Влияние растворимых соединений марганца на высшие растения и оценка фитоэкстракционной способности растений

Марганец поступает в почву и водоемы в результате природных процессов - выщелачивания железомарганцевых руд, горизонтов почвогрунтов и разложения растительных остатков; из техногенных источников - с выбросами предприятий черной и цветной металлургии, при нефтедобыче и нефтепереработке, добыче железной руды, при использовании минеральных удобрений в сельском хозяйстве [1,2].

В почве под воздействием различных процессов соединения марганца распределяются по ее компонентам: металл входит в состав кристаллической решетки минералов, адсорбируется на поверхности почвенной биоты, соединяется с оксидами и гидроксидами железа, находится в растворенном состоянии в почвенном растворе.

Из водорастворимых соединений в почве встречаются соли Мn²⁺: Mn(NO₃)₂ ^. 6H₂O; MnSO₄ ^. (NH₄)₂ ^. 6H₂O; MnSO₄ ^. nH₂O; MnCl₂; MnCl₂ ^. 4H₂O и комплексные соединения, их содержание возрастает в условиях кислой реакции среды [3]. В водоемах 98% марганца, как правило, находится во взвешенной форме, концентрация водорастворимых соединений увеличивается при низких окислительно-восстановительных потенциалах и значениях pH [4].

Ионы марганца, подобно катионам других металлов, проникают в растения через корни, лишь незначительное количество Mn может поступать через листья из атмосферных осадков [3, 4]. Марганец является эссенциальным микро

Каменец Алексей Федорович, аспирант кафедры «Природная и техносферная безопасность».

Шилова Наталья Александровна, кандидат биологических наук, доцент кафедры «Природная и техносферная безопасность».

элементом для растений. Известно более 35 ферментов, активируемых марганцем, большинство из них являются катализаторами реакций окисления-восстановления, декарбоксилирования, гидролиза. Марганцевозависимые ферменты участвуют в биосинтезе ароматических аминокислот, лигнина, флавоноидов, каротиноидов и стеролов, в процессе фотосинтеза. Ионы марганца активно влияют на структуру и функции хроматина, они необходимы для репликации и функционирования ДНК и РНК-полимераз, т.е. участвуют в процессах деления клеток и размножении [4].

С другой стороны, повышение содержания марганца приводит к угнетению и гибели растений. Токсичность элемента проявляется на кислых дерново-подзолистых почвах, особенно при повышенной влажности, образовании корки и внесении физиологически кислых удобрений без их нейтрализации, т.е. в условиях образования водорастворимых соединений марганца.

Известны растения, устойчивые к высоким концентрациям металлов и накапливающие их повышенное количество. Способность растений извлекать из окружающей среды тяжёлые металлы используют в фиторемедиации – комплексе методов очистки сточных вод, грунтов и атмосферного воздуха [5].

Высокой экстрагирующей активностью по отношению к тяжёлым металлам обладают тростник обыкновенный ( Phragmites australis ) и бархатцы мелкоцветные ( Tagetes patula L . ) [6]. P. australis – укореняющийся макрофит, способный аккумулировать химические вещества, в том числе тяжёлые металлы, очищать воду от взвешенных частиц. T. patula L . – декоративное однолетнее растение, также проявляет способность экстрагировать тяжёлые металлы из почвы, например, цинк, медь, мышьяк при содержании выше ПДК.

Вопросы толерантности и экстракционной способности растений по отношению к соедине- ниям марганца изучены недостаточно, поэтому целью данной работы явилось исследование эффектов воздействия ионов марганца на рост высших растений T. patula L. и P. australis и оценка способности растений аккумулировать марганец.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

В работе использовали высшие растения: 1) бархатцы мелкоцветные ( T. patula L.), 2) тростник обыкновенный ( P. australis). Культивирование проводили в чернозёме с внесенным в него MnSO₄ ^. H₂O, pH=7.

Для создания модельных почв, загрязнённых ионами Mn²⁺, в образцы природного чернозёма (m=0,45 кг) вносили в виде водного раствора (V=0,1 л) соль MnSO₄ ^. H₂O в определенных концентрациях и тщательно перемешивали. В экспериментах использовали образцы почвы: К – контрольный образец, без добавления ионов Mn²⁺; 1 – концентрация ионов Mn²⁺ 140 мг/кг (1 ПДК); 2 – концентрация ионов Mn²⁺ 1400 мг/кг (10 ПДК); 3 – концентрация ионов Mn²⁺4200 мг/кг (30 ПДК) [7].

