CC BY
50
ИЗУЧЕНИЕ ПОВЕДЕНИЯ Cd И Zn В ДЕРНОВО-ПОДЗОЛИСТОЙ ПОЧВЕ И ИХ ДЕЙСТВИЕ НА ПОЧВЕННЫЙ
МИКРОБОЦЕНОЗ
T.JL Жигарева1, А.Н. Ратников1, Д.Г. Свириденко1, Г.И. Попова1, К.В. Петров1, А.А. Касьяненко2, Н.А.Черных2, М.Н. Картузова2
1 Всероссийский НИИ сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии РА СХН,
249032, Обнинск, Россия;
2Экологический факультет, Российский университет дружбы народов, Подольское шоссе, 8/5, 113093, Москва, Россия
Результаты исследований по изучению трансформации различных форм нахождения кадмия и цинка свидетельствуют о том, что в зависимости от их концентрации в почве количество обменных и подвижных соединений увеличивается, а, следовательно, увеличивается и поступление их в растения. Это отразилось на росте, развитии и продуктивности изучаемых культур. При биэлементном нахождении в почве кадмия и цинка наблюдается тенденция к увеличению их мобильности, причем кадмия в большей степени, чем цинка, что, по-видимому, можно объяснить увеличением их взаимной конкуренции за активные центры почвенно-поглощающего комплекса. Показано, что загрязнение почвы тяжелыми металлами (Cd, Zn) изменяет состав и соотношение основных групп микроорганизмов, а также влияет на процессы превращения углерода и азота в почве — дыхание и азотфиксацию.
Трансформация соединений тяжелых металлов (ТМ) в почве и потребление их растениями является сложной функцией, зависящей от многих переменных: состава почвы, свойств самих металлов, почвенно-экологических условий роста и развития растений. Знание форм соединений металлов в почве имеет большое значение в изучении их поведения в различных компонентах биосферы, в разработке приемов и методов снижения их фитотоксичности и восстановления плодородия загрязненных почв. Большинство тяжелых металлов, присутствуя в растительных организмах в ничтожно малых количествах, выполняют весьма важные функции, входя в состав биологически активных веществ — являясь микроэлементами. Присутствуя в почве в больших количествах, тяжелые металлы оказывают негативное влияние на рост и развитие растений. Наиболее благоприятные условия для интенсивной миграции тяжелых металлов по биологической цепи почва-растение складываются на дерново-подзолистых почвах Нечерноземной зоны. Поэтому изучение биологической доступности тяжелых металлов имеет важное значение в сельскохозяйственном производстве.
Ведущая роль в формировании почвенного плодородия принадлежит биохимической деятельности микроорганизмов. Исследованиями установлена тесная корреляционная связь между параметрами биологической активности почв, уровнем ее плодородия и величиной урожайности растений. Загрязнение почвы тяжелыми металлами изменяет численность и состав микробного сообщества почв, снижает интенсивность основных микробиологических процессов и активность почвенных ферментов. Кроме того, тяжелые металлы изменяют и более консервативные признаки почв, такие как гумусное состояние, структура, pH и др. Все это ведет к частичной, а в ряде случаев и к полной утрате плодородия почв [1]. Специфика воздействия тяжелых металлов на различные группы микроорганизмов и степень их токсичности зависит от вида металла, его концентрации и типа почвы. Например, под влия-
нием промышленного и транспортного загрязнения тяжелыми металлами изменяется структура комплексов почвенных грибов — снижается богатство выделяемых видов, изменяется их встречаемость и в результате разнообразие комплексов грибов уменьшается [2].
Под воздействием тяжелых металлов изменяется также биологическая активность почв. Рядом исследователей установлено, что попадающие в почву тяжелые металлы ингибируют трансформацию соединений углерода и азота. Одним из наиболее масштабных этапов в круговороте углерода является его высвобождение из различных органических соединений в виде углекислоты, «дыхание почвы». Во многих работах отмечается, что высокие дозы тяжелых металлов могут ингибировать протекание этого процесса [3].
Установлено ингибирующее действие загрязнения и на трансформацию ряда природных органических соединений. Тяжелые металлы оказывают ингибирующее действие и на процесс естественного вовлечения азота в круговорот — азотфиксацию [4,5]. В целом влияние тяжелых металлов на микробные сообщества и микробиологические процессы в почве определяется типом металла, его дозой, формой соединения, свойствами загрязняемых почв. Отрицательное действие тяжелых металлов сильнее проявляется на малобуферных, с низким естественным плодородием почвах.
