Фиторемедиационный потенциал сои при загрязнении чернозема нефтепродуктами в условиях Красноярской лесостепи
Фиторемедиационный потенциал сои при загрязнении чернозема нефтепродуктами в условиях Красноярской лесостепи
Аннотация
В процессе выполнения исследований проведена оценка влияния различных доз нефтепродуктов на биометрические параметры и продуктивность сои сорта ЭОС, а также изучена динамика содержания нефтепродуктов в чернозёме выщелоченном. Дана оценка фиторемедиационному потенциалу сои на основе интегральных индексов толерантности, очистки и эффективности фиторемедиации. Проведен анализ целесообразности использования сои для восстановления нефтезагрязнённых почв в условиях Красноярской лесостепи. Максимальная высота растений зафиксирована в контроле; при дозе 5000 мг/кг она снижается на 30%. Наибольшее количество бобов на одном растении отмечено при дозе 3000 мг/кг. Наибольшая степень очистки почвы (60%) достигнута при исходной концентрации нефтепродуктов 3000 мг/кг (остаточное содержание — 1200 мг/кг); при 1000 мг/кг эффективность составила 50%, при 5000 мг/кг — 30%. Индекс эффективности фиторемедиации максимален (54,8%) при дозе 3000 мг/кг, индекс толерантности во всех вариантах превысил 85%.
1. Введение
Загрязнение почв нефтью и нефтепродуктами в условиях Красноярской лесостепи приводит к их глубокой деградации, как с точки зрения физико-химических свойств, так и к нарушению гидрологического режима, снижению микробиологической активности и, как следствие, потере плодородия , , . Особую уязвимость к техногенному прессингу проявляют черноземы выщелоченные, которые составляют основу агроклиматического потенциала Красноярского края, в условиях которого процессы естественного самоочищения таких почв протекают крайне медленно, что требует внедрения эффективных и экологически безопасных методов их детоксикации.
В последние годы многие исследователи , , , , отмечают в качестве перспективного направления восстановления загрязненных территорий фиторемедиацию, поскольку растения-фиторемедианты способны не только аккумулировать поллютанты, но и за счет корневых выделений стимулировать развитие коренных почвенных микроорганизмов-деструкторов углеводородов.
Следует отметить и все более возрастающий интерес к использованию сельскохозяйственных культур, в частности зернобобовых, для очистки нефтезагрязненных земель . В работах , особое внимание обращено на сою, которая обладает выраженным фиторемедиационным потенциалом благодаря развитой корневой системе и способности вступать в симбиоз с клубеньковыми бактериями. Особую ценность для Красноярского края представляют ультраранние сорта местной селекции, адаптированные к резко континентальному климату, в частности, сорт сои ЭОС. Однако его устойчивость к углеводородному стрессу и способность стимулировать деградацию нефтепродуктов в черноземах, выщелоченных Красноярской лесостепи остаются малоизученными.
В связи с вышесказанным целью настоящей работы являлась оценка фиторемедиационного потенциала сои сорта ЭОС при различной степени загрязнения чернозема выщелоченного нефтепродуктами в почвенно-климатических условиях Красноярской лесостепи.
2. Методы и принципы исследования
Экспериментальная часть работы выполнена в условиях модельного микрополевого опыта, заложенного на полигоне ФГБОУ ВО «Красноярский государственный аграрный университет». Эксперимент проводили в сосудах с рабочей площадью поверхности 0,3 м². В качестве растений-фиторемедиантов была выбрана соя сорта ЭОС, которую посеяли в мае 2024г. в количестве 30 штук на одну емкость, повторность опыта четырехкратная.
Схема опыта включала следующие варианты с искусственным внесением нефтепродуктов (НП) в почву перед посевом семян:
- контроль — естественный фон (без внесения нефтепродуктов);
- вариант НП₁ (низкая доза) — внесение НП в концентрации 1000 мг/кг сухого субстрата;
- вариант НП₂ (высокая доза) — внесение НП в концентрации 3000 мг/кг сухого субстрата;
- вариант НП₃ (очень высокая доза) — внесение НП в концентрации 5000 мг/кг сухого субстрата.
