Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Функционально-морфологические изменения высших растений при действии нефтяного, солевого и нефтесолевого загрязнения почв

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Функционально-морфологические изменения высших растений при действии нефтяного, солевого и нефтесолевого загрязнения почв"

005013772

ЦУЛАИЯ АННА МЕБРДЗОЛИЕВНА

ФУНКЦИОНАЛЬНО-МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ

ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ ПРИ ДЕЙСТВИИ НЕФТЯНОГО, СОЛЕВОГО И НЕФТЕСОЛЕВОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ

03.02.08 - экология (биология)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

1 5 м ' 13 70

Тюмень

-2012

005013772

Работа выполнена в Тюменской государственной сельскохозяйственной академии

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

кандидат биологических наук, профессор Тюменской государственной сельскохозяйственной академии Людмила Владимировна Михайлова доктор биологических наук, в.н.с. Института проблем экологии и эволюции им А.Н. Северцова РАН

Терехова Вера Александровна

доктор биологических наук, профессор Сургутского государственного университета Шепелева Людмила Федоровна

Ведущая организация:

Московский государственный университет

Защита диссертации состоится 28 марта 2012 г. в 1630 часов на заседании диссертационного совета ДМ 220.064.02 при Тюменской государственной сельскохозяйственной академии по адресу: 625003 г. Тюмень, ул. Республики 7.

Тел/факс (3452) 46-87-77; E-mail: dissTGSHA@maiI.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тюменской государственной сельскохозяйственной академии.

Автореферат разослан 25 февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат с.-х. наук

Н.В. Литвиненко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Нефтедобывающая промышленность составляет основу экономики России и в то же время является одной из наиболее опасных отраслей хозяйства по воздействию на окружающую природную среду (Михайлова, 2006; Геннадиев, Пиковский, 2010; Соромотин, 2010). В результате аварий, а их в 2001-2010 гг. насчитывалось от 1598 до 5480 в год, происходит загрязнение окружающей среды нефтью, а также подтоварными и сеномански-ми водами, используемыми для поддержания пластового давления и обладающими агрессивными химическими свойствами (Большаник, 2003; Отчет о состоянии..., 2011). Нефтесолевое загрязнение территорий промыслов ХМАО-Югры больше чем механическая трансформация земель (Чижов, 1998; Садов, Солнцева, 2003). В литературе достаточно широко освещено влияние нефтяного и солевого загрязнения на растительность, как в полевых, так и в лабораторных условиях. Данные по совместному действию нефти и хлорида натрия практически отсутствуют. Вместе с тем нефтесолевое загрязнение таит в себе большую опасность для экосистем. Изучение механизмов и последствий влияния нефти на растительность и транслокацию в них нефтяных углеводородов важно не только для экосистем, но и для человека, поскольку растения накапливают ароматические углеводороды, в том числе мутагенные и канцерогенные.

В связи с этим, актуальным является изучение действия нефтяного и солевого загрязнения порознь и совместно как на сельскохозяйственные растения, так и на растительный покров в районах нефтедобычи, а также накопление в них опасных экотоксикантов.

Цель исследований - оценка влияния нефтяного, солевого и нефтесоле-вого загрязнения на морфофункциональные показатели сельскохозяйственных растений.

Задачи исследований:

1. Изучить влияние нефтяного, солевого и нефтесолевого загрязнения на лук репчатый, овес посевной, кострец безостый.

2. Сравнить исследуемые растения по чувствительности и устойчивости к данным видам загрязнения.

3. Исследовать действие нефтяного загрязнения на сельскохозяйственные растения в кратковременных и хронических опытах и накопление ими нефтяных углеводородов.

4. Оценить фитотоксичность почв территории ХМАО с разной давностью нефтесолевого загрязнения и рекультивации методом биотестирования.

5. Установить пороговые и подпороговые концентрации нефти в торфяной почве по показателям фитотоксичности, транслокации, генотоксичности.

Научная новизна работы. Впервые на торфяных почвах изучено влияние на растения {Allium сера, Avena sativa, Bromopsis inirmus) раздельно и совместно нефти и хлорида натрия. Показана различная чувствительность и устойчивость растений к данным типам загрязнения.

Установлены пороги транслокации и токсического действия нефти на сельскохозяйственные растения и растительность на территории нефтедобычи.

С помощью биотестирования оценена токсичность нефтезагрязненных почв с территории ХМАО разной давности загрязнения и рекультивации.

Практическое значение работы. Данные по фитотоксичности, геноток-сичности, транслокации нефти и биотестированию вошли в отчет по НИР «Разработка и апробация нормативов предельно допустимого уровня нефти в почвах органогенного и минерального типов для территории ХМАО-Югры» (Тюмень, 2009). Госконтракт № 84.7.2/4/2 с Департаментом охраны окружающей среды и экологической безопасности ХМАО.

Материалы диссертации используются в лекциях и практических занятиях по курсу «Экологическая токсикология» для студентов отделения «Водные биоресурсы и аквакультура» Института биотехнологии и ветеринарной медицины Тюменской государственной сельскохозяйственной академии.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Нефтяное, солевое и нефтесолевое загрязнение торфяной почвы вызывает нарушение роста и развития, хромосомные перестройки и гибель клеток в меристеме корней сельскохозяйственных растений и инициирует неспецифический физиолого-биохимический ответ.

2. Растения обладают разной чувствительностью и устойчивостью по отношению к изучаемым видам загрязнения.

3. Нефтяные углеводороды накапливаются в опасных для человека и животных концентрациях сельскохозяйственными и дикорастущими растениями.

4. Почвы, подвергшиеся нефтесолевому загрязнению разных лет давности, сохраняют токсичность длительное время (более 25 лет) даже после рекультивации и вызывают трансформацию растительного покрова.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной академической конференции «Состояние, тенденции и проблемы развития нефтегазового потенциала Западной Сибири» (Тюмень, 2008); Международной научно-практической конференции «Пути повышения эффективности сельскохозяйственного производства в Сибирском регионе» (Тюмень, 2009); I конференции молодых ученых NACEE «Вопросы аквакультуры» (Тюмень, 2009); VI Всероссийской научно-практической конференции Тобольск-научный (Тобольск, 2009); Всероссийском конкурсе (2 и 3 тур) на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых уче-

2

ных ВУЗов Министерства сх РФ (Троицк, 2010; Краснодар, 2010); Всероссийской конференции «Отражение био-гео-антропосферных взаимодействий в почвах и почвенном покрове» (Томск, 2010); Конференции молодых ученых «Научно-техническое творчество молодежи - агропромышленному комплексу Урала и Сибири» (Тюмень, 2010); Международной конференции «Окружающая среда и менеджмент природных ресурсов» (Тюмень, 2010); Международной научно-практической конференции «Экологическая безопасность и сбалансированное природопользование в АПК» (Киев, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 4 работы в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Материал изложен на 193 страницах машинописного текста. Состоит из введения, 6 глав, выводов. Содержит 31 таблицу, 57 рисунков и 7 приложений. Список литературы включает 277 источников, в том числе 53 иностранных авторов.

