Russian Federation
Russian Federation
The article highlights the problem of saline soils of the Astrakhan region which are contaminated with heavy metals due to oil spills. It has been found that the most promising plants in phytotesting and soil restoration are halophyte communities: Asteraceae, Poaceae, Chenopodiaceae, Fabaceae, Cyperaceae, Ranunculaceae, Brassicaceae, Lamiaceae, Apiaceae, Caryophyllaceae, Polygonaceae, Scrophulariaceae, Liliaceae, Rosaceae, Rubiaceae. Most of the families are typical for the flora of the Astrakhan region. The largest number of halophyte species is found in the Asteraceae family (15.10%). Halophytes are widespread in the Astrakhan region. Species of wormwood (Artemisia L.) are found on the soils with varying salinity. This fact allows to use them in environmental monitoring and to assess the content of heavy metals in saline soils. Accumulation of chromium, iron, copper, cadmium and zinc in the organs of Artemisia species in the Astrakhan region is considered. It has been stated that Artemisia is very important as a group of heavy metal accumulator plants. Artemisia species can be used in phytoremediation of contaminated saline soils, where these metals come with oil products. Besides, the wide distribution, resistance to high temperatures, and high xerophilicity make it possible to consider Artemisia species as objects for biomonitoring for assessing the degree of soil contamination with heavy metals with varying degrees of salinity. Artemisia species are widely represented in the Astrakhan region. A secondary effect of using some types of halophytes is their direct participation in combatting land desertification.
phytotesting, phytotests, phytoremediation, heavy metals, halophytes
Введение
В настоящее время технологии добычи и транспортировки углеводородного сырья на нефтегазовых предприятиях постоянно совершенствуются, но загрязнение природной среды нефтепродуктами и содержащимися в них солями тяжелых металлов все еще остается открытым экологическим вопросом во многих нефтедобывающих странах.
В отличие от углеводородов, тяжелые металлы в составе добываемой смеси не подвергаются процессам разложения, а лишь перераспределяются между отдельными компонентами окружающей природной среды [1].
Тяжелые металлы нефтяного происхождения попадают в окружающую среду в процессе добычи, транспортировки и переработки нефти.
Основными факторами отрицательного воздействия нефтяного загрязнения на биологические объекты является интегральное токсическое действие углеводородов, солей тяжелых металлов на физико-химические свойства почвы. Кроме того, в загрязненных почвах уменьшается доступность для растений питательных элементов, что сказывается на всхожести и развитии растений [2].
Наряду с методами по очистке и оценке почв важнейшим направлением является разработка и применение способов обнаружения загрязнения природных объектов тяжелыми металлами, качественной и количественной оценки степени загрязнения с применением фитотестов.
С этой целью, наряду с химическим анализом загрязнителей, широко используются методы фитотестирования [3]. В данном методе выделяют два способа:
– определение токсичности почв путем проращивания семян высших растений непосредственно в почве;
– определение токсичности водных вытяжек из почв по их влиянию на различные показатели прорастания семян высших растений.
Во многих научных работах исследователями было показано, что результаты фитотестирования, полученные первым и вторым из вышеописанных способов, существенно различаются [3].
Кроме того, исследователи склоняются к использованию при биотестировании одновременно нескольких видов фитотестов разных семейств [3].
Одним из важных признаков растений, подходящих для фитотестирования и фиторемедиации загрязненных почв, является их солеустойчивость, или галофитные свойства. Растения, обладающие такими признаками, имеют важное практическое значение, поскольку галофиты представляют узкоспециализированную экологическую группу, указывают на взаимосвязь между природой растений и окружающей среды [4].
Все галофиты, обитающие в условиях засоленной почвы, должны быть адаптированы к лимитирующим условиям внешней среды, прежде всего
к недостатку влаги в связи с осмотическим и токсическим действиями солей на организм и климатом среды обитания [4].
Можно выделить 15 ведущих семейств во флоре галофитов России по содержанию наибольшего количества галофитных видов в своем составе.
Спектр ведущих семейств, содержащих наибольшее количество видов галофитных растений, образуют Asterаceae, Poaceae, Chenopodiaceae, Fabaceae, Cyperaceae, Ranunculaceae, Brassicaceae, Lamiaceae, Apiaceae, Caryophyllaceae, Polygonaceae, Scrophulariaceae, Liliaceae, Rosaceae, Rubiaceae. Они охватывают более половины всех видов флоры галофитов России [4]. Большинство данных семейств являются типичными для флоры Астраханской области.
