Фитотоксичность нефти и нефтепродуктов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство сельского хозяйства РФ

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Пермская государственная сельскохозяйственная академия имени академика Д.Н. Прянишникова»

Кафедра экологии

Курсовая работа по дисциплине «Основы экотоксикологии»

на тему: «Фитотоксичность нефти и нефтепродуктов»

Пермь 2012

Содержание

Введение

1. Нефть и нефтепродукты

2. Влияние нефти и нефтепродуктов на растения. Фитотоксичность

2.1 Прямое токсическое действие нефти и нефтепродуктов на растения

2.2 Косвенное воздействие нефти и нефтепродуктов на растения

3. Влияние различных концентраций нефти на рост и развитие растений

4. Стимулирующее действие нефти и нефтепродуктов на растения. Устойчивость растений к нефтезагрязнению

5. Биотестирование

Выводы

Список литературы

Введение

Загрязнение природной среды нефтью и сопутствующими загрязнителями - острейшая экологическая проблема во многих регионах России. Химическое загрязнение почвенного покрова происходит практически на всех стадиях добычи, переработки и хранения нефти и нефтепродуктов.

Энергетическая программа России на длительную перспективу предусматривает увеличение добычи нефти, а это, в свою очередь, ведет к расширению сети трубопроводов, возрастает количество перевозок нефти и нефтепродуктов, поэтому невозможно полностью исключить вероятность новых аварий, разливов нефти и нефтепродуктов.

Последствия нефтяного загрязнения непредсказуемы, они зависят от количества и состава загрязняющих веществ. А от этого зависит, приспособиться ли экосистема к новым условиям, и начнет восстанавливать свои функциональные звенья или она перейдет от нестабильного состояния к полной деградации.

Естественное восстановление плодородия почв при загрязнении нефтью происходит значительно дольше, чем при других техногенных загрязнениях, поэтому наиболее сильно обостряется проблема их сельскохозяйственного использования.

Целью курсовой работы является изучение фитотоксичности и влияния на рост и развитие растений нефти и нефтепродуктов.

Были поставлены следующие задачи:

- Получить общие сведения о составе и свойствах нефти и нефтепродуктов;

- Рассмотреть влияние нефти и нефтепродуктов на растение;

- Изучить косвенное и прямое токсическое действие нефтепродуктов;

- Рассмотреть влияние различных концентраций нефти на рост и развитие растений;

- Рассмотреть стимулирующее действие нефти и нефтепродуктов и устойчивость растений к нефтезагрязнению.

- Рассмотреть метод биотестирования нефтезагрязненных почв.

1. Нефть и нефтепродукты

Нефть - маслянистая жидкость, представляющая собой сложный природный раствор органических соединений, в основном углеводородов. В углеводородах растворены высокомолекулярные смолисто-асфальтеновые вещества, а также низкомолекулярные кислород-, азот- и серосодержащие органические соединения. Кроме того, в нефти растворены и некоторые неорганические вещества: вода, соли, сероводород, соединения металлов и других элементов. В ее составе обнаруживается свыше 1000 индивидуальных органических веществ, содержащих 83 - 87% углерода, 12 - 14% водорода, 0,5 - 6,0% серы, 0,02 - 1,7% азота и 0,005 - 3,6% кислорода и незначительную примесь минеральных соединений; зольность нефти не превышает 0,1% (Лозановская И.Н., 1988). Основные характеристики нефти представлены в таблице 1.

Таблица 1. Характеристика состава и свойств нефти по Стокеру и Сигеру (Лозановская И.Н., 1988)

Фракции	Массовая доля в сырой нефти, %	Диапазон температур кипения, °С	Растворимость в дистиллированной воде *104 ,% (по массе)
Парафины:
C6 - С12	0,1 - 20	69 - 230	9,5 -0,1
С13 - С25	0 - 10	230 - 450	0,01 - 0,004
Циклопарафины:
C6 - С12	5 - 30	70 - 230	55 - 1,0
С13 - С25	5 - 30	230 - 405	1,0 - 0
Ароматические углеводороды:
моно- и дициклические C6 - С11	0 - 5	80 - 240	1780 - 0
полициклические С12 -- C18	0 - 5	240 - 400	12,5 - 0
Нафтено-ароматические углеводороды	5 - 30	180-400	1,0 - 0
C9 - C23
Остатки	10-70	400	0

Нефть в природе довольно разнообразна. По внешнему виду она различается по цвету (от почти бесцветной до темно-коричневой) и вязкости (от весьма подвижной до густой малоподвижной). Соотношение компонентов, входящих в состав нефти, определяет ее тип, физические свойства, состав. Изменение состава и свойств нефти отражается прежде всего на удельном весе, который колеблется от 0,80 до 0,95. Нефть с большим или меньшим удельным весом встречается редко (http://www.docload.ru). Нефть разных месторождений содержит одни и те же химические компоненты, но может различаться соотношением парафинов, циклопарафинов, ароматических и нафтеноароматических углеводородов (Лозановская И.Н., 1988).

В составе нефти различают следующие классы углеводородов:

алифатические (метановые);

циклические насыщенные (нафтеновые);

циклические ненасыщенные (ароматические).

Имеются также смешанные (гибридные) углеводороды: метано-нафтеновые, нафтеново-ароматические.

Среди метановых углеводородов в нефти имеются газообразные, жидкие и твердые. Газообразные (метан, этан, бутан и др.) растворены в жидких углеводородах и выделяются при изменении давления. Твердые высокомолекулярные углеводороды (парафины) также находятся в растворенном состоянии. Их попадание в почву особенно опасно, так как, имея низкую температуру застывания, парафины прочно закупоривают все каналы, по которым происходит обмен веществ между почвой и растением, почвой и атмосферой.

