CC BY
61
Известия ТСХА, выпуск 2, 2015 год
УДК 631.46
ФИТОЭКСТРАКЦИЯ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ ИЗ ТЕХНОГЕННОГО ГРУНТА И СОСТОЯНИЕ ПОЧВЕННЫХ МИКРООРГАНИЗМОВ
Л.И. ТРИБИС, О.В. СЕЛИЦКАЯ, Б.А. БОРИСОВ
(РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева)
В работе испытана способность к фитоэкстракции тяжелых металлов из техногенного грунта горчицы белой сорта Луговская, овсяницы красной сорта Сигма, рапса ярового сорта Quantum, рапса ярового сорта Подмосковный. Показана возможность эффективной фитоэкстракции с помощью овсяницы красной сорта Сигма и рапса ярового сорта Подмосковный. Проведена оценка состояния микробных сообществ в грунте, сильно загрязненном тяжелыми металлами. Показано положительное влияние внесения торфа не только на микробные сообщества в данном грунте, но и на эффективность фитоэкстракции тяжелых металлов.
Ключевые слова: почва, почвенные микроорганизмы, Glomus intraradices, фитоэк-стракция, тяжелые металлы, торф, микоризный симбиоз.
Одним из наиболее опасных факторов деградации природных экосистем является загрязнение тяжелыми металлами, поскольку наличие повышенных концентраций металлов в почве приводит к их накоплению в дикорастущей флоре и сельскохозяйственных культурах, что сопровождается загрязнением пищевых цепей. Высокие концентрации металлов делают почву непригодной для роста растений.
При небольших (в 5-10 раз) превышениях фонового содержания тяжелых металлов в почвах обычно не отмечается отчетливое изменение микробиологической активности. Известно, что Си, Zn, Со, Mo, Fe и некоторые другие элементы, относящиеся к тяжелым металлам, входят в состав ферментов, и добавка их в среды в малых количествах стимулирует рост и метаболическую активность микроорганизмов [6]. При более высоких уровнях загрязнения тяжелыми металлами происходит снижение биологической активности, меняется видовая структура микробных сообществ [5]. Растения играют значительную роль в формировании микробных ценозов и их функций, поэтому актуально изучение взаимодействия и совместного влияния растительного и микробного компонентов почвы в условиях сильного загрязнения почв тяжелыми металлами.
В настоящее время для фиторемедиации особый интерес представляют растения-гипераккумуляторы тяжелых металлов. При выращивании таких растений на загрязненных почвах они накапливают в заметных количествах тяжелые металлы, извлекая их из почвы. Этот процесс фитоэкстракции позволяет постепенно снижать содержание тяжелых металлов в загрязненной ими почве [8, 10]. Кроме того, растения, выращиваемые на загрязненном участке, способствуют уменьшению растворимости и подвижности тяжелых металлов [12, 13].
50
Материалы и методы исследований
Для исследования состояния микроорганизмов и возможности фитоэкстрак-ции тяжёлых металлов растениями из загрязнённого грунта нами была проведена серия вегетационных опытов. В качестве субстрата использовался техногенный грунт из хвостохранилищ Норильского горно-металлургического комбината, содержащий высокие концентрации таких тяжелых металлов, как никель и медь, а также железо. Опыт проводился по следующей схеме:
1. Вариант 1: исходный грунт + N120P120K120.
2. Вариант 2: исходный грунт + N120P120K120 + торф (30% от объема) + вер-микомпост (1% от объема).
В опыте использовались следующие растения: горчица белая (Sinapis alba), сорт Луговская; овсяница красная (Festuca rubra subsp. rubra), сорт Сигма; рапс яровой (Brassica napus), сорт Quantum, и рапс яровой, сорт Подмосковный. Данные сорта растений рекомендованы сотрудниками ФГБНУ «ВНИИ кормов им. В.Р. Ви-льямса» как устойчивые к неблагоприятным почвенным условиям.
Для снижения содержания водорастворимых солей предварительно была произведена промывка грунта. Оба варианта опыта предусматривали внесение комплексного минерального удобрения — нитроаммофоски, из расчета N120 P120 K120. Для улучшения физических свойств исследуемого техногенного грунта и создания более благоприятных условий для развития микрофлоры и роста растений во втором варианте опыта вносили низинный торф (30% от объема грунта) с добавлением вермикомпоста (1% от объема грунта). Опыт проводился в сосудах объемом 1 л в четырехкратной повторности.
