Введение
Загрязнение природной среды нефтью и нефтепродуктами – актуальная экологическая проблема во многих регионах России, в том числе и для Тюменской области. За годы нефтегазового освоения экологическая ситуация в Тюменской области резко ухудшилась. Нефть и продукты её переработки попадают в окружающую среду при бурении и фонтанировании из разведочных скважин, при авариях транспортных средств, при порывах нефтепроводов, сбросе неочищенных промысловых вод. Нефтегазовая промышленность влечет за собой широкомасштабное нарушение практически всех природных компонентов: недр и атмосферы, рельефа и почв, поверхностных и грунтовых вод, флоры и фауны [1].
Нефть в больших концентрациях оказывает ингибирующее воздействие на рост и развитие растений. На организменном уровне действие нефти проявляется в морфологических и физиологических нарушениях в отдельных растениях [6]. Под влиянием углеводородов происходит гибель растительного покрова, замедляется рост растений, отмечается хлороз и тенденция к обезвоживанию, нарушаются функции фотосинтеза и дыхания, изменяется структура хлоропластов [4].
При действии нефтяного загрязнения углеводороды нефти оказывают повреждающее действие на мембраны клеток, происходит образование свободных форм кислорода, которые инициируют разрушение липидов – перекисное окисление [7]. Перекисное окисление липидов (ПОЛ) – окислительная деградация липидов, происходящая в основном под действием свободных радикалов. ПОЛ – это сложный процесс, протекающий как в животных, так и в растительных тканях. Он включает в себя активацию и деградацию липидных радикалов, встраивание в липиды предварительного активированного молекулярного кислорода, реорганизацию двойных связей в полиненасыщенных ацилах липидов и, как следствие, деструкцию мембранных липидов и самих биомембран [9].
К основным продуктам перекисного окисления липидов относятся: диеновые конъюгаты, малоновый диальдегид, основания Шиффа. Известно, что в нормальных условиях жизнедеятельности клетки постоянно присутствует определенный уровень перекисного окисления липидов, индуцированный образованием активных форм кислорода. Перекисное окисление липидов в клетке поддерживается на постоянном уровне благодаря многоуровневой антиоксидантной системе защиты. Таким образом, сбалансированность между обеими частями этой системы – перекисным окислением, с одной стороны, и антиоксидантной активностью, с другой, является необходимым условием для поддержания нормальной жизнедеятельности клетки [2; 8].
Фенольные соединения проявляют адаптогенное и стимулирующее действие. Фенольные соединения играют активную роль в самых различных физиологических процессах – фотосинтезе, дыхании, росте, защитных реакциях растительного организма [5]. К классу фенольных соединений относятся флавоноиды, выполняющие защитные функции. Флавоноиды являются восстанавливающими агентами и вместе с другими природными соединениями (каротиноиды, аскорбиновая кислота) способны защищать клетки от окислительного стресса [3].
Целью исследования был анализ активации биохимических механизмов защиты растений с нефтезагрязненных участков Майского, Южно-Балыкского и Малобалыкского месторождений.
Материалы и методы исследования
Майское, Южно-Балыкское, Малобалыкское месторождения расположены в Нефтеюганском районе Ханты-Мансийского автономного округа Тюменской области. Нефтезагрязненные участки, расположенные на территории месторождений, образовались в результате порывов трубопроводов. Разливы, произошедшие на исследуемых участках, образовались в результате порывов внутрипромысловых нефтесборов, давность разливов около 20 лет.
Для оценки степени нефтяного загрязнения территории Майского, Южно-Балыкского и Малобалыкского месторождений были взяты пробы почвы и растения доминантных видов. В зависимости от степени загрязненности территории были выбраны 4 точки отбора проб: О1 (опыт 1) – в месте разлива нефти; О2 (опыт 2) – в 20 м от места загрязнения; О3 (опыт 3) – в 40 м от места загрязнения; К (контроль) – пробы с фоновой территории.
Для оценки степени загрязнения почвы нефтепродуктами использовали коэффициент концентрации, равный отношению значения показателя загрязнения нефтепродуктами в опытных вариантах к значению показателя загрязнения нефтепродуктами на фоновой территории. Химический анализ проб почвы с территории Майского, Южно-Балыкского и Малобалыкского месторождений показал превышение коэффициента концентрации нефтепродуктов в несколько раз. Самое сильное загрязнение нефтью наблюдается на Майском месторождении (коэффициент концентрации внутри контура разлива = 2669,78), на Южно-Балыкском месторождении коэффициент концентрации внутри контура разлива = 331,64, на Малобалыкском – 307,48.
В качестве тест-объектов были выбраны растения доминантного для данной территории вида: осока острая (Carex acuta L). У исследуемых растений изучались такие показатели, как содержание продуктов перекисного окисления липидов (диеновые конъюгаты и шиффовые основания), содержание флавоноидов и фенольных соединений.
Результаты исследования и их обсуждение
Анализ содержания продуктов перекисного окисления у осоки острой с Майского нефтяного месторождения (рис. 1) показал снижение концентрации диеновых конъюгатов у растений, собранных в 20 и 40 м от места разлива (Р<0,001). Уменьшение концентрации первичных продуктов перекисного окисления липидов свидетельствует о том, что растения адаптируются к условиям нефтяного загрязнения и количество повреждений в клетках снижается.
Рис. 1. Содержание продуктов перекисного окисления липидов в осоке острой с Майского, Малобалыкского и Южно-Балыкского месторождений.