Нефть с преобладанием метановых углеводородов относится к метановому типу. Среди ее разновидностей выделяется высокопарафинистая нефть (содержание парафина более 6 %), парафинистая (1,5-6,0 %) и малопарафинистая (менее 1,5 %).

Нафтеновые углеводороды присутствуют во всех типах нефти, но нефть с преобладанием этого класса углеводородов встречается редко. Среди ароматических углеводородов преобладают низкомолекулярные структуры (бензол, толуол, ксилол, нафталины). В подчиненном количестве имеются гомологи 3-6-кольчатых углеводородов (полициклические ароматические углеводороды - ПАУ). В некоторых разновидностях нефти ПАУ содержат значительное количество 3,4-бенз(а)пирена и других канцерогенных углеводородов.

Высокомолекулярные ароматические структуры, содержащие также кислород, серу, азот, представляют смолы и асфальтены. Смолы - вязкие вещества, асфальтены - твердые. Те и другие растворены в жидких углеводородах. Высокое содержание смол и асфальтенов в нефти определяет увеличение ее удельного веса и вязкости. Такие нефти малоподвижны, но могут создать устойчивый очаг загрязнения в почве.

Смолистые нефти не содержат, как правило, твердых парафинов, а высокопарафинистые нефти - заметного количества смолисто-асфальтеновых веществ. Нафтеновые нефти содержат минимальное количество тех и других.

Существенное значение имеет содержание серы в нефти. Кроме элементной серы, в нефти присутствуют некоторые специфические сернистые соединения (меркаптаны, сульфиды, тиофаны), дающие специфический запах. Присутствие сернистых соединений увеличивает токсичность нефти.

По содержанию серы нефть бывает малосернистая (менее 0,5 %), сернистая (0,5-2,0%), высокосернистая (более 2,0%).

Нефть разделяется на фракции по температуре кипения смесей различных углеводородов. Углеводороды, вскипающие до 200 °С, относятся к бензиновой, вскипающие в интервале 200-300 °С, - керосиновой, от 300 до 400 °С - газоилевой фракциям.

Нефть, богатая бензиновой фракцией, быстрее испаряется, и ее воздействие на природную среду относительно кратковременно. Углеводороды, вскипающие при высоких температурах, довольно устойчивы и очищение от них компонентов природной среды проходит с трудом.

Тип нефти зависит от многих условий, связанных с формированием и существованием ее скоплений. В одном и том же районе можно встретить разные типы нефти. Часто наблюдается определенная зональность по площади и по толще нефтеносных пород в изменении состава нефти (http://www.docload.ru).

Для оценки нефти как загрязняющего вещества природной среды предложено использовать следующие признаки: содержание легких фракций (t_кип < 200 ^ОС); содержание парафинов; содержание серы (Лозановская И.Н., 1988).

Легкие фракции обладают повышенной токсичностью для живых организмов, но их высокая испаряемость способствует быстрому самоочищению природной среды. Напротив, парафины не оказывают сильного токсического воздействия на почвенную биоту, но благодаря высокой температуре отвердевания существенно влияют на физические свойства почвы. Содержание серы свидетельствует о степени опасности сероводородного загрязнения почв (Лозановская И.Н., 1988).

Нефтепродукты, смеси углеводородов и некоторых их производных, а также индивидуальные химические соединения, получаемые при переработке нефти. Значительная часть нефтепродуктов представляет собой смеси отдельных углеводородных компонентов, содержащие различные добавки и присадки, улучшающие свойства нефтепродуктов и повышающие стабильность их эксплуатационных характеристик (Товарные нефтепродукты…,1971).

Из нефти получают несколько тысяч различных продуктов, которые делятся на следующие основные группы: топлива (бензины, лигроины, керосины, реактивные, дизельные, котельные, газотурбинные топлива); нефтяные масла; парафины, церуины, вазелины; нефтяные битумы; осветительные керосины; растворители; прочие нефтепродукты (кокс, сажа, смазки, органические кислоты и др.).

Топлива (газообразные и жидкие) составляют одну из главных групп нефтепродуктов. К ним относятся различные продукты переработки газов нефтяных попутных (газовый бензин - компонент автомобильных бензинов, пропан-бутановая фракция - моторное топливо и топливо коммунально-бытового назначения, изобутан - сырьё для получения высокооктановых компонентов моторных топлив), газы нефтепереработки, бензин, керосин, мазут. Основное количество нефтяных топлив составляет моторное топливо, применяемое в двигателях внутреннего сгорания (поршневых, реактивных, газотурбинных). Эта обширная группа составляет около 63% от всех нефтепродуктов. Для получения моторного топлива используют в основном продукты прямой перегонки нефти (бензиновые, лигроиновые, керосино-газойлевые и др. фракции), а также продукты вторичных процессов переработки нефти (например, каталитический крекинг). Все нефтяные топлива, кроме котельного (в качестве которого используется мазут), подвергаются очистке. Важнейшей эксплуатационной характеристикой нефтяных топлив является теплотворная способность. Бензин обладает высокой стойкостью к детонации, дизельное топливо - хорошей воспламеняемостью; то и другое топливо имеет достаточно низкую температуру застывания (и помутнения) в соответствии с условиями и районом применения. Необходимые эксплуатационные качества топлив обеспечиваются тщательным подбором компонентов и присадок.

Масла нефтяные составляют вторую по объёму и значению группу нефтепродуктов. Это главным образом смазочные масла. Важную группу масел представляют электроизоляционные масла и технологические масла. Получают масла в основном вакуумной перегонкой мазута и деасфальтизацией масляных гудронов (тяжёлых остатков от перегонки нефти). Важнейшими показателями эксплуатационных свойств масел являются вязкость, индекс вязкости, стабильность против окисления, смазочная способность, температура вспышки и застывания.

