Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Экологический эффект биогенных наночастиц ферригидрита при ремедиации нефтезагрязненных почвенных субстратов

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Экологический эффект биогенных наночастиц ферригидрита при ремедиации нефтезагрязненных почвенных субстратов"

На правах рукописи

Баранов Михаил Евгеньевич

Экологический эффект биогенных наночастиц ферригидрита при ремедиации нефтезагрязненных почвенных субстратов.

03.02.08 - экология (биология)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Криспонрск 2015

Работа выполнена на кафедре инженерной экологии факультета машиноведения и мехатроники в ФГБОУ ВПО «Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф.Решетнева»

Ннучный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат технических наую доцент Кучкин Александр Григорьевич

Зяворуев Валерий Владимирович, доктор биологических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», профессор кафедры экологии и природопользования

Лянкина Елена Петровня, кандидат биологических наук, ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет», доцент кафедры ботаники, физиологии и защиты растений ФГБОУ ВПО «Иркутский государственный университет»

Защита диссертации состоится «23» апреля 2015 г. в Л часов на заседании диссертационного совета Д 220.037.04 ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет» по адресу: 660049 г. Красноярск, пр. Мира, 90, тел/факс: 8(391) 227-36-09, e-mail: dissovet@kgau.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет» и на сайте http: //www.kgau.ru

Автореферат разослан « 2015 г.

Ученый гафит;||>1, Лнссс|Г1ацмо1мки о соисти

I .А, Демпдеико

! РОССИЙСКАЯ ' ОСУДЛРС! Г! I"; ИНАЯ ';и!;лиотгка

? G 15___

Актуальность проблемы. В настоящее время загрязнение нефтью и нефтепродуктами является самой актуальной проблемой техногенного загрязнения окружающей среды (Салангинас, 2003; Войно, 2006; Рогозина, 2006; Thapa et al, 2011; Бахонина и др., 2013). На сегодняшний момент существует множество методов рекультивации нефтезагрязненных земель: термические методы, механические методы, очистка ультразвуком, физико-химические и химические методы, биовентиляция, биологические методы. Все эти методы имеют свои недостатки и ограничения, поэтому в мире идёт постоянный поиск новых методов и подходов к ликвидации нефтезагрязнений.

В последние годы в Российской Федерации остро встала проблема ликвидации локальных загрязнений, возникших в результате проливов нефтепродуктов в районах баз и складов горюче-смазочных материалов и котельных хозяйств. Так, по данным Росприроднадзора, загрязнение территорий только военных объектов (действующих и выведенных из эксплуатации) нефтепродуктами составляет более 100 тыс. га. Характерными особенностями подобных загрязнений являются: близость к населённым пунктам, длительный характер нефтезагрязнения, отсутствие полноценного почвенного покрова в месте проливов. Для ремедиации подобных территорий требуется разработка специальных методов и подходов.

Предварительные исследования, проведённые в Красноярском государственном аграрном университете, показали, что биогенные наночастицы ферригидрита могут представлять потенциальный интерес с точки зрения ремедиации нефтезагрязнённых территорий (Хижняк и др., 2011).

Целью настоящего исследования было выявление эффекта воздействия биогенных наночастиц ферригидрита на фитотоксичность и микробное сообщество при ремедиации нефтезагрязнённого почвенного субстрата.

Задачи:

1. Исследование микробного сообщества нефтезагрязненного почвенного субстрата до начала механической рекультивации, непосредственно после рекультивации и в последующих периодах.

2. Определение фитотоксичности почвенного субстрата в исследуемый период и изучение связи между комплексом микробных показателей и фитотоксичностью почвенного субстрата

3. Изучение влияния различных типов наночастиц ферригидрита на фитотоксичность нефтезагрязнённого почвенного субстрата в лабораторных условиях.

4. Изучение влияния наночастиц ферригидрита на фитотоксичность и микробное сообщество почвенного субстрата в условиях натурного экснеремента.

5. Разработка рекомендации по применению биогенных иаиочаешц ферригидрита для ремедиации иефгеигряшейных ночнепиых субстратои в условиях К Ъкпоп Таит..

Научная ношпнп. Впервые нокаута возможность использования биогенных наночастиц ферригидрита для ремедиации территорий длительного мазутного загрязнения. Установлено, что внесение наночастиц биогенного

ферригидрита не только снимает фитотоксичность загрязнённого почвенного субстрата, но и меняет структуру микробного комплекса в направлении более высокого сходства с естественными сообществами лесов и лесостепей региона. Для разных типов биогенных наночастиц ферригидрита построены кривые "доза-эффект" и определены оптимальные концентрации наночастиц, обеспечивающие полное снятие фитотоксичности нефтезагрязнённого почвенного субстрата.

