CC BY
29
УДК 614.35
ОЦЕНКА УРОВНЯ НАГРУЗКИ ТЯЖЕЛЫХ МЕТАЛЛОВ В СИСТЕМЕ ВОДА - ПОЧВА - РАСТЕНИЕ ПО БИОГЕОХИМИЧЕСКИМ ПОКАЗАТЕЛЯМ
А.Р. Сукиасян, А.Р. Киракосян, Г.П. Пирумян
Изучено влияние ряда тяжелых металлов на аккумулирующие способности однолетнего растения (Zea mays L.), произрастающего на прибрежных территориях рек Аракс, Дебет, Шнох. Выполнен анализ речной воды, прибрежной почвы и однолетнего растения. На основании полученных данных рассчитан ряд биогеохимических показателей в виде соответствующих коэффициентов, позволяющих выявить основные миграционные характеристики некоторых тяжелых металлов в триаде вода - почва -растение. При определении концентрации подвижных форм тяжелых металлов из почвы в растение выявлены региональные особенности.
Ключевые слова: тяжелые металлы, речная вода, биогеохимические коэффициенты, экология.
На сегодняшний день загрязнение тяжелыми металлами (ТМ) является проблемой во всем мире. Это чревато биоаккумуляцией в пищевых цепях и, тем самым, создает прямую угрозу окружающей среде и здоровью человека. На оптимальном уровне опасные химические элементы необходимы для роста и развития растения, участвуя почти во всех метаболических процессах. Но повышение их содержания в растительной клетке как прямым, так и косвенным образом вызывает токсическое воздействие [1]. Растения накапливают жизненно важные для себя ТМ из почвы за счет градиента концентраций и выборочного поглощения данных элементов [2, 3]. Поэтому для оценки состояния окружающей среды и степени ее загрязненности уместно использование тестирования с помощью некоторых биогеохимических коэффициентов. После поступления в растительный организм дальнейшая судьба ТМ определяется многоуровневыми токсико-кинетическими процессами. Очевидно, биоаккумуляция может лежать в основе как хронических, так и отсроченных острых токсических эффектов [4, 5].
Целью представленной работы является изучение влияния ряда ТМ на аккумуляционные биогеохимические показатели сахарной кукурузы (Zea mays L.) в различных почвенно-климатических регионах произрастания.
В качестве объекта исследования был выбран сорт полузубовидной сахарной кукурузы армянской популяции (Zea maysL.), распространенной в Лорийском районе Армении вблизи реки Дебет (Одзун - 41°03'06" с. ш., 44°36'55" в. д.) и ее притока реки Шнох (Шнох - 41°08'52" с. ш. 44°50'16" в. д., Техут - 41°07'05" с. ш., 44°50'45" в. д.). В качестве контроля
использовали образцы инбредной линии кукурузы В73 (Iowa Stiff Stalk Synthetic) [6].
Отборы проб воды осуществляли при сухих природных условиях в одно и то же время суток. Отобранные в специальные контейнеры образцы воды транспортировали в холодных условиях (+40С) для лабораторных инструментальных измерений в течение 24 ч. В лаборатории сначала взвешивали чистую пустую стеклянную чашку, затем ее заполняли исследуемым образцом воды, помещали в вытяжной шкаф (до 14 ч при комнатной температуре), доводя до стабильного сухого состояния методом воздушной сушки с последующим образованием сухого остатка в чашке. После чашки вместе с осадком опять взвешивали и определяли весовую разницу между пустой и полной чашками как вес сухого остатка. В инструментальном измерении использовали полученный сухой остаток.
Образцы почвы при сухих погодных условиях отбирались методом конвертирования с глубины произрастания корневой системы исследуемого растения, которая составляла в среднем 100...120 см. Отбор точечных проб осуществлялся с помощью инструментов, не содержащих металлов. Объединенная проба составлялась путем смешивания точечных проб - не менее пяти точечных проб, взятых из одной пробной площадки. После образцы помещались в темные стеклянные контейнеры и транспортировались при температуре +4°C для лабораторных (инструментальных) измерений в течение 24 ч. После очистки от остатков корневой системы, насекомых и других твердых составляющих почва растиралась в ступке с пестиком и просеивалась через сито с диаметром отверстий не более 1 мм.