Валовый химический состав грунта и содержание тяжелых металлов в растениях определяли на рентген-флюоресцентном анализаторе «Спектроскан», подвижные формы ТМ — в общепринятой ацетатно-аммонийной вытяжке (pH 4,8) с окончанием на атомно-абсорбционном спектрофотометре «Квант-2АТ», плотный остаток водной вытяжки определяли при соотношении почва-вода 1:5, остальные свойства грунта определяли общепринятыми методами [4].
Содержание тяжелых металлов и некоторые свойства исследованного грунта представлены в таблице 1.
Как следует из таблицы 1, исследуемый грунт имеет щелочную реакцию, содержание органического вещества — 1,9%. Грунт содержит некоторое количество нитратного азота, заметное количество обменного калия, фосфаты в грунте отсутствуют. Грунт имеет повышенную плотность, однако общая пористость и капиллярная влагоемкость находятся в оптимальных пределах. Также в исследуемом грунте отмечалось повышенное содержание солей даже после промывки. Содержание подвижных форм Cu превышает ПДК более чем в 14 раз, Ni — в 115 раз.
Свойства низинного торфа, использованного для закладки опыта, приведены в таблице 2.
Через 95 дней после закладки опыта растения были извлечены из почвы, высушены и взвешены.
Проводилось измерение респирометрических показателей — субстрат-инду-цированного (СИД) и базального (БД) дыхания почвы. Показатели почвенного дыхания позволяют оценить состояние микробного сообщества почвы, которое быстро реагирует на любые изменения, происходящие с почвой. Кроме того, на основании этих данных были рассчитаны общая биомасса микроорганизмов (Смик) и микробный метаболический коэффициент [1].
51
Т а б л и ц а 1
Свойства грунта, использованного для закладки вегетационного опыта
Показатель Значение Показатель Значение
Плотность, г/см3 1,34 Валовое содержание тяжелых металлов
Плотность твердой фазы, г/см3 3,94 Ре203, % 16,2
Общая пористость, % 66,0 МпО, мг/кг 2436,3
Капиллярная влагоемкость, % 23,6 1\Н, мг/кг 1171,1
рН водной суспензии 7,9 Си, мг/кг 1082,8
рН солевой суспензии 7,2 7п, мг/кг 125,4
1\Ю3-, мг/100 г 1,3 РЬ, мг/кг 80,1
Э042", мг/100 г 0,5 Со, мг/кг 56,9
ЫИ4+, мг/100 г Не обнаружен Содержание подвижных форм тяжелых металлов
Р205, мг/100 г Не обнаружен Ре, мг/кг 3102,4
К20, мг/100 г 105,9 Мп, мг/кг 64,6
Органическое вещество по Тюрину, % 1,9 1\Н, мг/кг 463,2
Сумма поглощенных оснований, ммоль/100 г 26,4 Си, мг/кг 43,9
Плотный остаток водной вытяжки, % (до промывки) 0,62 Со, мг/кг 3,2
Плотный остаток водной вытяжки, % (после промывки) 0,47 7п, мг/кг 10,9
РЬ, мг/кг 0,7
Т а б л и ц а 2
Свойства торфа, использованного для закладки вегетационных опытов
pH сол. Гидролитическая кислотность, ммоль/100 г Зольность, %
5,9 20,0 22,4
52
Для предынкубации брали просеянную и увлажненную до 50-60% полной влагоемкости почву (100 г) из каждой повторности каждого варианта опыта. Пред-ынкубация проводилась в термостате при +22°С в течение 6 сут. Для определения субстрат-индуцированного дыхания (СИД) навеску 2 г помещали во флакон, закрывали и оставляли на 2 ч при температуре +22°С. Потом флакон проветривали 30 мин., чтобы удалить воздух с высоким содержанием С02, вызванным перемешиванием образца и взятием навески почвы. После проветривания в почву добавляли раствор глюкозы для достижения ее концентрации 10 мг/г. Флакон герметично закрывали и фиксировали время. Спустя 3 ч инкубации при температуре +22°С пробу воздуха из флакона анализировали на газовом хроматографе, время анализа также фиксировали.
