Физико-химическое исследование раннего загрязнения системы почва-растение органическими токсикантами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Физико-химическое исследование раннего загрязнения системы почва-растение органическими токсикантами

Введение

загрязняющий топливо почва растение

Экологические проблемы, связанные с антропогенным загрязнением компонентов биосферы - почвы, растений, воды органическими токсикантами различной природы (нефтепродукты, компоненты ракетного топлива, поверхностно-активные вещества и др.) приняли глобальный характер. Это обусловлено резким увеличением масштабов их производства и применения, а также способностью поступать, трансформироваться в не менее токсичные соединения и накапливаться в почвенно-растительной системе, вызывая необратимые изменения в ее структуре, часто приводящие к деградации почвы и гибели растений [3, 4]. Актуальной задачей в связи с этим становится раннее предупреждение об опасной концентрации органических загрязняющих веществ в системе почва-растение.

В данной работе в модельном эксперименте с целью ранней диагностики загрязнения комплексом физико-химических методов исследования изучено влияние природы и концентрации органических токсикантов на примере азот- и углеводородсодержащих компонентов топлива на первичные химические процессы, протекающие в системе почва-растение.

Объекты и методы исследования

В работе в качестве объекта исследования использовали серую лесную почву Московской области Верхнеокского района. Использовали пахотный горизонт (0-20 см) серой лесной почвы, имеющей следующие физико-химические характеристики: содержание гумуса, % : 2,3 ± 0.05; рН солевой - 5,5 ± 0,07; гидролитическая кислотность, мг-экв./100 г : 2,4 ±0,09; сумма обменных оснований, мг-экв./100 г : 17,8 ± 0,52; физическая глина, % : 37,4 ± 0,31; физический песок, % : 62,6 ± 0,31; частицы менее 0,001 мм,% : 14,3 ±0,28.

В качестве загрязняющего вещества использовали компонент ракетного топлива, в частности, главный из них и наиболее токсичный - несимметричный диметилгидразин (НДМГ) с характеристиками, подробно описанными в работах [5-7]. По химическим свойствам НДМГ относится к ряду ор-ганических аминов (производное гидразина), он обладает сильными восстановительными свойствами. При окислении НДМГ кислородом воздуха образуется до 130 токсичных компонентов, в том числе нитрозоамины, диметилнитроамины, диметиламин, диазометан и др. По санитарным нормам НДМГ относится к 1 классу опасности (чрезвычайно вредные), обладает канцерогенными и мутагенными свойствами. Его ПДК в почве составляет 0,1 мг/кг. НДМГ вносили в почву от 0,05 до 1 г на кг почвы (до 1000 мг/кг, или до 10000 ПДК). В частности, были использованы 7 концентраций НДМГ, мг/г почвы, внесенных в серую лесную почву, и для этих образцов рассчитаны величины интенсивности спектра. Дозы НДМГ составляли, мг/г: 0; 0,05; 0,10; 0,20; 0,40; 1,0; 3,0 и изученным образцам почвы соответствовали величины интенсивности спектра ЭПР: 31,25; 50,21; 63,43; 38,60; 30,62; 22,54; 16,45. В качестве органических загрязнителей были также использованы углеводородсодержащие компоненты топлива - бензин, дизельное топливо и моторное масло.

Реакция гумуса почвы на воздействие загрязнителей оценивалась методом ЭПР по трем параметрам: g-фактору, ширине и интенсивности спектра. [1]. Спектры ЭПР снимали на радиоспектрометре типа РЭ-1306. Состояние растения на примере проростков гороха, выращенных на почве, загрязненной компонентами топлива, изучали по изменению фотосинтетического потенциала с помощью люминесцентного микроспектрального анализа (компьютеризированный вариант) [2]. Пределы изменения интенсивности спектра ЭПР для гумуса почв, а также значение фотосинтетического потенциала растения, определяемого отношением интенсивности люминесценции хлорофилла (680 нм) к интенсивности люминесценции окисленных флавопротеинов митохондрий (530 нм) - характеристический параметр «Х», устанавливали в зависимости от вида и концентрации загрязняющего вещества в почве.

Результаты и обсуждение

Показано, что НДМГ, в зависимости от концентрации, инициируя или ингибируя окислительно-восстановительные процессы в почве, вызывают незначительную деструкцию гумуса, что доказывается сохранением в большинстве случаев величины g-фактора (характеризующего состояние гумуса в почве). При этом небольшие дозы НДМГ (10-200 мг/кг почвы) повышают интенсивность спектра почвы по сравнению с контролем (табл.1.), что свидетельствует об инициировании процесса образования парамагнитных центров (ПМЦ) и, следовательно, о повышении химической активности почвы.

