ВЛИЯНИЕ НЕФТЕПРОДУКТОВ НА НЕКОТОРЫЕ ВИДЫ ПРЕСНОВОДНЫХ МАКРОФИТОВ

XIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2021

ВЛИЯНИЕ НЕФТЕПРОДУКТОВ НА НЕКОТОРЫЕ ВИДЫ ПРЕСНОВОДНЫХ МАКРОФИТОВ

Косолапенкова Л.Ю. 1
1ГБОУ ДО Севастопольского центра эколого-натуралистического творчества учащейся молодежи
Кузьминова Н.С. 1
1ГБОУ ДО ЦЭНТУМ
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
 
Глава 1. Литературный обзор

Влияние нефтяного загрязнения на водные растения

На современном этапе развития общества растения испытывают разнообразные антропогенные воздействия, в ответ на которые они меняют стратегии поведения. Изменение стратегий поведения проявляется в возникновении механизмов адаптации к новым экологическим факторам на разных уровнях организации растений. Основным антропогенным фактором, оказывающим стрессовое воздействие на растения, является нефтяное загрязнение. Опасность загрязнения нефтью и нефтепродуктами связана, прежде всего, с высокой чувствительностью к нему растительных объектов, определяя существование и состав остальных биологических компонентов биогеоценозов: микроорганизмов и животных.

Нефть оказывает отрицательное влияние на рост, метаболизм и развитие растений. Известно, на примере наземной растительности, что нефтяное загрязнение в значительной мере изменяет морфологию растения. Наблюдается уменьшение роста стебля в высоту, уменьшение его радиального роста, нефтяное загрязнение ингибирует ростовые процессы. В условиях загрязнения нефтью значительно снижается площадь ассимиляционной поверхности растений (у мезофитных и ксерофитных растений). Корневая система уменьшает свои размеры, меняет свою морфологию (переход от мочковатого типа корневой системы к стержневому). Прекращается формирование клубеньков и развитие корневых волосков. Значительным изменениям подвергаются анатомические особенности растений. Увеличивается толщина листовой пластинки, исчезает кутикула, уменьшаются размеры клеток и количество хлоропластов. В корневой системе растений происходит утолщении эпидермы, увеличивается количество ксилемных элементов и размер центрального цилиндра, объем воздухоносных тканей. Размеры ксилемных элементов сокращаются, что обеспечивает корню более выгодный энергетически механизм поглощения и транспорта воды и минеральных элементов [15].

Появление нефтепродуктов на поверхности водоемов снижает проходимость солнечных лучей и кислорода, тем самым замедляя процесс фотосинтеза - растения обесцвечиваются (меняется окраска, становится более блеклой). В случае гибели растения, возможна дальнейшая трансформация нефти, а значит процессы жизнедеятельности других организмов также нарушается. Ослабевает кормовая база для животных и птиц водоемов. Происходит дисбаланс естественной очистки воды.

Макрофиты являются важными компонентами прибрежных морских экосистем, формирующие высокопродуктивные сообщества, которые служат биотопами для многочисленных видов рыб и беспозвоночных и, в конечном счете, определяют уровень вторичной продуктивности прибрежных районов.

Последние 20 лет, как во всем мире, так и в России, бурно развивается морская нефтегазовая индустрия, которая становится дополнительным источником поступления углеводородов в морскую среду. Крупные месторождения расположены не только на шельфе краевых морей, но и во внутренних морях России (Каспийское, Азовское, Черное моря) [5].

Макроводоросли и травы – ключевой компонент прибрежных и эстуарных экосистем Мирового океана, играющий основную роль в потоках вещества и энергии. В значительной степени на подводные растительные сообщества воздействуют абиотические и антропогенные факторы, что отражается на всех трофических уровнях эстуарных экосистем и определяет биологическую продуктивность водоемов или успех хозяйственной деятельности.