Получены данные о микробиологическом составе загрязнённого нефтепродуктами почвенного субстрата до и после механической рекультивации и после механической рекультивации, а также о направлении дальнейших изменений микробного сообщества. Впервые показано, что при изучении связей между уровнем загрязнения почвенного субстрата нефтепродуктами и его микробиологическими характеристиками следует использовать логарифмы численностей микроорганизмов вместо их абсолютных значений.

Защищаемые положения:

1. Механическая рекультивация загрязненных мазутом почвенных субстратов в условиях Южной Тайги не обеспечивает нормализации их экологического состояния, что подтверждается сохранением высокого уровня фитотоксичности и аномальным в сравнении с почвами региона показателями микробного сообщества.

2. Биогенные наночастицы ферригидрита снижают фитотоксичность загрязнённых почвенных субстратов и меняют структуру микробного комплекса в направлении сходства с почвенными сообществами лесов и лесостепей региона.

3. Связь между уровнем загрязнения почвенных субстратов нефтепродуктами и его микробиологическими характеристиками наиболее адекватно отражают логарифмы численностей микроорганизмов, а не абсолютные значения.

Практическое значение работы. Результаты исследований используются при ремедиации нефтезагрязнённого грунта в пос. Кедровый (Справка от 16.05.13.), а также в преподавании дисциплины "Современные проблемы экологии в машиностроении" на кафедре инженерной экологии ФГБОУ ВПО СибГАУ (Акт № 20/16 от 02.02.15).

Апробация работы. По материалам диссертации опубликовано 13 работ, в том числе 3 - в журналах, рекомендованных ВАК РФ. Материалы исследований были представлены на: Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантом и молодых специалистов «Актуальные проблемы авиации и космонавтики» (Красноярск, 2008); XII Международной научной конференции, посвященной памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф l'enieniena «Решетнеиские чтения» (Красноярск, 2008); XI Международном научно практической конференции «Экономика нриродонолыонання и природоохраны» (lienta, 2008); XIII Международной научной конференции, посвященной памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М.Ф.

Решетнева «Решетневские чтения» (Красноярск, 2009); VIII Всероссийской научной конференции с международным участием «Молодежь. Общество. Современная наука и инноваций» (Красноярск, 2009); Всероссийском симпозиуме с международным участием «Биологически активные вещества микроорганизмов: прошлое, настоящее, будущее» (Москва, 2011); VIII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной 155-летию со дня рождения К.Э.Циолковского «Молодежь и наука» (Красноярск, .2012); Международной (заочной) научно-практической конференции «Экологйя, окружающая среда и здоровье человека: XXI век» (Красноярск, 2014); XVIIÏ Международной научной конференции, посвященной 90-летию со дня рождения генерального конструктора ракетно-космических систем академика M. <¡>. Решетнева «Решетневские чтения» (Красноярск, 2014).

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 125 страницах текста, содержит 58 рисунков и 24 таблиц. Работа состоит из введения, обзора литературы, описания объектов и методов исследования, результатов и их обсуждения, практических рекомендаций, выводов и списка литературы, содержащего ссылки на 204 источника, из которых 26 - на иностранных языках.

Личный вклад автора. Отбор и анализ образцов, эксперименты, обработка и интерпретация полученных результатов выполнены лично автором. Определение содержание нефтепродуктов в пробах грунта до проведения рекультивации выполнено в Филиале ФГУП ЦЛАТИ по Сибирскому ФО - Канском межрайонном отделе лабораторного анализа и технических измерений.

Благодарности. Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю - доктору технических наук, профессору, А.Г. Кучкину за оказанную помощь на всех этапах исследований и при подготовке диссертации, доктору физико-математических наук Ю.Л. Гуревичу за предоставленные препараты наночастиц, доктору /биологических наук C.B. Хижняку за консультации при проведении микробиологических исследований.

i »

Глава 1. рбзо|> литературы

В данной главе рассмотренйу экологические последствия загрязнений окружающей среды нефтью и* нефтепродуктами. Проанализированы существующие методы ремедиации нефтезагрязнённых территорий. Рассмотрена проблема локальных, л грязнений, возникших в результате проливов нефтепродуктов в района.-: баз и складов горюче-смазочных материалов и котельных хозяйств.

