CC BY
64
№4/2014 ОБРАЗОВАНИЕ, НАУКА И ПРОИЗВОДСТВО п /_EDUCATION, SCIENCE AND PRODUCTION_
УДК 632.95.024.4-034.4:631.5
СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ ФИТОТОКСИЧНОСТИ СОЕДИНЕНИЙ
СВИНЦА И КАДМИЯ
WAYS TO REDUCE THE PHYTOTOXICITY OF LEAD COMPOUNDSANDCADMIUM
Басов Ю.В.,канд.с.-х. наук
Basov Y.V., Candidate of Agricultural Sciences
К.Н. Козявина канд. биол. наук
Kozyavina K.N., Candidate of Biological Sciences
Орловский государственный аграрный университет, г. Орел, Россия
Orel State Agrarian University, Orel City, Russia
Аннотация: Изучена биологическая активность техногенно загрязненной почвы, фитотоксичность ионов свинца и кадмия на модельных системах, определено содержание тяжёлых металлов в почве, наземной и корневой фитомассе.
Исследования загрязнения почвы солями тяжелых металлов проводились на модельных системах в условиях защищённого грунта, тестовая культура - овёс посевной (сорт «Борец»).
Метод биоиндикации позволил оценить эффективность различных способов снижения фитотоксич-ности ионов ТМ в системе «почва - растение». Биогумус резко снижает количество подвижных форм Cd(II), Pb(II) и их фитотоксичность. Известь при внесении в почву в меньшей степени, чем биогумус, связывает ионы ТМ и незначительно снижает их фитотоксичность
Abstract: Phytotoxicity of ions of lead and cadmium on model systems is studied. The contents of heavy metals (HM) in soil, land and rooted biomass are specified. The results of research show, that biological activity of soil is formed low as lands are disturbed anthropogenically: very low - two-rowed barley, soft wheat, common barley, oat, lupine, oil radish; low - durum wheat, millet, buckwheat; high -buckwheat and millet. The research of soil pollution by salts of heavy metals was spent on model systems in the conditions of a sheltered ground, test crop -cultivated oat (variety «Fighter»). Liming reduced contents of mobile form of HMs in soil, contributed in their d e-toxication. Sodium acetate utilization resulted in the rise of рН medium and in the conditions of alkalizing the ions of metals became very mobile, the humus total thus decreased. High density of heavy metals in system «soil - heavy metals - acetate» undertakes sharp depressing of evolution ofplants that has led to making up of the lowest productivity of commodity or of the total loss ofplants. The most oppressed are oats plants on soil with contents of ions Pb2 +. The bioindication method has allowed estimate the efficiency of various methods of decrease of phytotoxicity of HM ions in system «soil - a plant». The biohumus sharply reduces quantity of mobile forms of Cd (II), Pb (II) and their phytotoxicity. Lime at depositing in soil to a lesser degree, than biohumus, links HM ions and slightly reduces their phytotoxicity.
Ключевые слова: техногенно загрязненная почва, биологическая активность, фитотоксичность ионов тяжелых металлов, модельные системы.
Key words: anthropogenically polluted soil, biologic activity, phytotoxicity of lead ions, model systems
Содержание в почве тяжёлых металлов и сопряжённая с этим транслокация их в растения -сложный процесс, на который влияет множество факторов. Чтобы понять механизм воздействия каждого из них, следует изучать влияние отдельных факторов на фитотоксическое действие тяжёлых металлов в условиях эксперимента.
Свинец и кадмий отнесены к приоритетным токсическим элементам. Это обусловлено как тенденциями развития современной промышленности, так и их физиолого-биохимическими особенностями.
В естественных условиях почвы и растения обязательно содержат тяжёлые металлы (ТМ), однако чрезмерное их накопление может оказаться причиной разрушения целостности природных комплексов. По токсичности и способности накапливаться в пищевых цепях, лишь немногим более десяти элементов признаны приоритетными загрязнителями биосферы.
По приблизительной оценке в настоящее время в мире накоплено ( в млн.т.) ^ -300, Zn-200, &-70, Pb-20, №-3,5, ^-0,6. ^-0,5. Окружающая среда никогда не знала такого объёма ТМ на поверхности земли. Одними из наиболее
ОБРАЗОВАНИЕ, НАУКА И ПРОИЗВОДСТВО EDUCATION, SCIENCE AND PRODUCTION
опасных токсикантов среды являются свинец (РЬ) и кадмий (Cd).
