CC BY
56
УДК 631.41
ВЛИЯНИЕ АМОРФНОГО ДИОКСИДА КРЕМНИЯ НА ПОВЕДЕНИЕ КАДМИЯ В СИСТЕМЕ ПОЧВА-РАСТЕНИЯ РИСА *
Сяо Вей, Пенгбо Занг, Е.А. Бочарникова, В.В. Матыченков, Д.М. Хомяков, Е.П. Пахненко
В полевых условиях изучено влияние аморфного диоксида кремния ^Ю2) на поведение кадмия в системе почва—растение на затопляемой рисовой слабозагрязненной им почве. Применение аморфного SiO2 приводит к уменьшению в 1,3—1,8 раза аккумуляции элемента в надземных органах риса на фоне снижения в 1,8—2,6 раза содержания его подвижных форм, что может быть объяснено как сорбцией металла на поверхности внесенного кремнезема, так и взаимодействием образованной в результате растворения SiO2 монокремниевой кислоты с кадмием. Снижение подвижности кадмия наиболее активно происходит в течение первых двух недель после внесения SiO2. Аморфный кремнезем повышает урожайность риса на 26,6% в первом сезоне и на 72,9% — во втором. Полученные данные свидетельствуют о возможности снижения норм внесения традиционных минеральных удобрений без риска снижения урожайности риса при условии применения кремнийсодержащих препаратов. Они должны стать неотъемлемой и важной частью реализации 4R-СТРАТЕГИИ применения удобрений и оптимизации питания растений.
Ключевые слова: кадмий в почве и растениях, монокремниевая кислота, урожай риса, 4R-СТРАТЕГИЯ применения удобрений и оптимизации питания растений.
Введение
Интенсификация сельского хозяйства, сопровождающаяся высоким уровнем применения удобрений, может приводить к деградации почв и их загрязнению, что во многом связано с присутствием загрязняющих веществ в минеральных удобрениях [8]. Комплексные исследования, проведенные в Западной Европе, показали, что 54—58% кадмия в окружающей среде внесены с фосфорными удобрениями [19]. Загрязнение сельскохозяйственных почв элементом приводит к его аккумуляции в растениеводческой продукции. Кадмий является чрезвычайно токсичным по отношению к живым организмам и весьма стоек в окружающей среде [14]. Многочисленные исследования показали, что этот элемент, накапливаясь в продуктах растениеводства, негативно влияет на здоровье человека [22].
Общее содержание кадмия в растениях обычно колеблется в диапазоне от 0,03 до 20 мг/кг [15]. Повышенное количество его в растениях негативно влияет на их рост и развитие [9]. Установлено, что кадмий снижает активность процессов фотосинтеза в результате ингибирования образования Fe(Ш)-редуктазы в корнях и активности ферментов, участвующих в СО2-фиксации, а также уменьшает поглощение таких элементов, как Са, К, М£ и Р [4, 13]. Повышенные его концентрации снижают энергию прорастания семян и рост проростков вследствие изменения интенсивности и на-
правленности многих метаболических процессов в клетках растений [12].
Внесение кремнийсодержащих препаратов способствует снижению отрицательного влияния кадмия на рост и развитие растений, а также его аккумуляции в плодах [7, 20, 21]. Предполагается существование нескольких механизмов воздействия таких соединений на поведение этого элемента в системе почва—растение. Во-первых, они обычно обладают хорошими сорбционными свойствами по отношению к кадмию и их внесение приводит к снижению его подвижности в почвенной матрице. Данные по влиянию дополнительного кремниевого питания растений в условиях повышенного содержания кадмия в почве или питательном растворе свидетельствуют, что увеличение концентрации растворимых форм кремния в межклеточном пространстве корней инициирует осаждение кадмия. В результате его транспорт в листья и стебли резко снижается [16]. Улучшение питания растений кремнием способствует повышению активности антиоксидантных ферментов и снижению перекисного окисления липидов, что приводит к уменьшению уровня окислительного разрушения в клетках растений, вызываемого кадмием [18].
Обычно исследования по изучению Si-Cd-взаи-модействий проводят в сильнозагрязненных почвах [7, 20, 21]. Почвы с высоким содержанием тяжелых металлов, как правило, изымают из сельскохозяй-
* Работа выполнена при поддержке International S & T Cooperation Program of China (ISTCP), проект (2015DFR91000).
ственного оборота. Средне- и слабозагрязненные почвы остаются в активном пользовании, поэтому проблема снижения накопления тяжелых металлов в сельскохозяйственных растениях на них чрезвычайно велика. Можно предположить, что Si-Cd-взаимодействия в системах с низким и с высоким уровнями загрязнения могут различаться.