В модельные почвы высаживали 10-дневную рассаду T. рatula и P. australis по одному растению в контейнер (450 г почвы), опыт осуществляли в пяти повторностях. На протяжении 24 дней наблюдали за ростом растений, особенностями их развития и поддерживали почву в увлажненном состоянии. Эксперимент проводили в сентябре месяце, в застекленной теплице, в условиях естественного освещения при температуре 22-25°С, растения поливали не менее 1 раза в 3 дня в объеме 75-100 мл/кг почвы.

Через 24 дня производили отбор и подготовку анализируемых образцов почв и растений, согласно нормативным документам [8,9]. Анализ содержания марганца в подготовленных пробах почвы и фитомассы проводили рентгенофлуоресцентным способом на Спектроскане Макс-G.

Математическую обработку результатов эксперимента проводили с использованием ком- пьютерной программы Microsoft Excel. Рассчитывали среднее арифметическое, доверительный интервал, стандартное отклонение. Статистическая достоверность всех представленных результатов оценивалась с использованием t-критерия Стьюдента и составляла 95%.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

Растительные культуры T. patula L. и P. australis культивировали в течение 24 суток на почвах, загрязнённых Mn²⁺, наблюдали за их ростом и развитием: измеряли высоту стебля, длину листьев, количество листьев, фиксировали у бархатцев появление бутонов. Результаты измерений приведены в табл. 1, из которой видно, что при концентрации Mn²⁺ 1 и 10 ПДК у бархатцев наблюдалось увеличение высоты стебля, при концентрации 30 ПДК - замедление роста стебля, нарушение развития листовых пластин, ускорение бутонообразования. У тростника при загрязнении почвы ионами марганца фиксировали увеличение длины листьев, отрицательного воздействия марганца на его рост и развитие не обнаружено.

Далее была проведена оценка фитореме-диационной способности растений. Для этого до и после их культивирования образцы почвы анализировали на валовое содержание марганца. Из данных, приведенных в табл. 2, видно, что в процессе культивирования бархатцев и тростника содержание марганца в почве уменьшается, это может свидетельствовать о накоплении металла в биомассе растений.

На рис. 1 приведены значения изменения концентрации марганца в почве в результате культивирования T. patula и P. аustralis, из которых видно, что, чем выше исходная масса марганца в почве, тем больше металла переходит из почвы в растение.

Рассчитана степень поглощения марганца T. patula и P. australis (рис. 2) по формуле (1):

Таблица 1. Изменение показателей роста растений при выращивании в почвах, содержащих ионы Mn²⁺, в течение 24 суток

Растение	T. patula L				P. australis
Образцы почвы	Изменение высоты стебля, см	Изменение длины листьев, см	Изменение кол-ва пар листьев	Кол-во бутонов	Изменение высоты стебля, см	Изменение длины листьев, см	Изменение кол-ва листьев
К	3,5±0,5	1,8±0,3	3±0,4	0	3,1±1,1	0,7±1,1	1±0,8
1	4,2±0,4	1,5±0,5	4±1,1	1зачаточный	4,0±1,2	3,1±1,2	2±0,1
2	4,1±0,1	1,6±0,3	3±0,6	1зачаточный	4,2±0,3	4,3±2,5	1±0,5
3	2,5±0,1	0,7±0,3	3±0,4	1бутон	4,5±0,4	3,9±2,0	1±0,1

Таблица 2. Среднее содержание марганца в образцах почвы до и после культивирования T. patula L . и P. australis

Образцы почвы	Масса марганца в почве (450 г) до начала эксперимента, мг	Масса марганца в почве после культивирования T. patula L в мг	Масса марганца в почве после культивирования P. australis в мг
К	3,1±0,1	1,8±0,3	1,8±0,9
1	66,1±1,2	64,3±1,4	61,4±2,0
2	633,1±5,1	617,5±6,5	601,9±11,5
3	1893,2±10,1	1826,8±11,5	1788,7±30,4

Э=(m1–m2)/m1•100%,           (1)

где m1 – масса металла в почве до культивирования растений;

m2 – масса металла в почве после культивирования растений.

