CC BY
45
zotorfin bacterial preparation (1 l/t), HB-101 plant regulator (1 ml/t), scarification + HB-101 plant regulator (1 ml/t), Agree's "Forsazh" complex fertilizer (1,2 l/t), scarification + Agree's "Forsazh" complex fertilizer (1,2 l/t). Pre-sowing seed treatment with Rhizotorfin bacterial preparation, plant regulator HB-101 and complex fertilizer Agree's "Forsazh" without breaking the seed coat and after scarification provided a significant increase of the yield of dry matter of eastern galega of second year of life by 2,6 - 3,7 t/ha (11,0 - 11,5 t/ha) and eastern galega of the third year of life - by 2,0 - 3,3 t/ha (12,5 - 13,8 t/ha). The protein harvest of 1,41 - 1,60 t/ha obtained in the variants with pre-sowing seed treatment with Rhizotorfin, HB-101 and Agree's "Forsazh" separately and together with the scarification was the highest.
Key words: еastern galega, pre-sowing seed treatment, feed productivity.
-♦-
УДК 631.416.8
Накопление кобальта и кадмия в растительном сырье и почвах техногенных зон
О.Н. Немерешина1, канд. биол. наук; Н.Ф. Гусев 2, д-р биол. наук, профессор
1 ФГБОУ ВО Оренбургский ГМУ
2 ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ
Цель исследования - оценка содержания ТМ (кобальта и кадмия) в органах лекарственных растений (на примере Polygonum amphibium L.), почве и сточных водах на полях орошения Оренбургского газоперерабатывающего завода, изучение особенностей транслокации элементов в зависимости от таксономической принадлежности видов растений. Проведённый анализ проб почвы и лекарственного растительного сырья Polygonum amphibium позволил установить уровни содержания кобальта и кадмия в исследуемых образцах. Результаты показали, что концентрация кадмия и кобальта в сточной воде и почве не превышает предельно допустимых уровней (ГН 2.1.7.2041-06). Почва на полях орошения ОГПЗ в районе исследования отличается выраженным коэффициентом кумуляции для Cd, тогда как накопление кобальта было относительно небольшим. Уровень загрязнения ТМ образцов ЛРС на полях орошения оценивался в сравнении с ГН 2.1.5.1315-03. Содержание кадмия и кобальта не превышает установленных нормативов. Подземные органы растения характеризуются более высокими концентрациями кобальта и кадмия, чем надземные органы, что совпадает с литературными данными.
Ключевые слова: кобальт, кадмий, тяжёлые металлы, почва, растения, Polygonum amphibium, сточные воды производств.
Загрязнение окружающей среды тяжёлыми металлами (ТМ) является глобальной мировой экологической проблемой и привлекает внимание как представителей здравоохранения, так и производителей качественной сельскохозяйственной продукции [1]. Опасность загрязнения ТМ обусловлена их токсичностью, способностью к кумуляции в пищевых цепях, а также длительным периодом полувыведения из живых организмов [2, 3]. ТМ с точки зрения физиологии живых организмов условно можно разделить на две категории. Первая категория металлов необходима клеткам в качестве микроэлементов (2п, Си, Fe, Мп, № и др.), т.е. выполняет важные биогенные функции, как правило, в составе металлопротеинов [1, 4]. Тем не менее уровень содержания этих элементов в среде нередко достигает токсических концентраций, опасных для растительных и животных организмов [4, 5]. Для второй категории металлов и металлоидов до настоящего времени не выявлены биологические функции в организмах растений и животных. К ним относят As, Ag, Cd, РЬ, Se и ^ [6]. Поступающие в экосистемы из природных и антропогенных источников обе группы ТМ представляют
потенциальную угрозу для жизнедеятельности живых организмов и здоровья человека [6].
В экосистемы ТМ поступают в результате естественных и антропогенных процессов, что нередко приводит к серьёзным последствиям для здоровья человека и окружающей среды и требует организации проведения системных мониторинговых исследований в регионах России для определения уровня безопасности природных вод, атмосферного воздуха, продуктов сельского хозяйства, а также дикорастущих лекарственных, пищевых и кормовых растений и грибов.