Нефть и ее продукты могут повреждать макрофиты механически, налипая на стебли и листья и обламывая их. Кроме того, они могут подавлять фотосинтез и дыхание, влиять на метаболизм растений. Наибольшие площади водная растительность занимает в придельтовых акваториях, на устьевых барах, а также в заливах и лиманах. Имеются сведения, что более устойчивые к воздействию нефти и нефтепродуктов сообщества морских трав, прежде всего Zostera noltii, менее устойчивые сообщества - представителей Potomogeton, Ceratophyllum, Myriophyllum и Vallisneria.

В весенний период, когда у высших водных растений и водорослей наиболее интенсивны процессы роста и формирования репродуктивных органов, воздействие вероятных разливов нефти будет максимальным. Оно может повлиять не только на жизнедеятельность сеголетних растений, но и на их потомство [16].

Известно, что при отборе проб фукуса с камней, на их поверхности могут присутствовать нефтепродукты. Вес, размер, относительная скорость роста у одновозрастных талломов водорослей из загрязненной зоны в 1,5- 2 раза меньше, чем у растений из чистой акватории. Интенсивность фотосинтеза у водорослей из обоих мест обитания была одинакова. По составу и количеству фотосинтетических пигментов также достоверных отличий не наблюдалось, хотя содержание маннита и фукоидана у фукуса снижалось, а содержание липидов, наоборот, почти в 3 раза увеличивалось. Эти результаты согласуются со сведениями, полученными для фукусовых водорослей из других акваторий [7, 8]. Уменьшение содержания углеводов у фукусов при воздействии НУ, возможно, связано с особенностью их существования в стрессовых условиях. Увеличение содержания общих липидов, по всей вероятности, обусловлено тем, что при анализе учитываются нефтяные углеводороды, сорбированные на поверхности талломов. Несмотря на отмеченные уменьшение размеров, веса и продолжительности жизни, а также значительное снижение скорости роста у фукуса пузырчатого из зоны загрязнения, практически все особи, проявили способность к росту. Присутствие на загрязненной литорали преимущественно фукоидов может свидетельствовать о высокой степени устойчивости данных видов водорослей к нефтяному загрязнению [2].

Использование ряски и элодеи в водной токсикологии, в частности в биотестировании очень распространено, это связано с удобством добычи, содержания, анализа данного высшего растения. Известно также, что ряска является устойчивым тест-объектом, на котором видны не только морфологические, биохимические и др. нарушения, но и биоаккумурятором токсичных продуктов (тяжелые металлы, сточные воды, нефтепродукты, ультрафиолетовое облучение), в частности тяжелых металлов, а также растением, деадсорбирующим ксенобиотики в водную среду [1, 6].

Актуальность научного проекта

Из-за непрекращающегося загрязнения водного бассейна, в том числе нефтепродуктами, первичное звено водоемов принимает на себя первый удар негативного действия токсикантов. Микро- и макрофиты, как известно, составляют основу пищевой цепи, а значит не только могут пострадать от ксенобиотиков, но и, накапливая их в себе, быть опасными для других обитателей гидросферы. Несмотря на то, что допустимые уровни нефтепродуктов известны, малые концентрации нефтеуглеводородов (НУ) также могут приводить к изменениям в функционировании водорослей и водных трав.

В связи с этим, целью настоящего научного проекта является оценка токсического действия разных по плотности НУ – соляра и мазута – на некоторых представителей водной растительности.

Глава 2. Материалы и методы

Характеристика объектов

Элодея канадская Elodéa canadénsis

По всему миру хвалят элодею, поскольку она неприхотлива к условиям окружающей среды, быстро и хорошо растет, очищая воду от нитратов и фосфатов. Кроме того, она служит укрытием для некоторых видов рыб и креветок и даже может использоваться в качестве подкормки. Систематическое положение данной водоросли представлено на рис.1.

Внешний вид:

У элодеи листья имеют изумрудный цвет, полупрозрачны, на свету просвечиваются (рис. 2.1). Стебли имеют светло-зеленый или буроватый оттенок. На них крепятся листья в мутовках (часть осевого органа растения (узел), обычно стебля или ветви, на которой кольцеобразно, на одной высоте (уровне), располагается три и более органа, обычно листьев, иногда цветков или ветвей) [19]. У них заостренная форма с зазубренными краями, а размер не превышает 1 см.