В условиях микрополевого опыта на дерново-подзолистой супесчаной почве экспериментальной базы ВНИИ сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии изучали влияние различных доз Сс1 — 1, 5, 10, 20, 50 и Zn -125, 250, 500, 1000, 2000 мг/кг соответственно на рост, развитие растений, их продуктивность и содержание тяжелых металлов в урожае. Исследование проводили на ячмене сорт «Эльф», клевере сорт «ВИК-35» и редисе сорт «Жара». После уборки урожая в почве определяли содержание обменных (извлекаемых 1н Са(1ЧОз)2), подвижных (извлекаемых СНзСОО>Ш4 с pH 4,8) и подвижных кислоторастворимых (извлекаемых 1н ННОз) форм кадмия и цинка. Определение различных форм нахождения кадмия и цинка проводили методом последовательной обработки почвы, изучаемыми экстрагентами.
С целью изучения влияния органических удобрений и мелиорантов на показатели биологической активности дерново-подзолистой легко и среднесуглинистой почвы, загрязненной кадмием и цинком, в серии вегетационных опытов были определены: показатели численности основных групп почвенных микроорганизмов — бактерий, грибов и актиномицетов; потенциальная активность азотфиксации, денитрификации и дыхания почвы. Опытная культура — ячмень, сорт «Эльф». Питательные вещества вносили при набивке сосудов по 0,15 г/кг К, Р2О5 и К20 в виде растворов солей ТЧН^Оз, КН2РО4 и К2804. Тяжелые металлы вносили в дозах: Сс1 — 10, 15 и 2п — 300 мг/кг почвы в виде азотнокислых солей. Органические удобрения и мелиоранты вносили из расчета 2,0 и 0,8% от веса почвы в сосудах соответственно.
Результаты наших исследований свидетельствуют о том, что внесенные в почву кадмий и цинк фиксируются почвой и образуют комплексы, в той или иной степени, доступные для корневого поглощения растениями. Изучаемая дерново-подзолистая супесчаная почва (без внесения ТМ) содержит кадмия 0,35, цинка 43,4 мг/кг почвы. Из них 28,6 кадмия и 30 % цинка находятся в труднорастворимом состоянии. Содержание обменных, подвижных, кислоторастворимых соединений кадмия составляет соответственно 20,0; 17,0; 34,4 %, а для цинка - 22,8; 19,8 и 27,4 % (табл. 1).
Результаты исследований по изучению трансформации различных форм нахождения кадмия и цинка свидетельствуют о том, что в зависимости от их
концентрации в почве количество обменных и подвижных соединений увеличивается, а следовательно увеличивается и поступление их в растения. Это отразилось на росте, развитии и продуктивности изучаемых культур.
Таблица 1
Содержание различных форм соединений С(1 и Zn в дерново-подзолистой супесчаной почве,
% от внесенной дозы тяжелых металлов
Доза металла, мг/кг Обменные соединения, 1 н Са(М03)2 Подвижные соединения, СН3СООЫН4 (pH 4,8) Кислоторастворимые соединения, 1 н НЫОз Т руднорастворимые соединения
Кадмий
Фон 20,0 17,0 34,4 28,6
1 29,6 22,2 20,0 28,1
5 38,3 29,0 22,4 10,3
10 39,8 32,2 19,3 8,7
20 41,6 34,3 15,5 8,6
50 42,7 34,8 13,7 8,8
Цинк
Фон 22,8 19,8 27,4 30,0
125 30,0 41,1 23,1 5,8
250 31,3 41,3 21,4 6,0
500 32,2 41,0 20,5 6,3
1000 34,5 40,5 18,7 6,3
2000 35,5 40,5 17,5 6,5
Соотношение форм нахождения при внесении кадмия 1мг/кг почвы по сравнению с фоновым меняется незначительно. Содержание обменных и подвижных соединений возрастает соответственно на 9,6 и 5,2 %, а кислоторастворимая фракция снижается на 14,4 %. Концентрация цинка 125 мг/кг способствует увеличению содержания легкодоступных соединений: обменной до 30; подвижной до 41,1 %, — и резко снижает содержание труднодоступных соединений с 30 до 5,8 %. Содержание кислоторастворимых соединений снижается незначительно. Дальнейшее увеличение концентрации кадмия до 50 мг/кг почвы привело к перераспределению элемента по фракциям: увеличив обменную до 42,7, соединений, извлекаемых ацетатом аммония, до 34,8 %, а содержание кислоторастворимой фракции уменьшилось до 13,7 %. С увеличением концентрации цинка в почве от 125 до2000 мг/кг соотношение различных соединений варьирует незначительно.
