Оценка возможности применения нута для очистки среды от тяжелых металлов

Введение. В последнее время с развитием технологий все большее внимание исследователей уделяется проблеме загрязнения окружающей природной среды, в частности вопросу загрязнения тяжелыми металлами ввиду их чрезвычайной опасности, которая обусловлена тем, что по пищевым цепям поражаются растения, микроорганизмы, животные, люди. В результате антропогенного воздействия на агросистемы (осадки сточных вод, применение минеральных удобрений, пестицидов и др.) тяжелые металлы попадают в растения. Так, некоторые пестициды содержат цинк, а суперфофат – свинец, никель, ванадий, хром, медь [1, 2].

Загрязнение тяжелыми металлами носит как региональную, так и глобальную угрозу. Большинство физико-химических методов очистки среды от тяжелых металлов являются очень дорогостоящими, а также сложными в исполнении и имеют ряд недостатков. Более новым методом в настоящее время, как в России, так и за рубежом, признается фиторемедиация, которая основана на использовании зеленых растений для удаления загрязняющих веществ из окружающей среды. Затраты довольно минимальные по сравнению с альтернативными способами. Недостатками могут служить сезонность, а также длительность процесса [3].

Данная технология может быть использована для очистки загрязненными неорганическими и органическими соединениями, которые могут присутствовать в почве, воде, а также в воздухе [4–6].

В данном случае речь идет об очистке воды, т.е. о фитофильтрации – методе удаления токсикантов из водной среды корнями растений. Такой процесс включает в себя выращивание на гидропонике растений и пересадку их в металлзагряз-ненные воды, где растения с помощью корней начинают поглощать металлы в тканях.

Исследование состояния пигментов листьев проводят для определения и установления степени вредности поллютантов, возможных путей адаптации к ним растений, а также для нормирования и прогнозирования различных антропогенных нагрузок. Поэтому большой интерес вызывает изучение влияния тяжелых металлов на пигментный состав растений [7, 8].

Для фиторемедиации широко используют различные растения, относящиеся к группе зернобобовых культур, в частности однолетние растения семейства Бобовые: горох, соя, фасоль, люпин. При анализе литературы нами не найдено работ по применению нута для фиторемедиации, тем не менее в последнее время хозяйства многих регионов нашей страны быстро расширяют его посевы.

Известно, что зернобобовые – важный и необходимый компонент в агросистемах, включаемый в севообороты, так как способен к азотфик-сации. Способствует экологичности окружающей среды, воздействуя позитивно на режимы и свойства почвы. При низких концентрациях загрязнителей в биомассе возможно использовать растения в кормопроизводстве, при более высоких – утилизировать на получение биотоплива.

Цель исследований. Оценка воздействия тяжелых металлов (Zn, Pb) на всхожесть семян, морфометрические показатели растений и состояние пигментного комплекса листьев нута, возможности применения нута в технологии фиторемедиации.

Объекты и методы исследований. Оценку влияния тяжелых металлов проводили на базе научной лаборатории кафедры экологии и природопользования ФГБОУ ВО Красноярский ГАУ. В исследовании использовали метод фитофильтрации, лабораторный эксперимент по выращиванию растений проводили методом гидропоники. Тяжелые металлы вносили в виде солей в пересчете на чистый металл – ZnSO 4 7Н 2 О,

Pb(СH 3 COO) 2 ∙3Н 2 О в концентрациях 10 ПДК (10 и 0,1 мг/л соответственно), взятых согласно ГН 2.1.5.1315-03. В сосуды объемом 350 мл добавляли раствор минерального удобрения для гидропоники Etisso (5,2 % азот, 5 % фосфор, 4,2 % калий и такие элементы, как железо, цинк, бор, марганец, молибден и многие другие минералы). Раствор готовили из расчета: 3 мл препарата на 1 л воды, регулировали кислотность (pH 5,5–7,0), 1 раз в неделю производили подкормку растений. Растения нута сорта Краснокутский 36 выращивали в течение 4 недель при температуре воздуха 24– 26 °C, влажности воздуха 65–75 %, длительности светового дня 10–12 часов (рис. 1).

Рис. 1. Постановка эксперимента (фото авторов)

Концентрацию пигментов определяли на спектрофотометре. Для анализа использовали сформировавшиеся листья. Максимум поглощения каротиноидов определяли при длине волны 440,5 нм, максимум поглощения хлорофиллов a и b определяли при длинах волн 649 и 665 нм с последующим расчетом концентрации пигментов по уравнениям Ветшттейна и Хольма для 100%-го ацетона.

В каждом из трех вариантов опыта выращивали по 100 растений (20 сосудов на вариант – по 5 растений в каждом сосуде). Первый вариант служил контролем.

Концентрацию металлов (мг/г) в побегах и корнях растений нута определяли для воздуш- но-сухой массы атомно-абсорбционным методом на спектрометре PinAAcle 900T.

Для оценки эффективности применения растений нута в технологии фиторемедиации нами был рассчитан биоконцентрационный фактор (БКФ) [9]

БКФ = Сраст/ Ср-р, где Сраст – концентрация металла в растении, мг/г; Ср-р – концентрация металла в растворе, мг/л.

БКФ рассчитывали отдельно для побегов (БКФ п ) и корней (БКФ к ).