К смазочным материалам на основе нефтепродуктов. относятся также пластичные смазки и смазочно-охлаждающие жидкости. Первые представляют собой смеси нефтяных (иногда синтетических) масел с различными загустителями и применяются в узлах трения, работающих в широком диапазоне температур и скоростей, для продолжительной консервации металлоизделий и в др. случаях. Смазочно-охлаждающие жидкости -- это нефтяные масла или пасты, активированные поверхностно-активными веществами (эмульсол, сульфофрезол, эмульгирующие пасты и др.) и используемые при обработке металлов резанием и давлением.

Нефтяные технические битумы составляют третью по объёму производства группу товарных нефтепродуктов, имеющих широкое применение в народном хозяйстве: дорожные, строительные битумы и др. Технические битумы получают концентрацией (вакуумной перегонкой) и окислением (продувкой воздухом) остатков от перегонки нефти, содержащих большое количество асфальтово-смолистых и тяжёлых гетероциклических соединений.

Значительную группу нефтепродуктов составляют так называемые твёрдые углеводороды: парафины, церезины, вазелины, петролатумы, озокериты и др. Их получают разделением и очисткой продуктов, выделяемых при депарафинизации нефтяных фракций, а также путём переработки природных озокеритов. Используют твёрдые углеводороды в медицине, пищевой, электротехнической, бумажной, резиновой промышленности, для производства пластичных смазок и других целей.

Товарными нефтепродуктами являются также различные растворители, нефтяной кокс, сажа, деэмульгаторы и пр.

Нефтепродукты, получаемые путём разделения фракций пиролиза нефти (бензол, толуол, ксилол, нафталин, зелёное масло и др.), применяются в основном как нефтехимическое сырьё. В качестве химического сырья используются также газы нефтепереработки и многие другие продукты термической и каталитической переработки нефти (Товарные нефтепродукты…,1971).

Загрязнением почв нефтью и нефтепродуктами считается увеличение концентраций этих веществ до такого уровня, при котором:

нарушается экологическое равновесие в почвенной системе;

происходит изменение морфологических, физико-химических и химических характеристик почвенных горизонтов;

изменяются водно-физические свойства почв;

нарушается соотношение между отдельными фракциями органического вещества почвы, в частности между липидной и гумусовой составляющими;

создается опасность вымывания из почвы нефти и нефтепродуктов и вторичного загрязнения грунтовых и поверхностных вод (http://www.docload.ru).

Нефть при попадании в почву дает глубокие необратимые изменения, что приводит к потере загрязненными почвами плодородия, к их засолению и отторжению площадей из сельскохозяйственного использования. Срок восстановления, саморекультивации почв, загрязненных нефтью, составляет от 1-2 до 10-15 лет.

В почве нефть и нефтесодержащие продукты подавляют жизнедеятельность азотфиксирующих, нитрофиксирующих, целлюлозо-разрушающих и других бактерий, снижается содержание азота и фосфора, исчезают нитраты. Все это сказывается на питательной ценности почв. Содержание нефти в почве даже небольшой концентрации (0,15%) снижает урожай зерновых культур (http://region-yug.ru).

Т. Савкина с соавторами (Оборин А. А., 2008) выделили следующие степени влияния нефти на урожайность растений в зависимости от ее концентрации в почве:

I. Небольшое повреждение почвы при дозе нефти в 0,1-0,25 кг/м² земли, снижение урожая в течение двух лет, при этом оно не превышает 25%.

II. Среднее повреждение (0,25-0,5 кг/м²) вызывает исключение почвы из производственного цикла до одного года, снижение урожая примерно на 50% продолжается в течение следующих пяти - шести лет. Полного восстановления почва достигает, по всей вероятности, через десять - двенадцать лет.

III. Сильное повреждение (0,5-1,0 кг/м²) - исключение почвы из производственного цикла до трех лет. Полного восстановления почва достигает, по всей видимости, через пятнадцать лет.

IV. Очень сильное повреждение - более чем 1,0 кг/м2 земли, полное исключение почвы из производственного цикла до пяти - десяти лет в зависимости от количества нефти, содержащейся в почве.

Таким образом, в состав нефти входит смесь углеводородов самого разнообразного строения, которые в свою очередь делятся на фракции (легкие и тяжелые). Некоторые из фракций, содержащихся в нефти, весьма токсичны, причем их токсичность возрастает по мере увеличения концентрации этих фракций. В процессе разложения нефти протекает ряд химических реакций, при которых также образуются соединения, обладающие высокой токсичностью. При попадании нефти и нефтепродуктов в почву происходят глубокие и часто необратимые изменения физических, морфологических, физико-химических, микробиологических свойств, а иногда и существенная перестройка почвенного профиля, что приводит к потере плодородия и отторжению загрязненных территорий из хозяйственного использования.

2. Влияние нефти и нефтепродуктов на растения. Фитотоксичность

фитотоксичность нефть растение биотестирование

Фитотоксичность - способность химических веществ подавлять рост и развитие растений (http://dic.academic.ru).

Опасность загрязнения нефтью и нефтепродуктами связана, прежде всего, с высокой чувствительностью к нему высших растений, при том, что они занимают ключевое положение практически во всех наземных экосистемах, определяя существование и состав остальных биологических компонентов биогеоценозов: животных и микроорганизмов (Оборин А. А., 2008).

Влияние нефти на растения обусловлено как ее непосредственным токсическим воздействием, так и трансформацией почвенной среды.

