Расчет коэффициентов накопления мышьяка, свинца и кадмия надземными и подземными органами пионов

Введение. В условиях городского мегаполиса, в связи с наличием большого количества промышленных предприятий и автотранспортной сети, экологическая составляющая подвержена техногенному загрязнению. Поэтому только растения, в том числе цветочные культуры, используемые в озеленении, могут взять на себя функцию очистки окружающей среды, так как при избытке тяжелых металлов в почве они накапливаются в органах культиваров [1].

Известно, что свинец, кадмий и мышьяк являются токсичными элементами 1-й степени опасности. Поэтому их накопление в окружающей среде может быть опасным и негативно влиять на живые организмы [2].

Согласно литературным источникам, свинец входит в состав фитомассы всех растений. Для большинства видов его концентрация в количестве 5–10 мг/кг считается нормой, а 30–300 мг/кг – уже токсичной дозой [3, 4]. У большинства многолетников свинец аккумулируется в подземных органах, проникая в растения через корневую систему [4, 5]. Свинец является сильным стресс-фактором, который вынуждает растения включать адаптационные механизмы выживания. Кроме того, он влияет на поглощение воды, подавляет процессы фотосинтеза [6].

Кадмий – это редкий рассеянный металл, обладающий кумулятивными свойствами. Соответственно, он токсичен для всего живого на Земле. Известно, что кадмий проникает в растения через листья и корневые системы. Его избыток в почве приводит к замедлению и задержке роста растений, ухудшению формирования семенной продуктивности, повреждению корней и клубней, хлорозу листьев [7].

Мышьяк также является рассеянным элементом, его кларк в верхней части континентальной земной коры, по данным различных авторов, оценивается в диапазоне от 1,7 до 5,6 г/т [8]. Согласно литературным данным, мышьяк – водный мигрант, и основной путь его поступления в растения проходит через корневую систему [9]. Как и в случае с кадмием, большое скопление мышьяка отрицательно влияет на растения: они медленнее растут и развиваются, у них увядают листья и обесцвечиваются корнеплоды [10].

Для того чтобы узнать величину содержания химического элемента в растениях, необходимо сравнить его с содержанием в источнике, откуда он поступает. Данный параметр называется коэффициентом накопления [11].

Цель исследований – проведение сравнительного анализа коэффициентов накопления мышьяка, свинца и кадмия в надземных (цветок, лист, стебель) и подземных (корень) органах растений рода Paeonia L. в условиях урбанизированной территории.

Объекты и методы. В качестве объектов исследования использовали представителей родового комплекса пион ( Paeonia L.) (сем. Paeo-niaceae Rudolphy) (виды – P. delavayi Franch. (п. Делавея), P. lactiflora Pall. (п. молочноцветковый), P. lactiflora f. rosea (п. молочноцветковый розовый) , P. peregrina Mill. (п. иноземный); сорта - P. lactiflora Jeanne d'Arc, Аппассионата, Мус-тай Карим). Данные культивары были интродуцированы на территорию Южно-Уральского ботанического сада-института – обособленного структурного подразделения Федерального государственного бюджетного научного учреждения Уфимского федерального исследовательского центра Российской академии наук (далее ЮУБ-СИ УФИЦ РАН) и успешно акклиматизированы.

Микроэлементный состав сырья объектов исследований (цветки, стебли, листья и корни) изучали в течение 2020–2022 гг. на базе аналитической лаборатории НИИ сельского хозяйства. Сбор сырья проводили в фазу цветения генеративных растений с 10 образцов каждого таксона. Для количественного анализа цветки, стебли, листья и корневища высушивали до воздушно-сухого состояния, затем измельчали

• [1] . Отбор почвенных образцов осуществляли по стандартной методике [12].

Исследование элементного состава сырья проводили по методике № М-02-1009-05 атомной спектроскопии [13], почвы - атомноабсорбционным методом с электротермической атомизацией в соответствии с нормативным документом № М-02-1009-08 [14].

