CC BY
16
УДК 631.416.8
Канд. биол. наук М.А. ЕФРЕМОВА (ФГБОУ ВО СПбГАУ, marina_efremova@mail.ru) Аспирант В.В. МИТРОФАНОВ
(ФГБОУ ВО СПбГАУ, v-123@yandex.ru)
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИКИ НАКОПЛЕНИЯ КАДМИЯ ОВСОМ В ОПЫТАХ С ВОДНОЙ И ПОЧВЕННОЙ КУЛЬТУРАМИ
Среди большого количества разнообразных химических веществ, поступающих в окружающую среду из антропогенных источников, особое место занимают тяжёлые металлы. К тяжелым металлам первого класса опасности относят кадмий. Этот химический элемент легко подвижен в пищевых цепях, началом которых является загрязненная почва. Накопление кадмия в организме человека сопровождается острыми и хроническими токсическими эффектами, проявление только одного из них - канцерогенеза - позволяет причислить этот элемент к наиболее опасным неорганическим экотоксикантам [1]. В связи с увеличивающимся загрязнением биосферы важное практическое применение имеет знание механизмов и закономерностей поведения и распределения тяжёлых металлов в окружающей среде.
Цель исследования. Накопление химических элементов растениями в процессе их роста хорошо аппроксимируется логистической функцией, позволяющей вычислить скорость выноса элементов растениями из почвы, оценить влияние условий окружающей среды на этот процесс [2].
Для исследования влияния условий произрастания овса на динамику накопления кадмия растениями были заложены опыты с водной и почвенной культурами. В задачи исследований входило применение логистической функции для оценки параметров роста и развития злаковой культуры и накопления кадмия растениями овса: удельной скорости роста овса, удельной скорости выноса кадмия растениями из питательной среды, начальной физиологически активной массы растений, необходимой для начала их прорастания и развития.
Материалы, методы и объекты исследования. Опыт с почвенной культурой проведён в вегетационном домике на территории малого опытного поля СПбГАУ. При закладке опыта почва была искусственно загрязнена кадмием до 0,5 ОДК. Тяжёлый металл был внесен в почву в виде раствора соли ацетата кадмия. При этом содержание кадмия в почве составило 1 мг/кг. В почву одновременно были внесены макроэлементы питания растений в составе азофоски. В соответствии с рекомендациями агрохимических исследований количество питательных элементов, поступившее в почву с удобрениями, составило: N - 0,15 г /кг почвы, Р2 О 5 - 0,10 г/кг, К2 О - 0,10 г/кг [4]. Опыт поставлен в трёхкратной повторности.
Растения овса выращивали в сосудах Кирсанова, содержание почвы в сосуде - 5 кг. Влажность почвы в период роста растений поддерживалась на уровне 70% от полной полевой влагоёмкости. После прореживания в каждом сосуде было оставлено 25 растений овса. В опыте выращивали овес сорта Скакун. Сорт среднеспелый, ближе к среднераннему, обладает широкой экологической пластичностью, что позволяет получать стабильно высокий урожай в различных почвенно-климатических условиях. Растения убирали в динамике 9 раз: на 14, 21, 26, 31, 42, 51, 59, 70, 83 сутки после всходов.
Опыт был поставлен на дисперсном минеральном техногенно образованном почвенном грунте, агрохимическая характеристика которого представлена в табл. 1.
Таблица 1. Агрохимическая характеристика почвенного грунта
Гранулометрический состав Гумус, % рИка H г S V, % Подвижные соединения Валовое содержание
Р2О 5 К2О Cd
ммоль/100 г мг/кг
Тяжелый суглинок 1,9 7,85 <0,23 50,4 99,6 92,3 38,5 0,72±0,16
Агрохимические показатели почвы определены в соответствии с методиками ГОСТ или общепринятыми методами: содержание гумуса - по методу Тюрина, обменная кислотность - согласно ГОСТ 26483-85, гидролитическая кислотность - ГОСТ 26212-91, сумма поглощенных оснований - ГОСТ 27821-88, содержание фосфора и калия - ГОСТ Р 54650-2011. Валовое содержание кадмия в почвогрунте было определено атомно-абсорбционным методом после вытеснения кадмия из почвы 5М азотной кислотой при 3-часовом кипячении.