Примечание: ** - статистически достоверные различия между контролем и вариантом опыта (Р <0,01), *** - статистически достоверные различия между контролем и вариантом опыта (Р <0,001).
Содержание шиффовых оснований у осоки острой с Малобалыкского месторождения (рис. 1) снижается у растений, собранных в 20 м от места разлива нефти (Р<0,01). Уменьшение концентрации конечных продуктов перекисного окисления липидов говорит о хорошей приспособленности растений к произрастанию в среде, загрязненной нефтью.
Анализ концентрации продуктов ПОЛ у осоки острой с Южно-Балыкского месторождения (рис. 1) позволяет говорить о снижении концентрации диеновых конъюгатов в клетках растений при действии нефтяного загрязнения (Р<0,001). Содержание шиффовых оснований снижалось (Р<0,001, Р<0,01) у растений, собранных в месте разлива нефти и в 40 м от места разлива нефти. Растения осоки острой с Южно-Балыкского месторождения адаптировались к условиям нефтяного загрязнения, о чем свидетельствует уменьшение концентрации продуктов перекисного окисления липидов.
У осоки острой с Майского месторождения нефти (рис. 2) повышалось содержание фенольных соединений в вариантах с растениями, собранными в месте разлива нефти (Р<0,01) и в 40 м от места разлива (Р<0,05). При действии нефтяного загрязнения активизируется работа защитной биохимической системы растений и концентрация фенольных соединений увеличивается.
Анализ содержания фенольных соединений с Малобалыкского нефтяного месторождения (рис. 2) показал снижение концентрации фенолов у растений в месте разлива нефти (Р<0,01) и увеличение этого показателя у осоки острой, собранной в 40 м от места разлива нефти (Р<0,05). При действии больших концентраций нефти (в месте разлива) растения находятся в угнетенном состоянии, поэтому содержание фенолов понижается. В 40 м от места загрязнения антиоксиданты защищают растения от повреждений, вызванных нефтью, следствием чего является увеличение концентрации фенолов.
Рис. 2. Содержание фенольных соединений в осоке острой с Майского, Малобалыкского и Южно-Балыкского месторождений.
Примечание: * - статистически достоверные различия между контролем и вариантом опыта (Р <0,05), ** - статистически достоверные различия между контролем и вариантом опыта (Р <0,01), *** - статистически достоверные различия между контролем и вариантом опыта (Р <0,001).
Содержание фенольных соединений у осоки острой с Южно-Балыкского месторождения (рис. 2) увеличивалось в 20 м от места разлива нефти, что иллюстрирует работу защитной биохимической системы клеток. Концентрация фенолов снижалась у растений, собранных в 40 м от места разлива (Р<0,001), здесь растения находятся в угнетенном состоянии.
Анализ содержания флавоноидов в осоке острой с Майского месторождения (рис. 3) показал снижение содержания флавоноидов у растений, собранных с места разлива нефти и в 20 м от места разлива (Р<0,001), что говорит о снижении функционирования защитной системы растений в условиях нефтяного загрязнения. У осоки острой, растущей в 40 м от места нефтяного загрязнения, содержание флавоноидов оставалось на уровне контроля, растения приспосабливаются к действию нефти.
Рис. 3. Содержание флавоноидов в осоке острой с Майского, Малобалыкского и Южно-Балыкского месторождений.
Примечание: ** - статистически достоверные различия между контролем и вариантом опыта (Р <0,01), *** - статистически достоверные различия между контролем и вариантом опыта (Р <0,001).
У осоки острой с Малобалыкского месторождения (рис. 3) при действии нефтяного загрязнения снижалась концентрация флавоноидов (Р<0,001, Р<0,01), что говорит о чувствительности флавоноидной системы защиты к загрязнению нефтью. Наивысшее из опытных вариантов содержание флавоноидов наблюдалось у растений, собранных в 20 м от места разлива нефти, здесь растения лучше всего приспособлены к действию нефти.
У осоки острой с Южно-Балыкского месторождения (рис. 3) содержание флавоноидов снижалось в варианте с растениями, собранными в 40 м от места разлива (Р<0,001), растения находятся в угнетенном состоянии. В вариантах с растениями, собранными в месте разлива нефти и в 20 м от места разлива, концентрация флавоноидов остается на уровне контроля, что говорит об адаптации осоки острой к обитанию в условиях нефтяного загрязнения.
Заключение
По результатам проведенных экспериментов можно судить о повреждающем действии нефти на клетки осоки острой, что выражается в уменьшении концентрации флавоноидов у растений с нефтезагрязненных участков, также в некоторых опытных вариантах снижается концентрация фенольных соединений. Растения находятся в угнетенном состоянии, однако адаптируются к действию нефтяного загрязнения, о чем свидетельствует снижение концентрации продуктов перекисного окисления липидов и увеличение концентрации фенольных соединений в большинстве опытных вариантов.
Нефтяное загрязнение вызывает возникновение в клетках растений продуктов перекисного окисления липидов (диеновых конъюгатов и шиффовых оснований), повреждающее действие ПОЛ нейтрализуется системой биохимической защиты растений (флавоноидной и фенольной).
Рецензенты:
Боме Н.А., д.с.-х.н., профессор, заведующий кафедрой ботаники, биотехнологии и ландшафтной архитектуры, ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный университет», ИМЕНИТ, отделение биологии, г. Тюмень.
Турсунбекова Г.Ш., д.с.-х.н., доцент, профессор кафедры экологии и рационального природопользования Агротехнологического института, ФГБОУ ВПО «Государственный аграрный университет Северного Зауралья», г. Тюмень.