Измерение базального дыхания проводили так же, как измерение субстрат-индуцированного, но вместо раствора глюкозы в почву вносили воду. Также для расчетов измерялся объем используемых флаконов и точная влажность почвы для каждого образца. Измерение респирометрических показателей проводилось в 4-х повторностях для каждого варианта опыта.
В целях поиска естественных микоризных симбионтов было проведено микро-скопирование корней овсяницы красной. Препараты были окрашены метиленовым синим, изучались при увеличении ><1600 [7].
Результаты и обсуждение
Результаты измерения сухой биомассы растений (в пересчете на одно растение) представлены в таблице 3.
Т а б л и ц а 3
Средняя биомасса одного растения по результатам вегетационного опыта, г
Культура Часть растения Техногенный грунт + + N120P120K120 Техногенный грунт + N120P120K120 + + 30% торфа + 1% вермикомпоста
Рапс яровой Quantum Надземная часть 0,0171 ± 0,0018 0,0325 ± 0,0088
Корни 0,0029 ± 0,0001 0,0054 ± 0,0012
Рапс яровой Подмосковный Надземная часть 0,0240 ± 0,0026 0,0336 ± 0,0063
Корни 0,0053 ± 0,0003 0,0061 ± 0,0009
Горчица белая Луговская Надземная часть 0,0422 ± 0,0056 0,0387 ± 0,0023
Корни 0,0041 ± 0,0010 0,0042 ± 0,0009
Овсяница красная Надземная часть 0,0126 ± 0,0018 0,0078 ± 0,0006
Корни 0,0128 ± 0,0016 0,0137 ± 0,0005
53
По результатам дисперсионного анализа, проведенного с помощью программы Microsoft Excel 2010, внесение в техногенный грунт торфа и вермикомпоста привело к статистически значимому увеличению биомассы надземной части и корней рапса ярового Quantum, а также биомассы надземной части рапса ярового Подмосковного. При внесении торфа и вермикомпоста под овсяницу красную биомасса ее надземной части значительно снизилась.
Результаты определения валового содержания тяжелых металлов в растениях, выращенных в вегетационном опыте, представлены в таблице 4.
Т а б л и ц а 4
Накопление тяжелых металлов в растениях
Вариант Культура, сорт Содержание, мг/кг сухого вещества
Fe Ni Cu Co
Техногенный грунт + N120P120K120 Рапс Quantum, надземная часть 2661,8 93,7 103,5 21,3
Рапс Quantum (корни) 32968,6 544,0 553,0 160,5
Рапс Подмосковный, надземная часть 37,5 72,1 75,3 5,7
Рапс Подмосковный (корни) 14375,5 352,9 541,1 34,7
Горчица Луговская, надземная часть 2537,4 70,2 75,7 12,3
Горчица Луговская (корни) 26326,7 497,9 534,8 98,2
Овсяница красная, надземная часть 16543,0 758,0 594,4 108,0
Овсяница красная (корни) 25574,6 1055,6 1610,5 709,5
Техногенный грунт + N120P120K120 + + 30% торфа + 1% вермикомпоста Рапс Quantum, надземная часть 5823,3 97,8 107,5 4,8
Рапс Quantum (корни) 39153,6 381,8 453,5 42,7
Рапс Подмосковный, надземная часть 212,03 620,6 838,6 44,3
Рапс Подмосковный (корни) 18700,7 341,8 454,2 23,6
Горчица Луговская, надземная часть 5342,5 79,7 69,4 8,0
Горчица Луговская (корни) 19886,5 371,1 344,3 20,6
Овсяница красная, надземная часть 3353,7 309,5 226,4 77,9
Овсяница красная (корни) 24513,4 1191,3 2056,3 882,6
Как следует из таблицы 4, в вариантах с такими культурами, как рапс сорта Quantum и горчица сорта Луговская, внесение органических удобрений заметно способствовало повышению содержания железа в надземной части, содержание остальных исследованных металлов в надземных и подземных частях данных культур при внесении торфа изменялось незначительно или несколько снижалось. В вариантах с овсяницей красной внесение органических удобрений почти не влияло накопление тяжелых металлов в корнях, но способствовало существенному снижению содержа-
54
ния тяжелых металлов в надземных частях растений. Это может объясняться физиологическими особенностями данного вида овсяницы, успешно выращиваемого на субстратах, бедных органическим веществом. Рапс сорта Подмосковный противоположным образом реагировал на внесение органических удобрений и развил большую биомассу в варианте с добавлением органических удобрений. В этом варианте содержание никеля, меди и кобальта в надземных частях растений было в разы выше, чем при внесении только минеральных удобрений. По-видимому, органические удобрения оказывали противоположное действие как на распределение тяжелых металлов по растению, так и на биомассу растения в случаях с овсяницей красной и рапсом Подмосковным.