При выборочном эколого-
токсикологическом обследовании почв сельскохозяйственных угодий Орловской области, проведённом ФГБУ «Верховьеагрохимрадиология» в 2010-2011гг., расположенных вдоль основных шоссейных и железных дорог, выявлено загрязнение ТМ Zn, Cd , Pb). Так, в Верховском районе, на площади 2585 га., Залегощенском (3667га), Ливенском (1960 га)., Новодеревень-ковском (315 га) и Краснозоренском (1441 га) выявлены значительные превышение ПДК по свинцу (32 мг/кг) и кадмию (1мг/кг).
Предельно допустимые суточные дозы (ПДДс) различных ТМ, поступающих в организм человека с водой и пищей, колеблются в широких пределах от 0,1 мкг до 5 мг (2ц). Сопоставление ПДДс с массой ТМ, находящихся в биосфере, и простой расчёт позволяют заключить, что эти вещества заключают в себе потенциал многократного отравления всего человечества.
Цель данной работы - изучение биологической активности почвы техногенно-нарушенных земель в зависимости от произрастания сельскохозяйственных культур и изучение степени подвижности соединений кадмия в почве и способов снижения его фитотоксичности.
Основные задачи:
- изучить влияние разных видов сельскохозяйственных культур на биологическую активность техногенно-нарушенных почв,
- выявить взаимосвязь между содержанием подвижных форм ТМ в почве и растении;
-изучить поглотительную способность почвы под влиянием различных факторов (содержание органического вещества, концентрация ионов свинца и кадмия, рН среды);
-изучить эффективность различных способов снижения фитотоксичности свинца и кадмия в системе «почва-растение» методом биоиндикации.
Опыт закладывался в закрытом грунте Орловского ГНУ ВНИИ зернобобовых и крупяных культур Россельхозакадемии (II) в 20102013 гг. В деляночном опыте транслокация свинца и кадмия изучалась в агроценозах на посевах овса (сорт «Борец»), гречихи (сорт «Девятка») и горчицы белой. В модельных системах использовался выщелоченный чернозем Ливенского р-на Орловской области. По агрохимическим показателям характеризующийся высоким содержанием органического вещества (гумуса), что имеет важное значение для плодородия почвы и питания растений.
Содержание в почве ионов токсиканта и транслокация их в растения - сложный процесс, зависящий от множества факторов. Чтобы понять механизм воздействия каждого из них, следует
изучать влияние отдельных факторов на фитоток-сическое действие ТМ в условиях эксперимента.
С опытного участка были отобраны и проанализированы образцы почвы. Пробы отбирались до посева по диагонали поля.
рН сол 6,5 содержание гумуса 6.2%, сумма поглощённых оснований 46,0мг.-экв./100г, гидролитическая кислотность 0,26мг.-экв./100г, обменная кислотность 0,01мг.-экв./100г. Содержание валовых форм кадмия (Сd) - 0,29 мг/кг, подвижных - 0,08мг/кг, извлекаемых ацетатно-буферным раствором.
В целях недопущения загрязнения почвы опытного участка солями ТМ исследования были продолжены на модельных системах в условиях защищённого грунта.
Для опыта был подготовлен 51 сосуд. В качестве тестовой культуры был выбран овёс посевной (сорт «Борец»), способный быстро реагировать на поступление и накопление ТМ.
Согласно ориентировочно - допустимых концентраций (ОДК) химических веществ в почве (ГН 2.1.7.2042-06) валовое содержание Cd на почвах близких к нейтральным, нейтральных (суглинистых и глинистых) при рН^^^ величина ОДК (с учётом фона составляет) -2,0 мг/кг. Валовое содержание свинца на почвах песчаных и супесчаных 32 мг/кг с учётом фона, кислых суглинистых и глинистых рН к:<х<5,5, близких к нейтральным, нейтральные (суглинистые и глинистые ) рНк;а>5,5.
Почва предварительно просевалась для придания структуры и помещалась в сосуды. В соответствии со схемой опыта добавлялись биогумус, известь, ацетат натрия (для создания кислой среды). Дно сосудов покрывалось керамзитом, на который устанавливалась стеклянная трубка и слой фильтровальной бумаги, засыпалась почва. После всходов овса в почву вносили раствор соли Pb (Ш3СОО)2*3Н2О (54,64% Pb) в дозах 1 и 3 ОДК, что соответствовало 130,0 и 390,0 мг/кг Pb и солей Сd CdSO4(54%Cd ), в концентрациях 5 и 50 ОДК, что составило по Сd -10 мг/кг и 100 мг/кг почвы, с учётом фона (кларка) соответственно.