Статистическую обработку результатов проводили при помощи MS Excel 97 для Windows.

Результаты исследований и их обсуждение. В результате исследований выявлено, что высокая всхожесть семян нута наблюдалась в варианте со свинцом – 100 %, в контроле и вариантом с цинком на 24 и 28 % ниже соответствен- но. Наблюдали уменьшение роста побега растений нута в вариантах с добавлением в раствор свинца и цинка на 7,80 и 22,08 см соответственно по сравнению с контролем. Отметим также уменьшение длины корня растений нута по сравнению с контролем в вариантах со свинцом – на 4,48 см и цинком – на 14,38 см (табл. 1).

Таблица 1

Показатель	Всхожесть, %	Длина побега, см	Длина корня, см
	Контроль
Среднее	76±32,37	28,4±4,18	19,20±2,98
Минимум	40	25,2	17,4
Максимум	100	32	22,3
V, %	20,3	16,5	19,5
	Цинк 10 ПДК
Среднее	72±37,66	6,32±2,89	4,82±0,91
Минимум	40	3,7	3,9
Максимум	100	9,4	5,8
V, %	14,7	23,7	12,6
	Свинец 10 ПДК
Среднее	100±0	20,58±3,60	14,72±4,03
Минимум	100	18,2	9,9
Максимум	100	24	17,7
V, %	11,9	22,8	18,5

Всхожесть семян и морфометрические параметры растений нута под воздействием солей цинка и свинца

Ранее было показано негативное влияние различных доз и сочетаний тяжелых металлов на пигментный комплекс листьев сельскохозяйственных растений [10].

Содержание пигментов в листьях нута варьируется: хлорофилла a в пределах от 0,216 до 0,534 мг/г, хлорофилла b от 0,122 до 0,274 мг/г, каротиноидов от 0,161 до 0,458 мг/г сырой массы. Исследования показали, что минимальным содержанием хлорофиллов a и b и каротинои- дов у листьев растений нута характеризовался вариант с цинком, наибольший показатель концентрации изучаемых пигментов наблюдался у листьев растений нута в контроле. Среди изученных металлов свинец оказал наименьшее воздействие на пигментный комплекс растений нута, что позволяет говорить о возможности применения нута в фитофильтрации вод с повышенным содержанием свинца в них (табл. 2).

Таблица 2

Вариант	Хлорофилл а	Хлорофилл b	Сумма хлорофилла a и хлорофилла b	Отношение хлорофиллов a / b	Сумма каротиноидов
Контроль	0,534±0,02	0,274±0,03	8,310±0,07	1,945±0,06	0,458±0,03
Цинк 10 ПДК	0,216±0,06	0,122±0,04	3,560±0,02	1,768±0,05	0,161±0,04
Свинец 10 ПДК	0,459±0,05	0,234±0,05	7,124±0,04	1,959±0,03	0,304±0,03

Содержание пигментов в листьях растений нута, мг/г

Корреляционный анализ полученных данных показал, что между хлорофиллом b и длиной побега (R² = 0,966) существует сильная положительная связь (рис. 2).

Можем сказать, что хлорофилл b является маркером состояния растений нута в условиях данного эксперимента.

Биоконцентрационный фактор, рассчитанный для варианта с внесением в раствор свинца, оказался наболее высоким как для корней,

Вестник КрасГАУ. 2020. № 10 так и для побегов растений нута по сравнению с контролем и внесением в раствор цинка в дозе 10 ПДК (рис. 3).

Согласно Г.И. Квеситадзе, Г.А. Хатисашвили, Т.А. Садунишвили и др. [9], значение биокон-центрационного фактора более 1000 является критерием для отнесения растения к аккумуляторам металлов. Поэтому можно отметить, что растения нута хорошо подойдут для фитофильтрации ионов свинца.

Рис. 2. Корреляционная связь между хлорофиллом b и длиной побега

Варианты эксперимента

Рис. 3. Биоконцентрационный фактор для растений нута в условиях воздействия растворов солей свинца и цинка: БКФ п – для побегов, БКФ к – корней

Выводы

• 1.    На начальных этапах роста растений выявлена наибольшая всхожесть семян нута в варианте с внесением свинца в дозе 10 ПДК.

• 2.    Содержание пигментов на 28-й день вегетации нута под воздействием ионов свинца и цинка оказалось ниже на 60 % по сравнению с контролем.

• 3.    Воздействие исследуемых металлов не имело стимулирующего влияния на морфометрические параметры растений нута по сравнению с контролем, тем не менее ионы свинца не оказали существенного негативного влияния на рост растений нута в отличие от ионов цинка. Возможно, это связано с тем, что свинцу не свойственна та или иная известная физиологическая функция в жизненном цикле растений, а цинк является важным элементом для растений, и при его избыточном поступлении происходит «отравление». Также поведение металлов зависит от вида растения и стадии его развития.

• 4.    Биоконцентрационный фактор показал эффективность применения растений нута для фитофильтрации свинца.

Таким образом, фиторемедиация с помощью нута является перспективным и требующим дальнейших исследований направлением, так как может обеспечить доочистку сточных вод, вод, содержащих повышенные концентрации свинца с целью повышения продуктивности и качества урожая сельскохозяйственных растений.