ДОЗА-ЭФФЕКТ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ НА БИОТИЧЕСКИЙ КОМПОНЕНТ ЭКОСИСТЕМ

Полный текст

Введение Нефть в настоящее время является одним из наиболее распространенных и сложных загрязнителей окружающей среды. По химическому составу нефть включает в себя алифатические и ароматические углеводороды, гетероароматические соединения (преимущественно серосодержащие), асфальтены и смолы [1; 2]. Действие отдельных компонентов на живые организмы может проявляться при разных концентрациях нефти, присутствующей в экосистеме. При этом известно, что нефтяное загрязнение вызывает такие негативные изменения как полное или частичное угнетение экосистемы в целом, изменение физико-химических параметров экотопа, приобретение токсичных свойств субстрата для биоценоза, угнетение отдельных элементов биоценоза [3]. Почва является основным рецептором для нефти, в случае нарушения технологии извлечения, транспортировки и переработки [4]. Нефть и сопутствующие соединения попадают в верхний слой почвы при разработке и эксплуатации нефтяных и газонефтяных месторождений [5-8]. Проводятся многочисленные исследования по изучению распространения нефтяного загрязнения, присутствию различных нефтяных компонентов и их влияние на объекты окружающей среды [3; 9-14]. Однако вопросы влияния нефти на почвенные экосистемы остаются недостаточно изученными. Цель настоящего исследования - изучить влияние различных концентраций нефти в почве на биотический компонент экосистемы. Материалы и методы Почвы для модельных экспериментов были отобраны в подзоне Южной тайги (п. Родники и п. Романово, Соликамский район, Пермский край, Россия) и в хвойно-широколиственной подзоне (п. Мельничная и п. Змеевка, Частинский район, Пермский край, Россия) (рис. 1). Рис. 1. Карта-схема природных районов Пермского края: серыми прямоугольниками отмечены места отбора образцов почв (Fig. 1. Map-scheme of the natural areas of the Perm Territory: grey rectangles indicate the location of sampling of soils) Южнотаежные почвы представлены дерново-подзолистыми и подзолистыми почвами разного механического состава (табл. 1). Материнскими породами являются древнеаллювиальные пески и супеси и покровные суглинки водно-ледникового происхождения. Таблица 1 Характеристика почв, используемых в модельных экспериментах № п/п образцов Типы почв Механический состав рН, KCl Гумус, % Подвижные, мг/100 г Нефтепродукты, г/кг Р 2 О 5 NO 3 Подзона южной тайги 1 Дерново-среднеподзолистая песчаная Песок связный 4,7 1,37 12,5 24,3 0,07-0,05 2 Дерново-сильноподзолистая песчаная Песок связный 4,9 1,23 5,0 30,0 0,11-0,10 3 Среднеподзолистая песчаная Песок связный 4,4 0,96 5,0 11,6 0,112-0,078 4 Среднеподзолистая песчаная Песок связный 4,7 0,51 3,7 9,4 0,177-0,08 5 Дерново-среднеподзолистая супесчаная Супесь 4,1 1,68 27,5 34,0 0,09-0,079 6 Среднеподзолистая супесчаная Супесь 6,9 1,46 58,0 28,0 0,12-0,045 Хвойно-широколиственная подзона 7 Дерново-среднеподзолистая легкосуглинистая Суглинок легкий 5,2 2,43 11,5 29,4 0,096-0,06 8 Дерново-бурая намытая тяжелосуглинистая Суглинок тяжелый 4,9 4,87 8,5 16,1 0,096-0,089 9 Дерново-слабоподзолистая легкосуглинистая Суглинок легкий 6,6 1,95 9,8 13,8 0,05-0,1 10 Дерново-слабоподзолистая супесчаная Супесь 4,2 3,39 1,2 23,2 0,42-0,15 11 Дерново-среднеподзолистая легкосуглинистая Суглинок легкий 3,9 2,14 2,5 18,1 0,14-0,11 Table 1 Characteristics of soils used in model experiments Sequence number Types of soil Mechanical composition рН, KCl Humus, % Movable, mg/100 g Petroleum products, g/kg Р 2 О 5 NO 3 Subzone of southern taiga 1 Sod-podzolic sandy Sand coherent 4,7 1,37 12,5 24,3 0,07-0,05 2 Sod-strongly podzolic sandy Sand coherent 4,9 1,23 5,0 30,0 0,11-0,10 3 Medium podzolic sandy Sand coherent 4,4 0,96 5,0 11,6 0,112-0,078 4 Medium podzolic sandy Sand coherent 4,7 0,51 3,7 9,4 0,177-0,08 5 Sod-medium podzolic sandy loam Sandy loam 4,1 1,68 27,5 34,0 0,09-0,079 6 Middle podzolic sandy loam Sandy loam 6,9 1,46 58,0 28,0 0,12-0,045 Coniferous-deciduous subzone 