Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Влияние постоянного магнитного поля и ультрафиолетового излучения на процессы роста высших растений и фиторемедиацию ими почв от тяжелых металлов и нефтепродуктов

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Влияние постоянного магнитного поля и ультрафиолетового излучения на процессы роста высших растений и фиторемедиацию ими почв от тяжелых металлов и нефтепродуктов"

На правах рукописи

ХАЛИЕВА Анна Сергеевна

ВЛИЯНИЕ ПОСТОЯННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ И УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПРОЦЕССЫ РОСТА ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ И ФИТОРЕМЕДИАЦИЮ ИМИ ПОЧВ ОТ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И НЕФТЕПРОДУКТОВ

Специальность 03.02.08 — экология (биология)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

§ ЯНВ 2314

Пенза - 2013

005544302

Работа выполнена в Энгельсском технологическом институте (филиале) ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.» на кафедре «Экология и охрана окружающей среды».

Научный руководитель — доктор химических наук, профессор

Ольшанская Любовь Николаевна. Официальные оппоненты: Иванов Александр Иванович,

доктор биологических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия», заведующий кафедрой «Биология и экология»; Бабусенко Елена Сергеевна, кандидат биологических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Российский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева», доцент кафедры «Биотехнология».

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «Волгоградский

государственный университет», г. Волгоград.

Защита состоится 25 декабря 2013 г. в 13 часов 30 минут на заседании диссертационного совета ДМ 212.337.02 на базе ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный технологический университет» по адресу: г. Пенза, пр. Байдукова/ул. Гагарина, д. \г!\\, корпус 1, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный технологический университет».

Автореферат разослан 25 ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Яхкинд Михаил Ильич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Загрязнение почв нефтепродуктами и тяжелыми металлами приобретает характер глобальной экологической угрозы и все сильнее привлекает внимание ученых всего мира, так как эти поллютан-ты относятся к приоритетным загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах. Большинство известных физико-химических способов очистки почв от ионов тяжелых металлов и нефтепродуктов, являются дорогостоящими и сложными в исполнении. Для минимизации отрицательного воздействия поллютантов на биосферные комплексы в России и за рубежом эффективно внедряются новые технологии. Приоритет по эффективности и рентабельности признается за методом фи-торемедиации, основанном на поглощении растительной клеткой токсичных веществ за счет создаваемой на клеточной мембране разности электрических потенциалов. Затраты на этот способ не превышают 20 % от затрат на альтернативные технологии. Недостатками метода являются сезонность, длительность процесса и невысокая эффективность очистки. Эффективными, рациональными и экологичными могут стать способы очистки, основанные на сочетании применения энергии внещних физических полей и способности высшей растительности аккумулировать токсиканты. Эти работы являются актуальными, имеют большое научное и практическое значение.

Цель диссертационной работы — исследование влияния природы и длительности воздействия внешних физических полей, природы и концентрации ионов тяжелых металлов и нефтепродуктов на процессы роста и развития высших растений и фиторемедиации ими почвы от поллютантов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Провести анализ данных мониторинга почв Саратовской области с целью выявления основных загрязнителей.

2. Исследовать длительность воздействия постоянного магнитного поля и ультрафиолетового излучения, природы и концентрации ионов тяжелых металлов (Си2+ и РЬ2+) и нефтепродуктов, совместного влияния поллютантов и внешних физических полей на динамику роста и развития высших растений (фасоль, соя, листовой салат).

3. Исследовать длительность воздействия внешних физических полей, природы и концентрации катионов металлов и нефтепродуктов, совместное влияние поллютантов и внешних физических полей на процессы извлечения ионов тяжелых металлов и нефтепродуктов из загрязненных почв.

4. Дать эколого-экономическое обоснование и рассчитать предотвращенный ущерб почвам при использовании метода фиторемедиации.

Объектами исследования являются растения-фиторемедианты (фасоль обыкновенная, соя, листовой салат), водные вытяжки (элюаты) из почв, содержащие ионы Си2+, РЬ2+ и нефтепродукт (моторное масло).

Предмет исследования - влияние постоянного магнитного поля и ультрафиолетового излучения на процессы всхожести, роста и развития

3

высших растений и извлечения ими тяжелых металлов и нефтепродуктов из загрязненных почв.

В ходе работы над диссертацией использованы следующие методы исследований: спектрофотометрия, ионометрия, рН-метрия, оптическая микроскопия, инверсионная хроновольтамперометрия.

Научная новизна работы:

Впервые проведены исследования постоянного магнитного поля и ультрафиолетового излучения на процессы фиторемедиации загрязненных почв от ионов тяжелых металлов и нефтепродуктов с помощью высших растений.

Показано, что обработка семян растений постоянным магнитным полем с напряженностью 2 кА/м и ультрафиолетовым излучением с длиной волны 290 нм при выбранных условиях стимулируют всхожесть, рост, развитие растений, увеличивают их адсорбционную емкость и эффективность извлечения ими ионов тяжелых металлов и нефтепродуктов из загрязненных почв.

^ Определены оптимальные значения основных параметров: времени обработки семян фитосорбентов в постоянном магнитном поле, времени облучения фитосорбентов ультрафиолетом, обеспечивающие достижение максимальных значений адсорбционной емкости растений и эффективности процесса фиторемедиации почв от ионов тяжелых металлов и нефтепродуктов.

Установлено, что скорость и полнота поглощения ионов тяжелых металлов растениями-фитосорбентами выше для ионов РЬ2+, чем для ионов Си2+, и определяются химико-биологической природой металла.

■/ Установлено, что эффективность извлечения поллютантов из почв растениями без предварительного воздействия внешних физических полей уменьшается в ряду: листовой салат>фасоль>соя, а обработанными внешними физическими полями — в ряду: фасоль>соя>листовой салат.

Практическая значимость результатов работы:

Показана возможность усовершенствования технологии фиторемедиации с применением разработанного подхода к очистке почв от поллютантов с помощью внешних физических воздействий на растения-фитосорбенты.

Полученные в диссертации результаты по влиянию внешних физических полей на процессы фиторемедиации почв могут быть использованы при решении задач мелиорации для реабилитации почв и повышения их плодородия.

Доказана перспективность очистки загрязненных почв от поллютантов методом фиторемедиации с применением энергии постоянного магнитного поля и ультрафиолетового излучения для минимизации антропогенного загрязнения почвенных комплексов.

На защиту выносятся:

1. Установленные закономерности роста и развития растений-фитосорбентов (фасоль, соя и листовой салат) при наличии в почве ионов тяжелых металлов и нефтепродуктов без предварительной обработки семян растений и после их обработки в постоянном магнитном поле и ультрафиолетовым излучением.

2. Рекомендации по выбору оптимальных условий воздействия на семена растений внешних физических полей для повышения эффективности процесса фиторемедиации загрязненных почв от тяжелых металлов (Си РЬ2+) и нефтепродукта (машинное масло).

3. Установленные зависимости величин адсорбционной емкости рас-тений-фитосорбентов от длительности воздействия физических полей, природы и концентрации катионов тяжелых металлов.

4. Эколого-экономическое обоснование и расчет предотвращенного ущерба почвам Саратовской области при использовании метода фиторемедиации.

Реализация и внедрение результатов работы. Работа проводилась в соответствии с основными научными направлениями СГТУ по заданию Министерства образования и науки РФ в рамках АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» (2009-2011 гг.); планом НИР СГТУ по направлению 14 В. 03 «Разработка энергосберегающих технологий, способов контроля, очистки и обеззараживания воды, почвы, переработки и утилизации техногенных образований и отходов в товары народного потребления».

Разработанные научные положения диссертации апробированы и внедрены на предприятиях области: ФГБНУ «Волжский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации» (г. Энгельс), ЗАО «Стройматериалы. Энгельсский кирпичный завод» и используются в учебном процессе ЭТИ (филиал) СГТУ имени Гагарина Ю.А. по дисциплинам: «Науки о Земле», «Химия окружающей среды», «Техника защиты окружающей среды», «Промышленная экология», «Прикладная экология», при курсовом и дипломном проектировании.

Личный вклад автора. Все результаты, составляющие содержание диссертации, получены автором самостоятельно. Научному руководителю принадлежит разработка концепции решаемой проблемы и постановка задач исследования. Автор лично проводил экспериментальные исследования, обрабатывал, интерпретировал и обобщал полученные результаты, формулировал выводы.

