CC BY
11
УДК 631.95:631.445.2
Сштинський В.В., д.б.н., професор, Качмар Н.В., к.с.-г.н., старший викладач, Лозовицька Т.М., к.с.-г.н., в.о. доцента, Мазурак О.Т., к.т.н., доцент © Лъв\всъкий нацюналъний аграрнийутеерситет
ВПЛИВ IOHIB СВИНЦЮ НА ПИТОМУ ПОВЕРХНЮ KOPEHIB ЯЧМЕНЮ (Hordeum sativum distichum)
Метою проведения дослгдженъ було визначення вплыву концентрацИ i часу тривання свищевого стресу на змту питомог noeepxni коретв. Об'ектом дослгдження були кореш ячменю ярого сорту Пеяс. До темно-арого отдзоленого грунту було внесено сол1 свинцю у вигляд1 Pb(CH3COO)2 у концентрац1ях: 32; 160 i 320 мг/кг грунту. Питому поверхню визначали з iзотерм адсорбцп (за теор1ею БЕТ), для коретв 3i6panux у фаз1 cxodie i у фаз1 поено! стиглост1. Шд впливом ionie свинцю питома поверхня коретв зменшилася. 1стотний вплив на змту питомог noeepxni мае час тривання стресу.
Ключов1 слова: питома поверхня, свинецъ, корет.
Вступ. Пнтома поверхня е одшею з ф1зико-х1м1чних величин, яка характеризуе сорбцш i транспорт води, макро- i м1кроелемент1в, а також токсичних елемент1в через коршь. Для вим1рювань природно! поверхш найчастше використовуеться метод адсорбци-десорбци водяно! пари (полярного адсорбенту) або азоту (неполярного адсорбенту) [2, 3, 7].
У випадку декшькох адсорбент1в (таких, як ¿деальн1 кристали) питома поверхня може розглядатися як реальна поверхня адсорбенту (на одиницю його маси), який бере участь в адсорбцшному процес1. Проте для бшьшост1 реальних твердих т1л поверхню адсорбенту потр1бно розглядати швидше як вщносний параметр (тобто, для пор1вняння р1зних), тому що адсорбован1 молекули можуть волод1ти зовн1шньою нестаб1льн1стю розм1ру [6].
Поняття "питома поверхня" (surface area) застосовують для поверхн1 з ч1тко зазначеною р1зницею м1ж процесом адсорбц11 i процесом абсорбц11 (наприклад, м1неральних грунт1в). Для орган1чних адсорбента межа м1ж цими процесами е досить складною для визначення. Тому також Chiou i сп1вавтори запропонували у випадку орган1чних адсорбент1в застосовувати зам1сть терм1на "питома поверхня" (surface area) термш "очевидна питома поверхня" (apparent surface area), яка визначаеться полярним адсорбентом (водяна пара) [5]. Проте на даний час немае едино! думки щодо назви даного показника у випадку орган1чних адсорбента. Тому в наш1й робот1 застосовано терм1н "питома поверхня корен1в" (оргашчний адсорбент).
Метою проведених досл1джень було визначення впливу р1зно! концентрац1! i часу тривання свинцевого стресу на питому поверхню корешв ячменю, що визначаеться з ¿зотерм адсорбц1! водяно! пари.
© Сштинський В.В., Качмар Н.В., Лозовицька Т.М., Мазурак О.Т., 2012
328
Матер1али i методи. Для визначення впливу ioHiB свинцю на величину питомо1 поверхн1 використано корен1 ячменю, яю були вадбраш у фаз! сход1в i у фаз! повно1 стиглостг
Для опису даних, отриманих у результат! проведения дослщжень, застосовано модель адсорбци БЕТ. Цей метод розроблений такими авторами: Brunauer S., Emmet P.H., Teller E. [4, 8]. 1зотерма адсорбци БЕТ в лшшнш форм! виражаеться наступним р1внянням [5]:
y/a= 1/(amC)+x (C-1)/ (amC ) (1)
де y = x/(1-x); x = p/p0; p - це тиск; p0 (Па) - тиск насичено! пари при вим1рювальнш температур! T (K); am (кг/кг) е кшькютю адсорбованого адсорбенту при вщповщному тиску водяно! пари i при вщповщнш температур! T (K); C=exp[-(Ea-Ec)/RT], i це е стала в р!внянш при Еа енерги адсорбци i Ее енерги конденсаци i газовш стал! RT [7].
Коефщент кореляци, форма якого подаеться квадратна, був вищий, н1ж 0,98. Р1вняння БЕТ було виведено на ochobI модел1 адсорбцИ локал1зовано! на гомогенн1й поверхш. Дане р1вняння охоплюе меж1 вщносних тиск1в адсорбенту p/p0 в1д 0,05 до 0,35. На пщстав1 р1вняння (1) статистично визначено емк1сть моношару, вщповщно до яко! обчислено питому поверхню корен1в S з р1вняння (2):
S= Lroam/M (2)
де L (моль) - це число Авогадро; со (м2) =1,08-10 19 i е площею, яку займае одна молекула водяно! пари; M (кг/моль) - молекулярна маса одше! молекули водяно! пари.
