CC BY
126
УДК 632.1:631.8
Экологические аспекты трансформации соединений свинца и меди в почве и растениях
А.Г. Гурин, д.с.-х.н. (ОрелГАУ)
Е.В. Шаранова (ОрелГАУ)
Определен новый подход к ПДК тяжелых металлов в почве, направленный на получение с техногенно загрязненной почвы гигиенически удовлетворительной продукции (если концентрация токсикантов в растениях, выращенных на загрязненной почве, меньше ПДК, установленной для продуктов питания, то такую почву можно считать условно чистой). Экспериментальными данными доказана эффективность применения известкования почвы, как приема детоксикации загрязняющих веществ.
Введение
Почвенный покров представляет собой своеобразный "Экран жизни" на нашей планете, подобный озоновому экрану. Это тонкий, всего несколько сантиметров пласт почвы кормит нас и, разрушив его, мы погубим все живое [2].
Почва является незаменимым исчерпаемым относительно возобновимым природным ресурсом. Для сохранения ее способности к восстановлению необходимы определенные условия, нарушение которых замедляет или вовсе прекращает процесс восстановления. Одним из деградационных процессов, в результате которого почва теряет свое плодородие, является загрязнение тяжелыми металлами.
техногенное загрязнение почвы вызывает тревогу не только потому, что оно может заметно снизить продуктивность растений, нарушить естественно сложившиеся фитоценозы, вызвать при определенных условиях угрозу серьезной деструкции ассимиляционного потенциала фитомассы, привести к нарушению нормальных процессов органогенеза, но и потому, что оно неизбежно приведет к последующему загрязнению других компонентов экосистем -через водные потоки и пищевые цепи, и в конечном итоге отрицательно скажется на качестве среды обитания человека. Дело усугубляется еще и тем, что растения без каких-либо признаков отравления и патологических изменений могут содержать опасные для животных и человека концентрации тяжелых металлов [1, 5]. Опасность, вызываемая загрязнением почв тяжелыми металлами, заключается еще и в слабом выведении их из почв (период полуудаления из почвы меди составляет приблизительно 1500 лет, свинца - несколько тысяч лет) [4].
Следовательно, возникает необходимость глубокого комплексного исследования закономерностей миграции и аккумуляции тяжелых металлов, значения в плодородии почв и роли в здоровье человека, выработки наиболее эффективного приема детоксикации загрязняющих веществ в почве для получения сельскохозяйственной продукции, удовлетворяющей санитарно-гигиеническим нормам.
Методика
В микрополевом опыте изучалось эффективность снижения транслокации тяжелых металлов свинца (РЬ) и меди (Си) в овощных культурах (луке, капусте, свекле
столовой), возделываемых на техногенно загрязненной почве, при применении органического удобрения и проведении известкования почвы. Кроме того, изучалось влияние уровня загрязнения почвы поллютантами на получение сельскохозяйственной продукции, удовлетворяющей санитарно-гигиеническим нормам.
Исследования проводились на серой лесной почве с содержанием гумуса в пахотном горизонте 2%, рНКС1 - 5,5. Для проведения эксперимента была подготовлена серия из трех отличающихся по содержанию тяжелого металла почв путем добавления химически чистой водорастворимой соли к незагрязненной почве. Свинец и медь вносили непосредственно перед посадкой сельскохозяйственных культур в виде уксуснокислого свинца и медного купороса из расчета на чистый металл для доведения концентрации токсиканта в почве до 1 ПДК (30 мг/кг РЬ и 55 мг/кг Си), 3 ПДК (90 мг/кг РЬ и 165 мг/кг Си) и 6 ПДК (180 мг/кг РЬ и 330 мг/кг Си). Содержание свинца и меди в почве и в растениях определяли методом атомно-адсорбционной спектрометрии.
Известь вносили в дозе, рассчитанной по сдвигу рН - 3,5 т/га, торфонавозный компост - 100 т/га.