Результаты измерения респирометрических показателей представлены в таблице 5. Внесение торфа способствовало существенному снижению микробного метаболического коэффициента.
Т а б л и ц а 5
Биологическая активность грунта по вариантам вегетационного опыта
Культура Вариант
техногенный грунт + N120P120K120 техногенный грунт + N120P120K120 + + 30% торфа + 1% вермикомпоста
микробная биомасса, мкг/г почвы микробный метаболический коэффициент микробная биомасса, мкг/г почвы микробный метаболический коэффициент
Рапс Quantum 179,6 ± 24,2 0,15 2814,6 ± 349,3 0,02
Рапс Подмосковный 364,1 ± 76,9 0,11 4709,1 ± 312,1 0,01
Горчица Луговская 244,9 ± 25,3 0,19 2431,7 ± 443,1 0,02
Овсяница красная 2135,1 ± 396,3 0,21 2982,3 ± 365,7 0,01
Считается, что микробный метаболический коэффициент является интегральным показателем состояния почвенного микробного сообщества [2, 3, 9], который позволяет оценивать устойчивость микробного сообщества как в естественном, так и в нарушенном состоянии. В настоящее время многочисленными экспериментами доказано, что низкий уровень метаболического коэффициента соответствует устойчивому состоянию микробного сообщества. Из данных таблицы 5 видим, что в варианте с внесением торфа при выращивании всех культур микробная биомасса была существенно больше, а микробный метаболический коэффициент — ниже, чем в вариантах без внесения торфа.
Таким образом, внесение торфа с добавлением вермикомпоста на грунте с очень высоким содержанием тяжелых металлов оказало заметное положительное влияние на микробные сообщества этих грунтов, сглаживая негативное влияние на них повышенного содержания тяжелых металлов, что согласуется с полученными нами ранее результатами, а также с выводами других исследователей [3].
При микроскопировании корней исследуемых растений не обнаружены микоризные образования, что может быть связно как с отсутствием в сравнительно моло-
55
дом микробном сообществе исследуемого грунта естественных грибных симбионтов, так и с неблагоприятной реакцией, засолением грунта, высоким содержанием тяжелых металлов, препятствующих развитию микоризы.
Заключение
В условиях вегетационного опыта на техногенном грунте с высокими уровнями содержания тяжелых металлов (никеля, меди, кобальта) исследовалась возможность фитоэкстракции металлов культурными растениями и оценивалось состояние микробных сообществ в этих грунтах при внесении минеральных удобрений и торфа.
Внесение торфа с добавкой вермикомпоста в техногенный грунт при очень высоких уровнях содержания тяжелых металлов (в первую очередь никеля и меди) способствовало существенному росту биологической активности и формированию более устойчивого биоценоза в исследуемом грунте по сравнению с вариантом, в котором вносились только минеральные удобрения.
Из исследованных в опыте культур наилучшие результаты по способности к накоплению тяжелых металлов в надземной части показали овсяница красная сорта Сигма в варианте с внесением только минеральных удобрений и рапс яровой сорта Подмосковный в варианте с внесением органических удобрений.
Библиографический список
1. Ананьева Н.Д., Благодатская Е.В., Демкина Т.С. Оценка устойчивости микробных комплексов к природным и антропогенным воздействиям // Почвоведение. 2002. № 5. С. 580-587.
2. Благодатская Е.В., Ананьева Н.Д. Оценка устойчивости микробных сообществ в процессе разложения поллютантов в почве // Почвоведение. 1996. № 11. С. 1341-1346.
3. Гаджиев И.М., Курачев В.М., Рагим-заде Ф.К. Экология и рекультивация техногенных ландшафтов. Новосибирск: Наука, 1992. 303 с.