Г.иана 2. Объекты и методы исследовании

Объектом исследования являли i. почвенный субстрат (МС) и его микробные сообщества на территории м путного хранилища бывшей воинской части и районе поселка «Кедровый» Кмельиповского района Красноярского края до и после проведения механической рекультивации. Территория

мазутохранилища представляет собой специальный котлован «ловушку» с насыпным гребнем высотой 2 метра и имеет форму прямоугольника 74x155 м, вытянутого в направлении с востока на запад. В 2004 году на участке произошёл разлив мазута в количестве 2394,4 т. по подсчетам специалистов Росприроднадзора и Ростехнадзора. В 2011 году под руководством администрации п. Кедровый была проведена механическая рекультивация загрязненных мазутом земель.

До проведения работ по механической рекультивации на исследуемом объекте было выбрано 5 пробных площадок размером 5x5 метров. Площадки № I, 2, 3 располагались вблизи разливов мазута, площадки № 4, 5 располагались на расстоянии 10-15 метров от мазутохранилища. После завершения механической рекультивации в сентябре 2011 г на объекте было выбрано 9 пробных площадок размером 2x2 м (рис. 1). Точечные пробы отбирали на пробных площадках из слоя 0-20 см методом конверта. Объединенные пробы составляли путем смешивания 5 точечных проб, отобранных на одной пробной площадке. В объединённых пробах определяли фитотоксичность ПС и численность микроорганизмов разных эколого-трофических групп. Фитотоксичность определяли методом биотестирования на кресс-салате (Lepidium sativum L), учитывали энергию прорастания и всхожесть семян ГОСТ 12038-84. Численность микроорганизмов определяли высевом на набор агаризованных питательных сред.

В экспериментах по снижению фитотоксичности ПС использовали суспензии четырёх типов биогенных наночастиц ферригидрита (5Fe203*9H20), предоставленных г.н.с. Международного научного центра исследования экстремальных состояний организма СО РАН, д.ф.-м.н Ю. Л. Гуревичем: чистый ферригидрит, а также ферригидрит, допированный кобальтом, кремнием и алюминием. Размер частиц составляет преимущественно 2-4 нанометра, ферригидрит в них представлен разными фазами, способными к взаимным превращениям (Ладыгина, 2011), содержание ферригидрита в суспензиях 1,0 г/л. В лабораторных экспериментах растения кресс-салата выращивали в пластиковых сосудах с ПС, отобранным из участка с максимальной фитотоксичностью. Внесение наночастиц проводили однократно в виде смесей суспензии наночастиц с дистиллированной водой (0,1 - 1,0 мл на 100 мл воды), контролем служили сосуды, в которые вносилась дистиллированная вода без наночастиц. Полевые испытания проводили на объекте исследования в период вегетации 2012 г. на 9 пробных площадках (см. рис. I ). Смеси суспензий наночастиц с водой вносили в ПС в конце июля из расчёта I л на 1 м2. Для приготовления смесей использовали псе типы частиц, (по 0,25 мл суспензии каждого чипа па 100 мл поды)- Контролями служили площадки, расположенные на удалении 2,5 метра от мест внесения наночастиц. Через 30 суток после внесения наночастиц на опытных и контрольных площадках были взяты образцы ПС по описанной выше методике, для них нроГ) была определена фитотоксичность и мпкроГжологичсскпе показатели.

Статистическую обработку результатов проводили с помощью пакета анализа MS lixcel 2003 и пакета SlalSol'l STA IIMÏCA 6.0.

Материалами для сравнения служили данные о микробных комплексах серых почв Красноярской лесостепи (Сорокина O.A., 2006.), а также данные о микробных комплексах почв сосновых лесов Средней Сибири (Богоролская A.B., 2006.)

Насосная

Рисунок I Схема объекта до (иверху) и мосле (нишу) проведший рекультивации. М мазутохрапмлнща, серым цветом показаны мазутные о'-сра, цифрами обозначены точки отбора проб

Глава 3. Состояние объекта до проведения механической рекультивации

До проведения механической рекультивации содержание нефтепродуктов в грунте на территории мазутохранилища и на прилегающих территориях варьировало в пределах 100-800 мг/кг, что в 3-8 раз выше фоновых показателей для почв нефтяного месторождения Ванкор. Микробиологические показатели варьировали в широких пределах. Как правило, численности бактерий изучаемых эколого-трофических групп и размах варьирования этих численностей превышал аналогичные показатели для почв региона (табл. 1, 2).