Степень влияния различных концентраций кадмия и цинка на урожай и устойчивость различных сельскохозяйстьвенных культур представлена в табл. 2. Результаты исследований свидетельствуют о том, что наиболее чувствительной культурой к содержанию С<1 в почве является ячмень. Так, если урожай редиса и клевера при концентрации СсЗ в почве 10 мг/кг снизился соответственно на 18 и 12%, то продуктивность ячменя при той же концентрации металла снизилась на 36% по отношению к контролю. Увеличение концентрации кадмия до 50 мг/кг почвы привело к снижению урожая клевера на 92, а редиса на 95% по отношению к контрольному варианту. Концентрация С<1 в почве 50 мг/кг вызвала стерильность колосьев и отсутствие урожая зерна ячменя.
Негативное влияние различных концентраций цинка неоднозначно отразилось на изучаемых культурах. Наибольшая чувствительность к цинку наблюдалась у редиса. При концентрации цинка 250 мг/кг почвы продуктивность редиса снизилась на 22, а клевера на 12% по отношению к контролю, в то время как урожай зерна ячменя сохранился на 100%. Концентрация цинка 1000 мг/кг почвы привела к отсутствию зерна у ячменя, минимальному урожаю клевера и редиса - всего 3 и 2% от контроля соответственно. Полная гибель всех возделываемых культур (ячменя, клевера, редиса) наблюдалась при концентрации цинка в почве 2000 мг/кг (табл. 2).
Таблица 2
Влияние различных доз кадмия и цинка на урожай сельскохозяйственных культур
Доза внесения металла, мг/кг Урожай
ячмень (зерно) клевер (сено) редис (корнеплоды)
ц/га % от контроля ц/га % от контроля ц/га % от контроля
Кадмий
0 31,4 100 99,9 100 110,5 100
1 30,8 98 100,7 101 107,6 97
5 26,3 84 90,9 91 108,0 98
10 20,1 64 88,2 88 90,4 82
20 5,2 17 46,7 47 76,3 69
50 нет зерна - 8,1 8 6,0 5
НСР05 1,4 - 1,8 - 1,6 -
Цинк
0 30,9 100 100,5 100 ^ 99,7 100
125 33,3 108 107,0 107 105,6 106
250 31,0 100 88,1 88 78,0 78
500 10,4 34 15,4 15 17,2 17
1000 нет зерна - 3,2 3 1,6 2
2000 гибель - гибель - гибель -
НСР05 1,4 - 1,1 - 1,2 -
Наименьшая из изучаемых доз кадмия — 1 мг/кг почвы способствовала накоплению металла в зерне ячменя, вегетативной массе клевера и корнеплодах редиса в количествах, превышающих ПДК (СанПиН 2.3.2.1078-01). Превышение ПДК по содержанию цинка в вегетативной массе клевера и корнеплодах редиса наблюдается уже с концентрации — 250 мг/кг почвы. Уровень ПДК в зерне ячменя был превышен при концентрации цинка в почве 500 мг/кг. Необходимо подчеркнуть, что накопление кадмия и цинка в растениях зависит от концентрации элемента в почве, но прямопропорциональной зависимости не отмечено.
Что касается биоты, то наиболее токсичным для почвенного микробоценоза оказывается совместное присутствие в почве (Сс^+гпзоо мг/кг), обуславливающее достоверное снижение численности актиномицетов в 2,9 раза по отношению к контролю. При моноэлементном загрязнении Сс115 и Znзoo численность бактерий не изменяется, но стимулируется активность грибов в почве (табл. 3).
Применение палыгорскитовой глины существенно (в 1,4-2,2 раза по сравнению с вариантом без сорбента) стимулирует активность почвенных грибов в вариантах с моноэлементным внесением цинка и кадмия.
