CC BY
118
ЭКОЛОГИЯ, МЕЛИОРАЦИЯ И ГЕОДЕЗИЯ
Известия ТСХА, выпуск 1, 2010 год
УДК 631.416.9
ФИТОРЕМЕДИАЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ ДИКОРАСТУЩИХ И КУЛЬТУРНЫХ РАСТЕНИЙ
И.В. АНДРЕЕВА, М.В. ЗЛОБИНА, Р.Ф. БАЙБЕКОВ, Н.Ф. ГАНЖАРА
(Аграрный бизнес-инкубатор, кафедра геологии и ландшафтоведения,
кафедра почвоведения )
Обсуждаются данные вегетационного опыта по определению фиторемедиа-ционной способности семи культурных и дикорастущих растений в условиях комплексного загрязнения дерново-подзолистой почвы С«1, N1, РЬ и /п. Установлено, что при среднем и высоком уровне загрязнения почвы амарант, львиный зев и горчица белая обладали наибольшим фиторемедиационным потенциалом в отношении С^ /п и N1.
Ключевые слова: тяжелые металлы, кадмий, никель, свинец, цинк, загрязнение почвы, толерантность, фиторемедиация, фиторемедиационный потенциал, фитоэкстракция.
В условиях повышенного содержания тяжелых металлов (ТМ) в среде произрастани растени выработали различные стратегии устойчивости, в основу которых заложены два противоположных принципа — аккумулирование с последующей изоля цией токсикантов от метаболически активных компартментов клетки и так называемое избегание, когда растения с помощью различных механизмов снижают доступность металлов в корневой зоне, либо их перемещение внутри растени за пределы корневой системы. На основании накопленного исследователями экспериментального материала по устойчивости растений разных видов к отдельным ТМ была сформулирована научна основа фиторемедиации — недорогого метода биологической очистки за-гр зненных ТМ почв без нарушени их структуры и плодороди . Фито-ремедиаци — обобщенное название различных подходов деконтаминации
загр зненных ТМ почв с помощью растений [8]. Так, стратегия избегания легла в основу фитостабилизации, или фитоиммобилизации, включающей применение растений для сниже-ни биодоступности контаминантов в почве и, как следствие, предотвра-щени их миграции по почвенному профилю и загр знени сопредельных сред. Однако применение данного подхода не решает проблему за-гря знения, поэтому должно сопровождаться постоя нным мониторингом за содержанием и биодоступностью металлов в почве. Извлечени металлов из почвы путем их накоплени в биологической массе растений, которая впоследствии утилизируется, удается достигнуть благодаря методу фитоэкстракции, основанному на стратегии аккумул ции. Залогом успешной очистки почв с применением метода фитоэкстракции вл етс правильный подбор растений, которые должны сочетать повышенный уровень т -
желых металлов в надземной части, отчуждаемой при уборке, с высокой биологической продуктивностью. Кроме того, растения-фиторемедианты должны быть хорошо адаптированы к почвенно-климатическим условиям того региона, в котором предполагается проводить очистку загрязненных ТМ почв. Многие исследователи полагают, что наибольшим потенциалом для целей фиторемедиации обладают растения-гипераккумуляторы, способные накапливать в своих тканях ТМ в концентрациях, в 100-1000 раз превышающих таковые в других растениях, произрастающих в аналогичных условиях [6, 10]. Однако большинство известных гипераккумуляторов — растения южных широт, которые зачастую эндемичны к определенному типу геологического субстрата, характеризуются медленным ростом и не отличаются заметной биологической продуктивностью. В связи с этим большое значение для фиторемедиации конкретных территорий приобретает идентификация и отбор местных культурных и дикорастущих видов растений. Целью наших исследований явилось определение фиторемедиационного потенциала
ряда с.-х. культур, декоративных и дикорастущих растений в условиях комплексного загрязнения дерновоподзолистой почвы кадмием, никелем, свинцом и цинком.
