Екологічний проєкт "Фітоіндикація нафтозабруднених грунтів", Презентація

Міністерство освіти і науки

Сумське територіальне відділення МАН

Відділ освіти Чернеччинської сільської ради Охтирського району Сумської області

Чернеччинська загальноосвітня школа І – ІІІ ступенів (опорний заклад освіти)

Відділення: Екологія та аграрні науки

Секція: Екологія

Фітоіндикація

нафтозабруднених  грунтів

Роботу виконав:

Кириленко Юрій Васильович,

слухач МАН Охтирського районного центру дитячої та юнацької творчості,

учень Чернеччинської ЗОШ  І – ІІІ супенів (опорний заклад освіти)

Чернеччинської сільської ради Охтирського району Сумської області

Науковий керівник:

Михайленко Ірина Володимирівна,

учитель хімії та біології

Чернеччинської ЗОШ І –ІІІ супенів (опорний заклад освіти)

Чернеччинської сільської ради Охтирського району Сумської області

ЗМІСТ

Вступ………………………………………………………………………..........3

Розділ 1  Проблеми нафтового забруднення грунтів………………………6

1.           Характеристика нафтового забруднення грунтів……………………..6
2.           Екологічний моніторинг нафтозабруднених грунтів…………………7
3.           Використання рослин як тест-об`єктів………………………………...8

Розділ 2   Практичні дослідження…………………………………………..10

  2.1.  Підбір та апробація рослин – біотестів…………………….…………..10

  2.2.  Визначення токсичності грунту методом пророщування насіння……11

  2.3. Визначення морфометричних показників ………………………………11

Висновки …………………………………………………………………….....12

Список використаної літератури………………………………………..…..13

Додатки ………………………………………………….…………………..….15

ВСТУП

Біомоніторинг – оперативний моніторинг навколишнього середовища на основі спостережень за станом і поведінкою біологічних об’єктів. Провідним методом біомоніторингу є біотестування.

 Біотестування має ряд переваг перед інструментальними методами:

- швидкість, доступність і простота проведення експериментів, відтворюваність і достовірність  отриманих результатів, економічність як у матеріальному відношенні, так і за трудовитратами,

- об’єктивність отриманих даних,

-  можливість характеризувати стан середовища за тривалий проміжок часу,

- висока чутливість живих організмів до екзогенного впливу,

- на відміну від фізичних і хімічних підходів до оцінювання забруднення, біологічне  тестування має прогностичне значення — за станом біоти, її кількісними та якісними змінами можна передбачати зміни, які відбуватимуться із живими організмами за певного рівня забруднення,

- біотестування можна проводити на популяційно-видовому, організменому, органо-тканинному, клітинному, субклітинному та молекулярному рівнях,

- біота реагує на мінімальний токсичний вплив, який можуть не реєструвати технічні прилади.

 Біологічні індикатори – це організми чи сукупність організмів, присутність, кількість, особливості розвитку та фізіології яких вказують на природні процеси, умови та антропогенні зміни середовища їхнього проживання.

 Актуальність теми: З кожним роком людство нарощує видобуток нафти та збільшує обсяги її переробки. В таких умовах збільшилися випадки потрапляння нафтопродуктів у океани, моря та грунти. Як наслідок, продукти трансформації нафти виявляються в різних біологічних об`єктах. Тому інформація про екологічний стан забрудненого грунту є умовою ефективного захисту навколишнього середовища.

 Біоіндикація та біомоніторинг має переваги над фізико-хімічними методами досліджень, які не оцінюють біосистеми з біологічних позицій, не

враховують сумарний вплив токсинів та симбіоз організмів.

 Біоіндикація – перший етап діагностики якості грунтів, що веде до розробки методів відновлення нафтозабруднених грунтів і як наслідок, до біологічної рівноваги.

Мета дослідження:

•                  з’ясування ефективності методу біотестування,
•                  дослідження впливу забруднення ґрунту нафтою на процес проростання насіння і ростові параметри окремих рослин,
•                  дослідження фітотоксичності нафтозабруднених грунтів при різних концентраціях полютанта,
•                  екологічна оцінка нафтозабруднених грунтів з використанням рослинних тест-об`єктів.

