Study of the toxicity of a corrosion inhibitor for macrophytes

Full Text

Введение

На сегодняшний день одним из комплексных актуальных вопросов в экологии остается проблема загрязнения водной среды, масштабность которого с каждым годом растет. В результате активной хозяйственной деятельности человека в водные системы могут поступать различные токсиканты, имеющие разный уровень токсического воздействия [1, с. 306–307]. В настоящее время трудно уже представить себе развитие экономики тюменского региона без освоения и эксплуатации месторождений по добыче нефти и газа. Вместе с тем следует учитывать и тот факт, что на всех этапах нефте- и газодобычи отмечается негативное влияние на компоненты окружающей среды [2, с. 6]. Остро стоит проблема загрязнения природных водоемов, что связано с увеличением промышленного освоения северных территорий Тюменской области. Речные воды загрязнены нефтепродуктами, фенолами, соединениями меди, цинка, марганца и железа. Наибольшую опасность представляет нефтяное загрязнение, обусловленное влиянием нефтегазового комплекса [3, с. 158], в том числе в результате различных аварий, причинами которых часто становится коррозия нефтепромыслового оборудования и нефтепроводов [4, с. 8].

Аварийные выбросы нефтепродуктов в окружающую среду вызывают особую озабоченность [5]. Известно, что углеводородные компоненты относятся к канцерогенам и нейротоксичным органическим загрязнителям. Было установлено, что в каждом случае разливается в среднем около 50 тыс. баррелей сырой нефти [6]; эта проблема касается и Тюменской области.

На завершающей стадии разработки месторождения коррозия усиливается по следующим причинам: увеличение обводненности, износ оборудования, применяемые методы интенсификации. В связи с этим повышается число отказов добывающих скважин. Становятся необходимыми исследования коррозии, а также методы борьбы с ней [7, с. 434]. Наиболее оптимальным методом определения токсичности различных веществ на организмы считается метод биотестирования, в частности фитотестирования. Его используют не только как способ токсикологической оценки сред, например почв и вод, но и как весьма распространенный прием оценки токсичности или биоактивности различных материалов, химикатов, промышленных отходов [8, с. 40].

В связи с этим цель исследований заключалась в изучении токсичности ингибитора коррозии – сложной технической смеси, применяемой для обработки нефтепромыслового оборудования – по отношению к Elodea canadensis.

Для этого были определены следующие задачи:

Материал и методики исследований

Ингибиторы коррозии – вещества, введение которых в относительно небольших количествах в агрессивную среду вызывает заметное замедление коррозии металлов и сплавов. В нефтяной и газовой промышленности ингибиторы коррозии применяются для защиты оборудования, скважин, установок нефти и газа. При этом используются высокомолекулярные органические ингибиторы, содержащие азот, серу или кислород, растворимые в углеводородах, воде или метаноле [9, с. 335].

Изучаемый ингибитор коррозии ИКБ-2-2 – сложная смесь солей аминоамидов и имидазолинов с жирными кислотами талловых масел – 50% и керосина – 50% [10, с. 67, 68].

В качестве тест-объекта использовали элодею канадскую (Elodea canadensis Michx, 1803) – представитель погруженной высшей водной растительности, широко распространенный в пресноводных водных объектах умеренной зоны. Стебли растения способны вырастать до 3 м в длину и образовывать мощные заросли. Растет, свободно плавая в толще воды, в течение всего года [11, с. 59].

Высшие водные растения являются обязательными тест-организмами при установлении ПДК вредных веществ, сбрасываемых в природные водоемы [12, с. 169].

Для исследований методом разведения готовили растворы ингибитора в диапазоне концентраций 100,0–5000,0 мг/дм³ (острые опыты) и 0,05–500,0 мг/дм³ (хронические опыты). В качестве контроля и для приготовления растворов использовали отстоянную в течение 7–10 суток водопроводную воду.