Личный вклад. Исследование влияния нефтяного, солевого, нефтесоле-вого загрязнения на 3 вида растений и биотестирование почв с территории ХМАО выполнены автором в 2008-2011 гг. самостоятельно. Вегетационные опыты и определение транслокации углеводородов в растения проведено совместно с сотрудниками Уфимского НИИ медицины труда и экологии человека, обследование нефтезагрязненных почв в районах нефтедобычи ХМАО-Югры и отбор проб проводилось совместно с сотрудниками Сибирской ЛОС, чему посвящены совместные публикации.

Автор выражает глубокую благодарность родителям, супругу и сотрудникам кафедры водных биоресурсов и гидроэкологии ТГСХА за помощь и поддержку, сотрудникам УфНИИМТиЭЧ к.м.н. Дубининой О.Н., к.б.н. Юсуповой З.Р., Хуснутдиновой Н.Ю., сотрудникам Сибирской ЛОС д.б.н. Чижову Б.Е., Черкашиной М.В., а также с.н.с. ФГУП «Госрыбцентр» А.И. Коваленко и к.ф,-м.н. ТюмГУ A.A. Кудрявцеву за консультации при выполнении химических анализов.

Особую признательность и благодарность выражаю моему научному руководителю к.б.н. Людмиле Владимировне Михайловой за постоянную помощь, терпение и чуткость, проявленные при выполнении, обсуждении и написании диссертации и за весь период работы на кафедре.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ 1 Обзор литературы

Освещено современное экологическое состояние территории нефтегазового комплекса ХМАО. Проанализированы публикации по воздействию нефтяного и солевого загрязнения почв на растения.

2 Материал и методы исследований

В опытах использовали нефть, поступающую по трубопроводу из п. Ша-им на нефтеперекачивающую станцию г. Тюмени и хлорид натрия (минерал га-лит, NaCl). Почвы (верховой торф) для опытов были отобраны в экологически чистом районе ХМАО. В опытах по изучению влияния нефтяного (0,1; 0,5; 2,5; 12,5 г/кг), солевого (0,05; 0,25; 1,25; 5,0 г/л) и нефтесолевого (0,1; 0,5; 2,5;12,5 г/кг+5,0 NaCl) загрязнения использовали лук репчатый Allium сера L., овес посевной Avena sativa L., кострец безостый Bromopsis inermis (Leyss) Holub. Почву освобождали от посторонних включений, измельчали и высушивали, вносили раствор нефти в петролейном эфире 40-70. Растения выращивали при температуре 18-22°С в лаборатории. При нефтяном загрязнении полив производили отстоянной питьевой водой, при солевом - растворами NaCl соответствующих концентраций, при нефтесолевом - раствором NaCl (5,0 г/л). Повторность опытов четырехкратная, длительность - лук 20-30 сут, овес и кострец - 10-20 сут.

Определяли: длину и количество корней и листьев, ростовые индексы (Петухова, 2008); содержание пигментов фотосинтеза (Методические указания..., 1989), аскорбиновой кислоты (Hewitt, Dickes, 1961), активность перок-сидазы (Юсупова и др., 2006) в листьях растений; число хромосомных аберраций и погибших клеток в корнях (Временное методическое руководство, 2002).

В вегетационных опытах использовали овсяницу луговую Festuca pratensis Huds., тимофеевку луговую Phlenium pratense L., кострец безостый Bromopsis inermis (Leyss) Holub, вику яровую Vicia sativa L„ донник белый Melilotus alba Medïk. свеклу столовую Beta vulgaris, горчицу белую Sinopsis alba L„ салат посевной Lactuca sativa L., горох посевной Pisum sativum L„ огурец обыкновенный Cucumis sativus L. Фитотоксичность нефти определяли с нормализацией pH и без. В почву (верховой торф) добавляли известь (СаС03) и нефть (0,3; 1,0; 3,0; 10,0 г/кг). Проращивали семена овса, горчицы, огурца, гороха, костреца, тимофеевки, овсяницы. На 3-5 сут подсчитывали число проросших семян, на 7-10-е - измеряли длину корней проростков. Длительные ( 1-4 мес) вегетационные опыты проводились в теплице, где условия соответствуют требованиям вегетации (Журбицкий, 1968). Выращивали свеклу, салат, овес, лук, тимофеевку, донник, кострец, вика-овсяную смесь, семена которых соответствовали ГОСТ 52325-2005. По достижении полного развития выполнялась уборка растений и определение массы листьев, корней, массы соцветий, зерен и корнеплодов, количество побегов, а также уровень накопления нефтяных углеводородов (ПНД Ф 16.1:2-2.22-98). В экспериментах без нейтрализации pH в торф известь не добавляли, концентрации нефти были 0,3; 1,0; 3,0; 10,0 г/кг. Определяли рост корней, листьев и изменения в клетках корней костреца, тимофеевки, овсяницы.

Полевые исследования проводили в Сургутском и Нижневартовском районах ХМАО, отбирали пробы почв с участков, подвергшихся свежему и давнему (1-25 лет) нефтяному загрязнению, рекультивированных и не рекультивированных. Во всех образцах почв определяли рН (ГОСТ 2623-85), хлориды (ГОСТ 26425-85), нефтепродукты (РД 52.18.575-96). В лаборатории пробы высушивали, освобождали от посторонних включений, измельчали и проращивали семена овса и костреца в течение 7 дней. Определяли: всхожесть семян, массу проростков, количество и длину листьев и корней.

Статистическую обработку экспериментальных данных и корреляционный анализ проводили по общепринятым методикам (Лакин, 1980) с использованием пакета программ Microsoft Excel и программы Statistika.

Глава 3 Изменение функционально-морфометрических показателей растений при действии нефтяного, солевого и нефтесолевого загрязнения 3.1 Влияние нефти, соли и их совместного действия на Allium сера, Avena sativa, Bromopsis inermus

Нефть в исследуемых концентрациях стимулировала рост корней и листьев лука в длину (рис. I А, Б). Усиление вегетации сопровождалось резким увеличением содержания пигментов фотосинтеза во всем диапазоне концентраций на протяжении опыта: хлорофилла «а» - на 73-453%, «б» - на 27-636%, каротиноидов - на 63-332%. Содержание других компонентов антиоксидантной системы (пероксидаза, аскорбиновая кислота) от контроля отличалось не существенно. Показатели длины корней и листьев, содержание пигментов и аскорбиновой кислоты, активность пероксидазы были связаны прямой коррелятивной связью (г= 0,70-0,92) с концентрацией нефти в почве. Такая динамика свидетельствует о высокой устойчивости лука к нефтяному загрязнению. Вместе с тем проявилось поражающее действие нефти на клетки меристемы корней. В них наблюдались нарушения хромосомного аппарата, сопровождающиеся гибелью клеток (г=0,74-0,99).

Соль незначительно стимулировала количество листьев лука, снижала длину листьев и корней (рис. 1А) и угнетала их рост в максимальной концентрации (рис. 1 Б). Содержание хлорофиллов, каротиноидов, аскорбиновой кислоты и активность пероксидазы возрастали до 10 сут, с последующим снижением ниже контроля (кроме аскорбиновой кислоты). Истощение защитных механизмов сопровождалось ростом гибели клеток в меристеме корней в 3,7-14,2 раза и отмиранием всего растения при содержании соли выше 0,25 г/л. Обнаруживалась обратная корреляционная зависимость высокой степени (г=-0,71-0,99) всех показателей от концентрации соли в почве.

