CC BY
18
Literatura
1. Bondarev A.G. O znachenii fizicheskikh svoystv pochv v adaptivno-landshaftnom zemledelii // Byulleten'pochvennogo instituta im. V.V. Dokuchaeva. - 2007. - №60. - S. 71-74.
2. Kiryushin V.I. Ekologicheskie osnovy zemledeliya. - M.: Kolos, 1996. - 367 s.
3. Shein E.V., Milanovskiy E.Yu. Organicheskoe veshchestvo i struktura pochvy: uchenie V.R. Vilyamsa i sovremennost' // Izvestiya TSKhA. - 2014. - № 1. - S. 42-51
4. Fridrikhsberg D.A. Kurs kolloidnoi khimii. - SPb.: Khimiya, 1995. - 400 s.
5. Khan K.Yu., Pozdnyakov A.I., Son B.K. Stroenie i ustoychivost' pochvennykh agregatov // Pochvovedenie. - 2007. - №4. - S. 450-456.
6. Dakora F.D., Phillips D.A. Root exudates as mediators of mineral acquisition in low-nutrient environments // Plant and Soil. - 2002. - V.245. - P.35-47.
УДК 631.416.8
Канд. биол. наук М.А. ЕФРЕМОВА (ФГБОУ ВО СПбГАУ, marina_efremova@mail.ru) Аспирант В.В. МИТРОФАНОВ
(ФГБОУ ВО СПбГАУ, v-123@yandex.ru)
СРАВНЕНИЕ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДИНАМИКИ НАКОПЛЕНИЯ РТУТИ И КАДМИЯ ОВСОМ ИЗ ПОЧВЫ
Исследованию динамики накопления тяжелых металлов растениями из почвы уделяется большое внимание, так как оно позволяет раскрыть закономерности формирования потоков минеральных веществ, поступающих в растения из почвы, и выявить влияние различных факторов окружающей среды на показатели содержания тяжелых металлов в растениях во времени. Результаты этих исследований могут быть расширены при использовании математической модели, предложенной В.Ф. Дричко [1]. Применение модели позволяет сравнивать удельные скорости роста растений и выноса химических элементов растениями из почвы. Закономерности изучаемых процессов можно уточнить при сравнении накопления растениями химических элементов-аналогов. Значительный интерес с этой точки зрения представляют кадмий и ртуть, так как оба элемента относятся к тяжелым металлам первого класса опасности. Они являются последними d-элементами в своем периоде и полными электронными аналогами. Многие соединения d-элементов, особенно производные Zn, Cd, оказывают токсичное действие на живые организмы [2]. Это связано с образованием нерастворимых соединений с белками в результате взаимодействия ионов тяжелых металлов с электронодонорными атомами серы группы ^Н, что приводит к денатурации белков и ингибированию многих необходимых клетке ферментов.
Цель исследования - сравнить особенности и выявить общие закономерности динамики накопления ртути и кадмия овсом из почвы в условиях слабощелочной реакции среды, обработать полученные результаты с помощью логистической функции, лежащей в основе математической модели динамики накопления элементов растениями [1].
Материалы, методы и объекты исследования. На территории малого опытного поля СПбГАУ был проведён вегетационный опыт, в котором выращивался овёс сорта Скакун на техногенном почвогрунте. После прореживания овса в фазу проростков в каждом сосуде было оставлено по 25 растений. Растения овса убирали в динамике 10 раз: на 14, 21, 26, 31, 37, 42, 51, 59, 70, 83 сутки после всходов. Опыт поставлен в трёхкратной повторности.
