Изучение фитотоксичности ионов свинца на модельных системах

выполняет также мощную барьерную функцию на пути их миграции в биогеоценозах . В почвах загрязняющие компоненты находятся гораздо дольше , чем в других природных средах .

Благодаря способности адсорбировать , нейтрали зовать и минерализовать загрязнения , почвы выполняют важную роль в самоочищении природы от органических отходов и остатков . В ней разлагается большинство отходов хозяйственной деятельности человека .

Особого внимания требует диагностика загрязнения почв пестицидами , тяжелыми металлами , нефтью и отходами ее переработки , минеральными удобрениями в высоких дозах и другими загрязнителями .

Одним из общих принципов биологической оценки загрязняющих воздействий становится исследование реакций микробной системы почв , проявляющихся в изменениях ее состава и активности . При разработке системы мониторинга состояния почвенного покрова в связи с антропогенными нагрузками используется все показатели , характеризующие биологическую активность почв .

Биологическая активность почвы - совокупность биологических процессов , протекающих в почве ; способность всех живых организмов почвы осуществлять процессы разложения и синтеза веществ . Определяется количественным и качественным составом почвенных организмов ( бактерий , актиномицетов , дрожжей , простейших , водорослей , червей и др .) и является наиболее существенным показателем почвенного плодородия . Верхняя часть профиля почвы , в котором наиболее интенсивно протекают микробиологические процессы , составляет ее биологически активный слой .

Биогенность почвы определяется в основном содержанием в ней гумусовых веществ . В определенной степени она зависит от количества и качества корневых выделений : в зоне корней она выше биологической активности окружающей почвы в 5 – 10 раз .

Биологическая активность почвы зависит от множества факторов . К ним относятся погодные условия , технология земледелия , а также виды возделываемых культур .

Успешное ведение экологического земледелия требует высокой биологической активности почвы. Только тогда органические вещества, попадающие в почву в результате внесения навоза и возделывания кормовых бобовых и промежуточных культур, могут действительно использоваться. Микробная активность почвы подвержена влиянию различных факторов. К ним относятся содержание органических веществ, показатель кислотности, физические свойства почвы, ход вегетации. На многие из этих факторов (за исключением природных условий) можно повлиять в ходе проведения агротехнических мероприятий.

Материалы и методика исследований

Цель данной работы - изучение биологической активности почвы техногенно - нарушенных земель в зависимости от произрастания сельскохозяйственных культур и изучение степени подвижности соединений свинца в почве и способов снижения его фитотоксичности .

Основные задачи :

• -    изучить влияние разных видов сельскохозяйственных культур на биологическую активность техногенно - нарушенных почв ,

• -    выявить взаимосвязь между содержанием подвижных форм ТМ в почве и растении ;

• - изучить поглотительную способность почвы под влиянием различных факторов ( содержание органического вещества , концентрация ионов свинца , рН среды );

• - изучить эффективность различных способов снижения фитотоксичности свинца в системе « почва - растение » методом биоиндикации .

Биологическую активность почвы определяли по аппликационному методу . Аппликационные методы разработаны и рекомендованы для определения биологической активности почв в зависимости от применения минеральных и органических удобрений , известкования , способов обработки почвы , севооборотов и других факторов . В почву с растительными остатками поступает значительное количество целлюлозы , и почвенные микроорганизмы ( грибы ) расщепляют ее .

Определение интенсивности разложения целлюлозы . Стерильную неотбеленную тонкую льняную ткань пришивают к полимерной пленке ( ширина отрезка пленки 10 см ). Длина зависит от исследуемого горизонта : для пахотного - 20-25 см . Пленку стерилизуют спиртом , а ткань проглаживают утюгом . К вертикальной стенке свежего Почвенного разреза на глубину 25-30 см плотно прижимают полотно , придавливают почвой , разрез засыпают . Верхний край ткани должен быть Погружен в почву на 3 - 5 см . Повторность опыта 3 - 5- кратная .

Через месяц ( через 2-3 мес .) полотно осторожно извлекают , отмывают от почвы и продуктов разложения , подсушивают и взвешивают . Для определения динамики процесса одновременно закапывают несколько полотен , которые извлекают последовательно через определенные интервалы времени . По убыли в весе судят об интенсивности процесса разрушения клетчатки .

Начальный вес ткани узнают путем определения среднего веса 25 см ² ткани или начального веса ткани , закладываемой в почву . Если необходимо иметь информацию о разложении целлюлозы в каждом горизонте , ткань разрезают на куски в соответствии с почвенными горизонтами .