Для расчета коэффициента накопления (КН) необходимо количественное содержание элемента в сухой массе растений поделить на количество его подвижных форм в почве. В случае, если полученный коэффициент по показателям больше единицы, то это указывает на наличие барьера при поступлении элемента в растение [15].

Полученные данные обрабатывали математическими методами с помощью вариационной статистики, используя пакет программ AgCStat [16].

Результаты и их обсуждение. Полученные аналитические данные свидетельствуют о значительной изменчивости содержания мышьяка, свинца и кадмия в сырье пионов. Установлено, что изучаемые таксоны в большей степени накапливали свинец. Выявлено, что концентрация Pb превышает содержание в почве, значит можно говорить об активном процессе накопления данного элемента. Максимальную концентрацию свинца отметили в листьях большинства изученных таксонов: от 0,62 мг/кг у сорта Мустай Карим до 1,79 мг/кг у Jeanne d'Arc (табл.). Содержание свинца в других органах растений было в 1,2–2,8 раза ниже. Исключение составили таксоны Мустай Карим и P. delavayi , у которых количество свинца было выше в цветках, и вид P. lactiflora f. rosea с высоким содержанием исследуемого элемента в корнях.

Содержание As, Pb, Cd в разных частях растений рода Paeonia L. , мг/кг

Таксон	Орган	As	Pb	Cd
1	2	3	4	5
Аппассионата	Цветок	0,593±0,190	0,600±0,150	0,027±0,007
	Лист	0,462±0,148	1,395±0,349	0,017±0,004
	Стебель	0,425±0,136	1,107±0,277	0,030±0,008
	Корень	0,260±0,083	0,505±0,126	0,017±0,004
	Общее	1,74	3,61	0,09
Мустай Карим	Цветок	0,392±0,126	0,807±0,202	0,047±0,012
	Лист	0,567±0,182	0,625±0,156	0,050±0,013
	Стебель	0,422±0,135	0,565±0,141	0,075±0,019
	Корень	0,022±0,007	0,675±0,169	0,012±0,003
	Общее	1,40	2,67	0,18

Окончание табл.

1	2	3	4	5
Jeanne d'Arc	Цветок	0,382±0,122	0,757±0,189	0,023±0,006
	Лист	0,662±0,212	1,787±0,447	0,035±0,009
	Стебель	0,435±0,139	0,807±0,202	0,042±0,011
	Корень	0,482±0,154	0,842±0,211	0,020±0,005
	Общее	1,96	4,19	0,12
P. delavayi	Цветок	0,425±0,136	1,132±0,283	0,040±0,010
	Лист	0,557±0,178	0,776±0,194	0,022±0,006
	Стебель	0,485±0,155	1,130±0,282	0,030±0,008
	Корень	0,467±0,150	0,892±0,223	0,010±0,003
	Общее	1,93	3,93	0,10
P. lactiflora	Цветок	0,465±0,149	0,592±0,148	0,037±0,0010
	Лист	0,920±0,294	0,795±0,199	0,022±0,006
	Стебель	0,432±0,138	0,550±0,137	0,030±0,008
	Корень	0,277±0,089	0,752±0,188	0,027±0,007
	Общее	2,09	2,69	0,12
P. lactiflora f. rosea	Цветок	0,670±0,214	0,652±0,163	0,105±0,027
	Лист	0,830±0,266	0,875±0,219	0,115±0,030
	Стебель	0,690±0,221	0,462±0,116	0,117±0,030
	Корень	0,315±0,101	1,230±0,307	0,050±0,013
	Общее	2,51	3,22	0,39
P. peregrina	Цветок	0,467±0,150	0,757±0,189	0,045±0,012
	Лист	0,610±0,195	1,625±0,406	0,027±0,007
	Стебель	0,545±0,174	0,597±0,149	0,042±0,011
	Корень	0,357±0,114	0,845±0,211	0,030±0,008
	Общее	1,98	3,83	0,14
Почва		0,593±0,190	0,48±0,1248	0,03±0,008

Следующим элементом по объему накопления оказался мышьяк. Отмечено, что максимальное его содержание наблюдали в листьях изучаемых таксонов (0,56–0,92 мг/кг). Концентрация изучаемого элемента в других видах сырья была в 1,2–25,8 раза меньше. Отмечено, что только у сорта Аппассионата наибольшее содержание мышьяка отмечали в цветках (0,59 мг/кг).

