Влияние загрязнения почвы нефтепродуктами на рост Secalecereale L. и перспективы ее использования при фиторемедиации

В последнее время было проведено множество исследований, направленных на изучение реакции растений на загрязнение почвы нефтью и нефтепродуктами (НП) как в природных условиях на территориях нефтяных разливов, так и в лабораторных условиях с использованием различных тест-растений. Показано как положительное, так и отрицательное влияние нефти и НП на растения, зависящее от концентрации и типа нефтепродуктов, продолжительности и условий воздействия, вида растений, почвенно-климатических условий и др.

Обнаружено, что невысокие концентрации нефти и НП в почве (по разным данным, до 5 %) не оказывают достоверного влияния или даже стимулируют рост растений, увеличивая такие показатели, как всхожесть, биомассу, длину надземной и подземной части, ассимиляционную поверхность, содержание хлорофилла в листьях [1–3]. При увеличении содержания нефти в почве начинает оказываться ингибирующее влияние НП – снижение скорости прорастания семян и их количества, торможение роста растения и смещение фаз развития [4–7].

Различные растения в одинаковых условиях по-разному реагируют на действие одних и тех же нефтепродуктов. В результате многочисленных исследований удалось установить наиболее устойчивые к нефтяному загрязнению виды растений, которые впоследствии можно использовать на этапе фиторемедиации загрязненных почв. Среди таких растений встречаются как дикорастущие, так и окультуренные виды – кукуруза, подсолнечник, зеленые бобы, соя, рожь многолетняя, овсяница луговая, волоснец песчаный, двукисточник тростниковидный, кострец безостый, бодяк щетинистый [2; 7–11].

По результатам полевых исследований, проведенных на территории Мурманской области сотрудниками Института проблем промышленной экологии Севера КНЦ РАН, выявлено, что рожь многолетняя проявляла устойчивость к загрязнению почвы нефтепродуктами.

Цель данной работы – оценить способность ржи к росту на почвах, загрязненных светлыми и темными продуктами переработки нефти, а также перспективы ее использования для фиторемедиации загрязненной почвы в условиях Кольского Севера.

Для этого был заложен полевой модельный эксперимент с разной степенью загрязнения почвы светлыми и темными НП. Район проведения работ находился в Мурманской области, в 2-х км южнее г. Апатиты (67°32′55.84″, N 33°22′2.53″E, 120 м над ур. моря) на территории Полярной опытной станции ГНУ ВНИИР им. Н. И. Вавилова. По физико-географическим характеристикам район находится в пределах северной тайги. Почва на участке проведения полевого опыта – агрозём Al-Fe-гумусовый на песчаных озерно-ледниковых отложениях. Пахотный горизонт 0–20 см. Почва характеризуется слабокислой или нейтральной реакцией среды (рНвод – 6,3–6,6), содержание С – 3,38 %, N – 0,3 %, Ca – 2,26 мг-экв/100 г, Mg – 0,41 мг-экв/100 г.

Материалы и методы

В качестве загрязняющего вещества использовали дизельное топливо (ДТ) марки Л-0,2-62 в количестве 1,4, 2,8 и 14 л/м ² и мазут топочный марки М-100 в количестве 1,3, 2,6 и 7,5 л/м ² . После внесения НП почву не перемешивали. Площадь каждого варианта 1 м ² .

Через год после загрязнения для определения степени фитотоксичности почвы и возможности проведения этапа фиторемедиации на опытные участки была посеяна рожь многолетняя (Secale cereale L.) сорта Хибины-2 (норма посева – 26 г/м ² ). Перед посевом в почву внесли азотно-фосфорно-калийное удобрение "Азофоска" (Нитроаммофоска) марки NPK (МОР) с содержанием действующих веществ – N – 16 %, P ₂ O ₅ – 16 %, K ₂ O – 16 % в количестве 60 г/м ² .

