НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ФІЗІОЛОГІЇ РОСЛИН І ГЕНЕТИКИ

ДЖУРА НАТАЛІЯ МИРОНІВНА

УДК 581.1+581.5+632.12]: 632.15 (665.61)

ФІЗІОЛОГІЧНІ АСПЕКТИ АДАПТАЦІЇ РОСЛИН CAREX HIRTA L.

ДО НАФТОВОГО ЗАБРУДНЕННЯ

03.00.12 – фізіологія рослин

Автореферат

дисертаціі на здобуття наукового ступеня

кандидата біологічних наук

Київ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі фізіології та екології рослин Львівського національного університету імені Івана Франка Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор біологічних наук, професор

Терек Ольга Іштванівна,

Львівський національний університет імені Івана Франка,

завідувач кафедри фізіології та екології рослин

Офіційні опоненти: доктор біологічних наук

Швартау Віктор Валентинович,

Інститут фізіології рослин і генетики НАН України,

завідувач відділу фізіології живлення рослин

кандидат біологічних наук,

Колупаєв Юрій Євгенович

Харківський національний аграрний університет

імені В.В. Докучаєва

доцент кафедри ботаніки і фізіології рослин

Провідна установа: Інститут ботаніки імені М.Г. Холодного

НАН України, м. Київ

Захист дисертації відбудеться “14” червня 2007 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.212.01 в Інституті фізіології рослин і генетики НАН України за адресою: 03022, м. Київ, вул. Васильківська, 31/17, тел. 263-51-50.

З дисертацією можна ознайомитися у науковій бібліотеці Інституту фізіології рослин і генетики НАН України за адресою: 03022, м. Київ, вул. Васильківська, 31/17

Автореферат розісланий “10” травня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор біологічних наук Мордерер Є. Ю. ттттттттттттт ьььь

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Нафтовидобувна і нафтопереробні галузі промисловості загострюють проблеми, пов’язані із забрудненням навколишнього середовища. Забруднення грунтів нафтою спричиняє як деградацію земель, так і створює небезпеку проникнення полютантів у живильні ланцюги, однією з ланок яких є людина. Це зумовлює гостру необхідність пошуку ефективних та екологічно безпечних методів очищення довкілля від забруднень нафтою. У зв’язку з цим набуває актуальності аналіз участі рослин у процесах деструкції компонентів нафти і розробка підходів для фіторемедіації нафтозабруднених територій (Serrano, 1996; Lin, 1998; Krishan et al., 2000; Шурубор, 2000; Пиковский, 2003; Прасад, 2003).

Розкриття механізмів стійкості й адаптації рослин до антропогенного забруднення є однією з актуальних проблем сучасної біології і одним з напрямів наукових досліджень у світі (Киреева и др. 2001; Lin, 2002; Glick, 2003). Показано наявність у рослинах високої поглинальної здатності по відношенню до вуглеводнів і безпосередню участь рослин у деструкції нафтопродуктів (Anderson, 1993; Prasad, 1998; Adam, 2002; Merkl, 2005).

Бориславське нафтове родовище, що у Львівській області України, – один з найстаріших нафтопромислових центрів світу. На сьогодні оцінено антропогенні зміни рослинного покриву на території м. Борислава та його околиць унаслідок довготривалого нафтовидобутку. Встановлено видовий склад рослин на забруднених нафтою ділянках і виявлено різні стадії їх заростання. Визначено групи видів судинних рослин, які є стійкими до нафтового забруднення (Цайтлер, 1999, 2000, 2001).

Водночас не достатньо вивченими залишаються питання механізмів стійкості рослинних організмів до нафтового забруднення. Тому перспективним напрямком можуть бути фізіолого-біохімічні дослідження адаптації стійкого виду рослин Carex hirta L. для наукового обґрунтування рекомендацій щодо способів фіторемедіації нафтозабруднених територій. Це питання набуло актуальності і в контексті Розпорядження кабінету Міністрів України від 29 листопада 2001 року №544-р “Про затвердження програми невідкладних заходів з запобігання загостренню екологічній і соціальній ситуації у м. Бориславі на 2001-2005 роки”.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках держбюджетної теми БР-03П “Механізми стійкості рослин до антропогенного забруднення ґрунтів нафтопродуктами і важкими металами, № держреєстрації 0105U002212, яка виконувалась на кафедрі фізіології та екології рослин Львівського національного університету імені Івана Франка.

Мета і завдання дослідження. Метою роботи було вивчення фізіологічних аспектів адаптації рослин Carex hirta L. за дії нафтового забруднення ґрунту.

Для досягнення мети були поставлені конкретні завдання:

· дослідити вплив нафтового забруднення на морфологічні особливості рослин C. hirta;

· оцінити інтенсивність пероксидного окиснення ліпідів;

· визначити вміст низькомолекулярних антиоксидантів – каротину і аскорбінової кислоти;

· визначити вміст фотосинтетичних пігментів у рослинах за дії нафтового забруднення;

· проаналізувати макро- та мікроелементний склад рослин C. hirta за дії нафти у грунті;

· дослідити вплив органо-мінеральних добрив на ріст рослин C. hirta в умовах нафтового стресу;

· показати участь рослин C. hirta у відновленні нафтозабрудненого грунту.

Об’єкт дослідження – процеси фізіологічної адаптації рослин Carex hirta L. до нафтового забруднення та взаємодії рослин і грунту, забрудненого нафтою.

Предмет дослідження – комплекс адаптивних реакцій рослин Carex hirta L., що відбуваються за дії нафти; агрохімічні та мікробіологічні параметри грунту.