Методика
Программа исследований предусматривала проведение вегетационного опыта в почвенной культуре на базе вегетационного домика кафедры агрохимии РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева. Почва дерново-подзолистая тяжелосуглинистая из Наро-фоминского района Московской обл.
имела следующую агрохимическую характеристику: рНсол — 5,7, гумус по Тюрину — 2,3%, Нг — 3,1 мгэкв/ 100 г почвы, Б — 16,3 мгэкв/100 г почвы, Р2О5 и К2О по Кирсанову — 120
и 104 мг/*г почвы, CdnoflB и CdBajI — 0,1 и 0,4; №поДв и №в=л — 0,-4 и 11,£1; Pb^
и рЬвал — 0,2 и 10,б; гпподв и гпв=л #
1,5 и 22,6 мг/кг почвы соответственно. Фоновые макроудобрения при набивке сосудов вносили в виде нитроаммофоски с соотношением основных питательных веществ 16:16:16. Комплексное загрязнение почвы имитировали путем внесения в нее химически чистых сернокислых солей кадмия, цинка, никеля и свинца. Выбор доз проводили по шкале нормирования уровня загрязнения почв ТМ: 1-й вариант (контроль, без внесения ТМ) — допустимый (ниже ПДК), 2-й — низкий (ТМ на уровне 1 ПДК), 3-й — средний (ТМ на уровне 3 ПДК), 4-й — высокий (тМ на
уровне 5 ПДК) [3]. Для определения подвижных (ацетатно-аммонийный буфер с рН 4,8) и валовых ф орм ТМ в каждом варианте отбирали почвенные пробы. Для исследования были выбраны следующие культурные и дикорастущие растения: амарант (Am-aranthus candatus), львиный зев (Antirrhinum majus), просо волосовидное (Panicum capillare), марь белая (Che-nopodium album), донник желтый (Melilotus officinalis), горчица белая (Sinapis alba), редька масличная (Ra-phanus sativus). В фазу цветения растения срезали, высушивали, взвешивали и размалывали. Пробопод-готовку осуществляли в СВЧ-мине-рализаторе Anton Paar Multiwave 3000. Концентрацию Cd, Zn, Pb и Ni в почвенных и растительных образцах определяли атомно-адсорбционным методом на спектрофотометре КВАНТ-2 АТ. Статистический анализ проводили путем определения наименьшей существенной разницы (НСР05) при помощи прикладной программы STRAZ.
Результаты и их обсуждение
Уровень накопления биологической массы является одним из наиболее важных характеристик растений-
фиторемедиантов, поскольку при
одинаковом содержании металла в тканях растения, развивающие большую надземную биомассу, отличаются более высокими показателями его выноса. Согласно полученным данным по накоплению биологической массы, исследуемые растения проявили разную степень толерантности к присутствию в почве ТМ в различных концентрация х (рис. 1).
Так, накопление надземной биологической массы растени ми контрольного варианта изменялось в р яду: амарант > просо волосовидное > марь белая > горчица белая > редька масличная > львиный зев > донник желтый. В условиях незагрязненной почвы уровень накоплени надземной биомассы амаранта и проса оказался в 1,5-2,7 раза выше, чем у других растений, однако при внесении ТМ на уровне 5 ПДК (вариант 4) данные растения, а также марь, донник и горчица продемонстрировали более чем двукратное снижение накопле-
ни общей биологической массы. Наибольшую толерантность из исследуемых растений как к среднему, так и к высокому уровню загряз-нени почвы ТМ про вили растени редьки масличной, надземная масса которых не только не снизилась, но и повысилась на 30-47% по сравнению с контрольным вариантом при концентрации ТМ на уровне 1-3 ПДК. В целом ранжированный р яд с внесением ТМ на уровне 5 ПДК приобрел следующий вид: редька маслична > львиный зев > амарант > донник желтый > просо волосовидное > > марь бела > горчица бела . Таким образом, при анализе пригодности растения для целей фитоэкстракции загр зненного участка необходимо в первую очередь принимать во внимание уровень его толерантности к тому диапазону концентраций металла, который установлен для почвы на данном участке.