Для экспериментов использовали верхнюю часть побега элодеи длиной 4 см без боковых отростков и корней и по 5 экземпляров помещали в кристаллизаторы с растворами исследуемых веществ и с водой без токсиканта (контроль) объемом по 1 дм³ в трех повторностях [11, с. 63; 13]. Оценку токсичности вещества осуществляли по следующим параметрам: состояние растений, выживаемость и прирост основного побега, число боковых отростков и их длина, число корней и их длина, суммарный прирост элодеи [14, с. 10]. Прирост основного побега элодеи определяли, вычитая исходные 4 см. Суммарный прирост растения составляется из суммы прироста основного побега и длины боковых отростков. Прирост выражали в сантиметрах, число боковых отростков и корней – в штуках (экз.). У элодеи в лабораторных условиях боковые отростки и корни появляются, как правило, на 10–20 сутки. Отмечают время их появления. Прирост, число и длину боковых отростков и корней рассчитывают на одно растение [11, с. 64]. Продолжительность острых опытов – 4, хронических – 30 суток.

Результаты исследований были обработаны методом вариационной статистики [15].

Результаты исследований и их обсуждение

В острых опытах 100%-ную гибель растений регистрировали лишь в максимальной концентрации 5000 мг/дм³, в растворах с меньшим содержанием вещества снижения выживаемости не отмечали. Несмотря на это, наблюдалось замедление среднесуточного прироста основного побега (на 35–52% в сравнении с контрольными растениями) (рис. 1).

Гибели растений предшествовали: отмирание точек роста, потеря тургора, распад растений на отдельные мутовки, побурение, лизис.

Рисунок 1 – Изменение прироста основного побега Elodea canadensis к 4 суткам опыта, % к контролю

Для проведения более длительного эксперимента (хронический опыт, 30 суток) исследовали диапазон концентраций 0,05 до 500,0 мг/дм³. Результаты исследований показали, что в максимальной концентрации, 500 мг/дм³, отмечалась 100%-ная гибель растений уже к 10 суткам наблюдений. По мере снижения содержания вещества в растворах гибель растений была ниже. Так, в концентрации 50 мг/дм³, к 26 суткам опыта выживало 70%, а в диапазоне 5,0–0,05 мг/дм³ к 30 суткам наблюдений – 100%.

Вместе с тем количество вещества 50,0 мг/дм³ стимулировало темп роста основного побега элодеи (см/сут.) на 60% в сравнении с растениями из контрольного варианта. При этом задерживался рост (количество и среднесуточный прирост) боковых побегов – относительно контроля на 57 и 29% соответственно. На минимальные количества вещества растения реагировали снижением среднесуточного прироста основного побега и максимальным темпом роста и числа боковых побегов: на 81–82% выше контрольных растений. В концентрациях 0,5 и 5,0 мг/л отличия от контроля по морфологическим показателям составляли 13–31%. Тем не менее среднесуточный пророст основного побега был ниже, чем в максимальной концентрации, на 22% (рис. 2).

Рисунок 2 – Изменение морфологических показателей Elodea canadensis в хроническом опыте, % к контролю

В средних концентрациях (0,5 и 5,0 мг/л) отличия от контроля характеризовались как промежуточные. Следует отметить, что при линейной зависимости среднесуточного прироста основного побега от концентрации ИКБ скорость роста элодеи колебалась на протяжении всего опыта как у контрольных, так и у опытных растений (табл. 1).

Таблица 1 – Показатели жизнеспособности элодеи к 30 суткам опыта с ИКБ-2-2

Примечание. Достоверные отличия от контроля: * – на уровне P < 0,05.

Эффект торможения темпов роста элодеи отмечали в опытах и с другими токсикантами. Так, при влиянии фунгицида «Каюнис, КЭ» в концентрации 25,0 мг/л прирост основного побега снижался, и к концу эксперимента разница с контролем приобрела статистически достоверный характер. У макрофитов в концентрации 50,0 мг/л с 15-х суток опыта отмечено статистически достоверное снижение темпа роста. Фунгицид в концентрации 100,0 мг/л достоверно угнетал процесс роста элодеи на протяжении всего эксперимента. При этом у растений наблюдались ослабление тургора и побледнение листьев [14, с. 14–15]. Ингибиторный эффект отмечали при действии тетрациклина в концентрациях 60 мг/л и выше. Тогда как меньшие количества вещества в области исследованных концентраций от 5 до 30 мг/л вызывали стимулирование роста побегов элодеи по сравнению с контролем в условиях хронического эксперимента [16, с. 43].