Овёс выращивали в сосудах Кирсанова. Содержание почвы в одном сосуде - 5 кг. Агрохимические показатели почвы определены в соответствии с методиками ГОСТ или общепринятыми методами: содержание гумуса - по методу Тюрина, обменная кислотность -
согласно ГОСТ 26483-85, гидролитическая кислотность - ГОСТ 26212-91, сумма поглощенных оснований - ГОСТ 27821-88, содержание фосфора и калия - ГОСТ Р 546502011. Валовое содержание кадмия в почвогрунте было определено атомно-абсорбционным методом М-02-902-125-2005 после вытеснения кадмия из почвы 5М азотной кислотой при 3-часовом кипячении. Ртуть была определена по методике М 03-09-2013 «Определение содержания ртути в почвах, грунтах, донных отложениях и глинах» на анализаторе ртути с зеемановской коррекцией неселективного поглощения «РА-915М», с двухкамерной пиролитической приставкой «ПИРО-915+», непосредственно в сухой измельченной пробе почвы и специальной подготовки образца не требовала.
Агрохимическая характеристика дисперсного минерального техногенно образованного почвенного грунта представлена в табл. 1. Использованный в вегетационном опыте почвогрунт обладал близкой к щелочной реакцией среды, очень низким содержанием гумуса, средним содержанием фосфора, очень низким содержанием калия, очень высокой степенью насыщенности основаниями. Валовое содержание ртути и кадмия в почвогрунте до искусственного загрязнения было ниже его ориентировочно-допустимой концентрации по кадмию (ОДК=2,0 мг/кг) и предельно-допустимой концентрации по ртути (ПДК=2,1 мг/кг).
Таблица 1. Агрохимическая характеристика почвенного грунта
Подвижные Валовое содержание
Гран. состав Гумус рНкс1 H г S V соединения
% Р 2О 5 К2О Cd Hg
% ммоль/100 г мг/кг
Тяжелый суглинок 1,9 7,85 0,23 50,4 99,6 92,3 38,5 0,72± 0,16 0,070± 0,002
При закладке опыта почвогрунт был искусственно загрязнен ртутью до 0,5 ПДК и кадмием до 0,5 ОДК. Тяжёлые металлы были внесены в виде раствора соли нитрата ртути и ацетата кадмия. При этом содержание ртути и кадмия в почве составило 1 мг/кг. В почву одновременно были внесены макроэлементы питания растений в составе азофоски (N:P:K=16:16:16 %). Количество питательных элементов, поступившее с удобрениями, составило: N - 0,10 г /кг почвы, P2О5 - 0,10 г/кг, К2О - 0,10 г/кг [4]. Влажность почвы в период роста растений поддерживалась на уровне 70% от полной полевой влагоёмкости.
После уборки растений в них определялась концентрация кадмия и ртути атомно-абсорбционным методом с электротермической атомизацией образца. Пробоподготовка растений к спектрометрическому анализу кадмия была проведена методом мокрого озоления растений в смеси азотной и хлорной кислот (соотношение объемов кислот 4:1). Ртуть в растениях определялась на анализаторе РА-915М по методу ГОСТ Р 54639-2011 «Продукты пищевые и корма для животных». При этом предварительная подготовка образцов не требовалась.
Статистическая и математическая обработка результатов исследования проведена с использованием компьютерных программ Excel и Origin.
Результаты исследования. Овес выращивали в течение 83 суток до фазы колошения. Основные фенологические фазы роста и развития овса отмечены в следующие периоды: фаза проростков - до 21 суток, кущение - от 21 до 37 суток, выход в трубку - от 37 до 59 суток, выметывание метелки - с 59 до 83 суток. Как было отмечено в предыдущей научной работе [3], надземная масса овса в вегетационном опыте существенно увеличивалась на 42 сутки (начало выхода в трубку) и на 70 сутки - в фазу выметывания метелки. Полученные результаты массы овса и динамики выноса Cd и Hg растениями из почвы были обработаны с использованием S-образной логистической функции.
Известно, что динамика массы растений хорошо описывается логистической функцией [1, 3, 4, 5]:
- -..: ■ (1)
I- м0 -I
где Мтах - максимально возможная масса растений, г/сосуд ( г/25 растений); Мо -некоторая начальная масса растений, г/сосуд (г/25 растений); ц - константа удельной скорости накопления массы растений, сут-1, ^ - время, прошедшее от момента прорастания зерна, сут.
