Накопление тяжелых металлов (Pb, Cu) в системе почва - растение при использовании разных детоксикантов

При попадании тяжелых металлов в почву происходит трансформация их первичных форм, вертикальное и горизонтальное перераспределение. Способность металлов к миграции приводит к более быстрому поступлению к корневищам растений, попадая тем самым в пищевую цепочку почва – растение – животное – человек.

Токсичное действие тяжелых металлов проявляется, как правило, при высоком уровне техногенного загрязнения почв и во многом зависит от свойств и особенностей поведения конкретного металла. Поступление тяжелых металлов в растения через корневую систему зависит прежде всего от количества этих металлов в почве [1, 5, 6].

Все вышесказанное свидетельствует о том, что большая степень загрязнения тяжелыми металлами касается почвы как основной среды, депонирующей тяжелые металлы. Продукция растениеводства, выращенная даже на слабозагрязненных почвах, способна вызвать кумулятивный эффект, что приобретает особую важность, поскольку в основном с растительной пищей тяжелые металлы поступают в организм человека и травоядных животных.

В связи с необходимостью разработки подходов к решению непростой задачи охраны почвенных ресурсов от загрязнения тяжелыми металлами активизировались исследования по изучению природоохранного значения детоксикантов, поиску путей предотвращения и снижения степени негативного влияния загрязнителей на систему почва – растение. Актуализация изучения экологического значения применения мелиорантов связана со способностью мелиорантов выполнять функцию восстановления естественного состояния почвенной системы, влияя на реакцию почвы, весь комплекс физико-химических свойств почв, на дозирование поступления химических элементов в почвенный раствор, миграционные процессы в системе почва – растение. Мелиоранты следует рассматривать как антидоты в системе почва – растение, применение которых способствует предотвращению, снижению или ликвидации токсических процессов, вызванных загрязнением [4, 7, 8].

Цель исследований заключалась в оценке накопления тяжелых металлов (Pb, Cu) в системе почва– растение при использовании разных детоксикантов.

Объекты и методы исследований. Поведение свинца и меди в системе почва – растение изучали в вегетационно-полевом эксперименте. Свинец и медь вносились в 0–20 слой почвы в виде (CH 3 COO) 2 Pb∙3Н 2 О и CuSO 4 ∙5Н 2 О, в концентрациях 1–5 ПДК по фону N 40 P 50 K 50 . Расчет концентрации проводили согласно данным ПДК [2]. Одновременно, согласно схеме опыта, вносились детоксиканты: гумат натрия в количестве 0,15, 0,3; суперфосфат – 3,75, 7,5; катионит – 1,5, 3; птичий помет – 15, 30 г/кг. Почва на опытном участке имеет следующую характеристику: гумус – 7,7%, рН KCl – 7,5, гидролитическая кислотность – 6,3 мг-экв/100 г почвы, сумма обменных оснований – 42 мг-экв/100 г, подвижный фосфор – 300 мг/кг, обменный калий – 150 мг/кг, ЕКО – 57,6 мг-экв/100 г почвы. Полевые эксперименты проведены в 2011 году на опытном поле в с. Зы ́ ково (Березовский район Красноярского края). Содержание тяжелых металлов в образцах почвы и растениях определялся атомно-абсорбционным методом на спектрофотометре (AAС) «Спектр-5». Анализ проводился в соответствии с ГОСТ 30178-96 «Сырье и продукты пищевые. Атомноабсорбционный метод определения токсичных элементов». Извлечение подвижной формы тяжелых металлов из почвы проведено ацетатно-аммонийным буферным раствором с рН 4,8 по методу Крупского-Александровой [3]. Коэффициент перехода подвижных форм тяжелых металлов из почвы в растения рассчитан по формуле КП= I/N, где I – содержание элемента в золе растений, мг/кг; N – содержание подвижной формы тяжелого металла в почве, мг/кг. Статистическая обработка эмпирического материала осуществлялась с помощью методов дисперсионного и регрессионного анализов на персональном компьютере с использованием пакета прикладных статистических программ «Snedecor».

Результаты исследований и их обсуждение. Особенно важным является определение содержания подвижных форм тяжелых металлов в почве как более доступных для растений, так и наиболее опасных. Содержание подвижного свинца варьировало от 3,06 (контроль) до 46,20 мг/кг (табл. 1). Для меди содержание подвижных форм изменялось от 1,80 до 29,95 мг/кг (табл. 2). Внесение Pb и Cu в чернозем выщелоченный в дозах 1–5 ПДК приводило к резкому повышения содержанию их подвижных форм.