Рис. 2.1. Внешний вид элодеи канадской

Строение:

Длинные ветвящиеся стебли напоминают шнуры; побеги ломкие. В длину достигают 2 м. Стебли по всей длине покрыты многочисленными мутовками. Листья узкие и длинные, с острыми кончиками, ярко-зеленые, слегка завиваются. Длина около 1 см, ширина – от 2 до 5 мм. В каждой мутовке собрано по 3 листка. На верхушке стебля листва более светлая и прозрачная по сравнению с основанием [18]. Элодея стелется по дну аквариума или пруда и сильно ветвится. От основного побега вырастает много вертикальных отростков. В природе в холодное время года растение опускается на дно. В аквариуме при правильном уходе растет в течение всего года.

Ряска малая Lémna mínor

В жизни водоема ряска имеет огромное значение. Являясь кормом для гидробионтов и водоплавающих птиц, данная трава (рис. 2.2) также очищает воду (поглощает избыток азота и фосфатов), обеспечивает белком и аминокислотами, уменьшает испарение воды, защищает воду от яиц насекомых.

Рис. 2.2. Внешний вид ряски малой

Внешний вид и строение:

Зеленая ряска состоит из крошечных светло-зеленых круглых листьев, плавающих на поверхности воды, длиной не более 0,2-0,3 сантиметра. Единственный корень, называемый рулеткой, висит под каждым листовым телом. Корни часто соприкасаются друг с другом, образуя плотный коврик. Летом в мешочках появляются крошечные, едва заметные цветы овальной формы. Каждый цветок производит плод, а из каждого плода получается от одного до трех семян [20].

Мазут и соляр, которые были использованы в нашем научном проекте отличаются главным образом плотностью раствора. Вместе с тем известно, что нефтепродукты представляют собой сложные соединения (углеводороды, гетероатомными соединения). Содержание металлов (преимущественно никель и железо) в нефти невелико и редко превышает 0,05 % (500 мг/кг). Всего в нефти обнаружено порядка 30 металлов, среди которых наиболее распространенными являются ванадий, никель, железо, цинк, медь, магний, алюминий [17]. Нефть содержит органическую массу, углерод, водород и, в меньшей степени, кислород, азот и серу.

Ход выполнения токсикологических экспериментов:

Токсикологические эксперименты по оценки влияния соляра и мазута на два вида пресноводных макрофита были проведены в трех повторностях. Температура в эксперименте составляла 22,5 Cº. Для этого в аквариумную воду добавляли нефтепродукты в концентрациях 0,01 мг/л, 0,025 мг/л, 0,05 мг/л. Затем в подготовленные растворы вносили объекты. В эксперименте с ряской малой оценивали жизнеспособность листьев (цвет, некротические изменения, деление растения), а также состояние корней. Опыт продолжался 7 дней. В начале и конце эксперимента общую массу травы в каждой стеклянной емкости определяли на электронных весах. Полученную разницу в весе выражали в граммах.

В работе с элодеей канадской анализировали фотосинтетическую способность стебля по количеству выделяемых пузырьков на свежем срезе одной ветки за 5 минут.

Рис.2.3. Приготовление рабочих растворов

Рис. 2.4. Постановка эксперимента.

Рис. 2.5. Снятие параметров

Глава 3. Результаты и обсуждение

В ходе эксперимента обнаружено, что по ходу увеличения концентрации соляра количество выделяемых пузырьков на срезе элодеи возрастает. Интересно отметить, что в опыте с мазутом, наоборот: количество пузырьков не зависело от дозы токсиканта и незначительно отличалось от контрольной величины (рис. 3.1). Несмотря на малые количества концентраций нефтепродуктов, изменение исследуемого параметра фотосинтеза происходило более чем на 50%, особенно в эксперименте с соляром, что указывает на высокую токсичность выбранных ксенобиотиков.