Использованный в вегетационном опыте почвогрунт обладал близкой к щелочной реакцией среды, очень низким содержанием гумуса, средним содержанием фосфора, очень низким содержанием калия, очень высокой степенью насыщенности основаниями. Валовое содержание кадмия в почвогрунте до искусственного загрязнения было ниже его ориентировочно-допустимой концентрации (ОДК=2,0 мг/кг для почвы с рНкс1>5,5).
В модельном опыте с рулонной водной культурой показана динамика накопления кадмия злаковой культурой из питательного раствора, имитирующего почвенный раствор. Овес сорта Аргамак выращивали на питательной смеси Митчерлиха, сбалансированной по основным макроэлементам питания растений с начальным показателем рН 5,97. Дополнительно в смесь была введена соль CdSO4 с тем расчетом, чтобы создать концентрацию кадмия 0,01 ммоль/л раствора [3]. Овес выращивали в стеклянных емкостях (сосудах) объемом 250 мл в течение 42 суток с момента прорастания семян. В каждый сосуд было размещено по 12 растений, которые с момента закладки опыта крепились на фильтровальной бумаге, свернутой в рулон и опущенной в питательный раствор так, чтобы он не соприкасался с семенами. В период роста растений было сделано 9 отборов растительных проб - на 10, 14, 18, 23, 28, 31, 35, 38, 42 сутки роста, в трех повторностях.
После уборки растений двух опытов в них определялась концентрация кадмия атомно-абсорбционным методом с электротермической атомизацией образца. Пробоподготовка растений к спектрометрическому анализу была проведена методом мокрого озоления растений в смеси азотной и хлорной кислот (соотношение объемов кислот 4:1).
Статистическая и математическая обработка результатов исследования сделана с использованием компьютерных программ Excel и Origin.
Результаты исследования. В опытах с водной и почвенной культурами изучалась динамика набора массы овса, рост овса в обоих опытах хорошо описывался S-образной кривой (рис. 1).
Статистическая обработка результатов показала, что биомасса овса в вегетационном опыте существенно увеличивалась на 42-е сутки (рис. 1 а), в начале фенологической фазы выхода в трубку (табл. 2). Второе достоверное изменение массы овса было отмечено на 70-е сутки в фазу колошения.
Период, в течение которого проходил опыт с водной культурой, соответствовал фенологической фазе проростков (рис. 1 б). Статистическая обработка данных показала существенные различия в биомассе проростков овса на 14-е и 28-е сутки роста. Начиная с возраста 35 суток и по 42-е сутки наблюдений, растения овса не набирали сухую массу. Несмотря на то, что в течение всего периода наблюдений растения находились в фазе проростков, динамику накопления их массы хорошо описывала линия с насыщением (рис. 2 б).
30 и 25-
5 20-О
^ 15 и
$ 10-1
§ 5
W
0J
10 20 30 40 50 60 70 80 90 Возраст растений, сутки
0,8-,
0,6-
0,4-
0,2-
10 20 30 40
Возраст растений, сутки
Рис. 1. Динамика воздушно-сухой массы овса в опытах: а - вегетационный опыт, б - опыт с водной культурой
Таблица 2. Продолжительность фенологических фаз овса в вегетационном опыте
б
а
Возраст растений, сутки Фенофаза
14 Проростки
21 Кущение
26
31
42 Выход в трубку
51
59
70 Колошение
83
Таким образом, динамика массы растений овса в обоих опытах хорошо описывалась
логистической функцией [2]:
ЖО= 0)
L Mo J
где Mmax - максимально возможная масса растений, г/сосуд; Мо— некоторая начальная масса растений, г/сосуд; ц - константа удельной скорости накопления массы растений, сут-1, t -время, прошедшее от момента прорастания зерна, сут.