Результати дослщжень. Стрес, який пов'язаний ¿з ф!тотоксичшстю важких метал1в (отже, i свинцем) в рослинному середовищ1 чи у грунтовому розчиш викликае зм1ни метабол1чних та ф1з1олог1чних процес1в в рослиш, а також е причиною И анатом1чних i морфолог1чних зм1н. Так1 зм1ни, як правило, викликають змши питомо! поверхн1 корен1в.
1з представлених (рис. 1) початкових фрагмент1в ¿зотерм адсорбцИ водяно! пари на коренях ячменю у фаз1 сход1в видно, що свинцевий стрес став причиною збшьшення к1лькост1 адсорбовано! водяно! пари на коренях рослин, як1 були вирощеш на забрудненому грунт1 свинцем у концентрацп 32 мг/кг (1 ГДК). Додаткове внесения свинцю у грунт в концентрацп 320 мг/кг (10 ГДК) стало причиною зменшення кшькост1 адсорбовано! водяно! пари на коренях.
На одному piBHi залишалась к1льк1сть адсорбовано! водяно! пари коренями контрольних рослин та коренями, яю отриман! з вар1анту, де грунт був забруднений в доз! 5 ГДК Pb2+ .
329
К • ^
а ю а о
о «
<
70 60 50 40 30 20 10
Фаза сход1в
-♦— Контроль -Л— 5 ГДК РЬ
0,4
■ 1 ГДК РЬ
■ 10 ГДК РЬ
Фаза повно! стиглосп
и
и «
к • ^
а ю а о о
3
70 60 50 40 30 20 10
0,2 р/р0
0,4
— Контроль -Л— 5 ГДК РЬ
1 ГДК РЬ 10 ГДК РЬ
0
0
Рис. 1 1зотерми адсорбцп водяноУ пари для корешв ячменю за умов забруднення грунту свинцем (фаза сход1в 1 фаза повноУ стиглосп)
У даному випадку (кореш з!браш в фаз1 повно! стиглосп) свинець, не був причиною виразного зниження к1лькост1 адсорбовано! водяно! пари пор1вняно з коренями, як1 проростали I розвивалися при вщсутносп свинцевого стресу.
Винятком були кореш з вар1анта досл1ду на якому грунт зазнав свинцевого навантаження в доз1 10 ГДК РЬ2+, де спостер1галося явище зменшення к1лькост1 адсорбовано! водяно! пари даними коренями.
Питома поверхня корен!в, з!браних у фаз! повно! стиглост!, як! проростали пщ д!ею свинцевого навантаження, ч!тко зб!льшилася в!дносно з!браних корен!в у фаз! сход!в, проте залишалася меншою в!дносно контрольних корен!в. Найменшим значениям ще! величини характеризувалися корен!, як! були пщдаш най!нтенсивн!шому впливу свинцю, де ця величина на 17,2 % була меншою пор!вняно з контролем. В обох випадках (фаза сход!в ! фаза повно! стиглост!) свинець у концентраци, яка перевищуе ГДК у 10 раз!в, став причиною найбшьшого зменшення величини питомо! поверхн!. Н! молод! рослини (фаза сход!в), н! рослини старш! (фаза повно! стиглост!) не здатш за такого р!вня свинцевого забруднення грунту утримувати значения даного показника на безпечному для себе р!вн!.
Не виявлено ¿стотних зм!н питомо! поверхн! м!ж коренями, з!браними в фаз! повно! стиглост! при концентраци забруднення грунту в доз! 1 ! 5 ГДК РЬ2+. Схожа ситуащя спостер!галася ! для корен!в з!браних у фаз! сход!в, де значения показника знаходилося на одному р!вш для контрольних корен!в ! корешв, з!браних з вар!анта досл!ду 5 ГДК РЬ2+.
330
Свинець, внесений у грунт в доз1 1 ГДК РЬ2+, став причиною збшьшення дослщжуваного показника у пор1внянш з контролем на 3,3 %. Таке збшьшення показника пов'язане з тим, що при невисоких р1внях концентраци свинцю у грунл, рослина ще здатна "включати" певш захисш мехашзми, \ тому питома поверхня е бшьшою (табл. 1).
Таблиця 1
Питома поверхня (8, м2/г) корешв ячменю, вирощених на забрудненому
свинцем Грунт1
Вар1ант дослщу 8
фаза сход1в фаза повно! стиглосп
Контроль 143,5±0,2 160,9±0,5
1 ГДК РЬ2+ 148,3±0,9 152,3±0,7
5 ГДК РЬ2+ 143,2±1,3 150,4±0,7
10 ГДК РЬ2+ 118,8±0,6 133,2±1,9
В м1ру збшьшення концентраци металу в грунт1 вш порушуе процес проходження реакцш в рослиш, яка не здатна "боротися" в присутност1 високих концентрацш свинцю, отже, вщповщно, знижуеться I питома поверхня внаслщок блокування карбоксильних груп.