650 % 600 -550 -500 -450 -400 -350 -300 -250 -200 -150 -100 —К;

50 - &

0 -М®

Ж

длина корней

длина хлорофилл хлорофилл каротиноиды листьев "а" "б"

ПО

АК

650 600 -550 -500 -450 -400 350 -300 -250 -200 -150 -100 50

Л

длина корней

длина хлорофилл хлорофилл каротиноиды ПО листьев "а" "б"

ш

АК

3 нефтяное

0 нефтесолевое

В солевое

ПО - активность пероксидазы АК - аскорбиновая кислота

Рисунок 1 - Функционально-морфометрические показатели лука в нефти, соли и их совместном действии в минимальной (А) и максимальной (Б) концентрации (% к контролю)

При совместном действии нефти и соли рост корней и листьев лука полностью ингибировали концентрации нефти 2,5 и 12,5 г/кг. Содержание хлоро-филлов было ниже контроля на 78-94 % при концентрациях нефти в почве 0,1 и 0,5 г/кг (рис. 1А). Был подавлен и синтез каротиноидов. В вариантах опыта 2,5 и 12,5 г/кг нефти рост листьев начинался только с 15 сут. Содержание других компонентов антиоксияантной системы резко увеличилось: пероксидазы - на 155-277%, аскорбиновой кислоты - на 124-240% против контроля. Положительно коррелировали с концентрацией нефти в почве только содержание аскорбиновой кислоты, гибель клеток и частота хромосомных аберраций (г=0,71-0,92).

Сравнивая ответную реакцию овса и костреца в фазе 2 листа развития (табл. ]), можно оценить не только характер и силу возникших изменений, но и чувствительность и устойчивость растений к гидрофобному (нефть) и гидрофильному (№С1) поллютантам и их смеси.

Таблица 1 - Морфометрические показатели овса и костреца при разных видах загрязнения (% к контролю)

Вари- Всхо- Длина Длина Коли- Всхо- Длина Длина Коли-

анты жесть листь- корней чество жесть листь- корней чество

опыта семян ев корней ев корней

Г Овес Кострец

Нефтяное загрязнение

к 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0 100,0

0,1 108,1 121,9 92,5 95,9 86,0 83,2 100,0 104,0

0,5 81,1 113,2 97,5 104 75,2 88,3 116,7 120,0

ГЦ- 89,2 95,6 85,0 114,2 63,8 78,1 183,3 100,0

12,5 67,5 92,3 85,0 114,2 52,1 59,8 175,0 96,0

Солевое загрязнение

К 100,0 100,0 100 100,0 100,0 100,0 100,0

0,05 97,0 50,6 27,6 ПооУ-1 85,0 80,2 112,5 75,0

0,25 89,0 85,7 39,6 81,7 64,8 91,3 106,2 87,5

1,25 74,0 16,7 6,13 64,4 54,1 74,0 68,7 46,2

5,0 52,0 16,0 5,28 59,1 39,4 45,6 55,5 25,0

Нефтесолевое загрязнение

К 100,0 100,0 100,0 100 100,0 100,0 100,0 100,0

0,1 23,6 102,9 14,8 63,9 54,5 Г 107,0 85.7 103,7

0,5 26,0 173,1 35,5 84,3 44,3 101,7 96,2 92,6

2,5 25,6 1 170,6 363 66,7 37,2 96,5 85,7 111,1

12,5 24,6 146,5 24,3 68,0 22,5 92,1 85,6 96,3

Примечание: жирным шрифтом выделены статистически достоверные различия с контролем

Солевое и нефтесолевое загрязнение затормаживали развитие растений. Всхожесть семян у костреца отставала от контроля в варианте с нефтью на 1448%, с солью - на 15-61%, с нефтесолевым загрязнением - на 45-77%.У овса отличие от контроля по данному тесту при нефтяном и солевом загрязнении меньше (на 11-32 и 11-48% соответственно) и возникало при более высоких концентрациях, а в варианте с нефтесолевым загрязнением - больше (на 7476%) и не зависело от концентрации нефти. Следовательно, токсичность при совместном действии в основном обусловлена солью. У костреца при действии нефти увеличивалось количество листьев, но затормаживался их рост в длину,

центрацией нефти 2,5 и 12,5 г/кг, В то же время у овса наблюдалась стимуляция роста листьев в длину в минимальной концентрации (0,1 г/кг) при отсутствии изменений прочих морфометрических показателей.

Изменение функциональных показателей было более существенным. У костреца содержание хлорофилла «а», «б» и каротиноидов увеличивалось в ответ на действие нефти в 1,1-2,5 раза, оставаясь на уровне контроля при максимальной концентрации. Активность пероксидазы резко снижалась во всех вариантах опыта, содержание аскорбиновой кислоты не отличалось от контроля (рис. 2). 250 200

Овес Кострец

Овес

Кострец

Овес Кострец _ Овес Кострец

Ш хлорофилл "а" 0хлорофилл "б" 0каротиноиды ЯПО ВАК

ПО - активность пероксидазы А К - аскорбиновая кислота

Рисунок 2 - Изменение функциональных показателей овса и костреца при разных видах загрязнения в минимальной (слева) и максимальной (справа) концентрациях

У овса содержание пигментов возрастало против контроля в 1,2-2,2 раза при концентрации нефти 12,5 г/кг, а в варианте опыта 0,1 г/кг - содержание

хлорофилла «б» было снижено на 43,8%. Биохимические показатели изменялись не существенно, за исключением аскорбиновой кислоты, содержание которой в максимальной концентрации превысило контроль в 1,3 раза.

При действии соли у костреца и овса наблюдался противоположный эффект. У овса содержание пигментов фотосинтеза было снижено на 51-94%, активность пероксидазы оставалась на уровне контроля, а содержание аскорбиновой кислоты возрастало в 1,7-1,9 раз. У костреца содержание хлорофилла «а», «б» и каротиноиды превышали контроль в 1,2-3,4 раза во всех вариантах опыта, наиболее существенной разница была при концентрациях соли 1,25 и 5,0 г/л. Достоверно отличалась от контроля активность пероксидазы при содержании хлорида натрия 5,0 г/л - в 1,3 раза, и содержание аскорбиновой кислоты - в 1,2-1,4 раза в вариантах опыта 1,25 и 5,0 г/л.

При совместном действии двух поллютантов у овса содержание пигментов фотосинтеза было снижено против контроля на 30-70%, но в 1,5-2 раза превышало аналогичные показатели при действии солевого загрязнения. Активность пероксидазы и аскорбиновой кислоты значительно возрастала - в 1,8-2,8 и 1,6-1,8 раз. Реакция костреца была иной: содержание хлорофилла «а» не отличалось от контроля, хлорофилла «б» и каротиноидов было снижено на 2640% в максимальных концентрациях нефти. Активность пероксидазы также возрастала лишь при высоком содержании загрязнителя, а содержание аскорбиновой кислоты снижалось пропорционально концентрациям нефти в почве.