Механизмы процессов взаимодействия соединений кремния и кадмия в системе почва—растение остаются недостаточно изученными. Часто в качестве кремнийсодержащих удобрений используют силикаты, в которых помимо кремния присутствуют и другие элементы. Возникают трудности выявления непосредственного влиянии кремния на поведение кадмия в системе почва—растение. Цель настоящего исследования — изучение механизма влияния химически чистого аморфного кремнезема на подвижность кадмия в почве и его аккумуляцию в растениях риса в условиях низкого уровня загрязнения рисовых чеков.
Объекты и методы исследования
Полевые опыты проводили на территории фермерского рисового хозяйства, расположенного на севере провинции Хунань в районе оз. Дотинху (координаты: 28°57'31" C; 112°35'19" B). Экспериментальное поле интенсивно использовалось для выращивания монокультуры риса (два сезона в году) около 70 лет и в последние 20 лет в почву вносили до 160 кг/га мочевины, 140 кг/га суперфосфата и 140 кг/га хлорида калия каждый сезон. Почва классифицирована как рисовая (Paddy soil), периодически затопляемая, образованная на аллювиально-луговой почве. Она тяжелосуглинистая, содержание органического вещества 4,2 ± 0,2%, рНвод 5,8—6,0, содержание песка — 25,4, глины — 35,3%, емкость катионного обмена — 14,5 ± 0,3 ешо1(+)/кг, общее содержание кадмия — 0,590 ± 0,070 мг/кг (по этому показателю почва квалифицирована как слабо-загрязненная).
Для проведения эксперимента поле разделили на участки площадью 12 м2, обрамленные земляными валами, укрепленными пластиком для предотвращения миграции воды между участками. Это позволило минимизировать перенос веществ с водой между разными вариантами. Повторность полевого эксперимента — трехкратная.
В качестве кремниевого удобрения использовали химически чистый аморфный диоксид кремния белого цвета (Sigma-Aldrich, CAS 14808-60-7) с размером частиц 0,5—10 мкм, pH 7,0, растворимостью в воде — 7,9 ± 0,3 мг Si/кг и в 0,1 н. HCl — 1450 ± 150 мг Si/кг. Данный препарат обычно используют в качестве эталонного кремниевого удобрения [2]. Диоксид кремния вносили в дозе 1000 кг/га перед посадкой пророщенных семян риса
в начале каждого сезона. При проведении полевых исследований минеральные удобрения не вносили.
Рис (Oryza sativa L.) сорта Xianglate indica 12 выращивали с конца марта до середины июня и с начала июля до середины октября. Перед уборкой урожая определяли процент инфицированных и подверженных атакам насекомых-вредителей листьев. Во время уборки урожая отбирали образцы растений (корни, стебли, листья и зерно) и почвы с глубины 0—10 см. Почвенные образцы также отбирали через две недели после внесения в почву диоксида кремния во время первого сезона. Образцы растений промывали в дистиллированной воде, высушивали при температуре +65°, затем растирали и пропускали через сито 0,1 мм. Растительный материал подвергали микроволновой обработке с использованием HNO3—H2O2 смеси для определения общего содержания кадмия и с использованием NaOH—H2O2 смеси — для определения общего содержания кремния.
Подвижные формы кремния анализировали в водной вытяжке из свежей почвы и в 0,1 н. HCl-вытяжке из сухой почвы [2]. Подвижные формы кадмия определяли в 0,1 н. HCl-вытяжке, потенциально подвижные — в вытяжке ацетатно-аммонийного буфера [5]. Кроме того, определяли общее содержание кадмия в почве. Для этого использовали ее микроволновое разложение в смеси HNO3—H2O2 и измерение в полученных экстрактах на ICP-MSI Cap-Q (USA). Кремний анализировали фотометрическим методом на КФК-2 при длине волны 660 нм [2]. Отбор образцов и анализы проводили в трехкратной повторности. Для расчетов наименьшей существенной разницы при 5%-м уровне использовали программу Excel 2010.
Результаты и их обсуждение
Данные о влиянии аморфного кремнезема на биопродуктивность риса для обоих сезонов представлены в табл. 1. Урожайность в первом сезоне на контрольном участке составила 6,4, а во втором — всего 4,8 т/га. Такое снижение вызвано прекращением внесения традиционных минеральных удобрений во время проведения опыта. В первом сезоне высокий уровень урожайности риса объясняется влиянием остаточных количеств внесенных ранее питательных элементов, в то время как растения второго сезона испытывали их дефицит. Внесение SÍO2 позволило повысить урожайность риса до 8,1 т/га (126,5% от контроля) в первом сезоне и до 8,3 т/га (172,9% от контроля) — во втором. Такое повышение урожайности риса, по-видимому, объясняется не только улучшением кремниевого питания растений. Известно, что увеличение содержания активных форм кремния в почве инициирует ряд физико-химических
Таблица 1
Влияние аморфного кремнезема на биопродуктивность риса и подверженность растений биотическим стрессам
Вариант опыта Биомасса целых растений, т/га Биомасса корней, т/га Урожайность, т/га Инфицированные листья, % Листья, подверженные атакам насекомых-вредителей, %
Первый сезон
Контроль 64,133 15,973 6,413 11,6 21,4
8102 79,511 20,240 8,148 4,0 10,4
НСР05 2,000 1,300 0,500 2,5 3,0
Второй сезон
Контроль 45,284 12,645 4,865 10,2 20,3
8102 80,342 22,460 8,328 3,5 9,8
НСР05 2,100 1,700 0,500 2,2 3,1
и биологических процессов, которые могут приводить к повышению доступности питательных элементов [1]. Это происходит в результате, во-первых, трансформации недоступного для растений фосфора в доступную форму за счет реакции замещения фосфат-аниона на силикат-анион; во-вторых, снижения выноса питательных элементов из корнеобитаемого почвенного горизонта [1], а также, в-третьих, усиления микробной активности в почве [28].