Более информативными показателями, отражающими изменение микробоценоза под влиянием техногенного загрязнения, являются количественные
соотношения численности микроорганизмов различных систематических групп. Так, изменения в комплексе целлюлозоразрушающих микроорганизмов отражаются в соотношении численности актиномицетов и грибов. Это соотношение называют коэффициентом минерализации. Кадмий и цинк как при моно-, так и биэлементном загрязнении почвы снижают коэффициент минерализации в 1,5-5,4 раза по сравнению с контролем, при этом увеличивается доля грибной микрофлоры и повышается активность микроорганизмов, потребляющих минеральный азот (табл. 3).
Таблица 3
Влияние С(1 и Ъа и палыгорскитовой глины на состав и структуру почвенного микробоценоза дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы
Вариант опыта Численность микроорганизмов, тыс./г почвы Акгиномицеты грибы
бактерии грибы акгиномицеты
Без мелиоранта
Фон - N0.15P015K0.I5 441+14 1,0+0,0 44,3±1,6 45,2±4,5
Ф0Н+ССІ15 435+14 1,7±0,1 49,5±1,1 29,3+3,0
Фон+гпзоо 450+31 3,3±0,1 35,5±1,9 10,5+1,0
Фон+Сс1і5+7пзоо 440+26 3,0+0,1 14,9+1,0 4,9+0,8
Палыгорскитовая глина
Фон N0.15P015K0.15 390+25 2,7+0,1 24,1+0,7 9,0+0,9
Фон+СМі5 317±21 3,7+0,1 45,9+2,4 12,6+1,2
Фон+гпзоо 452±27 3,3+0,1 15,3+0,7 4,6±0,4
Фон+Сс^+Тпзоо 242±5 1,1+0,1 19,2±1,0 16,8+0,9
Концентрация кадмия в количестве 10 мг/кг почвы существенно (в 2,2 раза) снижает коэффициент минерализации органического вещества. В свою очередь, присутствие цинка в почве в концентрации 300 мг/кг также влияет на снижение коэффициента минерализации гумусовых веществ, находящихся в почве, но в меньшей степени, чем присутствие кадмия. В данном случае процессы минерализации протекали медленнее в 1,6 раза по сравнению с контролем (табл. 4).
Органическое вещество в виде ТНК в варианте совместного присутствия в почве с кадмием нейтрализует негативное действие последнего на процессы минерализации гумуса, увеличивая интенсивность данного процесса в 2,0 раза по сравнению с вариантом, где ТНК отсутствовал.
Таблица 4
Влияние С(1, Ъа. и торфонавозного компоста на состав и структуру почвенного микробоценоза на среднесуглшшстой почве
Вариант опыта Численность микроорганизмов, тыс./г почвы Акгиномицеты грибы
бактерии грибы акгиномицеты
Фон - No.1sPo.15Ko.15 489 2,1 72,0 34,3
Фон+ТНК 590 3,4 89,3 26,3
Фон+СИю 661 4,4 69,3 15,8
Фон+ТНК+Сс1|о 526 3,1 97,3 31,4
Фон+гпзоо 381 3,0 65,6 21,9
Фон+ТНК+2п')(ю 453 4,8 63,9 13,3
НСР„5 38,0 0,3 6,4 3,5
Исследования по изучению влияния Сс1ю, 15 и 2пзоо мг/кг почвы и органических удобрений на биологическую активность дерново-подзолистой, легкосуглинистой и среднесуглинистой почвы выявили чрезвычайно нега-
тивное действие на азотфиксацию — ее уровень снизился в 3,6 раза по сравнению с контролем, а уровень денитрификации - только в 1,2 раза. В свою очередь присутствие в почве Сс1 не оказывает достоверного влияния на активность азотфиксации, но несколько снижает денитрифицирующую активность почвы в 1,2 раза по сравнению с контролем. Торфонавозный компост частично нивелирует негативное влияние цинка на потенциальную активность азотфиксации, но уровень последней, тем не менее, оказывается гораздо ниже контрольного варианта (табл. 5).
Таблица 5
Влияние Ъ\ и торфонавозного компоста на биологическую активность дерново-подзолистой среднесуглинистой почвы
Вариант Потенциальная активность, мг/кг.сут.