Формирование элементного состава растительного сырья зависит от множества факторов, среди которых состав и качество почвы являются ведущими. Тем не менее видовые особенности метаболизма растений приводят к различиям в их способности до определённой степени контролировать поступление ТМ из окружающей среды в генеративные и ассимилирующие органы, снижая тем самым риск окислительного стресса и апопотоза [2]. Различие в коэффициентах биологического накопления ТМ (КБН) позволяет выявить виды с высоким и низким уровнем транслокации ТМ из почвы в ткани надземных
или чаще подземных органов. Так, растения, способные к фитоэкстракции (фитоаккумуляция, фитоабсорбция или фитосеквестрация) - интенсивному поглощению ТМ из почвы или воды корнями растений с их последующей кумуляцией в надземной биомассе, рекомендуются для проведения фиторемедиации загрязнённых почв.
Нами предпринята попытка рассмотреть вопросы распределения ТМ в системе почва -растение для оценки уровня безопасности лекарственного растительного сырья и определения перспективных для фиторемедиации видов растений на территории полей орошения Оренбургского газоперерабатывающего завода (ОГПЗ).
Цель исследования - проведение оценки содержания ТМ (кобальта и кадмия) в органах лекарственных растений, почве и сточных водах на полях орошения Оренбургского газоперерабатывающего завода, а также изучение особенностей транслокации элементов в зависимости от таксономической принадлежности видов растений.
Материал и методы исследования. Объектами исследования стали образцы лекарственного растительного сырья (ЛРС), почвы и сточных вод, отобранные в санитарно-защитной зоне ООО «Газпром добыча Оренбург» на полях орошения сточными водами предприятия. Для изучения был выбран вид, применяемый в народной и офици-нальной медицине, - Polygonum amphibium L. (горец земноводный)
Polygonum amphibium L. (горец земноводный) - травянистое многолетнее растение семейства Гречишные (Polygonaceae), способное произрастать в воде и на суше. Растёт P. amphibium в озёрах, прудах, заводях рек, на болотах, заболоченных лугах и по илистым берегам водотоков. Распространён в средней полосе России, на Урале, в Сибири и на Дальнем Востоке. Корневища содержат большое количество танидов, органических кислот, слизистых и пектиновых веществ. Трава содержит флаво-ноиды, эфирное масло, органические кислоты,
таниды, каротиноиды, витамин С. Препараты Р. атрЫЫит обладают выраженным вяжущим, мочегонным и кровоостанавливающим действием. Народная медицина применяет растение для лечения почечно-каменной болезни, подагры, геморроя, холецистита и нервных расстройств, а также как потогонное, вяжущее, тонизирующее и возбуждающее половую активность средство [7].
Сбор образцов растений проводился в количестве не менее 20 экз. на 3 - 5 участках полей орошения. Далее сырьё высушивалось воздушно-теневым способом и подвергалось анализу на содержание микроэлементов. Отбор проб почвы производился с помощью процесса комбинированного отбора. При каждом отборе проб были взяты и перемешаны 3 - 5 почвенных подвыборок. Отбор проб воды осуществлялся как непосредственно в ручье, протекающем по полям орошения в местах произрастания горца земноводного. Определение содержания ТМ проводилось в межкафедральной комплексной аналитической лаборатории ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет» методом атомной абсорбционной спектросокопии на приборе марки «Спектр-5» (Россия) согласно ГОСТу 30692 - 2000.
Результаты исследования. Представленные в таблице 1 данные свидетельствуют, что в образцах почвы, собранных на полях орошения Оренбургского газоперерабатывающего завода, содержание Со и Cd не превышает установленных в России норм (ГН 2.1.7.2041 - 06). В образцах сточной воды, используемой на полях орошения ОГПЗ, содержание кадмия превышает установленные в Российской Федерации нормативы (ГН 2.1.5.1315 - 03), тогда как содержание кобальта находится в пределах нормы (рис. 1). Нами были рассчитаны коэффициенты транслокации элементов в почве, воде и тканях растений.
Содержание кобальта и кадмия в исследуемом ЛРС не превышало установленных нормативов для продуктов и кормов (табл. 1, рис. 2). Тем не менее даже следовые количества кадмия могут
1. Содержание кобальта и кадмия, коэффициенты биологической транслокации в траве горца земноводного, собранного в ручье возле сточной трубы, мг/кг (2019 г.)