Показано, что среднесуточный прирост основного побега находился в прямой зависимости от концентрации ингибитора. При этом скорость роста элодеи колебалась в течение всего опыта как у контрольных, так и у опытных растений.

К концу срока наблюдений суммарный прирост растений из опытных вариантов, как и среднесуточный прирост, был выше контрольных значений на 24–38%. Вероятно, такой эффект объясняется присутствием в растворах различных органических веществ (аминоамидов, полиэтиленполиаминов) и их минерализацией, которые используются растениями в качестве биогенов.

Средняя длина корней элодеи в опытных растворах изменялась прямо пропорционально содержанию вещества. Так, если в концентрации 0,05 мг/л средняя длина корней составляла 1,5 см, то в 50 мг/л этот показатель был в 3,8 раза выше. Подобный эффект отмечали и при изучении нефтезагрязненных донных отложений: вопытах с элодеей во всем диапазоне концентраций количество и длина корней были выше К на 41,7–166,7 и 54,1–130,4% соответственно [17, с. 34].

Использование элодеи в качествве тест-объекта широко используется в практике токсикологических исследований. В каждом конкретном случае растения проявляют различную чувствительность к ксенобиотикам. К примеру, при оценке фитотоксичности трех видов органических ксенобиотиков (этилацетат, бутанол-1, тетрахлорметан) в концентрациях 5–10 ПДК было установлено, что E. canadensis смогла выдержать загрязнение всеми тремя ксенобиотиками [18, с. 312].

Другими исследователями [19, с. 58] изучалось действие тяжелых металлов на процесс фотосинтеза у водного растения Elodea canadensis: при влиянии свинца и никеля в концентрациях 0,03–5,0 мг/л наблюдалось разрушение хлоропластов, приводящее к снижению количества хлорофилла.

При оценке токсичности донных отложений некоторых водных объектов с использованием элодеи канадской установлено, что при длительном воздействии они накапливают токсические вещества (нефтепродукты, тяжелые металлы) и по мере возрастания концентрации в тканях усиливается токсический эффект, нарушается процесс фотосинтеза, возникают хромосомные нарушения, затормаживается рост корней и листьев, что в итоге приводит к гибели клеток в меристеме корней, а затем и всего растения. Поэтому высшие водные растения могут быть эффективными индикаторами токсичности твердых сред (донные отложения, почва, отходы) при долгосрочном тестировании [17, с. 43].

Таким образом, выполненные острые и хронические опыты с элодеей показали, что концентрации ингибитора 5000 мг/л и выше являются остролетальными: они в течение короткого времени убивают более 50% растений. За хроническую летальную концентрацию можно принять 50,0 мг/л: она в течение 30 суток вызывала гибель части растений. Летальному исходу предшествовали угнетение роста и функциональной активности растений, отмирание точек роста, потеря тургора, побурение побегов, затем распад растений на отдельные мутовки и лизис. Концентрации ингибиторов, не вызывающие гибели растений в течение 30 суток, оказывали стимулирующий эффект, проявляющийся в стимуляции роста побегов [20, с. 73].

Выводы

1. При воздействии ингибитора коррозии на макрофиты выявлены серьезные отклонения в росте и развитии элодеи: на морфологическом (учет размеров и количества корней, листьев, побегов) уровне.
2. Летальными концентрациями изученного токсиканта для Elodea canadensis приняты количества вещества 5000 и 50 мг/л – в острых и хронических экспериментах соответственно; пороговой – 0,5, допустимой – 0,05 мг/л.
3. Чувствительной тест-функцией элодеи оказался прирост боковых побегов.

About the authors

Tatyana G. Akatieva

Author for correspondence.
Email: akatyevat@mail.ru

candidate of biological sciences, associate professor of Ecology and Environmental Management Department

References

Supplementary files

Supplementary Files

Action

1. JATS XML

Download

2. Figure 1 – Change in the growth of the main shoot of Elodea canadensis by day 4 of the experiment, % compared to control

Download (146KB)

Indexing metadata

3. Figure 2 – Changes in morphological parameters of Elodea canadensis in a chronic experiment, % compared to control

Download (225KB)

Indexing metadata