Восстановление аллювиально-луговой почвы загрязненной ПХБ с помощью фитомелиорантов Текст научной статьи по специальности «Экологические биотехнологии»

УДК 504

ВОССТАНОВЛЕНИЕ АЛЛЮВИАЛЬНО-ЛУГОВОЙ ПОЧВЫ ЗАГРЯЗНЕННОЙ ПХБ С ПОМОЩЬЮ ФИТОМЕЛИОРАНТОВ

© 2016 С.М. Севостьянов, Д.Ю. Аладин, Н.Ф. Деева, Д.В. Демин

Институт фундаментальных проблем биологии РАН, Пущино

Статья поступила в редакцию 22.05.2016

В результате процессов протекающие при взаимодействии растений Medicago sativa (люцерны посевной) и Agrostis tenus (полевицы тонкой) и загрязненной полихлорированными бифенилами (ПХБ) аллювиально-луговой почвы наблюдается снижение концентрации поллютанта на 45-50% Помимо снижения уровня загрязнения, происходит изменение конгенерного состава ПХБ в почве.

Ключевые слова: почва, ксенобиотик, полихлорированные бифенилы (ПХБ), фиторемедиация, корневые экссудаты, растения-фитомелиоранты

Антропогенные нагрузки на экосистемы приводят к повышенному накоплению ксенобиотиков в отдельных их составляющих, в частности, в почвах и растениях. Поступление токсикантов в растения связано со способностью корней или листьев поглощать их из окружающей среды. Полихлорированные бифенилы (ПХБ) относятся к наиболее опасным загрязняющим веществам, требующим постоянного контроля над их накоплением и трансформацией в почвах урбоэкоси-стем. Эти соединения обладают высокой устойчивостью в окружающей среде, способны к глобальному атмосферному переносу и накоплению по трофическим цепям. Поэтому разработка методов восстановления загрязненных почв весьма актуальна и востребована. Важнейшими задачами в аспекте охраны биосферы является:

- установление путей поступления, транспорта и превращения ксенобиотиков и их влияние на обмен веществ у растений;

- выяснение физиолого-биохимических основ устойчивости растений к токсическим веществам и выявления видов, способных поглощать и утилизировать такие вещества в сравнительно большом количестве;

- определение роли растений в круговороте почва -растения ксенобиотиков и продуктов их превращения.

Транспорт ксенобиотиков в растения связан, прежде всего, со способностью корней или листьев поглощать ксенобитики из окружающей среды. Поглощение корнями ксенобиотиков из водных растворов происходит, как правило, в 2 фазы: первая фаза -это быстро протекающая диффузия в свободное пространство, заканчивающаяся за короткий период времени, вторая фаза - последующее медленное продолжительное накопление вещества, количество которого прямо пропорционально времени экспозиции. Процесс поглощения зависит от температуры, концентрации ксенобиотиков, pH питательного раствора, химического строения ксенобиотика. Интенсивность превращения ксенобиотика в клетке зависит от скорости

Севостьянов Сергей Михайлович, кандидат биологических наук, заведующий лабораторией функциональной экологии. Email: Sevost2000@rambler.ru

Аладин Данила Юрьевич, научный сотрудник лаборатории функциональной экологии. E-mail: aladin-danila@rambler.ru Деева Надежда Филипповна, старший научный сотрудник лаборатории функциональной экологии. E-mail: ndeeva@rambler.ru

Демин Дмитрий Викторович, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории функциональной экологии. E-mail: nimedd@yandex.ru

поступления его и места локализации, от ферментных систем химической природой ксенобиотика.

Цель работы: изучение процессов накопления ПХБ различными видами растений и их дальнейшей трансформации и деструкции с подбором культуры -фитомелиоранта для удаления из почв данного стойкого органического загрязнителя.