Методи дослідження. У процесі виконання роботи використовували наступні методи: лабораторно-польовий (вивчення взаємодії об’єкта дослідження із абіотичними факторами); лабораторні: морфо-фізіологічні; біохімічні (екстрагування, спектрофотометрії, полуменевої фотометрії); хімічні; методи математично-статистичної обробки результатів досліджень.

Наукова новизна отриманих результатів. Вперше досліджено фізіологічні аспекти адаптації рослин Carex hirta L. до нафтового забруднення грунту. Встановлено характер дії нафти на морфологічні та фізіолого - біохімічні реакції рослин C. hirta. Досліджено показники про-/анти- оксидантної системи рослин в умовах нафтового забруднення. Показано збільшення інтенсивності процесів пероксидного окиснення ліпідів на фоні зростання вмісту антиоксидантів – каротину і аскорбінової кислоти. Виявлено зміни вмісту фотосинтетичних пігментів, макро- та мікроелемен- тів у рослинах C. hirta за дії нафти у грунті. Виявлено стійкість рослин за дії середнього забруднення грунту нафтою (48 г/кг). Вперше показано вплив органо-мінеральних добрив на підвищення стійкості рослин C. hirta до нафтового стресу.

Встановлено участь рослин C. hirta у зростанні вмісту елементів мінерального живлення та чисельності основних фізіологічних груп мікроорганізмів у нафтозабрудненому грунті. Показано зниження вмісту нафтопродуктів у грунті, за впливу рослин C. hirta.

Практичне значення отриманих результатів. Експериментально підтверджено здатність рослин Carex hirta L. пришвидшувати біодеградацію нафти при забрудненні 48 г/кг протягом першого року після внесення її у ґрунт і створювати умови для вторинного заростання нафтозабруднених ґрунтів на другому році. Результати проведених досліджень свідчать про високу пластичність рослин C. hirta до нафтового забруднення, що дозволяє рекомендувати даний вид для фіторемедіації ґрунтів у регіонах нафтовидобутку України.

Розроблено метод очищення нафтозабруднених ґрунтів за допомогою рослин Carex hirta, який дозволяє у короткі терміни знижувати рівень нафти й нафтопродуктів у ґрунті, покращувати його біологічні та фізико-хімічні властивості, у той же час є екологічно безпечним і дешевим способом ремедіації (отримано Деклараційний патент). Метод рекомендується для використання під час реалізації програм загальнодержавного та регіонального рівнів для боротьби з деградацією земель в Україні відповідно до затверджених Кабінетом Міністрів України першочергових заходів, спрямованих на виконання положень Конвенції ООН щодо боротьби з деградацією земель (Пендерецький, 2004).

За результатами досліджень оформлено інноваційний проект Біотичний спосіб рекультивації земель, забруднених нафтою”, який представлявся на IV Міжнародному ярмарку інвестицій та нерухомості (04.10.2006р., м. Львів).

Матеріали дисертації використовуються у рамках виконання проекту “Запровадження та проведення кризового екологічного моніторингу підземних вод, загазованості та забруднення грунтів на території м. Борислава”, який виконується Відділенням фізико-хімії і технології горючих копалин Іституту фізико-органічної хімії і вуглехімії імені Л. Литвиненка НАН України, а також при викладанні загальних курсів “Фізіологія рослин”, “Основи екології” та спецкурсів “Ріст і розвиток рослин”, “Мінеральне живлення”, “Стійкість рослин” на біологічному факультеті Львівського національного університету імені Івана Франка. Вони послужили основою для виконання студентами курсових і дипломних робіт.

Особистий внесок здобувача полягає у виконанні експериментальної частини дисертації, статистичній обробці результатів, доборі та опрацюванні даних літератури за темою дисертації, а також в аналізі й інтерпретації одержаних результатів за участю наукового керівника та співавторів, підготовці публікацій до друку.

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертаційної роботи було висвітлено у доповідях на наукових конференціях професорсько-викладацького складу біологічного факультету Львівського національного університету імені Івана Франка (2004-2006), всеукраїнських і міжнародних наукових конференціях: ІХ конференції молодих дослідників “Актуальні проблеми фізіології, генетики та біотехнології рослин і ґрунтових мікроорганізмів” (Київ, 2005); II Міжнародній науковій конференції студентів, аспірантів і молодих вчених: “Биоразнообразие. Экология. Эволюция. Адаптация” (Одеса, 2005); Всеукраїнській науково-практичній конференції “Сучасні проблеми фізіології та інтродукції рослин” (Дніпропетровськ, 2005); Першій і Другій Міжнародних конференціях студентів та аспірантів “Молодь і поступ біології” (Львів, 2005, 2006); Першій Польській конференції молодих науковців “Mіodzi naukowcy – Praktyce rolniczej” nt. “Dziaіalnoњж rolnicza a ochrona њrodowiska” (Жешів, 2005); Науковій конференції молодих учених “Сучасні проблеми фізіології рослин і біотехнології” (Ужгород, 2005); ХІІ з’їзді Українського ботанічного товариства (Одеса, 2006); Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасний стан та перспективи розвитку біо- і агроценозів в умовах постійного техногенного забруднення ” (Трускавець – Дрогобич, 2006).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 24 наукові праці, із них – 7 статтей у фахових виданнях, 16 тез доповідей на наукових конференціях, 1 Деклараційний патент.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, рекомендацій виробництву і списку використаних джерел; вона викладена на 150 сторінках друкарського тексту. Список цитованої літератури нараховує 290 найменувань. Робота містить 8 таблиць і 24 рисунки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У першому розділі систематизовано та узагальнено літературні відомості про фізіологічну адаптацію рослин до стресових факторів, проаналізовано експериментальні дані щодо реакцій рослин на дію нафтового забруднення, наведено характеристику участі рослин у процесах деструкції компоненттів нафти, висвітлено проблему фітоочищення нафтозабруднених ґрунтів. Другий розділ присвячений методиці дослідження впливу нафтового забруднення на рослини: обгрунтовано вибір об’єкта досліджень, описано підготовку матеріалу для дослідження, наведено методи дослідження й агрокліматичні умови вирощування рослин.