Математическая обработка логистической функции роста растений в компьютерной программе Origin позволила найти удельную скорость роста овса («), связанную со скоростью клеточного деления, и величину Mo, которая предположительно соответствует некоторой физиологически активной части материала зерна овса, используемой для прорастания (табл. 3). Удельная скорость роста растений позволила вычислить период (Т) удвоения массы растений овса:
Т = °'69%. (2)
Для сравнения результатов данных вегетационного опыта и опыта с водной культурой расчет параметров логистической функции динамики биомассы овса был сделан на 25 растений в обоих опытах.
Таблица 3. Параметры логистической функции динамики массы овса
Опыты Мо, г на 25 растений Ммах, г на 25 растений ¡, сут-1 Т, сут. r
Почвенная культура 3,98-10-2 22,44±3,31 0,125±0,019 5,54±0,84 0,975
Водная культура 3,55-10-2 0,623±0,024 0,159±0,023 4,36±0,63 0,995
Анализ данных табл. 3 показывает, что при выращивании овса на разных средах удельная скорость его роста и период удвоения массы этой культуры на экспоненциальной стадии (начальной стадии роста) не имел существенных различий. Показатель Mo, отражающий активную массу семени, в двух опытах также достоверно не различался. По-видимому, эти параметры отражают генетические особенности данной зерновой культуры, что подтверждается литературными данными [2].
Полученные значения показателя Mo позволяют рассчитать массу "активной" части зерна, используемую растением для прорастания. Принимая во внимание, что масса 1000 зерен овса сортов Скакун и Аргамак может составлять 35-41 г, т.е. в среднем 38 г, получаем массу "активной" части зерна 4,0±1,4% от массы зерновки овса в среднем по данным двух опытов.
В вегетационном опыте злаковая культура выращивалась на техногенном минеральном почвогрунте, искусственно загрязнённом кадмием в пределах 0,5 ОДК. Содержание Cd в растениях овса разного возраста существенно различалось. Концентрация элемента в растениях была максимальна в начале кущения, постепенно снижаясь к концу периода вегетации в 12 раз (рис.2 а). Между содержанием кадмия в растениях овса и массой этой культуры наблюдается слабая обратная корреляционная связь (r=-0,45), что указывает на слабое проявление эффекта биологического разбавления концентрации кадмия в растениях.
Содержание Cd в проростках овса, выращиваемых на питательном растворе, было максимальным на 31-е сутки роста (рис. 2 б). Период увеличения содержания кадмия в зеленой массе растений оказался значительно длиннее в опыте с водной культурой, чем с почвенной, что может быть связано с задержкой развития овса при выращивании в лабораторном опыте.
250 -л
тз О те s =г
cd U. н К <и
X
О
у
14 п
12 -
10 -
б -
4 -
200 -
150 -
100 -
50 -
0
б
20
40
60
80
0
10
20
30
40
50
Рис. 2. Динамика концентрации кадмия в растениях овса: а- вегетационный опыт, б- опыт с водной культурой
а
Согласно литературным данным, в лабораторном опыте с водной культурой накопление кадмия в растениях должно быть существенно выше, чем в опыте с почвенной, так как кадмий хорошо закрепляется в почвенно-поглощающем комплексе [4, 5, 6]. Сравнение концентраций тяжёлого металла в биомассе овса на стадии проростков в опыте с почвенной культурой (2,96 мг Cd/кг) и в опыте с водной культурой (в среднем 117,7 мг Cd/кг) показывает, что накопление кадмия в овсе в условиях водной культуры было в среднем в 40 раз больше. Способность почвы к адсорбции соединений тяжелых металлов является важнейшим почвенным свойством. Таким путем почва ограничивает возможность миграции металлов, в том числе кадмия, в сопредельные с почвой среды, включая транслокацию в растения.
Растения накапливают химические элементы из почвенного раствора. Согласно литературным данным, содержание кадмия в почвенном растворе минеральной почвы с 30% влажностью составляет менее 1% от его валового количества. Это позволило оценить концентрацию Cd в почвенном растворе техногенного грунта, используемого в вегетационном опыте. По нашим расчетам, она в 30-40 раз меньше, чем концентрация элемента в растворе Митчерлиха, и примерно составляет 0,25-0,3 мкмоль Cd/л почвенного раствора. Сделанная оценка позволяет заключить, что раствор Митчерлиха удовлетворительно имитировал почвенный раствор в системе почва-растение.