На клеточном и физиологическом уровне воздействие углеводородов нефти на растения проявляется в нарушении структуры хлоропластов и фотосинтеза. Углеводороды повреждают мембраны хлоропластов, митохондрий, мембраны клеток корня. Растения, растущие при нефтяном загрязнении почвы, содержат значительно большее количество веществ со стресспротективными свойствами (Оборин А. А., 2008).

Поступая в клетки и сосуды растений, нефть вызывает токсические эффекты. Они проявляются в быстром повреждении, разрушении, а затем к отмиранию всех живых, активно функционирующих тканей растений в вегетирующем состоянии, на которые попадают ее брызги. Нефть оказывает отрицательное влияние на рост, метаболизм и развитие растений, а также молодые проростки, подавляет рост надземных и подземных частей растений, в значительной степени задерживает начало цветения; загрязненные нефтью цветки редко образуют семена (Зильберман М. В., 2005).

Влияние нефти на высшие растения многопланово: замедление роста, нарушение функции фотосинтеза и дыхании, изменение структуры хлоропластов; значительной степени страдают корневая система, листы, стебли, репродуктивные органы. В литературе отмечается различная реакция растении на нефть в зависимости от их биоморфы и систематической принадлежности. В целом многолетники более устойчивы, чем однолетники (Зильберман М. В., 2005).

В целом на нефтезагрязненых почвах у растений отмечаются следующие физиономические и фенологические отклонения от нормы:

1) появление гигантских и карликовых форм;

2) нарушение нормальных пропорций во внешнем облике растений;

3) возникновение наростов, наплывов, утолщений, придающих отдельным экземплярам уродливый облик;

4) нарушение нормального ритма развития (повторное цветение видов, нормально цветущих один раз в сезон);

5) сильная поврежденность растений вредителями (Оборин А. А., 2008).

2.1 Прямое токсическое действие нефти и нефтепродуктов на растения

Массовая гибель молодых растений через некоторое время после их прорастания в нефтезагрязненной почве наблюдалась многими авторами. Этот эффект не связан с ухудшением физических свойств нефтезагрязненной почвы, так как он отмечается и при внесении в почву с нефтью композитных смесей, восстанавливающих промывной и воздушный режим почвы. Другим объяснением может быть медленное проникновение в растения углеводородов нефти, которые в конечном итоге вызывают его угнетение и гибель. Однако массовая гибель проростков происходит как в только что загрязненной почве, так и в почве через несколько лет после загрязнения (Оборин А. А., 2008).

Высокие концентрации компонентов нефти в почвах всегда угнетают жизнедеятельность растений. При этом воздействие в существенной мере зависит от химической природы углеводородов. Так, изучение гербицидных свойств индивидуальных углеводородов показывает, что активность соединений возрастает в такой последовательности: парафины, олефины, нафтены, ароматические углеводороды (Оборин А. А., 2008).

Гербицидное действие парафиновых углеводородов усиливается с повышением молекулярного веса, но до известного предела, после чего оно ослабевает. Так, например, декан и додекан являются активными гербицидами и рекомендованы в качестве избирательных гербицидов в посевах зонтичных, а гексадекан и октадекан мало токсичны для многих растений (Оборин А. А., 2008).

Токсичность для растений ароматических углеводородов меняется в зависимости от природы заместителей. Высокой токсичностью к растениям обладают такие углеводороды как этилбензол, кумол, цимол, амилбензол, тетралин, метил- и диметилнафталины, бифенил, аценафтен, 2,5-диметилаценафтен, циклогексилаценафтен. При этом следует отметить, что характер физиологического действия углеводорода предопределяется природой испытуемого объекта, углеводороды, проявляющие высокие гербицидные свойства в одном случае, могут быть совершенно неактивными при применении других биопроб. Например, показано, что метан, этан, пропан, бутан, октан, бензол, кумол, нафталин, толуол, ксилол не вызывают у листьев различных растений эпинастического изгиба, а высокотоксичные для многих растений п-цимол а также стирол, лишь незначительно задерживают прорастание семян гороха (Зильберман М. В., 2005).

По данным Угрехелидзе Д. Ш. ароматические углеводороды характеризуются значительно более высокой физиологической активностью, чем соответствующие алканы и циклоалканы. Бензол in vivo ингибирует ферментные системы растений. Ингибирующее действие бензола связано с продуктами его биологического окисления, в основном с о-бензохиноном, который, вступая в реакцию с аминогруппами белков, инактивирует ферменты. Причём между структурой хинона и его ингибирующей способностью существует определённая зависимость: ингибировать металлоферменты способны только хиноны, обладающие хотя бы одной свободной ендионной группировкой (Зильберман М. В., 2005).

Период острого токсического действия при нефтяном загрязнении не так длителен, так как он обусловлен наличием легких фракций углеводородов, которые относительно быстро выветриваются и разрушаются (Биотестирование почв, 2005). Бензин вызывает полную фитотоксичность уже при малых дозах загрязнения. В лабораторных условиях через 3 дня после начала опыта в наибольшей степени подавлялась всхожесть семян редиса при загрязнении бензином, когда фитотоксичность достигала наивысшего значения (1364 УКЕ, мг/л). С увеличением времени инкубации с бензином фитотоксичность почвы значительно снижалась и через 6 месяцев после постановки опыта лишь в два раза превышала значения контрольного варианта. Что же касается более тяжёлой фракции (гудрон), то только в первые сроки наблюдали некоторое снижение всхожести семян редиса, а через 3 месяца -- практически полное отсутствие фитотоксичности (Водопьянов В.В., 2004).