Результаты и их обсуждение
трансформация соединений тяжелых металлов в системе почва-растение. В результате опытов было установлено, что химический состав растений, влияющий на гигиеническое качество сельскохозяйственной продукции, зависит от состава почв, на которых произрастают растения, но не повторяет его в связи с избирательностью поглощения растениями необходимых им элементов. При увеличении концентрации элементов в почвенном растворе, как видно из табл. 1, содержание свинца в растениях возрастает медленнее по сравнению с медью. Это связано с тем, что медь является биофильным элементом, а свинец - типичным антропогенным металлом, поглощение которого растениями происходит пассивно (коэффициент биологического поглощения (КБП, равный отношению концентрации ТМ в золе растений к содержанию данного элемента в почве) меди (КБПСи) для исследуемых культур в среднем составляет 0,166, а свинца (КБПРЬ) - 0,012).
Анализ экспериментальных данных позволяет исследуемые растения разделить по типу поглощения химических элементов (металлов) на безбарьер-
ные растения (лук) - концентрация тяжелых метал- ловая и капуста) - поглощение химического элемен-лов в растениях пропорциональна содержанию ток- та ослабевает в 2-3 раза, несмотря на увеличение его сикантов в почве и барьерные растения (свекла сто- содержания в почве (табл. 1).
Таблица 1 - Содержание тяжелых металлов в почве и в продукции, коэффициент биологического поглощения по вариантам опыта
Металл Вариант Среднее содержание в почве, мг/кг 2004 год 2005 год В среднем за 2 года исследований
Среднее содержание, мг/кг КБП Среднее содержание, мг/кг КБП Среднее содержание, мг/кг КБП
лук
Медь* контроль 13 5,2 0,4 4 0,31 4,6 0,35
0,2 ПДК 0,5 ПДК 0,4 ПДК 0,45 ПДК
1 1 ПДК 7,2 0,3 12 0,18 9,6 0,24
0,7 ПДК 1,2 ПДК 0,95 ПДК
2 3 ПДК 29 0,19 29 0,17 29 0,18
2,9 ПДК 2,9 ПДК 2,9 ПДК
3 6 ПДК 48 0,14 45 0,13 46,5 0,135
5 ПДК 4,5 ПДК 4,7 ПДК
Свинец* контроль 17,5 0,2 0,011 0,3 0,017 0,25 0,014
0,6 ПДК 0,4 ПДК 0,6 ПДК 0,5 ПДК
1 1 ПДК 0,43 0,02 1,0 0,036 0,7 0,028
0,9 ПДК 2 ПДК 1,45 ПДК
2 3 ПДК 1,4 0,013 1,6 0,015 1,5 0,014
2,8 ПДК 3,2 ПДК 3 ПДК
3 6 ПДК 2,9 0,017 2,8 0,016 2,85 0,0165
5,8 ПДК 5,6 ПДК 5,7 ПДК
свекла столовая
Медь контроль 13 8 0,6 4,1 0,32 7,05 0,46
0,2 ПДК 0,8 ПДК 0,4 ПДК 0,6 ПДК
1 1 ПДК 7,3 0,3 5,5 0,08 6,4 0,19
0,7 ПДК 0,5 ПДК 0,6 ПДК
2 3 ПДК 10 0,06 11,1 0,068 10,5 0,064
1 ПДК 1,1 ПДК 1,05 ПДК
3 6 ПДК 16,3 0,05 22,1 0,066 19,2 0,058
1,6 ПДК 2,2 ПДК 1,9 ПДК
Свинец контроль 17,5 0,3 0,017 0,25 0,014 0,27 0,015
0,6 ПДК 0,6 ПДК 0,5 ПДК 0,55 ПДК
1 1 ПДК 0,4 0,019 0,45 0,016 0,42 0,017
0,8 ПДК 0,9 ПДК 0,85 ПДК
2 3 ПДК 0,5 0,004 0,75 0,0072 0,62 0,0056
1 ПДК 1,5 ПДК 1,25 ПДК
3 6 ПДК 1,3 0,0077 1,37 0,0076 1,33 0,0076
2,6 ПДК 2,7 2,65 ПДК
капуста
Медь контроль 13 1,5 0,115 2,5 0,19 2 0,15
0,2 ПДК 0,15 ПДК 0,2 ПДК 0,17 ПДК
1 1 ПДК 1,9 0,076 4,6 0,068 3,25 0,072