Хромосомные аберрации во всех видах загрязнения у овса и костреца превышали контроль в 1,3-2,0 раза, гибель клеток в корнях костреца превышала в 1,6-4,8 раз, у овса - значительно возрастала при солевом (в 3,1-11,2 раза) и была выше, чем при нефтесолевом (в 4,5-7,8 раз) загрязнении.

3.2 Оценка чувствительности и устойчивости растений к разным видам загрязнения

Для сравнительной оценки чувствительности лука, овса и костреца к исследуемым видам загрязнения было подсчитано общее число показателей, со статистически достоверным отклонением от контроля в каждом варианте у каждого вида растений. В число негативных отклонений включены: снижение прорастания семян и луковиц, длины и количества листьев и корней, содержание пигментов фотосинтеза и аскорбиновой кислоты, активности пероксидазы, увеличение хромосомных аберраций и гибели клеток в корнях. В число показателей, возрастающих при действии поллютантов, включены: морфометрия, пигменты фотосинтеза, активность пероксидазы и содержание аскорбиновой кислоты.

По сумме достоверных отклонений от контроля у растений в сторону угнетения и стимуляции судили о чувствительности, по величине отклонений показателей в сторону угнетения в максимальных концентрациях - об устойчивости.

По увеличению чувствительности растения в соответствии со средним баллом суммы всех отклонений от контроля расположились в следующий ряд:

Нефть - овес < кострец < лук;

Соль - лук < кострец < овес;

Нефть+соль - кострец < овес < лук.

По увеличению устойчивости растения расположились в следующий ряд:

Нефть - кострец< овес <лук;

ЫаС1 - овес < лук <кострец;

Нефть+ ЫаС1 - лук< овес <кострец.

Таким образом, растения обладают разной чувствительностью и устойчивостью к разным видам загрязнения. Лук - наиболее чувствительный и наиболее устойчивый к нефти; наименее чувствительный и среднеустойчивый к соли; наиболее чувствительный и наименее устойчивый к нефтесолевому загрязнению. Овес - наименее чувствительный и среднеустойчивый к нефтесолевому загрязнению; наиболее чувствительный и наименее устойчивый к соли; средне-чувствительный и среднеустойчивый к нефтяному загрязнению. Кострец -среднечувствительный и наименее устойчивый к нефти; среднечувствительный и наиболее устойчивый к соли; наиболее чувствительный и наиболее устойчивый к нефтесолевому загрязнению. Овес и лук можно использовать в биотестировании, кострец - при рекультивации нефтесолезагрязненных почв.

Глава 4 Токсический эффект нефти при кратковременном и длительном воздействии на растения

При проращивании семян культурных растений на торфе с оптимизированной рН и нефтью их всхожесть практически не отличалась от контроля. Длина корней горчицы и гороха снижалась, у овса и огурцов наблюдалась стимуляция роста корней.

После завершения длительных (1-4 месяца) вегетационных опытов средняя масса листьев лука и овса, выращенных в нефтезагрязненном торфе, не отличалась от контроля, а у салата и свеклы - превышала контроль на 33,8202,7% и 30,5-65,7% соответственно. Масса корней салата при содержании нефти 1,5-3,0 г/кг превышала контроль. У свеклы наблюдалась стимуляция роста корнеплодов в почвах до концентрации 1,5 г/кг, а их средняя масса снижалась при содержании нефти 3,0 г/кг (табл. 2).

Таблица 2 - Показатели роста и развития сельскохозяйственных растений в нефтезагрязненном торфе к концу вегетации (% к контролю)

Культура Показатель Концентрации нефти, г/кг почвы

0 0,3 0,7 1,5 3,0

Салат Масса листьев 100,0 97,2 133,8 178,0 302,7

Масса корней 100,0 74,0 111,1 148,1 192,5

Свекла Масса листьев 100,0 148,8 165,7 136,7 130,5

Масса корнеплодов 100,0 128,6 127,6 124,4 70,8

Овес Масса листьев 100,0 98,3 96,7 100,0 80,6

Масса корней 100,0 112,6 166,6 213,5 92,4

Масса зерен, 100,0 100,0 112,5 131,2 75,0

Лук Масса листьев 100,0 95,6 95,4 98,0 100,7

Примечание: жирным шрифтом выделены статистически достоверные различия с контролем

У овса масса корней и зерен увеличивалась при содержании нефти 0,7 и 1,5 г/кг и снижалась при концентрации 3,0 г/кг. При совместном выращивании овса с викой при содержании нефти 0,3-3,0 г/кг у обоих растений наблюдалось угнетение роста корней (у овса с концентрации 1,5 г/кг, у вики во всех вариантах) и стимуляция роста зеленой массы, цветков и количества цветущих растений у вики. У овса, напротив, масса надземной части растений снижалась в концентрациях 3,0-10,0 г/кг.

Луговые растения завершали вегетацию, хотя и испытывали негативное влияние экотоксиканта: у костреца нефть стимулировала рост корней до концентрации 1,5 г/кг и угнетала рост листьев при концентрации выше 1,5 г/кг, у овсяницы наблюдалось усиление роста зеленой массы в вариантах 0,3 и 0,7 г/кг нефти и угнетение в более высоких (1,5 и 3,0 г/кг), а рост корней усиливался во всех исследуемых концентрациях. У тимофеевки наблюдалось угнетение роста всего растения во всем диапазоне исследуемых концентраций. У донника масса листьев и корней существенно от контроля не отличалась.

У трав, выращенных на нефтезагрязненном торфе без нейтрализации рН, рост корней угнетался: у костреца на 70-83 %, у тимофеевки - 50-60%, у овсяницы - 41-45%. Гибель клеток в меристеме корней была наибольшей у тимофеевки - 50 %, затем у овсяницы - 33-35% и костреца - 29-39%. Максимальное число хромосомных нарушений в клетках корней отмечалось при содержании нефти 10,0 г/кг и превышало контроль в 2,0-2,5 раза. Наиболее частыми были множественные нарушения, что характеризует нефть как потенциальный мутаген.

Глава 5 Фитотоксичиость почв в районах нефтедобычи ХМАО Биотестирование проб почв из районов аварийных разливов нефти разной давности (с рекультивацией и без) и с «фоновых» (относительно чистых) тер-

риторий с помощью тест-организмов, в том числе овса и костреца, показало практически полное отсутствие нетоксичных почв в районах нефтедобычи (табл. 3).

Таблица 3 - Градация исследованных почв по токсичности

Градация Индекс Диапазон концентраций, г/кг Средняя величина, г/кг % встречаемости

Не токсичные НТ 0,61-0,79 0,7 1,8

Малотоксичные МТ 0,80-6,10 5,3 9,8

Среднетоксичные СТ 6,20-34,70 9,0 33,9

Высокотоксичные ВТ 35,00-1251,00 259,6 54,5

Содержание хлоридов в почвах составляло 0,17-2,6 г/кг

Из тестовых растений более чувствительным был овес. При действии нефтесолезагрязненых почв у него снижались всхожесть семян (на 22-84%), длина листьев (26,9-78,1%), длина корней (31,9-78,1%) и масса растений (24,967,8%). Кострец подтвердил свою более высокую устойчивость.