7 Sod-medium podzolic light loam Light loam 5,2 2,43 11,5 29,4 0,096-0,06 8 Sod-brown, heavy loam Heavy loam 4,9 4,87 8,5 16,1 0,096-0,089 Sequence number Types of soil Mechanical composition рН, KCl Humus, % Movable, mg/100 g Petroleum products, g/kg Р 2 О 5 NO 3 9 Sod-weakly podzolic light loam Light loam 6,6 1,95 9,8 13,8 0,05-0,1 10 Sod-weakly podzolic sandy loam Sandy loam 4,2 3,39 1,2 23,2 0,42-0,15 11 Sod-medium podzolic light loam Light loam 3,9 2,14 2,5 18,1 0,14-0,11 В хвойно-широколиственной подзоне наиболее распространены дерново-подзолистые почвы (см. табл. 1). Дерново-слабоподзолистые почвы занимают около 10% площадей используемых в сельском хозяйстве. В этих почвах доминирует дерновый процесс. Они имеют свои морфологические особенности. Горизонт Ао - темно-серого цвета с бурым оттенком (14-19 см), А 2 - нет, изредка выделяется А 2 В 1 , оподзоливание проявляется лишь в виде кремнистой присыпки в В 1 и В 2 . Ап - достигает 23 см. Для модельных опытов отбирались верхние гумусовые или пахотные горизонты в количестве 50 кг. В лабораторных условиях почва высушивалась, пропускалась через сито (ячейки 3×3 мм), смешивалась в большой емкости. Для эксперимента отбиралась средняя проба. Было заложено две серии опытов с разными дозами нефти и контролем. В первом варианте нефть вносили в концентрации 0,5; 1,0; 15,0; 50,0; 150; 300 г/кг. Второй вариант опытов проводили по аналогичной схеме с дозами нефти - 1,0; 15,0; 30,0; 50; 100; 200 г/кг почвы. Почву в большой емкости загрязняли нефтью и тщательно перемешивали, затем набивали сосуды (с постоянным весом почвы в сосуде 1 кг) при легком уплотнении с одновременным поливом и доведением влажности до 60% от полной влагоемкости. Компостирование проводили при комнатной температуре с одинаковой освещенностью. Фоновое содержание нефтепродуктов в дерново-подзолистых почвах, ненарушенных нефтедобывающим комплексом, колеблется от десятых до сотых г/кг почвы (см. табл. 1). В модельном опыте использовали товарную нефть с дожимно-насосной станции (ДНС) «Сибирь» (почвы подзоны южной тайги) и с установки первичной переработки нефти (УППН) «Суханово» (почвы хвойно-широколиственной подзоны). По своим физико-химическим характеристикам нефти отличаются друг от друга. Так нефть ДНС «Сибирь» имеет больше светлых фракций, легкая, нефть с УППН «Суханово» содержит больший процент асфальтенов и смол, вязкость ее намного выше северной. Определение фитотоксичности почв проводили методом почвенных пластинок. Фитотоксические свойства загрязненных почв определялись по степени угнетения семян и роста проростков. В качестве контроля брали почвы без внесения нефти. Токсичными почвы считаются при угнетении роста и развития тест-культур на 20-30% по сравнению с контролем [15]. Почвенные образцы отбирали из модельных систем через 1, 2 и 3 месяца культивирования и готовили к химическому анализу согласно рекомендаций работ [17-19]. Бенз[а]пирен экстрагировали из почвы стандартными методами [20] и анализировали методом газовой хроматографии. Концентрацию бенз[а]пирена рассчитывали по методу внешнего стандарта [20]. Уровень токсичности почвенных образцов для Daphnia magna Straus определяли как описано в работе [21]. Острое токсическое действие водной вытяжки, полученной как описано в труде [22], определяли по смертности (летальности) Daphnia magna Straus за определенный период экспозиции. Критерием острой токсичности служит гибель 50% и более дафний за 48 часов в исследуемой пробе при условии, что в контрольном эксперименте все рачки сохраняют свою жизнеспособность. Токсичность почв для микроорганизмов оценивали по изменению интенсивности биолюминесценции биосенсора «Эколюм» при воздействии токсических веществ, присутствующих в анализируемой пробе, по сравнению с контролем. Токсическое действие исследуемой пробы на тест-объект определяется по уменьшению интенсивности биолюминесценции за 30-минутный (в экспрессном варианте - 5 минут) период экспозиции. Количественные оценки тест-реакции выражали в виде безразмерной