Данные о содержании и выносе кадмия, свинца, никеля и цинка в ис-
Рис. 1. Накопление биологической массы растениями, г/сосуд
следуемых растениях свидетельствуют, с одной стороны, о существовании значительных видовых отличий в их накоплении и распределении по
органам, а с другой — о разном характере поступлени и поведени металлов в пределах одного растени (табл. 1, рис. 2).
Т а б л и ц а 1
Содержание ОЬ, РЬ, N1 и 2п в различных растениях, мг/кг сухой массы
Варианты
Элемент 1 2 3 4 НСР 05
ЫРК (фон) фон + ТМ
1 ПДК 3 ПДК 5 ПДК
1 2 3 4 5 6
Марь белая
Сс1 0,05 5,6 47,5 8,4 3,9
3,4 34,5 38,6 165,5 3,9
РЬ 17 2,2 н.д. сл. 11
6,4 16,3 21,9 1,6
1\Н 1,5 27 25,0 162,1 4,0
15,6 20,4 278,7 118,7 14,0
гп 40,9 150,5 202,4 225,6 5,6
71,9 77,0 Львиный зе 479,6 в 447,2 4,5
сс 0,07 13 27 103,9 2,9
2,1 11,4 25,8 68,0 1,9
РЬ 2,2 4,5 13 12,1 0,6
1,1 4,9 5,2 7,6 0,7
1\Н 1,8 20 33,7 103,5 4,2
4,3 5,3 33,1 115,7 3,4
гп 38,6 160,7 169,0 590,6 8,9
39,1 185,3 Амарант 380,6 389,7 5,2
Сс 0,2 19,2 19,1 104,1 3,3
1,6 22,1 29,8 70,2 3,1
РЬ 1,9 3,6 3,6 сл. 0,5
1,8 9,3 48,8 30,3 4,0
1\Н 2,0 86 50,3 219,6 11,4
5,8 25,7 66,8 368,0 14,9
гп 52,2 378,2 820,7 180,4 30,8
24,5 1118,5 Просо волосов 505,8 идное 98,7 134,6
Сс 04 42 15,7 15,4 20
0,4 5,6 58,4 37,6 4,4
РЬ 14 8,5 5,9 м 0,5
5,5 9,6 5,3 10,4 2,2
1\Н 1,7 1,1 6,3 58,8 3,1
6,5 12,5 69,5 1086,2 39,3
гп 24,0 443,2 130,7 107,6 10,2
164,2 315,1 263,3 371,0 58,3
1 2 3 4 5 6
Донник белый
Сс1 05 16 26 19,6 14
1,3 20,4 79,7 152,1 7,5
РЬ 17 2,5 28 сл. 0,5
2,4 6,1 11,6 49,6 2,3
І\1і 4,0 3,1 20,4 59,8 28
16,4 94,1 96,8 363,1 18,7
гп 40,2 117,2 200,0 108,0 14,2
154,0 169,5 402,6 900,5 23,0
ел б а ц и ч а ■2 ая
сс 19 12 18,7 17,1 34
0,4 7,5 3,8 62,3 8,3
РЬ 6,2 57 4,5 3,9 13
1,5 9,4 6,4 11,4 0,2
і\іі 2,3 3,5 12,3 102,8 76
4,2 6,7 30,0 24,3 10,6
гп 287,0 256,8 354,6 355,3 46,4
22,9 624,3 33,8 484,8 43,6
Редька масли чная
Сс 0,9 10 23,3 8,0 25
0,3 3,2 34,2 55,3 5,2
РЬ 3,9 42 32 0,3 10
2,9 15,4 20,1 2,5 2,6
і\іі 7,6 3,7 12,9 67,2 65
3,5 5,1 26,5 19,0 1,8
гп 266,9 266,6 367,7 150,1 47,2
163,5 593,3 216,6 373,1 69,7
П р и м е ч а н и е. Числитель — надземная часть, знаменатель — корни; н.д. — нет данных.