0,2 ПДК 0,5 ПДК 0,35 ПДК
2 3 ПДК 9,5 0,063 8,2 0,05 8,8 0,056
0,9 ПДК 1 ПДК 0,95 ПДК
3 6 ПДК 13,4 0,038 16 0,048 14,7 0,043
1,3 ПДК 1,6 ПДК 1,45 ПДК
Свинец контроль 17,5 0,13 0,007 0,15 0,0086 0,14 0,0078
0,6 ПДК 0,26 ПДК 0,3 ПДК 0,28 ПДК
1 1 ПДК 0,16 0,0075 0,2 0,007 0,18 0,0072
0,32 ПДК 0,4 ПДК 0,36 ПДК
2 3 ПДК 0,45 0,004 0,3 0,0029 0,37 0,0034
0,9 ПДК 0,6 ПДК 0,75 ПДК
3 6 ПДК 0,86 0,0051 0,6 0,0033 0,73 0,0042
1,7 ПДК 1,2 ПДК 1,45 ПДК
* ПДК для свинца составляет 30 мг/кг почвы и 0,5 мг/кг сухой массы растений; ПДК для меди - 55 мг/кг почвы и 10 мг/кг сухой массы растений.
На основе полученных опытных данных мы установили пороговые концентрации токсичности для исследуемых растений. Так, для свеклы столовой токсично содержание меди и свинца в почве равное 3 ПДК; для капусты токсично содержание ионов-токсикантов в 6 ПДК; для лука недопустима концентрация меди в почве 3 ПДК, а свинца - 1 ПДК. Следовательно, если при выращивании сельскохозяйственных культур на почве, загрязненной тяжелыми металлами, их концентрация в растениях в фазу технической спелости меньше ПДК, установленной для продуктов питания, то такую почву можно считать условно чистой. такой подход к предельно допустимым концентрациям направлен на получение с загрязненных почв гигиенически удовлетворительной продукции.
Аккумуляция тяжелых металлов различными видами сельскохозяйственных культур. По накоплению тяжелых металлов исследуемые растения можно расположить в следующий ряд: лук > свекла столовая > капуста.
Главный путь поступления металлов в растения - это абсорбция корнями. Чем глубже в почву проникают корни растений, тем меньше накапливается в фитомассе тяжелых металлов, это связано с тем, что содержание токсикантов вниз по почвенному профилю снижается в среднем на 20 %. Таким образом, в фитомассе лука накапливается больше тяжелых металлов за счет формирования им поверхностной корневой системы.
Поступление в корни растений тяжелых металлов связано с почвенным раствором и, следовательно, с усвоением воды. Такие элементы как медь и свинец, как исключение, накапливаются активнее теми видами растений, которые характеризуются низким транс-пирационным коэффициентом. Из анализируемых нами овощных культур самые высокие требования к воде предъявляет капуста (расход воды на транспи-рацию составляет 10 л в сутки), которая, исходя из полученных результатов опытов, обладает наименьшей металлоаккумулирующей способностью.
Чем позже наступает репродуктивная фаза у растений, тем меньше (по времени) генеративные органы подвергаются воздействию избыточной концентрации тяжелых металлов, так как содержание доступных форм ионов-токсикантов в почве снижается в вегетативную фазу. В наших исследованиях наименьшими аккумулирующими свойствами обладает капуста с наибольшим периодом созревания из всех изучаемых культур.