Публикации и апробация работы. По теме диссертационной работы опубликовано 15 статей, включая 4 статьи в журналах из перечня ВАК и три статьи в зарубежных изданиях. Результаты работы докладывались и обсуждались на 9 международных и всероссийских форумах, конгрессах и конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературных источников из 231 наименования и приложений. Работа изложена на 167 страницах, содержит 19 таблиц и 47 рисунков.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулированы цель и задачи работы, отражены научная новизна и практическая значимость, приведены основные положения, выносимые на защиту, описаны структура, объем и внедрение результатов работы.

Глава 1. Литературный обзор В главе рассмотрены основные проблемы загрязнения почв тяжелыми металлами, нефтью и продуктами ее переработки и др. Показано, что значительная часть тяжелых металлов (ТМ), оказавшись в почве, не подвергается биодеградации и переходит в поверхностные и подземные воды, поглощается обитателями почв и водоемов, различными видами растений. Проанализированы существующие методы очистки почв от ТМ; систематизированы и обобщены результаты исследований особенностей использования высщих растений и сообществ микроорганизмы-растения. Рассмотрены последствия нефтяного загрязнения почвенного покрова (замедление роста растений, нарушение функций фотосинтеза и дыхания, морфологические нарушения, изменения корневой системы, листьев, стеблей и репродуктивных органов). Показано, что наиболее действенными приемами устранения нефтезагрязне-ний являются технологии фиторемедиации с использованием широкого спектра культур, что позволяет не только устранить нефтяное загрязнение, но и в сочетании с другими приемами рекультивации частично или полностью восстановить почвенное плодородие.

Проанализированы и систематизированы данные по механизмам влияния различных физических полей (постоянное магнитное и геомагнитное поля, ультрафиолетовое, инфракрасное, лазерное излучения), на живые организмы, семена и ростовые характеристики растений.

Глава 2. Анализ данных мониторинга состояния почв Саратовской области Саратовская область является крупным аграрно-промышленным регионом России, где отходы промышленных предприятий, энергетических установок, транспорта и сельского хозяйства привели к значительному загрязнению окружающей среды.

Проведенный анализ состояния почв области показал, что по результатам агрохимического обследования почвы с низким содержанием гумуса занимают 49 % площади пахотных земель. Истощение запасов гумуса отрицательно влияет на агрофизические, физико-химические свойства и биологическую активность почвы, ухудшает ее водно-воздушный, тепловой и пищевой режимы, уменьшает способность почвы противостоять процессам подкисления и засоления. В последние годы наблюдается снижение содержания в почве подвижного фосфора и обменного калия.

Проведенные проверки загрязнения почвогрунтов на промышленных площадках предприятий области: ОАО «Электроисточник» (г. Саратов), ОАО «Сигнал-недвижимость» (г. Энгельс), «Саратовский нефтеперераба-

тывающий завод», ОАО «Завод автономных источников тока» (г. Саратов), позволили установить, что основными загрязнителями почв являются тяжелые металлы (свинец, никель, цинк, кадмий, медь и др.) и нефтепродукты (нефть, бензин, моторное масло).

Глава 3. Методика эксперимента

Глава посвящена описанию объектов и методов исследования.

Объектами исследования являются: 1) фитосорбенты: фасоль обыкновенная (Phaséolus vulgáris), соя (Glycine max), листовой салат (Lactuca sativum)', 2) вытяжки из почв (средний суглинок, характерный для Саратовской области), содержащие катионы тяжелых металлов (Cu2+, РЬ2+) и нефтепродукт (моторное масло марки МТ - 4з/8ДС).

Выбор трех видов растений-фитомелиорантов, два из которых относятся к семейству бобовых (фасоль обыкновенная и соя) и один вид - к семейству крестоцветных (листовой салат) обусловлен тем, что для фиторе-медиации обычно используют две группы растений: высокопродуктивные культуры (фасоль, соя, кукуруза сахарная (Zea mays), горчица сарептская (Brassica juncea) и др.) и растения-гипераккумуляторы (листовой салат, ярутка лесная (Thlaspi caerulescens), алиссум вульфена (Alyssum wulfenianum) и др.). В вопросе о том, какая способность растений более важна для фиторемедиации: гипераккумуляция поллютантов или продуцирование значительной фитомассы — мнение ученых неоднозначно.

В работе изучено влияние длительности воздействия внешних физических полей (ВФП) на процессы роста и развития растений-фитосорбентов и фиторемедиации ими металлов и нефтепродукта из загрязненных почв. Для этого семена растений фасоли, сои и листового салата подвергали в течение 1,6 и 24 часов воздействию постоянного магнитного поля (ПМП) и ультрафиолетового (УФ) облучения, после чего высаживали в предварительно подготовленные почвы (средний суглинок) по 50 семян на 1 кг почвосмеси (с солями металлов, нефтепродуктом). В течение 28 дней контролировали рост, развитие растений и содержание в почвах остаточного количества ионов тяжелых металлов (ИТМ) и нефтепродукта (НП).

Приведены методики приготовления растворов: CuS04, Pb(N03)2, красителя (дитизон) и др. из реактивов марок «х.ч.» и «ч.д.а.».

Дано описание используемых в работе физико-химических (спектро-фотометрия, ионометрия, рН-метрия, оптическая микроскопия) и электрохимических (инверсионная хроновольтамперометрия) методов исследования. Представлены приборы и установки для обработки семян растений (магнитная установка, создающая ПМП с напряженностью 2 кА/м; бактерицидная лампа марки СБПе 3x30 Вт с постоянным УФ-излучением длиной волны 290 нм), для проведения измерений (роботизированный комплекс «Экспертиза BA-2D» с электродом «3 в 1», фотоэлектроколориметр КФК-3-01, концентратомер нефти КН-2М, спектрофотометр ПЭ 5300В, микроскоп

«Минимед 502» и др.), которые позволили достаточно полно изучить закономерности процессов, протекающих при извлечении ИТМ и НП высшими растениями из почв.

Приведены основные уравнения и методики расчета эффективности очистки, содержания тяжелых металлов в фитомассе растения-фитосорбента. Обработка результатов эксперимента производилась методом наименьших квадратов.

Глава 4. Влияние ВФП на процессы роста, развития высших растений и эффективность фиторемедиации почв от тяжелых металлов н нефтепродуктов

В последние десятилетия обнаружены многочисленные факты, свидетельствующие о высокой чувствительности растений к воздействию внешних полей различной природы (ПМП, УФ-, ИК-излучение и др.), которые создают дополнительные электрические токи в биообъектах, и, изменяя величины мембранного потенциала клетки, могут управлять течением процессов роста и развития, оказывая как стимулирующее, так и тормозящее влияние. Это воздействие зависит от характеристик внешних физических полей: длины волны, частоты колебаний электромагнитных излучений, интенсивности и длительности.

Применение ультрафиолетового, лазерного облучений и обработка магнитными полями семян является прогрессивным способом их подготовки к посеву, позволяющим не только вывести семена из состояния покоя, но и активизировать работу разнообразных биологических катализаторов -ферментов, обеспечивающих быстрый рост и развитие растений. В клеточной стенке имеются белки, пектины, фосфолипиды, микрофибриллы целлюлозы и др., содержащие фиксированные отрицательно заряженные группы (прежде всего - карбоксильные). Они определяют катионно-обменную способность и влияют на накопление ионов в клетке. Транспорт ионов, крупных полярных молекул и др. обеспечивается, преимущественно, посредством специальных интегральных белков. Кроме того, на межклеточной мембране генерируется потенциал величиной от-60 до -260 мВ, за счет которого происходит транспорт заряженных частиц внутрь клетки. При этом благодаря диффузионно-химическому механизму проницаемости клеточных мембран растений происходит извлечение катионов тяжелых металлов из почвенного раствора высшими растениями. Растительная клетка при этом является природным биоэлектрохимическим нанореактором, способным эффективно извлекать и утилизировать ТМ.

4.1. Влияние тяжелых металлов и совместное влияние ИТМ+ВФП на процессы роста, развития растений и фиторемедиацию почвы Проведенные исследования влияния природы и концентрации ИТМ (Си2+, РЬ2+) и совместного воздействия ИТМ+ВФП на общую всхожесть семян растений представлены в табл.1 и на рис. 1.

Таблица I. Количество всходов фитосорбентов (%) в почве: контроль (числитель), при содержании свинца 10 ПДК (знаменатель)_

Растения Количество всходов, % (от 50 шт.)