Об’єктом досліджень була осока шершава (Carex hirta L.) - багаторічна рослина з довгими підземними міцними горизонтальними кореневищами і прямостоячими пагонами. Модельні польові досліди закладали на дослідній ділянці Ботанічного саду Львівського національного університету ім. І. Франка. У посудини з грунтом вносили сиру нафту густиною 0,96 г/мл у такій кількості: 50 мл нафти на 1 кг ґрунту, що відповідає 48 г/кг, і 100 мл нафти на 1 кг ґрунту, що відповідає 96 г/кг. Контролем був ґрунт без нафти. Через три тижні після внесення нафти у ґрунт (необхідний термін для вивітрювання летких токсичних нафтопродуктів) (Frick, 1999; Пиковский, 2003) висаджували вегетативні особини C. hirta, попередньо викопані з екологічно чистої території. Рослини були однакові за віком і розмірами: довжина підземних кореневищ – 23±1,3 см, висота надземної частини вегетативного пагону – 62,5±0,5см.

З метою виявлення реакції рослин C. hirta на кількість і тривалість нафтового забруднення грунту, ми аналізували ювенільні рослини, які відростали від кореневищ материнських особин за додатковими малими циклами: після трьох місяців внесення нафти у грунт (вересень 2004 р.), через рік після внесення нафти (червень 2005 р.), ювенільні рослини, які наросли за літо (вересень 2005 р.) і через два роки після внесення нафти (червень 2006 р.). У ювенільних рослинах C. hirta аналізували морфологічні та фізіолого-біохімічні показники.

У грунті, забрудненому нафтою 48 г/кг, на якому росли рослини C. hirta, визначали елементний склад, чисельність основних фізіологічних груп мікроорганізмів і вміст нафтопродуктів. Зразки грунту без рослин з вищенаведеною концентрацією нафти, без нафти з рослинами і без нафти й без рослин були контрольними.

Для виявлення дії органо-мінеральних добрив на рослини осоки шершавої, в умовах середнього забруднення грунту нафтою (48 г/кг), було закладено додаткові досліди – грунт з нафтою + добрива. Контролем слугували рослини, вирощені на ґрунті без нафти і на грунті з нафтою. Органо-мінеральні добрива: сечовину і дигідрофосфат калію (8,57 г СО(NH2)2 + 1,75 г КH2PO4) попередньо розчиняли у 2 л води і цим розчином поливали грунт (перед висадкою рослин і кожного наступного тижня протягом 2 місяців їх росту). Кількість внесених добрив – згідно з методикою Алехіна (1998). Через два місяці (вересень 2004 р.) проводили морфометрич- ний аналіз показників росту досліджуваних рослин.

Морфометричні показники рослин, масову частку сухої речовини у рослинному матеріалі визначали загальноприйнятими методами (Методи біол. та агрохім. досл., 2003). Інтенсивність пероксидного окиснення ліпідів оцінювали за кількістю тіобарбітурат активних продуктів спектрофотометрично (л=532 нм) (Heath, Packer, 1968). Вміст аскорбінової кислоти у рослинному матеріалі оцінювали спектрофотометрично (л=530 нм) з використанням 2,6-дихлорфенол- індофенолу. Розрахунок АК проводили за калібрувальним графіком (Мусієнко та ін., 2001). Вміст хлорофілів та каротиноїдів визначали з однієї наважки спектрофотометрично (Мусієнко та ін., 2001). Визначення вмісту каротину проводили за методом Попандопуло (Методи біол. та агрохім. досл., 2003) спектрофотометрично.

Вміст макро- і мікроелементів визначали з однієї наважки після мокрого озолення сухого рослинного матеріалу парами азотної кислоти з наступним визначенням азоту за Кєльдалем, фосфору – колориметрично за калібрувальним графіком, калію і натрію – методом полуменевої фотометрії (Аринушкина, 1970; Ринькис, 1987). Вміст магнію, заліза, марганцю, цинку та міді визначали методом атомно-абсорбційної спектрофотометрії у полум’ї суміші ацетилен-повітря (Lityсski, 1972).

Визначення елементного складу грунту проводили згідно з методикою (Lityсski, 1972): фосфору – за методом Егнера в модифікації Ріхма колориметрично, калію – методом полуменевої фотометрії при довжині хвилі 766,5 нм, магнію – спектрофотометрично при довжині хвилі 548 нм, заліза – атомно-абсорбційним методом у полум’ї суміші ацетилен-повітря.

Визначення мікрофлори нафтозабрудненого грунту проводили класичним методом (Гудзь, 2003). Целюлозоруйнуючі бактерії виявляли на середовищі Гетченсона, азотфіксатори – на середовищі Ешбі (для Azotobacter), аеробні дріжджі і плісневі гриби – на сусло-агарі (СА), анаеробні дріжджі виділяли з використанням анаеростата. Перегляд зразків проводили за допомогою світлового мікроскопа Ergaval. Кількість целюлозоруйнуючих мікроорганізмів визначали методом обростання часточок грунту (Теппер, 1987).