Для досягнення мети поставлені такі дослідницькі завдання:

•                   виявити рослинні тест-об`єкти, які чутливі до нафтового забруднення,
•                   встановити взаємозв`язок між вмістом нафти у грунті та ростовими параметрами біоіндикаторів,
•                   проаналізувати вплив полютантів на фізіологію та морфологію рослин,

•                   довести ефективність біотестування як доступного та економного

методу для визначення полютантів на нафтозабруднених ділянках грунту. 

Об’єкт дослідження: грунти, які штучно забруднені нафтопродуктами.

 Предмет дослідження: екологічна оцінка рівня токсичності грунтів, забруднених нафтою.

Методи дослідження:

•                  аналіз теоретичних методик постановки експерименту,
•                  експеримент,
•                  лабораторні методи (морфологічний, фізіологічний),
•                  спостереження,
•                  математично-статистична обробка результатів.

 Практичне значення дослідження: спосіб біотестування нафтозабруднених грунтів з використанням рослин може ефективно застосовуватись для визначення рівня токсичності грунтів, забруднених нафтою різної концентрації.

РОЗДІЛ 1

ПРОБЛЕМИ НАФТОВОГО ЗАБРУДНЕННЯ ГРУНТІВ

1.1.  Характеристика нафтового забруднення грунтів

 Нафта – рідкий природний розчин, суміш насичених, ароматичних вуглеводнів та високомолекулярних речовин, загалом біля 3000 сполук. Головним елементом, що утворює сполуки нафти, є Карбон (80 – 90 %). Ароматичні вуглеводні – найбільш токсичні, є мутагенами та канцерогенами. Токсичними речовинами також є гідрофобні смолисто - асфальтенові сполуки, які змінюють водно-фізичні властивості грунту та зменшують його пористість.[1]

 У нафті розчинені у невеликій кількості газуваті та тверді вуглеводні. Нафта легша за воду і нерозчинна в ній. У природних умовах нафта утворює з водою стійку неоднорідну суміш – емульсію.

 При забрудненні нафтопродуктами відбувається порушення структури та функцій грунтової системи, зміна фізико-хімічних та біологічних властивостей грунтів, їх морфологічних характеристик (збільшення щільності, більш темний колір, масляні плівки, стан аерації). Склеювання структурних частин грунту підвищує в`язкість та щільність грунтової маси, знижує повітряно – водний режим. Гідрофобність нафти погано вбирають і затримують вологу. Мають місце вертикальна та латеральна міграція нафти у грунт. [14]. Також змінюється вміст і співвідношення мікро- і мікроелементів, зростає вміст вуглецю, зменшується вміст азоту. Порушується баланс грунтових бактерій, особливо тих, що беруть участь у колообігу азоту. Нафта стимулює зростання лише певних видів бактерій. [13]

 Потрапляння нафти у грунт змінює такий екологічний чинник як температура. Грунти стають темнішими, тому сонячні промені нагрівають їх сильніше.

 Нафтове забруднення може впливати на рослини безпосередньо через кореневу систему та продихи або через зміни біотичних та фізико-хімічних властивостей грунту. Це викликає мутагенні реакції, морфологічні та фенологічні порушення розвитку рослин та переміщення токсикантів

трофічними ланцюгами [5].

 Для чорноземної зони України встановлені градації забруднення грунтів нафтопродуктами: [11]

•  незабруднені – менше 0.4 г/кг,
• слабо забруднені – до 6 г/кг,
• середньо забруднені – до 12 г/кг,
• сильно забруднені – до 25 г/кг,
• дуже забруднені – понад 25 г/кг.

Слабке забруднення ліквідується самоочищенням протягом 2 – 3 років.

 Отже, найбільш небезпечним забруднювачем навколишнього середовища є нафтова галузь на всіх промислових етапах: буріння, переробки, транспортування, зберігання, використання.

1.2.  Екологічний моніторинг нафтозабруднених грунтів

 Грунт – верхній шар земної кори, без якого неможливий ріст рослин та існування людин та тварин. Грунти сильно відрізняються за своїм складом і динамікою. В грунтах розрізняють тверду, рідинну та газову фази. Ґрунти є сполучною ланкою між атмосферою, гідросферою, літосферою і живими організмами. 

 Екологічна роль ґрунтів у біогеоценозах визначається як:

1) зосередження (депо) організмів, вологи, енергії, хімічних елементів;

2) життєвий простір, притулок або тимчасове житло;

3) стимулятор або інгібітор життєвих процесів;

4) дзеркало ландшафту, що відображає його екологічну сутність, історію;

5) субстрат і механічна опора для наземних організмів;

6) сигнальний фактор багатьох екологічних явищ і процесів,

7) сорбент речовин.