Через 3 месяца после посева в конце вегетационного периода провели учет фитомассы и высоты надземной части растений, количества и массы колосьев. Определение массовой доли НП в почве проводили согласно ПНД Ф 16.1:2.2.22-98 методом ИК-спектрометрии с использованием анализатора АН-2 [12]. Влажность почвы определяли общепринятым методом, высушивая навеску почвы при 105 °С до постоянного веса. Определение актуальной кислотности почвы проводили потенциометрическим методом на рН-метре с комбинированным электродом.

Результаты

К моменту посева семян наиболее токсичные летучие компоненты нефтепродуктов испарились, а валовое содержание углеводородов в слое почвы 0–10 см снизилось. В таблице представлены данные по содержанию НП в слое почвы 0–10 см через сутки после загрязнения и через 1 год.

Таблица

Содержание НП в слое почвы 0–10 см

Внесено в почву НП, л/м 2	ДТ 1,4	ДТ 2,8	ДТ 14	Мазут 1,3	Мазут 2,6	Мазут 7,5
Содержание НП через 1 сут, г/кг	5,61 ± 0,43	17,79 ± 0,30	23,59 ± 0,56	3,47 ± 0,13	4,80 ± 0,12	25,30 ± 0,97
Содержание НП через 1 год, г/кг	0,55 ± 0,03	3,24 ± 0,17	5,28 ± 0,25	1,66 ± 0,09	2,58 ± 0,13	13,49 ± 0,67

Полученные данные показали, что перед посевом ржи в вариантах с низкой и средней дозой загрязнения ДТ и низкой дозой загрязнения мазутом процессы самоочищения привели к снижению содержания НП ниже значений ОДК – 4 г/кг для светлых НП и 2 г/кг для темных НП [13]. В вариантах с более высокой исходной степенью загрязнения содержание НП превышало ОДК. Влажность почвы в начале вегетационного периода на разных участках составляла от 29 до 36 %, что близко к значениям влажности незагрязненной почвы. Актуальная кислотность почвы – 6,1–6,2 ед. рН.

В результате учета, проведенного в конце вегетационного периода, установлено следующее. Достоверное снижение высоты растений от 10 до 48 % наблюдали на участках с исходно высокой степенью загрязнения мазутом и ДТ. В то же время на участке с низким уровнем загрязнения мазутом отмечали увеличение высоты растений ржи многолетней на 17 % (рис. 1, а). Наименьшее значение фитомассы надземной части растений также характерно для участков с высокой степенью загрязнения. Так, при высоком уровне загрязнения ДТ фитомасса не превышала 3 % от контрольного значения, при высоком уровне загрязнения мазутом – 38 %. Более низкое содержание нефтепродуктов привело к увеличению фитомассы. В большей степени это проявилось при загрязнении почвы мазутом, где значение фитомассы увеличилось в 1,5–2,7 раза (рис. 1, б).

Рис. 1. Средняя высота (а) и фитомасса (б) надземной части растений ржи многолетней в конце вегетационного периода: 1 – контроль; 2 – ДТ 1,4 л/м ² ; 3 – ДТ 2,8 л/м ² ; 4 – ДТ 14 л/м ² ;

5 – мазут 1,3 л/м ² ; 6 – мазут 2,6 л/м ² ; 7 – мазут 7,5 л/м ²

Негативное воздействие на растения ржи высоких концентраций нефтепродуктов подтвердили данные по числу колосьев и массе одного колоса. При максимальной для данного опыта степени загрязнения ДТ количество колосьев не превышало 12 % от контрольного значения, а средняя масса колоса составляла 0,1 г, что в 5 раз ниже контрольных показателей. При высокой степени загрязнения мазутом количество колосьев составляло 3 % от контроля, а масса одного колоса – не более 0,2 г. В то же время, как и в случае с высотой и фитомассой растений, низкие концентрации нефтепродуктов, особенно мазута, привели к увеличению числа и массы колосьев (рис. 2).