Созревшие зерна кукурузы сушились методом воздушно-сухой сушки в вытяжном шкафу до воздушно-сухого состояния при комнатной температуре. Для озоления растительный материал помещали в муфельную печь с использованием предварительно прокаленных фарфоровых чашек при температуре +400°C до 1 ч. После образцы сухого остатка (зола) помещали в эксикатор для дальнейших инструментальных измерений.
Подготовленные образцы (зола зерен кукурузы, сухой остаток воды и измельченная почва) помещались в специальные пластмассовые трубки "XRF Sample Cups" с диаметром 32 мм, на дно которых заранее вставлялась специальная полипропиленовая пленка. В верхнюю часть образца вставляли специальные уплотнители, после чего его закрывали крышкой, спрессовав образец до нужного состояния. Исследование осуществлялось направлением Х-лучей непосредственно на образец в общей сложности до 210 с с помощью портативного анализатора "Thermo Scientific™ Niton™ XRF Portable Analyser".
С целью характеристики поглощения и накопления ТМ растением были рассчитаны:
водно-растительный коэффициент (К1):
К1=Ср/Св;
относительное содержание ТМ в видах, растущих в сопоставимых условиях (К2):
К2=Ср/Св7з;
коэффициент биологического поглощения ТМ из почвы (К3):
К3=Ср/Сп,
где Св - содержание ТМ в поливочной воде, мг/л; Ср - содержание ТМ в золе зерна кукурузы из определенного региона произрастания, мг/кг; Св7з -содержание ТМ в золе зерна инбредной кукурузы В73, мг/кг; Сп -содержание ТМ в соответствующей почве произрастания, мг/кг [7].
Все проведенные эксперименты имели 10 биологических и до 5 технических повторностей. Результаты были обработаны с помощью программы MatLab с учетом t-критерия Стьюдента. Наблюдаемые различия статистически значимы, так как при уровне значимости р<0,05 рассчитанные значения критерия были больше критического [8, 9].
Концентрация ТМ в почве может достичь уровня, достаточного для возникновения осмотических нарушений в растениях [10]. Кроме того, металлы способны замедлять перенос воды на короткие расстояния как в симпласте, так и в апопласте, что, в свою очередь, уменьшает перемещение воды в сосудистую систему и влияет на подачу воды к побегу [11]. Избыток ионов металлов в тканях может повлиять на поглощение воды из почвы и, в свою очередь, уменьшить содержание воды в корне. Экспериментально доказано, что дефицит воды в этом органе возникает в результате воздействия Cd, Ni и Zn [12]. ТМ влияют на подачу воды на побег из-за ингибирования транспирации, поскольку они уменьшают размер листьев и толщину листовой пластинки, уменьшают межклеточные пространства, влияют на плотность устьиц [13]. Влияние ударного воздействия тяжелых металлов на гидравлическую архитектуру также было исследовано в Acer rubrum, выращенном на почве, загрязненной Co, Cr, Cu, Ni, Pb и Zn [14].
Интенсивность аккумуляции данных ТМ зависит от вида растения, так как корневая система играет значительную роль в регуляции скорости поглощения ТМ. Сигналом к запуску процесса аккумуляции является локализация ТМ на поверхность корня растения [15]. Благодаря этому металлы начинают активно накапливаться в корневой системе. Далее адсорбция ТМ на поверхности корневой ткани происходит в анионной форме. При этом сама клеточная стенка отрицательна, так как имеющаяся клетчатка, пектины и гликопротеины работают (функционируют) в качестве специфических анионов [16].
Дальнейший транспорт ионов ТМ происходит через межклеточные пространства путем диффузии в корневых клетках, а также через плазматическую мембрану различными переносчиками [17]. Очевидно, что
процессы поглощения и накопления ТМ растениями могут прояснить картину загрязненности окружающей среды. В этом контексте особый интерес получают исследования по выявлению биоаккумуляционных предрасположенностей конкретного одного сельскохозяйственного растения в различных почвенно-климатических стрессовых условиях произрастания (дефицит воды, антропогенное загрязнение ТМ и т.д.). Стрессовые условия определенно влияют на формирование продуктивности сельскохозяйственных растений, отражаясь в первую очередь на их урожайности, ухудшая качественные и количественные показатели. На первом этапе в нашей работе были определены количественные значения ряда ТМ в образцах поливочной воды, почвы произрастания и в зернах кукурузы после сбора урожая (табл. 1).