На обследованной территории в период комплексной экспедиции совместно с сотрудниками Сибирской ЛОС на фоновых (чистых) участках было определено 47 видов травянисто-кустарничковой флоры, а также подрост деревьев березы, ивы, осины, редко хвойных. Доминирующими видами были: пушица (разные виды), осоки, вейник, частуха подорожниковая, подбел много-листный, вахта трехлистная, политриховые мхи, сфагнум оттопыренный, клюква, морошка, багульник, голубика. На участках, где содержание нефтепродуктов составляло 0,8-3,0 г/кг, отсутствовали кустарнички, мхи. При содержании нефти 3,0-10 г/кг увеличивалось количество сеяных трав - череды, ячменя, тимофеевки. При более высоком содержании нефтепродуктов встречались лишь устойчивые виды - пушица, череда, рогоз, кипрей и сеяные травы.

На фоновых участках проективное покрытие составляло 72-98%. На участках с содержанием нефти выше 1,0 г/кг проективное покрытие снижалось до 47-25%.

Таким образом, биотесгирование почв, отобранных на местах аварий, и оценка состояния растительного покрова показали, что трансформированная в течение длительного времени в естественных условиях нефть представляет опасность для растений, вызывая снижение видового разнообразия и гибель наиболее чувствительных представителей флоры.

Глава 6 Транслокация нефти в растения

Опасные .экологические последствия нефтяного загрязнения сопряжены с накоплением нефтяных углеводородов растениями, используемыми в пищу человеком и животными (табл. 4).

Таблица 4 - Остаточное содержание нефтяных углеводородов (мг/кг) в сельскохозяйственных растениях по окончании вегетации _

Объект исследования Концентрации нефти, г/кг почвы

0 0,3 0,7 1,0 1,5 3,0 10,0

Овес листья н/о н/о - н/о - 84,0 200,0

корни н/о н/о - н/о - 33,3 53,5

Свекла листья н/о 1,8 - 3,6 - 6,6 12,0

корнеплоды н/о 1,8 - 4,8 - 7,0 15,7

Лук листья н/о н/о н/о - 2,6 6,6 12,0

луковица н/о н/о 6,7 - 10,0 24,6 37,6

Кострец корни н/о н/о н/о - н/о н/о 60,0

Овсяница корни 8,5 125,0 135,0J - 165,0 185,0 400,0

Тимофеевка корни 24,0 45,0 63.3 - 83,3 173,0 282,0

Вико-овсяная смесь:

Овес листья н/о н/о н/о - н/о 33,3 96,6

корни н/о н/о н/о - н/о 33,3 53,5

Вика листья н/о н/о н/о - 114,6 186,6 236,8

Примечание: н/о - не обнаружено.

Нефтяные углеводороды обнаружены в наземной части овса, в листьях и корнеплодах свеклы, в зелени и луковице лука. В организм человека возможно поступление нефтяных углеводородов со свеклой при содержании их в почве 1,0 г/кт и с луком - при содержании 1,5 г/кг, что определено в соответствии с гигиеническими нормативами. Луговые травы и овес могут быть источником поступления нефтепродуктов в организм крупного рогатого скота, а те, в свою очередь, являются их источником для человека (по трофической цепи).

Особенно опасно накопление растениями ароматических углеводородов, мутагенных и канцерогенных, содержание которых в верхнем (0,5 см) слое торфяных почв в районах нефтедобычи ХМАО колебалось от 2 до 6710 мкг/кг, в то время как ПДК для 3,4-БП (индикаторный ПАУ) для почвы составляет 0,02 мкг/кг. Растения, произрастающие на территории, загрязненной нефтью более 10-20 лет, ароматические углеводороды накапливают до опасных уровней (в мг/кг): ягоды клюквы - до 480, морошки - до 730, брусники - до 701, голубики - до 203, грибы - до 902, орехи кедровые - до 730. Транслокация загрязняющих

веществ (в том числе нефти) в растения является одним из основных критериев при нормировании, особенно для почв сельскохозяйственного назначения.

ВЫВОДЫ

1. Нефтяное загрязнение торфяной почвы стимулирует прорастание семян и луковиц, количество листьев и корней, содержание пигментов фотосинтеза и подавляет синтез аскорбиновой кислоты и пероксидазы. Солевое загрязнение угнетает прорастание и рост растений, содержание пигментов фотосинтеза; стимулирует пероксидазу и аскорбиновую кислоту. Совместное действие нефти в варьирующих концентрациях и соли в максимальной концентрации угнетает растения меньше, чем только соль в максимальной концентрации, но больше чем нефть.

2. При действии нефти и хлорида натрия у растений возникает сильный окислительный и энергетический стресс, о чем свидетельствует активация ан-тиоксидантной системы (пероксидаза, аскорбиновая кислота, каротиноиды, хлорофиллы). Фазные изменения компонентов антиоксидантной системы отражают процесс стресс-индуцированной оптимизации метаболизма, что соответствует фазе неспецифической адаптации растений к токсическому воздействию в сублетальных концентрациях. В высоких концентрациях фаза резистентности завершается угнетением и гибелью растений. Растения выбирают разные стратегии выживания и адаптации: у лука - резкое увеличение содержания пигментов, у злаков - активация пероксидазы и увеличение содержания аскорбиновой кислоты.

3. Наибольшее число хромосомных аберраций наблюдается при нефтяном загрязнении, погибших клеток - при действии соли. При совместном действии обнаружены и хромосомные аберрации и гибель клеток. Из трех исследованных типов загрязнения наиболее опасным является солевое в концентрациях выше 0,25 г/л, затем совместное действие нефти и хлорида натрия в варьирующих концентрациях и нефтяное в концентрациях выше 0,3 г/кг.

4. Растения обладают разной чувствительностью и устойчивостью к исследуемым видам загрязнения: лук - наиболее устойчив к нефти, среднеустой-чив к соли, наименее устойчив к нефтесолевому загрязнению; овес - средне-устойчив к нефти и нефтесолевому загрязнению, наименее устойчив к соли; кострец - наиболее устойчив к солевому и нефтесолевому загрязнению, наименее устойчив к нефти. Лук и овес можно использовать при биотестировании, кострец при рекультивации нефтесолезагрязненных почв.

5. В оптимальных агрохимических условиях растения, выращиваемые в торфе с концентрациями нефти от 0,1 до 10 г/кг, завершают вегетацию и дают урожай семян и корнеплодов. При содержании нефти выше 0,3 г/кг происходит

14

снижение длины корней гороха и горчицы; массы корней овса, вики, костреца, донника; массы листьев овса, костреца, овсяницы, массы колосьев донника.

6. Растения, выращенные в условиях эксперимента и собранные в нефтедобывающих районах ХМАО, накапливают нефть и, что особенно опасно, мутагенные и канцерогенные ароматические углеводороды. Пороговыми концентрациями нефти по транслокации для сельскохозяйственных растений является содержание в почве 1,0 г/кг, для трав и дикорастущих растений - 1,5 г/кг, допустимыми - 0,7 и 1,0 г/кг.

7. Почвы с разной давностью загрязнения и рекультивации сохраняют токсичность более 25 лет. При остаточном содержании нефтяных компонентов в торфяных почвах выше 1,0 г/кг изменяется видовой состав растительности, выпадают из фитоценозов наименее устойчивые виды (мхи, лишайники, разнотравье, кустарнички) и снижается проективное покрытие нефтезагрязненных земель.

