CC BY
150
УДК 631.10
СПОСОБНОСТЬ К ФИТОЭКСТРАКЦИИ ЦИНКА ГОРЧИЦЕЙ САРЕПТСКОЙ BRASSICA JUNCEA (L.) ПРИ РАЗНЫХ УРОВНЯХ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ЧЕРНОЗЕМНОЙ И СЕРОЙ ЛЕСНОЙ ПОЧВЫ
© 2013 Е. П. Проценко1, Н. П. Неведров2
1докт. сельско-хозяйственных наук, профессор каф. общей биологии и экологии e-mail: [email protected] 2аспирант каф. общей биологии и экологии e-mail: [email protected]
Курский государственный университет
Представлены данные по аккумуляции цинка биомассой горчицы сарептской, при выращивании ее в серой лесной и черноземной почве Курской области, отмечена высокая фитоэкстракционная способность горчицы сарептской в серой лесной почве, которая зависела от содержания валовой и подвижной форм цинка.
Ключевые слова: цинк, горчица сарептская, почва, гипераккумулятор, чернозем типичный, серая лесная почва.
В последние десятилетия в связи с быстрым развитием промышленности во всем мире усиливается загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами в масштабах, которые не свойственны природе. В связи с возрастанием их содержания в окружающей среде, в частности в почве, загрязнение почв становится серьезной экологической проблемой современности [Башкин, Касимов 2004; Добровольский 1987, 1992].
В настоящее время наиболее рациональным решением этой проблемы является фиторемедиация - очистка почвы от тяжелых металлов при помощи специально подобранных растений. По сравнению с существующими химическими и физическими методами мелиорации почвы, очистка при помощи растений экономичнее и наносит меньший ущерб окружающей среде [Прасад 2003]. Предпринимаются серьезные попытки создания устойчивых к избытку тяжелых металлов растений с использованием биотехнологических подходов, включая генную инженерию, а также клонирование и селекцию металло-устойчивых генотипов [Chaney 1983].
Для очистки территории от тяжелых металлов (ТМ) перспективны растения, устойчивые к ТМ, хорошо их накапливающие в побегах, и обладающие высокой продуктивностью, чтобы обеспечить интенсивный вынос металлов из почвы со скошенной массой [Прасад 2003].
Термин «гипераккумулятор» был предложен Чейни [Chaney 1997]. Гипераккумуляторами предложено называть растения, накапливающие выше 1000 мг/ кг абс сух массы Pb, 10 000 - Zn; 100 - Cd [Титов и др. 2007]. Растения, в тканях которых содержание ТМ достаточно высокое, однако не достигает установленной границы, называют умеренными аккумуляторами [Там же].
Большинство металлофитов по концентрациям, которые они способны перенести, по минимальным концентрациям, оказывающим на них действие, а также по накоплению ТМ сильно различаются.
Тем не менее некоторые металлофиты способны накапливать в своих надземных органах ТМ в концентрациях, намного превосходящих токсичные и существенно
превосходящих концентрации у обычных растений, выращенных на загрязненной почве [Вакег и др. 1994]. Растения-гипераккумуляторы обычно имеют отношение концентрации металлов в стеблях к концентрации в корнях больше единицы, в то время как не являющиеся гипераккумуляторами растения имеют более высокие концентрации металлов в корнях, чем в стеблях [Титов и др. 2007]. Однако на основе генетических исследований доказано, что аккумуляция и устойчивость являются независимыми характеристиками растений [Там же].
Несомненно, что в технологическом отношении исключительно важный орган растений - корни. Они выделяют экссудаты и впитывают в себя вместе с органикой почвы токсичные соединения, благодаря ферментам экссудатов (в ризосфере) и внутриклеточным ферментам корневой системы в них осуществляются первые этапы трансформации токсичных соединений почвы и воды [Квеситадзе и др. 2005].
В работе изучалась способность горчицы сарептской накапливать цинк в побегах и корнях на черноземе типичном и в серой лесной почве Курской области.
В ходе эксперимента было взято растение горчица сарептская ВгаББюа ]ипееа (Ь.), являющееся гипераккумулятором ТМ, и два типа почв Курской области: чернозем типичный (косимый участок Стрелецкой степи Центрально-Черноземного заповедника им. проф. В.В. Алехина) и серая лесная почва (агробиостанция КГУ). Почва отбиралась с глубины 5-20 см (верхний горизонт). В 10 контейнеров было помещено по 1 килограмму почвы. Затем в емкости с почвой внесли возрастающие концентрации сернокислого цинка в дозах, соответствующих 1, 2, 10 и 50 ПДК. Также были взяты контрольные образцы почв. Опыт проводился в четырехкратной повторности. Валовое содержание цинка в серой лесной почве в среднем составило 13 мг/кг, а в черноземной - 30 мг/кг, при ПДК 100 мг/кг почвы.