Наибольшее число галофитов содержится в семействе Asteraceae, составляющем 15,10 % по сравнению с другими семействами растений. Asteraceae широко распространены и на территории Астраханской области.
Семейство Asterаceae объединяет растительные сообщества, произрастающие на территориях от слабо- до сильнозасоленных почв со средними условиями увлажнения. [2]. Особенный интерес представляет применение аборигенных галофитных сообществ в фитотестировании и фиторемедиации почв.
В этой связи возникает необходимость изучения комплексного воздействия микроэлементов на органы растений, произрастающих на засоленных типах почв. Это нужно для выявления новых фитотестов, которые в дальнейшем будут использованы в фитотестировании и фиторемедиации загрязненных почв.
Виды рода полынь (Artemisia L.) встречаются на почвах с различной засоленностью. Например, полынь солянковидная (Artemisia sect. salsoloides T. G. Leonova) произрастает на солончаках (рис.), что позволяет использовать ее в экологическом мониторинге для оценки содержания тяжелых металлов в почве.
Точки отбора проб рода Artemisia: 1 – восточный склон г. Большое Богдо;
2 – юго-восточный склон г. Большое Богдо; 3 – южный склон г. Большое Богдо
Sampling points of Artemisia species: 1 – eastern slope of Mt. Bolshoe Bogdo;
2 – southeastern slope of Mt. Bolshoe Bogdo; 3 – southern slope of Mt. Bolshoe Bogdo
Виды рода Artemisia широко представлены на территории Астраханской области. Данное обстоятельство позволяет использовать эти виды без интродукции их в новое место обитания. В то же время галофитные ценозы являются индикаторами почвенного, химического состава и глубины залегания грунтовых вод. Изучение механизмов и последствий влияния тяжелых металлов на растительность и транслокацию в них микроэлементов важно не только для экосистем, но и для человека, т. к. некоторые виды полыни являются лекарственными.
Выявление видов растений, адекватно отражающих уровень загрязнения среды и особенности аккумуляции ими тяжелых металлов, представляет большой практический интерес.
В связи с вышеизложенным целью данной работы являлось изучение миграции и накопления тяжелых металлов в органах растений рода Artemisia, произрастающих на засоленных почвах Астраханской области
Материалы и методы
Сбор представителей рода полыни (Artemisia) проводили согласно требованиям по заготовке: в сухую солнечную погоду, срезая секатором на расстоянии 30–40 см от верхушки растения [2].
Анализ образцов растительного сырья Artemisia на содержание тяжелых металлов проводили на атомно-абсорбционном спектрометре С-115-М1. Каждое определение проводили троекратно. Данные, полученные в ходе исследований, статистически обрабатывали в программе Microsoft Excel.
Для проведения исследования были собраны 3 вида полыни представителей 3 секций [5, 6]:
1. Секция Campestris Korobkov: Artemisia marshalliana Spreng.
2. Секция Seriphidium Bess.: Artemisia semiarida (Krasch. & Lavrenko) Filatova.
3. Секция Absinthium (Lam.) DC: Artemisia austriaca Jacq. (см. рис.).
Засоление почвы определялось согласно классификации Н. И. Базилевич и Е. Н. Панковой [7].
Отбор проб почвы проводился по ГОСТ 17.4.4.02-84.
Результаты исследования
Из полученных результатов установлено, что листья A. marshalliana (секция Campestris Korobkov) и A. austriaca (секция Absinthium (Lam.) DC) обладают более высокой способностью аккумулировать тяжелые металлы из почвы, чем стебли. Это позволяет предположить, что существуют механизмы извлечения и накопления микроэлементов независимо от надвидовых отличий.
A. semiarida накапливает большее количество исследуемых микроэлементов в своих стеблях, чем в листьях. В данном случае отмечено внутривидовое отличие внутри секции Seriphidium Bess.
Для A. semiarida выявлена самая высокая аккумуляция железа, меди, цинка, кадмия среди изучаемых видов рода Artemisia. Полынь полусухая представляет интерес как растение-аккумулятор тяжелых металлов и может применяться в экологическом мониторинге, а также при фиторемедиации загрязненных засоленных почв. Высокие показатели железа, цинка, меди, кадмия в исследуемых органах представителей рода Artemisia связаны с химическими свойствами данных металлов. Амфотерные и ярко выраженные восстановительные свойства металлов позволяют им участвовать в кислотно-основных взаимодействиях в зависимости от свойств растворителя. Это позволяет таким микроэлементам, как железо, цинк, медь и кадмий, больше аккумулироваться из почв разного типа засоления в растения, по сравнению с другими микроэлементами.