Таблица 1. Пределы варьирования состава микробных комплексов изучаемого участка до проведения механической рекультивации в сравнении с почвенными

микробными комплексами региона I тыс. КОЕ/г.)

Показатель Бактерии, усваивающие минеральный азот Аммони-фикаторы Олиготрофы Сумма

Территория мазутохранилища

Минимум 3500 18000 3000 26000

Максимум 10000 150000 26000 186000

Прилегающая территория

Минимум 500 8500 7000 33500

Максимум 1000 26000 29000 38500

Почвы сосновых лесов Средней Сибири (по данным А.В. Бого эодской)

Минимум 456 300 717 1473

Максимум 8074 7227 13651 28952

Почвы Красноярской лесостепи (поданным О.А. Сорокиной)

Минимум 1714 700 1376 4304

Максимум 2643 1500 1890 5523

Таблица 2. Пределы варьирования микробиологических показателей изучаемого участка до проведения механической рекультивации в сравнении с _ почвенными микробными комплексами региона _

Показатель Коэффициент Коэффициент Доля

минерализации олиготрофности Олиготрофов

Территория мазутохранилища

Минимум 0,067 0,167 0,115

Максимум 0,278 1,000 0,468

Прилегающая территория

Минимум 0,019 0,269 0,209

Максимум 0,118 3,412 0,753

Почвы сосновых лесом Средней Сибири (поданным А.В. Богородской)

Минимум 0,616 1,201 0,426

Максимум 1,633 2,386 0,552

Почти Красноярской лесостепи (по данным О.А. Сорокиной)

Минимум 1,4 12 0,920 0,250

Максимум 3,613 2,006 0,412

Можно предположить, что высокие численности бактерий обусловлены постоянным притоком органического вещества в виде углеводородов, входящих в состав мазута. Другим объяснением высоких численностей бактерий может быть подавление развития питающихся бактериями почвенных простейших и беспозвоночных в нефтезагрязнённом грунте, известное из литературы.

Существенный разброс микробиологических показателей между разными площадками может быть связан с разным уровнем мазутного загрязнения. Действительно, выявлены корреляционные связи между уровнем мазутного загрязнения и микробиологическими характеристиками грунта. Максимальная корреляция численности бактерий с содержанием нефтепродуктов отмечена для олиготрофов. Коэффициент корреляции равен 0,958, его статистическая значимость Р<0,05. Существенно более тесные корреляционные связи с уровнем мазутного загрязнения при использовании двоичного логарифма численности вместо абсолютных показателей (табл. 3).

Таблица 3. Связь микробиологических показателей ПС с содержанием при использовании в расчётах абсолютных значений и двоичных логарифмов численностей (г - коэффициенты корреляции, р - значимость корреляции, "нет"

означает, что корреляция статистически незначима)

Показатель КОЕ/г ЬОЦ2(КОЕ/Г)

г Р г Р

Бактерии, усваивающие минеральный азот 0,491 нет 0,581 нет

Аммонификаторы 0,579 нет 0,579 нСт

Олиготрофы 0,958 <0,05 0,999 <0,001

Сумма 0,686 нет 0,795 0,05

Коэффициент минерализации -0,110 нет 0.438 нет

Коэффициет олиготрофности 0,609 нет 0.856 <0,05

Доля олиготрофов 0,677 нет 0.896 <о;о5

Известно, что при отсутствии давления со стороны потребителей бактериальной биомассы, двоичный логарифм численности пропорционален числу генераций бактерий. Тот факт, что двоичные логарифмы численностей бактерий показывают более высокую корреляцию с мазутным загрязнением, косвенно подтверждает предположение об ингибировании питающихся бактериями простейших и беспозвоночных в изучаемом ИС.

И целом, по комплексу микробиологических показателей изучаемый НС существенно отличается от почв сосновых лесов н лесостепи региона. Па рисунке 2 показаны проекции изученных обра шов па оси дискриминации в сравнении с проекциями лесных и лесосюппмх почв. Дискрммнпаптпып анализ подтвердил статистическую значимость различий по комплексу микробиологических характеристик между лесными и лесостепными почвами с

одной стороны, и почвенным субстратом мазутохранилища и прилегающей территории - с другой стороны (табл. 4).

и 4

Территория мазутохранилища

3 О

о Почвы сосновых лесов и

Z лесостепи

1 А О .........