Таблица 1 - Влияние НДМГ на интенсивность спектра ЭПР серой лесной почвы и на фотосинтетический потенциал листьев проростков гороха, выращенного на этой почве.

Несмотря на токсические свойства НДМГ, малые дозы его интенсифицируют и рост растений, что установлено по снижению интенсивности спектра гетеротрофной компоненты при одновременном повышении интенсивности спектра хлорофилла (табл. 1 и рис.1). Выявленную закономерность влияния концентрации НДМГ на парамагнитную активность почв проверили на растении - проростках гороха, выращенных на серой лесной почве. Оценка состояния проростков гороха, выращенных на серой лесной почве, загрязненной НДМГ проводилась по изменению фотосинтетического потенциала.

Рис. 1 - Спектры люминесценции листьев гороха, выращенного на серой лесной почве, загрязненной НДМГ при концентрации мг/кг почвы 1 - контроль, 2 - 10, 3 - 100.

Пределы изменения интенсивности спектра ЭПР для гумуса почв, а также значение фотосинтетического потенциала растения, подтвердили влияние концентрации НДМГ, загрязняющего почву, на рост растений. Так, несмотря на токсические свойства изученного компонента ракетного топлива, малые его дозы в почве интенсифицируют рост растений, что установлено по снижению интенсивности спектра гетеротрофной компоненты при одновременном повышении интенсивности спектра хлорофилла. Повышение концентрации НДМГ от 100 мг/г почвы и выше приводит к повышению интенсивности спектра гетеротрофной компоненты растений при одновременном снижении спектра хлорофилла и, значит, к снижению фотосинтетического потенциала. Повышение концентрации НДМГ (от 400 мг/кг и выше) приводит к снижению ее парамагнитной активности, к еще большему повышению интенсивности спектра гетеротрофной компоненты растений при одновременном снижении спектра хлорофилла. Дальнейшее повышение концентрации НДМГ мало влияет на характер спектра ЭПР, величина g-фактора не изменяется, что свидетельствует об отсутствии деструкции гумуса. Однако высокие дозировки этого вещества оказывают стрессовое воздействие на почвенную микробиоту и разрушающее действие на гумус, а также приводят к явным нарушениям в росте и структуре листьев растения (пожелтение, появление пятен, хлороз и др.).

Аналогичное воздействие на почву и растение оказывают и углеводородсодержащие токсиканты, однако их негативное влияние проявляется при более высоких концентрациях. При повышенных концентрациях углеводородных загрязняющих веществ значительно ухудшаются водно-физические свойства почвы, в частности, повышаются ее олеофильные свойства и снижается ее способность сорбировать воду (табл.2).

Таблица 2 - Статическая активность серой лесной почвы, загрязненной химическими веществами, к парам воды и бензина

Заключение

Таким образом, проведенные исследование первичных химических процессов при загрязнении системы почва-растение органическими азот- и углеводородсодержащими веществами с помощью физико-химических методов исследования позволяют заключить, что с их помощью можно получить оперативную информацию на молекулярном уровне о состоянии почвы на стадии изменения химической активности гумуса и растения по реакции автотрофного организма через состояние энергетической системы.

Полученные пределы изменения интенсивности спектра ЭПР для чистой и загрязненной почвы, а также значения фотосинтетического потенциала растений, выращенных на этой почве, позволяют выработать оценочные критерии для ранней диагностики загрязнения системы почва-растение органическими токсикантами. Эти исследования представляют практический интерес для проведения экологических обследований загрязненных территорий как вблизи, так и вдали от источника загрязнения.

Литература

1. Вертц Дж., Болтон Дж. Теория и практические приложения метода ЭПР. М.: Мир.1975. 548 с.

2. Карнаухов В.Н. Спектральный анализ клеток в экологии и охране окружающей среды. Пущино. 1988. 123 с.

3. Керженцев А.С. Режимы почв как основа их изменчивости в пространстве и во времени. Автореферат дис. доктора биол .наук. Новосибирск. 1993. 24 с.

4. Ковда В.А. «Почвенный покров, его улучшение, использование и охрана» М.: Наука. 1981. 182 с.

5. Курочкина, Г. Н., Керженцев А.С., Соколов О.А. Физико-химическое исследование загрязнения почв компонентами ракетного топлива // Почвоведение. 1999. № 3. С. 359-369.

6. Курочкина, Г.Н., Гайдалович В.Г., Хакимов Ф.И. Парамагнитная активность органического вещества почв Убсу-Нурской котловины // Почвоведение. 2006. № 7. С. 812-823.

7. Курочкина, Г.Н., Гайдалович В.Г. Влияние загрязнения несимметричным диметилгидразином на почвы Убсу-Нурской котловины // Агрохимия. 2010. № 5. С. 59-71.

Размещено на Allbest.ru