Оценка фитотоксичности чернозема выщелоченного, загрязненного медью

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, в результате чего они попадают в пищевую цепочку почва– растение–животное, человек.

Фитотоксичное 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 [7, 13].

Коэффициент корреляции между содержанием металлов в растениях и исследуемыми показателями при разных условиях (тип почвы, влажность, кислотность и др.) может быть достаточно высок – в некоторых случаях превышает величину 0,80 [12]. Отмечено как линейное, так и нелинейное возрастание содержания металлов при увеличении их концентрации в растворах или питательных средах [6, 8].

В настоящее время все большее значение приобретает разработка методов оценки антропогенного воздействия на почву. В практике мониторинга почв наиболее распространенным подходом остается анализ уровней концентраций токсичных соединений с использованием физико-химических методов. Однако с такими оценками ассоциировано слишком много неопределенностей, в частности, он не учитывает возможности возникновения синергических и антагонистических эффектов при одновременном воздействии нескольких неблагоприятных факторов. С помощью растений можно проводить биоиндикацию всех природных сред. Индикаторные растения используются при оценке механического и кислотного состава почв и их плодородия, увлажнения и засоления, степени минерализации грунтовых вод и степени загрязнения атмосферного воздуха, а также водоемов и почв. Чувствительные фитоиндикаторы указывают на присутствие загрязняющего вещества ранними морфологическими реакциями [11].

Цель исследований. Оценка влияния уровня загрязнения чернозема ионами меди на показатели его фитотоксичности.

Объекты и методы исследований. В качестве модельных объектов исследования выбраны кресс-салат сорта Неделька, горчица белая сорта Подолянка и чернозем выщелоченный. В лабораторновегетационном эксперименте изучалось влияние на жизнеспособность тест-растений (кресс-салата и горчицы) загрязнения почвы медью в дозах от 1 до 5 и 10 ПДК. Варианты модельного загрязнения: 0 - контроль ; I (1 ПДК Cu); II (2 ПДК Cu); III (3 ПДК Cu); IV (4 ПДК Cu); V (5 ПДК Cu); VI (10 ПДК Cu). Расчет концентраций тяжелых металлов произведен согласно данным ПДК, приведенным гигиеническими нормативами (2006). Растения выращивались в сосудах емкостью 1 кг в теплице, в искусственно созданных условиях (22–25 ⁰С, относительная влажность воздуха 60–70 %). Для закладки опыта использовали почву пахотного слоя, взятую с полей СПК «Зыковский». В качестве фона вносили NH 3 NO 3 + K 2 SO 4 + KNO 3 , которые в почвенных условиях являются физиологически нейтральными удобрениями [9]. Медь вносилась в виде хорошо растворимой соли CuSO 4 ∙5Н 2 О в концентрациях 1–5 ПДК и 10 ПДК. В каждую емкость сеяли по 30 семян, повторность опыта четырехкратная. На 3-е сутки проращивания определяли энергию прорастания, на 5-е – всхожесть семян для кресс-салата и на 6-е сутки – для горчицы согласно методике ГОСТ 12038-84 [3].

Для оценки достоверности влияния загрязнения медью на исследуемые показатели использовали дисперсионный анализ. В целях удобства интерпретации его результатов вычисляли наименьшую существенную разность (НСР 0,5). Для изучения тесноты и формы связи между содержанием в почве тяжелых металлов и исследуемыми показателями использовали корреляционный анализ. Статистическую обработку проводили при помощи пакета Microsoft Excel 97 для Windows и компьютерного пакета статистических программ «Snedecor».

Результаты исследований и их обсуждение. В качестве одного из методов фитотестирования используется оценка жизнеспособности семян растений, так как семена наиболее чутко реагируют на специфические стрессовые факторы, к которым не успело адаптироваться растение во время экогенеза [1]. Наиболее общими параметрами оценки жизнеспособности семян являются энергия прорастания, всхожесть.

Эффект действия тяжелых металлов на прорастание зависит от их способности проникать через покровы семян и влиять на различные физиологические процессы, связанные с прорастанием [4].

В лабораторно-вегетационном эксперименте установлено существенное влияние модельной загрязненности почв тяжелыми металлами на энергию прорастания и всхожесть семян кресс-салата сорта Неделька и на 6-е сутки горчицы белой сорта Подолянка.