Дни роста 1 -4 6 8 10 12 15 18 22 28

Листовой салат - 32 26 52 42 56 46 62 58 76 66 62 56 44 38 22

Фасоль - 26 62 70 84 98 94 92 86

- 22 33 58 68 78 78 56 42

Соя - 26 54 64 74 80 90 84 90

14 42 50 66 78 72 60 30

Установлено, что по сравнению с контрольным экспериментом (без воздействия на семена ВФП и при отсутствии ИТМ в почвах), количество всходов в почвах, содержащих ионы металлов, изменилось. Влияние ионов металлов на процессы всхожести семян растений различно и определяется природой металла. Так, по сравнению с контролем, в почвах, содержащих медь при концентрациях 5 и 10 ПДК, всхожесть семян растений увеличилась, а при 15 и 20 ПДК - осталась практически такой же, как в контрольном эксперименте. Это обусловлено довольно высокой устойчивостью растений к действию этого металла, который не только не ингибировал прорастание, но и оказал стимулирующее действие.

без ПМП ПМП ПМП УФ 1ч. УФ 6ч. УФ 24 ВФП 1ч. 6ч. 24ч. ч.

а)

без ПМП ПМП ПМП УФ 1ч. УФ бм. УФ 24 ВФП 1ч. 6ч. 24ч. ч.

В)

без ПМП ПМП ПМП УФ УФ УФ 24 ВФП 1ч. 6ч. 24ч. 1ч. 6ч. ч.

б)

05ПДК П10ПДК 015ПДК В20ПДК

Рис. 1. Влияние концентрации ионов Си2+ и ВФП на общее количество всходов высших растений: а) — листовой салат, б) - фасоль, в) - соя

Присутствие в почвах токсичного свинца оказало незначительное влияние на всхожесть семян растений. Количество всходов было близко к контролю и к количеству всходов в присутствии в почве Си2+. Это может быть связано с тем, что при высоких концентрациях в почве свинец переходит в малоподвижное состояние и замедляется его поступление в растения. Растения листового салата в этих условиях оказались менее устойчивыми и приспособленными к воздействию тяжелых металлов.

Анализ влияния УФ-облучения на всхожесть и ростовые характеристики растений-фиторемедиантов показал его положительное воздействие на салат и фасоль (рис. 1).

Проведенные исследования по влиянию природы и концентрации ТМ на рост и развитие растений (табл. 2) показали, что по истечении 14-18 суток у фитосорбентов начали проявляться признаки угнетения роста и отмирание листьев. С увеличением концентрации токсикантов эти процессы усиливались, особенно при загрязнении почвы свинцом. Практически во всех пробах с загрязненной почвой растения отставали в росте и развитии по сравнению с контролем. В пробах с максимальным содержанием (20 ПДК) Си2" и РЬ2+ салат практически не рос, и в конце эксперимента, по истечении 28 дней, он мало отличался от недельной рассады. Это обусловлено тем, что салат сразу реагирует на присутствие ТМ в почве. Фенологические наблюдения показали, что уровень загрязнения почвы ионами меди в меньшей степени оказывает влияние на рост и развитие фасоли и сои, и в наибольшей - листового салата.

Таблица 2. Влияние природы и концентрации ИТМ на рост и развитие растений

Фасоль: длина листа, мм (Си2+/РЬ2+) Фасоль: высота растения, мм (Си^/РЬ'4")

Дни К* 5 ПДК 10 ПДК 15 ПДК 20ПДК К* 5 ПДК 10 ПДК 15 ПДК 20 ПДК

7 40 36/36 35/35 35/33 34/30 231 234/226 232/223 230/220 231/217

14 46 44/42 43/40 40/40 40/36 314 256/241 244/238 282/234 283/228

21 54 49/47 48/44 46/41 45/40 389 350/439 338/301 359/298 359/276

28 61 57/55 55/52 55/49 53/46 516 479/449 483/397 417/365 420/329

Салат: длина листа (Си^+/РЬ2+) Салат: высота растения, мм (Си' +/РЬІ+)

7 9 8/6 8/6 7/5 7/4 57 51/45 50/45 50/42 49/40

14 11 9/7 8/7 8/6 8/5 75 58/49 58/48 56/46 53/43

21 13 10/8 9/7 11- -/- 81 64/56 63/54 61/— 58/-

28 16 10/10 9/9 61- -/- 84 68/61 66/58 -/- -/-

Установлено, что содержание в почве ионов РЬ2+ более 10 ПДК способствует уменьшению биомассы фитосорбентов в сравнении с медью. Полученный эффект обусловлен тем, что медь, являясь биогенным элементом, оказывает благоприятное воздействие на растения. Наиболее устойчивой к воздействию ИТМ оказалась фасоль. Это связано с тем, что бобовые обладают важной биологической особенностью - способностью противостоять поступлению в наземную часть токсичных веществ за счет их иммобилиза-

ции в корневой системе. Изучение влияния концентрации ИТМ и времени воздействия ПМП на высоту исследуемых растений позволило установить, что облучение семян фасоли и сои при малых концентрациях ионов РЬ+2 отрицательно влияет на рост и развитие растений. Фитомасса увеличивалась лишь при концентрациях ионов свинца в очищаемой почве, равных 15 и 20 ПДК. Это, как указывалось выше, связано с тем, что при больших концентрациях в почве свинец переходит в малоподвижное состояние и замедляется его поступление в растения. Однако и в этом случае растения фасоли отставали по параметрам длины листьев и высоты растений от контрольного образца, и наблюдалось их незначительное увеличение при проведении эксперимента без облучения семян магнитным полем.

В почве, загрязненной ионами Си+2, наблюдалась другая тенденция. Растения фасоли и сои, семена которых подвергались воздействию ПМП с напряженностью 2 кА/м, достигали более высоких показателей роста, чем растения в контрольном эксперименте и в эксперименте без предварительной обработки семян. Так как фасоль и соя не относятся к группе растений-гипераккумулянтов, то высота растений, а следовательно, и их фитомасса прямо пропорционально зависят от накопления в ней ионов биогенных элементов, к которым относится медь.

Для оценки влияния ИТМ и сочетанного влияния ИТМ+ВФП на процессы фиторемедиации почв от тяжелых металлов проводили определение остаточных концентраций ИТМ в почве по ГОСТ 17.4.3.01-83 «Охрана природы. Почвы. Общие требования к отбору проб».

Готовили почвенные вытяжки и анализировали содержание в них остаточных концентраций металлов фотометрическим на приборе КФК-3-01 и вольтамперометрическим на роботизированном комплексе «Экспертиза ВА-20» с электродом «3 в 1» методами. Определение концентраций проводили по методу добавок стандартного раствора исследуемого металла. Содержание ИТМ рассчитывали по величинам аналитических сигналов вольтамперограмм анализируемого раствора пробы и анализируемого раствора пробы с добавками стандартных растворов металлов.

Результаты расчетов эффективности очистки почв (Э0Ч={(С„-СК)/С„}-100, %) от ионов свинца и меди растениями-фитомелиорантами, семена которых были обработаны в ПМП с напряженностью 2 кА/м в течение различного времени, представлены на рис. 2 и в табл. 3.

Установлено (рис. 2), что лучшую эффективность очистки почв от ионов свинца показали растения фасоли. При этом следует отметить, что при низких концентрациях РЬ+2(5 ПДК) с увеличением времени воздействия ПМП на семена эффективность очистки почв растениями фасоли снижалась.

а)

Э.%100

зо ПМП, час

б)

Э, %100 95 90 85

-Листовой

салат -Фасоль

-Соя

зо ПМП, час

в)

г)

Рис. 2. Влияние концентрации ионов РЬ2+ и длительности воздействия ПМП 2 кА/м на эффективность очистки почвы: а) - листовой салат, б) - фасоль, в) - соя; г) - сравнительные данные по эффективности очистки почвы при концентрации РЬ2+ 15 ПДК

Фасоль проявила лучшую эффективность очистки при концентрации свинца в почве, равной 10 ПДК, и длительности воздействия ПМП на семена 24 ч. У растений листового салата наблюдалась та же тенденция, что и у растений фасоли. Лучше всего листовой салат извлекал свинец из загрязненной почвы при концентрациях РЬ+2 в ней, равных 10 и 15 ПДК. Наибольшая эффективность очистки почв достигалась при концентрации свинца 10 ПДК и длительности воздействия ПМП 24 ч. У растений сои отмечалось увеличение эффективности очистки почв от ИТМ с увеличением времени воздействия на ее семена ПМП. Наибольшая эффективность очистки почв растениями сои, как и в случае с листовым салатом, достигалась при концентрации свинца 20 ПДК и времени воздействия на семена 24 ч. При любых из исследуемых концентраций ионов РЬ+2 эффективность очистки почвы без предварительной обработки семян в ПМП гораздо ниже, чем при воздействии ПМП, что доказывает его положительное влияние на процесс очистки почв, загрязненных ионами свинца.