Семена горчицы сарептской высаживались в контейнеры с почвой и затем выращивались на протяжении трех недель при естественном освещении и искусственном поливе, влажность субстрата составляла около 25 %.
Во всех вариантах опыта отмечалась всхожесть горчицы порядка 90%. Исключением был вариант с дозой 50 ПДК, где всходов вообще не наблюдалось. Вероятно данная концентрация тяжелого металла - мощный угнетающий фактор для проростков горчицы сарептской.
По истечении трех недель все растения были извлечены из почвы, корни отмыты от почвенных частиц и высушены до абсолютно сухой массы.
Измерение массовых концентраций цинка в образцах проводилось методом инверсионной вольтамперометрии на анализаторе ТА4. Пробоподготовка и анализ проб выполнены в соответствии с методикой МУ 31-04/04 [Методика выполнения измерений... 2004].
Таблица 1
Содержание цинка в корнях и побегах горчицы сарептской
Содержание цинка в почве, в ПДК Содержание цинка в корнях горчицы на серой лесной почве (мг/кг) Содержание цинка в побегах горчицы на серой лесной почве (мг/кг) Содержание цинка в корнях горчицы на черноземе типичном (мг/кг) Содержание цинка в побегах горчицы на черноземе типичном (мг/кг)
Контроль (фон) 31 71 15 3,5
1 ПДК 231 115 20 53,5
2 ПДК 393 174 23 7,5
10 ПДК 1876 1741 460 439
Данные по содержанию цинка в корнях и побегах горчицы сарептской, представленные в таблице 1, свидетельствуют о том, что в серой лесной почве горчица сарептская ведет себя как гипераккумулятор цинка. Корни горчицы сарептской, выращенные на серой лесной почве, накопили приблизительно в 2 раза больше цинка, чем содержалось в загрязненном образце почвы (1, 2 и 10 ПДК), на контроле также отмечалось биологическое накопление цинка, близкое к двукратной величине. В свою очередь, побеги горчицы сарептской в различных по степени загрязнения образцах почвы ведут себя неодинаково. В образцах с концентрацией в 1 ПДК и 2 ПДК выступают как индикаторы - накапливая цинк в количестве, примерно равном количеству в почве. В образце 10 ПДК и контроле - как гипераккумуляторы, накапливая в два и в шесть раз больше цинка на единицу сухой массы.
В черноземе типичном особенности аккумуляции цинка горчицой сарептской отличаются от таковых в серой лесной почве, вероятно, это вызвано свойствами данного типа почвы. При относительно малых дозах загрязнения почвы цинком (1-2 ПДК) и на контроле растения накопили небольшое количество тяжелого металла, максимальное содержание составило 53,5 мг/кг сухой массы. Исключением является образец чернозема типичного с дозой загрязнения 10 ПДК в этом варианте накопление цинка в корнях и побегах достигает 460 мг/кг.
Сравнительный анализ отношения накопления цинка в корнях горчицы сарептской к накоплению его в побегах показал, что корневая система аккумулирует большую часть массы тяжелых металлов, по сравнению с её побегами. Данное явление отмечено практически во всех пробах, за исключением контрольного образца на серой лесной почве и образца 1 ПДК на черноземе типичном.
Надо отметить, что аккумулирующая способность горчицы сарептской выше в серой лесной почве, что, видимо, связано с более высоким содержанием водорастворимой и подвижной форм цинка по сравнению с черноземом.
Таблица 2
Содержание подвижной и водорастворимой формы цинка в серой лесной почве
и черноземе типичном
Тип почвы Степень загрязнения почвы Содержание водорастворимой формы в мг/кг Содержание подвижной формы в (ААБ) мг/кг
Чернозем типичный Контроль следы 0,21
Чернозем типичный 1 ПДК следы 12
Чернозем типичный 2 ПДК 0,15 20
Чернозем типичный 10 ПДК 1,8 93
Серая лесная Контроль следы 0,85
Серая лесная 1 ПДК 0,29 13
Серая лесная 2 ПДК 1 25
Серая лесная 10 ПДК 3,1 152
Статистическая обработка полученных данных показала, что содержание цинка в корнях и побегах горчицы сарептской тесно коррелирует с долей водорастворимой и подвижной форм металла в почве, что следует из данных, представленных в таблице 3.
