Использование газонных трав для фиторемедиации почв, загрязненных нефтепродуктами

Нефтепродукты (НП) являются одним из основных загрязнителей почвенного покрова. Поступление в почву НП ведет к изменению физических, химических, биологических и микробиологических свойств. Результатом загрязнения почв НП может явиться снижение или полная утрата почвенного плодородия [1].

В рамках долгосрочной целевой программы «Об охране окружающей среды в Омской области (2010–2015)» в городе Омске и Омской области ежегодно проводятся мониторинговые исследования загрязнения почв различными токсикантами промышленного происхождения, в том числе нефтепродуктами. По данным Обь-Иртышского УГМС, в г. Омске концентрации НП в почве составляют 625–3126 мг/кг или 16–78 Ф (Ф – фоновая концентрация, для Омской области 40 мг/кг) [2].

Для решения проблемы восстановления нарушенных экосистем используются различные приемы рекультивации, в том числе фиторемедиация [3].

Цель работы – разработать научно обоснованные приемы фиторемедиации почв, загрязненных НП.

Объекты и методы исследования

Объектами исследования были образцы лугово-черноземной почвы, наиболее часто встречающейся в Омской области; газонные смеси состава, представленного в табл. 1, и нефтепродукты.

Таблица 1

Состав газонных смесей

Засухоустойчивая	Спортивная	Натуральная
Райграс пастбищный – 20% Овсяница красная – 20% Овсяница тростниковая – 60%	Райграс пастбищный – 25% Райграс однолетний – 5% Овсяница тростниковая – 5% Овсяница луговая – 30% Тимофеевка луговая – 20% Фестулоллиум – 15%	Райграс пастбищный – 20% Овсяница луговая – 40% Тимофеевка луговая – 40%

В качестве НП использовалось дизельное топливо (ДТ), соответствующее ГОСТ Р 55475–2013 «Топливо дизельное зимнее и арктическое депарафинированное» [4].

Для решения поставленной задачи было проведено два опыта: лабораторный (модельный) эксперимент и полевой.

1-й опыт. Для проведения модельного эксперимента были подготовлены образцы почв с концентрацией НП 1000; 2000; 5000 и 10000 мг/кг. В качестве контроля использовали чистую почву с начальной концентрацией НП около 40 мг/кг.

Эксперимент проводился в двух направлениях: с посевом травяных газонных смесей; без использования растений.

Посев газонных смесей проводился на 2-е сутки после загрязнения почвы. На 30-е сутки после окончания эксперимента были определены показатели роста и развития, а также концентрация НП в почве.

Для изучения самоочищающей способности почвы без использования растений оценивалась концентрация НП в почве на 10, 20 и 30-е сутки после внесения загрязнителя.

2-й опыт. Для изучения способности к фиторемедиации почв, загрязненных нефтепродуктами, в городских условиях в течение 1 месяца был проведен полевой эксперимент. Для этого в трех точках города Омска (ул. Заозерная, ул. Енисейская, ул. 24-я Северная) вблизи автотрасс с разной интенсивностью движения, на расстоянии 20–25 м от проезжей части, была высажена засухоустойчивая смесь газонных трав . Для оценки содержания НП почвенные образцы отбирались до посева растений и после окончания эксперимента.

Содержание НП в почве определяли методом ИК-спектрометрии [5].

Опыт проводили в трехкратной повторности.

Результаты исследований

При изучении воздействия НП на биометрические показатели и массу растений было выявлено, что все исследуемые показатели снизились при повышении концентрации НП в почве (рис. 1).

Высота проростков изменялась практически одинаково для растений исследуемых газонных смесей. Данный показатель засухоустойчивой газонной смеси при изменении концентрации НП от 40 до 10000 мг/кг снижался на 28,6%, спортивной – на 29%, натуральной – на 33%. Масса проростков (г/сосуд) изменялась неодинаково. Например, для засухоустойчивой смеси этот показатель снижался для того же исследуемого диапазона концентраций НП на 19%, спортивной – на 32%, натуральной – на 35%.

Установлено, что корневая система больше подвержена воздействию НП, чем наземная часть растений. Длина корней при повышении концентрации НП в почве от 40 до 10000 мг/кг снизилась для засухоустойчивой газонной смеси на 48%, спортивной – на 56%, натуральной – на 58%. Масса корней растений (г/сосуд) засухоустойчивой газонной смеси снизилась на 70%, спортивной – на 75%, натуральной – на 86%.

Рис. 1. Влияние нефтепродуктов: а, б – на биометрические показатели; в, г – на массу растений

При изменении концентрации НП в почве от 40 до 2000 мг/кг высота проростков снизилась на 10–11% по сравнению с контролем, масса проростков – на 10–16%, длина корней на 31–35%, масса корней – на 40–43% для всех исследуемых смесей, что говорит о примерно одинаковом воздействии на них концентраций нефтепродуктов этого диапазона.

Нефтепродукты образуют на поверхности раздела твердой и жидкой фаз почвы поверхностную пленку, что ухудшает влагообеспеченность растений. Вероятно, по этой причине наибольшей устойчивостью к воздействию НП с концентрацией их в почве выше 2000 мг/кг обладает засухоустойчивая газонная смесь.