В результате исследований наблюдается обратная зависимость между уровнем концентрации подвижной формы свинца в почве и дозами детоксикантов. Установлено, что происходит достоверное (P≤0,01) снижение до предельно-допустимого уровня концентрации свинца в почве при использовании гумата натрия в дозе 0,3 г/кг, птичьего помета – 30 г/кг – при внесении до 3 ПДК свинца включительно (табл. 1).

Содержание подвижных форм свинца в почве при использовании детоксикантов, после уборки урожая, мг/кг

Таблица 1

Детоксикант	Доза внесения детоксиканта, г/кг почвы	Доза внесения в почву Pb
		1 ПДК	2 ПДК	3 ПДК	4 ПДК	5 ПДК
Без детоксиканта	–	3,06	4,67*	9,31*	19,23*	46,20*
Гумат натрия	0,15	2,08*	4,41*	7,12*	16,84*	41,60*
	0,3	1,26*	2,96	5,21*	12,79*	27,15*
Суперфосфат	3,75	2,31*	4,44*	8,17*	17,74*	44,05*
	7,5	2,02*	3,14*	5,38*	13,38*	30,05*
Катионит	1,5	2,39*	4,05*	7,31*	17,04*	34,45*
	3,0	1,33*	2,78*	4,82*	11,86*	28,65*
Птичий помет	15	2,38*	4,08*	7,18*	17,47*	43,20*
	30	1,28*	2,78*	5,41*	10,68*	30,05*
ПДК **	6

* Значения, достоверно отличающиеся от контроля (Фон+1ПДКPb) при P<0,01.

** Гигиенические нормативы 2.1.7.2041-06. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве, 2006.

Выявлено, что происходит достоверное (P≤0,01) снижение до предельно-допустимого уровня концентрации меди в почве при использовании гумата натрия в дозе 0,3 г/кг, птичьего помета – 30 г/кг – при внесении до 3–4 ПДК меди (табл. 2).

Таблица 2

Детоксикант	Дозы внесения детоксиканта, г/кг почвы	Доза внесения в почву Cu
		1 ПДК	2 ПДК	3 ПДК	4 ПДК	5 ПДК
Без детоксиканта	–	1,80	2,70*	5,20*	11,90*	29,95*
Гумат натрия	0,15	1,00*	2,20*	3,00*	7,95*	19,50*
	0,3	0,40*	1,25*	2,00*	2,85*	9,10*
Суперфосфат	3,75	1,40*	2,35*	2,95*	8,20*	21,05*
	7,5	0,75*	1,75	2,35*	3,35*	9,35*
Катионит	1,5	0,85*	2,00*	2,85*	7,00*	18,75*
	3,0	0,45*	1,15*	2,00*	2,75*	7,70*
Птичий помет	15	1,60*	1,75	2,65*	9,60*	17,95*
	30	0,60*	1,05*	1,85	3,25*	8,20*
ПДК **	3

* Значения, достоверно отличающиеся от контроля (Фон+1ПДК Си) при P<0,01.

** Гигиенические нормативы 2.1.7.2041-06. Предельно допустимые концентрации (ПДК) химических веществ в почве, 2006.

Содержания подвижных форм меди в почве при использовании детоксикантов после уборки урожая, мг/кг

При увеличении содержания свинца в почве происходит и некоторое повышение его концентраций в корнеплодах растений моркови. Так, поступление свинца в морковь возрастало линейно, пропорционально концентрациям подвижных форм элемента (r=0,82…0,90, Р≤0,01), достигнув максимума при самом высоком уровне загрязнения. В корнеплодах моркови наиболее высокое его количество (0,70 мг/кг) установлено при содержании подвижного свинца 46,20 мг/кг в почве (рис. 1).

Содержание подвижных форм свинца в почве, мг/кг

Рис. 1. Зависимость содержания свинца в корнеплодах моркови от его концентрации в почве

При увеличении содержания меди в почве происходит повышение ее концентраций в корнеплодах растений моркови. Поступление меди в морковь возрастало линейно, пропорционально концентрациям подвижных форм элемента (r=0,86…0,93, Р≤0,01), достигнув максимума при самом высоком уровне загрязнения. Наиболее высокое ее количество (9,45 мг/кг) в корнеплодах моркови установлено при содержании подвижной меди 29,95 мг/кг в почве (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость содержания меди в корнеплодах моркови от ее концентрации в почве

Одной из характеристик, отражающей уровень потребления тяжелых металлов культурами, является коэффициент поглощения подвижных форм тяжелых металлов. На фоновом образце коэффициент поглощения подвижной формы свинца составляет 0,022 с повышением уровня загрязнения значение коэффициента увеличивается по сравнению с вариантом внесения свинца в дозе 1 ПДК (табл. 3).