0 ..............N /..... О

♦

-1 А*

А Территория, прилегающая

-2 к маэутохранипищу

-3 ♦

л 1 . | . I 1

-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12

Root 1

Рисунок 2 - Проекции микробных комплексов почв региона и изучаемого участка до механической рекультивации на оси дискриминации

Таблица 4 - Значимости различий между микробными комплексами по _результатам дискриминантного анализа, р__

Объект Территория мазутохранилища Прилегающая территория

Почвы региона 0,000813 0,000990

Территория мазутохранилища - 0,317313

I 'лапа 4. Состояние объекта после механической рекультивации

Несмотря на проведённую в 2011 г. механическую рекультивацию, биотестирование показало сохранение высокой фитотоксичности ПС. Во всех образцах отмечено статистически значимое (от р 0,05 до р<0,001) снижение всхожести тест-культуры относитсль но контроля. При этом наблюдалась статистически значимая (р 0,001) географическая неравномерность в распределении фитотоксичности. Максимальный уровень фитотоксичности (снижение всхожести и энергии прорастания тест-культуры на 40-50% в сравнении с контролем) отмечен на южной и северной областях восточной

оконечности участка, минимальный (снижение всхожести и энергии прорастания на 6-12%) - на северо-западной оконечности участка (рис. 3).

Рисунок 3 - Карта фитотоксичности ПС на участке после проведения механической рекультивации (цифрами по вертикальной оси показан % снижения прорастания тест-культуры относительно контроля, по горизонтальным осям - расстояние от крайней юго-западной точки участка)

Между образцами отмечены статистически значимые (р<0,001) разиичия по численности и соотношению различных групп микроорганизмов. В целом можно отметить увеличение числа олиготрофных бактерий и снижение числа микроскопических грибов по мере увеличения фитотоксичности пробы. Отмечены статистически значимые положительные корреляции между фитотоксичностью и общей численностью олиготрофных бактерий, фитотоксичностью и долей олиготроф! ых бактерий в общем числе бактерий. Кроме этого, наблюдается статистически значимая отрицательная связь между фитотоксичностью и численностью микроскопических грибов (табл. 5).

Как и при анализе связей между микробиологическими показателями и уровнем мазутного загрязнения до мех шической рекультивации, связь между микробиологическими показателями и <;>итотоксичиостыо после рекультивации лучше описывается при использовании двоичных логарифмов вместо абсолютных значений.

Так, при использовании абсолютных показателей, уравнение множественной регрессии, описывающее связь между комплексом микробиологических показателей и фитотоксичностью, оказывается статистически незначимым.

Таблица 5. Связь микробиологических показателей с фитотоксичностью грунта (приведены максимальные коэффициенты корреляции между микробиологическими показателями и снижением всхожести тест-культуры)

Показатель Коэффициент Значимость

корреляции корреляции, р

Олиготрофы 0,713 <0.05

Грибы -0,721 <0.05

Коэффициент олиготрофности 0,546 нет

Доля олигогрофов 0,878 <0.05

В то же время использование двоичных логарифмов позволяет получить в высшей степени значимое уравнение множественной регрессии (Я=0,997, Я2=р<0,01) (табл. 6). При этом наблюдается практически полное совпадение рассчитанных по уравнению теоретических значений фитотоксичности с реальными значениями (рис. 4).

Рисунок 4 Реальные*и теоретические ' значения фитотоксичности при использовании двоичных логарифмов микробиологических показателей

Таблица 6. Уравнение множественной регрессии, наиболее адекватно описывающее связь между фитотоксичностью и комплексом микробиологических показателей ПС после механической рекультивации:, О — олиготрофы, С - суммарная численность бактерий.___

Переменные

Коэффициенты

[-статистика

Р-Значение

У-пересечение

-298,286

-6,995

0,006

Ьой2(0)

-80,912

-6,847

0,006

Ьо&(С)

83,570

7,479

0,005 0,005 0,006

К-т минерализации

3,351

7,685

К-т олиготрофности

-2,638

-6,834

Доля олиготрофов

322,303

9,513

0,002

Глава 5. Влияние биогенных наночастиц на фитотоксичность почвенного субстрата и состояние микробного комплекса

Для всех типов наночастиц в лабораторных экспериментах отмечен статистически значимый антитоксический эффект. Этот эффект проявился в статистически значимом увеличении энергии прорастания и всхожести тест-культуры в фитотоксичном ПС при внесении суспензий наночастиц в сравнении с контролем. На рисунке 5 показан пример антитоксического действия наночастиц, допированных кобальтом.