Также ранее было показано, что изменение выноса химических элементов растениями во времени тоже может быть описано функцией этого вида:
': ■' = ТГННИГТТтг , (2)
где Атах - максимальный вынос химического элемента растениями, мкг/сосуд; Ао -начальный вынос химического элемента в момент прорастания зерна, мкг/сосуд; е - удельная скорость выноса химического элемента растениями, сут-1; ^ - время, сут. Показатели динамики выноса Cd и Н^ овсом из почвогрунта, полученные в нашем опыте, представлены в табл. 2. Вынос элементов растениями рассчитан как произведение массы растений на концентрацию элемента.
Таблица 2 . Показатели логистической функции динамики накопления массы и выноса химических элементов растениями овса
Масса растений Вынос элементов
показатель значение показатель значение
Сd НЕ
Мо, г на 25 растений 3,98-10"2 Ао, мкг (на 25 растений) 0,002 0,050
Ммах, г на 25 растений 22,44±3,31 Амах, мкг (на 25 растений) 22,56±1,80 0,44±0,06
/, сут-1 0,125±0,019 в, сут-1 0,244±0,086 0,050±0,013
г 0,975 г 0,98 0,97
Согласно исследованиям [1] величина е может быть меньше, равняться или превышать параметр /. Знак разности (е - /л) указывает направление изменения концентрации элемента в растении на экспоненциальной фазе роста. Если константы скоростей накопления биомассы и элемента равны друг другу, то концентрация элемента в растении не изменяется в течение экспоненциального периода роста. Если ц>е или ц< в, то концентрация элемента в растении соответственно уменьшается или увеличивается во времени с общей константой скорости, равной (в - ц). Экспоненциальный период роста растений, который представляет собой начальную стадию роста и развития растений, в нашем эксперименте продолжался до 21 суток и охватил физиологические фазы проростков и начало кущения овса.
Сравнение параметров виц, полученных при анализе данных опыта, позволяет сделать вывод о том, что концентрация Cd в овсе в экспоненциальный период роста культуры повышалась, а концентрация Н§ снижалась с общими константами скорости: 0,119 и -0,075 соответственно, что хорошо подтверждается результатами эксперимента, приведенными на рис. 1. В.Ф. Дричко, описывая условия применения динамической модели накопления элементов растениями [1], показал, что знак разности (в - ц) характеризует условие достаточной обеспеченности почвы элементами питания или, вероятно, условие доступности химических элементов для растений, что более приемлемо для тяжелых металлов. Таким образом, отрицательный знак разности изучаемых показателей в случае
ртути указывает на слабую доступность этого элемента корневой системе овса в начальный период роста. Удельная скорость выноса (е) овсом Сё из почвогрунта в 5 раз больше, чем Н^.
С6
не
1-1
« к
Я
а н х
<и
а х
3
12 10 8 6 4 2
20
40
60
80
Рис. 1. Динамика концентрации тяжелых металлов в растениях овса
Известно [6, 7, 8], что по валовому содержанию химических элементов в почве нельзя точно судить о степени их поглощения растениями, поскольку доступность элементов зависит от многих параметров, среди которых рН, количество органического вещества и карбонатов в почве. В почвах большая часть ртути связана с гуминовыми кислотами и гумином, которые являются основной ^-депонирующей фазой. Меньшие количества ртути найдены в подвижных фракциях гумуса - фульвокислотах. В органических соединениях ртуть в первую очередь связана с углеродом ковалентной связью, а во вторую -координационными или ионными связями с различными связывающими центрами. С точки зрения экотоксикологии наибольшее значение имеют алкилртутные соединения с короткой цепью. Такие соединения образуют прочные связи с серой. Менее прочны их связи с азотом, кислородом и галогенами [9]. Деятельность микробов может преобразовать металлоорганический комплекс ^(П) в ^(0) с последующей миграцией ртути в атмосферу путем испарения [10]. Это приводит к самопроизвольной очистке почвы. Образование метильных производных ртути приводит к существенному возрастанию летучести. При этом оказывается, что скорость улетучивания соединений ртути с поверхности почвы зависит от ее природы. Например, по данным [10], при одинаковой исходной концентрации (1 мг/кг) за шесть суток с поверхности песчаной и глинистой почв улетучивалось, соответственно: 25 и 43% соединений ртути.