4. Ганжара Н.Ф., Борисов Б.А., Байбеков Р.Ф. Практикум по почвоведению. М.: Издательство РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева, 2012. 285 с.
5. Деградация и охрана почв / Под общей ред. акад. РАН Г.В. Добровольского // М.: Изд-во МГУ, 2002. 654 с.
6. Евдокимова Г.А. Эколого-микробиологические основы охраны почв Крайнего Севера. Апатиты: Изд-во КНЦ РАН, 1995. 272 с.
7. ЛитвиновМ.А. Методы изучения почвенных микроскопических грибов. Л.: Наука, 1969. 124 с.
8. Микроэлементы в окружающей среде. Биогеохимия, биотехнология и биоремедиа-ция / Под ред. М.Н.В. Прасада, К.С. Саджвана, Р. Найду // М.: Физматлит, 2009. 816 с.
9. Anderson J.P.E., Domsch K.H. A physiological method for the quantitative measurement of microbial biomass in soils // Soil Biol. Biochem. 1978. Vol. 10. № 3. P. 314-322.
10. Brooks R.R., Chambers M.F., Nicks L.J., Robinson B.H. Phytomining // Trends in Plant Science, 1998. Vol. 3. Iss. 9. P. 359-363.
11. KoideR.T., MosseB. A history of research on arbuscular mycorrhiza // Mycorrhiza, 2004. Vol. 14. P. 145-163.
12. Robinson B.H. et al. Phytoremediation: using plants as biopumps to improve degraded environments // Aust. J. Soil. Res. 2003. V. 41. P. 599.
13. Romkens P.F.A.M., Bouwman L.A., Boon G.T. Effect of plant growth on copper solubility and speciation in soil solution samples // Environ. Pollut. 1999. V. 106. P. 315.
56
PHYTOEXTRACTION OF HEAVY METALS FROM TECHNOGENIC SOILS AND THE STATUS OF SOIL MICROORGANISMS
L.I. TRIBIS, O.V. SELITSKAYA, B.A. BORISOV
(Russian Timiryazev State Agrarian University)
In this paper the positive influence of peat on phytoextraction is shown. It was observed that after application ofpeat, the quantity of heavy metals in above the ground parts of Brassica napus, Podmoskovniy variety, has increased. However, it was also noticed that after peat application the quantity of heavy metals in above the ground parts ofFestuca rubra, Sigma variety, has decreased. Thus, in the article effective phytoextraction of heavy metals by Brassica napus, Podmoskovniy variety (with application of peat), and by Festuca rubra, Sigma variety (without application of peat) has been shown. The estimation of microbial communities in soil dramatically polluted by heavy metals is provided as well. There is no symbiosis between plants and fungus Glomus intraradices in the soil because of Ni and Cu contamination and other unfavorable conditions. Furthermore, active nitrogen fixers were found in rhizosphere of Festuca rubra plants, Sigma variety.
Key words: soil, soil microorganisms, Glomus intraradices, phytoextraction, heavy metals, peat, mycorhizal symbiosis.
Трибис Лев Игоревич — асп. кафедры почвоведения, геологии и ландшафтоведе-ния РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева (127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, 49; e-mail: [email protected]).
Селицкая Ольга Валентиновна — к. б. н., доц., зав. кафедрой микробиологии и иммунологии РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева (127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, 49; e-mail: selitskayaolga@gmail. com).
Борисов Борис Анорьевич — д. б. н., проф. кафедры почвоведения, геологии и ландшафтоведения РГАУ-МСХА имени К.А. Тимирязева (127550, г. Москва, ул. Тимирязевская, 49; e-mail: [email protected]).
Tribis Lev Igorevich — PhD student of the Department of Soil Science, Geology and Landscape Science, Russian Timiryazev State Agrarian University (127550, Moscow, Timiryazevskaya street 49; e-mail: [email protected]).
Selitskaya Olga Valentinovna — PhD in Biology, Associate Professor of the Department of Microbiology and Immunology, Russian Timiryazev State Agrarian University (127550, Moscow, Timiryazevskaya street 49; e-mail: [email protected]).
Borisov Boris Anorievich — Doctor of Biological Sciences, Professor of the Department of Soil Science, Geology and Landscape Science, Russian Timiryazev State Agrarian University (127550, Moscow, Timiryazevskaya street 49; e-mail: [email protected]).
57