величины - индекса токсичности «Т» [23]. Результаты и их обсуждение Токсикологический анализ почвы показал, что при дозе 200 г нефти/кг почвы проявляется острое токсическое действие на тест-объект Escherichia coli (биосенсор «Эколюм») (рис. 2). При этом острое токсическое действие водная вытяжка оказывала в концентрации 5% (разбавление 1:19). Индекс токсичности при максимальном разбавлении, при котором фиксируется острое токсическое действие, равен 8. Без разбавления данный показатель равен 38 ед. Рис. 2. Изменение индекса токсичности почвы для микроорганизмов в зависимости от уровня нефтезагрязнения (Fig. 2. Change in soil toxicity index for microorganisms depending on the level of oil pollution) Острое токсическое действие водных вытяжек из нефтезагрязяненных почв отсутствует при концентрации 100 г нефти/кг почвы. Дальнейшее повышение концентрации нефти в почве приводит к ингибированию микробных процессов, снижению концентрации метаболитов, а также прямому токсическому влиянию нефтяных компонентов на микрофлору. Загрязнение почв нефтью сопровождается загрязнением ароматическими полициклическими углеводородами, в том числе канцерогенными, такими как бенз[а]пирен [9; 11; 12; 24]. В ряде работ отмечено, что разложение полиароматических углеводородов, в том числе и бенз[а]пирена в почве возможно в результате деструктивной активности почвенной микрофлоры [10; 25; 26]. Анализ экспериментальных образцов показал, что бенз[а]пирен детектируется при всех внесенных концентрациях нефти. При этом выявлен доза-зависимый эффект при анализе скорости деструкции бенз[а]пирена почвенной микрофлорой. При концентрации до 200 г нефти/кг почвы, скорость деструкции составляет 11,5 (мкг/ кг)/ мес, тогда как при более высоких концентрациях данный показатель снижается в 3 раза и составляет 4,5 (мкг/кг)/мес. При анализе влияния нефтезагрязнения почвы на растительный компонент оценивали изменения 9 показателей развития растений (табл. 2). Таблица 2 Доза нефти существенного снижения вегетативных показателей растений, г/кг почвы № почвенного образца Выживаемость растений, % Длина надземного побега, см Длина корня, см Общая длина растения, см Соотношение надземного побега к корню Сырой вес надземного побега, г Сырой вес корня, г Сырой вес растения, г Соотношение сырого веса растения к длине растения Подзона южной тайги 1 50 50 - - - 15 50 50 50 2 100 50 15 30 15 15 15 15 15 3 -503030-30303030 4 100 30 1 30 0,5 30 30-50 30 30 5 100 15 15 15 15 15 15 15 15 6 - 50 30 30 30 15 30 15 15 Хвойно-широколиственная подзона 7 - 30 15 15 15 15 30 15-30 15-30 8 - 30 30 30 30 15 50 15 15 9 - 100 30 50 30 100 30 50 50 10 100 15 15 15 15 15 15 15 15 11 100 100 15 50 15 15 50 30 30 Subzone of southern taiga 1 50 50 - - - 15 50 50 50 2 100 50 15 30 15 15 15 15 15 3 -503030-30303030 4 100 30 1 30 0,5 30 30-50 30 30 5 100 15 15 15 15 15 15 15 15 6 - 50 30 30 30 15 30 15 15 Coniferous-deciduous subzone 7 - 30 15 15 15 15 30 15-30 15-30 8 - 30 30 30 30 15 50 15 15 9 - 100 30 50 30 100 30 50 50 10 100 15 15 15 15 15 15 15 15 11 100 100 15 50 15 15 50 30 30 Установлено, что выживаемость растений существенно снижается (на 20% и более) в почвах подзоны южной тайги при уровне загрязнения 50-100 г нефти / кг почвы, тогда как в почвах хвойно-широколиственной подзоны данный показатель составил 100 г нефти/кг почвы. Существенное снижение длины надземного побега в южно-таежных почвах наступает при 15-50 г нефти/кг почвы, в почвах хвойно-широколиственных лесов при 15-100 г нефти/кг почвы. Существенное снижение длины корня происходит при концентрации нефти 15- 30 г / кг почвы в обеих группах почв. Анализ изменение общей длины растения выявил обратную линейную корреляционную зависимость от дозы внесенной в почву нефти. Такой показатель как отношение длины надземной части к длине корня крайне нестабилен для южнотаежных почв. Уменьшение длины стебля или корня в них происходит с разной скоростью независимо от величины дозы и типа субстрата; линейная корреляция отсутствует (см. табл. 