Известкование снижало содержание подвижных форм ТМ в почве, способствовало их детоксикации. Высокое содержание в почвенном растворе водорастворимых органических соединений не приводило к повышению миграционной способности металлов благодаря образованию устойчивых органоминеральных комплексов. Использование ацетата натрия приводило к тому, что рН среды повышался и в условиях подщела-чивания ионы металлов становились очень подвижными, при этом снижалось общее количество гумуса.
После выращивания биокультуры в течение 30 суток почву подвергали химическому анализу на содержание валовых и подвижных форм
ОБРАЗОВАНИЕ, НАУКА И ПРОИЗВОДСТВО EDUCATION, SCIENCE AND PRODUCTION
Pb и Cd (II) методом атомно-абсорционной спектроскопии с целью определения доли поглощения ТМ.
Полученные результаты указывают на то, что с ростом рН среды валовое количество кадмия снижается. При внесении Cd2+ в почвенный раствор, в количествах, кратных 5 и 50 ОДК, наибольшее количество металла закрепляется почвой в случае применения биогумуса и извести, а так же в чистой почве. Наименьшее количество кадмия закрепляется почвой с применением ацетата натрия.
Поведение Cd (II) заметно отличается от поведения других тяжёлых металлов. Его подвижность высока во всех средах, даже при внесении извести. Повышенная подвижность кадмия, и связанная с этим меньшая защищённость растительного организма от избыточных ионов этого элемента, является одной из причин сильной его токсичности.
Биогумус резко снижает количество подвижных форм кадмия в почве, и в связи сэтим и их токсичность. Известь при внесении её в почву в меньшей степени, чем биогумус , связывает ионы Cd2+ и снижает их фитотоксичность.
В вариантах опыта обменная кислотность оставалась постоянной и составила - 0,01 ммоль/100г. Величина степени насыщенности основаниями учитывается при известковании почвы. В нашем эксперименте значение суммы поглощённых оснований в разных вариантах колеблется от 44,7 до 45,8 ммоль/100г по отношению к контролю, что указывает на незначительную потребность в известковании.
С ростом рН среды валовое количество свинца увеличивается. При внесении Pb2+ в почвенный раствор, в количествах, кратных 3 ОДК, наибольшее количество металла закрепляется почвой в случае применения биогумуса и извести, а так же в почве c добавлением одного металла. Аномально высокое значение Pb2+ с применением ацетата натрия объясняется, скорее всего, происходящим в системе процессом гидролиза, приводящему к накоплению ОН- ионов в почвенном растворе.
Исходя из полученных данных, можно заключить, что с ростом содержания органического вещества в почве количество подвижных ионных форм свинца уменьшается, а внесение извести практически не отражается на количестве подвижных форм свинца.
Известь является менее эффективным способом снижения подвижных форм ТМ в данном случае. Доступность свинца растениям должна зависеть от способности соединений высвобождать металл в раствор, в том числе при взаимодействии с выделяемыми корнями ионами Н+ или анионами органических кислот, которые связывают металлы в комплексы.
В период исследований наиболее благополучно выглядели всходы, в вариантах с добавлением Cd2+ и биогумуса. Они отличались наиболее длинными листьями и ветвистой корневой системой. На их фоне также хорошо выглядели всходы контроля, а растения с ацетатом натрия были самыми низкорослыми. На 15 сутки эксперимента отмечается интенсивный рост культуры овса на почве - контроле, а также в сосудах с использованием извести и биогумуса с концентрацией кадмия в 5 ОДК.
Растения с ацетатом натрия -желтеют и увядают, несмотря на систематический полив и уход. Наиболее угнетёнными выглядят растения овса на почве с содержанием ионов Cd2+ 50 ОДК.
При совместном присутствии в почве тяжёлых металлов и СН3СОО№ (для создания более кислой среды) рост корневой системы и наземной части визуально прекращается.
В конце 3 декады наиболее благополучными выглядели растения, выращенные на почве
- контроле. Сильно желтеет и сохнет культура, выращенная в системе "почва - тяжёлые металлы
- известь". Овёс, выращенный в системе "почва -тяжёлые металлы - ацетат натрия" на 30-е сутки эксперимента погибает. Наблюдается частичная гибель растений в опытах с использованием солей тяжёлых металлов.
Высокая концентрация тяжёлых металлов в системе "почва - тяжёлые металлы - ацетат" вызывает резкое угнетение развития растений, что привело к формированию крайне низкой продуктивности продукции или полной гибели растений. Для этой модельной системы установлено наибольшее количество подвижных форм с кадмия.
