Подбор растений для фиторемедиации почв, загрязненных нефтяными углеводородами

В настоящее время среди веществ-загрязнителей нефтяные углеводороды признаны приоритетными поллютантами окружающей среды. Несмотря на предупредительные меры, при добыче, транспортировке и при аварийных разливах происходит загрязнение довольно больших площадей земли. Для решения проблемы восстановления нарушенных экосистем разрабатываются различные приемы рекультивации, включающие механические, физико-химические и биологические способы очистки почвы. Среди перечисленного наибольшую актуальность приобретают методы, основанные на использовании объединенного метаболического потенциала микроорганизмов и растений [1]. Фиторемедиация включает весь спектр метаболических процессов по поглощению, аккумуляции и разложению органических и неорганических загрязнителей. Соответственно, при отработке технологии фиторемедиации почв от нефтепродуктов основное внимание уделяется отбору растений, спосо бных трансформ ировать совместно с симбиотическими микроорганизмами токсичную часть загрязнений, переводя их в менее подвижную и активную форму.

Целью нашего исследования по разработке приемов фиторемедиации являлся подбор растений, которые эффективно могли бы использоваться для восстановления загрязненных почв, также проводились исследования по устойчивости потенциальных фиторемедиантов к воздействию нефти.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ

В работе представлены данные по изучению видов растений-однолетников ( Tagetes erecta ), двулетников ( Archangelica officinalis ) и многолетников ( Bromopsis inermis ) в условиях нефтяного стресса.

Исследования проводились на образцах серой лесной почвы (гумус 4,54 %, pH водный – 6,1; N общ. – 2507мг/кг), искусственно загрязненной нефтью в концентрациях 1, 3 и 6% масс. В качестве контроля использовали растения, произрастающие на незагрязненной почве. Учет численности ризосферных микроорганизмов проводили через 30 и 60 сут с момента загрязнения по общепринятой методике посева почвенной суспензии на соответствующие агаризованные питательные среды [2]. Влияние нефтяного загрязнения на растения оценивали по содержанию пигментов в листьях [3]. Спектральные характеристики экстрактов пигментов регистрировали на спектрофотометре UV 2401 Shimadzu. Каталазная активность почвы определялась газометрическим, а дегидрогеназная активность – спектрофотометрическим методом [4]. Статистическую обработку проводили с помощью пакета компьютерных программ Statistica V 6.0.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Очевидно, что поиск растений, толерантных к действию нефти, особенно с высоким содержанием серы, целесообразно проводить среди видов, корневая система которых устойчива к подтоплению. В связи с этим было проведено исследование влияния нефти на мезофильное растение дягиль лекарственный ( Archangelica officinalis L.), широко встречающееся в северных и средних районах европейской части России. Этот представитель семейства зонтичных ( Umbelliferae ) адаптирован к усвоению аммонийного азота [5], легко переносит подтопление и неблагоприятное влияние закисных соединений железа и марганца [6], также была отмечена устойчивость его корневой системы к воздействию поллютантов [7].

Также проводилась оценка влияния нефтяного загрязнения на устойчивость бархатцев прямостоячих (Tagetes erecta L.). Интерес к этому растению обусловлен его способностью к произрастанию в антропогенно-загрязненных условиях городской среды. Бархатцы активно используют для озеленения городов практически во всех географических зонах России. Помимо этого было доказана толерантность бархатцев к загрязнению тяжелыми металлами и способность к их аккумуляции [8].

Представителем многолетних растений в качестве фиторемедиантов был выбран кострец безостый (Bromopsis inermis Holub.) – корневищный верховой злак, характеризующийся мощной корневой системой. Отличается засухоустойчивостью, однако может выдерживать и затопление. Холодостоек. Полного развития достигает на 2-3-й год жизни. Весной трогается в рост рано, хорошо отрастает после скашивания и стравливания.

Одним из важных эколого-физиологических параметров оценки влияния нефтяного загрязнения на рост и развитие растений являются изменения в фотосинтетическом аппарате, в частности, содержание хлорофилла в листьях. Сравнение спектральных характеристик листьев всех исследованных видов растений, полученных из усредненных образцов, показало, что различия между интактными и экспериментальными растениями проявились на 30 сут эксперимента (рис. 1), причем в первую очередь изменились коротковолновые характеристики пигментов, в области 410-450 нм.

Рис. 1. Изменения содержания хлорофилла а и б в листьях Archangelica officinalis на 3, 30 и 60 сут после внесения нефти

Как известно, хлорофилл, находящийся в фотосинтетических мембранах, служит своего рода детектором состояния клеток растений. Спустя 3 сут после начала эксперимента различия в содержании хлорофилла а и б в листьях дягиля практически не выражены. При внесении нефти в концентрации 1% отмечалось резкое увеличение содержания хлорофилла a в листьях растения. На наш взгляд стимулирующее влияние нефти в низких дозах на биосинтез хлорофилла вызвано непосредственным действием гидрофобной нефтяной пленки, выполнившей функции антитранспиранта, и воздействием серы, содержащейся в нефти. Через 60 сут культивирования растений на нефтезагрязненной почве максимальное содержание хлорофиллов, как и спустя 30 сут, было отмечено при воздействии нефти в концентрации 3%, в первую очередь это коснулось хлорофилла б, более устойчивого к дей- ствию стрессоров. Аналогичные данные были получены для образцов бархатцев и костреца.

