Опыт по исследованию продолжительности влияния нефтяного загрязнения на характеристику биоэлектрического сопротивления березы повислой (Betula pendula Roth.)

Изучение электрического сопротивления (ЭС) (импеданса) древесных растений при действии неблагоприятных факторов, в том числе при нефтешламовом загрязнении, служит одним из адекватных методических подходов к оценке состояния лесных экосистем [2; 3]. Анализ работ, посвященных диагностике заболеваний древесных растений, показал, что наиболее удобным в экспериментальном отношении и объективно отражающим особенности роста и развития древесных растений является прикамбиальный комплекс тканей ствола, анатомо-морфологические свойства которых могут быть оценены косвенно через их электрическое сопротивление [9]. У растений ведущую роль в восприятии многих биотических и абиотических факторов, а также в формировании клеточного ответа – сопротивления – на их воздействие играют плазматические мембраны, в которых возникает комплекс взаимосвязанных структурно-функциональных изменений, в число которых входит реакция мембранного потенциала. Электрический заряд на клеточной мембране является существенным фактором, влияющим на распределение заряженных частиц ионов, регулирующих обменные процессы. Известно, что электрические параметры клеток тесно связаны с функциональными особенностями тканей. Наличие поляризационной емкости является характерным показателем жизнеспособности живых клеток. Способность поляризовать ток и обусловленные этим зависимость электропроводности от частоты, сдвиг фаз, электрическое сопротивление являются характерной особенностью живых нормально функционирующих клеток. Б. Н. Тарусов (1938) предположил, что по электрическим параметрам клеток возможно определять жизнеспособность тканей, поскольку всякое воздействие, приводящее к повреждению или заболеванию, вызывает уменьшение абсолютной величины электрического сопротивления. Этот метод определения жизнеспособности тканей основан на способности живых клеток поляризовать электрический ток. Возникающий под действием тока заряд клеток и тканей изменяет поляризационную емкость, величина которой падает при снижении их жизнеспособности или отмирании. Интенсивность и характер обмена веществ в ткани выражаются в величине сопротивления, так как они обуславливают концентрацию и распределение ионов в тканях [22]. Позднее Ю. П. Каширо с сотрудниками (1988) отмечали, что электрическую модель клетки можно представить, как последовательное соединение активных сопротивлений.

Вообще, изучение физиологического состояния древесных растений в техногенных условиях весьма актуально с использованием современных экспресс-методов. Среди них наиболее перспективными представляются электрофизиологические методы, поскольку они непосредственно регистрируют характеристики клеточных мембран, тесно связанные с общей устойчивостью растений к стрессам [5; 6; 8; 15; 24–29]. К электрофизиологическим инструментальным методам относятся: диагностика по электрическому сопротивлению прикамбиального комплекса тканей [19], диагностика по электрическим потенциалам [11], экспресс-метод [1], термоэкспресс-метод [7]. А. А. Маторкиным (2007) предложен метод экспресс-оценки состояния деревьев по импедансу ПКТ и температуре стволов. Нами изучен, модифицирован и экспериментально применен электрометрический метод по изучению биоэлектрических реакций древесных растений на различные стресс-факторы, в частности, изучение электрического сопротивления в прикамбиальном комплексе тканей березы повислой [12–14].

В настоящее время особое внимание уделяется изучению воздействия нефти на экологическую обстановку в Западной Сибири. Этой проблеме посвящены работы Т. О. Перемитиной, И. Г. Ященко, М. Н. Алексеевой (2014), Д. В. Московченко, А. Г. Бабушкина (2014), И. Е. Скобелевой, Р. Ш. Ва-леева(2018), А. В. Соромотина, Л. В. Бордт (2018) и ряда других авторов.

В данной работе представлены результаты десятилетней экспериментальной работы по изучению изменения уровня электрического сопротивления в прикамбиальном комплексе тканей (ПКТ) березы повислой, произрастающей в условиях нефтешламового загрязнения.

Цель исследования – изучить особенности влияния нефтешламового загрязнения почвогрунтов на продолжительность изменения биоэлектрического сопротивления ПКТ стволов березы повислой.

Материалы и методы

Объект исследования ‒ деревья березы повислой (Betula pendula Roth), произрастающие в бассейне буферных прудов АО «Газпромнефть ‒ ОНПЗ» (г. Омск). Район исследования – центральная лесостепь юга Западной Сибири.

В 2010 г. в начале первой декады мая (1 мая) был заложен опыт на участке размером 10×35 м с внесением нефтешлама в приствольные круги (с дозой 3,70 кг/м2) диаметром 2,0 м в пределах проекции кроны одиночно стоящих модельных деревьев березы экспериментальной группы и группы контроля, произрастающей в естественных условиях (рис. 1).