    При потрапляні нафти в грунт спостерігається:

- багатокомпонентність забруднення,

- висока токсичність,

- ефект комбінативної дії,

- мінливість вуглеводневого складу у часі,

- проблематичність дослідження взаємодії вуглеводнів з іншими хімічними речовинами грунту.

 Саме проведення екологічного моніторингу дозволяє комплексно дослідити ці проблеми та запропонувати шляхи їх оптимального вирішення.

 Екологічний моніторинг проводиться шляхом біоіндикації та біотестування.

 Біоіндикація дає змогу встановити загальний рівень токсичності та вплив на будь-які біологічні об`єкти. Крім того, цей вид моніторингу має великі часові межі, тому дає можливість спостерігати довготривалу дію полютантів. Встановлено, що навіть у межах ГДК, довготривала дія полютантів впливає на морфо – фізіологію біоіндикаторів. [3]

  Метод біотестування ефективний на ранніх стадіях кумулятивної дії полютанті. Він дозволяє відстежити стан екосистеми, коли ще не відбулися морфо-фізіологічні зміни та встановити сумарну токсичність середовища в конкретний момент часу. Біотести (тест-організми, тест-параметри) характеризуються швидкістю проведення, доступністю, економічністю, об`єктивною результативністю. Такими стандартними тест – системами є: бактерії (Photobacterium phosphoreum), найпростіші (інфузорії виду Tetrahynema pyriformis), водорості (Scenedesmus quadricauda), ракоподібні (Daphnia magna), плодова мушка дрозофіла (Drosophila melanogaster) тощо.

 Для моніторингу екологічного стану грунтів використовуються педобіонти (грунтові організми). Немає універсальних тест-організмів. Кожен тест-об`єкт чутливий до певного полютанта, до певної концентрації на різних стадіях свого розвитку, що залежить від фізико – хімічних властивостей грунтів.

1.3.   Використання рослин як тест-об`єктів

 Для моніторингу стану нафтозабруднених грунтів ефективним є використання рослинних індикаторів, що пояснюється наступним:

- в трофічних ланцюгах рослини є продуцентами, первинними акумуляторами полютантів,

- висока чутливість як на ранніх стадіях розвитку, так і протягом вегетації,

- можливість діагностування сумарного впливу полютантів у часі, у просторі,

- постійність впливу полютантів,

- економічність, доступність.

 Найпоширенішими рослинними тест-системами згідно з Міжнародним стандартом ISO 11269-1 є: насіння пшениці (Triticuт durum), вівса (Avena satiua L), ячменю звичайного (Hordeum vulgare), крес-салату (Lepidium sativum L), квасолі (Phaseolus vulgaris), конюшини лучної (Trifolium pretense L), гірчиці білої (Sinapis alba), гречки посівної (Fagopyrum vulgare).[15] Однак універсальних тест – об’єктів, які були б чутливі до різних токсикантів, немає. 

 Названі рослини мають різну чутливість до полютантів, що також залежить від стадії вегетації. Доцільно використовувати декілька тест-систем одночасно. Особливо стійкі до нафтового забруднення бобові рослини (Fabaceae), що пояснюється здатністю до фіксації атмосферного азоту як джерела додаткового мінерального живлення (люцерна, соя, квасоля, конюшина).

 Основними показниками оцінки забрудненості грунтів є параметри проростання, довжина кореня та пагона, висота рослин, довжина листків, черешків, розмір листків, кількість та розмір квіток, плодів, насіння у плодах, загальна суха маса рослин або їх частин тощо.

 Отже, завдяки високій чутливості до навколишнього середовища, рослинні тест-об`єкти є ефективною та перспективною складовою екологічного біомоніторингу наслідків антропогенного впливу. Рослини швидко ростуть, розмножуються, неоднозначно реагують на забруднення нафтопродуктами, мають високу селективну чутливість.

РОЗДІЛ 2

ПРАКТИЧНІ ДОСЛІДЖЕННЯ

2.1.  Підбір та апробація рослин – біотестів.

 На першому етапі лабораторних досліджень ми провели відбір та

апробацію рослин - біотестів. Мета - виявлення найбільш чутливих до забруднення рослин та встановлення залежності морфо-фізіологічних змін від концентрації нафти в грунті.

