Содержание биологически активных веществ и тяжелых металлов в растениях на нефтезагрязненных территориях



В статье исследуется влияние нефтезагрязнений на биохимический состав растений в Ханты-Мансийском автономном округе. Использованы спектрометрические методы анализа для определения концентраций каротиноидов, хлорофиллов и тяжелых металлов в растениях. Исследование выявило значительное влияние нефтезагрязнений на содержание биологически активных веществ и тяжелых металлов в растениях.

Ключевые слова : нефтезагрязнения, биохимический состав растений, тяжелые металлы, спектрометрия, Ханты-Мансийский автономный округ.

Величие природных ландшафтов Ханты-Мансийского автономного округа, его богатые недра и уникальные экосистемы привлекают внимание не только промышленников, но и ученых, экологов, заинтересованных в сохранении природного баланса. Нефтедобыча — движущая сила экономики региона, но вместе с экономическим ростом она несет и скрытую угрозу для живой природы.

Нефтепродукты, попадая в почву, создают новую реальность для растительного мира, в которой нормальные физиологические процессы подвергаются испытаниям. Биологически активные вещества, такие как каротиноиды и хлорофиллы, играющие ключевую роль в жизни растения, изменяют свою концентрацию под воздействием техногенных загрязнителей. Такие изменения могут сигнализировать о стрессовом состоянии растений и потенциальных дисбалансах в экосистемах.

Современная экологическая наука и практика ведет активный поиск индикаторов и методов раннего выявления и предотвращения негативного воздействия промышленной деятельности на природу. В этом контексте растения могут выступать в качестве живых биоиндикаторов, способных сигнализировать об изменениях в окружающей среде. Такое исследование становится особенно актуальным в условиях ХМАО-Югры, где нефтедобыча является не только источником благосостояния, но и потенциальной угрозой для уникальных северных экосистем.

Актуальность: вусловиях интенсивного развития нефтедобывающей промышленности ХМАО-Югры, особую актуальность приобретает вопрос оценки воздействия техногенных загрязнений на экосистемы. Город Покачи, расположенный в сердце нефтедобывающего региона, сталкивается с проблемой загрязнения окружающей среды, в том числе и флоры, нефтепродуктами, что приводит к изменению нормального содержания биологически активных веществ и накоплению тяжелых металлов в растениях. Рост экологической ответственности промышленных предприятий и поиск методов снижения негативного воздействия на окружающую среду ставят перед наукой новые задачи исследования воздействия загрязнений на биоразнообразие и экосистемы в целом. Также данное исследование совершенно новое, ведь такие эксперименты на территории города Покачи не проводились.

Цель исследования: Определить и сравнить уровни биологически активных веществ и тяжелых металлов в растениях, произрастающих на территориях с различной степенью нефтезагрязнения.

Методы: Спектрофотометрия, Атомно-абсорбционная спектрометрия, флуориметрия.

Для проведения данного исследования были выбраны две группы территорий в окрестностях города Покачи, Ханты-Мансийского автономного округа — территории с различной степенью нефтезагрязнения. Исследование охватывало две группы образцов растений, которые были расположены в разных геолокациях в радиусе 200 метров. Первая группа образцов находилась рядом с нефтепроводом, где фиксировались случаи загрязнения почвы нефтепродуктами. Вторая группа образцов располагалась в отдалении от прямого влияния нефтепровода, в условиях, предположительно, более благоприятных для сравнительного анализа.

Экологическая обстановка в г.Покачи за последние пять лет испытывает влияние местной нефтедобывающей промышленности, что способствует уровню загрязнения воздуха и почвы. Вопросы экологии остаются актуальными, особенно в связи с развитием промышленных объектов и необходимостью обеспечения экологической безопасности.

Образцы для исследования были собраны во время вегетационного периода, чтобы максимально точно оценить состояние растений. Сбор образцов и обработка результатов проводилась с использованием методических рекомендаций «Экологическая биохимия растений: Химические и биохимические методы анализа».

