Особенности аккумуляции тяжёлых металлов гречихой в условиях техногенеза

основном с растительной продукцией ) 40-50 %, с водой – 20-40% и воздухом – 20-40% [3,4].

Ряд ТМ обладает кумулятивным эффектом , канцерогенным действием . К их числу относятся кадмий , свинец и некоторые другие [5].

Анализ результатов научных исследований по борьбе с загрязнением почв и растений ТМ [6,7] свидетельствует об отсутствии унифицированных методов оценки загрязнения агроценозов и рекомендаций по фитодезактивации , пригодных для различных почв и культур . Разрозненные сведения и публикации касаются отдельных аспектов контроля содержания некоторых ТМ в почве и продукции растениеводства .

Растительные организмы избирательно накапливают ТМ . Некоторые растения являются растениями концентраторами по отношению к одному или нескольким элементам ; накопление токсикантов не может быть большим и достигает определённых допустимых пределов ( пороговые концентрации ), которые имеют верхний и нижний пределы . Интервал этих изменений имеет свои границы , причём у сельскохозяйственных культур он обычно небольшой [8].

В этой связи возникает необходимость в изучении поведения ТМ в системе « почва - растение » для нормализации неблагоприятных токсико - экологических ситуаций . Информация по этим вопросам поможет прогнозировать накопление указанных токсикантов в продуктах растительного происхождения , нормировать их поступление в трофические цепи и разработать энерго - и ресурсосберегающие мероприятия по ограничению этого поступления с целью производства экологически безопасного продовольствия и фитодезактивации экосистем от ТМ .

Цель данной работы – изучение особенностей аккумуляции тяжёлых металлов ( кадмия , свинца и цинка ) растениями гречихи в зависимости от биоэкологических свойств вида и биохимических особенностей токсикантов .

Основные задачи :

• -    выявление взаимосвязи между содержанием подвижных форм ТМ ( кадмия , свинца и цинка ) в почве и растении ;

• -    изучение биоэкологических свойств сельскохозяйственных растений ( гречихи ), определяющих фитоаккумуляцию ТМ ;

• -    определение критических уровней содержания ТМ в почве с учётом видов растениеводческих культур для минимизации негативного воздействия токсикантов на человека ;

• -    установление фиторемидианта для проведения фитодезактивации техногенно загрязнённых почв .

Материалы и методика исследований

Опыт закладывался в закрытом грунте Орловского ГНУ ВНИИ зернобобовых и крупяных культур Россельхозакадемии в 2008-2009 гг .

В опыте использовалась тёмно - серая лесная среднесуглинистая почва .

рН _сол 5,4, содержание гумуса 4,6%, подвижного фосфора , по Кирсанову , 10,1, легкогидролизуемого азота 7,2, обменного калия , по Масловой , 6,7 мг /100 г почвы , сумма поглощённых оснований 24,3 мг . экв ./100 г , степень насыщенности оснований 85%. Содержание валовых форм кадмия ( С d)-0,18 мг / кг , свинца ( Р b)-17,8 мг / кг , цинка (Zn)-64,7 мг / кг . и подвижных форм Cd-0,1 мг / кг , Pb-2,2 мг / кг , Zn-1,3 мг / кг ., извлекаемых ацетатно - буферным раствором .

Почва , используемая в опытах , предварительно просеивалась для получения необходимой структуры . Дно сосудов покрывалось керамзитом , на который устанавливались стеклянные трубки и слой фильтровальной бумаги , засыпалась подготовленная почва . Через две недели после посадки семян в почву вносили растворы солей ТМ CdSO₄(54%Cd), Pb( СН 3 СОО ) 2 *3 Н 2 О (54,64% Pb), ZnSO 4 (40% Zn) в концентрациях 3,6 и 9 ОДК , что со c тавило по С d – 3 мг / кг , 6 мг / кг и 9 мг / кг почвы , по Pb – 195 мг / кг , 390 мг / кг и 585 мг / кг почвы , по Zn – 330 мг / кг , 660 мг / кг и 990 мг / кг почвы с учётом фона ( кларка ) соответственно . Дозы ТМ определялись по содержанию элемента в химически чистых солях . Содержание металла в реактивах рассчитывалось на основании атомных масс .

Метеорологические условия в годы исследований можно охарактеризовать как контрастные , но в целом они повторяют среднемноголетние климатические закономерности .

Ориентировочно допустимые концентрации химических веществ в почве взяты из документа « Ориентировочно допустимые концентрации ( ОДК ) химических веществ в почве » Гигиенические нормативы ГН .2.1.7.2511 -09. Фоновые уровни химических веществ из « Порядок определения размеров ущерба от загрязнения земель химическими веществами » ( Министерство охраны окружающей среды и природных ресурсов РФ : М .,1999 г .); Предельно допустимые концентрации ( ПДК ) химических веществ в почвах и допустимые уровни их содержания по показателям вредности » ( по состоянию на 01.011991 г . Госкомприрода РФ , № 022333 от 10.12.90).

