CC BY
66
Влияние нефтесолевого загрязнения на морфофункциональные показатели овса посевного - Avena sativa
А.М. Цулаия, аспирантка, Тюменская ГСХА
Наиболее характерным процессом преобразования природных систем в районах нефтедобычи, наряду с загрязнением нефтью, является засоление почв, грунтов, поверхностных, вну-трипочвенных и подземных вод. В последние десятилетия процесс галогенеза стал угрожать развитию естественного растительного покрова северных территорий Тюменской области [1]. Известно, что интенсивность воздействия минерализованных вод на почвы и растительный покров иногда более значительна, чем нефти [2]. Высокие концентрации солей в почве нарушают ионный гомеостаз и водный режим растений, что приводит к снижению их роста и развития [3, 4].
Влияние на растения солевого и особенно нефтяного загрязнения изучено достаточно хорошо. Однако экспериментальных данных по совместному действию нефти и хлоридов в литературе мы не встретили. Поэтому целью данной работы явилось изучение влияния нефтесолевого загрязнения на представителя высших растений — овса посевного (Avena sativa), который входит в состав комплекса культур, используемых при рекультивации загрязнённых земель.
Материал и методы исследований
В опытах использовали нефть, поступающую по трубопроводу из п. Шаим Ханты-Мансийского автономного округа на нефтеперекачивающую станцию г. Тюмень, и хлорид натрия. Групповой состав шаимской нефти представлен парафинами — 54,3%, нафтено-ароматическими углеводородами — 40,2% и асфальтено-смолистыми компонентами — 5,5%. Для хлорида натрия (поваренной соли, каменной соли, минерала галита) NaCl характерны следующие показатели:
температура плавления — 801 °С, температура кипения — 1465 °С; растворимость в воде — 26,4% при 25 °С [5]. Почва (верховой торф) была отобрана в «экологически чистом» районе ХМАО (50—60 км от границ месторождений и 70 км от г. Ханты-Мансийска). Дозированно загрязнённую нефтью торфяную почву (0,1; 0,5; 2,5; 12,5 г/кг) увлажняли раствором №С1 (5,0 г/л). Полив раствором соли производили по мере необходимости. В качестве контроля (К) использовали верховой торф без нефти и соли. Длительность опыта составляла 20 суток. Повторность опыта четырёхкратная, по 100 семян в каждой.
Во всех исследуемых сериях по стандартным методикам контролировали всхожесть семян, появление и рост корней и листьев, массу растений, содержание пигментов (хлорофилл «а», «б», каротиноиды), число хромосомных аберраций (ХА) и погибших клеток в корнях [6]. Полученные данные статистически обрабатывали [7].
Результаты и обсуждение
Исследования показали, что на третьи сутки корешки и проростки появились лишь в контроле. К 15-м суткам опыта число проросших растений во всех исследуемых вариантах составляло 23—26% по отношению к К, принятому за 100%. К концу опыта проросло 31—44% семян, гибель растений составила 1,3—5% от проросших. В контроле гибели растений не наблюдалось. Ранее проведённые нами исследования [8, 9] показали, что по отношению к К при нефтяном загрязнении (концентрации 0,1; 0,5; 2,5; 12,5 г/кг) прорастаемость овса составляла 89,2—67,5% по отношению к контролю, при действии только соли (концентрации 0,05; 0,25; 1,25; 5,0) — 97—52%. Причём максимум всхожести пришёлся в первом случае на вторые — третьи сутки, во
140
120 Н
100
80 60 40 -20 -
0,1
0 Длина листьев
0,5
ез Длина корней
2,5
Количество корней
12,5 г/кг
и Масса 10 растений
Рис. 1 - Средние морфометрические показатели овса при нефтесолевом загрязнении на 15-е сут. по отношению к К, принятому за 100%
200 п
0,1 0,5 2,5 12,5 г/кг
ИДлина листьев ЕЗДлина корней ^Количество корней ИМасса 10 растений
Рис. 2 - Средние морфометрические показатели овса при нефтесолевом загрязнении на 20-е сут. по отношению к К, принятому за 100%
0,1
I Хлорофилл «А»
0,5 2,5
0 Хлорофилл «Б»
12,5 г/кг
ш Каротиноиды
Рис. 3 - Среднее содержание пигментов фотосинтеза в листьях овса при нефтесолевом загрязнении на 15-е сут. по отношению к К, принятому за 100%
0,1
1 Хлорофилл «А»
0,5 2,5
ИЗ Хлорофилл «Б»
12,5 г/кг
ш Каротиноиды
Рис. 4 - Среднее содержание пигментов фотосинтеза в листьях овса при нефтесолевом загрязнении на 20-е сут. по отношению к К, принятому за 100%
втором — на пятые — шестые сутки. При совместном загрязнении на фоне одинаковой солевой нагрузки (5 г/л) даже в минимальных концентрациях нефти (0,1—0,5 г/кг) прорас-таемость семян по отношению к К составила всего 36—44% и всхожесть семян растянулась на 20 суток, что свидетельствует о подавляющем совместном действии нефти и соли на растения.