Согласно литературным данным, содержание кадмия в почвенном растворе минеральной почвы с 30% влажностью составляет менее 1% от его валового количества [11]. Однако по сравнению с ртутью кадмий относительно подвижен в почве, менее прочно закрепляется ее твердой фазой, образуя, например, водорастворимые комплексные соединения с фульвокислотами, что для ртути не характерно. Кроме того, природные соединения кадмия не обладают летучестью.
В нашем эксперименте в почвогрунт были внесены одинаковые количества тяжелых металлов - 5 мг/сосуд, однако вынос Сё развивающейся корневой системой злаковой культуры в экспоненциальный период роста был более чем в 100 раз больше (рис. 2). Различие выноса элементов из почвы в более поздние фазы роста культуры уменьшилось, но и в стадию выметывания метелки составляло от 10 до 20 раз.
0
0
Рис. 2. Вынос тяжелых металлов овсом из почвогрунта
В опытах с бобовыми культурами показано [4], что вынос ртути растениями составляет 0,4-1,4% от внесенного в почву количества. В нашем опыте максимальный вынос ртути овсом из почвогрунта (Лшсх) составил 0,01%, кадмия - 0,45% (табл. 2).
Показатель максимального выноса Сё овсом из почвогрунта (Лшса) в 50 раз выше, чем аналогичный показатель выноса Н§. При этом показатель Ло, характеризуемый в предыдущих работах как начальный вынос химического элемента в момент прорастания зерна, наоборот, в 25 раз больше для Н§, чем для Сё. Смысловое значение этого показателя в настоящий момент до конца не выяснено. Можно предположить, что Ло - это то количество элемента, которое растение может использовать из зерна при прорастании. В таком случае зерно овса содержало значительное больше Н§, чем Сё.
Выводы. Сравнение показателей математической модели динамики выноса химических элементов растениями из почвы выявило, что в экспоненциальный период роста овса (фаза проростков, начало кущения) доступность Сё растениям овса из техногенного почвогрунта больше, чем Н§ при одинаковой степени загрязнения почвенной среды тяжелыми металлами, удельная скорость выноса Сё овсом из почвогрунта в этот период в 5 раз больше, чем Н§. Концентрация Сё в растениях на протяжении всего жизненного цикла овса значительно превышала концентрацию Н§. Максимальный вынос ртути овсом из почвогрунта (Лшсх) составил 0,01%, кадмия - 0,45% от общего содержания элементов в почве. Показатель максимального выноса Сё овсом из почвогрунта (Лшсх) в 50 раз выше, чем аналогичный показатель выноса Н§.
Литература
1. Дричко В.Ф., Изосимова А.А. Методика определения удельных скоростей роста растений и выноса ими химических элементов из почвы. - СПб: АФИ, 2011. - 24 с.
2. Шоу Б.П., Прасад М.Н.В., Джа В.К., Саху Б.Б. Механизмы детоксикации и защиты растений, подвергнутых воздействию металлов / В кн.: Микроэлементы в окружающей среде: биогеохимия, биотехнология и биоремедиация; под ред. М.Н. В. Прасада, К.С. Саджвана, Р. Найду. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. - С. 66-91.
3. Ефремова М.А., Митрофанов В.В. Исследование динамики накопления кадмия овсом в опытах с водной и почвенной культурами // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2018. - № 50. - С. 62-68.
4. Сладкова Н.А. Распределение цинка и кадмия в системе торфяная почва-растение под влиянием фосфорных и калийных удобрений: автореф. дис... канд. биол. наук. - СПб, 2016. - 22 с.
5. Ефремова М.А., Вяльшина А.С., Наумов Е.М. Динамика накопления мышьяка и свинца пшеницей яровой из дерново-подзолистой почвы при использовании Мизорина // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2016. - № 44. - С. 50-56.