Вміст нафтопродуктів у ґрунтах визначали згідно з модифікованою методикою (Дмитриев, 1989) шляхом екстракції нафтопродуктів з проб грунту тетрахлоридом вуглецю з наступним ІЧ-спектрофотометричним визначенням.

Статистичний аналіз. Отримані результати опрацьовували статистично з використанням програмного пакета Microsoft Excel для персональних комп’ютерів. Визначали середнє арифметичне, стандартну похибку. Достовірність різниці між контрольним і дослідними варіантами оцінювали за критерієм Стьюдента; вірогідними вважали зміни, де Р<0,05.

У третьому розділі роботи викладено результати досліджень та їх обговорення.

Морфологічні особливості рослин Carex hirta L. за дії нафтового забруднення. Результати наших досліджень виявили пряму залежність впливу різних доз нафти (48 і 96 г/кг) на ріст рослин C. hirta у сезонній динаміці (табл. 1, 2). На фоні послаблення нафтового стресу і адаптації рослин до нього, на третьому році досліджень (червень 2006 р.) за дії середнього забруднення грунту (48 г/кг) висота надземної частини C. hirta досягала контролю, тоді як ширина листкової пластинки була меншою на 22%, ніж у контрольних рослин. За дії високих концентрацій нафти (96 г/кг) ці показники зменшувалися майже удвічі щодо контролю.

Таблиця 1.

Висота надземної частини рослин Carex hirta L.

за дії нафтового забруднення грунту, см (М ± m; n=10)

Варіанти | Вересень

2004 р. | Червень

2005 р. | Вересень

2005 р. | Червень

2006 р.

Контроль (грунт без нафти) | 23,0 ± 0,5 | 48,4 ± 4,1 | 49,3 ± 5,0 | 62,0 ± 1,3

Нафта, 48 г/кг грунту | 20,6 ± 0,6*35,0 ± 5,5*36,5 ± 6,5*58,2 ± 3,2

Нафта, 96 г/кг грунту | 14,5 ± 0,8* | 23,2 ± 2,5* | 23,7 ± 3,0* | 33,0 ± 4,5*

Примітка: * - різниця між контрольним і дослідними варіантами достовірна при Р<0,05

Отримані результати засвідчують зміну не тільки лінійних розмірів рослин C. hirta, але й характеру опушення верхньої частини листків. Так, на забруднених нафтою площах спостерігається форма з гладенькими неопушеними листками та блискучою поверхнею, а на контрольних ділянках листки особин C. hirta опушені і мають матову поверхню.

Таблиця 2.

Ширина листкової пластинки рослин Carex hirta L.

за дії нафтового забруднення грунту, мм (М ± m; n=10)

Варіанти | Вересень

2004 р. | Червень

2005 р. | Вересень

2005 р. | Червень

2006 р.

Контроль (грунт без нафти) | 4,2 ± 0,6 | 5,0 ± 0,3 | 5,3 ± 0,4 | 6,0 ± 0,7

Нафта, 48 г/кг грунту | 3,8 ± 0,8 | 4,2 ± 0,5 | 4,4 ± 0,5 | 4,7 ± 0,5*

Нафта, 96 г/кг грунту | 2,5 ± 0,6* | 3,0 ± 0,8* | 3,1 ± 0,9* | 3,6 ± 1,0*

Примітка: * - різниця між контрольним і дослідними варіантами достовірна при Р<0,05

Виявлено пряму залежність інгібування росту кореневищ дослідних рослин Сarex hirta від зростання вмісту нафти у ґрунті. Так, за дії нафтового забруднення грунту 48 г/кг довжина кореневищ С. hirta знижувалася удвічі, а при 96 г/кг – у 4 рази щодо контролю. Очевидно, нафтове забруднення ґрунту призводить до кореневої гіпоксії, корені безпосередньо занурені у середовище з нафтою і зазнають його токсичного впливу, що призводить до інгібування їх росту.

Інтенсивність процесів пероксидного окиснення ліпідів в органах рослин Carex hirta L. за дії нафтового забруднення. Результати досліджень показують (рис. 1), що стресові умови, викликані нафтовим забрудненням грунту, активують процеси пероксидного окиснення ліпідів (ПОЛ) у органах рослин.

Рис. 1. Вміст ТБК-активних продуктів у кореневищах (А) та листках (Б) рослин Carex hirta L.

за дії нафтового забруднення, нМ/г сирої речовини

Після трьох місяців внесення нафти у грунт (вересень 2004 р.), у кореневищах і листках рослин C. hirta інтенсивність ПОЛ зростає за градієнтом нафтового забруднення. Через рік після внесення нафти (червень 2005 р.), для дослідних рослин C. hirta були характерні порівняно низькі величини вмісту ТБК-активних продуктів, це може вказувати на те, що дія нафтового стресу не вийшла за межі можливостей фізіологічної адаптації. У червні 2006 р., коли нафтове забруднення грунту було мінімальним, вміст ТБК-активних продуктів в органах рослин зростав пропорційно збільшенню концентрації нафти у грунті. Однією з причин високої інтенсивності ПОЛ на даному етапі могли бути грунтово-кліматичні умови, адже початок 2006 р. був холодним і посушливим.

Вплив нафтового забруднення ґрунту на вміст аскорбінової кислоти у органах рослин Carex hirta L. Встановлено, що у кореневищах кількість аскорбінової кислоти (АК) вища (більш ніж у 4 рази), ніж у листках (рис. 2). Це свідчить про високу функціональну активність кореневищ.