При рассмотрении характера накопления и распределения кадмия в исследуемых растениях прослеживаются следующие закономерности: низкое содержание элемента в растениях контрольного варианта (кроме представителей семейства Крестоцветных) и высокие уровни его накопления при загря знении почвы (на 1-4 поря дка в зависимости от вида и части растени по сравнению с контрольным вариантом). Так, при повышении концентрации экзогенного кадмия в почве его содержание в рас-тени х последовательно возрастало и достигло максимальных значений в
надземной части растений амаранта и львиного зева (более 100 мг/кг сухой массы) и корнях мари и донника (более 150 мг/кг сухой массы) в варианте 5 ПДК. Вынос и характер распре-делени кадми в растени х варьировали в широких пределах и в значительной степени носили видоспецифичный характер. Так, у растений амаранта во всех вариантах с комплексным загрязнением почвы доля кадми в надземных органах составила 81-85% от его общего выноса, а у донника, напротив, 85-93% поступившего в растения элемента было обнаружено в корнях (см. рис. 2).
Рис. 2. Вынос кадмия, никеля, свинца и цинка дикорастущими и культурными растениями, мг/сосуд
Данные о содержании и выносе ни-кел растени ми свидетельствуют о том, что по мере увеличения концентраций элемента во внешней среде он активно поступал в корневую систему растений и в надземную часть. Так, при внесении ТМ в почву на уровне 5 ПДК его содержание в надземной части амаранта возросло в 110 раз, мари — в 108 раз, львиного зева — в 58 раз по сравнению с контрольным вариантом, в корнях — в 63, 27 и 8 раз соответственно. Максимальное содержание никеля обнаружено в надземных органах амаранта и составило 219,6 мг/кг сухой массы в варианте с внесением ТМ на уровне 5 ПДК. Независимо от концентраций э кзоген-ного никеля львиный зев, амарант, горчица и редька активно транспортировали его из корней в надземные органы (65$94% от общего выноса), тогда как донник и просо — удерживали элемент в корнях (70$94% от общего выноса).
В отличие от никел и кадми четкой закономерности в повышении накоплени свинца растени ми при увеличении его концентрации в почве не наблюдалось. Отличительной особенностью данного элемента явился тот факт, что в условиях сильного загр знени почвы ТМ корни растений мари, амаранта и донника практически полностью удерживали элемент от дальнейшего перемещени в надземную часть, что соответствует установленному дл данного металла акропетальному характеру распреде-лени благодар наличию в корн х растений системы его инактивации
[4]. Однако при низком и среднем уровне содержания свинца в почве вы влена способность представителей семейства крестоцветных — горчицы и редьки — к активному транспорту данного элемента в надземные органы. Максимальный общий вынос свинца в вариантах с его внесением в почву отмечен у растений амаранта и проса (0,2-0,4 мг РЬ/сосуд), а в ва-
рианте с внесением ТМ на уровне 5 ПДК — в надземной части растений львиного зева и корн х донника —
0,16 и 0,27 мг РЬ/сосуд соответственно. Таким образом, при низких и средних концентраци х свинца в почве амарант и просо накапливали наибольшее количество свинца, но при высоких концентрациях элемента в среде произрастани активнее накапливали и транспортировали его в надземную часть растени львиного зева.
Содержание цинка в растениях варьировало в широких пределах в зависимости от уровн загр знени почвы и вида растени . Однако расчетные данные выноса цинка позволили установить, что, во-первых, у большинства растений его накопление достигало максимальных значений в диапазоне низких и средних концентраций ТМ и, во-вторых, боль-ша часть поглощенного растени ми элемента обнаружена в надземных органах независимо от уровн его концентрации в среде произрастани . Это согласуется с выводами других авторов о том, что механизмы, пре-п тствующие транспорту ТМ в надземную часть и органы накоплени ассимилятов, в отношении цинка выражены в наименьшей степени [1]. В качестве исключения можно отметить растения донника, корни которого удерживали 43$86% цинка от общего выноса в зависимости от варианта по аналогии с кадмием, никелем и свинцом.
