The phytoremediation potential of soybeans in cases of oil product contamination of black soil in the Krasnoyarsk forest-steppe region
The phytoremediation potential of soybeans in cases of oil product contamination of black soil in the Krasnoyarsk forest-steppe region
Abstract
During the research, an evaluation was carried out of the effect of various doses of petroleum products on the biometric parameters and yield of the EOS soybean variety, and the dynamics of petroleum product content in leached black soil were studied. The phytoremediation potential of soybeans was assessed on the basis of integrated indices of tolerance, remediation and phytoremediation efficiency. An analysis was carried out to determine the suitability of using soybeans for the restoration of oil-contaminated soils in the Krasnoyarsk forest-steppe region. The maximum plant height was recorded in the control; at a dose of 5,000 mg/kg, it decreased by 30%. The highest number of pods per plant was observed at a dose of 3,000 mg/kg. The highest degree of soil remediation (60%) was achieved at an initial concentration of petroleum products of 3,000 mg/kg (residual content — 1,200 mg/kg); at 1,000 mg/kg, the efficiency was 50%, and at 5,000 mg/kg, it was 30%. The phytoremediation efficiency index was highest (54.8%) at a dose of 3,000 mg/kg, whilst the tolerance index exceeded 85% in all variants.
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.