Свинець, штучно внесений у грунт у концентращях вищих за ГДК, спричиняв здебшьшого негативний вплив на дослщжуваний показник.
Концентращя юшв свинцю в дослщжуваних коренях ячменю безпосередньо пов'язана ¿з змшою величини питомо! поверхш. Вплив на вщм1чеш змши питомо! поверхш дослщжуваних корешв мають мехашзми стшкосп само! рослини ¿/або ф1зюлопчш змши, що проходять у коренях пщ впливом ф1тотоксичност1 свинцю.
Важк1 метали зв'язуються з оболонкою кл1тини ковалентними зв'язками з вшьними карбоксильними й амшогрупами, юнними зв'язками з карбоксильними та сульфщгщрильними трупами бшкового компонента, а також шляхом хелатування. Карбоксильш групи полкахарид1в також ввдграють важливу роль у процеа поглинання метал1в. Завдяки тому, що свинець волод1е високою спорщнешстю з пол1галактуроновою кислотою, його ¿они здатш мщно зв'язуються з вуглеводами кл1тинно! стшки [1, 9]. Внаслщок цього в кл1тиннш стшщ накопичувалася висока концентращя свинцю, яка, як видно з отриманих даних (табл. 1), знижувала питому поверхню корешв, а особливо у молодих рослин.
Висновки. Отже, старш1 рослини (фаза повно! стиглост1) пор1вняно з рослинами, анал1зованими у фаз1 сход1в, виявилися менш стшкими до дп на них свинцю, змши показника були суттевими на уЫх вар1антах дослщу. Проте на ус1х вар1антах дослщу свинець став причиною зниження питомо! поверхш корешв ячменю ярого. Реакщя рослин на стрес залежить вщ стшкост1 рослин, тривалост1 дп стресового фактору, а також його штенсивностг
331
Л1тература
1. Скопецька О. В. Комплексный еколого-ф1зюлопчний анал1з м1граци та нагромадження свинцю в агроекосистемах / О. В. Скопецька, О. I. Косик, М. М. MycieHKO // Физиология и биохимия культурных растений. - 2004. - Т. 36, № 1. - С. 27-35.
2. Теории и методы физики почв : кол. монография / [под ред. Е. В. Шеина, Л. О. Карпачевского]. - М. : Гриф и К, 2007. - 616 с.
3. Шеин Е. В. Курс физики : учебник / Е. В. Шеин. - М. : Изд-во МГУ, 2005. - 432 с.
4. Brunauer S. Adsorption of gases in multimolecular layers / S. Brunauer, P. Emmet, E. Teller // J. Am. Chem. Soc. - 1938. - P. 309-314.
5. Chiou C. T. The surface area of organic matter / C. T. Chiou, J. F. Lee, S. A. Boyd // Environ. Sci. Technol. - 1990. - № 24. - P. 1164-1166.
6. Determination of proton affinity distributions for humic substances / [Nederlof M. M., De Wit J. C., Riemsdijk W. H., Koopal L. K.] // Environ. Sci. Technol. - 1993. - Vol. 27, № 5. - P. 846-856.
7. Hrebelna N. Wplyw jonow kadmu na pozorn^ powierzchni^ wlasciw^ korzeni j^czmienia (hordeum vulgare. L) / N. Hrebelna, A. Szatanik-Kloc, Z. Sokolowska // Acta Agrophysica 162. - Lublin, 2008. - Vol. 12, № 2. - S. 337-345.
8. Oscik J. Adsorption / J. Oscik. - PWS Ellis Horwood Ltd. Publish. Chichester, 1982. - P. 4-206.
9. Sentenac H. A model for predicting ionic equilibrium concentrations in cell walls / H. Sentenac, C. Gordon // Plant Physiol. - 1981. - Vol. 68, № 2. - P. 415419.
Summary
Snitynskyy V.V., Kachmar N.V., Lozovycka T. M., Mazurak O.T. Lviv National Agrarian University EFFECT OF LEAD IONS ON APPARENT SURFACE AREA OF BARLEY ROOTS (Hordeum sativum distichum)
The aim of investigations was to determine of influence of intensity and lead stress time on changes of apparent surface area of the roots. The spring barley roots variety Peas were studied. Lead was added to the soil (dark-grey podzolic) as a Pb(CH3COO)2 in the concentration of 32, 160 and 320 mg Pb+2 per kg of the soil. From the isotherms, apparent surface area was calculated using BET theory. The apparent surface area of the roots of the emergence stage and full maturity stage were studied. Under the influence of Pb +2 ions, apparent surface area decreased. Stress time influenced significantly on surface area changes. Key words: apparent surface area, lead, roots.
Рецензент - д.с.-г.н., професор Швторак Я.1.
332