Заключение
Расширение данных об устойчивости фитотестов к накоплению микроэлементов на засоленных почвах позволит внедрить новые методы в практику почвенно-экологического мониторинга, мероприятия по обеспечению экологической безопасности и оценки наличия тяжелых металлов в почвах и растениях, а также служить основой для прогнозирования и регулирования качества почв.
Выявлено, что характерной чертой растений рода Artemisia является их способность накапливать тяжелые металлы в больших количествах в своих органах.
Выявлено, что два вида – A. austriaca и A. marshalliana – накапливают больше микроэлементов в листьях, чем в стеблях, в то время как у Artemisia semiarida основное депо тяжелых металлов находится в стеблях.
Наиболее высокие значения исследуемых тяжелых металлов среди всех изученных видов полыни отмечены у Artemisia semiarida. Гипераккумулирование у этого вида происходит в стебле. Однако при разработке методов фиторемедиации и определения степени загрязнения почв растениями наибольший интерес представляют не только стебли, но листья.
Таким образом, растения рода Artemisia представляют большой интерес как растения-аккумуляторы тяжелых металлов и могут применяться при фиторемедиации загрязненных засоленных почв в результате нефтяных разливов. Кроме того, широкое распространение, устойчивость
к высоким температурам, высокая ксерофильность позволяют рассматривать виды рода Artemisia как объекты для биомониторинга с целью оценки степени загрязнения почв тяжелыми металлами с различной степенью засоления.
Следует отметить, что основные тенденции дальнейшего развития фитотестирования в основном подразумевают расширение круга тестируемых растений. С использованием биотестов на основе растений исследуют широкий круг различных токсикантов и их сочетаний для оценки их комбинированного действия.
Одним из важных преимуществ применения галофитов в оценке степени загрязнения почв тяжелыми металлами нефтяного происхождения является то, что данные виды возможно использовать в мероприятиях по борьбе с опустыниванием.
Для закрепления песков эффективны растения рода Джузгун (Calligonum), Терескен (Krascheninnikovia), а также такой вид, как полынь песчаная (Artemisia arenaria). Наиболее простым и экономным способом восстановления деградированных пастбищ и улучшения их видового состава является фитомелиорация, основанная на способности естественной растительности к демутации – к самообсеменению.
Поиск видов, которые обладают свойствами фитотестов – фиторемедиантов и фитомелиорантов, – на современном этапе развития экологии и создания экологической безопасности является одним из перспективных методов в оценке и восстановлении окружающей среды.
1. Alekseev Yu. V. Tyazhelye metally v agrolandshafte. SPb.: Izd-vo AFI, 2008. 215 s.
2. Avdoschenko V. G., Klimova A. V. Nakoplenie tyazhelyh metallov vegetativnymi organami polyni Artemisia vulgaris kamtschatica v usloviyah gorodskoy sredy Petropavlovsk-Kamchatskogo // Sohranenie bio-raznoobraziya Kamchatki i prilegayuschih morey: materialy HXI Mezhdunar. nauch. konf., posvyasch. 75-letiyu so dnya rozhdeniya odnogo iz organizatorov sovrem. gidrobiolog. nauki na Kamchatke, d-ra biol. nauk V. V. Oshurkova. Petropavlovsk-Kamchatskiy: Kamchatpress, 2020. 348 s.
3. Arzamazova A. V., Kinzhaev R. R., Trofimov S. Ya. Opyt primeneniya yarovoy pshenicy (Triticum aestivum l.) v celyah fitotestirovaniya neftezagryaznennyh pochv // Problemy agrohimii i ekologii. 2016. № 2. S. 47-51.
4. Golub V. B. Klass Asteretea tripolii na territorii SNG i Mongolii // Byull. Moskovskogo o-va ispytateley prirody. Otdel biologicheskiy. 1993. T. 98. Vyp. 1. S. 119-129.
5. Bazilevich N. I., Pankova E. I. Metodicheskie ukazaniya po uchetu zasolennyh pochv (proekt). M.: Giprovodhoz, 1968. 92 s.
6. Bazilevich N. I., Pankova E. I. Opyt klassifikacii pochv po zasoleniyu // Pochvovedenie. 1968. № 11. S. 3-16.
7. Bazilevich N. I., Pankova E. I. Opyt klassifikacii pochv po soderzhaniyu toksichnyh soley i ionov // Byull. Pochv. in-ta im. V. V. Dokuchaeva. 1972. Vyp. 5. S. 36-41.
