. Таким образом, н-гексан был наименее токсичным из исследованных нами УВ, и с увеличением времени воздействия его токсические свойства возрастали в наименьшей степени. Тогда как токсический эффект тридекана при длительном контакте с семенами был даже выше, чем в случае с ароматическими УВ (кумол и псевдокумол).
Исследованные УВ оказывали незначительное влияние на скорость прорастания семян, так как показатели всхожести семян на 3, 7, 10 и 14 день мало различались (рис.1 и 2). Возможно, это свидетельствует о том, что УВ относительно быстро проникают через семенную кожуру и воздействуют непосредственно на зародыш семени и запасные питательные вещества.
2. Опосредованное воздействие углеводородов на прорастание семян ряда культур
Для оценки токсического эффекта УВ в почве были выбраны наиболее токсичные по результатам предыдущего опыта поллютанты - ТД и ПК. Проращивали семена растений, принадлежащих к различным систематическим группам (семейства злаков, бобовых и крестоцветных) и отличающихся как размерами семени, так и его строением. ПК полностью ингибировал всхожесть семян исследованных культур в почве, за исключением горчицы, у которой всхожесть составляла 20 и 10% при концентрации ПК 1% и 2% соответственно. Причем во втором варианте семена всходили не дружно, процесс их прорастания был растянут до 14 дней.
В вариантах с ТД 2% (рис.3а) всхожесть семян исследованных культур существенно различалась. Наиболее устойчивыми к УВ загрязнению по этому показателю были представители семейства злаков - пшеница и сорго (суданская трава), их всхожесть составляла 95-100% от контроля; у бобовых ингибирование всхожести составляло от 40 до 80%. Среди бобовых более устойчивыми были вика, клевер, наименее - донник.
Повышение концентрации ТД (4%) привело к снижению показателей всхожести у большинства исследованных культур в среднем на 5-10%, но ряд устойчивости культур в целом сохранился тот же. Только устойчивость горчицы в варианте с 4% оказалась выше, чем при 2% ТД (рис.3Ь). В литературе указывают, что наиболее устойчивыми к УВ загрязнению являются растения семейств злаковых [20; 21], бобовых [4; 20; 21], а растения кресс-салата достаточно часто используют как биотест на фитотоксичность почв.
Энергия прорастания была в 2-3 раза ниже относительно незагрязненного варианта у сорго, вики и козлятника при 2 и 4% уровне ТД в почве, что, вероятно, было связано с затруднением процесса набухания семени. У пшеницы все семена прорастали дружно на 3 день после посева. Это является особенностью культуры, так как для прорастания семени пшеницы воды необходимо лишь 50% от его общего веса.
УВ различной химической природы (ТД и ПК) существенно (диаметрально) отличались между собой по величине токсического эффекта в почве, тогда как в опыте с прямым воздействием их эффект был сопоставим. Одним из возможных объяснений большей токсичности ароматического УВ в почве могла быть меньшая сорбция стерически загруженных молекул псев-докумола выщелоченным черноземом. В этой связи нами была изучена сорбция псевдокумола на ВЧ и на основе полученных величин сорбции построена изотерма (рис.4). При активности паров УВ Р/Ро=0,4 сравнены измеренные величины сорбции псевдокумола и ранее полученные в нашей лаборатории [6] величины сорбции н-алканов (от С5 до Си ) на ВЧ (Алексеевский район, Татарстан). Показано, что величины сорбции алканов и псевдокумола практически совпадают (7-9 и 9 мкл/г соответственно) и, следовательно, не могут быть причиной выявленных различий в токсичности.
Возможно, различия связаны с высокой относительно н-тридекана (больше, чем на порядок) растворимостью псевдокумола в почвенной влаге, в результате ароматический УВ может оказывать более сильное воздействие на семена растений, ингибируя их всхожесть.
Таким образом, опыт по проращиванию семян в загрязненной УВ почве показал, что устойчивость различных культур по показателю всхожести семян существенно отличалась; токсический эффект УВ в значительной степени определялся их химической природой и систематической принадлежностью семян.
Выводы:
1. Токсический эффект УВ на прорастание семян зависит от химической природы поллю-танта и времени его воздействия на семя и объясняется не только повышением гидрофобных свойств почвы, но и воздействием на зародыш семени.
2. Почва, являясь сложной гетерогенной системой, способна изменять токсические свойства поллютантов.
3. Семена различных культур существенно отличаются по показателю всхожести на фоне УВ (ТД) и составляют следующий ряд устойчи-
вости: пшеница>сорго>вика>горчица>клевер>
донник>козлятник.
4. Главным фактором токсичности УВ как в почве, так и при прямом воздействии является их
растворимость в воде; изучение сорбции УВ на почве показало, что этот процесс не является фактором снижения их токсичности.
Дни подсчета
Дни подсчета
♦ 20 мин □ 40 мин Д60 мин ж 120 мин
0 240 мин 300 мин Л360 мин 0 480 мин
Рис.1. Прямое воздействие ароматических углеводородов (а - кумола, Ь - псевдокумола) на всхожесть семян
пшеницы "Костанайская-12".
Дни подсчета
♦ 20 мин □ 40 мин А60 мин ж; 120 мин 0240 мин 300 мин А 360 м ин О 480 мин
Рис.2. Прямое воздействие алифатических углеводородов (а - н-тридекана, Ь - н-декана; с - н-гексана)
на всхожесть семян пшеницы "Костанайская-12".