2.2 Косвенное воздействие нефти и нефтепродуктов на растения

Основными факторами отрицательного воздействия нефтяного загрязнения почвы на биологические объекты, которые обычно отмечаются в литературе, являются токсическое действие углеводородов нефти и изменение физико-химических свойств почвы. Влияние нефтяного загрязнения на физико-химические свойства почвы связано, главным образом, с обволакиванием нефтью почвенных частиц, в связи с чем происходит сильное увеличение гидрофобности почвы, она утрачивает способность впитывать и удерживать воду, происходит вытеснение воздуха из почвенных пор, и, в конечном итоге, нарушается водный и воздушный режимы почвы. Рост гидрофобности и другие изменения физических свойств почвы обусловлены тяжелыми фракциями углеводородов нефти. Легкие фракции сравнительно легко и быстро разрушаются или мигрируют из почвы, и при сильном загрязнении основную роль в негативном влиянии играют трудноразложимые тяжелые фракции (Оборин А. А., 2008).

Кроме того, в нефтезагрязненных почвах уменьшается доступность для растений элементов минерального питания (ЭМП) - азота, фосфора, калия - из-за их иммобилизации микроорганизмами под воздействием высокого соотношения углерода/азота, обволакивания нефтью почвенных частиц, которое препятствует миграции подвижных форм ЭМП в раствор, а также вследствие отрицательного влияния нефти на бактерий, участвующих в круговороте азота в почве (Оборин А. А., 2008).

Меньшее внимание уделялось исследованию трансбиотического влияния (взаимоотношения, возникающие в результате косвенного влияния одного организма на другое через изменение условий существования третьего организма) нефтяного загрязнения почв на растения. В условиях пустынь и полупустынь отмечено массовое поражение растений, произрастающих на почвах с битумами нефти, вредителями, вызывающими галлобразование. В почве под влиянием выбросов нефтехимического завода зарегистрировано повышение численности фитопатогенных микромицетов. При нефтяном загрязнении отмечается увеличение количества почвенных грибов, продуцирующих токсины, которые угнетают и вызывают гибель растений (Оборин А. А., 2008).

Что касается влияния нефти на прорастание семян растений, то всхожесть семян растений в нефтезагрязненной почве определяется в основном, доступностью для них воды и кислорода, а не токсичностью нефти.

На основании данных о росте численности микромицетов в загрязненных тяжелыми металлами, нефтью и пестицидами почвах, повышение токсичности загрязненных почв для растений в данных случаях может быть обусловлено действием микотоксинов. Эксперименты с обработкой семян и проростков растений средами, на которых культивировались микромицеты, выделенные из загрязненной и незагрязненной нефтью почв, показали повышение при загрязнении численности грибов, способных к продукции фитотоксинов. При этом, например, культуральная жидкость Penicillium variabile - типичного микромицета при нефтяном загрязнении и невыделенного из незагрязненной почвы - угнетала рост корней пшеницы на 100%, кресс-салата (I. sativum) - на 88%, кукурузы (Z mays) - на 82%. В экспериментах данных авторов также наблюдалась неоднозначность действия микотоксинов на растения, зависящего от вида растения. Культуральная жидкость Aspergillus terreus, доминировавшего в загрязненной почве, ингибировала рост корней проростков пшеницы (Т. aestivum) на 100%, кресс-салата (L. sativum) - на 21%, но стимулировала рост корней кукурузы (Z mays) и ржи (S. cereale) на 108 и 38% соответственно. Таким образом, возможно, что нефть положительно влияет на растения также и благодаря изменению микробного сообщества при загрязнении почвы (Оборин А. А., 2008).

С ростом концентрации нефти так же, как и в почве без растений, в ризосфере и на поверхности корней растений (ризоплане) происходит увеличение численности сапротрофных микромицетов. В большинстве случаев на 2 порядка. При этом если в ризосфере и ризоплане растений, выросших на чистой почве, сапротрофные микромицеты составляли десятые доли процента от общей численности микроорганизмов, то с повышением концентрации загрязнения в почве их доля повышалась, при дозе нефти 20 и 30% их доля составляла до нескольких десятков процентов. Соответственно, фитотоксические свойства ризосферной почвы при нефтезагрязнении были выражены сильнее, чем у почвы без растений.

Увеличение численности сапротрофных микромицетов в прикорневой зоне растений при нефтяном загрязнении почв может быть вызвано усилением отмирания корней и корневых клеток у растений из-за негативного воздействия нефти, нарушением защиты растений от гидролитического действия сапротрофов или сочетанием этих факторов. Нужно отметить, что на корнях растений, произрастающих на незагрязненной почве в нормальных условиях, сапротрофные микромицеты не являются доминирующей группой микроорганизмов; их доля в ризосферной зоне резко повышается, когда растение находится на последней стадии своего развития, при отмирании корней. В некоторых случаях в почве без нефти также отмечается рост численности токсинов-образующих микромицетов в прикорневой зоне (при бесконтрольном использовании минеральных удобрений, внесении органического вещества в почву, длительном выращивании монокультуры растений на протяжении нескольких лет), что также приводит к угнетению растений, снижению их биомассы (Оборин А. А., 2008).

3. Влияние различных концентраций нефти на рост и развитие растений

По данным Киреевой Н.А. (2006) различные концентрации тюменской товарной (обессоленной и обезвоженной) нефти и по-разному влияют на прорастание семян пшеницы. При концентрации нефти 2% от массы почвы всходы появились на 1 сутки позже, чем в контрольном варианте и всхожесть составила 49% от контроля. В варианте с концентрацией нефти 4%, всходы появились на 2 суток позже, чем в контроле, всхожесть составила 36%. Особенно сильное действие оказала нефть в концентрации 6 и 8 %. В этих вариантах опыта семена пшеницы не проросли.