6. Plant Metal Interaction. Ed. Parvaiz Ahmad. - Elsevier, 2015. - 652 p.
7. Andreu V., Gimeno E. Total content and extractable fraction of cadmium, cobalt, copper, nickel, lead, and zinc in calcareous orchard soils // Communications in Soil Science and Plant Analysis.
- 1996. - V.27.- P. 2633-2648.
8. Bolan N.S., Duraisamy V.P. Role of inorganic and organic soil amendments on immobilization and phytoavailabilty of heavy metals: a review involving specific case studies // Aust. J. Soil. Res. - 2003. V.41. - P. 533.
9. Wang Q., Zhang Email J., Xin X., Zhao B., Ma D., Zhang H. The accumulation and transfer of arsenic and mercury in the soil under a long-term fertilization treatment // Journal of Soils and Sediments. - 2016. - 16. - pp. 427-437.
10.Roane T.M., Kellog S.T. Characterization of bacterial communities in heavy metal-contaminated soils // Can. J. Microbiol. -1996. -V.42. - P. 593.
11.Neng-Chang C., Huai-Man C. Chemical behavior of cadmium in wheat rhizosphere // Pedosphere. - 1992. - V.2. - P. 363.
Literatura
1. Drichko V.F., Izosimova A.A. Metodika opredeleniya udel'nyh skorostej rosta rastenij i vynosa imi himicheskih elementov iz pochvy. - SPb: AFI, 2011. - 24 s.
2. Shou B.P., Prasad M.N.V., Dzha V.K., Sahu B.B. Mekhanizmy detoksikacii i zashchity rastenij, podvergnutyh vozdejstviyu metallov / V kn.: Mikroelementy v okruzhayushchej srede: biogeohimiya, biotekhnologiya i bioremediaciy; pod red. M.N. V. Prasada, K.S. Sadzhvana, R. Najdu. - M.: FIZMATLIT, 2009. - S. 66-91.
3. Efremova M.A., Mitrofanov V.V. Issledovanie dinamiki nakopleniya kadmiya ovsom v opytah s vodnoj i pochvennoj kul'turami // Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2018. - № 50. - S. 62-68.
4. Sladkova N.A. Raspredelenie cinka i kadmiya v sisteme torfyanaya pochva-rastenie pod vliyaniem fosfornyh i kalijnyh udobrenij: avtoref. dis... kand. biol. nauk. - SPb, 2016. - 22 s.
5. Efremova M.A., Vyal'shina A.S., Naumov E.M. Dinamika nakopleniya mysh'yaka i svinca pshenicej yarovoj iz dernovo-podzolistoj pochvy pri ispol'zovanii Mizorina // Izvestiya Sankt-Peterburgskogo gosudarstvennogo agrarnogo universiteta. - 2016. - № 44. - S. 50-56.
6. Plant Metal Interaction. Ed. Parvaiz Ahmad. - Elsevier, 2015. - 652 p.
7. Andreu V., Gimeno E. Total content and extractable fraction of cadmium, cobalt, copper, nickel, lead, and zinc in calcareous orchard soils // Communications in Soil Science and Plant Analysis.
- 1996. - V. 27.- P. 2633-2648.
8. Bolan N.S., Duraisamy V.P. Role of inorganic and organic soil amendments on immobilization and phytoavailabilty of heavy metals: a review involving specific case studies // Aust. J. Soil. Res. - 2003. V.41. - P. 533.
9. Wang Q., Zhang Email J., Xin X., Zhao B., Ma D., Zhang H. The accumulation and transfer of arsenic and mercury in the soil under a long-term fertilization treatment // Journal of Soils and Sediments. - 2016. - 16. - pp. 427-437.
10.Roane T.M., Kellog S.T. Characterization of bacterial communities in heavy metal-contaminated soils // Can. J. Microbiol. -1996. -V.42. - P. 593.
11.Neng-Chang C., Huai-Man C. Chemical behavior of cadmium in wheat rhizosphere // Pedosphere. - 1992. - V.2. -P. 363.