К 15-м суткам эксперимента длина листьев овса в опытных вариантах, начиная с концентрации нефти 0,5 г/кг, статистически достоверно превышала контрольные значения на
27,07—33,16% (рис. 1). Одновременно количе-
ство, длина корней и масса растений были ниже контроля на 19,3—48,7; 40,9—82,6% и 19,6—35,5% соответственно (Р<0,05—0,01). При этом зависимости концентрация нефти — эффект не наблюдалось. Следовательно, угнетение корневой системы является результатом действия соли, стимуляция роста листьев — это компенсаторная реакция на стресс [10].
При удлинении срока воздействия до 20 суток (рис. 2) разница с К по показателю длины листьев овса в тех же концентрациях нефти ещё больше возросла — до 46,5—73,1%, за счёт чего увеличилась по сравнению с К и средняя масса растений на 124,5—174,3%.
1000 800 -600 -400 -200 -0
700 600 -500 -400 300 -200 -100 0
т
0,1
0,5
2,5 12,5 г/кг
0,1
0,5
2,5
12,5 г /кг
0 Хромосомные аберрации Е1 Гибель клеток
□ Хромосомные аберрации 0 Гибель клеток
Рис. 5 - Хромосомные аберрации и гибель клеток в корнях овса при нефтесолевом загрязнении на 5-е (А) и 20-е (Б) сутки
Вместе с тем к концу опыта во всех вариантах наблюдались пожелтение и суховершинность листьев, отсутствие тургора, полегание побегов, что свидетельствует об обезвоживании и хлорозе растений под действием солевого стресса [10, 11]. Количество и длина корней оставались более низкими по сравнению с К — на 31,9—36,06 и
63,7—85,2% соответственно (Р<0,05—0,001).
Таким образом, при совместном действии нефти и соли лимитирующее действие на рост овса оказывает соль. Нефть выступает источником азота и других питательных веществ для растений [11], нивелируя замедление поступления питательных элементов при солевом стрессе [12].
Несмотря на усиленный рост листьев в опытных вариантах, их функциональная активность была угнетена. Содержание пигментов фотосинтеза в листьях овса на 15-е сутки эксперимента понизилось относительно контрольных значений: хлорофилла «А» — на 54,1—82,8, хлорофилла «Б» — на 74,4—89,3%, каротинои-дов — на 54,5—81,8% (рис. 3). При удлинении срока воздействия до 20 суток разница с контролем в содержании пигментов сократилась, но осталась достаточно высокой: хлорофилл «А» — 30,7—32,4%, хлорофилл «Б» — 57,2—70,4%, каротиноиды — 30,1—52,4% (рис. 3). Все данные высокодостоверны (Р<0,001). При этом, если на 15-е сутки опыта наблюдалась прямая зависимость содержания пигментов от концентраций нефти, то к 20 суткам эта зависимость изменилась на отрицательную. То есть сильнее проявился эффект совместного действия соли и нефти в большой концентрации (12,5 г/кг).
Угнетение пигментной системы в опыте с нефтесолевым загрязнением на более раннем этапе развития свидетельствует о том, что двойной стресс, испытываемый растительным организмом, настолько велик, что защитные системы растений не успевают адаптироваться [10], поскольку существенно нарушается сопряжённость вещественно-энергетических процессов.