В почвах, загрязнённых нефтью, были обнаружены определённые изменения линейных размеров корней, надземной части растений. Если в контроле длина надземной части проростков пшеницы в возрасте 12 суток составляла 26,1 см, то в варианте с концентрацией нефти 2% от массы почвы длина растения была лишь 15,9 см, что составило 61% по сравнению с контрольным вариантом.

Аналогичные закономерности наблюдаться и в отношении длины корня, с повышением концентрации нефти длина корня заметно уменьшилась. Если в контроле она составила 13,2 см, то при концентрации нефти 2% она была равна 12,5, а при 4%-9,1 см (соответственно 95 и 69% по сравнению с контролем). При 1%-ном загрязнении происходила некая стимуляция корня в длину, и длина корня составила 124% по сравнению с контролем.

Сходные данные были получены при измерении объема корневой системы. В варианте концентрации нефти 1% объём корневой системы превысил контроль на 50%. При загрязнении нефтью концентрации 4% от массы почвы объём корневой системы пшеницы составила 90% в сравнению с контролем.

Данные по изучению изменения дыхания проростков пшеницы в зависимости от дозы нефти показали, что у 6-суточных проростков наибольшая абсолютная интенсивность дыхания наблюдалось в варианте с 1%-ным загрязнением почвы нефтью.

Таким образом, при загрязнении нефтью почвы в концентрации 1% происходило усиление роста корня растений пшеницы в длину, особенно увеличивался объем корневой системы. При увеличении концентрации поллютанта происходила значительное угнетение растений яровой пшеницы, которое проявлялось в ухудшении прорастания семян, уменьшении линейных размеров растений. При высоких концентрациях нефти в почве у растений пшеницы изменялись морфофизиологические показатели, свидетельствовавшие о подавлении роста и развития. Угнетение формирования ассимиляционной поверхности при высоких дозах нефти в почве, снижение содержание суммы хлорофиллов ещё больше усугубляли состояние растений (Киреева Н.А, 2006).

По данным этого же автора наличие нефтепродуктов в почве оказало влияние на уровень содержания аскорбиновой кислоты в листьях растений ячменя. Оно превысило контрольный уровень у 10-суточных проростков при загрязнении в концентрации 1% - в 1,2 раза, 2% - 1,5 раза, 6% - 2,1 раза, у 20 - суточных проростков - в 1,2; 1,5 и 2 раза, в фазе колошения - в 1,2; 1,2 и 1,3 раза соответственно. Таким образом, в условиях техногенеза наблюдается накопление аскорбиновой кислоты и, следовательно, интенсификация окислительно-восстановительных процессов, что способствовало поддержке жизнедеятельности растений в экологически неблагоприятных условиях. (Киреева Н.А, 2009).

В опыте с редисом было установлено, что минимальный уровень нефтезагрязнения (250 мг/кг) почвы не влиял на урожайность культуры, средний (500 мг/кг) - достоверно повысил ее на 30,7%, а повышенный (750 мг/кг) снижал урожайность корнеплодов на 19,6% по отношению к контролю. Также было установлено, что при содержании нефти в почве 1000 мг/кг урожайность редиса снижалась на 32%, а при 5000 и 10000 мг/кг - на 72-69%.

Граница между стимулирующим и угнетающим действием загрязнения почвы нефтью на массу отдельных корнеплодов лежала между 500 и 750 мг/кг.

С ростом концентрации нефти в почве содержание нитратов в корнеплодах уменьшилось заметно увеличилась концентрация витамина С.

Таким образом, для редиса установлен порог токсичности нефтезагрязнеиия на уровне, превышающем 500 мг/кг.

В отличие от редиса, у салата загрязнение почвы нефтью 1000 мг/кг вызвало незначительное, статистически не подтвержденное снижение надземной биомассы по сравнению с контролем. С другой стороны, повышенные концентрации нефти в почве вызвали более сильную депрессию урожайности салата по сравнению с аналогичными вариантами с культурой редиса. Содержание нитратов в листьях салата во всех вариантах нефтезагрязнеиия почему-то оказалось несколько выше, чем в контроле.

Содержание витамина С в зеленой массе салата, как и при выращивании редиса, повышалось, хотя и в меньшей степени. При этом увеличение загрязнения почвы нефтью снижало содержание витамина С по сравнению с умеренным уровнем загрязнения (в отличие от редиса), что, по-видимому, связано с крайней степенью угнетения биохимических процессов в растениях повышенными концентрациями нефти в почве.

В опытах с картофелем было установлено лишь незначительное влияние нефтезагрязнеиия на урожайность культуры.

Некоторое повышение урожайности картофеля, на уровне тенденции, отмечено только при минимальном уровне загрязнения (500 мг/кг). Более высокие концентрации нефти в почве, также на уровне тенденции, снижали урожайность картофеля как по отношению к контролю, так и к минимальному уровню загрязнения (Пригодность почв…, 2006).

Таким образом, влияние нефти на растение может оказаться как угнетающим, так и стимулирующим. Данные показатели зависят от концентрации нефти и нефтепродуктов в почве, от состава нефти и от типа культуры.