Градация уровней антропогенной нагрузки и интерпретация степени загрязнения почвогрунтов осуществлялись в соответствии с руководящим документом МУ 2.1.7.730–99 «Гигиеническая оценка качества почвы населенных мест».
Почвенные образцы для лабораторных анализов отбирали послойно из корнеобитаемого горизонта (0–20 см) в двух ключевых временных точках: в начале (исходный фон) и в конце вегетационного периода исследуемой культуры. Процедуру отбора, транспортировки и хранения почвенных проб регламентировали согласно требованиям ГОСТ Р 58595–2019 «Почвы. Отбор проб». Содержание нефтепродуктов в пробах чернозема выщелоченного определяли флуориметрическим методом на анализаторе жидкости «Флюорат-02» по аттестованной методике ПНД Ф 16.1:2.21-98.
3. Основные результаты
В результате исследования было установлено, что наибольшая высота растений сои сорта ЭОС наблюдается в контрольном варианте и составляет 27 см, варианте 3 (5000 мг/кг) высота растений сои сорта ЭОС уменьшилась по сравнению с контролем на 30% (рис. 1).
Высота растений сои сорта ЭОС при модельном загрязнении чернозема выщелоченного нефтепродуктами
Количество бобов на одном растении сои сорта ЭОС
Количество семян на одном растении сои сорта ЭОС
Таблица 1 - Динамика изменения концентрации нефтепродуктов в почве в течение вегетационного периода
Исходная концентрация Н), мг/кг | Эффективность очистки, % | Остаточное содержание НП, мг/кг | Категория загрязнения (МУ 2.1.7.730–99) | Влияние на морфобиометрические показатели |
1000 | 50 | 500 | Допустимый/низкий уровень | Стабильное развитие, умеренная биодеградация |
3000 | 60 | 1200 | Средневысокий уровень | Максимальная продуктивность |
5000 | 30 | 3500 | Очень высокий уровень | Ингибирование ремедиационного потенциала |
Для комплексной оценки способности сои сорта ЭОС к очистке нефтезагрязнённого чернозёма выщелоченного были рассчитаны следующие интегральные индексы, позволяющие количественно охарактеризовать как толерантность растения к стрессовому воздействию, так и его непосредственную ремедиационную эффективность: индекс толерантности, индекс очистки и индекс интенсивности фиторемедиации (табл.2).
Таблица 2 - Интегральные индексы
Исходная концентрация НП, мг/кг | Индекс толерантности, % | Очистительная способность, % | Индекс эффективности фиторемедиации, % | Интерпретация |
1000 | 93,1 | 50 | 46,6 | Стабильная биодеградация при низком фоне стресса |
3000 | 91,4 | 60 | 54,8 | Оптимум ризоремедиации |
5000 | 83,7 | 30 | 26,9 | Токсическое подавление |
4. Обсуждение
Анализ биометрических показателей свидетельствует о том, что присутствие нефтепродуктов в почвенном профиле оказывает выраженное ингибирующее действие на ростовые процессы культуры (рис. 1). Наблюдается закономерное снижение высоты растений сои, находящееся в прямой линейной зависимости от концентрации поллютанта. Данная тенденция характеризуется высоким уровнем аппроксимации и описывается линейным уравнением регрессии с высоким коэффициентом детерминации (R2 = 0,83). Физиологически задержка линейного роста растений при нефтяном загрязнении может быть обусловлена ухудшением водно-воздушного режима почвы, гидрофобизацией корневой системы и снижением доступности влаги . Кроме того, легкие фракции нефтепродуктов способны проникать через мембраны клеток корневой системы, вызывая системный токсический стресс и нарушая гормональную регуляцию роста .
Оценка параметров семенной продуктивности выявила нелинейный характер отклика растений на антропогенную нагрузку (рис. 2). Наибольшее количество бобов на одном растении сои сорта ЭОС было зафиксировано в варианте «НП2 доза», что превышало показатели контрольной группы. Меньшее число бобов в контроле, по-видимому, сопряжено со спецификой питательного режима исследуемого субстрата. Наличие умеренных доз углеводородов может временно активизировать локальную микрофлору и изменять архитектонику корней, однако дефицит азота и фосфора, часто возникающий при иммобилизации элементов микроорганизмами-деструкторами, в контрольных условиях мог лимитировать раннее плодоношение .