Опыты проводились по рекомендациям Б . А . Доспехова (1985), В . Перегудова (1978), Б . А . Ягодина (1982). Учёт надземной и корневой фитомассы по методике Г . С . Посыпанова (1991). Сухую массу растения устанавливали весовым методом после высушивания при температуре 105 ⁰ С .

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

– Методике выполнения измерений массовых концентраций валовых 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 .

– ГОСТ 26929-94 « Сырьё и продукты пищевые ». Подготовка проб . Минерализация для определения содержания токсичных элементов .

– Методические указания « Определение содержания токсичных элементов в пищевых продуктах и продовольственном сырье ». МУК 4.1.986-00. Минздрав России .

Подготовленные пробы растительных образцов озоляли сухим методом при 300-450 ⁰ С с дальнейшей обработкой 6 М HNO₃.

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

Инверсионно - вольтамперометрический метод основан на зависимости тока , проходящего через ячейку анализатора от массовой концентрации определяемого в пробе элемента и функционально связанного с формой и параметрами приложенного к электродам поляризирующего напряжения . Математическая обработка результатов исследований проводилась на ЭВМ с программным пакетом «Polar 4.0».

Схема опыта :

• 1.    Контроль ( Фон ) 6. Почва + 6 ОДК Pb

• 2.    Почва +3 ОДК Cd 7. Почва + 6 ОДК Zn

• 3.    Почва + 3 ОДК Pb

• 4.    Почва + 3 ОДК Zn

• 5.    Почва + 6 ОДК Cd

  
  
  
  

• 8.    Почва + 9 ОДК Cd

• 9.    Почва + 9 ОДК Pb

• 10.    Почва +9 ОДК Zn

Опыт закладывался в трёхкратной повторности .

В опыте использовался среднеспелый сорт гречихи Молва , рекомендованный производству по Центрально - Чернозёмному региону и как наиболее часто возделываемый в промышленных условиях .

Таблица 1 – Ориентировочно допустимые концентрации (ОДК) химических веществ в почве (вал. сод.) (ГН 2.1.7.2042-09)

„с "с	S cd ffl О и к	cd щ 8 CD m	cd о e	Группа почв	Величина ОДК (мг/кг) с учётом фона (кларка)
1	Cвинец		Pb	а)    песчаные и супесчаные; б)    кислые (суглинистые и глинистые) рНкcl<5,5; в)    близкие к нейтральным, нейтральные (суглинистые и глинистые), рНKCl>5,5	32 65 130
2	Кадмий		Cd	а)    песчаные и супесчаные; б)    кислые (суглинистые и глинистые),рНKCl<5,5; в)    близкие к нейтральным, нейтральные (суглинистые и глинистые), рНKCl>5,5	0,5 1,0 2,0
3	Цинк		Zn	а)    песчаные и супесчаные; б)    кислые (суглинистые и глинистые), рНKCl<5,5; в)    близкие к нейтральным, нейтральные (суглинистые и глинистые), рНKCl>5,5	55 110 220

Исследованиями установлено , что с увеличением концентрации элемента в почве его концентрация в растении возрастает до некоторого предела , а при малых концентрациях растёт почти линейно . Так , при концентрации Cd в почве 3 ОДК , 6 ДК и 9 ОДК содержание данного поллютанта в корнях возрастает в 2,1, 4,6 и 6,2, в надземной части в 1,7, 3,4 и 4,9, в плодах в 1,7, 2,8 и 3,8 раза , соответственно . При концентрации Pb в почве 3 ОДК , 6 ОДК и 9 ОДК концентрация металла возрастает в корнях в 2,8, 4,8 и 6,5 раза , в надземной части в 2,3, 4,3 и 5,9 раза , в плодах в 2,5, 4,0 и 5,2 раза соответственно . При концентрации Zn в почве 3 ОДК , 6 ОДК и 9 ОДК концентрация элемента возрастает в корнях в 3,2, 4,3 и 5,0, в надземной части в 2,5, 3,1 и 4,2 в плодах 3,7, 4,4 и 4,8 раза соответственно .

Таблица 2 – Концентрация металлов в почве вариантов опыта после их внесения

Наименование ТМ	ОДК, мг/кг	Концентрация ТМ, мг/кг почвы с учётом фона
		Контроль	3 ОДК	6 ОДК	9 ОДК
Cd	1,0	0,18	3,0	6,0	9,0
Pb	65,0	17,8	195,0	390,0	585,0
Zn	110,0	64,7	330,0	660,0	990,0

Результаты и их обсуждение

Изучение поведения в системе « почва - растение » нескольких элементов позволяет выявить особенности поглощения этих элементов растением ( таб . 3).

Таблица 3 – Содержание ТМ в органах растения гречихи (2008-2009 гг.)