Опыт закладывался на учебном полигоне , который находится на территории Орловского Государственного Аграрного университета . Почва техногенно нарушена в связи с тем , что рядом находится автомагистраль , проводятся сельскохозяйственные работы с использованием крупногабаритной техники , ранее проводились строительные работы от которых осталось много твердых бытовых отходов - строительный мусор .

Для проведения исследований на опытном участке были посеяны следующие сельскохозяйственные культуры : ячмень двурядный , пшеница мягкая , ячмень многорядный , пшеница твердая , овёс , люпин , редька масличная , просо и гречиха . Контролем служил участок разнотравья , где не осуществлялись мелиоративные мероприятия . Повторность опыта 4- кратная .

Погодно - климатические условия Орловской области благоприятствуют возделыванию зернобобовых и зерновых культур . Благоприятные условия для возделывания зерновых и зернобобовых культур : вода ( потребность у зернобобовых больше , чем у зерновых ), тепло , кислород воздуха , питательные вещества ( у зернобобовых потребность больше ), свет , достаточная обеспеченность фосфором , калием , кальция , магнием , бором , молибденом , азотом ( для зерновых ). Летом 2011 года сумма среднесуточных температур выше 10° С составляет 2200-2500° С , и погодные условия были не совсем благоприятны для их возделывания .

Для оценки активности почвы на опытном участке была использована шкала оценки биологической активности почв по интенсивности разрушения клетчатки (% разложившегося полотна за вегетационный сезон ) Звягинцева (1980): очень слабая < 10, слабая 10-30, средняя 30 - 50, сильная 50 - 80, очень сильная > 80.

По этой шкале можно отметить , что биологическая активность почвы на данном полигоне составляет :

• -    очень слабая под следующими сельскохозяйственными культурами – ячмень двурядный , пшеница мягкая , ячмень многорядный , овёс , люпин , редька масличная

• -    слабая – пшеница твёрдая , просо , гречиха .

Если рассматривать биологическую активность относительно контроля можно отметить , что самая высокая активность почвы наблюдалась под культурами гречихи и просо .

Средние данные биологической активности почвы под сельскохозяйственными культурами представле ны в таблице 1.

Таблица 1 – Показатели биологической активности почв

Культура	%
Ячмень двурядный	9,97
Пшеница мягкая	6,9
Ячмень многорядный	8,05
Пшеница твердая	14,7
Овёс	3,7
Люпин	4,45
Редька масличная	4,25
Просо	23,15
Гречиха	29,3
Контроль	16,55

Обобщив результаты исследований можно сделать вывод, что биологическая активность почв формируется плохо, так как земли техногенно нарушены.

Устойчивость экосистем связана с устойчивостью почв , т . е . способностью почвы выполнять свои экологические функции в условиях техногенеза . Среди многочисленных загрязнителей природной среды тяжёлые металлы ( ТМ ) считаются наиболее опасными . Программой мониторинга окружающей среды свинец отнесён к приоритетным токсическим элементам . Это обусловлено как тенденциями всё возрастающего техногенного воздействия на окружающую среду , так и физико – биохимическими особенностями токсиканта .

Накопление ТМ в фитоценозах не может быть бесконечно большим и достигает определенных концентраций , которые имеют верхний и нижний пределы . За пределами пороговых концентраций у растений проявляются как физиологические , так и морфологические изменения .

Содержание в почве ионов токсиканта и транслокация их в растения – сложный процесс , зависящий от множества факторов . Чтобы понять механизм воздействия каждого из них , следует изучать влияние отдельных факторов на фитотоксическое действие ТМ в условиях эксперимента .

С опытного участка были отобраны и проанализированы образцы почвы . Пробы отбирались до посева по диагонали поля .

Результаты анализа образцов почвы с опытного участка кафедра « Агроэкологии и ООС » от 17.04.2010 г . представлены в таблице 2, 3.

Таблица 2 – Результаты анализа образцов почвы с опытного участка

№ п/п	№ образца почвы	Результаты анализа
		Zn, мг/кг	Cu, мг/кг	Pb, мг/кг	Cd, мг/кг
1	1	0,32	1,0	1,32	0,032
2	2	0,97	0,85	2,13	0,057
3	3	0,43	0,63	3,16	0,151
4	4	0,26	0,83	1,18	0,134
5	5	0,11	0,88	2,08	0,028
6	6	Менее 0,0025	0,92	1,44	0,118
7	7	0,12	0,94	2,10	0,037
8	8	Менее 0,0025	0,80	2,25	0,173
9	9	Менее 0,0025	093	2,86	0,043