Тем не менее, при переходе к максимальной антропогенной нагрузке («НП3 доза») наблюдалось резкое и статистически значимое падение количества семян на одно растение по сравнению с вариантом «НП2 доза». В данном случае лимитирующим фактором выступает выраженный фитотоксический эффект высоких концентраций нефтепродуктов. Накопление токсичных ксенобиотиков в тканях приводит к снижению общей жизнеспособности фитоценоза, глубокому угнетению репродуктивной функции и падению способности к полноценному семяобразованию .
Эффективность деградации нефтепродуктов (НП) в ризосфере сои имеет нелинейный характер, обусловленный физиологическим откликом растения на токсический стресс (табл. 1). Динамика очистки выщелоченного чернозёма обусловлена синергетическим взаимодействием в системе «растение — микроорганизмы — почва». Пиковая урожайность сои при дозе 3000 мг/кг является классическим проявлением бифазного отклика (гормезиса), широко описанного в токсикологии . Умеренная концентрация углеводородов выступает в роли субтоксического стрессора, который активирует адаптивные антиоксидантные системы растения и экспрессию генов стрессового отклика. Кроме того, легкоразрушаемые фракции нефти служат дополнительным источником углеродного питания для аборигенной микрофлоры. Снижение концентрации НП при низком и среднем загрязнении происходит главным образом за счет биодеградации углеводородов углеводородокисляющими бактериями. Корневая система сои выделяет комплекс экссудатов, которые служат косубстратами для почвенных микроорганизмов, многократно увеличивая их численность и ферментативную активность . Параллельно с микробным разложением бобовые культуры способны к прямой фитоэкстракции низкомолекулярных гидрофобных соединений из почвенного раствора с их последующей транслокацией и фитотрансформацией внутри растительных тканей . Резкое падение эффективности очистки до 30% при исходной дозе 5000 мг/кг свидетельствует о достижении порога фитотоксичности — высокая доза поллютанта вызывает необратимые повреждения клеточных мембран корневой системы, глубокое угнетение фотосинтетического аппарата и супрессию метаболической активности ризосферного микробного биоценоза .
Для объективной оценки ремедиационного потенциала использовали показатели индекса эффективности фиторемедиации (ИЭФ), индекса толерантности (ИТ) и очистительной способности (табл. 2). Во всех вариантах ИТ превышает пороговое значение в 85%, а при максимальной дозе растение сохраняет порядка 90% ростовой активности, что свидетельствует о возможной генетически детерминированной устойчивости данного сорта к стресс-факторам нефтезагрязнения. Максимум ИЭФ 54,8% при дозе 3000 мг/кг научно подтверждает гипотезу о формировании оптимального растительно-микробного консорциума в ризосфере сои при умеренных концентрациях углеводородов . Резкое падение ИЭФ до 26,9% при дозе 5000 мг/кг может свидетельствовать о переходе системы в фазу декомпенсации токсического стресса, при этом ферментативная активность почвенных микроорганизмов-деструкторов и ремедиационные механизмы самого фитокомпонента ингибируются. Это неплохо согласуется с фундаментальными выводами о том, что при высоких концентрациях гидрофобные пленки нефти блокируют транспорт воды и нутриентов, лимитируя очистную способность биосистем.
Полученные нами результаты согласуются с выводами Коротченко И.С. и Медведевой В.А. (2023), показавшими, что оптимальная эффективность фиторемедиации достигается при умеренных уровнях загрязнения, тогда как высокие концентрации поллютантов вызывают подавление ремедиационного потенциала растений .
5. Заключение
Таки образом, на основании проведенной комплексной оценки сои сорта ЭОС можно сделать заключение о возможной рекомендации данного сорта к внедрению в практику рекультивационных работ на территориях с техногенным загрязнением выщелоченных черноземов нефтепродуктами с концентрацией до 3000–5000 мг/кг. Высокая жизнеспособность культуры позволяет эффективно совмещать биоочистку отчужденных земель с сохранением семенного потенциала растений.