В силу своего взаимовыгодного существования растительно-микробные ассоциации и симбиозы имеют преимущества при выживании в неблагоприятных условиях окружающей среды. При этом их выживание обусловлено не только повышением толерантности к ксенобиотикам, но и активным удалением токсикантов из сферы обитания. В настоящее время это нашло практическое применение для восстановления загрязненных почв в виде технологий фиторемедиации, основанных на эффективности ризосферных процессов. Классы органических соединений, которые разлагаются в ризосфере быстрее, чем в свободной почве, включают нефтяные углеводороды, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), хлорированные пестициды и соединения типа полихлорированных бифе-нилов (ПХБ). Кроме аккумуляции и внутритканевого метаболизма растения могут стимулировать деградацию загрязнителей через свою корневую систему in situ. Многие авторы считают, что в процессе фиторе-медиации ризосферная деградация является преимущественным механизмом элиминации органических поллютантов из загрязненной почвы. Фиторазложение СОЗ не представляется реалистичным решением для уничтожения их запасов, но оно может быть приемлемой технологией доочистки для удаления остаточных количеств загрязнителей из почвы. Предварительные лабораторные исследования, проведенные нами и другими авторами, позволили установить, что происходит разложение ПХБ в почве при выращивании определенных видов растений [1-4].

Объект и методы исследования. Загрязнение почвенного покрова ПХБ характерно для отдельных территорий г. Серпухова Московской области. При этом уровни загрязнения могут достигать нескольких тысяч ПДК (ПДК для почв 0,06 мг/кг). На первых этапах работ для почв, загрязненных ПХБ, авторами применен метод деструкции их реагентом на основе натриевых солей аминокислот (NaL). Были подобраны дозы реагента, которые приводят к наиболее полной деградации ПХБ [5]. Полевой эксперимент с обработкой NaL нескольких гектаров загрязненных почв показал стойкий положительный эффект в течение нескольких лет. Однако ограниченный выпуск данного реагента не

позволяет широко примять данный метод на больших территориях, поэтому в дальнейшем нами проведена серия экспериментов с растениями-фитомелиоран-тами.

В лабораторных экспериментах выявлено, что повышенные дозы ПХБ приводят к угнетению растений на разных стадиях их вегетации. Так, Medicago sativa (люцерна посевная) испытывает угнетение на начальных этапах развития растения, в дальнейшем наблюдается адаптация к повышенным концентрациям данного поллютанта. Для Agrostis tenus (полевицы тонкой) отмечено стимулирующие действие ПХБ на начальном этапе вегетации и угнетение в дальнейшем. К концу эксперимента уровни загрязнения почвы снились от 30 до 70% по отдельным повторностям [1]. Полученные положительные результаты лабораторных экспериментов по фито- и ризодеградации ПХБ в загрязненных почвах, позволили заложить пилотный полевой эксперимент in situ на сильно загрязненной ПХБ аллювиально-луговой почве в г.Серпухове.

На загрязненной аллювиально-луговой почве выделены два квадрата размером 5х5 м. С данных площадей отобраны почвенные образцы из слоя 0-20 см для определения ПХБ. Растительный покров был удален. Участки были перекопаны вручную, при этом были выбраны корни. Затем осенью один из квадратов был засеян Medicago sativa, другой - Agrostis tenus. Через год в конце сезона вегетации растений по стандартной методике были отобраны образцы почв и растений и проанализированы. Образцы аллювиально-луговой почвы отбирали на пробной площадке из слоя 0-20 см методом конверта. Пробы почв сразу помещали в стеклянные банки с притертыми пробками, заполнив их полностью до пробки. Растительные образцы разделяли на надземную зеленую массу и корни с удалением частиц почвы. Пробы доставляли в лабораторию и сразу анализировали. Определения содержания ПХБ проводилось методом газо-жидкостной хроматографии масс-спектрометрии низкого разрешения; а для определения планарных ПХБ - сочетание газо-жидкостной хроматографии масс-спектрометрии высокого разрешения.

Результаты и обсуждения. Результаты экспериментов с использованием растений на загрязненной почве показали, что для биодеградации ПХБ необходимо постоянное присутствие корней и их выделений.