Объект исследования Элемент
Co Cd
Горец земноводный (трава), мг/кг 0,081 0,022
Горец земноводный (корневища), мг/кг 0,140 0,033
Почва, мг/кг 0,033 0,037
Вода сточная (из трубы), мг/л 0,075 0,02
Коэффициент ТЛ [трава/почва] 2,54 0,59
Коэффициент ТЛ [трава/вода] 1,08 1,1
Коэффициент ТЛ [корневища/почва] 4,24 0,89
Коэффициент ТЛ [корневища/вода] 1,86 1,65
Коэффициент ТЛ [трава/корни] 0,58 0,59
Коэффициент ТЛ [почва/вода] 0,44 1,85
представлять опасность для здоровья людей и животных, так как кадмий характеризуется высокой токсичностью и способностью к кумуляции в объектах биоты и особенно при миграции в пищевых цепях [8].
С позиции экологической безопасности мы посчитали необходимым рассчитать коэффициент биологической транслокации кобальта и кадмия в системе почва - растение, что позволило определить эффект биоаккумуляции кобальта в тканях корня и надземных органах Polygonum amphibium (табл. 1, рис. 3). В отношении кадмия нами отмечен физиологический барьер, препятствующий поступлению токсичных элементов в ткани растения, особенно в ассимилирующие и генеративные органы (табл. 1, рис. 3).
На биодоступность ТМ для корневой системы растений влияют корневые экссудаты, органические кислоты, сидерофоры и протоны. ТМ поступают в ткани корня преимущественно в форме ионов. Растения могут до известной степени контролировать поглощение и транспорт ТМ, например, с помощью регуляции работы белков-транспортёров, реакциями комплек-сообразования с последующей секвестрацией, корневой экссудацией органических лигандов. К механизмам адаптации растений к повышенным концентрациям ТМ относятся: хелатирование, компартментация в вакуолях и других клеточных органеллах, а также индукция синтеза антиок-сидантов [9]. Хелатирующие вещества растений способствуют детоксикации металла за счёт снижения концентрации свободного металла в цитозоле, что ограничивает его реакционную способность и растворимость. В частности, увеличение биосинтеза хелатирующих соединений (органические кислоты, металлотионеины, фитохелатины, полифенолы, цистеин, глутатион) позволяет накапливать ТМ в тканях корня, защищая тем самым генеративные и ассимилирующие органы от накопления свободных ионов ТМ, которые способны спровоцировать окислительный стресс и гибель клетки [1, 2].
К механизмам токсического действия ТМ относят их способность индуцировать образование активных форм кислорода (АФК). Некоторые ТМ способны оказывать негативный эффект путём вытеснения микро- и макроэлементов, а также нарушая структуры биомолекул и важных стресс-регуляторных белков, хелатируя функциональные группы [10].
Особую озабоченность вызывает кумуляция ТМ при их миграции в пищевых цепях, что связано с риском для здоровья животных и человека [9].
Кобальт относится к важнейшим микроэлементам растений, участвующим в образовании металлоферментов, и максимальное его содержание зафиксировано в хлоропластах и митохондриях растительных клеток. Кобальт
положительно влияет на рост высших растений, повышает устойчивость хлорофилла, активизирует ферментные процессы, принимая тем самым участие в окислительном фосфорилировании и фотосинтезе, в матричных синтезах, а также в синтезе кобаламина [1, 6].
Рис. 1 - Содержание кадмия и кобальта в сточных водах и почве полей орошения ОГПЗ
в юрец
земноводный (tpaed] □ юрец
демчоиодный
[КОреЬИЩЗ)
Со C<t
Рис. 2 - Содержание кобальта и кадмия в JIPC Polygonum amphibium (трава и корневища) на полях орошения ОГПЗ
Рис. 3 - Коэффициенты транслокации кобальта и кадмия в различных средах и тканях Polygonum amphibium (трава и корневища) на полях орошения ОГПЗ
Поглощение ионов Со2+ корнями происходит по механизму пассивного и активного транспорта, но молекулярные механизмы последнего пока не изучены. Скорость поглощения кобальта из почвенного раствора и распределение его в органах и тканях зависят от видовых особенностей растений [10]. Polygonum amphibium, собранный на территории полей орошения ОГПЗ, характеризуется накоплением кобальта в надземных и подземных органах. При этом концентрация данного элемента выше в тканях корня по сравнению с побегами. Содержание Со в сухом веществе растений, согласно литературным данным, составляет от 0,05 до 11,6 мг/кг, что согласуется с полученными нами сведениями (табл. 1).