 Хід роботи:

 1. Для моделювання нафтового забруднення використали сиру нафту Бугруватського родовища Охтирського району. Субстрат – висушений комплексний підготовлений грунт, який поміщали у чашки Петрі і витримували при температурі 20⁰ C протягом 2-3 діб.

 2. Згідно з методикою Романюк О.[15] готували контрольну пробу грунту та пробу з 5 % нафти:

 - контроль – 10,0 г сухого підготовленого грунту змішували з 5 мл води (до вологості 33 %), висаджували насіння тест – рослин, чашки Петрі закривали, пророщували 10 діб із щоденним спостереженням,

 - штучно забруднений грунт отримували змішуванням 95,0 г  вологого грунту (до вологості 33 %) та 5,0 г нафти (або 5, 88 мл нафти густиною – 0,85 г/мл),  для отримання 5 % забруднення. Проби забрудненого грунту залишали на 7 діб при кімнатній температурі для природного вивітрювання нафтопродуктів.

 Чутливість проростання та вегетації насіння тест – систем проявляється у відхиленні від фізіологічної норми (контрольної проби). Для досліджуваних рослин визначали схожість насіння, довжину пагона, варіації морфо- метричних параметрів, що зумовлено різною чутливістю досліджуваних біоіндикаторів до дії нафтових полютантів.

 Отримали залежність відносної схожості насіння порівняно з контрольними показниками. (Додаток 1)

 Найбільш чутливими до нафтових полютантів виявилися такі рослини: крес-салат, гірчиця, редька, петрушка. (Додаток 2)

 На основі отриманих результатів встановлено, що чутливими фітотестами на нафтове забруднення є: крес-салат, гірчиця біла, редька посівна. Для подальшого дослідження використовували данні види.

2.2.  Визначення токсичності грунту методом пророщування насіння

 Для визначення токсичності грунту при різній концентрації полютантів проби грунту готували за наступною схемою:

• контроль – 100 г чистого грунту + 0 г нафти (0 % забруднення),
• 99 г грунту + 1 г нафти (1 % забруднення),
• 95 г грунту + 5 г нафти (5 % забруднення),
• 90 г грунту + 10 г нафти (10 % забруднення),
• 85 г грунту + 15 г нафти (15 % забруднення),

Повторюваність досліду трикратна.

Для визначення фітотоксичності грунту обрали: гірчицю білу (Sinapis alba), крес-салат (Lepidium sativum L), редьку посівну (Raphanus sativus L).

2.3. Визначення морфометричних показників

 Визначали відносну схожість насіння (ВСН), відносну висоту пагона (ВВП) та динаміку його вегетації. Морфометричні показники вимірювали за допомогою лінійки.

 ВСН = кількість пророслого насіння в досліді / кількість пророслого насіння в контролі (%)

 ВВП = висота пагона в досліді / висота пагона в контролі (%)

 К_С  (коефіцієнт пригнічення схожості) =  кількість пророслого насіння в контролі / кількість пророслого насіння в досліді

 К_ВП  (коефіцієнт пригнічення росту пагона) = висота пагона в контролі / висота пагона в досліді.

ВИСНОВКИ

1.               Доведено ефективністі методу біотестування. Досліджено вплив нафтового забруднення ґрунту на процес проростання насіння і ростові параметри рослин, встановлено взаємозв`язок між вмістом нафти у грунті та ростовими параметрами біоіндикаторів. Найбільш чутливими виявилися рослини: гірчиця біла (Sinapis alba), крес-салат (Lepidium sativum L), редька посівна (Raphanus sativus L).
2.               З’ясовано, що незначне збільшення концентрації нафти у грунті викликає зниження росту пагона, кореня та маси рослин. Залежність між початковими ростовими параметрами досліджуваних рослин і концентрацією нафти у грунті близьки до лінійних, що дозволяє широко використовувати данні біотести.
3.               Досліджено фітотоксичність нафтозабруднених грунтів при різних концентраціях полютанта.
4.               Виявлено рослинні тест-об`єкти, які особливо чутливі до нафтового забруднення. При значних нафтозабрудненнях ефективне використання гірчиці білої (Sinapis alba) та редьки посівної (Raphanus sativus L).
5.               Бобові рослини (Fabaceae) є стійкими до нафтового забруднення, що пов’язано з їх здатністю фіксувати атмосферний азот і забезпечувати себе джерелом мінерального живлення у нафтозабрудненому ґрунті. Також кореневі симбіоти бобових із роду бульбочкових бактерій (Rhizobium) в умовах нафтового забруднення здатні не лише фіксувати атмосферний азот, але й розкладати вуглеводні нафти і використовувати їх як альтернативне джерело живлення.
6.               Доведено ефективність біотестування як доступного та економічного методу для визначення полютантів на нафтозабруднених ділянках грунту.             