Рис. 2. Вміст аскорбінової кислоти у кореневищах (А) і листках (Б) рослин Carex hirta L.

за дії нафтового забруднення, мг/100 г сирої речовини

Виявлено зростання вмісту АК у листках осоки шершавої на ранніх етапах вегетації рослин за дії нафти 48 г/кг. Збільшення вмісту аскорбату є відображенням існування адаптивної реакції антиоксидантної системи рослин у відповідь на дію нафти. За дії високої концентрації нафти у ґрунті (96 г/кг) у листках рослин спостерігається суттєве зниження вмісту АК протягом всього періоду досліджень. Це можна пояснити тим, що високі концентрації нафти у ґрунті порушують метаболізм рослин в цілому та інгібують синтез аскорбінової кислоти в органах рослин. За екстремальних умов, унаслідок посилення окисно-відновних реакцій, пул аскорбінової кислоти може вичерпуватися.

Пігментний фонд у хлоропластах листків рослин Carex hirta L. за умов нафтового забруднення грунту. Виявлено високу чутливість пігментного комплексу рослин C. hirta до дії нафти (рис. 3). На початку вегетації рослин (вересень 2004 р.), коли токсичність нафти була максимальною, вміст хлорофілу а поступово знижувався залежно від дози нафти у ґрунті. Вміст хлорофілу b знижувався у варіанті “нафта, 48 г/кг”, тоді як у варіанті “нафта, 96 г/кг” його вміст зростав щодо контролю. Зменшення хлорофілу а за дії сильного нафтового забруднення відбува- ється на фоні зростання вмісту хлорофілу b, що спричинено, очевидно, посиленням окиснюваль- них процесів. Відновлення пігментного фонду у листках рослин відбувається на третьому році досліджень, коли вміст хлорофілів а і b досягає контролю. Це свідчить про те, що адаптація рослин Carex hirta до нафтового забруднення відбувається у часовій динаміці.

Рис. 3. Вміст хлорофілу а (А) і хлорофілу b (Б) у листках рослин Carex hirta L. за дії

нафтового забруднення ґрунту, мг/г сирої речовини

Дослідження показали зростання загального вмісту каротиноїдів у листках рослин C. hirta на кожному етапі вегетації (рис. 4 А). Отже, перехід рослини від початкової стресової реакції до стадії адаптації супроводжується зміною пігментного балансу – зменшенням вмісту хлорофілів і підвищенням рівня каротиноїдів.

Рис. 4. Вміст каротиноїдів (А) і каротину (Б) у листках рослин Carex hirta L. за дії

нафтового забруднення ґрунту, мг/г сирої речовини

Відомо, що каротин є комнонентом антиоксидантної системи. Виявлено зростання вмісту цього пігменту при середньому забрудненні грунту нафтою (48 г/кг) майже на всіх етапах досліджень (рис. 4 Б). Збільшення вмісту каротину можна розглядати як адаптаційну реакцію рослин у відповідь на стрес. За дії високих концентрацій нафти у ґрунті (96 г/кг) у листках дослідних рослин вміст каротину знижується, що вказує на послаблення адаптаційних можливостей і зниження толерантності рослин до високих концентрацій нафти у ґрунті.

Макро- та мікроелементний склад рослин Carex hirta L. за дії нафтового забруднення. Нафтове забруднення ґрунту призводить до значного зниження вмісту азоту, фосфору і магнію у органах рослин Carex hirta (рис. 5).

Рис. 5. Вміст макроелементів у рослинах Carex hirta L. за дії нафтового забруднення ґрунту,

% на суху речовину (1 – контроль; 2 – нафта, 48 г/к грунту; 3 – нафта, 96 г/кг грунту)

Відомо, що за недостачі азоту гальмується ріст рослин, спостерігається дрібнолистя, зменшується рівень галуження коренів, знижується вміст хлорофілу тощо. При сильному азотному голодуванні розвиваються некрози (Ткачук, 1986; Коць, 2005). Зниження вмісту магнію у рослинах, корелює із зниженням вмісту хлорофілів (див. рис. 3).

Присутність нафти у ґрунті посилює його гідрофобні властивості і, відповідно, погіршує водний режим рослин. Незначне зростання вмісту калію у пагонах рослин, за дії нафти 48 г/кг, може бути спрямовано на підтримання осмотичної регуляції, збільшення водоутримуючої здатності клітин і підвищення стійкості рослин до умов відносного дефіциту вологи.

Показано значне зростання вмісту натрію як у кореневищах, так і у пагонах рослин (рис. 6), але більше нагромаджують його кореневища (у 5 разів), ніж пагони (у 3 рази).

У нафтозабрудненому грунті порушується баланс між вмістом калію і натрію. Останній у великих кількостях міститься в нафті. Це суттєво впливає на нагромадження натрію рослинами.

Виявлені також зміни вмісту основних мікроелементів у рослинах C. hirta

за дії нафтового забруднення. Зокрема, суттєве зростання вмісту заліза у кореневищах, вмісту марганцю - як у кореневищах, так і пагонах, зниження вмісту цинку та міді у органах рослин.

Дія органо-мінеральних добрив на ріст рослин Carex hirta L. в умовах нафтового забруднення грунту. Виявлено стимулюючий ефект органо-мінеральних добрив на ріст рослин C. hita в умовах нафтового забруднення. Застосування добрив забезпечує рослини C. hirta основними мінеральними елементами (азотом, фосфором і калієм), які менш доступні у нафтозабрудненому грунті. Отже, органо-мінеральні добрива підвищували стійкість рослин C. hirta до нафтового забруднення: кореневища ставали більш компактні, містили велику кількість коренів, а у клоні виростало більше пагонів.