8. Луговые травы (вика, овсяница, тимофеевка) являются концентраторами нефтяных углеводородов, что может быть использовано при проведении санации нефтезагрязненных земель и при рекультивации.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в журналах, рекомендованных ВАК РФ:

1. Цулаия A.M. Биотестирование торфяных почв с мест аварийных разливов нефти разной давности в Ханты-Мансийском автономном округе (ХМАО) // Аграрный вестник Урала. - 2011. - №3. - С.81-85.

2. Цулаия A.M. Влияние нефтяного, солевого и нефтесолевого загрязнения на морфофункциональные показатели овса посевного Avena sativa //Вестник Алтайского ГАУ. - 2011. - №4. - С. 33-39.

3. Цулаия A.M. Влияние нефтесолевого загрязнения на морфофункциональные показатели овса посевного ~Аvena sativa // Известия Оренбургского ГАУ. -2011. - №3. - С. 50-53.

4. Михайлова JI.B., Соколовская Е.А., Цулаия A.M., Дубинина О.Н., Хуснут-динова Н.Ю., Мустаева JI.H. Фитотоксичность органогенных почв (верховой торф) загрязненных нефтью // Проблемы региональной экологии. - 2012. -№2. -С. 37-42.

Научные статьи и материалы:

5. Михайлова Л.В., Цулаия A.M. Изменение морфологических и физиологических показателей лука Allium сера, выращенного на нефтезагрязненном тор-

15

фе// Повышение эффективности сельскохозяйственного производства в Северном Зауралье: Сб. мат. Всеросс. научн.-практ. конф. - Тюмень, 2008. - С. 77-80.

6. Михайлова J1.B,, Маслекко Е.А., Цулаия A.M. Растительные организмы в биотестировании природных объектов (вода, донные отложения, почвы) // I конф. молодых ученых NACEE. - Тюмень: Госрыбцентр, 2009. - С. 13-14.

7. Михайлова J1.B., Масленко Е.А., Рыбина Г.Е., Гордеева Ф.В., Цулаия A.M., Кудрявцев A.A., Знаменщиков А.Н., Тапипова Е.В., Черкашина М.В. Влияние нефтезагрязненного торфа на высшие растения и остаточная токсичность почв рекультивированных болот после аварийных разливов нефти // Состояние, тенденции и проблемы развития нефтегазового потенциала Западной Сибири: Сб. мат. междунар. конф. - Тюмень: ЗапСибНИИГГ, 2009. - С. 497-507.

8. Михайлова Л.В., Цулаия A.M. Влияние солевого загрязнения на рост и физиологическую активность лука - Allium сера/1 Вестник ТГСХА, 2009. - №4. С. - 16-21.

9. Дубинина О.Н., Черняева Н.Ю., Юсупова З.Р., Мустаева JI.H., Парфёнова Т.И., Михайлова Л.В., Цулаия A.M. Влияние нефтяного загрязнения торфяной почвы на рост и развитие луговых трав в условиях вегетационного опыта // Нефть и здоровье: Мат. Всеросс. научно-практ. конф. - Уфа, 2009. - С. 70-73.

10. Михайлова J1.B., Цулаия A.M. Влияние нефтезагрязненного торфа на рост и развитие овса // Тобольск-научный: Сб. мат. VI Всеросс. научно-практ. конф. - Тобольск: «Папирус», 2009. - С. 78-81.

11. Михайлова J1.B, Цулаия A.M. Экспериментальное исследование влияния нефтесолевого загрязнения на растительный тест-объект Allium сера // Отражение био-гео-антропосферных взаимодействий в почвах и почвенном покрове: Сб. мат. IV Всеросс. конф. - Томск: ТМЛ-Пресс, 2010. -Т.2. - С. 133-136.

12. Михайлова Л.В., Цулаия A.M., Рыбина Г.Е., Масленко Е.А, Гордеева Ф.В., Кудрявцев A.A. Экологическая оценка качества почв площади водосбора в районах нефтедобычи Ханты-Мансийского автономного округа методом биотестирования // Окружающая среда и менеджмент природных ресурсов: Тез. докл. междун. конф. - Тюмень, 2010. - С. 184-186.

Подписано в печать 24.02.2012. Тираж 100 экз. Печать трафаретная. Заказ 085. Отпечатано в печатном цехе «Ризограф» Тюменского Аграрного Академического Союза 625003, г. Тюмень, ул. Республики, 7

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Цулаия, Анна Мебрдзолиевна, Тюмень

Тюменская государственная сельскохозяйственная академия

61 12-3/1238

На правах рукописи УДК 581.4/.5

Цулаия Анна Мебрдзолиевна

ФУНКЦИОНАЛЬНО-МОРФОЛОГИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ ПРИ ДЕЙСТВИИ НЕФТЯНОГО, СОЛЕВОГО И НЕФТЕСОЛЕВОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ПОЧВ

03.02.08 - экология (биология)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель к.б.н. Л.В. Михайлова

Тюмень, 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 4

Глава 1. Обзор литературы 8

1.1. Современная экологическая обстановка районов нефтедобычи ХМАО-Югры. 8

1.2. Химический состав нефти и характеристика торфяных почв 12

1.3. Влияние нефтяного загрязнения на почвы и растительный покров 18

1.4. Солевое загрязнение почв и влияние на растительность 30

1.5. Нефтесолевое загрязнение почв и влияние на растительный покров 38 Глава 2. Материал и методы исследований 43

2.1. Характеристика исследуемых веществ 43

2.2. Характеристика тест-объектов 44

2.3. Методика подготовки почв к эксперименту 47

2.4. Методы определения фитотоксичности нефтезагрязненных

почв в вегетационном опыте 49

2.5. Методы полевых исследований и характеристика проб 51

2.6. Морфометрический анализ растений 52

2.7. Методика исследования физиолого-биохимических показателей растений 53

2.7.1. Пигменты фотосинтеза 53

2.7.2. Аскорбиновая кислота 53

2.7.3. Активность пероксидазы 54

2.8. Методика исследования генотоксичности 54

2.9. Методика учет живых и мертвых клеток 56

2.10. Статистическая обработка данных 56 Глава 3. Изменение функционально-морфометрических показателей растений при действии нефтяного, солевого и нефтесолевого загрязнения 57

3.1.Влияние нефти, соли и их совместного действия на морфофункциональные показатели Allium сера, Avena sativa, Bromopsis inirmus. 57

3.2. Оценка чувствительности и устойчивости растений к разным видам загрязнения 104 Глава 4. Токсический эффект нефти при кратковременном и длительном воздействии на растения 118 Глава 5. Фитотоксичность почв в районах нефтедобычи ХМАО 134 Глава 6. Транслокация нефти в растения 149 Выводы 164 Список литературы 166 ПРИЛОЖЕНИЯ 194