Наши исследования доказали, что существует достаточно четкая отрицательная взаимосвязь между объемом основной продукции у исследуемых видов культурных растений и накоплением в их фитомассе тяжелых металлов. Это связано с «эффектом биологического разведения», который заключается в том, что перед началом активного роста растение предварительно накапливает необходимые элементы (поступают так же и тяжелые металлы), а
в последующем использует их на формирующуюся фитомассу, следовательно, концентрация элементов при этом снижается в расчете на единицу массы. Такого рода «разведение» тяжелых металлов в массивных по сравнению с другими видами растениях, как капуста, может быть очень значительным.
Следовательно, в условиях загрязнения почв нельзя вырастить диетически чистые зеленные овощи (лук, салаты и т.п.); промежуточное место по загрязнению занимают корнеплоды (столовая свекла); менее всего подвержены загрязнению плодовые овощи (капуста), так как для многих загрязнителей имеется физиологический барьер на границе растение/плод.
Накопление тяжелыгх металлов в различныгх органах сельскохозяйственные культур. Проникновение тяжелых металлов в растения через корневую систему зависит от их функций внутри растительного организма. Из путей поступления тяжелых металлов в растение следует остановиться на апо-плазматическом и симплазматическом. Апоплазма-тический путь проходит по свободному пространству клеточных оболочек и межклетников по принципу диффузии воды с растворенными в ней веществами. Этим путем в растение могут поступать случайные, ненужные для нормального метаболизма элементы. Таким образом, видимо, поступают тяжелые металлы, биологическое значение которых необъяснимо. Вероятность поступления в растения этих металлов возрастает с увеличением их содержания в почвенном растворе. Симплазматический путь носит избирательный характер. Как правило, случайные или вредные соединения и ионы не поступают в растения этим путем, так как блокируются в момент проникновения в плазму.
Из этого следует, что наличие двух путей перемещения зольных элементов в растении определяет разные уровни содержания тяжелых металлов в органах растительного организма: корнях, стеблях, листьях, репродуктивных частях (табл. 2, 3).
Таблица 2 - Распределение ТМ по органам столовой свеклы
Исследуемый металл Содержание ТМ в почве Содержание ТМ в различных органах свеклы, мг/кг
Корнеплод Корни Стебли и листья
Медь 6 ПДК 22,1 23 27,3
Свинец 6 ПДК 1,37 1,9 1,57
Таблица 3 - Распределение ТМ по органам капусты
Исследуемый металл Содержание ТМ в почве Содержание ТМ в различных органах капусты, мг/кг
Оберточный лист Середина кочана Кочерыга Корень
Медь 3 ПДК 8,1 8,2 11,4 14,2
Свинец 6 ПДК 0,69 0,6 1,2 1,64
В вегетативные части растений ионы металлов поступают преимущественно апоплазматическим путем, а в репродуктивные органы — симплазмати-
ческим. Биологический фильтр симплазмы защищает растения от неконтролируемого накопления тяжелых металлов. Будучи защищенными от поступления избытка тяжелых металлов (в пределах определенного диапазона их концентраций в почве), органы запасания ассимилятов (именно они являются основной целью возделывания большинства сельскохозяйственных культур) в наибольшей мере гарантируют сохранение санитарно-гигиенической чистоты продуктов растениеводства.
Следовательно, общей закономерностью является снижение содержания всех исследуемых металлов в запасающих органах по сравнению с вегетативными. Максимально содержание элемента-биофила Си в листьях, РЬ — в корнях.
Способы детоксикации тяжелых металлов в растениях, выращиваемых на техногенно загрязненной почве. К рекомендуемым приемам детоксикации избытка тяжелых металлов в почве относятся внесение извести и применение органических удобрений.