2). Длина надземной части и корня с увеличением дозы нефти уменьшается. Отношение их длин, как правило, имеет положительную линейную корреляцию, что свидетельствует о различной скорости изменения этих параметров. Длина стебля по сравнению с длиной корня по мере увеличения дозы нефти изменяется медленнее. Таким образом, нефтезагрязнение более существенно влияет на линейные размеры корневой системы, чем на линейные размеры вегетативного побега. Влияние доз нефти на сырой вес надземной части растений пшеницы выражается в его снижении при высоком загрязнении. Необходимо отметить значительную корреляцию показателя с уровнем загрязнения практически для всех почв (см. табл. 2). Анализ основных характеристик развития растений в условиях нефтяного загрязнения показывает, что количество выживших растений, несмотря на высокую корреляцию с дозами нефтепродуктов, является малочувствительным показателем в проведенном эксперименте. Изменение линейных размеров растений (длина надземной части, длина корня, общая длина растения, отношение длины надземной части растений к корню), часто, для многих почв, не имеет значительной корреляции между показателями состояния растений и дозой нефти. Зависимость носит более сложный нелинейный характер. Длина растений и отдельных их частей уменьшается под влиянием больших доз нефтяного загрязнения. Изменение весовых показателей развития растений (сырой вес надземной части, вес корня, общий вес растений, отношение веса растения к его длине) носит обратную линейную зависимость от дозы нефтяного загрязнения. Таким образом, нефтяное загрязнение нелинейно влияет на условия развития растений. Проанализирован уровень острой токсичности почв для животного компонента экосистемы с применением тест-объекта Daphnia magna Straus. Токсикологический анализ почвы показал, что при дозе 200 г нефти/кг почвы и выше проявляется острое токсическое действие на тест-объект Daphnia magna Straus. Летальная кратность разбавления водной вытяжки составляет 50,1%. Безвредная кратность разбавления - 17,4% (т.е. разбавление в 5,7 раз). Влияние водной вытяжки нефтезагрязненного грунта на выживаемость дафний можно описать линейными зависимостями: при дозе 200 г нефти/кг почвы: y = -0,1104x + 12,35 (R 2 = 0,9714); при дозе 300 г нефти/кг почвы: y = -0,0679x + 11,3 (R 2 = 0,9734), где y - количество дафний; x - время в часах. Заключение Проведенные исследования позволяют описать особенности влияния разных концентраций нефтезагрязнения на биоту. Установлен прямой доза-эффект для микробного и животного компонента. Превышение концентрации 200 г нефти/кг почвы вызывает угнетение данных компонентов биоты. Более сложные закономерности показаны для растительного компонента. Таким образом, развитие биоценоза находится в сложной зависимости от уровня нефтяного загрязнения одного из основных компонентов экосистемы - почвы.

Об авторах

С А Бузмаков

Пермский государственный национальный исследовательский университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: lep@psu.ru

Бузмаков Сергей Алексеевич - доктор географических наук, профессор; заведующий кафедрой биогеоценологии и охраны природы, географический факультет Пермского государственного национального исследовательского университета.

ул. Букирева, 15, Пермь, Россия, 614990

Д О Егорова

Пермский государственный национальный исследовательский университет

Email: daryao@rambler.ru

Егорова Дарья Олеговна - кандидат биологических наук, доцент; доцент кафедры биогеоценологии и охраны природы, географический факультет Пермского государственного национального исследовательского университета.

ул. Букирева, 15, Пермь, Россия, 614990

Е Л Гатина

Пермский государственный национальный исследовательский университет

Email: suslovael@mail.ru

Гатина Евгения Леонидовна - кандидат биологических наук; доцент кафедры биогеоценологии и охраны природы, географический факультет Пермского государственного национального исследовательского университета.

ул. Букирева, 15, Пермь, Россия, 614990

Список литературы