Детоксиканты способствовали снижению коэффициента поглощения подвижной формы свинца. Под влиянием гумата натрия в дозе 0,3 г/кг разница с фоном отсутствовала до 3 ПДК свинца. Суперфосфат позволил эффективно снизить данный показатель при загрязнении почвы свинцом до 2 ПДК.

Влияние свинца и детоксикантов на коэффициент перехода его подвижных форм из почвы в растения

Таблица 3

Детоксикант	Дозавнесения детоксиканта, г/кг почвы	Доза внесения в почву Pb
		1 ПДК	2 ПДК	3 ПДК	4 ПДК	5 ПДК
Гумат натрия	0,15	0,026	0,035	0,057	0,112	0,155
	0,3	0,021	0,022	0,022	0,083	0,092
Суперфосфат	3,75	0,034	0,047	0,068	0,137	0,161
	7,5	0,021	0,023	0,032	0,113	0,143
Катионит	1,5	0,028	0,041	0,061	0,132	0,157
	3,0	0,022	0,022	0,027	0,098	0,126
Птичий помет	15	0,031	0,042	0,064	0,126	0,153
	30	0,022	0,023	0,028	0,096	0,124
Без детоксиканта		0,051	0,082	0,113	0,154	0,183
Фон		0,022

Коэффициент поглощения подвижной формы меди на фоновом образце составляет 0,448 с повышением дозы внесения в почву меди значение коэффициента увеличивается (табл. 4).

Также детоксиканты способствовали снижению коэффициента поглощения подвижной формы меди. Под влиянием гумата натрия в дозе 0,3 г/кг разница с фоном отсутствовала до 4 ПДК меди. Суперфосфат позволил эффективно снизить данный показатель при загрязнении почвы медью до 3 ПДК.

Таблица 4

Детоксикант	Доза внесения детоксиканта, г/кг почвы	Доза внесения в почву Cu
		1 ПДК	2 ПДК	3 ПДК	4 ПДК	5 ПДК
Гумат натрия	0,15	0,445	0,441	0,475	0,512	0,534
	0,3	0,431	0,438	0,442	0,447	0,517
Суперфосфат	3,75	0,443	0,452	0,483	0,532	0,553
	7,5	0,437	0,443	0,445	0,517	0,534
Катионит	1,5	0,441	0,448	0,481	0,518	0,542
	3,0	0,434	0,437	0,446	0,448	0,523
Птичий помет	15	0,437	0,445	0,477	0,515	0,538
	30	0,432	0,437	0,443	0,447	0,521
Без детоксиканта		0,463	0,482	0,512	0,543	0,576
Фон		0,448

Выводы

Влияние меди и детоксикантов на коэффициент перехода ее подвижных форм из почвы в растения

• 1.    Полученные результаты показали, что внесение свинца и меди (1–5 ПДК) в почву приводило к резкому повышению (Р≤0,01) содержания в ней подвижных форм этих элементов, а также происходило увеличение (Р≤0,01) их содержания в корнеплодах моркови.

• 2.    Выявлено, что наиболее эффективный детоксикант – гумат натрия в дозе 0,3 г/кг почвы, позволивший снизить содержание подвижных форм свинца и меди в почве и получить корнеплоды моркови, отвечающие гигиеническим требованиям при уровне загрязнения почвы свинцом, равном 3–4 ПДК.

Таким образом, в наших экспериментах установлено, что концентрация подвижной формы металлов в почвах зависит от дозы их внесения и достоверно снижается при применении исследуемых детоксикантов. Наблюдается обратная зависимость между уровнем концентрации подвижной формы тяжелых металлов в почвах и дозами детоксикантов. Совместное внесение свинца и меди с детоксикантами способствовало их большему связыванию почвенно-поглощающим комплексом. Предположительно снижение концентрации свинца и меди в почве и растениях обусловлено связыванием их гуминовыми кислотами, отрицательными ионами, входящими в состав катионита, а также в образовании сложных фосфоросодержащих органоминеральных соединений с ионами свинца и меди, в том числе комплексной природы, которые могут выпадать в осадок.