120

100

80

60

40

20

-Всхожесть - Энергия прорастания

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0.9 1 Концентрация препарата, %

180

150

120

0,1 0 2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0.8 0,9 1 Концентрация препарата, %

Рисунок 5 - Всхожесть и энергия прорастания (слева) и средняя длина проростков и вариация длины на 6-е сутт (справа) тест-культуры в токсичном грунте при добавлении наночастиц и лабораторном эксперименте, ь % к "чистому" контролю (субстрату из неин решённого участка).

Антитоксический эффект наночастиц проявлялся уже в минимальной концентрации (0,1 мл суспензии наночастиц на 100 мл воды), и рос по мере

повышения концентрации наночастиц. Зависимость антитоксического эффекта от концентрации частиц носила нелинейный характер, и достигала максимума при концентрации суспензии 0,7-0,9% с выходом на "плато" в районе 1%, хотя конкретная форма доэовых кривых для разных типов частиц различалась. Антитоксический эффект дополнялся статистически значимым стимулированием роста проростков и снижением коэффициента вариации и коэффициента осцилляции в сравнении как с "грязным", так и с "чистым" контролем (см. рис. 5).

Полевой эксперимент показал, что в результате внесения наночастиц на всех площадках произошло статистически значимое снижение фитотоксичности грунта, что выразилось в увеличении энергии прорастания тест-культуры на 16-22 процентных пункта, а всхожести - на 16-20 процентных пунктов (табл. 7, 8).

Таблица 7 - Энергия прорастания (%) тест-культуры в образцах грунта, взятых

с контрольных и опытных площадок

№ п/п Контроль Опыт Отношение опыт: контроль Значимость различий между контролем и опытом,Р

1 68 88 1,29 <0,05

2 72 90 1,25 <0,05

3 70 86 1,23 <0,05

4 68 84 1,24 <0,05

5 74 88 1,19 0,05

6 72 90 1,25 <0,05

7 66 86 1,30 <0,05

8 68 84 1,24 <0,05

9 64 86 1,34 <0,01

Таблица 8 - Всхожесть (%) тест-культуры в образцах грунта, взятых с _контрольных и опытных площадок

№ п/п

Контроль

80

78

Опыт

98

96

Отношение опыт:контроль

1,23

1,23

Значимость различий между контролем и опытом,Р

<0,01

<0,01

I

П 78 80 82 78 78 76

98

96" 100 98 98

96 96

1,26 1,23

1.25 1,20

1.26 1,23 1,26

<0,01 <0,01 <6,001 • 0,01 ■ 0,01 0,01 0,01

С'равмсипс всхожсстсй и энергии прорастания по всему набору контрольных и опытных площадок подтвердило статистическую значимость

снижения фитотоксичности грунта при внесении наночастиц (р<0,001 по парному (-критерию, р<0,01 по критерию Уилкоксона и критерию знаков для зависимых выборок). В качестве возможного механизма антитоксического действия можно предположить сорбцию и каталитическое разрушение токсических веществ на поверхности частиц.

Кроме снижения фитотоксичности, наночастицы оказали статистически значимое влияние на микробиологические характеристики изучаемого грунта. Это выразилось как в изменении числепностей разных групп бактерий, так и в изменении коэффициентов минерализации и олиготрофности (табл. 9, 10).

Таблица 9 - Пределы варьирования сост ава микробных комплексов изучаемого участка после проведения механической рекультивации (тыс. КОЕ/г.)_

Показатель Бактерии, усваивающие минеральный азот Аммони-фикаторы Олиготрофы Сумма

Сентябрь 2011

Минимум 1000 4000 25000 58000

Максимум 90000 77000 143000 191000

Август 2012 (контроль)

Минимум 100 100 100 5200

Максимум 46000 47000 100000 154000

Август 2012 (наночастицы)

Минимум 100 3000 6000 14100

Максимум 155000 22000 106000 198000

Таблица 10 - Пределы варьирования микробиологических показателей

изучаемого участка после проведения механической рекультивации

Показатель Коэффициент минерализации Коэффициент олиготрофности Доля олиготрофов

Сентябрь 2011

Минимум 0,077 0,481 0,287

Максимум 22,500 24,250 0,911

Август 2012 (контроль)

Минимум 0,002 0,006 0,004

Максимум 50,000 12,500 0,649

Август 2012 (наночастицы)

Минимум 0,017 0,273 0,058

Максимум 25,833 14,333 0,828

Проекции микробных комплексом почм региона и изучаемого участка после механической рекультивации на оси дискриминации показали, что после внесения наночастиц микробные сообщества сместились в сторону более высокого сходства с естественными сообществами лесов и лесостепей региона.