Вміст мінеральних елементів у нафтозабрудненому ґрунті за участю рослин Carex hirta L. Виявлено, що у присутності рослин C. hirta у нафтозабрудненому ґрунті зростає вміст фосфору, калію, магнію і заліза порівняно з грунтом без рослин. У ділянці ризосфери C. hirta підвищується розчинність сполук і відбувається перехід елементів у рухомі форми. Кореневі виділення рослин і мікроорганізми ризосфери змінюють інтенсивність процесів, що ведуть до переходу важкодоступних форм елементів мінерального живлення у доступні форми для рослин.

Вплив рослин Carex hirta L. на мікрофлору грунту, забрудненого нафтою. Показано, що у нафтозабрудненому грунті суттєво змінюється чисельність різних фізіологічних груп мікроорганізмів. Так, після 3-ох місяців внесення нафти у грунт, чисельність целюлозоруйнуючих бактерій зменшується удвічі, порівняно з грунтом без нафти. Це можна пояснити несприятливими умовами аерації та зволоження грунту, низьким вмістом нітратного азоту і свіжих рослинних решток. Тимчасом, рослини C. hirta сприяють зростанню чисельності целюлозоруйнуючих бактерій у грунті, забрудненому нафтою, після 3-ох і 17-ти місяців внесення нафти у грунт. Це відбувається, ймовірно, за рахунок покращення кореневищами рослин структури та водно-повітряних характеристик грунту. Після 17-ти місяців, чисельність целюлозоруйнуючих бактерій зростає більш ніж у 4 рази. У грунті, за участю рослин C. hirta, значно зростає чисельність азотфіксуючих бактерій, порівняно з грунтом без рослин. Азотобактерії знаходяться у специфічних взаємовідносинах з рослинами. На чисельність їх у грунті впливає ряд факторів, в тому числі – рослинний покрив, вміст органічної речовини, реакція середовища, наявність фосфору, калію тощо (Войнова-Райкова, 1986; Anderson, 1993; Merkl, 2005).

Показано значне зростання (у 16 разів) чисельності аеробних мікроорганізмів у нафтозабруд- неному грунті за участю рослин C. hirta після 3-ох місяців внесення нафти у грунт, що може бути пов’язано з їх активною участю у деструкції нафтопродуктів. Після 17-ти місяців їх чисельність у досліджуваних пробах грунту вирівнюється, що ймовірно, пов’язано зі зниженням вмісту нафтопродуктів на другому році після внесення нафти у грунт.

Вміст нафтопродуктів у ґрунтах за впливу рослин Carex hirta L. Виявлено інтенсивне розкладання вуглеводнів нафти за участю рослин C. hirta на першому році після внесення нафти у ґрунт, де вміст нафтопродуктів знизився на 6,1% порівняно з контролем. На другому році після внесення нафти, грунт за участю рослин C. hirta, очистився на 97,6%, тоді як без рослин – на 93,2%. Вище зазначалося, що за участю рослин C. hirta у нафтозабрудненому ґрунті зростає вміст мінеральних елементів (фосфору, калію, магнію), збільшується чисельність основних фізіологічних груп мікроорганізмів. Такі умови прискорюють процес біодеградації нафти у грунті та сприяють вторинному заростанню нафтозабруднених ґрунтів. Виявлено, що серед рослин вторинного заростання найбільш поширені види з родини Бобові: люцерна хмелевидна (Medicago lupulina L.) та конюшина лучна (Trifolium pratense L.)

ВИСНОВКИ

У дисертації відповідно до поставленої мети та завдань проведено дослідження впливу нафтового забруднення ґрунту на фізіологічні аспекти адаптації рослин Carex hirta L., що виявляються у зниженні інтенсивності росту рослин, посиленні інтенсивності процесу пероксидного окиснення ліпідів, зростанні вмісту низькомолекулярних антиоксидантів, змінах елементного і пігментного складу рослин. Показано участь рослин C. hirta у відновленні нафтозабрудненого грунту, що дозволяє рекомендувати даний вид для фіторемедіації територій, забруднених нафтою і нафтопродуктами.

1. Встановлено, що ступінь інгібування росту рослин Carex hirta прямо залежить від концентрації нафти у ґрунті. При цьому змінюються анатомічні особливості листків осоки шершавої - за дії нафтового забруднення зникає опушення і матова поверхня.

2. Виявлено залежність активності пероксидного окиснення ліпідів від концентрації нафти у грунті, тривалості нафтового стресу і грунтово-кліматичних умов.

3. Показано зростання вмісту аскорбінової кислоти і каротину у органах рослин за умов середнього нафтового забруднення ґрунту (48 г/кг), що свідчить про включення антиоксидантної системи захисту рослин у відповідь на стрес. Однак, високе нафтове забруднення (96 г/кг) призводить до зниження їх вмісту, що є ознакою виснаження антиокиснювальних ресурсів. При цьому кореневища рослин осоки шершавої містять у 4 рази більше аскорбінової кислоти, ніж листки.

4. За дії нафтового забруднення грунту виявлено зниження вмісту хлорофілів на фоні зростання вмісту каротиноїдів у листках осоки шершавої. Відновлення пігментного фонду у листках на третьому році досліджень свідчить про адаптацію фотосинтетичного апарату рослин до нафтового забруднення у часовій динаміці.