4. Стимулирующее действие нефти и нефтепродуктов на растения. Устойчивость растений к нефтезагрязнению

Существуют экосистемы, где нефтяное загрязнение оказывает слабое негативное воздействие или влияет даже положительным образом на растения. В условиях пустынь и полупустынь на богатых битумами почвах, находящихся над зонами глубинных разломов нефтеносных территорий, часто отмечается стимулирование растений. Они имеют ярко-зеленый цвет в течение всего вегетативного сезона, в то время как вне этих зон растительный покров выгорает к началу июня, высота растений в 2-3 раза выше, чем на незагрязненных участках, соответственно выше и продуктивность растительных сообществ. В условиях пустыни Кувейта изученные виды растений (пшеница, томат, люпин) были устойчивы к почвенному загрязнению сырой нефтью в дозе до 10%, при этом высота растений, четыре месяца выращиваемых на загрязненной почве, составляла 65-70% к нормальной. Слабо реагирует на загрязнение нефтью гидрофитная и водная растительность. Ряд водных и гидрофитных растений (камыш озерный, рогоз узколистный, рогоз широколистный, тростник обыкновенный, сусак зонтичный, осока водная, роголистник темно-зеленый, уруть мутовчатая, элодея канадская) устойчивы к влиянию нефти до дозы 10 г/л воды; нефть в концентрации 1 г/л обладает стимулирующим эффектом на рост данных растений. Нефть оказывает относительно слабое и кратковременное действие в естественных и лабораторных условиях на обычные для заболачиваемой зоны морских прибрежий виды растений Spartina alterniflora и S. patens даже в высоких дозах до 8-32 л/м². Болотное растение Cyperus laxus Lam. устойчиво к концентрации нефти до 200 г/кг в пересчете на сухой вес почвы (Оборин А. А., 2008).

Нужно заметить, что нефть нередко оказывает также стимулирующее действие на растения и не только в пустынных, водных и болотных биоценозах. В экспериментах И.И. Шиловой (Оборин А. А., 2008) при внесении в почву нефти в дозе 2,4 л/м² всходили и росли только единичные растения овсяницы луговой и костра безостого, но при этом наблюдалось увеличение их массы в десятки раз по сравнению с массой отдельного растения, выращенного на незагрязненной почве. К стимулирующему действию нефти на растения можно также отнести повторное цветение у видов, нормально цветущих один раз в сезон. Предполагается, что здесь могут иметь место следующие факторы: действие стимуляторов роста растений, содержащихся в нефтях; улучшение питания растений за счет разложения нефтяных органических веществ; уменьшение конкуренции между растениями из-за изреживания травостоя под воздействием нефти.

Устойчивость растений к нефтяному загрязнению сильно зависит от стадии их развития и биомассы. Так, негативное влияние нефти на подрост сосны высотой до 75 см проявляется при дозе 5 л/м², а высотой 110-130 см - при дозе 10 л/м². Наиболее чувствительны к токсическому воздействию нефтепродуктов растения, находящиеся на ранних стадиях развития, а устойчивы - многолетние взрослые растения, так как у них происходит отрастание новых органов из спящих почек после гибели части растений после загрязнения. Поэтому нефтезагрязненные участки заселяют, прежде всего, виды растений способные к вегетативному размножению, при котором образуются уже вполне развитые растения малочувствительные к нефти в почве. Это доказывает и то, что большинство видов растений, которые указываются как наиболее толерантные к нефтяному загрязнению, а также как пионерные растения нефтезагрязненньгх почв, способны к быстрому вегетативному размножению. Растения, высаженные рассадой и корневищами, обнаруживают большую устойчивость к нефтяному загрязнению почвы. Снижение общей биомассы данных растений при загрязнении по сравнению с биомассой растений, посаженных в чистую почву, на порядок меньше, чем у растений, посеянных семенами. Таким образом, данным способом посадки удается получить большую биомассу растений на нефтезагрязненной почве, чем при высеве растений семенами. Часто пионерными растениями нефтезагрязненньгх почв, в связи с их повышенной толерантностью являются деревья и кустарники; мхи же, напротив, демонстрируют повышенную чувствительность к нефтяному загрязнению (Оборин А. А., 2008).

5. Биотестирование

В настоящее время контроль состояния наземных и водных экосистем осуществляется преимущественно по физико-химическим характеристикам. Однако при комплексной оценке качества любой экосистемы мониторинг следует организовывать так, чтобы учитывать и биологические показатели, например, особенности структуры сообществ, соотношение отдельных групп видов фауны и флоры, по количественному их развитию и т. д.

В последние годы при оценках качества окружающей среды достаточно широкое распространение получили индикационные критерии оценки. К одной из таких оценок относятся метод биоиндикации или биотестирования (Зильберман М. В. , 2005).

Биотестирование - оценка в лабораторных условиях качества объектов окружающей среды с использованием живых организмов (http://slovari.yandex.ru).

Биотестирование, биоиндикация и экотоксикология, наряду с методами аналитической химии, позволяют построить наиболее полную картину деградации почв, загрязнённых нефтяными углеводородами. Принцип биоиндикации строится на том, что каждый организм в отношении любого действующего фактора обладает уникальным физиологическим диапазоном реакции. В то же время на каждую конкретную группу организмов будет влиять множество факторов, помимо исследуемого, которые не всегда возможно учесть. Наиболее рациональным является использование комплексного биотестирования, учитывающего изменения в балансе почвенных экзоферментов, микроорганизмов и водорослей, а также токсикометрии высших растений и животных (http://www.ecoregion.ru).

При построении комплексной тест-системы для оценки токсичности почвенного покрова тест-система должна иметь представителей двух трофических уровней - автотрофов и гетеротрофов; кроме того, в её составе должны быть представители из основных царств живого - бактерий, грибов, растений, животных; тест-система должна включать тест-организмы, хорошо растущие в лабораторных условиях; организмы, обладающие высокой чувствительностью к исследуемым загрязнителям природной cреды и такие тест-реакции тест-объектов, регистрация которых не требует использования сложной и дорогостоящей аппаратуры, но в то же время несущих достаточный объем информации (http://www.ecoregion.ru).