Показано (табл. 3), что эффективность очистки почв от ионов Си2+ с помощью растений сои снижалась, хотя и незначительно, с увеличением времени обработки семян. Это свидетельствует о том, что для эффективной очистки почв от ионов меди с помощью растений не обязательно применять воздействие ПМП на семена в течение длительного времени, хороших результатов можно добиться и при обработке в течение 1 часа.

Таблица 3. Результаты анализа почв по извлечению Си+2 фасолью в течение 28 дней при различной длительности воздействия на семена ПМП напряженностью 2 кА/м

Растение С„, ПДК и (мг/кг) эоч, % Эоч, % К*

Воздействие ПМП 1 6 24 Си РЬ

Л истовой салат 5(15) 81 84 82 50 69

10(30) 84 85 83 67 83

15(45) 82 85 76 78 89

20 (60) 85 84 87 85 91

Фасоль 5(15) 85 83 85 60 67

10 (30) 84 90 91 66 83

15(45) 86 90 93 77 88

20 (60) 89 91 92 84 90

Соя 5(15) 83 84 80 56 63

10(30) 84 85 81 62 74

15(45) 85 83 80 71 82

20 (60) 86 83 80 78 85

К* - контроль по эффективности извлечения свинца и меди без воздействия ПМП

Для растений фасоли наблюдалась обратная тенденция, особенно при концентрациях Си+2 в почве, равных 15 и 20 ПДК.

Эффективность очистки почв с помощью растений листового салата колеблется в районе 81^87 % при концентрации ионов меди в почве от 5 до 15 ПДК для любого времени воздействия на семена магнитным полем. При концентрации Си+2 в почве, равной 20 ПДК, наблюдалось увеличение эффективности ее очистки с ростом времени воздействия ПМП на семена растений до 24 ч. Эффективность очистки почв от ионов меди растениями без предварительной обработки семян ПМП (см. К* табл. 3) оказалась ниже по сравнению с обработанными растениями, что свидетельствует о положительном влиянии ПМП на рост и развитие растений и процесс фитореме-диации почв, загрязненных ионами Си+2. При этом достигалось наиболее полное извлечение меди при всех значениях длительности воздействия ПМП (Э=76-93 %).

Эффект влияния ПМП обусловлен тем, что оно воздействует на объемные электрические заряды за счет энергии, накапливающейся в ходе реакций в клетке. Магнитные поля влияют на белковые образования растительного происхождения, способствуя перемещению электронов к поверхности клеточных мембран, увеличивая отрицательный заряд и способствуя тем самым формированию слоя с высоким значением разности потенциалов на границе клетка/раствор. В этом случае ускоряется подвод положительно заряженных ИТМ к отрицательно заряженной поверхности мембраны и ускоряется их проникновение вглубь клетки.

Анализ воздействия УФ-облучения на процессы очистки почв показал его положительное влияние при обработке семян растений в течение 1 и 6

часов (рис. 3). Более длительное его воздействие или не оказывало влияния (чаще всего в случае с ионами Си2+), или же сказывалось отрицательно. Такая тенденция наблюдалась для всех исследованных растений-фиторемедиантов.

| ~*~5ПДК —■—10 ПДК 15ПДК -20 ПДК

а) б)

Рис. 3. Влияние концентрации ИТМ и длительности воздействия УФ на эффективность очистки почвы листовым салатом: а) - Си2+; б) - РЬ2+

Известно, что увеличение длительности облучения способствует усилению действия УФ за счет проявления фотоэлектрического эффекта, при котором наблюдается отщепление электронов от белковых образований. Это приводит к изменению «ионной конъюнктуры» в клетках, электрических свойств коллоидов, величины потенциала на клеточных мембранах растения, к увеличению проницаемости клеточных мембран и ускорению обменных процессов между клеткой и окружающей средой. Часть поглощенной лучистой энергии превращается в теплоту, способствуя ускорению физико-химических и биологических процессов, что приводит к ускорению тканевого и общего обмена. Установлено, что в сравнении с процессами без облучения УФ растительные клетки поглощали большее количество ионов металла. Вместе с тем полученные данные подтвердили возможность возникновения стрессового состояния у растений при длительном воздействии (24 ч) коротковолнового УФ-облучения, которое обладает высокой энергией и способностью к разрыву химических связей. Известно, что при этом белки перестают выполнять свои функции, а нуклеиновые кислоты подвергаются мутациям, в связи с чем функции клетки нарушаются. Эффективность извлечения РЬ24 листовым салатом в этих условиях уменьшилась до 40 % (рис. 3, б).

Полученные сравнительные результаты по эффективности очистки почв от ИТМ (как без обработки, так и при воздействии ВФП) показали, что для ионов Си2+ она оказалась на 5-8 % ниже, чем для более токсичных ионов свинца. Это свидетельствует об избирательности фитомелиорантов: медь принимает участие в жизненно важных биохимических процессах в клетках растений, и поэтому ее концентрация в фитомассе «отслеживается

и контролируется» растением, а ионы свинца, депонируемые в вакуоли или межклеточное пространство, могут накапливаться в больших количествах.

Адсорбционную емкость растений А, (табл. 4, рис. 4) определяли по количеству поглощенного ими металла после сушки и мокрого озоления фитомассы (в расчете на абсолютно сухой вес растений). Установлено, что с увеличением концентрации свинца в почве адсорбционная емкость салата (без воздействия ВФП) увеличилась с 3,2 мг/кг (5 ПДК) до 16,4 мг/кг (20 ПДК).

Таблица 4. Адсорбционная емкость растений по истечении 28 дней без воздействия ВФП и при обработке семян ПМП и УФ в течение 6 ч__

Растение ПДК А,, мг/кг без ВФП Аі, мг/кг ПМП Аі, мг/кг УФ

Си РЬ Сиі+ РЬ Си РЬ

Листовой салат 5 2,2 3,2 3,0 3,4 2,4 2,9

10 6,2 8,3 6,4 7,4 4,4 6,7

15 13,1 14,3 1 1.1 12,0 7,6 10,9

20 15,3 16,4 11,3 12,1 8,6 10,6

Фасоль 5 1.4 4,1 2,9 4,9 2,5 3,3

10 3,8 6,3 6.8 9,3 5,4 6,9

15 6,3 9,6 12,2 13,9 9,2 11,3

20 6,1 9,8 11,6 14,6 8,9 13,1

Соя 5 1,1 1,7 2,8 3,6 2,5 4,3

10 1,6 2,8 6,6 8,1 4,7 9,5

15 3,1 4,2 11,7 12,6 8,1 11,3

20 2,6 5,1 11,3 12,8 8,7 11,2

Следует отметить, что в этих условиях адсорбционная емкость растений по ионам меди оказалась ниже, чем для более токсичных ионов свинца. Это, как показано выше - результат селективной избирательности фитоме-лиорантов: роль меди как микроэлемента в растениях тесно связана с процессами фотосинтеза и образования сложных органических соединений, она стабилизирует содержание хлорофилла, предохраняя его от разрушения и др. Установленные величины адсорбционной емкости без воздействия ВФП показали, что сорбируемость растениями ИТМ изменяется в ряду: салат>фасоль>соя. Установлено, что в случае сочетанного воздействия ИТМ и физических полей этот ряд изменился: фасоль>соя>салат, лучшее воздействие ВФП оказали на фасоль, а, следовательно, для нее было получено более высокое значение сорбционной емкости (рис. 4, б), особенно при воздействии ПМП, менее сорбционно-емким оказался листовой салат. Его сорбционные параметры при высоких концентрациях ИТМ (15 и 20 ПДК) и действии УФ оказались ниже, чем без воздействия ВФП (рис. 4, а), что может быть связано с защитными механизмами метаболических процессов этого растения.