В то же время микробные сообщества в контрольных точках, наоборот, отдалились от лесных и лесостепных сообществ (рис. 6). 4

3 2 1 О -1 -2 -3 -4

Почвы сосновых лесов и лесостепи

• •

Контроль

▲ А

□

□

□ □ □ Наночастицы

О „ о

О

О u ° □

• °

О

Территория мазутохранилища после рекультивации

О О

-4-3-2-10 1 2 3 4

Root 1

Рисунок 6 - Проекции микробных комплексов почв региона и изучаемого участка после механической рекультивации на оси дискриминации

Это же подтверждается и результатами дискриминантного анализа. Таким образом, внесение изучаемых наночастиц в места остаточного нефтезагрязнения способствует не только снижению фитотоксичности грунта, но и нормализации микробного сообщества.

Практические рекомендации

1. Для быстрого снятия фитотоксичности и нормализации микробиологического состава почвенных субстратов в зонах длительного локального мазутного загрязнения после механической рекультивации рекомендуется использовать смеси водных суспензий биогенных наночастиц ферригидрита и ферригидрита, допированного кремнием, кобальтом и алюминием. Рекомендуемая доза 1 литр 1%-й смеси на I м .

2. Результаты исследований рекомендуется использовать в учебном процессе при преподавании дисциплин "Экология", "Охрана окружающей среды", "Экологическая биотехнология".

Выводы

I. До проведения механической рекультивации в зоне мазутного загрязнения численности бактерий основных эколого-трофических групп и

размах варьирования этих численностей существенно превышали аналогичные показатели для почв региона. Обнаружена положительная корреляция между уровнем мазутного загрязнения и численностью бактерий. Максимальная корреляция отмечена для олиготрофов г=0,958, его статистическая значимость р<0,05).

2. После проведения механической рекультивации сохранилась высокая фитотоксичность почвенного субстрата и статистически значимые отличия его микробных комплексов от микробных комплексов лесов и лесостепей региона.

3. Связь между комплексом микробиологических показателей и фитотоксичностью почвенного субстрата после рекультивации адекватно (R=

0.988. р<0.01) описывается при использовании двоичных логарифмов вместо абсолютных значений численностей.

4. Изученные типы биогенных наночастиц ферригидрита статистически значимо снижают фитотоксичность загрязнённого мазутом почвенного субстрата в лабораторных и полевых условиях, а также стимулируют рост проростков на фоне нефтезагрязнения.

5. Внесение наночастиц в нефтезагряэнённый почвенный субстрат способствует перестройке микробного сообщества в направлении увеличения сходства с сообществами лесных и лесостепных почв региона.

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

Издания, рекомендованные ВАК РФ:

1. Хижняк, C.B. Биогенные наночастицы на основе железа как нейтрализатор токсичности углеводородов / С.В Хижняк, Ю.Л. Гуревич, Е.Я. Мучкина, М.Е. Баранов. II Вестник Красс ГАУ-Красноярск,2011. -№9(60), - С. 157-160.

2. Кучкин, А.Г. Анализ экологической обстановки на объектах эксплуатации ракетно-космической техники Министерства обороны Российской Федерации / А.Г. Кучкин, C.B. Хижняк, Е.Я. Мучкина, М.Е. Баранов, Э.Н. Анпилогов. // Вестник СибГАУ-Красноярск, 2012. - №2(42), - С. 91-95.

3. Хижняк, C.B. Микробиологические характеристики и фитотоксичность загрязненного мазутом грунта в поселке кедровый / С.В Хижняк, Г.А. Демиденко, А.Г. Кучкин, М.Е. Баранов // Вестник Красс ГАУ-Красноярск,2013. - №7(60), - С. 205-210.

Из публикаций в других изданиях основными являются:

4. Баранов, М.Е. Воздействие ракетно-космической техники на окружающую среду / М.Е. Баранов, С.В. Силин // Актуальные проблемы авиации и космонавтики : тезисы Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых специалистов / под общ. ред. И.В. Ковалева ; Сиб ГАУ - Красноярск, 2008. С. 181-182

5. Баранов, М.Е. Нуги снижении вредного воздействия ракетно-космических комплексов на окружающую среду / M.I'.iiapaiioB, U.M. Анпилогов, О.Л.Платонов // Рсшстнсвскис чтения: материалы XII Международной научной конференции, посвященной памяти генерального коттрукгора ракетно-космических систем академика М.Ф. Рететнева / под общ. ред. H.H. Ковалева ; Сиб I ЛУ Красноярск, 2008. С. N4-150.