Аналогичный эффект влияния нефти и бензина был отмечен для элодеи и других высших водных растений: на фоне ингибирования процессов фотосинтеза происходила активизация работы ферментов [4].

Рис. 3.1. Влияние различных концентраций нефтепродуктов на фотосинтезирующую способность элодеи

Как видно на рисунке, количество потемневших листьев возрастает с увеличением концентрации соляра (рис. 3.2). Интересно, что при внесении токсиканта основные отклонения от зеленого цвета происходили на 3 - 5 сутки, в то время как в контроле мы так же наблюдали изменения окраски, однако оно было незначительным и повышалось постепенно к концу экспозиции.

Рис. 3.2. Отклонение в цвете листьев ряски при воздействии соляра различных концентраций

Известно, что состояние листьеца ряски является информативным при оценке воздействия различных токсикантов, в том числе сточных вод, содержащих нефтепродукты [3].

Токсический эффект влияния соляра начал проявляться на третий день: в самой сильной концентрации количество поврежденных листьев более чем в 15 раз больше, чем в контроле, при других опытных концентрациях – в 5 раз (рис. 3.3). В данном эксперименте мы отмечали такие структурные нарушения у ряски, как изменение формы листа и наличие дырок. Именно на 3 сутки нами было зафиксировано удлинение листа при средней и максимальной концентрации раствора.

В конце экспозиции картина изменилась только при концентрации соляра 0,05мг/л, в то время как в контроле и других опытных вариантах дальнейших существенных нарушений в структуре листа не отмечено. Интересно, что и количество поврежденных листьев увеличивается по мере возрастания концентрации соляра.

Аналогичная закономерность установлена и другими исследователями: поврежденность листьев (проявление токсичности нефти и ее смеси с другими препаратами) усиливалась по мере возрастания их концентрации [11].

Рис. 3.3. Количество листьев ряски с повреждениями при воздействии соляра различных концентраций

Установлено, что появление однодольных листьев в контроле меньше, чем в опыте и составляло незначительное количество к концу недели (табл. 3.1). Можно заметить, что в средней концентрации токсиканта количество поделившихся листьев максимальное. Интересно, что во второй и третьей концентрации искомый параметр резко вырос уже на первые сутки, после чего его дальнейший рост не отмечен. В первом опыте, наоборот, «однодольность» листьев возрастала по мере увеличения времени эксперимента. Таким образом, легкая фракция нефтепродукта оказала стимулирующее действие на деление листьев, так как известно, что именно за 2-8 дней происходит размножение этой водной травы [14].

Таблица 3.1. Влияние различных концентраций соляра на появления однодольных листьев

Сутки

Концентрация, мг/л

 

0,0

0,01

0,025

0,05

1

0

1,333±1,35

17±2,35

15,333±0,67

3

0,333±0,33

10,666±2,96

16,333±2,65

14,666±1,48

5

5±0

10,333±2,44

11,333±2,44

15±1,018

7

7±0,58

9,333±1,48

15±3,57

10,666±0,67

Показано, что в опыте 1 и опыте 2 корни исчезали по мере увеличения времени эксперимента, а в опыте 3 – произошло резкое увеличение данного параметра уже в первые сутки воздействия соляра (рис. 3.4). В контроле существенных изменений в нарушении структуры растения не установлено. При концентрации 0,05 мг/л соляра разрушение корневой системы было максимальным.

Рис. 3.4. Количество листьев без корней под воздействием соляра различных концентраций

Несмотря на установленные нами токсические эффекты нефтепродуктов на ряску малую, известно, что этот объект является достаточно устойчивым по отношению к разбавленным нефтяным углеводородам, и, даже способен утилизировать некоторые компоненты НУ с эффективностью 28,5% [6]. Имеются сведения, что даже сопутствующая микрофлора на ряске способна снижать концентрацию нефтепродуктов (керосина, дизельного топлива и моторного спирта) [9]. Считают, что ряска малая является одним из самых перспективных видов пресноводных макрофитов, способных снизить концентрацию УВ на 97.91% в течение 120 дней [13].