Таблица 3 – Результаты анализа образцов почвы с опытного участка

"с ^.	сЗ _ Ю g О	Л1 о и 2 е	ОО m 2 е		л
1	1	12,0	5,0	2,97	4,9
2	2	13,2	7,7	2,54	5,1
3	3	12,3	8,2	1,95	5,1
4	4	11,3	6,8	2,26	5,0
5	5	11,7	6,3	2,15	5,0
6	6	14,2	7,3	1,95	5,2
7	7	13,4	6,8	2,02	5,2
8	8	12,7	6,8	2,40	5,2
9	9	16,6	8,2	1,95	5,5
10	10	14,8	10,4	2,02	5,6

Отбор и агрохимические исследования проб почвы проводились в соответствии с общепринятыми и рекомендованными методиками ( Практикум по агрохимии под ред . Минеева В . Г .,2001 г .), а также « Методических указаний комплексного агрохимического обследования почв сельскохозяйственных угодий » и « Методических указаний по проведению полевых и лабораторных исследований при контроле загрязнения окружающей среды металлами ».

Содержание ТМ в почве , надземной и корневой фитомассе определялись по методикам :

• - Методике выполнения измерений массовых концентраций выловых форм ТМ в порошковых пробах почв рентгенофлуоресцентным методом на спектрометре « Спектроскан » ( МВИ -05-97) НПО « Спектрон » С .- Петерберг ,1997 г .

• - Методике выполнения измерений массовой доли подвижных форм металлов ( меди , свинца , цинка , никеля , кадмия , кобальта , хрома , марганца ) в пробах почвы атомно - абсорбционным анализом . РД 52.18.289-99. Гос . Комитет СССР по гидрометеорологии . Москва . 1990 г .

Анализ растительных проб проводился методом инверсионной вольтамперометрии на полярографе АКВ -07 МК .

Математическая обработка результатов исследований проводилась на ЭВМ с программным пакетом «Polar 4.1».

Исследования проводились по рекомендациям Б . А . Доспехова (1985), В . И . Перегудова (1978), Б . А . Ягодина (1982). Учёт надземной и корневой фитомассы по методике Г . С . Посыпанова (1991).

Опыт закладывался на опытном поле кафедры « Агроэкологии и ООС » Орёл ГАУ и закрытом грунте Орловского ГНУ ВНИИ зернобобовых и крупяных культур Россельхозакадемии в 2010-2011 гг . В деляночном опыте транслокацияи свинца изучалась в агроценозах на посевах овса ( сорт « Скакун »), гречихи ( сорт « Девятка ») и горчицы белой . В модельных системах использовался выщелоченный чернозем Ливенского р - на Орловской области . По агрохимическим показателям он характеризуется высоким содержанием органического вещества ( гумуса ), что имеет важное значение для плодородия почвы и питания растений .

рН сол 6,5 содержание гумуса 6.2%, сумма поглощённых оснований 46,0 мг .- экв ./100 г , гидролитическая кислотность 0,26 мг .- экв ./100 г , обменная кислотность 0,01 мг .- экв ./100 г . Содержание валовых форм Pb -9,7 мг / кг почвы , подвижных , извлекаемых ацетатно - буферным раствором при рН 6,5 -2,9 мг / кг .

В качестве тестовой культуры был выбран овёс посевной ( сорт « Скакун »), способный быстро реагировать на поступление и накопление ТМ . Для опыта было подготовлено 27 сосудов , ёмкостью по 5 кг почвы . Опыт закладывался в трёхкратной повторности .

Схема опыта :

• 1 . Контроль ( Фон )

• 2 . Почва +1 ОДК Pb

• 3 . Почва + 1 ОДК Pb + гумус

• 4 . Почва + 1 ОДК Pb + известь

• 5 . Почва + 1 ОДК Pb + ацетат Na

• 6 . Почва + 3 ОДК Pb

• 7 . Почва + 3 ОДК Pb + гумус

• 8 . Почва + 3 ОДК Pb + известь

• 9 . Почва + 3 ОДК Pb + ацетат Na

Почва предварительно просевалась для придания структуры и помещалась в сосуды . В соответствии со схемой опыта добавлялись биогумус , известь , ацетат натрия ( для создания кислой среды ). Дно сосудов покрывалось керамзитом , на который устанавливалась стеклянная трубка и слой фильтровальной бумаги , засыпалась почва . После всходов овса в почву вносили раствор соли Pb (C Н 3 СОО )2*3 Н 2 О (54,64% Pb) в дозах 1 и 3 ОДК , что соответствовало 130,0 и 390,0 мг / кг Pb.

