Россия
Россия
Россия
Исследуются реакции бархатцев прямостоячих (Tagetes erecta) в условиях нефтяного загрязнения почвы, приводятся результаты по показателям всхожести, длины побега, длины корня, гибели проростков и морфологическим изменениям. Представлены результаты исследований с использованием модельных загрязненных почв (концентрации 2,5; 5 и 7,5 г/кг) параллельно с контролем (чистая почва). Исследования проводились в эквивалентных условиях (одна марка грунта, температурный режим, уровень освещенности, влажности и т. д.). Выявлено, что наиболее показательными для данного тест-объекта являются результаты всхожести в совокупности с результатами гибели и морфологическими изменениями. При малых и средних концентрациях нефти (2,5 и 5 г/кг) отмечается увеличение процента всхожести, а при высокой концентрации (7,5 г/кг) – снижение. При концентрации 5 г/кг вместе с увеличением всхожести наблюдается последующая гибель проростков (2 %), а при 7,5 г/кг кроме снижения всхожести наблюдается увеличение гибели (4 %) и некоторые морфологические изменения (признаки хлороза). Отмечено, что оптимальной концентрацией загрязнения, при которой повышается процент всхожести, увеличивается длина стебля и снижается незначительно длина корня, является концентрация 5 г/кг. В условиях данного уровня загрязнения растения не подвергаются значительным негативным изменениям (потери в виде гибели минимальные – 1 проросток), что свидетельствует о толерантности и приспособленности данного объекта к определенным концентрациям и дает возможность использования его в дальнейшем в качестве объекта фиторемедиации.
фитотестрование тест-культуры, нефтяное загрязнение, почва, бархатцы прямостоячие, концентрация
Введение
В современном мире экстенсивный путь развития общества приводит к тому, что все растительные формы жизни испытывают на себе различные воздействия антропогенной деятельности, результатом которой является изменение их морфологических особенностей. Нефтяное загрязнение – один из основных антропогенных факторов, ведущих к гибели растений. Его опасность, прежде всего, заключается в том, что растительные формы имеют повышенную чувствительность к данному виду загрязнений [1].
Отрицательное воздействие нефтяного загрязнения почвенного покрова, впоследствии влияющего на растения, заключается в токсическом действии углеводородов нефти, ведущем к изменению физико-химических свойств почвы. Нефть обволакивает частицы почвы, в результате чего увеличивается гидрофобность почвы, она начинает терять способность впитывать и удерживать воду. Помимо этого, из почвенных пор постепенно вытесняется воздух, происходит нарушение как водного, так и воздушного режима; уменьшается количество элементов минерального питания [2].
Несмотря на губительное воздействие нефтяного загрязнения, изучение адаптационных механизмов растений делает возможным выявление признаков, способных обеспечить устойчивость растений в условиях данного вида загрязнения, с целью их последующего использования в процессе разработки методов рекультивации земель. Изучаемые признаки также можно использовать как индикаторы для характеристики состояния почв при нефтяном загрязнении [3].
Сегодня повышенное внимание сконцентрировано на изучении токсичности почв. Наиболее эффективным и недорогим методом для определения токсичности почвы является фитотестирование. Метод применяется при малых и средних концентрациях из-за того, что высокие показатели концентрации могут привести к гибели всех экспериментальных растений. Для точной оценки состояния почв, загрязненных нефтью, с помощью фитотестирования необходимо подобрать тест-культуры, обладающие наиболее информативными показателями [4].
Фитотестирование – биологический метод контроля, позволяет оценить токсичность сред, а также различных материалов, химикатов и промышленных отходов и дать экотоксилогическую оценку почвы по суммарному действию токсикантов, присутствующих в почве [5, 6].
Объекты и методы исследования
Исследование проводилось на базе кафедры «Гидробиология и общая экология» ФГБОУ ВО «Астраханский государственный технический университет». Объектом исследования служили семена бархатцев прямостоячих (Tagetes erecta) – однолетних травянистых растений семейства Астровых (Asteraceae). Центр происхождения – Центральная Америка, в диком виде произрастает в Центральной и Южной Америке. Широко используется как декоративное растение (рис. 1).
Рис. 1. Бархатцы прямостоячие (Tagetes erecta)
Fig. 1. Erect marigolds (Tagetes erecta)
Данная культура была выбрана в связи с тем, что она обладает повышенной чувствительностью к нефтяному загрязнению почвы и быстро всходит [7]. За тест-функцию у растения принимали всхожесть семян, длину проростка и длину корня проростка.
В качестве субстрата использовали грунт, в состав которого входит смесь торфов различной степени разложения, термически обработанный песок речной, комплексное минеральное удобрение, мука известняковая (доломитовая). В нем также содержатся азот (200 мг/л), фосфор (275,0 мг/л), калий (275,0 мг/л). Кислотность – 5,5–7,0.