Значение ОДК	Вариант	ТМ	Содержание солей ТМ, мг/кг
			корень	надземная часть	плод
Контроль (фон)	1	Cd	0,29	0,19	0,06
		Pb	1,35	1,23	0,12
		Zn	13,64	9,97	12,68
3 ОДК	2	Cd	0,61	0,32	0,10
	3	Pb	3,77	2,83	0,30
	4	Zn	43,64	24,96	41,18
6 ОДК	5	Cd	1,34	0,65	0,17
	6	Pb	6,45	5,24	0,48
	7	Zn	59,05	30,94	55,07
9 ОДК	8	Cd	1,79	0,94	0,23
	9	Pb	8,82	7,28	0,62
	10	Zn	68,46	41,46	61,42

Степень накопления ТМ различными органами растения не одинакова . Наиболее интенсивно кадмий и свинец накапливаются корневой системой , причём количество ионов металла превышает контроль в вариантах № 8 и № 9 более чем в 6 раз . В меньшей степени ионы кадмия и свинца накапливают надземные части и репродуктивные органы . При этом плоды гречихи не соответствуют установленным нормативам по Cd (0,1 мг / кг ) при загрязнении почвы 3 ОДК и выше , по Pb(0,5 мг / кг ) при загрязнении более 6 ОДК . Наиболее интенсивно Zn накапливается корневой системой и плодами , так в вар № 10, по сравнению с контролем , она возрастает в 5 раз . Концентрация металла в остальных органах растения сравнительно ниже . Плоды гречихи не соответствуют установленным санитарным нормативам по Zn(50 мг / кг ) при загрязнении почвы выше 5 ОДК .

Неравномерное накопление ТМ различными частями растения может быть объяснено тем , что в процессе метаболизма в растениях образуются различные органические соединения с хелатирующими свойствами при проникновении ионов тяжёлых металлов в корни происходит их связывание и , как следствие , снижение подвижности [9].

В ходе исследований были проведены фенологические наблюдения за ростом и развитием ( табл . 4), а также исследование растений гречихи в динамике на накопление ТМ в надземной массе ( рис . 1).

Внесение в почву солей ТМ существенного влияния на продолжительность периода « всходы - начало цветения » и « начало цветения - созревание » не оказало .

Таблица 4 – Продолжительность периодов вегетации гречихи, дней (2008-2009 гг.)

№ п/п	Варианты	Посев-всходы	Всходы-начало цветения	Начало цветения-созревание	Всходы созревание
1	1	8	28	40	68
2	2-10	8	29	40	69

Рисунок 1 – Динамика накопления ТМ в надземных частях растения гречихи (вар. №10)

Концентрация металлов с ростом растения и увеличения его биомассы снижается , что свидетельствует о наличии эффекта « ростового разбавления ». В вегетирующих растениях гречихи наибольшее содержание Cd, Pb и Zn 2,1, 24,41 и 78,53 мг / кг сухой массы отмечено в фазу ветвления .

Одним из факторов , влияющих на поступление ТМ в растение , является их токсичность . При этом содержание ТМ в почве , превышающее порог токсичности , приводит к снижению их поступления в растение .

В проведённых исследованиях прослеживается чёткая положительная зависимость между концентрацией ТМ в почвенном растворе и поглощением их растением , однако количественное выражение биологического поглощения обратно пропорционально увеличению содержания токсиканта в почве .

В системе почва - растение , как в любой термодинамической системе , происходит обмен энергией , веществом , а также информацией между её компонентами . При поступлении в почву техногенного ТМ , он должен достичь определённого уровня для того , чтобы сработали механизмы защиты . При внесении малых доз Cd, Pb и Zn (3 ОДК ) в наших опытах возникающие в информационном фоне возмущения не значительны и растения воспринимают наличие токсиканта в почве как неопасное . С ростом концентрации поллютантов в почве происходит « запуск » барьерных механизмов защиты .

Выводы

• 1.    Миграция ТМ в звене « почва - растение » определяется их химическими свойствами , почвенными условиями и биологическими особенностями растения . Интенсивность

• 2.    В вегетирующих растениях гречихи наибольшее содержание Cd, Pb и Zn отмечается в фазу ветвления . С ростом растения и увеличением его биомассы концентрация металлов снижается .

• 3.    Получение экологически чистой продукции растениеводства ( гречихи ) возможно при концентрации солей Cd, Pb и Zn в почве до 3 ОДК .

• 4.    Для фитодезактивации техногенно загрязнённых земель возможно использование гречихи , однако количество ТМ , накапливающихся в биомассе , относительно невелико , а при высоких уровнях загрязнения эффективность « извлечения » металлов снижается .

• 5.    Обязательным условием проведения фиторемедиации загрязненных ТМ земель должно быть полное удаление растения - аккумулянта из почвы вместе с корнем . Необходимо использовать приём теребление , а не скашивание .

накопления Cd и Pb выше в корнях , а Zn в репродуктивных органах .