Выявлено, что по сравнению с контролем происходит достоверное снижение (Р<0,05-0,001) энергии прорастания семян кресс-салата при внесении меди в дозе 2 ПДК и выше. Так, разница с контролем у второй (2 ПДК Cu) опытной группы составляла 4,0 абс. %, или 8,0 %, у третьей (3 ПДК Cu) – 26,8 абс. %, или 53,5 %; у четвертой (4 ПДК Cu) – 30,9 абс. %, или 61,7 %, у пятой (5 ПДК Cu) – 35,9 абс. %, или 71,7 %, у шестой (10 ПДК Cu) – 40,7 абс. %, или 81,2 % соответственно.

Достоверное снижение (Р<0,001) всхожести семян по сравнению с контролем наблюдалось при внесении солей меди в почву в дозе 3 ПДК (у третьей опытной группы) и выше. Отмечено постепенное уменьшение данного показателя с увеличением в почве концентрации меди. Если при загрязнении чернозема в дозе 2 ПДК металла разница с контролем составляла 4,3 %, при 5 ПДК – 35,3 %, то при 10 ПДК всхожесть была ниже контроля почти в 5 раз (рис. 1).

Рис. 1. Влияние загрязнения почвы медью на энергию прорастания семян кресс-салата и горчицы белой

При оценке воздействия меди на энергию прорастания горчицы белой получены следующие результаты. Достоверная разница с контролем по данному показателю установлена только при внесении в почву солей тяжелого металла в дозе 3 ПДК и выше. Так, в третьей группе (3 ПДК Cu) она составила 9,5 %, четвертой (4 ПДК Cu) – 30,7 %, пятой (5 ПДК Cu) – 40 %, 10 ПДК – 2,8 раза (рис. 2).

Подобные данные наблюдались и по всхожести семян горчицы. Достоверная разница с контролем отмечалась у третьей, четвертой, пятой и шестой опытных групп и составляла 7,8–69,0 абс. %, или 8,2–42,5 отн. %.

Таким образом, показано более выраженное ингибирующее действие высоких концентраций в почве меди на энергию прорастания и всхожесть семян кресс-салата, чем на горчицу белую.

Рис. 2. Влияние загрязнения почвы медью на всхожесть семян кресс-салата и горчицы белой

Для определения фитотоксичности почвы с разной концентрацией меди использовали метод учета энергии прорастания семян тест-растений в опытных вариантах, выраженной в процентах к контролю по А.И. Федоровой (2001) по следующей шкале: 100 % – нет токсичности, 80–90 % – очень слабая токсичность, 60–80 % – слабая, 40–60 % – средняя, 20–40 % – высокая токсичность, 0–20% – очень высокая токсичность.

Чернозем выщелоченный по отношению к кресс-салату при содержании меди до 3 ПДК не токсичен, при 3 ПДК обладает средней токсичностью, 4 ПДК и 5 ПДК – высокая токсичность, 10 ПДК – очень высокая токсичность. Для горчицы чернозем выщелоченный, загрязненный медью до 3 ПДК включительно, не токсичен, 4–5 ПДК – слаботоксичен, при 10 ПДК меди – высокотоксичен (табл. 1).

По данным И.С. Коротченко, Г.Г. Первышиной (2010), фитотоксичность чернозема выщелоченного, загрязненного медью (снижение урожайности культуры на 10 % и более), по отношению к моркови установлена при концентрации его в опытной почве более 116 мг/кг и выше. При максимальной дозе меди (290 мг/кг) урожай снизился почти на 25 %.

Фитотоксичность чернозема выщелоченного, загрязненного медью

Таблица 1

Вариант модельного загрязнения	Кресс-салат		Горчица белая
	Энергия прорастания, % к контролю	Фитотоксичность	Энергия прорастания, % к контролю	Фитотоксичность
I (1 ПДК Cu)	96,2	Не токсичен	98,3	Не токсичен
II (2 ПДК Cu)	92	Не токсичен	95,6	Не токсичен
III (3 ПДК Cu)	46,5	Средняя токсичность	90,5	Не токсичен
IV( 4 ПДК Cu)	38,3	Высокая токсичность	69,3	Слабая токсичность
V ( 5 ПДК Cu)	28,3	Высокая токсичность	60,1	Слабая токсичность
VI (10 ПДК Cu)	18,8	Очень высокая токсичность	35,6	Высокая токсичность

Морфометрические параметры тест-растений измеряли на 10-й день проращивания. Учитывалась длина проростка и длина главного корня (рис. 3).