а) б)

Рис. 4. Зависимость величины адсорбционной емкости от концентрации —»—без вфг

ионов меди без воздействия ВФП и при сочетанном воздействии —»-лмп

Си2++ВФП при времени облучения 6 ч: а) - листового салата, б) - фасоли уф

В целом следует отметить тенденцию к увеличению сорбционной емкости по извлечению ИТМ при воздействии ВФП. Полученные данные подтверждают, что ВФП в определенных условиях проявляют свое влияние как стимулирующий фактор, под действием которого достигается изменение биологической активности клетки, ее энергетического потенциала, что, как следствие, способствует ускорению извлечения катионов металлов из почв.

4.2. Влияние НП и совместное влияние ВФП+НП на процессы роста, развития растений и фиторемедиацию нефтезагрязненной почвы

Загрязнение нефтью и нефтепродуктами чрезвычайно опасно для почв. Отработанные нефтяные масла - существенный источник загрязнения окружающей среды, способствующий накоплению микроскопических грибов, вызывающих цитоплазмолиз и некроз растений.

Нами проведены исследования влияния концентрации НП (моторное масло марки МТ — 4з/8ДС) на количество всходов растений, высоту и длину листьев, определение эффективности поглощения НП растениями.

Установлено, что наилучшая всхожесть в более ранние сроки (7 и 14 дней) и наибольшая продолжительность роста (21 ...28 дней) наблюдались у фасоли при концентрациях НП, равных 1 и 5 г/кг. Для салата лучшие параметры были установлены при проведении контрольного эксперимента. Всхожесть салата в присутствии НП в почве уменьшалась, а высота растений и длина листа были наибольшими при концентрации 1 г/кг. Соя, также как и фасоль, имела лучшую всхожесть и ростовые характеристики при концентрациях НП в почве, равных 1 и 5 г/кг. Это обусловлено тем, что, в соответствии с литературными данными, нефтяное загрязнение может оказывать стимулирующее действие на прорастание семян и луковиц, формирование листьев и корней, содержание пигментов фотосинтеза.

Воздействие ПМП при обработке семян растений оказало наибольшее влияние на всхожесть, ростовые параметры и эффективность очистки почв фасолью и соей, а УФ-облучение активизировало развитие листового салата.

э,%

60

листовои салат

фасоль

О 5 10

15 20С,Г/КГ25

-"•^""Листовой салат

Рис. 5. Эффективность извлечения НП растениями без воздействия ВФП

Рис. 6. Эффективность извлечения растениями при воздействии ПМП 6 ч.

НП

Исследование влияния НП на процессы фиторемедиации почв (рис. 5) позволяет сделать следующие заключения: концентрация нефтепродукта в почве влияет на всхожесть, рост и развитие высших растений; наибольшую толерантность к НП проявили растения фасоли и сои - наблюдалось более быстрое увеличение их фитомассы по сравнению с листовым салатом; эффективность процесса фиторемедиации почвы от нефтепродуктов уменьшалась в ряду фитосорбентов: фасоль>соя>салат.

Исследование совместного влияния НП и ВФП на процессы фиторемедиации почв (рис. 6) показало, что воздействие физических полей в целом благоприятно сказывается на энергии роста и развития семян и растений и протекании процессов фиторемедиации почвы от НП.

4.3. Гистохимические исследования локализации тяжелых металлов в тканях и органах растений Вопрос о локализации тяжелых металлов в растительном организме имеет большое значение при изучении их токсического действия и механизмов устойчивости растений. Разные органы, ткани и даже различные клетки внутри одной ткани растения по-разному накапливают металлы; их распределение в целом организме может быть крайне неравномерным. В настоящее время разработаны простые в использовании гистохимические методы, которые позволяют оценить распределение, накопление и пути передвижения металлов в растениях. В их основе лежит наблюдение за образованием окрашенных комплексов исследуемого металла и подобранного к нему реагента в клетках и тканях растения.

Нами исследовано распределение свинца в тканях фасоли и сои. Срез растения фасоли накрывали покровным стеклом и анализировали на микроскопе «МИНИМЕД-502» при 100-кратном увеличении. Фотографии препаратов (рис. 7) делали с помощью цифрового фотоаппарата. Масштаб определяли с помощью объект-микрометра отраженного света ОМО. Снимки обрабатывались на компьютере с использованием программы Gimp 2.8.

а)

б)

в)

Рис. 7. Поперечный срез стебля фасоли: а) - контроль; б) -РЬ2+ (5 ПДК) +УФ (6 ч); в) - РЬ~+ (15 ПДК) без ВФП; г) -поперечный срез корня фасоли РЬ2+ (10 ПДК) без ВФП

г)

Было отмечено окрашивание корневых волосков, ризодермы, паренхимы корня. В тканях стебля свинец практически не обнаружен. Полученные результаты свидетельствуют о том, что локализация свинца происходит преимущественно в корне растения, ткани которого выполняют барьерную функцию (эндодерма), защищая стебли и листья, а также генеративные органы от поллютанта, что согласуется с литературными данными. Воздействие ВФП (при одинаковых концентрациях ионов РЬ2+) привело к большей жизнеспособности растений и содержанию в них большего количества влаги, а следовательно, и большего количества клеточного электролита, необходимого для эффективного протекания биоэлектрохимических процессов в клетках и тканях растений.

4.4. Эколого-экономическое обоснование предотвращенного ущерба почвам при использовании метода фиторемедиации

Предотвращенный экологический ущерб земельному фонду на территории Саратовской области с учетом субъекта РФ определен исходя из размеров снижения отрицательного воздействия и величины показателя удельного экологического ущерба, наносимого единицей приведенной массы загрязнения по конкретному виду природных ресурсов и объектов.

Величина предотвращенного ущерба земельным ресурсам области при применении метода фиторемедиации составит ~ 95 тыс. рублей за 1 гектар очищенной почвы.

ВЫВОДЫ

1. Анализ данных мониторинга почв Саратовской области показал, что основными загрязнителями являются тяжелые металлы (свинец, никель, цинк, кадмий, медь и др.) и нефтепродукты (нефть, бензин, моторное масло), воздействие которых отрицательно сказывается на почвенном плодородии.

2. Изучено влияние природы и содержания тяжелых металлов (меди и свинца) на процессы всхожести семян, роста и развития высших растений и фиторемедиации почвы. Установлено, что с увеличением концентрации ионов тяжелых металлов в почве, сильнее проявляется их токсическое действие на растения-фиторемедианты. При высоких концентрациях тяжелых металлов растения имеют более низкие показатели всхожести семян, роста и развития и, как следствие, более низкую адсорбционную емкость и эффективность очистки почв.

3. Показано, что воздействие внешних физических полей на семена способствует ускорению роста, развития растений и улучшению показателей процесса фиторемедиации почвы от ионов тяжелых металлов. Постоянное магнитное поле при времени воздействия 1, 6 и 24 ч и ультрафиолетовое облучение при времени воздействия 1 и 6 ч на семена растений проявили себя как стимулирующие факторы, приводящие к изменению биологической активности клеток (их размножение и фотосинтетическая активность); улучшению ростовых характеристик растений (особенно в присутствии в почве Си2+), повышению на 10-12 % эффективности фиторемедиации почвы. Более длительная обработка ультрафиолетом приводит растения в стрессовое состояние, при котором нарушаются функции клеток и растения теряют свои накопительные свойства.

4. Анализ полученных данных показал, что свинец оказывает большее токсическое воздействие на растения по сравнению с медью. Вместе с тем эффективность очистки почв (76-93 %), загрязненных ионами Си+2, оказалась ниже, чем эффективность очистки почв (84-95 %), загрязненных ионами РЬ+2, при любых из исследуемых концентраций и любой длительности воздействия внешних физических полей. Это обусловлено тем, что медь, в отличие от свинца, является микроэлементом, необходимым для роста и развития растений, и ее концентрация в фитомассе контролируется.

5. Установлено, что при всех исследуемых концентрациях ионов РЬ+2 и Си+2 в почве эффективность ее очистки без предварительной обработки семян растений оказалась на 5-12 % ниже, в сравнении с результатами, полученными при воздействии внешних физических полей. Это свидетельствует о положительном влиянии физических полей на процесс фиторемедиации почв, загрязненных катионами металлов. Эффективность очистки почв от загрязнений и адсорбционная емкость растений без воздействия внешних физических полей уменьшались в ряду: листовой салат>фасоль>соя, а при воздействии — в ряду фасоль>соя>листовой салат.