В начале исследований (1дек.) наиболее благополучно выглядели всходы, с добавлением Pb2+ и биогумуса. Они отличались наиболее длинными листьями и ветвистой корневой системой. Хорошо выглядели всходы овса на контроле, а растения с ацетатом натрия, были самыми низкорослыми. На 15 сутки эксперимента отмечается интенсивный рост культуры на почве - контроле, а также в сосудах с использованием извести и биогумуса с концентрацией свинца в 1 и 3 ОДК.
Растения с ацетатом натрия - желтеют и увядают, несмотря на систематический полив и уход. Наиболее угнетёнными выглядят растения овса на почве с содержанием ионов Pb2+ 3 ОДК.
При совместном присутствии в почве тяжёлых металлов и СН3СОО№ (для создания более кислой среды) рост корневой системы и наземной части визуально прекращается.
Значительная концентрация тяжёлых металлов в системе "почва - тяжёлые металлы -ацетат" вызывает резкое угнетение развития растений, что привело к формированию крайне низ-
ОБРАЗОВАНИЕ, НАУКА И ПРОИЗВОДСТВО EDUCATION, SCIENCE AND PRODUCTION
кой продуктивности продукции или полной гибели растений. В этой модельной системы установлено максимальное количество подвижных форм свинца.
Таким образом, метод биоиндикации позволил оценить эффективность различных способов снижения фитотоксичности ионов ТМ в системе «почва - растение». Установлено, что биогумус резко снижает количество подвижных форм Cd(П) и РЬ(11) и, в связи с этим, их фитоток-сичность. Известь при внесении в почву в меньшей степени, чем биогумус, связывает ионы ТМ и незначительно снижает их фитотоксичность.
Выводы:
Биогумус резко снижает количество подвижных форм Cd(П) и РЬ(11) и, в связи с этим, их фитотоксичность. Известь при внесении в почву в меньшей степени, чем биогумус, связывает ионы ТМ и незначительно снижает их фитотоксич-ность.
Литература
1. Басов Ю.В., Наумкин В.Н., Лопачёв Н.А. Распределение тяжёлых металлов в тёмно-серой лесной почве. Достижения науки и техники АПК.-2000.-№12.-С.8-9.
2. Басов Ю.В., Брусенцов И.И. Тяжёлые металлы в почве и растениях. Конференция молодых учёных. Сборник тезисов. - Пущино.-2004.-С.203-204.
3. Буравцев В.Н., Крылова Н.П. Современные технологические схемы фиторемедиации загрязненных почв // Сельскохозяйственная биология. 2005. № 5. С. 67-73.
4. Захваткин Ю. А. Основы общей и сельскохозяйственной экологии: методология, традиции, перспективы. — М.: Мир, 2003. — 360 с: ил. — (Учебники и учеб. пособия для студентов высш. учеб. заведений).
Ю.В. Басов, К.Н. Козявина, E-mail: [email protected]
5. Козявина К.Н., Басов Ю.В. Изучение фитотоксичности ионов свинца на модельных системах. Вестник ОрёлГАУ. Теоретический и научно-практический журнал №4(43) август - С. 64 - 69. Изд. Орёл 2013г.
6. Климова Е.В. Взаимное влияние растений при поглощении зольных элементов из почвы (в процессе фиторемедиации почв, загрязненных тяжелыми металлами (кадмий, никель)). Экологическая безопасность в АПК. Реферативный журнал. 2005. №2. С. 314
7. Кузнецов А. Е., Градова Н. Б. Научные основы экобиотехнологии / Учебное пособие для студентов. - М.: Мир, 2006. - 504 с: ил.
8. Мельников А.А. проблемы окружающей среды и стратегия ее сохранения: Учеб. пособие для вузов. - М.: Академический проспект; Гаудеамус, 2009
9. Мироненко Е.В., Понизовский А.А. Математическая модель для описания химических равновесий в почвах с участием тяжёлых металлов, низкомолекулярных органических и фульвокислот.//Сборник тезисов. Тяжёлые металлы в окружающей среде. Пущино 15-18 октября 1996г. Пущино: ОНТИ НЦБИ, 1996, с 153-154
10. Практикум по агрохимии: Учеб. пособие. - 2-е изд., перераб. и доп./ Под ред. академика PACXH В.Г.Минеева. - М.: Изд-во МГУ, 2001.689 с.
11. Практикум по физиологии растений. Учеб. пособие. - 2-е изд., перераб. и доп./ Под ред. профессора Н.Н.Третьякова. - М.: «КОЛОС», 1982 г.
12. www.newecologist.ru
13. www.namusoril.ru
14. www.bzhde.ru
15. www.kadastr.org
16. www.ecoportal.su
