Поведение нефти и нефтепродуктов при попадании в почву – многофакторный процесс, при котором время разложения загрязнителей будет изменяться в зависимости от концентрации загрязнения, состава, температуры, влажности, почвенной структуры, населяющих почву микроорганизмов и произрастающей растительности. При тщательном подборе соответствующих конкретной ситуации параметров можно активизировать процессы разложения без применения сложных физических и химических воздействий на среду. Это особенно важно, потому что при восстановительных работах может происходить дополнительное, вторичное загрязнение почв и, как правило, нарушение существующих и без того ослабленных экосистем. Поэтому для эффективного проведения рекультивации нефтезагрязненных земель необходимы исследования по изучению влияния нефти и нефтепродуктов на растения с целью их дальнейшего использования в качестве фитомелиорантов.
В естественных условиях, после предварительного сбора разлитой нефти при низкой степени остаточного загрязнения грунтов, самопроизвольное заселение пионерных видов растений, наиболее устойчивых к нефтяному загрязнению, начинается уже к окончанию первого года рекультивации, даже без предварительного рыхления почв. При средней степени загрязнения зарастание участка травами происходит обычно в течение 3–7 лет, при высокой – до 100 лет [4]. В некоторых случаях восстановление не может дойти до стадии естественных сообществ, а наблюдается процесс их деградации. Что приводит к активному распространению синантропной растительности [6].
Воздействие нефтяного загрязнения на растительные сообщества может приводить либо к угнетению, либо к стимулированию развития. Последнее возможно при небольших концентрациях загрязняющих веществ и определенных почвенных условиях в отношении лишь некоторых видов растений.
Наиболее устойчивыми являются растения с разветвленной корневой системой, преимущественно некоторые виды злаков, бобовые, а также некоторые виды корневищных. К ним относится рогоз широколистный. И если первые широко используются в составе травосмесей при посеве на загрязненных почвах, то рогоз произрастает в естественных условиях по берегам водных объектов, в том числе загрязненных нефтепродуктами.
Нефть, как правило, оказывает неблагоприятное воздействие на растения, вызывая нарушения роста и обмена веществ, задержку цветения и плодоношения, снижая способность к фотосинтезу. Это подтверждают результаты экспериментов с использованием различных биологических тест-объектов [7].
Одним из определяющих факторов токсичности является компонентный состав нефти. Известно, что наибольшей токсичностью обладают легкие фракции нефти. Опасные свойства ароматических соединений повышаются от бензола к толуолу, ксилолам и третметилбензолам. Некоторые алифатические и ароматические углеводороды могут поглощаться высшими растениями и вовлекаться в обмен веществ с последующей трансформацией и выработкой энергии [3]. Нефтепродукты могут содержать также различные соли и тяжелые металлы, которые помимо углеводородов отрицательно влияют на растения.
Пропитка нефтью почвенных слоев приводит к активным изменениям химического состава, свойств и структуры почвы, особенно гумусового горизонта. Это обусловлено увеличением в нем углеводородов, что ухудшает свойство почв как питательного субстрата для растений. Кроме того, гидрофобные частицы нефтепродуктов затрудняют поступление влаги к корням растений. Продукты трансформации нефти резко изменяют состав почвенного гумуса, сначала за счет липидных и кислых компонентов, затем – за счет увеличения нерастворимого углеродного остатка. В почвенном профиле идет изменение окислительно-восстановительных условий, увеличение подвижности гумусовых компонентов и ряда микроэлементов [2].
Часто загрязнению почв нефтью и нефтепродуктами сопутствует механическое нарушение ландшафта. Подобное может происходить при создании амбарных выемок шламохранилищ, работе тяжелой техники во время строительных и ремонтных работ, при авариях на трубопроводах и т.д.
Известно, что произрастание некоторых растений на нефтезагрязненных почвах способствует их более быстрому восстановлению [2].
Таким образом, определение видов растений, наиболее соответствующих комплексу условий, сложившихся при загрязнении почв нефтепродуктами (степени загрязнения, климатическим фактором, увлажнению и т.д.), и исследование возможности их использования для рекультивации нефтезагрязненных земель представляет собой особую важность.
В представленной работе приводятся результаты изучения устойчивости рогоза широколистного к различным по концентрациям загрязнениям нефтью.
Рогоз широколистный (Typha latifolia) [5] – земноводное многолетнее травянистое растение, характеризующееся мощной корневой системой. Он может выдерживать затопления, холодостоек и не требователен к почвенным условиям, встречается на всей территории России. Растет по берегам болот и водоемов, образуя обширные, но самоизреживающиеся заросли, в кюветах, канавах, карьерах, по обочинам дорог.
Исследование проводилось на основе методики «Рост и развитие растений на почве, загрязненной нефтью» [1].
Для анализа готовилась навеска почвы (выщелоченный чернозем) массой 130 г, которая помещалась в пластмассовый контейнер вместимостью 250 мл, заливалась 50 мл воды и перемешивалась.