Рис. 2. Количество колосьев (а) и средняя масса одного колоса (б) растений ржи многолетней в конце вегетационного периода: 1 – контроль; 2 – ДТ 1,4 л/м ² ; 3 – ДТ 2,8 л/м ² ; 4 – ДТ 14 л/м ² ; 5 – мазут 1,3 л/м ² ; 6 – мазут 2,6 л/м ² ; 7 – мазут 7,5 л/м ²

Таким образом, было установлено, что почва, содержащая более 5 г/кг ДТ и 13 г/кг мазута и продуктов их трансформации, оказала отрицательное влияние на исследуемые параметры роста растений. Так, при данных концентрациях ДТ произошло уменьшение высоты растений относительно контроля на незагрязненном участке в 2 раза, фитомасса снизилась в 30 раз, количество колосьев – в 8,5 раз, средняя масса одного колоса – в 5 раз. Мазут обладает менее выраженными фитотоксичными свойствами, что привело к меньшему снижению показателей роста растений. Высота растений уменьшилась на 10 %, фитомасса снизилась в 2,5 раза, количество колосьев – в 20 раз, средняя масса колоса – в 2,5 раза.

В то же время низкие содержания НП и продуктов их трансформации в почве оказали стимулирующее влияние на рост растений, что может быть связано с усилением биологической активности углеводородокисляющих микроорганизмов и стимулированием метаболических процессов в ризосферной зоне [14]. В большей степени это характерно для участков, загрязненных мазутом при концентрации менее 3 г/кг, где высота растений увеличилась на 10–17 %, фитомасса 1,5–2,7 раза, количество колосьев – в 1,4–2,4 раза, масса одного колоса – на 17–30 %.

За 3 месяца вегетационного периода содержание НП в слое почвы 0–10 см достоверно снизилось на участках с низким и средним исходным уровнем загрязнения ДТ. При более высоком уровне загрязнения ДТ, как и при загрязнении мазутом, проведение этапа фиторемедиации не повлияло на содержание НП в почве (рис. 3).

Рис. 3. Остаточное содержание нефтяных углеводородов в почве после проведения фиторемедиации: 1 – ДТ 1,4 л/м ² ; 2 – ДТ 2,8 л/м ² ; 3 – ДТ 14 л/м ² ; 4 – мазут 1,3 л/м ² ; 5 – мазут 2,6 л/м ² ; 6 – мазут 7,5 л/м ²

В конце вегетационного периода актуальная кислотность почвенной вытяжки достоверно не изменилась. Влажность почвы снизилась во всех вариантах, в том числе и в незагрязненной почве, и составляла от 18 до 28 %, что вызвано малым количеством осадков и относительно высокой температурой в летний период 2013 г.

Заключение

В результате проведенного исследования установлено, что почва, содержащая в слое 0–10 см более 5 г/кг светлых нефтепродуктов (ДТ) и более 13 г/кг темных нефтепродуктов (мазут), а также продуктов их трансформации, оказывает сильное токсичное действие на растения ржи многолетней, поэтому приемы фиторемедиации с использованием данного вида растений целесообразно проводить при остаточных уровнях загрязнения, не выше указанных. В то же время наличие в почве углеводородов мазута и продуктов их трансформации в количестве менее 3 г/кг привело к стимулированию роста растений.

В результате проведения фиторемедиации содержание углеводородов в почве, загрязненной ДТ в количестве 1,4 и 2,8 л/м ² , снизилось на 75 % и 35 % соответственно. При загрязнении почвы мазутом приемы фиторемедиации с использованием ржи многолетней позволили снизить содержание углеводородов на 25 %.

Таким образом, показана возможность использования ржи многолетней при фиторемедиации почв, загрязненных нефтепродуктами, в условия северо-запада Европейской части России. Изучение состояния растений ржи в течение второго и последующих вегетационных периодов в ходе этапа фиторемедиации, а также возможность включения ее в ассоциации с другими видами устойчивых растений требует проведения дальнейших исследований.