Нефть, используемая в модельном эксперименте, отобрана на одном из месторождений Каспийского моря. Удельный вес нефти колеблется от 0,8721 до 0,9122 г/см3. Для нее характерна парафинность – 0,8–3 %, содержание акцизных смол – 16 %, серы – 2 %, керосиновые фракции составляют 35–41 %. Нефть использовалась в различных дозах: 2,5; 5 и 7,5 г/кг. Именно эти концентрации отмечают среднюю, высокую и очень высокую концентрацию возможного загрязнения.
Метод определения всхожести исследуемых семян использовался в соответствии с ГОСТ 12038-84 «Смена сельскохозяйственных культур. Методы определения всхожести» [8]. Фитотоксичность оценивалась по количественному показателю прорастания семян (лабораторная всхожесть) и биометрическому показателю (длина проростка и корня). Всхожесть была рассчитана по формуле
ВС = 100 – (П – Т · К),
где ВС – всхожесть семян, %; П – количество пораженных семян, %; Т – количество травмированных семян, %; К – поправочный коэффициент.
Для проведения фитотестирования использовались четыре контейнера с почвой, один из которых являлся контрольным образцом (без внесения нефти). В остальных контейнерах почву смешали с разными навесками нефти для получения ее концентраций в почве: 2,5; 5 и 7,5 г/кг. Далее проделали небольшие лунки для семян в почве, глубина лунок колеблется от 2 до 3 см. В каждый контейнер высаживалось по 50 семян бархатцев прямостоячих, после полива дистиллированной водой все контейнеры были накрыты пленкой.
Экспериментальные образцы выращивались в одинаковых условиях. В процессе эксперимента производилось регулярное наблюдение, полив осуществлялся раз в два дня. Параллельно с этим производилось фиксирование общего состояния растений, всхожесть и степень гибели проростков в течение всего периода наблюдений (15 дней). По прошествии 15 дней учитывались всхожесть и следующие морфологические показатели: длина стебля, длина корня.
Результаты исследования и их обсуждение
Согласно полученным данным (рис. 2) процент всхожести растений в контейнерах с концентрациями 2,5 и 5 г/кг выше, чем в контрольном замере на 4 %, при этом с увеличением концентрации нефти до 7,5 г/кг всхожесть снижается на 4 % по сравнению с контролем и на 8 % по сравнению со всхожестью в контейнерах с концентрациями 2,5 и 5 г/кг.
Рис. 2. Всхожесть бархатцев прямостоячих (Tagetes erecta)
Fig. 2. Germination of erect marigolds (Tagetes erecta)
Полученные результаты (рис. 2) свидетельствуют о стимулирующем эффекте используемой нефти на процесс всхожести бархатцев прямостоячих (Tagetes erecta) в небольших концентрациях (2,5 и 5 г/кг) и ингибирующем эффекте при увеличении концентрации до 7,5 г/кг.
Также следует отметить, что в образцах с концентрациями 5 и 7,5 г/кг была зафиксирована гибель проросших растений. В первом случае гибель проростков составила 2 %, во втором случае – 4 %. При концентрации нефтяного загрязнения 7,5 г/кг были зафиксированы признаки хлороза у двух образцов.
В процессе подсчета средней длины побега было отмечено, что при концентрации 5 г/кг данный показатель дал наилучшие результаты (3,20 см), превысив незначительно контрольный замер (3,17 см) на 0,03 см. Образцы с концентрациями 2,5 и 7,5 г/кг были меньше по сравнению с контрольным замером на 0,28 и 0,39 см соответственно (рис. 3). Отметим, что растения, выращенные в контейнере, где почва была загрязнена нефтью в концентрации 5 г/кг, отличались более крепким и толстым стеблем. При исследовании длины побега нельзя не заметить, что концентрация нефти 5 г/кг в почве оказывает небольшое стимулирующее действие на рост побега, в то время как 2,5 и 7,5 г/кг замедляют процесс роста.
Рис. 3. Средняя длина побега
Fig. 3. Average shoot length
Средняя длина корня (рис. 4) в контрольном замере (3,46 см) оказалась выше, чем в образцах с искусственным загрязнением. Из образцов с внесенной нефтью наилучшие результаты показали образцы, выращенные при концентрации 5 г/кг нефти в почве (3,26 см), что всего на 0,20 см меньше, чем в контроле. Самый низкий результат был отмечен у образцов, выращенных при концентрации 7,5 г/кг нефти в почве (2,70 см), что на 0,76 см меньше, чем длина корня в контрольных образцах, и на 0,56 см меньше, чем в образцах, выращенных при концентрации 5 г/кг.