6. Показано, что адсорбционная емкость растений (2-И5 мг/кг) по металлам зависит от природы фитосорбентов, природы и концентрации ионов металлов, длительности воздействия постоянного магнитного поля и ультрафиолетового облучения. Более высокие значения адсорбционной емкости получены для ионов РЬ2+при воздействии внешних физических полей.

7. Концентрация исследованного нефтепродукта в почве влияет на всхожесть семян, рост и развитие высших растений. Наибольшую толе-

рантность к нефтепродуктам проявили растения фасоли и сои - наблюдалось более быстрое увеличение их фитомассы по сравнению с листовым салатом. Эффективность процесса фиторемедиации почвы (42^72 %) от нефтепродуктов уменьшалась в ряду фитосорбентов: фасоль>соя>сапат. Внешние физические поля оказали стимулирующее воздействие на ростовые параметры и фиторемедиационную активность растений.

8. Показано, что локализация свинца происходит преимущественно в корнях растений, ткани которых выполняют барьерную функцию, защищая стебли и листья, а также генеративные органы от воздействия поллютантов. При воздействии на семена внешних физических полей растения оказываются более жизнеспособными и содержат большее количество влаги (клеточный электролит), необходимой для эффективного протекания биоэлектрохимических процессов.

9. Рассчитан предотвращенный экологический ущерб земельным ресурсам Саратовской области при использовании метода фиторемедиации. Величина предотвращенного экологического ущерба составила = 95 тыс. руб. за 1 гектар земли.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

В изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Халиева, A.C. Влияние меди и свинца на развитие высших растений и фиторемедиацию почвы [Текст] / Л.Н. Ольшанская, A.C. Халиева, О.В. Титоренко, H.A. Ефремова // Известия высших учебных заведений. Серия: Химия и химическая технология. -2013. - Т. 56. - Вып. 4. - С. 127-130.

2. Халиева, A.C. Влияние нефтепродуктов на рост, размножение высших растений и фиторемедиацию ими почвы [Текст] / Л.Н. Ольшанская, О.В. Титоренко, A.C. Халиева // Химическое и нефтегазовое машиностроение.-2013,-№ 7.-С. 39-41.

3. Халиева, A.C. Влияние обработки семян в постоянном магнитном поле на процессы роста и развития растений и фиторемедиацию ими почвы от катионов меди и свинца [Текст] / Л.Н. Ольшанская, A.C. Халиева, A.A. Кузнецова, О.В. Титоренко, И.Г. Шайхиев // Вестник Казанского технологического университета.-2013.-Т. 16.-№ 13.-С. 154-158.

4. Лазуткина (Халиева), A.C. Высшие растения для очистки высококонцентрированных сточных вод [Текст] / Ю.А. Тарушкина, Л.Н. Ольшанская, O.E. Мечева, A.C. Лазуткина// Экология и промышленность России. -2006. - май. - С. 36-39.

В зарубежных изданиях:

5. Халиева, A.C. Воздействие тяжелых металлов на развитие растений и фиторемедиацию ими почвы [Текст] / A.C. Халиева, Л.Н. Ольшанская, О.В. Титоренко, A.A. Кузнецова // Эколого-правовые и экономические аспекты техногенной безопасности регионов: Материалы VII Международной научно-практической конференции (г. Харьков, 17-19 октября 2012 г.). -Харьков: ХНАДУ, 2012. - С. 221-223.

20

6. Халиева, A.C. Влияние кислотности почвы на рост, размножение наземных растений и извлечение ионов тяжелых металлов [Текст] / A.C. Халиева, О.В. Титоренко, J1.H. Ольшанская, Д.М. Геворкян // Эколого-правовые и экономические аспекты техногенной безопасности регионов: Материалы VI Международной научно-практической конференции (г. Харьков, 19-21 октября 2011 г.). - Харьков: ХНАДУ, 2011.-С. 340-343.

7. Халиева, A.C. Влияние внесения осадков сточных вод на урожайность кормовых культур [Текст] / О.В. Титоренко, A.C. Халиева, Л.Н. Ольшанская // Эколого-правовые и экономические аспекты техногенной безопасности регионов: Материалы VI Международной научно-практической конференции (г.Харьков, 19-21 октября 2011 г.). - Харьков: ХНАДУ, 2011.-С. 337-339.

В других изданиях:

8. Халиева, A.C. Влияние природы внешних физических полей и загрязнений нефтепродуктами на процессы ремедиации почв высшими растениями [Текст] / A.C. Халиева, О.В. Титоренко, Л.Н. Ольшанская // Экология и рациональное природопользование агропромышленных регионов: Материалы Международной молодежной научной конференции (г. Белгород, 12— 14 октября 2013 г.). - Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2013. - Ч. 2. -С. 168-170.

9. Халиева, A.C. Использование фиторемедиационных технологий в решении проблем загрязнения биосферных комплексов тяжелыми металлами [Текст] / Л.Н. Ольшанская, М.Л. Русских, О.В. Титоренко, A.C. Халиева // Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов «ELPIT-2013»: Международный научно-технический конгресс (г. Тольятти, 18-21 сентября 2013 г.). — Тольятти: ТГУ, 2013. - Т. 2. - С. 167-173.

10. Халиева, A.C. Влияние внешних физических полей и загрязнений тяжелыми металлами (никель, цинк) на процессы фиторемедиации почв [Текст] / О.В. Титоренко, A.C. Халиева, Л.Н. Ольшанская, О.В. Майорова // Промышленная экология и безопасность: Материалы VIII Межрегиональной научно-практической конференции (г. Казань, 6 сентября 2013 г.). - Казань: МЭ и ПР Республики Татарстан, 2013. - С. 84-87.

11. Халиева, A.C. Влияние концентрации моторного масла и природы фитомелиоранта на рост, развитие растений и извлечение нефтепродукта [Текст] / Л.Н. Ольшанская, О.В. Титоренко, A.C. Халиева, Л.А. Булкина // Актуальные дискуссионные проблемы современной науки: Материалы Международной научной конференции (г. Энгельс, 14 января 2013 г.). - Энгельс: РИЦ ПКИ, 2013. - С. 302-305.

12. Халиева, A.C. Влияние нефтепродуктов на рост, размножение растений и фиторемедиацию почвы [Текст] / A.C. Халиева, О.В. Титоренко, Л.Н. Ольшанская, Н.В. Залесская // Энергосбережение и экология в жилищно-коммунальном хозяйстве и строительстве городов: Материалы Между-

народной научно-практической конференции (г. Белгород, ноябрь 2012 г.). - Белгород: БГТУ им. В.Г.Шухова, 2012.-С. 376-381.

13. Халиева, A.C. Исследование процесса фиторемедиации почв от тяжелых металлов [Текст] / О.В. Титоренко, J1.H. Ольшанская, A.C. Халиева // Энергосбережение и экология в жилищно-коммунальном хозяйстве и строительстве городов: Материалы Международной научно-практической конференции (г. Белгород, ноябрь 2012 г.). - Белгород: БГТУ им. В.Г. Шухова, 2012. - С. 374-376.

14. Халиева, A.C. Исследование влияния фитосорбента, природы и концентрации тяжелых металлов на процесс фиторемедиации почв [Текст] / A.C. Халиева, О.В. Титоренко, JI.H. Ольшанская // Экологические проблемы горно-промышленных регионов: Материалы Международной молодежной конференции (г. Казань, 11-12 сентября 2012 г.). - Казань: КГХТУ, 2012.-С. 202-204.

15. Халиева, A.C. Загрязнение почв тяжелыми металлами [Текст] / J1.H. Ольшанская, О.В. Титоренко, A.C. Халиева // Актуальные проблемы электрохимической технологии: Материалы Международной конференции (г. Энгельс, 25-28 апреля 2011 г.). - Саратов: СГТУ, 2011. - Т. 2. - С. 309-313.

ХАЛИЕВА Анна Сергеевна

ВЛИЯНИЕ ПОСТОЯННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ И УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПРОЦЕССЫ РОСТА ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ И ФИТОРЕМЕДИАЦИЮ ИМИ ПОЧВ ОТ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И НЕФТЕПРОДУКТОВ

Специальность 03.02.08 - экология (биология)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Компьютерная верстка Т.А. Антиповой

Сдано в производство 23.11.13. Формат 60x84 '/i6 Бумага типогр. № 1. Печать трафаретная. Шрифт Times New Roman Cyr. Усл. печ. л. 1,29. Уч.-изд л. 1,39. Заказ № 2388. Тираж 100.