Анализ результатов эксперимента показал уменьшение общего содержания ПХБ в почве под Medicago sativa на 45,7 %, а под Agrostis tenus на 50,4% (табл. 1). Можно констатировать, что за время экспонирования растений на полигоне за один вегетационный год произошло снижение в почве концентрации ПХБ в среднем в 2 раза. В процентном отношении распределение гомологических групп конгенеров в почве

Растения через свою корневую систему могут влиять на деградацию поллютанта напрямую или опосредованно, изменяя окружающую их почвенную среду. Прорастание почвы корнями помогает растениям, микроорганизмам, питательным веществам и поллю-танту вступать во взаимодействия друг с другом. Растения также снабжают почву органическим веществом либо после своей гибели, либо при жизни за счет слу-щивающихся клеток корней и выделения муцигеля -желеобразного вещества, которое выполняет роль смазки при продвижении корня в почве [6].

Известно, что состав и количество корневых экссудатов зависят от вида и стадии развития растения

[7]. Кроме того, пространственно-временные факторы, включающие в себя тип почвы, уровень питательных веществ, рН, доступ влаги, температуру, концентрацию кислорода и диоксида углерода в атмосфере, интенсивность освещения, также оказывают значительное влияние на количество и состав корневых выделений

[8]. Очевидно, что характер корневой экссудации растений также будет зависеть от присутствия в окружающей среде поллютанта. Таким образом, корневые выделения являются главным инструментом растения в его ризосфере, воздействующим на загрязняющее вещество как непосредственно, так и опосредованно. К непосредственному воздействию корневых выделений растения можно отнести солюбилизацию, трансформацию и деградацию поллютанта под действием ферментов, выделяемых с экссудатами в ризосферу. Опосредованное участие корневых выделений растения в ризосферной деградации поллютанта заключается в стимулировании почвенных микроорганизмов-деструкторов. Биодеградация напрямую связана с биодоступностью загрязнителя, означающей его подверженность микробной деградации.

Корневые экссудаты растений могут увеличивать биодоступность загрязнителя, конкурируя с ним за сорбцию на частицах почвы. Например, авторы [9] наблюдали увеличение концентрации 5- и 6-кольцевых ПАУ в почве, которую обрабатывали искусственными корневыми экссудатами в различном сочетании с растворами нитрата аммония и дигидрофос-фата натрия, в качестве дополнительных источников азота и фосфора. Полученный результат объяснялся десорбцией изначально неэкстрагируемых молекул загрязнителя под влиянием внесенных добавок.

после выращивания данных видов растений практически одинаково (табл. 1). При этом отмечено, что изменение содержания отдельных групп конгенеров не пропорционально их количеству в исходной почве. Так, концентрации три- тетра- и гексахлорбифенилов в почве уменьшились в 2-2,7 раза, пента- и гептахлор-бифенилов - близки к исходной почве, а октахлорби-фенила - незначительно возросло. Так же произошло

Таблица 1. Содержания ПХБ в почве до и после выращивания растений

Конгенер ПХБ Загрязненная поч- Почва после почва после вы-

ва до выращивания растений выращивания Agrostis tenus ращивания Medicago sativa

мкг/кг % мкг/кг % мкг/кг %

трихлорбифенил 39,46 21,30 14,77 15,97 15,37 15,19

тетрахлорбифенил 68,75 37,11 28,11 30,39 30,34 29,99

пентахлорбифенил 35,68 19,26 27,86 30,12 31,21 30,85

гексахлорбифенил 34,86 18,82 15,57 16,84 17,59 17,39

гептахлорбифенил 5,45 2,94 5,00 5,41 5,40 5,34

октахлорбифенил 1,05 0,57 1,17 1,27 1,25 1,24

сумма 185,25 100 92,48 100 101,16 100

увеличение содержания тяжелых (5-8 атомов хлора) фракций ПХБ - с 46% до 54-55% относительно исходной почвы, что, по-видимому, связано с деградацией в первую очередь легких фракций поллютанта ризо-сферными микроорганизмами, когда обычные корневые выделения содержат соединения, химически подобные органическому загрязнителю. Увеличение содержания в почве октахлорбифенила после выращивания Medicago sativa на 0,2 мкг/кг, а Agrostis tenus на 0,12 мкг/кг объясняется десорбцией неэкстрагируемых молекул, описанной выше.