Таблица 3
Коэффициенты парной корреляции содержания различных форм цинка в почве и содержания цинка в корнях и побегах горчицы сарептской
Содержание цинка в корнях горчицы сарептской Содержание цинка в побегах горчицы сарептской Содержание водораствори мой формы цинка в почве Содержание подвижной формы цинка в почве Валовое содержа ние цинка в почве
Содержание цинка в корнях горчицы сарептской 0,991 0,941 0,913 0,775
Содержание цинка в побегах горчицы сарептской 0,991 0,929 0,925 0,793
Содержание водорастворимой формы цинка в почве 0,941 0,929 0,973 0,919
Содержание подвижной формы цинка в почве 0,913 0,925 0,973 0,963
Валовое содержание цинка в почве 0,775 0,793 0,919 0,963
Сразу после извлечения проростков из почвы были сделаны промеры длины проростков и определена средняя величина их длины для каждого образца. Данные отражены на рисунке.
Зависимость длины проростков горчицы сарептской от валового содержания цинка в почве.
Содержание цинка в почве (в ПДК)
Сплошная линия - серая лесная почва, прерывистая линия - чернозем типичный
Из рисунка видно, что у проростков горчицы сарептской, выращиваемой на образцах почвы с дозой загрязнения цинком в 10 ПДК, наблюдается задержка роста, что, по всей вероятности, происходит из-за усиленного, по сравнению с другими вариантами эксперимента, транспорта цинка из корней растений в их побеги (табл. 1),
поскольку содержание в корнях и побегах становится одинаково высоким и достигает соответственно 1876-1741 мг/кг для серой лесной почвы и 460-439 мг/кг для чернозема.
Выводы
1. Установлено, что горчица сарептская, выращенная на серой лесной почве, загрязненной цинком (от 1 до 10 ПДК), содержит в сухой надземной биомассе до 1741 мг/кг.
2. При выращивании горчицы сарептской на черноземе типичном фитоэкстракционная способность данного растения проявляется только при высоких уровнях загрязнения (10 ПДК), содержание цинка при этом составляет 439 мг/кг сухой массы растения.
Библиографический список
Башкин В.Н., КасимовН.С. Биогеохимия М.: Научный мир, 2004. 648 с. Добровольский В.В. Глобальная биохимия свинца // Свинец в окружающей среде. М.: Наука, 1987. С. 7-19.
Добровольский В.В. Основные черты геохимии цинка и кадмия //Цинк и кадмий в окружающей среде. М.: Наука, 1992. С. 7-18.
Квеситадзе Г.И., Хатисашвили Г.А., Садунишвили Т.А., Евстигнеева З.Г. Метаболизм антропогенных токсикантов в высших растениях; Ин-т биохимии им. А.Н. Баха. М.: Наука, 2005. 199 с.
Методика выполнения измерений массовых концентраций цинка, кадмия, свинца, и меди методом инверсионной вольтамперометрии на анализаторах типа ТА. Томск.: изд-во ТПУ, 2004. 23 с.
Прасад М.Н. Практическое использование растений для восстановления экосистем, загрязненных металлами // Физиология растений. 2003.Т. 50, № 5. С. 768780.
Титов А.Ф., Таланова В.В., Казнина Н.М., Лайдинен Г.Ф. Устойчивость растений к тяжелым металлам / отв. ред. Н.Н. Немова; Институт биологии КарНЦ РАН. Петрозаводск: Карельский научный центр РАН, 2007. 172 с.
Baker A.J.M., Reeves R.D., Hajar A.S.H. Heavy metal accumulation andtolerance in British populations of the metallophyte Thlaspi caerulescens J.and C. Presl (Brassicaceae) // New Phytol. 1994. V. 127. P. 61-68.
Chaney R.L. Plant uptake of inorganic waste constituents // Land treatment ofhazardous wastes. Park Ridge, USA, New York: Noyes Data Corp., 1983. P. 50-76.
Chaney R.L., Malik M., Li Y.M., Brown S.L., Brewer E.P., Angle J.S.,Baker A.J.M. Phytoremediation of soil metals // Curr. Opin. Biotechnol. 1997.V. 8. № 3. P. 279-284.