5. В органах рослин Carex hirta L. виявлено зниження вмісту азоту, фосфору, магнію і цинку; значне зростання вмісту натрію і марганцю; зростання вмісту калію при середньому забрудненні (48 г/кг грунту) та зниження його вмісту при сильному забрудненні (96 г/кг грунту); зростання вмісту заліза у кореневищах та зниження його вмісту у пагонах.

6. Встановлено, що органо-мінеральні добрива стимулюють ріст рослин осоки шершавої за дії середнього забруднення грунту нафтою (48 г/кг), що свідить про їх участь у підвищенні стійкості рослин до нафтового забруднення.

7. За участю рослин Carex hirta у нафтозабрудненому ґрунті зростає вміст елементів мінерального живлення та чисельність основних фізіологічних груп мікроорганізмів, зокрема, у 16 разів - аеробних дріжджів та плісневих грибів.

8. Рослини Carex hirta пришвидшують біодеградацію нафти за умов середнього забруднення (48 г/кг) протягом першого року після внесення її у ґрунт і створюють умови для вторинного заростання нафтозабруднених ґрунтів рослинами, серед яких люцерна хмелевидна (Medicago lupulina L.) та конюшина лучна (Trifolium pratense L.).

9. Довгокореневищний вид Carex hirta L. – екологічно пластичний і життєздатний в умовах середнього нафтового забруднення ґрунту. Це дозволяє рекомендувати його для фіторемедіації територій, забруднених нафтою і нафтопродуктами.

РЕКОМЕНДАЦІЇ ВИРОБНИЦТВУ

Для нафтовидобувної та нафтопереробної галузей промисловості з метою ремедіації нафтозабруднених ґрунтів, доцільно використовувати біотичний метод, який забезпечує ріст і розвиток трав’яної рослинності всього за один вегетаційний період після посадки. Даний метод ефективний на середньо- і сильно зволожених ділянках, його можна використовувати протягом календарного року на всіх нафтозабруднених ґрунтах України. Він полягає в тому, що кореневища рослин осоки шершавої (Carex hirta L.) викопують з ґрунтом з екологічно чистих територій, запаковують у розмокаючі пакети, і вносять у ґрунт з розрахунку 16 шт/м2 протягом календарного року. До висадки рослин грунт механічно розпушують і поливають. Запропонований спосіб є дешевим, доступним, екологічно безпечним заходом, що значно пришвидшує відновлення деградованих ґрунтів та природних екотопів (Деклараційний патент №16345 Україна, 2006).

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1 Джура Н.М., Цвілинюк О.М., Терек О.І. Вплив нафтового забруднення на вміст макро- та мікроелементів у рослинах Carex hirta L. // Український ботанічний журнал. – 2007. – Т. 64, №1. – С. 122-131.

2 Джура Н., Романюк О., Гонсьор Я., Цвілинюк О., Терек О. Використання рослин для рекультивації ґрунтів забруднених нафтою і нафтопродуктами // Екологія та ноосферологія. – 2006. – Т. 17, № 1-2. – С. 55-60.

3 Мороз О.М., Джура Н.М., Безноско Г.Я., Перетятко Т.Б., Русин І.Б., Цвілинюк О.М., Кулачковський О.Р., Терек О.І., Ґудзь С.П. Вплив рослин Carex hirta на мікрофлору нафтозабруднених ґрунтів // Науковий Вісник Ужгородського університету. Серія Біологія. – 2006. – Вип. 19. – С. 149-154.

4 Джура Н., Цвілинюк О., Терек О. Реакції осоки шершавої на нафтове забруднення // Вісник Львівського університету. Серія біологічна. – 2006. – Вип. 42. – С. 142-146.

5 Терек О., Джура Н., Величко О., Яворська Н. Вміст аскорбінової кислоти в органах рослин осоки шершавої, адаптованих до нафтохімічного забруднення // Вісник Львівського університету. Серія біологічна. – 2006. – Вип. 42. – С. 133-137.

6 Джура Н., Цвілинюк О., Терек О. Вплив нафтового забруднення ґрунту на морфо-фізіологічні особливості осоки шершаволистої (Carex hirta) // Вісник Львівського університету. Серія біологічна. – 2005. – Вип. 40. – С. 51-58.

7 Патент 16345 Україна, МПК (2006) А01В 79/00 А01В 79/02 (2006.01) А01С 21/00. Спосіб очищення ґрунтів, забруднених нафтою / Н.М. Джура, О.І. Терек, О.М. Цвілинюк. - №U200511816; Заявл. 12.12.05; Опубл. 15.08.06; Бюл. №8. – 7с.

8 Dїura N., G№sior J., Tsvilynyuk O., Terek O., Romanjuk O., Karpyn O., Koroweжka G. Moїliwoњж wykorzystania roњlin do rekultywacji gleb zanieczyszczonych substancjami ropopochodnymi // Materiaіy I Ogхlnopolskiej Mіodzieїowej Konferencji Naukowej “Mіodzi naukowcy – Praktyce rolniczej” nt. “Dziaіalnoњж rolnicza a ochrona њrodowiska”. Uniwersytet Rzeszowski. – Rzeszхw. - 2005. - S. 16-22.

9 Terek O., Dzhura N., Tsvilynyuk O. Morphological and physiological parameters of Carex hirta under oil pollution of soil // Book of Abstracts XVII International Botanical Congress. – (Vienna, Austria, 17-23 July 2005). – Austria. – 2005. – P. 594.

10 Джура Н.М., Цвілинюк О.М., Терек О.І. Особливості росту осоки шершаволистої (Carex hirta) за дії нафтового забруднення // Тези доп. ІХ конф. молодих дослідників “Актуальні проблеми фізіології, генетики та біотехнології рослин і ґрунтових мікроорганізмів”.– Київ: ІФРГ НАН України. – 2005. – С.12.