Рис. 1. Экспериментальная площадка на территории бассейна буферных прудов АО «Газпромнефть ‒ ОНПЗ» (г. Омск)

Измерения проводили мультиметром MY–6, ориентировались на методику Р.Г. Шеверножука (1968). При регистрации электрического сопротивления оценивали распространения сигнала с двух противоположных сторон ствола деревьев березы. Для сравнения по годам использовались данные замеров ЭС ПКТ у деревьев березы в августе, в период начала пожелтения листьев и массового рассеивания семян.

За период исследования проведено 2 050 измерений березы повислой.

Результаты исследований были обработаны стандартными методами вариационной статистики, корреляционного, регрессионного и дисперсионного однофакторного анализов с использованием пакета Statistica 10. Сравнения вариантов опыта проводились по критериям Стьюдента и Фишера.

Результаты и обсуждение

На протяжении всего исследования рассмотрена зависимость между морфологическими признаками (диаметром, высотой ствола) [12] и электрическим сопротивлением (ЭС) в условиях нефтешламового загрязнения [14], сезонное изменение уровня ЭС березы повислой [13], произрастающей в условиях нефтешламового загрязнения.

Полученные экспериментальные данные по исследованию электрического сопротивления при-камбиального комплекса тканей березы повислой за исследуемый период (2010–2019 гг.) показали, что продукты нефтешлама, попадая в почву, в экспериментальных условиях (деревья группы «В») приводят во все годы к изменению электрического сопротивления прикамбиального комплекса тканей (ПКТ) у модельных деревьев березы. Вместе с тем в контрольной группе деревьев березы динамика ЭС ПКТ являлась относительно стабильной и была достоверно существенно ниже по 2016 год, чем у модельных деревьев группы «В» (τ факт >  τ 0.5 ) (рис. 2).

x͞ контрольная группа А                      x͞ экспериментальная группа В

^—среднемесячная температура воздуха, ⁰ С

Рис. 2. Динамика электрического сопротивления в период с 2010 по 2019 гг.

Данное явление мы рассматриваем, как результат подавления уровня обменных процессов, связанных с водообменом и в целом с состоянием корне-листовой связи древесных растений. Можно говорить, что «привнесение на поверхность почвы продуктов техногенеза ведет к накоплению в ней техногенных элементов, изменению рН среды и разрушению почвенно-поглощающего комплекса. Негативное влияние нефтяных поллютантов проявляется не только на почвенных экосистемах месторождения, но и на других элементах окружающей среды» [10].

Следует особо отметить, что в течение трех лет после внесения нефтешлама величина ЭС устойчиво удерживалась на высоком уровне, что позволяет судить о продолжении проявления сильного влияния нефтешламного загрязнения на состояние ПКТ у модельных деревьев березы. Лишь на 4-й год наблюдалось резкое снижение (на 25,55%) величины электрического сопротивления в ПКТ у модельных деревьев березы, в 5-й, 6-й, 7-й годы – на 36,6; 32,97; 40,38% соответственно. На 8-й год после внесения нефтешлама также наблюдаем заметное различие ЭС (на 16,3%) у модельных деревьев экспериментальной группы по сравнению с контрольной группой. На 9-й год тенденция снижения в динамике ЭС ПКТ у модельных деревьев березы в экспериментальной группе сохранилась. Различие между ЭС ПКТ моделей деревьев березы в экспериметальной группе по сравнению с контролем сохраняется на прежнем уровне. В 2019 г. наблюдаем снижение ЭС в экспериментальной группе, в то время как в контрольной оно относительно стабильно. На основании этих данных можно признать, что существенно отрицательное влияние нефтешлама на жизнедеятельность березы повислой проявляется в течение семи лет. Это свидетельствует, что за этот период произошли процессы восстановления плодородия почвы и детоксикация отрицательно действующих ингредиентов разложения нефтешламов в почве.

Связь ЭС ПКТ у модельных деревьев как контрольной, так и экспериментальной групп с термическим режимом воздушной среды оказалась положительной и слабой (r x,y = 0,36).

При проведении полевых электрометрических исследований древесных растений необходимо учитывать физиологические особенности растений и техногенные условия их произрастания, а также наличие изменчивости величины импеданса древесных пород [4; 23]. Поскольку биоэлектрическое сопротивление отражает важную роль в жизнедеятельности растительных клеток древесных растений, то его эффективно использовать в качестве биофизического показателя для оценки состояния древесных растений и биоиндикации нефтяного загрязнения почвенного покрова.

Таким образом, по результатам многолетних исследований можно отметить, что продолжительность существенного отрицательного влияния нефтешлама на ЭС ПКТ деревьев березы в условиях лесостепной зоны Западной Сибири проявляется в течение шести лет, на седьмой год эти различия являются недостоверными, и уже на девятый год эти различия исчезают, стираются.