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ АК - аскорбиновая кислота

АТФ - аденозинтрифосфорная кислота

АУВ - ароматические углеводороды

АФК - активные формы кислорода

АОС - антиоксидантная система

ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота

РНК - рибонуклеиновая кислота

К - контроль

ЛОС - лесная опытная станция

Мкг - микрограмм

Мм - миллимоль

НП - нефтепродукты

НУВ - нефтяные углеводороды

ОДУ - ориентировочный допустимый уровень

ПАУ - полициклические ароматические углеводороды

ПП - проективное покрытие

ПО - пероксидаза

СанПиН - санитарные правила и нормы

СОД - супероксиддисмутаза

Р - степень достоверности различия с контролем

Р<0,05*- на первом уровне значимости; Р<0,01**- на втором уровне

значимости; Р<0,001*** - на третьем уровне значимости

УфНИИМТиЭЧ - Уфимский НИИ медицины труда и экологии человека

УГВ - уровень грунтовых вод

ФБ - фосфатный буфер

ФС - фотосистема

ХА - хромосомные аберрации

Хл «а» - хлорофилл «а»

Хл «б» - хлорофилл «б»

ХМАО - Ханты-Мансийский автономный округ - Югра ЭТК - электротранспортный комплекс

Х- средняя арифметическая, - ошибка средней

X

НгБОд - серная кислота Ма3Р04 - фосфат натрия ЫаС1 - хлорид натрия Н2О2 - перекись водорода НР03 - метафосфорная кислота

Введение

Актуальность проблемы. Нефтедобывающая промышленность составляет основу экономики России и в то же время является одной из наиболее опасных отраслей хозяйства по воздействию на окружающую природную среду (Михайлова, 2006; Геннадиев, Пиковский, 2010; Соромотин, 2010). В результате аварий, а их в 2001-2010 гг. насчитывалось от 1598 до 5480 в год, происходит загрязнение окружающей среды нефтью, а также подтоварными и сеноманскими водами, используемыми для поддержания пластового давления и обладающими агрессивными химическими свойствами (Болыпаник, 2003; Отчет о состоянии..., 2011). Нефтесолевое загрязнение территорий промыслов ХМАО-Югры больше чем механическая трансформация земель (Чижов, 1998; Садов, Солнцева, 2003). В литературе достаточно широко освещено влияние нефтяного и солевого загрязнения на растительность, как в полевых, так и в лабораторных условиях. Данные по совместному действию нефти и хлорида натрия практически отсутствуют. Вместе с тем нефтесолевое загрязнение таит в себе большую опасность для экосистем. Изучение механизмов и последствий влияния нефти на растительность и транслокацию в них нефтяных углеводородов важно не только для экосистем, но и для человека, поскольку растения накапливают ароматические углеводороды, в том числе мутагенные и канцерогенные.

В связи с этим, актуальным является изучение действия нефтяного и солевого загрязнения порознь и совместно как на сельскохозяйственные растения, так и на растительный покров в районах нефтедобычи, а также накопление в них опасных экотоксикантов.

Цель исследований - оценка влияния нефтяного, солевого и нефтесолевого загрязнения на морфофункциональные показатели сельскохозяйственных растений.

Задачи исследований:

1. Изучить влияние нефтяного, солевого и нефтесолевого загрязнения на лук репчатый, овес посевной, кострец безостый.

2. Сравнить исследуемые растения по чувствительности и устойчивости к данным видам загрязнения.

3. Исследовать действие нефтяного загрязнения на сельскохозяйственные растения в кратковременных и хронических опытах и накопление ими нефтяных углеводородов.

4. Оценить фитотоксичность почв территории ХМАО с разной давностью нефтесолевого загрязнения и рекультивации методом биотестирования.

5. Установить пороговые и подпороговые концентрации нефти в торфяной почве по показателям фитотоксичности, транслокации, генотоксичности.

Научная новизна работы. Впервые на торфяных почвах изучено влияние на растения (Allium сера, Avena sativa, Bromopsis inirmus) раздельно и совместно нефти и хлорида натрия. Показана различная чувствительность и устойчивость растений к данным типам загрязнения.

Установлены пороги транслокации и токсического действия нефти на сельскохозяйственные растения и растительность на территории нефтедобычи.

С помощью биотестирования оценена токсичность нефтезагрязненных почв с территории ХМАО разной давности загрязнения и рекультивации.

Практическое значение работы. Данные по фитотоксичности, генотоксичности, транслокации нефти и биотестированию вошли в отчет по НИР «Разработка и апробация нормативов предельно допустимого уровня нефти в почвах органогенного и минерального типов для территории ХМАО-Югры» (Тюмень, 2009). Госконтракт № 84.7.2/4/2 с Департаментом охраны окружающей среды и экологической безопасности ХМАО.

Материалы диссертации используются в лекциях и практических занятиях по курсу «Экологическая токсикология» для студентов отделения «Водные биоресурсы и аквакультура» Института биотехнологии и ветеринарной медицины Тюменской государственной сельскохозяйственной академии.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Нефтяное, солевое и нефтесолевое загрязнение торфяной почвы вызывает нарушение роста и развития, хромосомные перестройки и гибель клеток в меристеме корней сельскохозяйственных растений и инициирует неспецифический физиолого-биохимический ответ.

2. Растения обладают разной чувствительностью и устойчивостью по отношению к изучаемым видам загрязнения.

3. Нефтяные углеводороды накапливаются в опасных для человека и животных концентрациях сельскохозяйственными и дикорастущими растениями.

4. Почвы, подвергшиеся нефтесолевому загрязнению разных лет давности, сохраняют токсичность длительное время (более 25 лет) даже после рекультивации и вызывают трансформацию растительного покрова.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной академической конференции «Состояние, тенденции и проблемы развития нефтегазового потенциала Западной Сибири» (Тюмень, 2008); Международной научно-практической конференции «Пути повышения эффективности сельскохозяйственного производства в Сибирском регионе» (Тюмень, 2009); I конференции молодых ученых КАСЕЕ «Вопросы аквакультуры» (Тюмень, 2009); VI Всероссийской научно-практической конференции Тобольск-научный (Тобольск, 2009); Всероссийском конкурсе (2 и 3 тур) на лучшую научную работу среди студентов, аспирантов и молодых ученых ВУЗов Министерства сх РФ (Троицк, 2010; Краснодар, 2010); Всероссийской конференции «Отражение био-гео-антропосферных взаимодействий в почвах и почвенном покрове» (Томск, 2010); Конференции молодых ученых

«Научно-техническое творчество молодежи - агропромышленному комплексу Урала и Сибири» (Тюмень, 2010); Международной конференции «Окружающая среда и менеджмент природных ресурсов» (Тюмень, 2010); Международной научно-практической конференции «Экологическая безопасность и сбалансированное природопользование в АПК» (Киев, 2011).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе 4 работы в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Материал изложен на 210 страницах машинописного текста. Состоит из введения, 6 глав, выводов. Содержит 32 таблицы, 62 рисунка и 8 приложений. Список литературы включает 229 источников, в том числе 57 иностранных авторов.

Личный вклад. Исследование влияния нефтяного, солевого, нефтесолевого загрязнения на 3 вида растений и биотестирование почв с территории ХМАО выполнены автором в 2008-2011 гг. самостоятельно. Вегетационные опыты и определение транслокации углеводородов в растения проведено совместно с сотрудниками Уфимского НИИ медицины труда и экологии человека, обследование нефтезагрязненных почв в районах нефтедобычи ХМАО-Югры и отбор проб проводилось совместно с сотрудниками Сибирской ЛОС, чему посвящены совместные публикации.