Рис. 3.5. Отклонение в цвете листьев ряски при воздействии мазута различных концентраций

Как видно из графика, количество листьев с измененным цветом возрастало пропорционально увеличению концентрации мазута, однако этот эффект мы наблюдали лишь на 3 сутки (рис. 3.5). Важно указать, что ближе к концу эксперимента пожелтение листьецов было характерно в основном для контрольной группы растений, в то время как при влиянии мазута этот эффект был минимальным (рис. 3.5).

Рис. 3.6. Поврежденность листьев ряски при влиянии различных концентраций мазута

Выявлено, что с увеличением концентрации мазута количество поврежденных листьев уменьшилось (рис. 3.6). В контроле и средней концентрации токсиканта количество листьев с дырками и некрозом примерно одинаковое. По мере увеличения длительности эксперимента искомый показатель возрастал во всех концентрациях.

Таблица 3.2. Влияние различных концентраций мазута на появления однодольных листьев

Сутки

Концентрация, мг/л

 

0,0

0,01

0,025

0,05

1

0,33±0,33

0

0,33±0,33

0

3

1,33±0,33

1,33±0,88

0,66±0,66

0

5

1,67±0,33

1±0,47

1,33±0,71

0

7

0,33±0,27

0,33±0,27

0

0

При влиянии различных концентраций мазута распад цветка на однодольные листья был минимален, а в некоторых случаях даже ниже контроля (табл. 3.2.). Оказалось, что предельно допустимая концентрация данного нефтепродукта не оказывала эффекта на распад травы – процесс размножения ряски в эксперименте остановился. Снижение указанного параметра к 7 дню, возможно, обусловлено гибелью одиночных листьев до этого. Следует отметить, что в большинстве случаев достоверных отличий между величинами количества однодольных листьев в контроле и других концентрациях нет.

Несмотря на установленный нами больший токсический эффект соляра на выбранные виды пресноводной растительности, имеются сведения, что водные макрофиты используются как биосредство ремедиации. Так, малая ряска способна утилизировать опасные ксенобиотики (ртуть, марганец, кадмий, цинк, нитраты, свинец, серебро и др.), содержащиеся в сточных водах, приводя к снижению токсикантов на 99 % [10, 12].

Выводы

1. В эксперименте с воздействием соляра количество выделяемых пузырьков на срезе элодеи возрастает, а с мазутом – четкого эффекта не обнаружено.

2. Изменение цвета листьев ряски при воздействии нефтепродуктов происходило пропорционально увеличению концентрации; при этом в эксперименте с соляром этот эффект наступал сразу.

3. С увеличением концентрации мазута количество поврежденных листьев уменьшилось, а в первом случае (соляр) – наоборот. По мере увеличения длительности эксперимента искомый показатель возрастал во всех концентрациях.

4. Легкая фракция нефтепродукта оказала стимулирующее действие на деление листьев, в то время как тяжелая фракция – наоборот.

5. Токсический эффект соляра также проявлялся и в проценте количества отпавших корней, причем это было характерно для самой высокой концентрации. Для опыта с мазутом эти изменения не установлены, хотя в двух экспериментах потеря корней зависела от срока экспозиции.

Список использованной литературы

 

1. Валиев Р.Ш. Экологическая оценка изменения морфологии и электрических свойств растений рода ряска Lemna L. при воздействии абиотических факторов в процессе фиторемедиации воды // Дис. канд. биол. наук. по специальности 03.02.08: экология, Саратов, 2016. - 145.

2. Воскобойников Г.М., Пуговкин Д.В. О возможной роли Fucus vesiculosus в очистке прибрежных акваторий от нефтяного загрязнения // Вестник МГТУ. - 2012. – Т. 15. - №4. - С. 716-721.