Таблица 1
Содержание тяжелых металлов в образцах поливочной воды, почвы произрастания и в зернах сахарной кукурузы
Образец Cd Mo Zn Fe Mn V
Шнох (коричневая лесная)
Вода (мг/л) 0,034 0,035 0,837 9,985 0,500 0,095
Почва (мг/кг) 0,016 0,004 0,255 26,656 0,672 0,117
Зерно (мг/кг) 0,213 0,071 2,629 1,962 0,507 0,037
Техут (коричневая лесная)
Вода (мг/л) 0,084 2,421 0,384 1,954 2,216 0,262
Почва (мг/кг) 0,006 0,002 0,054 21,049 0,458 0,110
Зерно (мг/кг) 0,480 0,036 1,301 1,360 0,237 0,019
Одзун (горный чернозем)
Вода (мг/л) 0,039 0,033 0,377 10,265 0,367 0,139
Почва (мг/кг) 0,006 0,003 0,065 21,88 0,424 0,123
Зерно (мг/кг) 0,249 0,043 2,813 2,071 0,386 0,022
Ушакерт (полупустынная каштановая)
Вода (мг/л) 0,106 0,057 0,599 246,349 3,263 1,386
Почва (мг/кг) 0,017 0,003 0,099 44,006 1,0001 0,234
Зерно (мг/кг) 2,762 0,024 2,143 1,257 0,529 0,020
На основании полученных данных по содержанию ТМ в исследуемых образцах воды, почвы и растения рассчитаны биогеохимические коэффициенты для конкретного однолетнего растения (Zea mays L.) в различных регионах произрастания. Результаты обобщены в табл. 2.
Таблица 2
Значение биогеохимических коэффициентов для различных тяжелых металлов
Расчетные коэффициенты Cd Мо 7п Fe Мп V
Шнох (коричневая лесная)
К1 6,110 2,019 3,143 0,196 1,013 0,386
К2 0,049 1,392 1,328 0,498 0,321 0,592
КЗ 1З,285 17,344 10,315 0,074 0,754 0,313
Техут (коричневая лесная)
К1 5,712 0,015 3,390 0,696 0,107 0,071
К2 0,112 0,705 0,657 0,345 0,150 0,302
КЗ 78,416 18,801 23,939 0,065 0,517 0,169
Одзун (горный чернозем)
К1 6,364 1,292 7,456 0,202 1,051 0,155
К2 0,058 0,841 1,421 0,526 0,245 0,349
КЗ 39,352 15,718 43,330 0,095 0,911 0,176
Ушакерт (полупустынная каштановая)
К1 0,026 0,412 3,572 0,005 0,162 0,014
К2 0,642 0,460 1,082 0,319 0,335 0,321
КЗ 164,130 7,082 21,722 0,029 0,529 0,085
Миграционную интенсивность ТМ можно оценить, учитывая изменение химического состава поливочной воды. При сравнении расчетных значений всего ряда рассмотренных химических элементов особенно высоким значением водно-растительного корневого коэффициента (К1) выделяются Мо, Cd и 7п. Для восстановления полной картины аккумулирующей активности кукурузы для исследуемых ТМ был рассчитан коэффициент, позволяющий установить зависимость произрастания растения от почвенных условий (К2). Основным источником поступления химических элементов в растение является почва, следовательно, концентрационные изменения в последнем однозначно найдут определенный отклик в химическом составе растения. Такие ТМ, как Со, Си, Сг, Fe, Mg, Мп, Мо, Se и в малых количествах регулируют рост растения [18]. Данные химические элементы играют важную роль в биохимических и физиологических процессах растений, а также активно участвуют в ряде окислительно-восстановительных реакций
При сравнении числовых значений коэффициента поглощения ТМ (К3) можно выделить группу из трех лидирующих элементов - Cd, Мо, 7п. Кадмий является элементом очень слабого накопления и слабого захвата, поэтому его повышенное значение в ряду может быть результатом загрязненности почвы произрастания (Ушакерт). Молибден по своей природе отличается средней накопительной активностью и является элементом сильного захвата. Во всех трех регионах произрастания коэффициент К3 имеет почти одинаковое значение, кроме Ушакерта. Среди элементов в данной доминирующей группе цинк является элементом интенсивного накопления в растении. С учетом почвенной особенности регионов произрастания в Техуте и Ушакерте для 7п имеются почти одинаковые значения КЗ (в среднем 22,8), в Шнохе - в два раза меньше (10,315), а в Одзуне - значение коэффициента биологического накопления было наибольшим (43,330).