Токсичность повышенных концентраций Со связывают с развитием окислительного стресса, угнетением ассимиляции и трансляционного аппарата, а также развивающимся на фоне избытка кобальта дефицитом железа [11, 12]. При повышенных концентрациях Со в живых организмах отмечается кобальтиндуцируемый апоптоз, блокируемый высокими дозами антиоксидантов. Высокие концентрации Со приводят к нарушениям репарации ДНК в ядре, хлоропластах и митохондриях.
Кадмий поступает в почвы в основном с выбросами промышленных предприятий и характеризуется высоким уровнем токсичности и активной миграцией в пищевых цепях, где он способен к кумуляции [1, 11]. Несмотря на то, что Cd не входит в число необходимых для жизнедеятельности растения элементов, он довольно легко поглощается корневой системой и поступает в надземные органы, что подтверждается отмеченным нами отсутствием у Polygonum amphibium физиологического барьера для данного элемента. В малых концентрациях Cd может стимулировать процессы жизнедеятельности растений [11]. Известно, что в основном Cd локализуется в корнях и в меньших количествах - в тканях стебля, черешков и центральных жилок листьев [11]. Токсическое действие кадмия проявляется в снижении интенсивности фотосинтеза и тканевого дыхания, нарушении транспирации, фиксации углекислого газа в листьях и в изменении проницаемости мембран. Благодаря сходству структуры кадмия с цинком он замещает последний в активных центрах многих ферментов, нарушая работу дегидрогеназ, фосфатаз, пептидаз, карбоангидразы [11].
В литературе приводятся данные о косвенном влиянии Cd на образование перекиси водорода, супероксидного и гидроксильного радикалов путём увеличения свободных нехелатированных ионов железа и меди в клетке, принимающих участие в реакции Фентона. Кадмийзащитным эффектом обладают некоторые антиоксиданты: аскорбиновая и салициловая кислоты, токоферол
и каротиноиды [12]. Индуцированные кадмием и другими ТМ системы антиоксидантной защиты растений инактивируют активные формы кислорода. Также в загрязнённой среде обитания ТМ индуцируют синтез фитохелатинов, глутатиона и салициловой кислоты в растениях [11, 12].
Наши исследования показали, что Polygonum amphibium способен к установлению физиологического барьера, препятствующего поступлению кадмия в ткани. Наиболее выражен барьер для генеративных и ассимилирующих органов. Данное явление, вероятно, объясняется высоким риском окислительного стресса в отношении ассимилирующих оорганов и опасностью повреждения нуклеиновых кислот - для генеративных.
Следует отметить, что повышенные количества ТМ обычно приводят к нарушениям водного обмена, что в нашем случае не является актуальным для растений на полях орошения ОГПЗ. Более того, уже во второй половине июня на фоне окружающей растительности поля орошения выделяются хорошим уровнем продуктивности фитомассы и жизненности растений.
Выводы. Проведённый анализ проб почвы и лекарственного растительного сырья Polygonum amphibium позволил установить уровни содержания кобальта и кадмия в исследуемых образцах. Результаты показали, что концентрация кадмия и кобальта в сточной воде и почве не превышает предельно допустимых уровней (ГН 2.1.7.2041 - 06). Почва на полях орошения ОГПЗ в районе исследования отличается выраженным коэффициентом кумуляции для Cd, тогда как накопление кобальта было относительно небольшим.
Уровень загрязнения ТМ образцов ЛРС на полях орошения оценивался в сравнении с ГН 2.1.5.1315 - 03. Содержание кадмия и не превышает установленных нормативов. Подземные органы растения харастеризуются более высокими концентрациями кобальта и кадмия, чем надземные органы, что совпадает с литературными данными.
Литература
1. Немерешина О.Н., Шайхутдинова А.А. Оценка содержания тяжёлых металлов в тканях Polygonum aviculare L. на техно-генно загрязнённых территориях // Экология и промышленность России. 2012. №. 9. С. 46 - 49.
2. Singh U.K., Kumar B. Pathways of heavy metals contamination and associated human health risk in Ajay River basin, India // Chemosphere. 2017. Т. 174. С. 183 - 199.
3. Fageria N. K., Baligar V. C., Jones C. A. Growth and mineral nutrition of field crops. CRC Press, 2010.
4. Yadav S.K. Heavy metals toxicity in plants: an overview on the role of glutathione and phytochelatins in heavy metal stress tolerance of plants //South African Journal of Botany. 2010. Т. 76. №. 2. С. 167 - 179.