Для определения фиторемедиа-ционного потенциала экспериментальных растений были рассчитаны коэффициенты биологического поглощения (КБП) как соотношение содержания элемента в надземной части и его валового содержания в почве, а также транслокационные коэффициенты (ТК) — соотношение содержания элемента в надземной части растения и его содержания в корн х.
Растения, у которых ТК и в особенности КБП меньше 1,0, не подходя т для использования в целях фитоэкстракции [7]. Результаты ранжирова-ни экспериментальных растений по показателям КБП и ТК, значения которых больше 1,0, при разном уровне комплексного загр знени почвы кадмием, цинком, никелем и свинцом, представлены в таблице 2. Растени , дл которых оба расчетных коэффициента оказались выше единицы, я в-ляются потенциальными фиторемедиантами в отношении конкретного металла и при определенном уровне его содержания в почве. Так, при до-
пустимом и среднем уровне загр з-нени почвы аккумул тором кадми проя вила себя горчица, тогда как при высоком уровне загр знени — амарант и львиный зев. Активный вынос никел и его накопление в надземных органах при среднем уровне загр з-нени почвы отмечен дл растений львиного зева, а при высоком — для растений мари и горчицы. Цинк, в отличие от других металлов, активно накапливали все экспериментальные растения, однако наиболее активно транспортировали его в надземные органы в зависимости от уровн загрязнения почвы горчица, амарант,
Т а б л и ц а 2
Ранжирование экспериментальных растений, имеющих показатели КБП и ТК более 1,0, в условиях разного уровня комплексного загрязнения почвы ТМ
Пока- Уровни загрязнения почвы тяжелыми металлами
затель допустимый низкий средний высокий
Кадмий
Горчица > редька Амарант > марь > Редька > Амарант >
КБП просо амарант > горчица > просо львиный зев донник > горчица > просо
ТК Горчица > редька — Горчица Львиный зев >
Никель амарант
— — Амарант > Амарант > марь
КБП львиный зев > марь > львиный зев = горчица
ТК Редька — Львиный зев Горчица > редька >
Свинец марь
КБП — — — —
Просо > горчица Просо Просо Просо >
ТК > львиный зев > редька > амарант Цинк львиный зев
Горчица > Просо > амарант >> Амарант >> Львиный зев >
редька >> редька > горчица > редька > горчица горчица марь >
КБП амарант > донник = львиный зев > > марь > донник амарант > редька >
марь > львиный марь > донник львиный просо = донник
зев > просо зев > просо
ТК Горчица > амарант > редька Марь > просо Горчица > редька > амарант Амарант > львиный зев
редька, львиный зев, марь и просо. Из них следует особо выделить амарант и львиный зев, которые, как было отмечено ранее, проя вили наибольшую толерантность к высокому уровню загря знения почвы ТМ. Амарант, помимо установленной в опыте высокой толерантности к присутствию в почве ТМ и способности к их аккумуля ции, обладает высокой продуктивностью, экологической пластичностью и устойчивостью к различным стресс-факторам [2], в связи с чем данное растение можно рассматривать как наиболее перспективный фиторемедиант. Установленные зна-чени КБП свинца свидетельствуют о том, что ни одно из изученных растений не обладает потенциалом дл фиторемедиации почв, загря зненных данным элементом.
Заключение
Согласно общепринятым критериям
[5], ни одно из исследуемых растений не про вило себ гипераккумул тором в отношении кадмия, цинка, никеля и свинца при выращивании на загрязненной данными элементами почве. Однако дл некоторых растений в отно-
шении отдельных металлов расчетные коэффициенты биологического погло-щени и транслокации оказались выше единицы, что свидетельствует о существовании у них фиторемедиаци-онного потенциала при определенном уровне антропогенной нагрузки. Так, при высоком уровне загр знени расте-ни амаранта и львиного зева про вили наибольшую толерантность и способность к аккумул ции в надземных органах кадмия и цинка, растения горчицы — никеля; при среднем уровне за-гр знени активно накапливали и транспортировали кадмий растени горчицы, цинк — растения амаранта, горчицы и редьки, никель — рас-тени львиного зева. Необходимо
дальнейшее изучение использовани указанных растений — потенциальных фиторемедиантов дл деконтаминации загрязненных ТМ почв, а также поиск способов усиления их экстракционной способности. Кроме того, способность удерживать металлы в корнях наиболее рко продемонстрировали растени донника, которые можно использовать дл деконтаминации загр зненных почв методом фитостабилизации. Это позволит минимизировать миграцию ТМ в почве, их биодоступность и попадание в пищевые цепи [9].