К настоящему времени влияние углеводородов нефти на автотрофы исследовано на небольшом количестве видов, данные получены разными методами и часто плохо согласуются. Не всегда в работах учитывается зависимость результата действия нефтепродукта от физиологического состояния организмов, их возраста, сезонной активности. Все это указывает на необходимость дальнейших исследований в этой области (Зильберман М. В. , 2005).

Биотестирование позволяет выявить распределение участков почвенного покрова с различной токсичностью, обусловленной как воздействием промышленных предприятий за длительный отрезок времени, так и единовременными попаданиями поллютанта в экосистему в результате аварий или утечек. По результатам биотестирования составляется карта токсичности почвенного покрова обследованной территории. Второй этап предусматривает ежегодную оценку токсичности почвы в ключевых точках. Биотестирование почвенного покрова позволит контролировать динамику накопления и разрушения токсических веществ. В конечном итоге это характеризует процессы самоочищения почвы.

Следует отметить, что биоиндикация и биотестирование нефтезагрязнённых почв рационально могут быть использованы при малых и средних концентрациях загрязнителя, до 10-15%, выше которых для большинства тест-объектов наступают абсолютно летальные концентрации. Это вполне оправдано, т. к. сильнозагрязнённые территории легко выявляются органолептически, в то время как биотестирование позволяет провести экспресс-оценку природной среды и выявить наличие загрязнения там, где это не так очевидно, но, тем не менее, губительно для экосистемы и требует рекультивационных мероприятий (http://www.ecoregion.ru).

Выводы

1. Нефть - это сложная смесь углеводородов с различным числом атомов углерода в молекулах; в их составе могут присутствовать сера, азот, кислород и незначительные количества некоторых металлов. Нефтепродукты - это также смеси углеводородов или индивидуальные химические соединения, получаемые при переработке нефти. Наиболее токсичными считаются легкие фракции нефти, но также они менее устойчивы в окружающей среде.

2. Влияние нефти и нефтепродуктов на растения связано как с их прямым токсичным действием, так и с изменением почвенной среды.

3. Прямое токсическое действие в основном обусловлено легкими фракциями углеводородов, которые проникают в клетки и сосуды растений и угнетают их развитие и рост либо приводят к гибели.

4. Косвенное воздействие нефти и нефтепродуктов на растения обусловлено изменениями физико-химических и микробиологических свойств почвы.

5. Токсичность нефти и нефтепродуктов зависит от их состава, концентрации в почве, а также от морфологии, систематической принадлежности растения и возраста растения.

6. В малых концентрациях нефть и нефтепродукты способны оказывать стимулирующее действие на рост и развитие растений. Также многие растения проявляют устойчивость к нефтезагрязнению. Это такие растения, которые способны к быстрому вегетативному размножению, растения-многолетники и растения с большой биомассой.

7. Наряду с методами аналитической химии выделяют метод биотестирования нефтезагрязненных почв. Он позволяет построить наиболее полную картину деградации загрязненных почв. Биотестирование позволяет провести экспресс-оценку природной среды и выявить наличие загрязнения там, где это не так очевидно, но, тем не менее, губительно для экосистемы.

Библиографический список

1. Водопьянов В.В. Фитотоксичность нефтезагрязненных почв (математическое моделирование) / В.В. Водопьянов, Н.А. Киреева, Е.М. Тарасенко // Агрохимия.- 2004.- №10.- С.- 73-77.

2. Зильберман М. В Биотестирование почв, загрязненных нефтью и нефтепродуктами / М. В. Зильберман, Е. А.Порошина, Е. В. Зырянова - Пермь: УралНИИ «Экология», 2005.- 110 с.

3. Киреева Н.А. Влияние загрязнения почв нефтью на физиологические показатели растений и ризосферную микробиоту / Н.А. Киреева, Е.И. Новоселова, А.С. Григориади // Агрохимия. - 2009. -№7 - С. 71-79.

4. Киреева Н.А. Рост и развитие яровой пшеницы на нефтезагрязненных почвах и при биоремедиации / Н.А. Киреева, А.М. Мифтахова, Г.М. Салахова // Агрохимия.- 2006.- №1.- С. 85-90.

5. Лозановская И. Н. Экология и охрана биосферы при химическом загрязнении / И. Н. Лозановская, Д. С. Орлов, Л. К. Садовников. - М.: Высшая школа, 1988.- 287 с.

6. Оборин А. А. Нефтезагрязненные биогеоценозы (процессы образования, научные основы восстановления, медико-экологические проблемы): монография / А. А. Оборин. - Пермь, 2008. - 511 с.

7. Пригодность почв, загрязненных нефтью, для сельскохозяйственного использования / Р.А. Афанасьев, Г.Е. Мерзлая, Н.В. Русаков, И.А. Крятов, Н.И. Тонкопий, Н.Ю. Карцева // Плодородие.- 2006.- №3.- С. 32-34.

8. Товарные нефтепродукты, их свойства и применение: Справочник / Под. ред. Н.Г. Пучкова. - М.: Химия, 1971. - 413 с.

9. http://www.docload.ru/Basesdoc/9/9287/index.htm

10. http://dic.academic.ru/dic.nsf/ecolog/1087

11. http://slovari.yandex.ru/dict/gl_natural/article/147/147_926.HTM

12. http://region-yug.ru/materials/p_kompetentno/popova_neft_i_ecologia_ kubani.htm

13. http://www.ecoregion.ru/journal.php?num=0&stat=4&pstat=0&jrn=tpe&jrs_page=1&pre_page=1&eut_page=1&tpe_page=1&lng=rus

Размещено на Allbest.ru