Вынос кадмия овсом из почвенной и водной среды был рассчитан как произведение массы растений на концентрацию в них химического элемента. Он возрастал до некоторого максимума в двух опытах (рис. 3). Ранее показано, что логистическая функция хорошо аппроксимирует динамику выноса химических элементов растениями из почвы [2]. Максимально возможный вынос кадмия (Амах), рассчитанный в программе ORIGIN с использованием логистической функции, в опыте с водной культурой был в 3,4 раза больше, чем в опыте с почвенной культурой (табл. 4).
Таблица 4. Параметры логистической функции динамики выноса Cd овсом
Опыты А о, мкг (на 25 растений) Амах, мкг (на 25 растений) S, сут-1 r
Почвенная культура 2,21-10"3 22,56±1,80 0,244±0,086 0,98
Водная культура 17,2-10"3 76,10±8,84 0,210±0,033 0,98
Удельные скорости выноса кадмия растениями овса из почвы и питательного раствора (е) существенно не различались и были заметно выше показателей удельной скорости набора массы («). При условии концентрация элемента в растениях должна снижаться, что
подтверждается результатами наших опытов (рис. 2).
Логистическая функция позволяет рассчитать параметр Ао, смысловое значение которого остается до конца не выясненным. Интерпретируя данные полевых экспериментов, В.Ф. Дричко характеризует этот параметр как содержание элемента в активной массе зародыша [2]. В нашем эксперименте с почвенной культурой величина этого показателя в 8 раз меньше, чем при выращивании овса на водном питательном растворе, что указывает на возможное влияние условий произрастания культуры на формирование данного показателя.
2 20-У
а
cN 15-
TS U о
о =
л
m
10
5-
10
70
8070605040302010-
0
0
10
20
30
40
20 30 40 50 60 Возраст растений, сутки
Рис. 3. Вынос Cd растениями овса в опытах: а - почвенная культура, б - водная культура
Выводы. Описание динамики выноса кадмия овсом из разных сред при помощи логистической функции позволило выявить стабильность некоторых показателей роста овса и накопления растениями кадмия при изменении условий корневого питания растений. Так, существенно не различались удельные скорости роста овса в опытах с почвенной и водной культурами, удельные скорости выноса кадмия из водной и почвенной среды, показатели "активной" массы зерна, используемой растением для прорастания.
а
0
Литература
1. Waisberg M., Joseph P., Hale B., Beyersmann D. Molecular and cellular mechanisms of cadmium carcinogenesis // Toxicology. - 2003. - Nov 5; 192(2-3). - Р. 95-117.
2. Дричко В.Ф., Изосимова А.А. Методика определения удельных скоростей роста растений и выноса ими химических элементов из почвы. - СПб: АФИ, 2011. - 24 с.
3. Серегин И.В., Иванов В.Б. Физиологические аспекты токсического действия кадмия и свинца на высшие растения // Физиология растений. - 2001. - Т.48. -№4. - С. 606-630.
4. Andreu V., Gimeno E. Total content and extractable fraction of cadmium, cobalt, copper, nickel, lead, and zinc in calcareous orchard soils // Communications in Soil Science and Plant Analysis. - 1996. - V. 27. - P. 2633-2648.
5. Neng-Chang C., Huai-Man C. Chemical behavior of cadmium in wheat rhizosphere // Pedosphere. - 1992. - V. 2. -P. 363.
6. Bolan N.S., Duraisamy V.P. Role of inorganic and organic soil amendments on immobilization and phytoavailabilty of heavy metals: a review involving specific case studies // Aust. J. Soil. Res. - 2003. V.41. - P. 533.
Literatura
1. Waisberg M., Joseph P., Hale B., Beyersmann D. Molecular and cellular mechanisms of cadmium carcinogenesis // Toxicology. - 2003. - Nov 5; 192(2-3). - P. 95-117.