Следующим этапом исследования, после сбора образцов растений и почвы с экспериментальных участков, является их подготовка и предварительная обработка перед проведением химического анализа. Этот этап необходим для обеспечения точности и надежности результатов анализа.

В эксперименте использовалось восемь видов растений следующих маркировок:

1. Рогоз широколистный ( Typha latifolia L. )
2. Осока низкая ( Carex humilis L. )
3. Пырей ползучий ( Elymus repens L. )
4. Плевел многолетний ( Lolium perenneL. )
5. Пырейник сибирский ( Elymus sibiricus L. )
6. Торица полевая ( Spergula arvensis L. )
7. Щавель курчавый ( Rumex crispus L. )
8. Дрёма белая ( Silene latifolia L. )

Сроки сбора образцов: август-сентябрь 2023 года.

Для анализа содержания каротиноидов и хлорофиллов в растительных образцах использовалась спектрофотометрия с использованием прибора СФ-56. Этот метод позволяет точно определить концентрации пигментов, что критически важно для понимания фотосинтетической активности и стрессового состояния растений под воздействием нефтезагрязнений. Эксперимент проводилися в трёх повторностях.

Атомно-абсорбционная спектрометрия (ААС) на приборе МГА-915 представляет собой высокоэффективный метод для определения концентраций тяжелых металлов в экологических образцах. Этот метод основан на способности атомов металлов, поглощать свет на характеристических длинах волн при нагревании до высоких температур.

Применение атомно-абсорбционной спектрометрии на МГА-915 в этом исследовании позволяет точно определить уровни тяжелых металлов в экологических образцах, что критически важно для оценки степени загрязнения и воздействия нефтедобычи на биосистемы. Эти данные могут быть использованы для разработки стратегий очистки и рекультивации загрязненных участков, а также для мониторинга эффективности этих нефтяных мероприятий и воздействий окружающей среды.

В рамках исследования особое внимание было уделено методике измерения массовой доли нефтепродуктов в пробах почвы, используемой для оценки уровня загрязнения нефтепродуктами на исследуемых территориях. Ключевым оборудованием для этого этапа стал флуориметрический анализатор «Флюорат-02», который позволяет с высокой точностью и чувствительностью определить содержание нефтяных углеводородов в экологических образцах.

После сбора и анализа данных с использованием спектрофотометрии, атомно-абсорбционной спектрометрии и флуориметрии следует этап статистической обработки. Этот этап критически важен для интерпретации результатов исследования, позволяя определить статистически значимые различия между отдалёнными и загрязненными образцами, а также оценить влияние нефтезагрязнений на концентрацию каротиноидов, хлорофиллов a, b как на общую массу мг/кг, так и на сухую массу мг/кг и тяжелых металлов в растениях.

Рис. 1. Концентрация фотосинтетических пигментов хлорофиллов и каротиноидов в растениях

Рис. 2. Концентрация пигментов на сухую массу Aa, Ab, Acar в растительных образцах листьев и стеблей

Данные гистограмм предоставляют основания для утверждения, что нефтезагрязнения потенциально оказывают влияние на концентрацию фотосинтетических пигментов в растениях и уровень накопления тяжелых металлов в корнях по сравнению с листьями и стеблями.

На отдалённых территориях (1–4) уровни хлорофиллов и каротиноидов в целом выше, чем на загрязненных (5–8), что может указывать на негативное влияние загрязнения на фотосинтетическую активность растений.

Рис. 3. Концентрация тяжёлых металлов в образцах листьев и стеблей (1–8) и в корнях (9–16)

Наблюдается заметное увеличение концентраций тяжелых металлов в корнях растений по сравнению с листьями и стеблями, особенно это видно на примере цинка в Торице полевой, что предполагает, что корни растений могут аккумулировать тяжелые металлы из почвы. Высокие концентрации кадмия в корнях Торицы полевой могут указывать на высокую степень загрязнения этого образца и в целом на данный вид.