СПИСОК ВИКОРИСТАНОЇ ЛІТЕРАТУРИ

1. Бабаджанова О. Ф. Міграція нафти і нафтопродуктів у поверхневі шари грунту при аварійних розливах/О. Ф. Бабаджанова, Н. М. Гринчишин, Ю. Г. Сукач // Безпека життя і діяльності людини – освіта, наука, практика. – К.: Національний авіаційний університет, 2011. - С. 22-26.

2. Бетелев Н. П. Методы определения загрязнения грунтов углеводородами. Геоэкология. №1 1998. - 121 с.

3. Бешлей З. М. Використання рослинних тест – систем для оцінки токсичності техногенно забруднених субстратів / З. М. Бешлей, С. В. Бешлей, В. І. Баранов, О. І. Терек // Вісник Харківського національного аграрного університету. Серія: Біологія. – 2014. – Вип. 1. – С. 97-102.

4.  Валерко Р. А. Особливості біотестування антропогенно забруднених грунтів з метою їх екотоксичної оцінки / Р. А. Валерко // Вісник Харківського національного аграрного університету. Серія: Грунтознавство, агрохімія, землеробство, лісове господарство. – 2013. - № 2. – С. 262-266.

5.  Восстановление нефтезагрязненных почвенных екосистем. / Под ред. М. А. Глазовской. 1998. – 185 с.

6.  Горова А. І. Оцінка токсичності грунтів Червоноградського гірничопромислового району за допомогою ростового тесту / А. І. Горова, С. Л. Кулина // Вісник Львівського університету. Серія: Біологія. – 2008. – Вип. 48. – С. 189-194.

7.  Горон М. З. Фітотестування як експрес – метод оцінки токсичності нафто забруднених грунтів / М. З. Горон, Н. М. Джура // Вісник Львівського університету. Серія: Біологія. – 2012. – Вип. 58. – С. 185-192.

8.  ГОСТ 17.4.4.02-84. Охрана природы. Почвы. Методы отбора и подготовки проб для химического, биологического, гельминтологического анализа // Охрана природы. Почвы. – М.: Издательство стандартов, 1993 – С. 54-64.

9.  Губачов О. І. Особливості використання рослин для біотестування грунтів з метою визначення рівня екологічної безпеки промислових територій / О. І. Губачов // Наук. вісник КУЕІТУ, 2010. - № 3 (29) – С. 164-171.

10.  Гудзь С. П. Практикум з мікробіології: Підручник / С. П. Гудзь, С. О. Гнатуш, Г. В. Яворська  – Львів: ЛНУ імені Івана Франка, 2014. – 436 с.

11.  Демиденко А. Я. Пути восстановления плодородия нефтезагрязненных почв черноземной зоны Украины / А. Я. Демиденко, В. М. Демурджан // М.: Наука, 1988. – С. 197-206.

12.  Зейферт Д. В. Использование кресс-салата как тест-бъекта для оценки токсичности природных и сточных вод Стерлитамакского промузла / Д. В. Зейферт // Башкирский экологический вестник. – 2010. - № 2. – С. 39-50.

13.  Исмаилов Н. М. Влияние нефтяного загрязнения на круговорот азота в почве / Н. М. Исмаилов // Микробиология. – 1983. - № 6. – С. 103-107.

14.  Киреева Н. А. Биологическая активность нефтезагрязненных почв / Н. А. Киреева, В. В. Водопьянов, А. М. Мифтахова. – Уфа: Гилем, 2001. – 376 с.

15.  Романюк О. Розробка методу оцінки токсичності нафто забруднених грунтів / О. Романюк // Вісник Львівського університету. Серія: Біологія. –

2016. - № 72. – С. 93-100.

ДОДАТКИ

Додаток 1

Додаток 2

Чутливість рослин до нафтових полютантів.

Додаток 3

Розвиток фітоіндикатора в залежності від концентрації полютанта

Додаток 4

Проростки гірчиці білої (Sinapis alba) на 7 добу.

Додаток 5

Проростки крес-салату (Lepidium sativum L) на 7 добу.

Додаток 6