Таблица 4 – Схема опыта

Вариант	Факторы
1( контроль )	Почва ( фон )
2	Почва + ТМ 1 ОДК
3	Почва + ТМ 1 ОДК + биогумус
4	Почва + ТМ 1 ОДК + известь
5	Почва + ТМ 1 ОДК + ацетат Na
6	Почва + ТМ 3 ОДК
7	Почва + ТМ 3 ОДК + биогумус
8	Почва + ТМ 3 ОДК + известь
9	Почва + ТМ 3 ОДК + ацетат Na

Таблица 5 – Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) химических веществ в почве (валовое содержание) (ГН 2.1.7.2042-06)

D СУ . iн <зЗ	СУ к с5	О К ^ О КУ m 3
Свинец	а ) песчаные и супесчаные	32
	б ) кислые суглинистые и глинистые рНкс l<5,5	65
	в ) близкие к нейтральным , нейтральные ( суглинистые и глинистые ) рНкс l>5,5	130

Результаты и их обсуждение

После выращивания биокультуры в течение 30 суток почву подвергали химическому анализу на содержание валовых и подвижных форм Pb(II) методом атомно - абсорционной спектроскопии с целью определения доли поглощения ТМ . Результаты представлены в диаграммах 1 и 2.

Высокое содержание в почвенном растворе водорастворимых органических соединений приводило к повышению миграционной способности металлов благодаря образованию устойчивых органоминеральных комплексов. Известкование снижало содержание подвижных форм ТМ в почве, способствовало их детоксикаци. Использование ацетата натрия приводило к тому, что рН среды повышался и в условиях подщелачивания ионы ТМ становились очень подвижными, при этом снижалось общее количество гумуса.

Рисунок 1 – Содержание валовых форм Pb (II) в почве

Полученные результаты указывают на то , что с ростом рН среды валовое количество свинца увеличивается . При внесении Pb2+ в почвенный раствор , в количествах , кратных 3 ОДК , наибольшее количество металла закрепляется почвой в случае применения биогумуса ( вар .3, 7) и извести ( вар .4,8), а так же в почве c добавлением одного металла ( вар .2, 6). Аномально высокое значение Pb2+ с применением ацетата натрия ( вар .5,9) объясняется , скорее всего , происходящим в системе процессом гидролиза , приводящему к накоплению ОН - ионов в почвенном растворе .

□ юдк   □зодк □ pH

Рисунок 2 – Содержание подвижных форм Pb (II) в почве, мг/кг

Исходя из полученных данных ( рис .2), можно заключить , что с ростом содержания органического вещества в почве ( вар .3,7) количество подвижных ионных форм свинца уменьшается , а внесение извести ( вар .4,8) практически не отражается на количестве подвижных форм свинца .

Известь является менее эффективным способом снижения подвижных форм ТМ в данном случае . Доступность свинца растениям должна зависеть от способности соединений высвобождать металл в раствор , в том числе при взаимодействии с выделяемыми корнями ионами Н + или анионами органических кислот , которые связывают металлы в комплексы .

В вариантах опыта (1-9) обменная кислотность оставалась постоянной и составила -0,01 ммоль /100 г . Величина степени насыщенности основаниями учитывается при известковании почвы . В нашем эксперименте значение суммы поглощённых оснований в разных вариантах колеблется от 44,7 до 45,8 ммоль /100 г по отношению к контролю , что указывает на незначительную потребность в известковании ( табл .6).

Чтобы понять механизм воздействия токсиканта, мы изучали влияние отдельных факторов на фитотоксические действия ионов свинца в условиях эксперимента. Овёс посевной является своеобразным индикатором и легко «откликается» на поступление и накопление металлов. Определение поступления соли Pb (CН3СОО)2*3Н2О в растение проводилось в течение 30 суток, при этом особое внимание обращалось на уровень развития наземной части и корневой системы растений .