Органическое вещество выступает как хороший адсорбент катионов и анионов, повышает бу-ферность почвы, понижает концентрацию солей в почвенном растворе. С органическим веществом почвы металлы могут образовывать комплексные соединения, которые менее доступны для поглощения растениями. Поэтому на почвах с высоким содержанием органического вещества опасность накопления избыточного количества тяжелых металлов в растениях меньше, чем в малоплодородных с низким содержанием гумуса. Образующиеся металлоорганические комплексы являются в большинстве случаев неспособными к преодолению клеточных мембран на контакте почва - корень. Все это способствует снижению фитотоксичности многовалентных тяжелых металлов, препятствует их поступлению в растения.
Известкование обогащает почву кальцием, который способствует коагуляции почвенных коллоидов, укрепляет почвенные агрегаты, улучшает структуру почвы, косвенно влияет на окислительно-восстановительный потенциал, активизирует процессы окисления. Увеличение содержания водорастворимого и обменного кальция уменьшает способность корневой системы растений к поглощению ряда металлов. При увеличении рН почвенной среды тяжелые металлы выпадают в осадок в виде гид-роксидов и карбонатов.
Анализируя полученные экспериментальные данные, представленные на рис. 1-6 (вариант 1 - без добавления мелиорантов; вариант 2 - внесение органического удобрения; вариант 3 - известкование), можно сделать следующий вывод: среди исследуемых агрохимических приемов, позволяющих регулировать поступление тяжелых металлов в сельскохозяйственные растения, наибольший детоксикацион-ный эффект проявился при известковании почвы. Применение органического удобрения без изменения кислотности почвы оказалось менее эффективным.
3
Я
8 2,5
й
« 2
0
х
1,5
1 1 -О 0,5
0
■ 2,6
1,4
1 0,9 г
| 1
-22-
-07
1
2 Варианты 3
□ 1 ПДК в почве □ 3 ПДК в почве □ 6 ПДК в почве
Рисунок 1 - Зависимость содержания свинца в луке от его концентрации в почве и различных мелиоративных приемов
1 2 Варианты 3
□ 1 ПДК в почве □ 3 ПДК в почве □ 6 ПДК в почве
Рисунок 2 - Зависимость содержания меди в луке от его концентрации в почве и различных мелиоративных приемов
1,6
1,2
0,4
1,37
1,25
1
2 Варианты 3
□ 1 ПДК в почве □ 3 ПДК в почве
] 6 ПДК в почве
Рисунок 3 - Зависимость содержания свинца в свекле столовой от его концентрации в почве и различных мелиоративных приемов
В процентном соотношении эффективность нейтрализации кислой реакции почвенной среды при снижении токсического действия тяжелых металлов на растительные организмы выше, чем обогащение почвы органическим веществом без изменения рН.
После внесения органического удобрения концентрация РЬ в луке снизилась в среднем на 9,9%, а
2
!§ 0,8
0
после известкования почвы - на 25,5%; концентрация Си соответственно снизилась в среднем на 9,3% при внесении органического удобрения, и на 31,7% -при известковании почвы.
25
3 20
О Л
=§ 15
X
10
= 5
О 5
22,1 Ж 20,1
I 16,7
11 9,6
5,5 4,8 3,8
1 1 1
0
1 2 Варианты 3
□ 1 ПДК в почве □ 3 ПДК в почве □ 6 ПДК в почве
Рисунок 4 - Зависимость содержания меди в свекле столовой от его концентрации в почве и различных мелиоративных приемов
0,75
3 0,6
О О Л
ад 0,45
О
^
" 0,3 8
.о 0,15
0,6
0,53
0,49
0,3
0,2
0,26
0,17
1
2
Варианты
3
□ 1 ПДК в почве □ 3 ПДК в почве
6 ПДК в почве
Рисунок 5 - Зависимость содержания свинца в капусте от его концентрации в почве и различных мелиоративных приемов
1
2
Варианты
3
□ 1 ПДК в почве □ 3 ПДК в почве
6 ПДК в почве
Рисунок 6 - Зависимость содержания меди в капусте от его концентрации в почве и различных мелиоративных приемов
После внесения органического удобрения концентрация РЬ в свекле столовой снизилась в среднем
на 10,9%, а после известкования почвы - на 20,9%; концентрация Си соответственно снизилась в среднем на 11,7% при внесении органического удобрения, и на 27,8% - при известковании почвы.