Библиографический список
1. g3K*%"= В.М. Особенности накопления и распределения тяжелых металлов в сельскохозяйственных культурах и влияние удобрений на их поведение в системе почва — растение: Автореф. докт. дис. М., 2004.
2. Черн%" И.А., Кзли*%" Ю.А., Дегтяре"= И.А., Г=сим%"= Г.А., М=*сим%" С.В. Биосинтез белка и продуктивность амарантовых / В сб.: Материалы VII Международной научно-методической конференции «Интродукция нетрадиционных и редких растений», 8-12 июня 2008 г. Мичуринск. Т. III. С. 91-94.
3. Экологические требования к почвам и грунтам г. Москвы (методическое пособие) / Под ред. Н.Ф. Ганжары. М.: Агроконсалт, 2005.
4. Яг%дин Б.А., Г%"%рин= В.В., Вин%гр=д%"= С.Б., д=м=р=е" А.Г., Ч=п%"с*=я Г.В. Накопление кадми и свинца некоторыми сельскохоз йственными культурами на дерново-подзолистых почвах разной степени окультуренности // Извести ТСХА, 1995. Вып. 2. С. 85-100.
5. Baker, A.J.M., Brooks, R.R. Terrestrial higher plants which hyperaccumulate metallic elements. A review of their distribution, ecology and phytochemistry // Biorecovery. V. 1. P. 81-126.
6. Brooks R.R. Plant that hyperaccumulate heavy metals (their role in phytoremediation, microbiology, archaeology, mineral exploration and phytomining). Wallingford: CAB International, 1998.
7. Fitz W.J., Wenzel W.W. Arsenic transformation in the soil — rhizosphere — plant system, fundamentals and potential application of phytoremediation // Journal of Biotechnology, 2002. V. 99. P. 259-278.
8. Ghosh M, Singh S.P. A review on phytoremediation of heavy metals and utilization of its byproducts // Applied Ecology and Environmental Research, 2005. V. 3(1). P. 1-18.
9. Joonki Yoon, Xinde Cao, Qixing Zhou, Lena Q. Ma Accumulation of Pb, Cu and Zn in native plants growing on a contaminated Florida site // Science of the Total Environment, 2006. V.368. P. 456-464.
10. Zhao F.J., Lombi E., McGrath S.P. Assessing the potential for zinc and cadmium phytoremediation with the hyperaccumulator Thlaspi caerulescens // Plant and Soil, 2003. V. 249(1). P. 37-43.
Рецензент — д. б. н. В.И. Кирюшин
SUMMARY
Data on a vegetation experiment determining the phyto-remediation abilities of seven cultivated and wild plants, under conditions of complex contamination of sod-podzol soil with Cd, Ni, Pb, Zn, have been reviewed. It has been established that at both middle and high levels of soil contamination" amaranth, snapdragon and white mustard have the highest phyto-remediation potential in relation to Cd, Zn and Ni among studied plants.
Key words: heavy metals, cadmium, nickel, lead, zinc, soil contamination, tolerance, phyto-remediation, phyto-remediation potential, phyto extraction.
Андреева Ирина Викторовна — к.б.н., РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева. Тел. 977-78-94.
Злобина Мария Владимировна — РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева. Тел. 976-12-48. Эл. почта: [email protected].
Байбеков Роман Федорович — д.с.-х. н., ВНИИА имени Д.Н. Прянишникова. Тел. 976-25-01.
Ганжара Николай Федорович — д.б.н., РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева. Тел. 976-84-03.