6. Анпилогов, U.U. К проблеме восстановления почвы, загрязненной нефтепродуктами па военных объектах / U.M. Лпнилогов. М.Ii.Баранов,

О.А.Платонов // Экономика природопользования и природоохраны: сборник статей XI Международной научно-практической конференции / под общ. ред. профессора В.В. Арбузова; Приволжский дом знаний - Пенза, 2008. - С. 120-122.

7. Баранов, М.Е. Загрязнение почвы углеводородным сырьем и ее биологическая активность / М.Е.Баранов // Решетневские чтения: материалы XIII Международной научной конференции, посвящ. 50-летию Сиб.гос. аэрокосмич.ун-та имени академика М.Ф. Решетнева: в 2ч.; под общ. ред. IO.IO. Логинова ; Сиб ГАУ -Красноярск, 2009.-Ч. I. - С. 294-295.

8. Анпилогов, В.Н. Биотестирование для оценки загрязнения почв нефтью / В.Н. Анпилогов, М.Е.Баранов, O.A. Платонов, H.H. Шаталова II Молодежь. Общество. Современная наука, техника и инновации.: сборник тезисов, на иностранных языках. VIII Всероссийской научной конференции с международным участием.под общ. ред. В.Ф. Шабанова, Г.П. Белякова, М.В. Савельевой; Сиб ГАУ - Красноярск, 2009. - С. 87-88.

9. Баранов, М.Е. Загрязнение нефтепродуктами как фактор формирования микробного сообщества почв / М.Е. Баранов, C.B. Воробьева // Биологически активные вещества микроорганизмов: прошлое, настоящее, будущее: Всероссийский симпозиум с международным участием. Москва; МГУ имени М.В.Ломоносова. Биологический факультет. 27-29 января 2011 г. : Материалы /Отв.ред. Нетрусов А.И., Колотилова H.H. - М.: МАКС Пресс, Москва, 2011. -С. 15.

10. Елисеева,Т.В. Фитотоксические и микробиологические характеристики загрязненного мазутом участка в пос. Кедровый после проведения механической рекультивации / Т.В. Елисеева, М.Е. Баранов, В.Н. Анпилогов // Молодежь и наука: сб. мат-лов VIII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной 155-летию со дня рождения К.Э.Циолковского [Электронный ресурс]. — Красноярск: Сибирский федеральный ун-т, 2012. — Режим доступа: http://conf.sfu-kras.ru/sites/mn2012/section04.html, свободный.

11. Anpilogov, V.N. The influence of strategic objects on the environment / V.N. Anpilogov, M.E. Baranov, L.A. Gerasimova, A.I. Kuklina. // Zbior raportow naukowych. «Perspektywy rozwoju badan naukowych w 21 wieku». - Szczecin: Wydawca:Sp.zo.o. «Diamond trading tour», 2013. - str. 17-21.

12. Елисеева, Г.В. Основные подходы и роль биоремедитации в восстановлении нефтезагрязненных почв / Т.В. Елисеева, М.Е. Баранов // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки: Всероссийская научно-практическая конференция (с международным участием). Сборник статей студентов, аспирантов и молодых ученых. - Красноярск: Сиб ГТУ, том 2,2013. - С. 170-173.

13. Хижняк, C.B. Эффект наночастиц биогенного ферригидрита в детоксикации загрязненного мазутом трута / C.B. Хижняк, Л.Г. Кучкин, М.Е. Баранов // Решетневские чтения: материалы XVIII Междупар. науч. конф., посвящ. 90-летию со дня рождения тепер. конструктора ракст.-космич. систем акал. М. Ф. Решетнева (II 14 пояГ).2()14, i. Красноярск) : в 3 ч. / под общ. ред. К). К). Логинова ; Сиб. гос. а фокосмич. vii-i. Красноярск. 2014. 4.2. С. 363-364.

Саннтарио- ншдипиюгнческос заключение Jv" 24.49.04.953.11.000032.01.0.1 от 29.01.2003 r. Подписано и исчам. 24.02.2015. Формат 60x84/16. byinai а офсетная. 11счап. плоска». Усл. псч. л. I.i Тираж 100 ж i. Заказ № 255 lli.'Uiicjii.ciTio Сибирского государе сиси loro ачрокосмичсского уимисрспгста 660014, г. Красноярск, проем, им. m i. «Красноярским рабочий». .11.

15~-2572

2014270442

2014270442