После внесения органического удобрения концентрация РЬ в капусте снизилась в среднем на 13,3%, а после известкования почвы - на 21,1%; концентрация Си соответственно снизилась в среднем на 11,9% при внесении органического удобрения, и на 18,7% - при известковании почвы.
Внесение органического удобрения, как прием детоксикации избытка тяжелых металлов, имел наибольший положительный эффект при возделывании капусты. Наиболее отзывчивой культурой на изменение рН почвы оказался лук.
Известкование загрязненной почвы больше оказало влияние на снижение содержания меди в растениях, чем свинца.
Нейтрализация кислотности почвы не обеспечила получения растительной продукции лука, удовлетворяющей санитарно-гигиени-ческим показателям - опасное для человека содержание свинца в почве также как и до применения мелиоративных приемов составляет 1 ПДК (30 мг/кг почвы). Токсичная концентрация меди в почве в 1 ПДК (55 мг/кг) при известковании стала «безопасной» для получения товарной продукции, удовлетворяющей санитарно-гигиеническим нормам, так как концентрация иона-токсиканта в растении характеризует уровень, не достигший предельного значения, а именно 7,5 мг/кг сух. массы. Следовательно, почву с концентрацией меди, равной 1 ПДК, после применение такого приема детоксикации как известкование можно считать условно чистой и пригодной для выращивания лука.
Такой же вывод можно сделать и по другим исследуемым культурам. Условно безопасной почвой для получения незагрязненной сельскохозяйственной продукции является: почва с концентрацией свинца в 1 ПДК или 30 мг/кг, меди в 3 ПДК или 165 мг/кг для выращивания свеклы столовой; для капусты же приемлемо содержание в почве свинца в 6 ПДК или 180 мг/кг и меди в 3 ПДК или 165 мг/кг.
Фитотоксичность тяжелых металлов. На фитотоксичность металлов влияют почвенные факторы, такие, как рН, катионная обменная способность почвы, содержание органического вещества. Сохранение рН в пределах 6,0 в почвах с существенным содержанием тяжелых металлов предотвращает фитотоксичность многих из них, но те же концентрации металлов при рН 5,5 могут стать летальными для растений, так как кислотность почв влияет на подвижность металлов и усвоение их корневыми системами растений. Органическое вещество почвы неодинаково удерживает различные металлы. По результатам опытов свинец фиксируется им в большей степени, чем медь.
Обеспечение сельскохозяйственных культур элементами питания, фаза роста, глубина проникно-
0
вения корней, продолжительность вегетационного периода растений влияют на их толерантность к тяжелым металлам. Агротехнические приемы, такие, как удобрение, известкование и др., могут снижать или усиливать токсический эффект металлов. Изменение таких условий выращивания растений, как освещенность, температура и увлажнение, влияет на подвижность и трансформацию тяжелых металлов в почвенной среде и растениях; а также на взаимодействие между растением и металлами.
Из изложенного выше видно, что установить величину фитотоксичности металла для растений достаточно трудно. Эту задачу приходится решать каждый раз для различных культур с учетом их чувствительности к металлам, а также на различных почвах для одного и того же вида растений с учетом применения удобрений, мелиорантов и генетических особенностей почвы. Этим можно объяснить разную оценку фитотоксичности одного и того же тяжелого металла, встречаемую в работах разных ученых, занимающихся исследованием данного вопроса.
В наших исследованиях установлен следующий ряд фитотоксичности: Си < РЬ.