Для каждой из исследуемых территорий коэффициент К3 для данной группы ТМ в порядке увеличения образует следующие ряды:
Шнох 7п < Cd < Мо; Техут Мо < 7п < Cd;
Одзун Мо < Cd < 7п; Ушакерт Мо < 7п < Cd.
Известно, что при поступлении из почвы избыточного количества кадмия в растениях уменьшается содержание фосфора, кальция, магния, железа, цинка и снижается продуктивность сельскохозяйственных культур [20]. Кадмий в почвах содержится в небольшом количестве. На содержание кадмия в почвах влияют многие факторы почвообразования, среди которых основную роль играет химический состав почвообразующих пород. Кадмий является химическим аналогом цинка. Его содержание в почвах определяется теми же факторами почвообразования, что и содержание цинка и молибдена, а основным источником поступления последних в почву являются предприятия горнодобывающей промышленности (Одзун) [21, 22]. В почвах кадмий и цинк накапливаются в гумусовом горизонте, что обусловлено биогенной аккумуляцией этого элемента [23]. Данный фактор может быть решающим в агропромышленном комплексе при ненормированном применении фосфорных удобрений (Ушакерт). Кадмий и цинк относятся к числу химических элементов, имеющих высокую степень поглощения растениями, а их подвижные концентрации в почвах определяются погодными условиями, валовым содержанием, физическими и химическими характеристиками почв.
Загрязнение почвы, воды и растений ТМ в окружающей среде представляет собой серьезную угрозу для общественной безопасности и безопасности пищевых продуктов, в частности, для здоровья людей и растений. Сказанное стало особенно акцентированным и заметным, поскольку нарушение человеком биологических ресурсов среды обитания
ускорило появление многих абиотических стрессов, среди которых отметим дефицит воды, миграцию ТМ и т.д. В данной работе были рассчитаны определенные биогеохимические коэффициенты, с помощью которых возможна интегральная оценка последствий концентрационных изменений ТМ в окружающей среде. При исследовании накопительной и поглощающей способности растений особого внимания требует выявление воздействий, связанных с состоянием воды, почвенных характеристик произрастания самого растения.
Список литературы
1. Сибиркина А. Р. Биогеохимические особенности накопления соединений тяжелых металлов травянистыми растениями соснового бора семипалатинского прииртышья // Научное обозрение. Биологические науки. 2014. №1. С. 112-113.
2. The biochemistry of environmental heavy metal up take by plants: implications for the food chain / J. R. Peralta-Videa, M. L. Lopez, M. Narayan [et al.] // The International Journal of Biochemistry & Cell Biology. 2011. V. 41. P. 1665-1677.
3. Verma R., Dwivedi P. Heavy metal water pollution-A case study // Recent Research in Science and Technology. 2013. V. 5(5). P. 98-99.
4. Heavy Metals: biological importance and detoxification strategies / M. Oves, S. Khan, H. Qari [et al.] // Journal of Bioremediation and Biodegradation. 2016. V.7. P. 334-359.
5. Historical trends of heavy metal contamination and their sources in lacustrine sediment from Xijiu Lake, Taihu Lake Catchment / H. Bing, Y. Wu, Z. Sun [et al.] // Chinese Journal of Environmental Science. 2011. V. 23. P. 1671-1678.
6. Genetic Properties of the Maize Nested Association Mapping Population/ M. D. McMullen [et al.] // Science. 2009. V. 325(737). P. 737-740.
7. Перельман А.И., Касимов Н.С. Геохимия ландшафта. М.: Астрея, 1999. 768 с.
8. Киракосян А. А., Сукиасян А. Р. Использование языка MATLAB в качестве экспресс-метода оценки экспериментальных результатов. Информационные технологии. Ереван, 2005. С. 34-37.
9. Коросов А. В. Горбач В. В. Компьютерная обработка биологических данных. Издательство ПетрГУ, 2017. 97 с.
10. Сукиасян А. Р., ТадевосянА.В., Пирумян Г.П. Миграция ряда тяжелых металлов в системе почва-растение на фоне процессов водопоглощения в растении // Естественные и технические науки. 2016. №3. С. 32-34.
11. Rucin'ska-Sobkowiak R. Water relations in plants subjected to heavy metal stresses // Acta Physiol Plant. 2016. V . 38. P. 257-270.