11 Джура Н.М., Карпин О.Л., Коровецька Г.В., Цвілинюк О.М., Терек О.І. Вплив нафтового забруднення на вміст хлорофілів і каротинів у рослинах Carex hirta // Тези наук. конф. молодих учених “Сучасні проблеми фізіології рослин і біотехнології”. – Ужгород. – 2005. – С. 47-48.

12 Джура Н.М., Цвілинюк О.М., Терек О.І. Адаптація рослин стійких до нафтового забруднення середовища // Матер. II Междунар. науч. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых “Биоразнообразие. Экология. Эволюция. Адаптация”. – Одесса. – 2005. – С. 27.

13 Джура Н.М., Цвілинюк О.М., Терек О.І. Вплив Carex hirta на властивості ґрунту забрудненого нафтою // Матер. Всеукр. наук.-практ. конф. “Сучасні проблеми фізіології та інтродукції рослин”.– Дніпропетровськ: ДНУ. – 2005. – С. 20.

14 Джура Н.М., Карпин О.Л., Цвілинюк О.М., Терек О.І. Дія нафтового забруднення на фізіоло-гічні показники осоки шершавої // Матер. ХІІ з’їзду Укр. ботан. тов-ва. – Одеса, 2006. – С. 93.

15 Джура Н.М., Коровецька Г.В., Романюк О.І., Цвілинюк О.М., Терек О.І. Вплив рослин Carex hirta на біодеградацію нафти у ґрунті // Матер. ХІІ з’їзду Укр. ботан. тов-ва. – Одеса, 2006. – С. 94.

16 Джура Н.М., Цвілинюк О.М., Терек О.І. Перспективи рекультивації нафтозабруднених ґрунтів за допомогою рослин // Тези доп. Другої Міжнар. конф. “Онтогенез рослин у природному та трансформованому середовищі. Фізіолого-біохімічні та екологічні аспекти”. – Львів: Сполом. – 2004. – С. 319.

17 Джура Н.М. Використання довгокореневищних рослин для ремедіації нафтозабруднених ґрунтів // Тези доп. Першої Міжнар. конф. студентів та аспірантів “Молодь і поступ біології”. – Львів: Сполом – 2005. – С. 94.

18 Джура Н.М., Карпин О.Л., Коровецька Г.В. Антиоксидантна система осоки шершаволистої (Carex hirta) за дії нафтового забруднення // Тези доп. Першої Міжнар. конф. студентів та аспірантів “Молодь і поступ біології”. – Львів: Сполом – 2005. – С. 232-233.

19 Джура Н.М., Дзьоба Ю.А., Северін Ю.О. Реакція продихового апарату стійких рослин до нафтового забруднення // Тези доп. Першої Міжнар. конф. студентів та аспірантів “Молодь і поступ біології”.– Львів: Сполом – 2005. – С. 232.

20 Джура Н.М., Терек О.І., Цвілинюк О.М. Елементний склад рослин осоки шершавої в умовах нафтового забруднення ґрунту // Тези доп. Другої Міжнар. конф. студентів та аспірантів “Молодь і поступ біології”. – Львів: Сполом. – 2006. – С. 369-370.

21 Джура Н.М., Карпин О.Л., Терек О.І., Цвілинюк О.М. Фізіологічні аспекти адаптації рослин до нафтового забруднення середовища // Тези доп. Другої Міжнар. конф. студентів та аспірантів “Молодь і поступ біології”. – Львів: Сполом – 2006. – С. 371-372.

22 Джура Н.М., Коровецька Г.В., Романюк О.І., Цвілинюк О.М., Терек О.І. Участь вищих рослин у біодеградації нафтопродуктів у ґрунті // Тези доп. Другої Міжнар. конф. студентів та аспірантів “Молодь і поступ біології”. – Львів: Сполом – 2006. – С. 372-373.

23 Джура Н., Проказа О., Філоненко Г., Цвілинюк О., Терек О. Кореневі виділення рослин Carex hirta в умовах нафтового забруднення ґрунту // Тези доп. Другої Міжнар. конф. студентів та аспірантів “Молодь і поступ біології”. – Львів: Сполом – 2006. – С. 370-371.

24 Безноско Г.Я., Перетятко Т.Б., Джура Н.М., Борсукевич Б.М., Мороз О.М. Вплив мікрофлори та Carex hirta на деградацію компонентів нафти у ґрунті // Тези доп. Другої Міжнар. конф. студентів та аспірантів “Молодь і поступ біології”. – Львів: Сполом – 2006. – С. 274-275.

АНОТАЦІЇ

Джура Н.М. “Фізіологічні аспекти адаптації рослин Carex hirta L. до нафтового забруднення”. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата біологічних наук за спеціальністю 03.00.12 – фізіологія рослин – Інститут фізіології рослин і генетики НАН України, Київ, 2007.

Дисертацію присвячено вивченню адаптивних реакцій рослин осоки шершавої (Carex hirta L.) до нафтового забруднення. У дисертації вперше показано характер дії нафти у концентрації 48 і 96 г/кг ґрунту на морфологічні та фізіолого - біохімічні реакції рослин C. hirta. Встановлено пряму залежність впливу нафтового забруднення на ріст рослин C. hirta у сезонній динаміці. Досліджено стан про-/антиоксидантної системи рослин в умовах нафтового стресу. Виявлено збільшення активності пероксидного окиснення ліпідів на фоні зростання вмісту каротину і аскорбінової кислоти за