Особое внимание нами уделено изменению содержания в почве диоксиноподобных ПХБ. В загрязненной аллювиально-луговой почве их доля составляла 25% от общего количества данного поллютанта, в почве после выращивания Medicago sativa 14,8%, Agrostis tenus -14,3% соответственно. В абсолютных величинах количество диоксиноподобных соединений снизилось в 3-3,5 раза относительно исходного содержания в почве и было пропорционально для каждого из приведенных конгенеров (табл. 2).

Таблица 2. Изменение содержания диоксиноподобных конгенеров ПХБ в почве после выращивания растений

Диок- Загрязнен- Почва по- почва после

сино- ная почва до сле выра- выращива-

подоб- выращива- щивания ния

ные ния растении Agrostis Medicago

ПХБ tenus sativa

мкг/кг мкг/кг мкг/кг

77 1,04 0,31 0,35

105 11,1 3,24 3,57

118 20,52 6,12 7,01

126 3,06 0,70 0,84

156 5,48 1,49 1,65

157 0,07 0,02 0,02

167 4,55 1,24 1,38

189 0,39 0,12 0,13

сумма 46,21 13,24 14,95

Возможно, что корневые экссудаты могут влиять на взаимодействие между минеральными

поверхностями и загрязнителями, увеличивая биодоступность последних для микроорганизмов-деструкторов без одновременного усиления воздействия пол-лютантов на токсические рецепторы растения. В противном случае увеличение биодоступности поллютанта в ризосфере будет вести к повышению его фитоток-сичности. Однако во время эксперимента, в отличие от лабораторных исследований, не выявлено угнетения растений за вегетационный период.

Процессы поглощения ксенобиотиков у корней и листьев отличаются друг от друга, так как для того, чтобы попасть в корень, вещества должны пройти только через клеточную стенку, а чтобы попасть в лист, ксенобиотики должны пройти, либо через устьица, либо через кутикулы эпидермиса. Поэтому листья поглощают вещества более избирательно, чем корни. В результате эксперимента in situ при выращивании Agrostis tenus и Medicago sativa происходит накопление ПХБ в корневой и надземной массе растений. При этом в корнях Agrostis tenus и Medicago sativa данного поллютанта накопилось в 3,2-1,6 раза больше, чем в надземной массе, что на наш взгляд связанно с эффектом со-любилизации.

Накопление ПХБ данными видами растений несколько отличается друг от друга. Сравнение распределения групп конгенеров в почве после выращивания Agrostis tenus и в растении показало, что в корнях накапливается больше ПХБ с 4 - 6 атомами хлора относительно почвы. В надземной массе по сравнению с почвой выше содержание гекса- и гептахлорбифенилов (рис. 1). Содержание легких фракций составляет около 40%. Для Medicago sativa картина несколько иная (рис. 2). В корнях относительно почвы преобладают две группы конгеров с 5 и 6 атомами хлора, в зеленой массе в большем количестве присутствуют легкие фракции (три-тетрахлорбифенилы) - более 60%. Различия в распределении групп ПХБ между данными видами растений, по-видимому связаны с их анатомическим строением. Относительно исходной почвы Medicago sativa в сумме накопила 1,2 %, Agrostis tenus - 0,7 % ПХБ.

Э Почва, % □ полевица корни, % И зеленая масса полевица, % Рис. 1. Распределение групп конгенеров ПХБ при выращивании Agrostis tenus

' Поч ва, % п Корн и люцерн а, % 0 Зелен ая масса люцерн а, % Рис. 2. Распределение групп конгенеров при выращивании Medicago sativa

Выводы: фитодеградация с использованием Agrostis tenus и Medicago sativa может быть приемлемой технологией доочистки для удаления остаточных количеств ПХБ из почвы на участках обработанных аминокислотным реагентом. Концентрации ПХБ сократились через 1 год более чем на 45% под воздействием данных видов растений. Отмечено снижение в 3-3.5 раза содержания диксиноподобных ПХБ в почве после выращивания Agrostis tenus и Medicago sativa, что свидетельствует о резком снижении токсичности остаточного количества ПХБ. Установлено, что накопление ПХБ представленными растениями в процессе вегетации незначительно и не может привести к повышению уровня загрязнения почвы после их отмирания. В то же время, не затронуты такие важные связанные с ризосферой аспекты как фитоэкстракция, фитостабилиза-ция, ризофильтрация. В настоящее время эти процессы активно исследуются, появляются новые факты, подтверждающие, что роль микроорганизмов в ризосфер-ной деградации поллютантов многогранна и неразрывно связанна с функциями растения.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:

1. Аладин, Д.Ю. Применение люцерны полевой Medicago sativa и полевицы тонкой Agrostis tenus для фитомелио-рации почв / Д.Ю. Аладин и др. // Почвы Азербайджана: генезис, география, мелиорация, рациональное использование и экология: Сб. мат-лов Междун. науч. конф. -

Баку, 2012. С. 834-837.

Квеситадзе, Г.И. Метаболизм антропогенных токсикантов в высших растениях // Г.И. Квеситадзе и др. - М.: Наука, 2005. 199 с.

Anderson, T.A. Bioremediation in the rhizosphere / T.A. Anderson, E.A. Guthrie, B.T. Walton // Environ. Sci. Technol. 1993. Vol. 27, N 13. P. 2630-2636.

Schnoor, J.E. Phytoremediation of organic and nutrient contaminants / J.E. Schnoor, L.A. Licht, S.C. McCutcheon et al. // Environ. Sci. Technol. 1995. Vol. 29, N 7. P. 318-323. Демин, Д.В. Исследование деструкции полихлорбифени-лов натриевыми солями аминокислот и гуминовыми кислотами в почвах / Д.В.Демин и др. // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2013. Т.15, № 3(4). С. 1282-1286.

Cunningham, S.D. Phytoremediation of soils contaminated with organic pollutants / S.D. Cunningham, T.A. Anderson, A.P. Schwab, E.G. Hsu // Adv. Agron. (Year-Book). 1996. Vol. 56. P. 55-114.

Hegde, R.S. Influence of plant growth stage and season on the release of root phenolics by mulberry as related to development of phytoremediation technology / R.S. Hegde, J.S. Fletcher // Chemosphere. 1996. Vol. 32, N 12. P. 2471-2479. Siciliano, S.D. Enzimatic activity in root exudates of Dahurian wild rye (Elymus dauricus) that degrades 2-chlorbenzoic acid / S.D. Siciliano, H. Golbie, J.J. Germida // J. Agr. Food Chem. 1998. Vol. 46, N 1. P. 5-7.

Joner, E.J. Nutritional constraints to degradation of polycyclic aromatic hydrocarbons in a simulated rhizosphere / E.J. Joner, S.C. Corgie, N. Amellal, C. Leyval// Soil Biol. Biochem. 2002. Vol. 34, N 6. P. 859-864.

ALLUVIAL MEADOW SOIL REMEDIATION OF PCB CONTAMINATION WITH SOIL RECLAMATION PLANTS

© 2016 S.M. Sevostyanov, D.Yu. Aladin, N.F. Deeva, D.V. Demin Institute of Basic Biological Problems RAS, Pushchino

As a result of the processes occurring in the interaction of plants Medicago sativa (alfalfa) and Agrostis tenus (Common Bent) and contaminated with polychlorinated biphenyls (PCBs) alluvial-meadow soils occurs 45-50% reduction in pollutant concentrations. In addition to reducing pollution, there is a change congener composition of PCBs in soil.

Key words: soil, xenobiotic, polychlorinated biphenyls (PCBs), phytoremediation, root exudates, soil reclamation plants

Sergey Sevostyanov, Candidate of Biology, Chief of the Functional Ecology Laboratory. E-mail: Sevost2000@rambler.ru; Danila Aladin, Research Fellow at the Functional Ecology Laboratory. E-mail: aladin-danila@rambler.ru; Nadezhda Deeva, Senior Research Fellow at the Functional Ecology Laboratory. E-mail: ndeeva@rambler.ru; Dmitriy Demin, Candidate of Biology, Senior Research Fellow at the Functional Ecology Laboratory. E-mail: nimedd@yandex.ru