Рис. 4. Средняя длина корня
Fig. 4. Average root length
Объяснить полученные результаты можно снижением проницаемости почвы для воды и воздушного обмена из-за обволакивающих и гидрофобных свойств нефти. Увеличение длины корня при концентрации нефти 5 г/кг против образца, выращенного при концентрации нефти 2,5 г/кг, происходит благодаря общему укреплению растения. Стимулятором в данном случае могло послужить увеличение количества питательных веществ, вызванное разложением нефтяных органических соединений [9, 10].
Заключение
Согласно результатам анализа полученных данных загрязнение нефтью до 2,5 г/кг не оказывает негативного воздействия на всхожесть бархатцев прямостоячих (Tagetes erecta); более того, данная концентрация оказывает стимулирующее действие (всхожесть выше, чем в контроле, на 4 %). Загрязнение 5 г/кг также стимулирует всхожесть (всхожесть выше, чем в контроле, на 4 %), но и способно в дальнейшем вызвать гибель (2 %). А при увеличении загрязнения до 7,5 г/кг наблюдаются негативные последствия в виде хлороза, гибели (4 %) и снижение всхожести (на 4 % ниже, чем в контроле).
На длину побега небольшое стимулирующее действие оказывает загрязнение почвы нефтью в концентрации 5 г/кг (длина выше, чем в контрольных образцах, на 0,03 см). Длина корня во всех образцах, выращенных в условиях загрязнения, ниже, чем в контроле). Самые низкие показатели по длине побега (2,78 см) и корня (2,70 см) у образцов, выращенных при концентрации 7,5 г/кг.
Соответственно, при использовании бархатцев прямостоячих (Tagetes erecta) в качестве тест-объекта особое внимание стоит уделить всхожести, т. к. при значительном увеличении концентрации нефти наблюдается снижение, а при небольших и средних концентрациях – увеличение показателей. Использование показателя всхожести в совокупности с показателями гибели и морфологическими изменениями позволяет определить примерный диапазон уровня загрязнения почвы. Длина побега и корня при использовании данной тест-культуры являются менее показательными, т. к. и при низких и при высоких концентрациях наблюдается снижение длины. Но несмотря на это, бархатцы прямостоячие (Tagetes erecta) следует рассмотреть не только как тест-объект для фитотестирования, но и как объект для фиторемедиации нефтяных загрязнений почв. Увеличение всхожести, длины побега и незначительное уменьшение длины корня при концентрации 5 г/кг дает возможность выращивать эту культуру при средних загрязнениях почвы.
1. Назаров А. В., Иларионов С. А. Изучение причин фитотоксичности нефтезагрязненных почв // Письма в междунар. науч. журн. «Альтернативная энергетика и экология». 2005. № 1. С. 60-65.
2. Алиев С. А., Гаджиев Д. А. Влияние загрязнения нефтяным органическим веществом на активность биологических процессов почв // Изв. Акад. наук Азербайджан. ССР. Сер.: Биологические науки. 1977. № 2. С. 46.
3. Киреева Н. А., Кабиров Т. Р., Дубовик И. Е. Комплексное биотестирование нефтезагрязненных почв // Теорет. и приклад. экология. 2007. № 1. С. 65-69.
4. Гринчишин Н. Н. Фитотестирование нефтезагрязненных почв // Экология и защита окружающей среды: материалы III Междунар. науч.-практ. конф. (Минск, 19 мая 2016 г.). Минск: Изд-во БГУ, 2016. С. 122-123.
5. Еремченко О. З., Митракова Н. В. Фитотестирование почв и техногенных поверхностных образований в урбанизированных ландшафтах. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/fitotestirovanie-pochv-i-tehnogennyh-poverhnostnyh-obrazovaniy-v-urbanizirovannyh-landshaftah (дата обращения: 27.02.2023).
6. Чеснокова С. М., Чугай Н. В. Биологические методы оценки качества объектов окружающей среды: учеб. пособие. Ч. 2. Методы биотестирования. Владимир: Изд-во ВлГУ, 2008. 92 с.
7. Накбанпоте У., Меесунгноен О., Прасад М. Потенциал декоративных растений для фиторемедиации тяжелых металлов и получения дохода // Биоремедиация и биоэкономика. Elsevier, 2016. С. 179-217.
8. ГОСТ 12038-84. Семена сельскохозяйственных культур. Методы определения схожести. М.: Изд-во стандартов, 2004. 64 с.
9. Назаров А. В. Влияние нефтяного загрязнения почвы на растения // Вестн. Перм. ун-та. 2007. № 5 (10). С. 134-141.
10. Шилова И. И. Биологическая рекультивация нефтезагрязненных земель в условиях таежной зоны // Восстановление нефтезагрязненных почвенных экосистем. М.: Наука, 1988. С. 159-168.