Увеличение содержания хлорофиллов — трансформаторов и накопителей энергиии каротиноидов, являющихся антиоксидантами,
к 20-м суткам свидетельствует о том, что в растениях активизировались защитные механизмы борьбы со стрессом, что наблюдается при содержании нефти 0,1—2,5 г/кг. При максимальном содержании нефти разница с К остается столь же большой.
Выводы. Опыты с нефтью и солью отдельно показали, что нефть обладает мутагенным действием. При совместном действии нефти и соли частота хромосомных аберраций статистически достоверно отличалась от К лишь в максимальных концентрациях — 2,5 и 12,5 г/кг нефти (рис. 4). Это свидетельствует о сохранении мутагенного действия нефти на клетки на фоне солевого загрязнения. По сравнению с более низкими концентрациями здесь наблюдались множественные нарушения хромосом.
Гибель клеток в корнях овса, даже при минимальной концентрации нефти, превышала контрольные значения в 3,5 раза к 5-м суткам и в 4,5 раза к концу опыта (рис. 5). В остальных вариантах число погибших клеток превосходило контроль в 4,1—7,7 раза, что свидетельствует о губительном действии как соли, так и нефти на жизнеспособность клеток в корнях. Причём количество погибших клеток чётко коррелировало с концентрацией нефти в почве.
Таким образом, нефтесолевое загрязнение верхового торфа вызывает угнетение корневой системы и стимуляцию роста листьев овса до определённого периода, подавляет фотосинтез, приводит к гибели клеток в корнях во всём диапазоне исследуемых концентраций и нарушению хромосом при значительных концентрациях нефти (2,5 г/кг и выше).
Литература
1. Солнцева Н.П., Садов А.П. Учёт геохимической структуры битуминозных ореолов загрязнения для оптимизации процессов восстановления нефтезагрязнённых почв // Новые технологии для очистки нефтезагрязнённых вод, почв, переработки и утилизации нефтешламов: тез. докл. Междунар. конф. 10-11 декабря 2001 г. Москва, 2001. С. 114-115.
2. Солнцева Н.П. Добыча нефти и геохимия природных ландшафтов. М.: Изд-во МГУ, 1998. 376 с.
3. Радюкина Н.Л., Мапелли С., Иванов Ю.В. и др. Гомеостаз полиаминов и антиоксидантные системы корней и листьев Plantagomajor при солевом стрессе // Физиология растений. 2009. Т. 56. № 3. С. 359-368.
4. Ясар Ф., Элиальтиглу С., Ильдис К. Действие засоления на антиокислительные защитные системы, иерекисное окисление липидов и содержание хлорофилла в листьях фасоли // Физиология растений. 2008. Т. 55. № 6. С. 869-873.
5. Химический энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия, 1983. С. 366.
6. Временное методическое руководство по нормированию уровней содержания химических веществ в донных отложениях поверхностных водных объектов (на примере нефти). М.: РЭФИА, НИА-Природа, 2002. 134 с.
7. Лакин Г.Ф. Биометрия. М.: Высшая школа, 1980. 343 с.
8. МихайловаJI.В., ЦулаияА.М. Влияниенефтезагрязнённого торфа на рост и развитие овса // ТОБОЛЬСК-НАУЧНЫЙ 2009: мат. шестой всерос. науч.-практ. конф., посвящ. памяти А.А. Дунина-Горкавича. Тобольск: Папирус, 2009. 284 с.
9. Михайлова JI. В., Цулаия А. М. Влияние солевого загрязнения на рост и физиологическую активность лука — Allium сера // Вестник Тюменской государственной сельскохозяйственной академии. 2009. № 4 (11). С. 16-21.
10. Кузнецов В.В. Физиология растений. М.: Высш. Шк., 2006. 742 с.
11. Munns R., Husain S., Rivelli A.R., James R.A., Condon A.G, Lindsay M.R, Lagudan E.S., Schachtman D.R, Hare R.A. Avenues for increasing salt tolerance of crops, and the role of physiologically based selection traits // Plant soil. 2002. V. 247. P. 93-105.
12. Яо Ц., Ши И.М., Су В.Ф. Влияние солевого стресса на экспрессию в корнях томата генов транспорта и ассимиляции нитратов // Физиология растений. 2008. Т. 55. № 2. С. 235-261.