Глава 1 Обзор литературы 1.1.Современная экологическая обстановка в районах нефтедобычи ХМАО-Югры.

Нефтедобывающая промышленность составляет основу экономики России и в то же время является одной из наиболее опасных отраслей хозяйства по воздействию на окружающую природную среду (Петухова, 2000; Михайлова, 2006; Геннадиев, Пиковский, 2010; Соромотин, 2010). Первое место в России по промышленному производству (добыче нефти и газа) для Тюменской области имеет оборотную сторону - мощное техногенное воздействие на природную среду и снижение ее качества (Информационный бюллетень, 2008). Нефть является типичным загрязнителем Западно-Сибирского региона и, в частности, ХМАО - Югры. Здесь имеется множество потенциальных источников загрязнения: на 2005 г. более 80 тыс. скважин, 15 тыс. км трубопроводов, более 1800 шламовых амбаров, 242 центральных пунктов нефтесбора, 366 дожимных насосных станций, 13294 тыс. т отходов бурения. Объем нефти, извлекаемой из недр ХМАО, составляет 56,9% всей нефти, добывающейся в РФ и 7,5% мировой добычи. По состоянию на 01.01.2008 г. накопленная добыча нефти с начала разработки нефтяных месторождений на территории ХМАО составила 8883,3 млн. т. По мнению экспертов, в окружающую среду за период нефтедобычи попало в среднем 2% от добычи, а именно 166,59 млн. т нефти. (Доклад о состоянии..., 2011). Высокая степень техногенного воздействия на все компоненты природной среды определяется резко растущим уровнем аварийности на нефтепромыслах и магистральных трубопроводных системах. На рис. 1 приведены данные по аварийности на нефтепромыслах ХМАО за 2001- 2010 годы (Информационный бюллетень, 2002, 2003, 2004, 2008; Доклад о состоянии..., 2011; Бударова, 2011). В 2010 году на нефтепромыслах автономного округа зарегистрировано 4371 аварийных разливов, что в 2,7 раза превышает аналогичный показатель 2001 года.

Количество аварий

2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 г

Рис. 1. Динамика аварийности на нефтепромыслах по сведениям нефтедобывающих предприятий Ханты-Мансийского автономного округа -Югры с 2001-2010 гг.

Резкое увеличение случаев аварийности связано с высокой (70%) степенью износа нефтепромыслового оборудования. Примерно 160 из 249 разрабатываемых в ХМАО месторождений нефти к 2000 г. эксплуатировались более 15 лет (Рянский и др., 2001). Кроме того, в последнее время наблюдается резкое увеличение случаев аварийности на водоводах и, как результат, повышение уровня загрязнения окружающей среды подтоварными и сеноманскими водами, которые обладают агрессивными химическими свойствами (солей до 200 г/л), что является дополнительным фактором, существенно увеличивающим коррозийный износ трубопроводов (Информационный бюллетень, 2008). Аварии на водоводах, как и на нефтепроводах, приводят к серьезным экологическим последствиям, в частности, к засолению почв. Опасность солевого загрязнения состоит в том, что вода быстро пропитывает почву на большую глубину, приводит к деградации почв и гибели растительных сообществ и почвенных организмов (Солнцева, Садов, 2001; Захаров, Гаркунов, Чижов, 2006; Соромотин, 2007; Коновалов, Пак, 2010). За время промышленной эксплуатации нефтяных и газовых месторождений Западной Сибири под трассы коммуникаций и промышленные объекты нефтегазового комплекса передано около 1,3 млн. га земель лесного фонда. С учетом территорий, подвергшихся загрязнению, затоплению и механическому нарушению почв,

общая площадь техногенно нарушенных земель составляет около 1,8 млн. га (Чижов, Черкашина, 2008). Под разработку месторождений в ХМАО резервируются и отводятся значительные площади, в среднем около 50 тыс. га на одно месторождение. В целом по округу под лицензионными участками добычи нефти зарезервировано более 11 млн. га земельных участков, или 21% от общей площади округа. Расчеты, выполненные по 235 участкам нефтедобычи, свидетельствуют, что к категории нарушенных земель следует отнести территорию в 10885,8 км , что составляет 2,04% от площади округа (Чижов, Вавер, 2000). Подобные данные характеризуют экологическую обстановку в ХМАО как «относительно удовлетворительную». Однако площади нарушенных земель неуклонно растут и на значительной части месторождений достигают 50-75%, что позволяет оценить обстановку в этих зонах как «чрезвычайную» (Валеева и др., 2,000). В районах аварийных разливов содержание нефти в почвах оценивается величинами 100-200 г/кг и более (Салангинас, 2003; Михайлова и др., 2009).

Системы нефтедобывающего комплекса носят природораз-рушительный характер и способны нарушить ресурсные и защитные функции экосистем, в том числе и растительно-почвенных. Устойчивость ландшафтных комплексов к загрязнению не однозначна и зависит от типов почв, наличия или отсутствия геохимических барьеров, интенсивности окислительно-восстановительных процессов, факторов, способствующих миграции, выносу и рассеянию продуктов техногенеза (Пиковский, 1993). В результате аварий на трубопроводах, дожимных и кустовых насосных станциях, центральных пунктах сбора и подготовки воды наносится прямой ущерб экосистемам, которые выполняют ландшафтно-стабилизирующую, водорегулирующую, водозапасающую и биостационную функции (Болыпаник, 2003).

Наибольшие по площади разливы имеют место в районах с общей выровненностью рельефа, на верховых олиготрофных болотах с высоким уровнем грунтовых вод. Они характеризуются обширным растеканием нефти

и

от места разлива и разной степенью проникновения в глубь почвенного профиля (Чижов, 1998; Антоненко, 2000; Садов, Солнцева, 2003; Михайлова и др., 2009). Для основных нефтегазовых районов ХМАО характерна высокая нефтеемкость органогенных почв. Болота являются естественным природным фильтром механической и биологической очистки поверхностных и грунтовых вод, но одновременно и перераспределителями водных ресурсов, а заодно и техногенного загрязнения. Более 90% всех торфяников на территории ХМАО - верховые. Торфогенный слой обладает крупными порами, отсюда и большим коэффициентом фильтрации. Он беспрепятственно пропускает осадки до уровня грунтовых вод, которые периодически поднимаются до уровня поверхностных (и даже выше) торфяной залежи. Однако максимальное количество нефти (90-95%) при аварийных ситуациях сорбируется верхним (0-15 см) слоем (Чижов, 1990; Васильев, 1998; Крупинин и др., 2003; Соромотин, 2007; Михайлова и др., 2010). Суровые климатические условия способствуют консервации нефтяных компонентов в почвах и существенно удлиняют сроки трансформации нефтяного загрязнения. Несмотря на наличие общих черт внутрипочвенной деградации нефти в почвах различных типов и биоклиматических зон, скорость их естественного самоочищения сильно различаются в зависимости от конкретного сочетания факторов почвообразования, а также состава нефти (Маркарова, Емельянова, Щемелина, 2003; Трофимов, 2007). Трансформация нефти в окружающей среде выражается в изменении ее содержания, состава и свойств с течением времени под действием ряда природных механических, физико-химических и биохимических процессов, приводящих к распаду нефти до простых соединений, включающихся в естественный круговорот вещ