До сих пор мы обсуждали влияние техногенного загрязнения почвы тяжелыми металлами на содержание последних в растениях вообще и в товарной продукции в особенности. Многочисленные работы свидетельствуют, что именно эта качественная характеристика получаемой растительной продукции является с точки зрения гигиены питания наиболее важной. Вместе с тем, не следует игнорировать и другие вопросы проблемы, а именно воздействие избыточного поступления тяжелых металлов в растения на урожай и его питательную ценность. Именно эти показатели приобретают большое экономическое значение при получении растительной продукции, не содержащей опасной концентрации тяжелых металлов, с техно-генно загрязненной почвы.
Приведенные ранее экспериментальные данные свидетельствуют о наличии у растений механизма защиты от избытка тяжелых металлов, поступающих из почвы. Однако при возрастании потока защитные возможности иссякают: тяжелые металлы начинают накапливаться в метаболических центрах, тормозя и нарушая продукционный процесс, что
приводит к снижению урожая. Выше изложенное подтверждают данные таблицы 4.
Диапазон толерантности растения зависит от вида растений и токсичности металла. Капуста более толерантна, чем лук, а Си менее токсичный элемент по сравнению с РЬ. Подтверждением этому являются результаты опытов.
Наиболее уязвимым к высоким концентрациям тяжелых металлов в почве по всем результатам опытов оказался лук, о чем свидетельствует падение урожайности в опытах, а концентрация 6 ПДК Си и РЬ для него является фитотоксичной, т.е. урожайность снизилась на 24 - 31%.
Степень угнетения разных культур одной и той же концентрацией тяжелого металла неодинаковая. Об этом свидетельствуют результаты опытов, по которым нетрудно найти концентрацию тяжелого металла, снижающую урожай на определенную величину. Снижение урожая (табл. 4) лука началось при содержании Си в почве равное 1 ПДК, тогда как 14 %-е его падение в результате торможения роста, было вызвано накоплением тяжелого металла в растительной ткани, равным 29 мг; при концентрации 45 мг/кг сух. массы наблюдалось снижение урожая на 24% и хлороз листьев. Сопоставляя эти данные с гигиеническими нормами, можно сделать вывод, что 14 %-ое снижение урожая лука свидетельствует о накоплении токсичной концентрации ионов-токсикантов в растение и, как следствие, потребление такого урожая становится опасным для человека. Такая же закономерность наблюдается и при возделывании лука на почве, загрязненной ионами свинца, только в связи большей токсичностью поллютанта наблюдается большее падение урожая.
При наличии различной степени толерантности культурных растений к избыточной концентрации тяжелых металлов возможны две неодинаковые по последствиям ситуации. Первая из них — благоприятная — возникает, когда чувствительность сельскохозяйственных культур к избытку тяжелых металлов высокая и поллютанты начинают оказывать негативное воздействие на рост и развитие растений в концентрациях, еще безопасных для здоровья человека как, например, с луком.
Таблица 4 - Урожайность культур в опыте
Приемы детоксикации ТМ в почве Урожайность сельскохозяйственных культур, ц/га
лук | свекла столовая капуста
медь
Содержание токсикантов в почве 1 ПДК | 3 ПДК | 6 ПДК 1 ПДК | 3 ПДК | 6 ПДК 1 ПДК | 3 ПДК | 6 ПДК
Контроль 145 200 320
Без добавления мелиоранта 138 125 110 215 190 185 330 320 305
Внесено органическое удобрение 140 135 120 215 210 190 340 325 310
Проведено известкование 145 140 125 225 205 195 345 330 310
свинец
Без добавления мелиоранта 135 120 100 210 190 180 315 310 295
Внесено органическое удобрение 140 130 125 215 200 190 320 310 300
Проведено известкование 150 145 130 220 200 185 330 320 315
НСР05 Рф<Бт 17,5 19,3 Рф<Бт Рф<Бт Рф<Бт Рф<Бт Рф<Бт Рф<Бт
Другая ситуация — неблагоприятная — возникает в том случае, когда растения толерантны к избытку тяжелых металлов. Например, при содержании в почве тяжелых металлов в 1 - 3 ПДК наблюдается стимулирование роста и урожайности свеклы столовой и капусты, что можно объяснить так называемым тренирующим эффектом. Это также может быть следствием либо инактивации растением избытка токсинов, либо подавления токсичными металлами патогенной микрофлоры почвы.