При изучении влияния различных концентраций нефти на развитие растений, в каждый контейнер с почвой добавляли сырую нефть в количестве: 1, 5, 10, 20 и 30 мл, нефть отбирали пипеткой. Добавленную в контейнер нефть тщательно перемешивали с почвой. Для контроля использовалась почва, не загрязненная нефтью. Для опытов готовилось по 4 пробы для каждой дозы нефти.
Семена рогоза широколистного высеивали по 30 штук в каждый контейнер ровно через сутки после подготовки почвы. После этого производили полив водой так, чтобы над поверхностью почвы всегда был слой воды примерно 0,5 см.
Опыты проводились при температуре 18 °С с апреля до середины июня, т.к. несмотря на поддерживаемые уровни температуры и освещения семена рогоза не прорастают в зимний период в лабораторных условиях.
Для проведения исследований использовалась нефть Ишимбайской группы месторождений ОАО «Башнефть», физико-химические свойства которой приведены в таблице.
Физико-химические свойства нефти
|
Наименование показателя |
Значение |
|
Фракционный состав (по температуре начала кипения), %: – до 120 °С – до 200 °С – до 300 °С |
8,0 4,5 13,5 |
|
Вязкость кинематическая, сСт: – при 0 °С – при 20 °С – при 40 °С |
73,83 21,13 10,72 |
|
Содержание в сырой нефти, % мас.: – Сера – Парафины – Смолы – Механические примеси |
2,95 3,1 14,6 0,0076 |
|
Плотность, г/см3 |
0,880 |
Нами были исследованы такие параметры, как всхожесть семян, количество жизнеспособных проростков и их длина через 1,5 месяца после посадки. Полученные данные подвергались статистической обработке (определялись зависимости, аппроксимирующие их, а так же рассчитывались коэффициенты корреляции между изучавшимися параметрами и содержанием нефти в почве).
На рис. 1 приведена зависимость всхожести семян от содержания нефти в почве.
Наблюдается экспоненциальная зависимость всхожести семян рогоза от содержания нефти в пробе почвы, которая описывается уравнением
y = 85,585е–0,011х. (1)
Согласно произведенным расчетам величина достоверности аппроксимации составляет 0,9987. Значение всхожести семян в контрольной пробе составило 36,65 %. При концентрации нефти в почве менее 77 г/кг проявляется стимулирующий эффект. Наибольшее значение всхожести 82,45 % наблюдается при содержании нефти в почве 6,8 г/кг. Далее величина всхожести убывает и при значениях содержания нефти в почве более 77 г/кг проявляется угнетающее действие.
Зависимость процентного содержания оставшихся жизнеспособных ростков от количества нефти в грунте приведена на рис. 2.
Через 1,5 месяца после прорастания семян происходит частичная гибель ростков, что может быть вызвано не только присутствием в почве нефтепродуктов, но и нехваткой других ресурсов почвы, таких как питательные вещества, нехватка света (в течение месяца наблюдалась дождливая облачная погода).
Содержание жизнеспособных ростков в контрольной пробе составило 14,13 %. В пробах с концентрацией нефти до 67,7 г/кг жизнеспособность превышает контрольное значение, то есть стимулирующий эффект сохраняется. Максимальное содержание жизнеспособных ростков 59,65 % наблюдается в пробах с концентрацией нефти 6,8 г/кг. Далее величина жизнеспособности снижается, и при содержании нефти 67,7 г/кг и более проявляется угнетающее действие.
Рис. 1. Зависимость всхожести семян от содержания нефти
Рис. 2. Зависимость количества жизнеспособных ростков от содержания нефти
Рис. 3. Зависимость средней длины ростков от содержания нефти
В данном случае прослеживается логарифмическая зависимость, описываемая уравнением
y = –15,71∙lnx + 85,33. (2)
Величина достоверности аппроксимации составляет 0,9330.
Для каждой концентрации нефти определено среднее значение длины ростков. Зависимость средней длины ростков от содержания нефти в почве представлена на рис. 3.
Данная линейная зависимость описывается уравнением
y = –0,1515x + 6,2245. (3)
Величина достоверности аппроксимации составляет 0,9077. Средняя длина ростков в контрольной пробе равна 8,6 мм. При этом ростки во всех пробах с загрязненной почвой отстают от контрольных. Наиболее близка к контролю проба с концентрацией нефти 6,8 г/кг, в которой длина ростков составляет 6,8 мм.
Проведенные исследования показали, что существует достоверная зависимость всхожести семян, количества жизнеспособных ростков и длины ростков рогоза широколистного от содержания нефтепродуктов в почве. Нефть в количестве до 67,7 г/кг оказывает стимулирующий эффектна на рогоз широколистный, а при большем содержании нефти проявляется его ослабление.
Полученные данные указывают на то, что рогоз широколистный может с успехом использоваться при проведении фиторекультивации нефтезагрязненных земель с повышенным увлажнением. Это является особенно актуальным для пониженных ландшафтов и глинистых почв. Однако при использовании рогоза широколистного на сильно загрязненных участках необходимо проводить их предварительную очистку до оптимального для растения содержания (около 67,7 г/кг) [8, 9].