3. Высшиеводные растения для очистки сточных вод [Текст] / Ю. А. Тарушкина [и др.] // Экология и промышленность России. – 2006. – № 5. – С. 36–39.

4. Денисова Е.С. Анализ устойчивости и аккумуляционной способности высших водных растений в условиях экологического загрязнения рек нефтепродуктами // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2016. – № 8-4. – С. 553-556. URL: http://www.applied-research.ru/ru/article/view?id=10123 (дата обращения: 06.02.2021).

5. Степаньян О.В. Влияние нефтяного загрязнения на макрофиты баренцева, Черного, Азовского и Каспийского морей в условиях современных климатических изменений // Дис. канд. биол. наук по специальности 03.0016-гидробиология, 2020. - Ростов-на-Дону. - 293 с.

6. Чащина С.Б. Использование высших водных растений для доочистки сточных вод ОАО «Газпромнефть-онпз»: эйхорнии, ряски малой и валлиснерии спиралевидной // Омский научный вестник. - 2011. - №1 (104). - С.196-201.

7. Усов А.И., Смирнова Г.Л., Клочкова Н.Г. Полисахариды водорослей. Полисахаридный состав некоторых бурых водорослей Камчатки // Биоорганическая химия. – 2001. - Т.27. - № 6. – С. 444-448.

8. Хотимченко С.В. Липиды морских водорослей-макрофитов и трав: структура, распределение, анализ. Владивосток, 2003. Дальнаука, 234 с.

9. Bassey I.U., Odokuma L.O., Ogugbueand C.J., Umeojiaku C.F.Hydrocarbon degradation potentials of bacterial species isolated from leachate of Lemna waste dump site Calabar // Int. J. of Life Science. – 2019. - 7 (3). – Р. 451-466 ISSN:2320-7817.

10. Ekperusi A.O., Nwachukwu E.O., Sikoki F.D. Assessing and Modelling the Efficacy of Lemna paucicostata for the Phytoremediation of Petroleum Hydrocarbons in Crude Oil Contaminated Wetlands // Scientific Reports. - 2020. -10. - 8489. – https://doi.org/10.1038/s41598-020-65389-z

11. Saksonov M.N., Kupchinsky A.B., Stom D.I. Combined Action of Sodium Dodecyl Sulfate, Tween-85 and Oil on Duckweed (Lemna minor) // International science and technology conference "Earth science" IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. – 2021. - 720. - doi:10.1088/1755-1315/720/1/012051.

12. Ugya A.Y. The Efficiency of Lemna minor L. in the Phytoremediation of Romi Stream: A Case Study of Kaduna Refinery and Petrochemical Company Polluted Stream // Journal of Applied Biology and Biotechnology. - Vol. 3 (01). - pp. 011-014, Jan-Feb, 2015 Available online at http://www.jabonline.in DOI: 10.7324/JABB.2015.3102.

13. Ugya A.Y., Toma I.M., Abba A. Comparative Studies on the efficiency of Lemna minor L., Eicchorniacrassipes and Pistiastratiotes In The Phytoremediation Of Refinery // Waste Water Science World Journal. – 2015. – Vol. 10 (No 3). - www.scienceworldjournal.org ISSN 1597-6343.

14. Zhao X. Optimization of the production of bioethanol from duckweed (Lemna minor) // Dissertation of the degree of Doctor of Philosophy University of East Anglia Institute of Food Research. – 2014. – 205 p.

Интернет-источники:

15.https://studbooks.net/913371/ekologiya/vliyanie_nefti_nefteproduktov_rasteniya_pochvennye_mikroorganizmy

16. https://cyberleninka.ru/article/n/vliyanie-razlivov-nefti-na-pribrezhno-vodnye-i-vodnye-rasteniya-azovskogo-morya-modelnyy-eksperiment

17. https://helpiks.org/9-66313.html

18. https://plantophilia.ru/opisanie-i-vyraschivanie-elodei/

19. https://ru.wikipedia.org/wiki/Мутовка

20. https://o-prirode.ru/ryaska/

Просмотров работы: 18