Из диаграммы (рис. 2) видно, что наибольшая степень поглощения марганца обоими видами растений зафиксирована в контрольных образцах с концентрацией 6,9 мг/кг, т.е. уже на начальной стадии вегетации на незагрязненных марганцем

□ эксперимент с Т. patula L .          И эксперимент с Р. australis

Рис. 1. Изменение концентрации марганца в почве (мг/кг) в результате культивирования T. patula L. и P. australis в зависимости от исходной концентрации Mn²⁺

Рис. 2. Степень поглощения марганца T. patula и P. australis почвах растения используют более 40 % общего Mn для своего роста и развития. В случае загрязнения почв металлом на уровне 1, 10, 30 ПДК степень поглощения марганца бархатцами составляет 2,7, 2,5, 3,5%, тростником – 7,1, 4,9, 5,5%, поглощенный марганец растения используют в биохимических процессах.

Если принять, что изменение концентрации марганца в почве обусловлено его аккумуляцией в растительной культуре, можно рассчитать концентрацию (табл. 4) металла в сухой фитомассе (СMn., мг/г сух.веса) по формуле (2):

СMn.=(m1-m2)/ mраст,             (2)

где m1 – масса марганца в почве до культивирования растений, мг;

m2 – масса марганца в почве после культивирования растений, мг;

mраст – масса растения, г.

Рассчитанные величины мы сравнили с результатами измерения концентрации марганца в фитомассе рентгенофлуоресцентным методом (табл. 3). Видно, что результаты

ВЫВОДЫ

При культивировании растений T. patula L. и P. australis в почвах, загрязненных сульфатом марганца (II) на уровне 1, 10 и 30 ПДК, в течение 24 суток нами установлено, что Mn2+ проявляет токсичность по отношению к бархатцам при концентрации 30 ПДК и не оказывает токсического действия на ростки тростника. Растения обладают способностью аккумулировать марганец в фитомассе, эффективность поглощения металла составляет 2,5-3,5% – у бархатцев и 4,9-7,1% – у тростника и мало зависит от степени загрязнения почвы. На незагрязненных почвах (C = 6,9 мг/кг) степень поглощения марганца составляет более 40%, что свидетельствует о быстром истощении микроэлемента в почве при выращивании рас- тительных культур.

Устойчивость бархатцев и тростника к высоким концентрациям марганца в почве, способность растений экстрагировать металл свидетельствует о возможности применения данных

Таблица 2. Среднее содержание марганца в образцах почвы до и после культивирования T. patula L . и P. australis

Образцы почвы	Масса марганца в почве (450 г) до начала эксперимента, мг	Масса марганца в почве после культивирования T. patula L в мг	Масса марганца в почве после культивирования P. australis в мг
К	3,1±0,1	1,8±0,3	1,8±0,9
1	66,1±1,2	64,3±1,4	61,4±2,0
2	633,1±5,1	617,5±6,5	601,9±11,5
3	1893,2±10,1	1826,8±11,5	1788,7±30,4

Таблица 3. Расчетные и измеренные значения концентрации марганца в фитомассе T. patula L. и P. australis

Образец почвы Концентрация марганца в сухой фитомассе T. patula, мг/г сух. массы растения Концентрация марганца в сухой фитомассе P. australis, мг/г сух. массы растения Расчётные Измеренные Расчётные Измеренные К 0,056 ± 0,011 0,050± 0,011 0,066± 0,036 0,056± 0,036 1 0,085± 0,017 0,077± 0,017 0,205± 0,078 0,183 ± 0,077 2 0,669± 0,096 0,602 ± 0,096 1,325± 0,439 1,193 ± 0,440 3 3,003± 0,469 2,704 ± 0,468 4,541±1,190 4,087±1,191 расчетов и измерений совпадают, что свидетельствует о достоверности полученных нами данных.

Таким образом, установлено, что оба вида растений проявляют устойчивость к высоким концентрациям водорастворимых соединений марганца в почве. Токсический эффект марганца зафиксирован только при содержании его в почве на уровне 30 ПДК в отношении T. patula . Обнаружена способность растений аккумулировать ионы марганца (II), что определяет возможность их применения в фиторемедиационных мероприятиях.

культур в фиторемедиационных мероприятиях, например, T. patula L. – для очистки почв и индикации их загрязнения вблизи марганцевых обогатительных заводов, P. australis – на гидро-ботанических площадках очистных сооружений сточных вод металлургических предприятий.