Таблица 6 – Агрохимические показатели исследуемых систем опыта

и cd S & m	S cd 2 4 f—< CD CD § g s		h • ^ 5 8 4 S n 3 и у 2 S О	§ 8 CD S s ^ § s s ^	5 2 s -> ^ m 8^
1	Фон (контроль)	6,5	46,02	0,26	0,01
2	Почва + Pb (1ОДК)	6,1	45,81	0,25	0,01
3	Почва + Pb (5ОДК)+ гумус	8,5	45,37	0,24	0,01
4	Почва + Pb (1 ОДК) + известь	7,8	45,55	0,25	0,01
5	Почва + Pb (1ОДК) + CH3COONa	4,9	44,7	029	0,01
6	Почва + Pb (3ОДК)	6,1	45,76	0,23	0,01
7	Почва + Pb ( 3ОДК)+ гумус	8,6	45,32	0,22	0,01
8	Почва + Pb (3 ОДК) + известь	8,5	45,43	0,23	0,01
9	Почва + Pb (3ОДК) + CH3COONa	4,8	44,76	0,26	0,01

Варианты

Рисунок 3 – Динамика развития растений овса

В начале исследований (1дек.) наиболее благополучно выглядели всходы, с добавлением Pb2+(вар.2,6) и биогумуса (вар.3,7). Они отличались наиболее длинными листьями и ветвистой корневой системой . Хорошо выглядели всходы овса на контроле (вар.1) , а растения с ацетатом натрия (вар.5,9) были самыми низкорослыми. Данные опыта предоставлены на рис.3. На 15 сутки эксперимента, отмечается интенсивный рост культуры на почве – контроле (вар.1), а также в сосудах с использованием извести (вар.4,8) и биогумуса (вар.3,7 с концентрацией свинца в 1 и 3 ОДК.

Растения с ацетатом натрия ( вар .5 и 9)– желтеют и увядают , несмотря на систематический полив и уход .

Наиболее угнетёнными выглядят растения овса на почве с содержанием ионов Pb2+ 3 ОДК .

При совместном присутствии в почве тяжёлых металлов и CH3COONa ( для создания более кислой среды ) рост корневой системы и наземной части визуально прекращается .

На 28- е сутки на общем фоне самыми благополучными выглядели растения , выращенные на почве – контроле . Сильно желтеет и сохнет культура , выращенная в системе “ почва – тяжёлые металлы – известь ”( вар .4,8). Овёс , выращенный в системе “ почва – тяжёлые металлы – ацетат натрия ” ( вар .9) на 30- е сутки эксперимента погибает . Наблюдается частичная гибель растений в опытах с использованием солей тяжёлых металлов .

Высокая концентрация тяжёлых металлов в системе “ почва – тяжёлые металлы – ацетат ” вызывает резкое угнетение развития растений , что привело к формированию крайне низкой продуктивности продукции или полной гибели растений . Для этой модельной системы установлено наибольшее количество подвижных форм свинца .

Выводы

• 1.    Биологическая активность почв формируется плохо , так как земли техногенно нарушены .

• 2.    Для повышения биологической активности почвы при возделывании техногенно - загрязненных участков , необходимо обращать внимание на вид высаживаемой культуры .

• 3.    Необходимо производить посадку сельскохозяйственных культур , повышающих биологическую активность почвы , что приведет к постепенному формированию мощного биологически активного комплекса и усилит самоочищающую способность почвы .

• 4.    Установлено , что подвижность ионов Pb(II) в выщелоченных чернозёмах и степень их фитотоксического действия определяется количеством легко доступных растению подвижных форм ионов металлов , долей органического вещества в почвенном поглотительном комплексе и кислотностью почвенного раствора .

• 5.    Метод биоиндикации позволил оценить эффективность различных способов снижения фитотоксичности ионов ТМ в системе « почва – растение ». Показано , биогумус резко снижает количество подвижных форм Pb(II) и , в связи с этим , их фитотоксичность . Известь при внесении в почву в меньшей степени , чем биогумус , связывает ионы ТМ и незначительно снижает их фитотоксичность .

• 6.    С ростом рН возрастает доля подвижных форм ионов Pb(II), легко доступных для растения .

Вестник

№ 4(37)

ОрелГАУ

август

Теоретический и научно - практический журнал . Основан в 2005 году

Учредитель и издатель : Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования « Орловский государственный аграрный Университет »

Адрес редакции: 302019, г. Орел, ул. Генерала Родина, 69. Тел.: +7 (4862) 45-40-37 Факс: +7 (4862) 45-40-64

Свидетельство о регистрации ПИ №ФС77–21514 от 11.07.2005 г.

Сдано в набор 15.07.2012 г. Подписано в печать 30.08.2012 г. Формат 60х84/8. Бумага офсетная.

Гарнитура Таймс.

Объём 16 усл. печ. л.

Тираж 300 экз. Издательство Орел ГАУ, 302028, г. Орел, бульвар Победы, 19. Лицензия ЛР №021325 от 23.02.1999 г.

Ж урнал рекомендован ВАК Минобрнауки России для публикаций научных работ, отражающих основное научное содержание кандидатских и докторских диссертаций

Содерж ание номера