Установлено, что по сравнению с контролем происходит достоверное снижение (Р<0,05-0,001) длины побега проростков кресс-салата при внесении меди в дозе 2 ПДК и выше. Так, разница с контролем у второй (2 ПДК Cu) опытной группы составляла 0,8 мм, или 11,9 %, у третьей (3 ПДК Cu) – 2,6 мм, или 38,8 %; у четвертой (4 ПДК Cu) – 2,9 мм, или 43,2 %, у пятой (5 ПДК Cu) – 4,0 мм, или 59,7 %, у шестой (10 ПДК Cu) – 5,3 мм, или 79,1 % соответственно.

Достоверное снижение (Р<0,05 и 0,001) длины главного корня у кресс-салата по сравнению с контролем наблюдалось при внесении солей меди в почву в дозе 3 ПДК (у третьей опытной группы) и выше. Отмечено постепенное уменьшение данного показателя с увеличением в почве концентрации меди. Если при загрязнении чернозема в дозе 3 ПДК металла разница с контролем составляла 31 %, при 4 ПДК – 48,2 %, 5 ПДК – 62 %, то при 10 ПДК длина главного корня была ниже контроля в 3,6 раза.

Рис. 3. Влияние загрязнения почвы медью на длину побега и главного корня проростков кресс-салата

Анализируя данные по воздействию меди на длину побега проростков горчицы, обнаружили достоверную разницу с контролем только при внесении в почву солей тяжелого металла в дозе 3 ПДК и выше. Так, в третьей группе (3 ПДК Cu) она составила 0,7 мм, или 9,5 %, четвертой (4 ПДК Cu) – 1,9 мм, или 18,4 %, пятой (5 ПДК Cu) – 4,1 мм, или 39,8 %, шестой (10 ПДК) – 5,5 мм (2,1 раза) (рис. 4).

Рис. 4. Влияние загрязнения почвы медью на длину побега и главного корня проростков горчицы белой

Подобные данные получены и по длине главного корня проростков горчицы. Достоверная разница с контролем отмечалась у четвертой, пятой и шестой опытных групп и составляла 0,7–4,7 мм, или 8,6–58 %.

Очевидно, что более выражено угнетающее воздействие высоких концентраций в почве меди на длину проростков и длину главного корня кресс-салата, чем горчицы белой. В целом следует отметить более сильное ингибирование проростков, чем корней тест-растений.

На загрязненных медью почвах причиной гибели растений и снижения продуктивности сельскохозяйственных культур являются ухудшение свойств почвы и непосредственное токсическое действие поллютантов на растения [6].

Наиболее сильная корреляционная связь установлена между концентрацией поллютанта и жизнеспособностью кресс-салата (R2=0,84-0,93), данный показатель у горчицы находился в пределах 0,74–0,93 (табл. 2).

Таблица 2

Уравнения регрессии зависимости показателей жизнеспособности семян тест-растений от концентрации меди в черноземе выщелоченном

Тест-растение	Энергия прорастания	Всхожесть	Длина побега	Длина главного корня
Кресс-салат	y = -0,0844x + 67,729 R2=0,9353	y = -0,1385x + 101,01 R2=0,9348	y = -0,0105x + 6,4957 R2=0,8943	y = -0,0042x + 2,7674 R2=0,8466
Горчица белая	y = -0,0829x + 46,359 R2=0,7468	y = -0,1473x + 92,583 R2=0,9104	y = -0,0112x + 10,649 R2=0,8942	y = -0,0089x + 8,5913 R2=0,931

Выводы

• 1.    В результате изучения токсичного действия возрастающих концентраций ионов меди установлено ингибирующее воздействие солей меди на жизнеспособность тест-растений, что выразилось в уменьшении энергии прорастания и всхожести семян, морфометрических параметрах проростков. Резкое и негативное воздействие на данные параметры оказало внесение меди – для кресс-салата в дозе 3 ПДК, горчицы белой в дозе 4 ПДК.

• 2.    Чернозем выщелоченный для кресс-салата при содержании меди до 3 ПДК не токсичен, при 3ПДК обладает средней токсичностью, 4 ПДК и 5 ПДК – высокая токсичность, 10 ПДК – очень высокая токсичность. Для горчицы белой почва, загрязненная медью до 3 ПДК включительно, не токсична, 4–5 ПДК – слаботоксична, при 10 ПДК меди – высокотоксична.

• 3.    Выявлены линейные отрицательные связи между содержанием тяжелых металлов в почве и посевными качествами семян, морфометрическими параметрами тест-растений, которые аппроксимируются прямыми линиями с высокой степенью достоверности.