Сельскохозяйственные культуры по степени толерантности к избытку тяжелых металлов в среде обитания сильно различаются. На этой основе составлен ряд устойчивости: капуста > свекла столовая > лук.
Выводы
Полученный в ходе экспериментальных исследований материал позволяет сделать следующие выводы:
1. Концентрация тяжелых металлов в растениях зависит от содержания токсикантов в почве, на которой произрастают растительные организмы, но не повторяет его в связи с избирательностью поглощения растениями необходимых им элементов.
2. Зависимость концентрации тяжелых металлов в фитомассе от содержания их в почве возрастает в ряду Си > РЬ (КБП(Си) в среднем составляет 0,166, а КБП(РЬ) - 0,012).
3. На основе экспериментальных данных установлены пороговые концентрации токсичности для исследуемых сельскохозяйственных культур:
- для безбарьерных растений - лука - токсичная концентрация меди в почве равна 3 ПДК (165 мг/кг почвы), а свинца - 1 ПДК (30 мг/кг);
- для барьерных растений - свеклы столовой -токсичная концентрация меди и свинца в почве равна 3 ПДК (165 мг/кг почвы и 90 мг/кг соответственно); для капусты - токсичное содержание ионов-токсикантов в почве составляет 6 ПДК (330 мг/кг (концентрация меди) и 180 мг/кг (концентрация свинца)).
4. По интенсивности поглощения тяжелых металлов овощные культуры располагаются в следующий ряд: Лук > Свекла столовая > Капуста.
5. Общей закономерностью является снижение содержания исследуемых металлов в запасающих органах по сравнению с вегетативными: корни > стебли и листья > корнеплод. Максимальное содержание элемента-биофила меди зафиксировано в листьях, а типично антропогенного токсиканта свинца - в корнях.
6. Наиболее эффективным приемом детокси-кации тяжелых металлов является известкование. Внесение органического удобрения на загрязненных почвах показало определенное снижение токсикантов в исследуемых растениях: концентрация меди снизилась на 10,97%, а свинца - на 11,37%; при известковании концентрация меди снизилась на 26,1%, а свинца - на 22,5%.
7. В условиях опыта наиболее чувствительным растением к повышенному содержанию тяжелых металлов в почве оказался лук, снижение урожайности составило 24 - 31%. На урожайность капусты и свеклы столовой загрязненность почвы тяжелыми металлами не оказало существенного влияния.
Литература
1. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почве и растениях. - Л.: Агропромиздат, Ленингр. отд-ние, 1987. - 142 с.
2. Давыдов С.Л., Тагасов В.И. Тяжелые металлы как супертоксиканты XXI века: Учеб. пособие. - М.: Изд-во РУДН, 2002. - 140 с.: ил.
3. Савич В.И., Парахин Н.В., Сычев В.Г., Степанова Л.П. и др. Почвенная экология. - Орел: Изд-во ОрелГАУ, 2002. - 548 с.
4. Туников Г.М., Захарова О.А., Морозова Н.И., Тобратов С.А. Микроэлементы в окружающей среде и в продуктах питания: Учебное пособие. - Рязань: Бюро рекламы «Мила», 2001. - 255 с.
5. Тяжелые металлы в системе почва-растение / Ильин В.Б. - Новосибирск: Наука, Сиб. отд-ние, 1991. - 151 с.