АЯр. пшеница (Костанайская-12) д Суданская трава ♦Клевер красный
<>Вика посевная ^Горчица белая ж:Донник желтый
+ Козлятник восточный
Рис.3. Всхожесть семян различных культур в выщелоченном черноземе, загрязненном тридеканом
(а - 2%, Ь - 4%).
Рис.4. Изотерма сорбции псевдокумола на воздушно-сухом выщелоченном черноземе.
Работа выполнена при поддержке гранта РФФИ
№09-04-01553.
1. Минебаев В.Г. К вопросу охраны почвенного покрова в нефтедобывающих районах. - Казань, 1986. - 412 с.
2. Демидиенко А.Я., Демурджан В.М., Шеянова А.Д. Изучение питательного режима почв, загрязненных нефтью // Агрохимия. - 1983. - №9. - С.100-103.
3. Thygesen R.S., Trapp S. Phytotoxicity of polycyclic aromatic hydrocarbons to willow trees, J. Soils Sedim. - June 2002. - Vol.2. - №2. - P.77-82.
4. Kirk J.L., Klironomos N.J., Lee H., Trevors J.T. Phytotoxicity assay to assess plant species for phytoremediation of petroleum-contaminated soil // Bioremediation J. - 2002. - №6. - P.57-63.
5. Chi F.-H. Kinetic study on the sorption of dissolved natural organic matter onto different aquifer materials: the effects of hydrophobicity and functional groups // Journal of Colloid and Interface Science. -2004. - Vol.274. - P.380-391.
6. Бреус И.П. Сорбция летучих органических загрязнителей почвы // Почвоведение. - 2006. -№12. - C.1413-1426.
7. Cape J.N. Effects of airborne volatile organic compounds on plants // Environ. Pollut. - 2003. -Vol.122. - P.145-157.
8. Edwards N.T. Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in the terrestrial environment // J. Environ. Qual. - 1983. - Vol.26. - P.427-441.
9. Gunter T., Dornberger U., Fritsche W. Effects of ryegrass on biodegradation of hydrocarbons in soil // Chemosphere. - 1996. - Vol.33. - №2. - P.203-215.
10. Kummerova M., Kmentova E. Photoinduced toxicity of fluoranthene on germination and early development of plant seedling // Chemosphere. - 2004. -Vol.56. - P.387-393.
11. Гилязов М.Ю., Гайсин И.А. Агроэкологическая характеристика и приемы рекультивации нефте-загрязненных черноземов Республики Татарстан.
- Казань: Фэн, 2003. - 228 с.
12. Киреева Н.А., Кузяхметов Г.Г., Мифтахова А.М., Водопьянов В.В. Фитотоксичность антропогенно-загрязненных почв. - Уфа: Гилем, 2003. - 266 с.
13. Adam G., Duncan H. Effect of diesel fuel on growth of selected plant species // Environmental Geochemistry and Health. - 1999. - Vol.21. - P.353-357.
14. Adam G., Duncan H. Influence of diesel fuel on seed germination // Environ. Pollut. - 2003. - Vol.120. -P.363-370.
15. Adam G., Duncan H. The effect of diesel fuel on common vetch (Vicia sativa L.) plants // Environmental Geochemistry and Health. - 2003. - Vol.25. -P.123-130.
16. Исмаилов Н.М. Микробиологическая и ферментативная активность нефтезагрязненных почв //
Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем. - М.: Наука, 1988. - С.42-56.
17. ГОСТ 12038-84. Методы определения всхожести.
- М.: Изд-во стандартов, 1984. - 56 с.
ASSESSMENT OF PHYTOTOXICITY OF HYDROCARBONS OF DIFFERENT CHEMICAL NATURE IN THEIR DIRECT CONTACT WITH SEEDS, AND INDIRECTLY, THROUGH SOIL
N.V.Kulagin, N.S.Archipova, I.P.Breus
The authors studied the effect petroleum hydrocarbons (HC), (aliphatic and aromatic) has on the germination of plant seeds of different systematic affiliation that characterizes their viability and survival under the conditions of pollution. The dependence of the HC phytotoxicity on the chemical nature of the pollutant, on the time the plant was exposed to its influence and sorption properties of the soil are shown.
Key words: hydrocarbons, contamination, germination, phytotoxicity, sorption.
Кулагин Николай Викторович - аспирант кафедры биоэкологии Казанского (Приволжского) федерального университета.
E-mail: Kulagin.N.V@gmail.com
Архипова Наталья Степановна - кандидат биологических наук, доцент кафедры биоэкологии Казанского (Приволжского) федерального университета.
E-mail: na.st.ar@yandex.ru
Бреус Ирина Петровна - доктор биологических наук, профессор, заведующий лабораторией химии окружающей среды Казанского (Приволжского) федерального университета.
E-mail: ibreus@ksu.ru
Поступила в редакцию 23.03.2011
18. Ягодин Б.А., Жуков Ю.П., Кобзаренко В.И. Практикум по агрохимии. - М.: Агропромиздат, 1987. - 512 с.
19. Методы почвенной микробиологии и биохимии. -М: Моск. гос. ун-т, 1991. - 303 с.
20. Chouychai W., Thongkukiatkul A., Upatham S., Lee H., Pokethitiyook P., Kruatrachue M. Phytotoxicity assay of crop plants to phenanthrene and pyrene contaminants in acidic soil // Environmental Toxicology. - 2007. - 13:22 (6): 597-604.
21. Banks M.K., Schultz K.E. Comparison of Plants for Germination Toxicity Tests in Petroleum-contaminated Soils // Water Air and Soil Pollution. -2005. - Vol.167(1-4). - P.211-219.