Пензенский государственный технологический университет. 440039, Россия, г. Пенза, пр. Байдукова/ул. Гагарина, 1*/11

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата биологических наук, Халиева, Анна Сергеевна, Саратов

04201454466

ФГБОУ ВПО «САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени ГАГАРИНА Ю.А.»

На правах рукописи

ХАЛИЕВА Анна Сергеевна

ВЛИЯНИЕ ПОСТОЯННОГО МАГНИТНОГО ПОЛЯ И УЛЬТРАФИОЛЕТОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ПРОЦЕССЫ РОСТА ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ И ФИТОРЕМЕДИАЦИЮ ИМИ ПОЧВ ОТ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И НЕФТЕПРОДУКТОВ

Специальность 03.02.08 — экология (биология)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата биологических наук

Научный руководитель: доктор химических наук, профессор Ольшанская Л.Н.

САРАТОВ-2013

СОДЕРЖАНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ 4

ВВЕДЕНИЕ 5

1. ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. 10

1.1. Загрязнение почвы тяжелыми металлами 10

1.2. Пути поступления тяжелых металлов в растения 11

1.2.1. Влияние тяжелых металлов на микроэлементы 20

1.2.2. Клеточные и молекулярные механизмы устойчивости растений

к тяжелым металлам 22

1.2.3. Биологическая роль тяжелых металлов в растениях 23

1.2.4. Механизмы гипераккумуляции ТМ растениями 27

1.2.5. «Кросс-адаптация» и устойчивость растений к тяжелым металлам 28

1.2.6. Потенциал использования микробно - растительного взаимодействия для биоремедиации 31

1.3. Очистка почв от загрязнений тяжелыми металлами 34

1.4. Нефтяное загрязнение и основные направления удаления нефтепродуктов из почвенного слоя 36

1.4.1. Загрязнение почв нефтепродуктами и их воздействие на почвенно-растительный комплекс 37

1.4.2. Основные механизмы фиторемедиации почвы, загрязненной нефтью

и продуктами ее переработки 38

1.5. Воздействие внешних физических полей на семена растений, их рост и развитие 39

1.63Ы Утилизация отработанных фиторемедиантов и сорбентов 53

Заключение 54

2. ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ДАННЫХ МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ ПОЧВ САРАТОВСКОЙ ОБЛАСТИ 56

2.1. Экологические проблемы Саратовской области 56

2.2. Земельный фонд области 57

2.3. Санитарное состояние почвы 62 Заключение 71

3. ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА 73

3.1. Объекты исследования 73

3.2. Методика подготовки посуды и модельных растворов 74

3.3. Подготовка посадочного материала 76

3.4. Приготовление почвенных вытяжек для определения остаточных концентраций поллютантов 78

3.5. Методика определения влажности растений 80

3.6. Методы исследования и используемое оборудование 80 Выводы 93

4. ГЛАВА 4. ВЛИЯНИЕ ВНЕШНИХ ФИЗИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ НА ПРОЦЕССЫ РОСТА, РАЗВИТИЯ ВЫСШИХ РАСТЕНИЙ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ФИГОРЕМЕДИАЦИИ ПОЧВ ОТ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ И НЕФТЕПРОДУКТОВ 94

4.1. Влияние тяжелых металлов и совместное влияние ИТМ+ВФП

на процессы роста, развития растений и фиторемедиацию почвы 98

4.2. Влияние НП и совместное влияние ВФП+НП на процессы роста, развития растений и фиторемедиацию нефтезагрязненной почвы 118

4.3. Гистохимические исследования локализации тяжелых металлов в тканях и органах растений 125

4.4. Эколого-экономическое обоснование предотвращенного ущерба почвам при использовании метода фиторемедиации 130

ВЫВыводы 136

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ 139

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 141

ПРИЛОЖЕНИЯ 168

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И ОБОЗНАЧЕНИЙ

ВФП - внешние физические поля

ИТМ - ионы тяжелых металлов

ИХВА - инверсионная хромовольтамперометрия

Н - нефть

НП - нефтепродукты

ТМ - тяжелые металлы

ИТМ - ионы тяжелых металлов

Э - эффективность, %

ПМП — постоянное магнитное поле

УФ - ультрафиолетовое излучение

ИК - инфракрасное излучение

ЭМИ - электромагнитное излучение

ЭМП - электромагнитное поле

АБК - абсцизовая кислота (гормон стресса)

АЦК - 1-аминоциклопропан-1-карбоновая кислота

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Загрязнение почв нефтепродуктами и тяжелыми металлами приобретает характер глобальной экологической угрозы и все сильнее привлекает внимание ученых всего мира, так как эти поллютанты относятся к приоритетным загрязняющим веществам, наблюдения за которыми обязательны во всех средах. Большинство известных физико-химических способов очистки почв от ионов тяжелых металлов и нефтепродуктов, являются дорогостоящими и сложными в исполнении. Для минимизации отрицательного воздействия поллютантов на биосферные комплексы в России и за рубежом эффективно внедряются новые технологии. Приоритет по эффективности и рентабельности признается за методом фиторемедиации, основанном на поглощении растительной клеткой токсичных веществ за счет создаваемой на клеточной мембране разности электрических потенциалов. Затраты на этот способ не превышают 20 % от затрат на альтернативные технологии. Недостатками метода являются сезонность, длительность процесса и невысокая эффективность очистки. Эффективными, рациональными и экологичными могут стать способы очистки, основанные на сочетании применения энергии внешних физических полей и способности высшей растительности аккумулировать токсиканты. Эти работы являются актуальными, имеют большое научное и практическое значение.

Цель диссертационной работы - исследование влияния природы и длительности воздействия внешних физических полей, природы и концентрации ионов тяжелых металлов и нефтепродуктов на процессы роста и развития высших растений и фиторемедиации ими почвы от поллютантов.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Провести анализ данных мониторинга почв Саратовской области с целью выявления основных загрязнителей.

2. Исследовать длительность воздействия постоянного магнитного поля и ультрафиолетового излучения; природы и концентрации ионов тяжелых металлов (Си и

РЪГ) и нефтепродуктов; совместного влияния поллютантов

5

и внешних физических полей на динамику роста и развития высших растений (фасоль, соя, листовой салат).

3. Исследовать длительность воздействия внешних физических полей; природы и концентрации катионов металлов и нефтепродуктов; совместное влияние поллютантов и внешних физических полей на процессы извлечения ионов тяжелых металлов и нефтепродуктов из загрязненных почв.

4. Дать эколого-экономическое обоснование и рассчитать предотвращенный ущерб почвам при использовании метода фиторемедиации.

Объектами исследования являются растения - фиторемедианты (фасоль обыкновенная, соя, листовой салат), водные вытяжки (элюаты) из почв, содержащие

ИТМ: Си , РЬ^ и нефтепродукт (моторное масло).

Предметом исследования явилосьизучениевлияния внешних физических полей (ПМП и УФ) на процессы всхожести, роста и развития высших растений и извлечение ими тяжелых металлов и нефтепродуктов из загрязненных почв.

В ходе работы над диссертацией использованы следующие методы исследований: спектрофотометрия, ионометрия, рН-метрия, оптическая микроскопия, инверсионная хроновольтамперометрия.

Научная новизна работы:

^ Впервые проведены исследования постоянного магнитного поля и ультрафиолетового излучения на процессы фиторемедиации загрязненных почв от ионов тяжелых металлов и нефтепродуктов с помощью высших растений.

^ Показано, что обработка семян растений постоянным магнитным полем с напряженностью 2 кА/м и ультрафиолетовым излучением с длиной волны 290 нм при выбранных условиях стимулируют всхожесть, рост, развитие растений, увеличивают их адсорбционную емкость и эффективность извлечения ими ионов тяжелых металлов и нефтепродуктов из загрязненных почв.

^ Определены оптимальные значения основных параметров: времени обработки семян фитосорбентов в постоянном магнитном поле, времени

облучения фитосорбентов ультрафиолетом, обеспечивающие достижение максимальных значений адсорбционной емкости растений и эффективности процесса фиторемедиации почв от ионов тяжелых металло.в и наефтепродуктов.

Установлено, что скорость и полнота поглощения ионов тяжелых

Л 1

металловрастениями-фитосорбентами выше для ионов РЬ , чем для ионов Си2+, и определяются химико-биологической природой металла.

^ Установлено, что эффективность извлечения поллютантов из почв растениями без предварительного воздействия внешних физических полей уменьшается в ряду: листовой салат>фасоль>соя, а обработанными внешними физическими полями - в ряду: фасоль>соя>листовой салат.