Отмечено, что кадмий накапливался в 1,7– 34,5 раза меньше, чем свинец и мышьяк. Выявлено, что у четырех таксонов ( P. lactiflora f. rosea , Jeanne d'Arc, Аппассионата, Мустай Карим) большая концентрация данного элемента отмечена в стеблях (0,03–0,12 мг/кг), у остальных в цветках (0,037–0,045 мг/кг). В других органах содержание кадмия в 1,2–6 раз ниже.

По суммарному содержанию изучаемых элементов в анализируемых частях растений таксоны можно расположить по увеличению их количества в следующие ряды:

мышьяк: Мустай Карим <‘Аппассионата <  P. Delavayi < Jeanne d'Arc <  P. Peregrina <  P. Lactiflora <  P. lactiflora f. rosea ;

свинец: Мустай Карим <  P. Lactiflora <  P. Lac-tiflora f. Rosea < ‘Аппассионата <  P. peregrina <  P. delavayi < Jeanne d'Arc;

кадмий: Аппассионата <  P. delavayi <  P. Lacti-flora <  Jeanne d'Arc < P. peregrina < Мустай Карим <  P. lactiflora f. rosea .

Анализ полученных коэффициентов накопления (КН) выявил, что представители рода Paeo-nia из всех изученных элементов максимально аккумулировали свинец (КН в листьях в среднем составлял 2,3; в стеблях - 1,5) в отличие от мышьяка (КН в листьях - 1,1; в корнях - 0,5) и кадмия (КН в стеблях - 1,6; в корнях - 0,72) (рис.).

На основе изучения средних значений коэффициентов накопления изучаемых металлов для разных частей растений рода Paeonia были построены эмпирические ряды. Для цветков, листьев и корней эмпирический ряд имеет следующий вид: Pb > Cd > As; для стеблей: Cd > Pb > As. Анализ рядов накопления показал, что в листьях, цветках и корнях интенсивнее накапливается свинец, в стеблях – кадмий.

■ As ИРЬ Bed

Коэффициенты накопления As, Pb, Cd разными частями растений рода Paeonia L.: а – цветок; б – лист; в - стебель, г – корень

Выявлено, что коэффициент накопления свинца в листьях четырех таксонов (Jeanne d'Arc, Аппассионата, P. lactiflora, P. peregrina ) в 1,2–2,7 раза выше, чем в других органах. У сорта Мустай Карим и вида P. delavayi данный параметр был выше в 1,2–1,5 раза в цветках, а у P. lactiflora f. rosea - в 1,4–2,6 раза в корнях.

Коэффициент накопления мышьяка у большинства таксонов оказался выше в 1,2–25,9 раза в листьях, чем в других органах, исключение составил сорт Аппассионата, у которого изучаемый параметр был выше в цветках.

Максимальный коэффициент накопления кадмия отмечался в листьях четырех таксонов (Jeanne d'Arc, Аппассионата, Мустай Карим, P. Lactiflora f. rosea) и цветках трех видов ( P. dela-vayi, P. lactiflora, P. peregrina ). Он был выше в 1,2–6 раз по сравнению с другими органами.

Заключение. В ходе проведенных исследований было определено содержание мышьяка, свинца и кадмия в разных частях растений рода Paeonia и показано, что оно изменяется в достаточной степени. Так, содержание кадмия в среднем составляет 0,04 мг/кг; свинца – 0,85; мышьяка - 0,49 мг/кг. Коэффициент накопления мышьяка у некоторых представителей рода Paeonia из коллекции ЮУБСИ УФИЦ РАН в среднем равен 0,82; свинца – 1,8; кадмия – 1,2. Таким образом, в условиях урбанизированной среды растения безбарьерно поглощают мышьяк, а для свинца и кадмия характерен барьерный тип поглощения.