Исходя из полученных результатов, построены ряды убывания аккумулируемых растительными образцами тяжёлых металлов:

для всех образцов растений: Zn > Cu > Pb > Cd

Рис. 4. Определение содержания нефтяных углеводородовв экологических образцах

Таблица 1

Результаты анализов измерения массовой доли нефтепродуктов в пробах почв

Шифр пробы	Массовая концентрация НП в гексановом экстракте, мг/кг
Почва-1	23,875±9,550
Почва-2	<5,000 (3,575)
Почва-3	11,633±4,653
Почва-4	24,617±9,847
Почва-5	17,367±6,947
Почва-6	15,629±6,252
Почва-7	19,742±7,897
Почва-8	16,042±6,417

Письмо Министерства охраны окружающей среды и природных ресурсов РФ от 27.12.1993г. № 04–25–61–5678 «О порядке определения размеров ущерба от загрязнения земель химическими веществами»:

1. Уровень допустимый — до 1000 мг/кг
2. Уровень низкий — от 1000 до 2000 мг/кг
3. Уровень средний — от 2000 до 3000 мг/кг
4. Уровень высокий — от 3000 до 5000 мг/кг
5. Уровень очень высокий — > 5000 мг/кг

Анализ содержания нефтепродуктов в почве показал, что уровень нефтепродуктов в изучаемых образцах значительно ниже критических значений, определенных нормативами Министерства охраны окружающей среды и природных ресурсов РФ. Самая высокая фиксированная концентрация нефтепродуктов составила 24,617 мг/кг, что находится на уровне, во много раз меньшем, чем даже низкий уровень загрязнения (1000 мг/кг).

Это свидетельствует о том, что, несмотря на расположение региона в нефтедобывающей зоне, меры по охране окружающей среды и регуляции загрязнений, предпринимаемые в данной территории, оказываются эффективными. Наблюдаемые уровни загрязнения не представляют серьезной угрозы для состояния почвы, что подтверждает эффективность текущих подходов к экологической безопасности и контролю над состоянием окружающей среды.

Таким образом, можно утверждать, что нефтезагрязнения в исследуемых образцах отсутствуют на уровне, который мог бы вызвать значительные негативные последствия для почвы и биосистемы в целом. Эти результаты могут служить основой для дальнейшего мониторинга и поддержания устойчивости экосистемы в условиях ведения нефтедобывающей деятельности.

Заключение

В ходе выполнения исследовательской работы были достигнуты поставленные цели. Осуществленный анализ показал значительное влияние нефтезагрязнений на содержание фотосинтетически активных пигментов и концентрацию тяжелых металлов в растениях. Было выявлено, что растения с нефтезагрязненных участков имеют меньшее содержание хлорофиллов a и b, а также каротиноидов по сравнению с отдалёнными территориями. Такие результаты могут свидетельствовать о снижении фотосинтетической активности и возможном окислительном стрессе, вызванном токсичным воздействием нефтепродуктов.

Полученные данные могут быть использованы при создании мониторинговых систем и аналитических платформ для оценки степени загрязнения экосистем и эффективности проводимых мероприятий по их очистке.

Результаты работы представляют интерес для экологических служб, а также для нефтедобывающих компаний, которые стремятся минимизировать воздействие своей деятельности на окружающую среду. Исследование, проведенное в рамках нашей работы, является пионером для города Покачи. До настоящего момента не было зафиксировано инициатив, направленных на изучение влияния нефтезагрязнений на биохимический состав и содержание тяжелых металлов в растениях, произрастающих в нашем районе. Таким образом, результаты настоящего проекта не только вносят значимый вклад в экологическую науку региона, но и открывают новые горизонты для дальнейших исследований в данной области.

Литература:

1. Кравченко И. В. Экологическая биохимия растений: Химические и биохимические методы анализа. Методические рекомендации. Сургут, 2017. 27 с.
2. Мурашко Ю. А., Кравченко И. В. Содержание тяжелых металлов в осоке водяной (L.Carex aquatilis Wahlenb.) прибрежно-водных биоценозов Природного парка «Нумто». Биологические науки. Сургут, 2017. С. 104–120.
3. Чупахина Г. Н., Масленников П. В. Адаптация растений к нефтяному стрессу. Экология. Калининград, 2004; (5): 330–335.