12. Water status and water diffusion transport in lupine roots exposed to lead / R. Rucinska-Sobkowiak, G. Nowaczyk, M. Krzeslowska [et al.] // Environmental and Experimental Botany. 2016. V. 87. P.100-109.
13. Seregin I.V, IvanovV.B. Physiological aspects of cadmium and lead toxic effects on higher plants // Russian Journal of Plant Physiology. 2001. V. 48. P. 523-544.
14. de Silva N. D. G., Cholewa E., Ryser P. Effects of combined drought and heavy metal stresses on xylem structure and hydraulic conductivity in red maple (Acer rubrum L.) // Journal of Experimental Botany. 2012. V. 63. P. 5957-5966.
15. Krzeslowska M. The cell wall in plant cell response to trace metals: polysaccharides modeling and its role in defense strategy // Acta Physiol. Plant. 2011. V. 33. P. 35-51.
16. Molecular mechanism of heavy metal toxicity and tolerance in plants: central role of glutathione in detoxification of reactive oxygen species and methylglyoxal and in heavy metal chelation / M. A. Hossain, P. Piyatida, da J.A.T. Silva [et al.] // Journal of Botany. 2012. P. 1- 37.
17. Barberon M., Geldner N. Radial transport of nutrients: the plant root as a polarized epithelium //Plant Physiology. 2014. V.166. P. 528-537.
18. Alloway B.J. Heavy metals and metalloids as micronutrients for plants and animals: in Heavy Metals in Soils (Whiteknights: Springer), 2013. P.195-209.
19. Heavy metal stress and some mechanisms of plant defense response / A. Emamverdian, Y. Ding, F. Mokhberdoran [et al.] // Scientific World Journal/ 2015. P. 1-18.
20. Ильин В.Б., Сысо А.И. Микроэлементы и тяжелые металлы в почвах и растениях Новосибирской области. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2001. 229 с.
21. Гигиеническая оценка качества населенных мест: методические указания М.: Федеральный центр Госсанэпиднадзора Минздрава России, 2011. 38 с.
22. Спицына С.Ф., Томаровский А.А., Оствальд Г.В. Поведение молибдена в системе почва-растения на территории алтайского края // Вестник Алтайского государственного аграрного университета. 2014. № 2 (112). С. 53-57.
23. Побилат А.Е., Волошин Е.И. Кадмий в почвах и растениях Средней Сибири // Микроэлементы в медицине. 2017. Т.18. №3. С. 36-41.
Сукиасян Астгик Рафиковна, канд. биол. наук, доц. sukiasyan. astghik'agmail. com, Армения, Ереван, Национальный политехнический университет Армении,
Киракосян Армен Андреевия, канд.техн.наук, доц. arm.kirakosyan71 @gmail.com, Армения, Ереван, Национальный политехнический университет Армении,
Пирумян Геворг Петросович, д-р техн .наук, проф. [email protected], Армения, Ереван, Ереванский государственный университет
EVAL UA TION OF THE LEVEL OF LOAD OF HEA VY METALS IN THE SYSTEM WATER-SOIL - PLANT BY BIOGEOCHEMICAL COEFFICIENTS
A.R. Sukiasyan, A.A. Kirakosyan, G.P. Pirumyan
The effect of a number of heavy metals on the accumulating capacity of an annual plant (Zea mays L.) growing in the coastal areas of the Araks, Debet, Shnogh Rivers has been studied. Biogeochemical indicators are calculated in the form of corresponding coefficients. The analysis of river water, coastal soil and an annual plant was carried out. On the basis of the data obtained, the coefficients were calculated that allow revealing the main migration characteristics of some heavy metals in the water-soil-plant triad.
Key words: heavy metals, river water, biogeochemical coefficients, ecology.
Sukiasyan Astghik Rafikovna, candidate of Biological Sciences, associat, professor, sukiasyan. astghik'agmail. com, Armenia, Yerevan, National Polytechnic University of Armenia,
Kirakosyan Armen Andreevich, candidate technikal sciences of Engineering, associate, professor, [email protected], Armenia, Yerevan, National Polytechnic University of Armenia,
Pirumyan Gevorg Petrosovich, doctor technikal of Engineering Sciences, professor, gevorg piriimvan'a mail.ru, Armenia, Yerevan, Yerevan State University