2. Drichko V.F., Izosimova A.A. Metodika opredeleniya udel'nyh skorostej rosta rastenij i vynosa imi himicheskih ehlementov iz pochvy. - SPb: AFI, 2011. - 24 s.
3. Seregin I.V., Ivanov V.B. Fiziologicheskie aspekty toksicheskogo dejstviya kadmiya i svinca na vysshie rasteniya // Fiziologiya rastenij. - 2001. - T.48. -№4. - S. 606-630.
4. Andreu V., Gimeno E. Total content and extractable fraction of cadmium, cobalt, copper, nickel, lead, and zinc in calcareous orchard soils // Communications in Soil Science and Plant Analysis. - 1996. - V. 27. - P. 2633-2648.
5. Neng-Chang C., Huai-Man C. Chemical behavior of cadmium in wheat rhizosphere // Pedosphere. - 1992. - V. 2. -P. 363.
6. Bolan N.S., Duraisamy V.P. Role of inorganic and organic soil amendments on immobilization and phytoavailabilty of heavy metals: a review involving specific case studies // Aust. J. Soil. Res. - 2003. V.41. - P. 533
УДК 634.8.07
Канд. техн. наук П.Е. БАЛАНОВ (Университет ИТМО, balanov@yandex.ru) Канд. техн. наук И.В. СМОТРАЕВА (ФГБОУВО СПбГАУ, irinasmotraeva@yandex.ru) Соискатель О.Н. АЙРАПЕТЯН (Университет ИТМО, ayrapetyanez@gmail.com)
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОЛОГИЧЕСКИХ ПОЛИМЕРОВ ДЛЯ СТАБИЛИЗАЦИИ ВИНОГРАДНЫХ ВИН
Работы, связанные со стабилизацией вин, ведутся на протяжении длительного времени. Это связано с чрезвычайной актуальностью этой задачи. Особенно в современном мире, когда потребители становятся всё более взыскательными. Стабилизация вина, в конечном итоге, определяет и его стоимость. В этом смысле все мероприятия, направленные на повышение стойкости с сохранением органолептических показателей и доступной ценой, являются актуальной задачей.
Для повышения стабильности вин могут использоваться самые разные методы: физические, химические, биологические и др. Современные тенденции в пищевой промышленности зачастую характеризуются использованием в технологическом цикле максимального количества натуральных ингредиентов. И винодельческая отрасль в этом смысле не исключение. Неоднократно предлагалось использовать для стабилизации вин природные консерванты [1,2,4].
В данной работе предлагается использовать в качестве осветляющего материала биологические полимеры природного происхождения. Биополимеры — класс полимеров, встречающихся в природе в естественном виде, входящие в состав живых организмов: белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды, лигнин и др. [3] В нашем случае было принято решение об использовании хитозана и желатина, а также тонкодиспергированного диоксида кремния и бентонита в качестве минеральных добавок.
Цель исследования - апробация различных биополимеров и их комбинаций для улучшения осветления виноматериала. Фактор осветления является весьма удобным критерием для оценки потенциальной стабильности вина. Он не гарантирует отсутствие осадков различной природы в будущем, однако первичную информацию дает очень хорошо. Более того, позволяет делать прогнозы на стабильность при хранении.
Материалы, методы и объекты исследования. Для определения степени осветления любого раствора можно использовать показатель мутности. Чем мутность больше, тем менее прозрачен раствор и, следовательно, тем меньше у него шансов к длительному хранению.
Для определения мутности существуют различные методы и различные шкалы и градации результата [5,6]. Мы в своей работе выбрали градацию FTU (formazine turbidity unit). Она основана на соотношении исследуемого образца со стандартизированными растворами формазина, приготовленными по определенной инструкции.
Эта методика рекомендована WHO (Всемирная Организация Здравоохранения) для анализа питьевой воды.
Решающую роль в любом стабилизационном процессе играет время контакта испытуемой среды и какого-либо реагента. Этот фактор в наших исследованиях мы также попытались учесть.