В условиях самоочищения почвы при отсутствии растений основное максимальное снижение содержания НП для образцов с начальными концентрациями 1000–5000 мг/кг произошло в течение первых 10 суток в результате процессов испарения и фотохимического окисления (рис. 2). Содержание НП в образцах с начальной концентрацией 1000 мг/кг на 30-е сутки снизилось на 76%, с концентрацией 2000 мг/кг – на 73%, с концентрацией 5000 мг/кг – на 65%.

При максимальной для данного эксперимента начальной концентрации загрязнителя 10000 мг/кг содержание НП снизилось лишь на 27% за первые 10 суток и продолжало равномерно снижаться, достигнув 41% очищения на 30-е сутки.

В образцах незагрязненных почв, используемых в качестве контроля, количество НП по истечению 30 суток практически не изменилось.

Рис. 2. Изменение концентрации НП в почве в условиях самоочищения

К концу опыта (табл. 2) снижение содержания НП до допустимого уровня загрязнения (< 1000 мг/кг) произошло в образцах почв с исходной концентрацией НП 1000 и 2000 мг/кг. Количество НП в почве с концентрацией 5000 мг/кг достигло среднего уровня загрязнения (от 2000 до 3000 мг/кг), а с концентрацией 10000 мг/кг осталось по-прежнему на очень высоком уровне загрязнения (> 5000 мг/кг) [6].

Эффективность проведения фиторемедиации в условиях модельного эксперимента оценивалась для трех смесей газонных трав во всем диапазоне исследуемых концентраций НП в почве на 30-е сутки с момента посева растений (табл. 2).

Таблица 2

Изменение содержания НП в почве в условиях модельного эксперимента

Вид смеси	Доза внесения нефтепродуктов, мг/кг
	Контроль	1000	2000	5000	10000
Засухоустойчивая	37,23 ± 9	40,2 ± 10	201,2 ± 50	998,5 ± 250	5189,01 ± 1297
Натуральная	39,68 ± 10	75,9 ± 19	246,1 ± 62	1143,5 ± 286	5423,1 ± 1356
Спортивная	37,75 ± 9	64,5 ± 16	228,6 ± 57	1096,5 ± 274	5433 ± 1358
Без растений	40,0 ± 10	239 ± 60	541 ± 135	1749 ± 437	5889 ± 1472

В образцах почвы с исходной концентрацией загрязнителя 1000 мг/кг произошло снижение содержания НП на 92–96%, с концентрацией 2000 мг/кг – на 88–91%, с концентрацией 5000 мг/кг – на 78–82%. В образцах почв с засухоустойчивой газонной смесью это снижение произошло в большей степени.

На всех образцах с концентрацией загрязнения НП 10000 мг/кг растения были сильно угнетены, что привело к тому, что концентрация НП снизилась всего на 46–48%. Использование газонных смесей не способствовало снижению содержания НП до безопасного уровня для данной начальной концентрации, однако позволило ускорить процесс очищения почвы по сравнению с вариантами, на которых растения не выращивались.

В контрольных образцах достоверного снижения содержания НП в слое почвы в течение вегетационного периода не произошло.

Фиторемедиация почвы в лабораторных условиях была более эффективна по сравнению с процессом самоочищения без использования растений. Содержание загрязнителя снизилось в почвенных образцах с начальной концентрацией 1000 мг/кг на 16–20%, с концентрацией 2000 мг/кг – на 15–18%, с концентрацией 5000 мг/кг – на 12–17% и с концентрацией 10000 мг/кг – на 5–7%.

В условиях полевого опыта была использована засухоустойчивая газонная смесь в связи с ее большей устойчивостью по отношению к НП в почве. Было отмечено снижение концентрации НП в почве на всех опытных участках (рис. 3).

Рис. 3. Изменение содержания НП в почве в условиях полевого эксперимента

Эффективность процесса фиторемедиации определялась в процентах по снижению концентрации НП в почве после окончания эксперимента. Содержание НП в почве по ул. Заозерная снизилось на 24%, по ул. Енисейская – на 33%, по ул. 24-я Северная – на 6%.

Разные результаты в модельном и полевом опыте можно объяснить оптимальным температурным режимом и своевременным поливом при проведении модельного эксперимента, а также постоянным антропогенным поступлением в почвы НП в городских условиях.

Выводы

• 1.    Все газонные смеси при низких концентрациях НП в почве (40–2000 мг/кг) обладают примерно одинаковой устойчивостью. Наиболее устойчивой к загрязнению почвы НП концентрацией свыше 2000 мг/кг является засухоустойчивая газонная смесь.

• 2.    В условиях самоочищения концентрация НП в почве за первые 10 суток снижается на 63–72% в образцах с начальными концентрациями НП 5000–1000 мг/кг. В последующие 20 суток наблюдается незначительное снижение концентрации НП. В образцах почвы с начальной концентрацией 10000 мг/кг содержание НП снижается на 41%.

• 3.    Фиторемедиация с использованием гaзонных трав более эффективна по сравнению с самоочищающей способностью почвы без использования растений для концентраций НП

  1000–5000 мг/кг. Мaксимaльное снижение концентрации НП в почве (82–96%) наблюдaется при использовании для фиторемедиации засухоустойчивой гaзонной смеси.

• 4.    В условиях полевого эксперимента содержание НП в городской почве снизилось на 6–33% в течение месяца.