Практическая значимость результатов работы:

Показана возможность усовершенствования технологии фиторемедиации с применением разработанного подхода к очистке почв от поллютантов с помощью внешних физических воздействий на растения-фитосорбенты.

Полученные в диссертации результаты по влиянию внешних физических полей на процессы фиторемедиации почв могут быть использованы при решении задач мелиорации для реабилитации почв и повышения их плодородия.

Доказана перспективность очистки загрязненных почв от поллютантов методом фиторемедиации с применением энергии постоянного магнитного поля и ультрафиолетового излучения для минимизации антропогенного загрязнения почвенных комплексов.

На защиту выносятся:

1. Установленные закономерности роста и развития растений-фитосорбентов (фасоль, соя и листовой салат) при наличии в почве ионов тяжелых металлов и нефтепродуктов без предварительной обработки семян растений и после их обработки в постоянном магнитном поле и ультрафиолетовым облучением.

2. Рекомендации по выбору оптимальных условий воздействия на семена растений внешних физических полей для повышения эффективности

Л I

процесса фиторемедиации загрязненных почв от тяжелых металлов (Си , РЬ ) и нефтепродукта (машинное масло).

3. Установленные зависимости величин адсорбционной емкости расте-ний-фитосорбентов от длительности воздействия физических полей, природы и концентрации катионов тяжелых металлов.

4. Эколого-экономическое обоснование и расчет предотвращенного ущерба почвам Саратовской области при использовании метода фиторемедиации.

Реализация и внедрение результатов работы. Работа проводилась в соответствии с основными научными направлениями СГТУ по заданию Министерства образования и науки РФ в рамках АВЦП «Развитие научного потенциала высшей школы» (2009-2011); планом НИР СГТУ по направлению 14 В. 03 «Разработка энергосберегающих технологий, способов контроля, очистки и обеззараживания воды, почвы, переработки и утилизации техногенных образований и отходов в товары народного потребления».

Разработанные научные положения диссертации апробированы и внедрены на предприятиях области: ФГБНУ «Волжский научно-исследовательский институт гидротехники и мелиорации» (г. Энгельс), ЗАО «Стройматериалы. Энгельсский кирпичный завод» и в учебный процесс ЭТИ (филиал) СГТУ имени Гагарина Ю.А. по дисциплинам: «Науки о Земле», «Химия окружающей среды», «Техника защиты окружающей среды», «Промышленная экология», «Прикладная экология», при курсовом и дипломном проектировании.

Публикации и апробация работы. По теме диссертационной работы опубликовано: 15 статей, включая 4 статьи в журналах по списку ВАК и три статьи в зарубежных изданиях. Результаты работы докладывались и обсуждались на 11 международных и всероссийских форумах, конгрессах и конференциях: «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленно-транспортных комплексов «ЕЬР1Т-2013» (Тольятти, 2013), «Экология и рациональное природопользование агропромышленных регионов» (Белгород,

8

2013), «Актуальные дискуссионные проблемы современной науки» (г. Энгельс, 2013), «Промышленная экология и безопасность» (Казань, 2013). «Энергосбережение и экология в жилищно-коммунальном хозяйстве и строительстве городов» (Белгород, 2012), «Актуальные проблемы электрохимической технологии» (Саратов, 2011), «Экология: синтез естественнонаучного технического и гуманитарного знания» (Саратов, 2011), «Эколого-правовые и экономические аспекты техногенной безопасности регионов» (Украина, Харьков, 2011, 2012), «Экологические проблемы горно-промышленных регионов» (Казань,2012).

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 1.1. Загрязнение почвы тяжелыми металлами

В настоящее время в биосферу поступает свыше 500 тыс. разновидностей химических веществ - продуктов хозяйственной деятельности, большая часть которых накапливается в почве. Среди загрязнителей значительное место занимают тяжелые металлы [1 - 3].

Промышленные стоки и газовые выбросы, отходы горнорудных производств, коррозия металлических конструкций и оборудования являются постоянными источниками поступления тяжелых металлов (ТМ) в окружающую среду [4]. Например, ежегодные антропогенные поступления свинца оцениваются в 106 т, меди — 4*106 т [5]. Значительная часть ТМ оказывается в почве. Они не подвержены биодеградации и переходят в поверхностные и подземные воды, поглощаются обитателями почв и водоемов, а также различными видами растений. Многие ТМ относятся к I (С<1, Н§, РЬ, Ъъ) и II (Со, N1, Мо, Си, БЬ, Сг) классам опасности и, включаясь в пищевые цепи, представляют опасность для животных и человека.

Специальные биотесты для определения загрязнения фитопопуляции солями тяжелых металлов, остатками пестицидов, микотоксинами и другими агентами сводятся к оценке степени изменения морфометрических, физиологических и биохимических показателей биоты. Подобные нарушения проявляются в изменении энергии прорастания, всхожести семян, размеров корней, в повреждении растений под воздействием загрязнителей [6].

Подвижность тяжелых металлов в почвах. Трансформация соединений тяжелых металлов, поступающих в почву, включает в себя следующие процессы: растворение, адсорбция катионов тяжелых металлов твердой фазой почв, образование новой твердой фазы. Основными процессом, контролирующим содержание водорастворимых форм тяжелых металлов в почвах, подверженных техногенному загрязнению, является адсорбционно-десорбционное равновесие. Установлено [7], что после внесения оксидов тя-

ю

желых металлов содержание их подвижных форм практически не отличалось от содержания в почве, в которую вносили водорастворимые соли тех же тяжелых металлов. Со временем во всех почвах содержание водорастворимой, обменной и непрочно связанной форм тяжелых металлов уменьшается, а прочносвязанной форм - увеличивается. Концентрация ТМ в почвенном растворе - наиболее важная экологическая характеристика почвы, поскольку определяет их миграцию по профилю и поглощение их растениями. Изменение влажности почв, активности микробиоты влияют на кислотно-основное и окислительно-восстановительное равновесие, содержание хелатообразующих соединений, состав почвенной атмосферы, и все это в свою очередь сказывается на подвижности тяжелых металлов [8].

В поглощении тяжелых металлов почвами действуют 2 механизма: первый включает адсорбцию с образованием внешне- и внутрисферных комплексных соединений с минеральными и органическими компонентами почв; второй состоит в осаждении из почвенного раствора труднорастворимых соединений, то есть в образовании вторичной твердой фазы.

1.2. Пути поступления тяжелых металлов в растения

Важное место при разработке мероприятий по охране природной среды от загрязнения техногенными выбросами занимает изучение поглощения ТМ растениями. Проблема поступления металлов в растения имеет 3 практических аспекта: - во-первых, растения являются промежуточным резервуаром, через который металлы переходят из воды, воздуха и, главным образом, почвы в организмы человека и животных, в связи с чем необходима разработка методов защиты пищевых цепей от проникновения токсикантов в опасных концентрациях; - во-вторых, доказана токсичность тяжелых металлов для самих растений - как для низших, так и для высших, что ставит ряд вопросов о реакции растений на избыток тяжелых металлов в среде; - в-третьих, выяснение возможности использования растений в качестве биоиндикаторов загрязненной природной среды тяжелыми металлами [9]. При оценке состояния

11

среды желательно сочетать физико-химические методы с биологическими. При низкой чувствительности биоиндикатор отвечает только на сильные отклонения фактора от нормы, при высокой - на незначительные [10].

Различные виды растений в значительной степени различаются по способности поглощать тяжелые металлы. Высшие растения меньше накапливают тяжелые металлы и менее устойчивы к повышенным концентрациям, чем низшие. Наиболее высокое содержание ртути, кадмия, меди и цинка отмечено в грибах, мхах и лишайниках [11].

Как правило, высокой устойчивостью к воздействию метааллов отличаются виды растений, растущие в биохимических провинциях с высокими концентрациями тяжелых металлов в течение длительного исторического периода (металлофиты) [12]. Формирование устойчивости к металлам имеет генетическую основу. Эволюционные изменения у растений, возникающие под действием тяжелых металлов, отличают их от популяций тех же видов, растущих на обычных почвах. К металлофитам, например, относят растение БИепе тагШпа, накапливающее цинк до 21 ООО мг/кг золы. Различают псевдометаллофиты, способные накапливать металлы только при попадании на обогащенный ими субстрат. Культурные растения, как правило, в меньшей степени �