Таким образом, максимальное содержание хлорофилла отмечено в варианте с внесением нефти в концентрации до 3% во все сроки экспериментов. Внесение нефти в дозах более 3-6% вызывало менее выраженную стимуляцию биосинтеза хлорофилла.

В результате проведенных исследований были получены данные по изменению активности окислительно-восстановительных ферментов в нефтезагрязненной почве при фиторемедиации на примере каталазы. На рис. 2 приведены данные по изменению активности каталазы в ходе эксперимента.

□ контроль □ 1%-ое загрязнение о 3%-ое загрязнение □ 6%-ое загрязнение

Рис. 2. Изменение активности каталазы в нефтезагрязненной почве под посевами растений-фиторемедиантов

Наибольшая активность каталазы под растениями дягиля отмечена при загрязнении почв в концентрации 1% через 30 сут с начала эксперимента, что, вероятно, связано с повышением уровня окислительно-восстановительных реакций биодеградации нефтяных углеводородов, идущих при непосредственном участии данного фермента [9]. В остальных вариантах опыта наблюдалось ингибирование активности фермента. Спустя 60 сут этот показатель возрастал, однако следует отметить, что рост активности фермента происходил и в почве контрольного варианта.

Наибольшая активность фермента под посевами костреца безостого отмечена при загрязнении почв в концентрации 1 и 3 %. При более высоких концентрациях загрязнителя наблюдалось незначительное ингибирование каталазной активности под посевами фитомелиорантов.

Загрязнение почвы нефтью приводило к значительному снижению активности каталазы под посевами бархатцев пропорционально концентрации поллютанта на протяжении всего периода исследования. Однако через 60 сут негативное влияние начало снижаться, и значение показателя возросло для проб с концентрацией нефти 1 и 6%. Это может быть связано со снижением концентрации остаточных нефтепродуктов, которые ингибируют активность фермента.

Особый интерес среди биологических показателей представляет численность углеводородокисляющих микроорганизмов (У ОМ) ризосферы растений. Принцип фиторемедиации состоит в том, что разложение загрязняющих углеводородов производится не самим растением, а микроорганизмами, обитающими в непосредственной близости к его корням, т.е. в ризосфере. Растения влияют на численность, разнообразие и активность микроорганизмов за счет биологически активных корневых выделений [10, 11]. В ризосфере часто активно развиваются микроорганизмы, обладающие ферментами, необходимыми для деструкции поллютантов.

Анализ результатов исследований в лабораторных условиях показал, что посев фитомелиорантов в нефтезагрязненную почву способствовал увеличению численности УОМ. Например, через 60 сут эта величина составляла 74*, 141*, 170*103 КОЕ/г почвы для 1, 3 и 6% загрязнения соответственно, что в 4 раза превышало значения показателей, полученных при анализе ризосферы растений, отобранных спустя 30 сут с момента загрязнения.

Также было показано, численность УОМ в ризосфере всех рассматриваемых растений была значительно выше, чем в почве, свободной от корней, что может служить доказательством интенсификации растениями протекания микробиологических процессов и их непосредственное влияние на разложение нефтяных углеводородов (рис. 3).

В целом, на протяжении всего периода исследований, численность УОМ под растениями костреца и дягиля была выше, чем под бархатцами.

Рис. 3. Динамика численности УОМ на примере Tagetes erecta , произрастающих на нефтезагрязненной почве

Нами была предложена новая математическая модель, описывающая поведение УОМ и процессов деградации углеводородов. Была рассмотрена точечная модель с учетом таких параметров, как плотности питательных веществ, выделяемых растениями в ризосфере и разложение за счет поглощения прикорневой системой. Модель хорошо описывала динамику разложения нефти в течение 180 сут эксперимента, где за начальную точку принято время появления всходов растения (рис. 4), а также адекватно описывала динамику изменения численности микроорганизмов в природнотехнической системе почвы и процессы биодеградации нефти.

контроль 1%-ое загрязнение 3%-ое загрязнение 6%-ое загрязнение

Рис. 4. Динамика изменения численности УОМ и биодеградации нефти в ризосфере растений при 5%

Время, сут

загрязнении

Главным показателем с точки зрения очистки загрязненной почвы, является содержание остаточных нефтепродуктов под посевами растений.

Выращивание фитомелиорантов на почвах, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, способствовало интенсификации процессов снижения содержания остаточных углеводородов (рис. 5).

Отмечено, что между периодами отбора проб под посевом костреца и бархатцев скорость разложения нефтяных углеводородов составила 23% для почв, загрязненных нефть в концентрации 6%, а под посевами дягиля - 10%.

Максимальное снижение остаточных углеводородов происходило примерно под посевам костреца при минимальном загрязнении.

При среднем уровне загрязнения разница между фиторемедиантами не отмечалась, при максимальном содержании поллютанта в почве наибольшей эффективностью характеризовались бархатцы прямостоячие.

Начальная концентрация нефти, %

Ё бархатцы □ кострец □ дягиль

Рис. 5. Степень деградации нефтяных углеводородов в почве под посевами растений-фиторемедиантов.

Таким образом, фотосинтетический аппарат рассмотренных растений проявили устойчивость к воздействию нефтяных углеводородов. Под посевами фиторемедиантов уменьшалось содержание остаточной нефти, увеличивалась численность УОМ, восстанавливалась ферментативная активность почвы. Полученные данные свидетельствуют о том, что все растения могут применяться для восстановления нефтезагрязненной почвы, однако кострец безостый и бархатцы прямостоячие являются более перспективными растениями для проведения фиторемедиации.