азотфиксации, аЫ2 денитрификации, аМ2-1М20 дыхания, аС-С02
Фон - N0.15P0.15K0.15 19,0±1,9 29,0+3,4 355,0+42,0
Фон + ТНК 12,4+1,3 28,4+2,8 311,8+33,1
Фон + Сёт 17.2+1,8 24,0±2,4 294,7+34,0
Фон + ТНК + Сс) ю 6,8±0,7 20,0±2,3 486,3+54,0
Фон + 2пюо 5,3±0,6 25,0±2,8 433,5+48,5
Фон + ТНК + £пмо 7,6±0,9 20,5±2,2 421,3+50,0
Обогащение почвы природными мелиорантами (палыгорскитовая глина) достоверно стимулирует деятельность денитрифицирующих бактерий в 1,3 раза по сравнению с вариантом, где были внесены только элементы минерального питания (табл. 6). Положительный эффект влияния палыгорскито-вой глины на активность денитрификации сохраняется и при совместном присутствии ее с кадмием. Процессы денитрификации в данном случае были более интенсивными в 1,8 раза по сравнению с вариантом, где отсутствовал мелиорант. Интенсивность денитрификации не снижается и при биэлемент-ном нахождении в почве СсЗ!5+7пзоо в присутствии палыгорскитовой глины.
Таблица 6
Влияние С<1, Ъл и палыгорскитовой глины на биологическую активность дерново-подзолистой легкосуглинистой почвы
Вариант опыта Потенциальная активность, мг/кг сут.
денитрификации, аГ\1-Ы20 дыхания, аС-С02
Без мелиорантов
Фон N0.15P0.15K0.I5 28,1 ±4,0 2693,1+263,2
Фон + Сс),5 32,0±6,0 1793,1±369,6
Фон + Хпш 27,4+2,4 1733,5+170,0
Фон+Ссіі5+2пзоо 28,9+5,1 1658,2+128,4
Палыгорскитовая глина
Фон - N0.15P0.15K0.15 36,5±2,9 1069,9+187,4
Фон + Сё]5 56,4±6,5 1316,8±184,3
Фон + 2пзоо 31,3+1,5 1882,4+115,5
Фон+Ссіі5+2пзоо 67,3+6,0 2689,6±327,9
Одним из показателей биологической активности почвы является процесс высвобождения углерода из различных органических соединений в виде углекислоты, так называемое «дыхание» почвы. В наших исследованиях присутствие в почве кадмия и цинка как отдельно, так и в их сочетании ингибирует
потенциальную активность дыхания в 1,5 раза. Положительное влияние палыгорскитовой глины на скорость эмиссии С02 в почве наблюдается только в случае биэлементного присутствия тяжелых металлов. Кратность увеличения составила 1,6 раза по сравнению с вариантом без внесения мелиоранта.
ЛИТЕРАТУРА
1. Левин С.В., Гузев B.C., Асеева К.В. и др. Тяжелые металлы как фактор антропогенного воздействия на почвенную микробиоту ,// Микроорганизмы и охрана почв. М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1989. - С. 5-46.
2. Марфенина О.Е., Мирчинк Т.Г. Микроскопические грибы при антропогенном воздействии на почву // Почвоведение, 1988. № 9. - С. 107-112.
3. Умаров М.М., Азиева Е.Е. Некоторые биохимические показатели загрязнения почв тяжелыми металлами // Тяжелые металлы в окружающей среде. М., 1980. - С. 109-115.
4. Умаров М.М. Ассоциативная азотфиксавция. М., 1986. - 153 с.
5. Клеве некая И.Л. Влияние тяжелых, металлов (Cd, Zn и Pb) на биологическую активность почв и процесс азотфик; ;.ции / В кн. Микробоценозы почв при антропогенном воздействии. Новосибирск, 1985. - С. 73-94
6. Гигиенические требования безопасности и пищевой ценности пищевых продуктов СанПиН 2.3.2.1078-01. Минздрав России. М. 2002. - 164 с.
THE BEHAVIOR OF HEAVY METALS IN SOILS
T.L. Jigareva1, A.N. Ratnikov1, D.G. Sviridenko1, G.I. Popova1, K.V. Petrov1, A.A. Kasianenko2, N.A. Chernykh2, M.N. Kartuzova2
Russian Institute of Agricultural Radiology and Agroecology,
249032, Obninsk, Russia;
2Russian Peoples Friendship University, 113093, Moscow, Russia
Are Cd and Zn an estimation of action of various levels of soil pollution by heavy metals on parame-tres of soils. The application of different types of fertilitizers, as well as lime can reduce heavy metals accumulation in the yield of agricultural crops.