5. Seth C.S., Misra V, Chauhan L.K.S. Accumulation, detoxification, and genotoxicity of heavy metals in indian mustard (Brassica juncea L.) // International journal of phytoremediation. 2012. Т. 14. № 1. С. 1 - 13.
6. Махлаюк В.П. Лекарственные растения в народной медицине. Саратов: Приволжское кн. изд., 1993.
7. Wang L. et al. A review of soil cadmium contamination in China including a health risk assessment //Environmental Science and Pollution Research. 2015. T. 22. №. 21. C. 16441 - 16452.
8. Cui X. et al. Potential mechanisms of cadmium removal from aqueous solution by Canna indica derived biochar // Science of the Total Environment. 2016. T. 562. C. 517 - 525.
9. Hu R. et al. Intercropping with hyperaccumulator plants decreases the cadmium accumulation in grape seedlings // Acta Agriculturae
Scandinavica, Section B-Soil & Plant Science. 2019. T. 69. № 4. C. 304 - 310.
10. Benavides M. P., Gallego S. M., Tomaro M. L. Cadmium toxicity in plants // Brazilian journal of plant physiology. 2005. T. 17. № 1. C. 21 - 34.
11. Sharma V., Naugraiya M. N., Tomar G. S. Toxic effects of cobalt, chromium, lead and nickel chloride on growth performance of siris (Albizia spp.) // IJCS. 2018. T. 6. № 2. C. 2407 - 2410.
Немерешина Ольга Николаевна, кандидат биологических наук ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный медицинский университет» Министерства здравоохранения РФ Россия, 460000, г. Оренбург, ул. Советская, 6 E-mail: [email protected]
Гусев Николай Фёдорович, доктор биологических наук, профессор ФГБОУ ВО «Оренбургский государственный аграрный университет» Россия, 460014, г. Оренбург, ул. Челюскинцев, 18 E-mail: [email protected]
Accumulation of cobalt and cadmium in plants and soils of technogenic zones
Nemereshina Olga Nikolaevna, Candidate of Biologу
Orenburg State Medical University
6 Sovetskaya St., Orenburg, 460000, Russia
Email: olga [email protected]
Gusev Nikolay Fedorovich, Doctor of Biologу, Professor
Orenburg State Agrarian University
18 St. Chelyuskintsev, Orenburg, 460014, Russia
E-mail: [email protected]
The purpose of the study was to assess the content of HM (cobalt and cadmium) in the organs of medicinal plants (for example, Polygonum amphibium L.), soil and wastewater in the irrigation fields of the Orenburg gas processing plant, to study the features of translocation of elements depending on the taxonomic affiliation of plant species. The analysis of soil samples and medicinal plant materials Polygonum amphibium made it possible to establish the levels of cobalt and cadmium in the studied samples. The results showed that the concentration of cadmium and cobalt in wastewater and soil does not exceed the maximum permissible levels (GN 2.1.7.2041-06). The soil in the OGPZ irrigation fields in the study area is characterized by a pronounced cumulation coefficient for Cd, while the accumulation of cobalt was relatively small. The level of contamination of HM specimens of LRS samples in the irrigation fields was estimated in comparison with GN 2.1.5.1315-03. The cadmium and cobalt content does not exceed established standards. Underground organs of plants are characterized by higher concentrations of cobalt and cadmium than ground organs, which coincides with published data.
Key words: cobalt, cadmium, heavy metals, plants, soil, industrial waste water, Polygonum amphibium.
DOI 10.37670/2073-0853-2020-83-3-122-126
-♦-
УДК 581.1
Изучение динамики содержания некоторых микроэлементов в растении и тепличном грунте
О.Ю. Ширяева1, канд. биол. наук; М.М. Ширяева2, соискатель
1 ФГБОУ ВО ОГПУ
2 ФГБОУ ВО РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева
Представлены результаты исследования содержания железа, цинка и меди в тепличном грунте и растении. В качестве объекта исследования выбрано цветковое растение семейства Горечавковые (Gentianáceae), род Эустома (Eustoma), сорт Aube Pink Picotee. Во время вегетационного опыта в условиях тепличного хозяйства выращивание эустомы производилось в закрытом грунте. Количественное определение железа, цинка и меди проведено на атомно-абсорбционном спектрометре в корне, надземной части и цветке исследуемого растения. Отбор проб растительного сырья и тепличного грунта проводился с периодичностью в четыре недели - от высадки рассады в грунт до начала цветения. Согласно полученным данным, в разные периоды