Увеличение корневой массы под действием соединений кремния также усиливает поступление питательных элементов в растения [1]. Дополнительное кремниевое питание риса обусловливает повышение массы корневой системы на 27,3 и 77,7% в первом и втором сезонах соответственно, что несомненно положительно влияет на рост и развитие растений. Нами также установлено, что при внесении 8102 происходит значительное повышение устойчивости растений риса к болезням (в 2,9 раза) и к насекомым-вредителям (в 2 раза).
Таким образом, применение диоксида кремния, по-видимому, повышает доступность питательных веществ в почве, а также увеличивает устойчивость растений к биотическим стрессам. Повышение урожайности риса в отсутствие применения минеральных удобрений и снижение заболеваемости растений под действием 8Ю2 свидетельствуют о возможности снижения норм внесения минеральных удобрений и средств защиты растений, что позволяет уменьшить антропогенную нагрузку на почву.
При внесении аморфного кремнезема наблюдается существенное изменение общего содержания кремния и кадмия в корнях, стеблях и листьях риса (табл. 2). Максимальное увеличение содержания
общего кремния под влиянием 8102 зафиксировано в корнях (на 81,4 и 98,4% в первом и втором сезонах соответственно). Большое его количество обнаружено в стеблях, где он играет роль структурного элемента [6]. В листьях содержание общего кремния увеличивается на 64,8 и 90,2% в первом и втором сезонах соответственно.
При применении диоксида кремния изменяется и общее содержание кадмия в органах риса. В корнях наблюдается незначительное увеличение содержания элемента. Это объясняется тем, что дополнительное кремниевое питание обеспечивает повышение концентрации монокремниевой кислоты в апопласте и симпласте корневых тканей с последующим образованием нерастворимых солей кадмия во внеклеточном или внутриклеточном пространстве, что приводит к детоксикации кадмия на фоне его повышенного накопления в корнях. Диоксид кремния способствует уменьшению содержания кадмия в стеблях и листьях риса. Причем его снижение в листьях более значительно
Таблица 2
Влияние аморфного кремнезема на общее содержание кремния и кадмия в корнях, стеблях и листьях риса
Вариант опыта 81, % Сё, мг/кг
корни стебли листья корни стебли листья
Первый сезон
Контроль 1,293 2,364 1,112 28,6 3,3 3,8
8102 2,343 2,845 1,833 30,4 2,5 2,3
Второй сезон
Контроль 1,284 2,343 1,023 29,3 3,5 3,9
8102 2,544 2,955 1,943 31,2 2,1 2,2
НСР05 0,120 0,130 0,110 1,5 0,2 0,2
Таблица 3
Влияние аморфного кремнезема на содержание подвижных и потенциально подвижных форм кремния и кадмия в почве, мг/кг
Вариант опыта Кремний Кадмий
Н2О 0,1н. НС1 0,1 н. НС1 ацетатно-аммо-нийный буфер
Две недели после внесения
Контроль 7,4 104 0,057 0,25
^02 19,8 189 0,027 0,14
Первый сезон
Контроль 7,3 106 0,058 0,27
8102 15,8 191 0,025 0,12
Второй сезон
Контроль 7,4 103 0,056 0,26
8102 18,5 218 0,021 0,10
НСР05 0,3 4 0,002 0,03
по сравнению со стеблями. Данный факт, по-видимому, связан с тем, что кремний обеспечивает наиболее значимый барьер на пути транспорта кадмия в межклеточном пространстве или апопласте. В результате основная доля подвижного кадмия осаждается в стебле, тем самым снижая поступление в листья и зерно. В условиях недостатка кремниевого питания этот элемент, наоборот, накапливается преимущественно в листьях риса, куда поступает в основном за счет восходящего транс-пирационного тока воды.
Содержание подвижных форм кремния, а также подвижных и потенциально подвижных форм кадмия в образцах почвы представлено в табл. 3. В соответствии с разработанной ранее классификацией почв по обеспеченности доступным для растений кремнием для опытной почвы характерен высокий уровень его дефицита [2]. После внесения аморфного кремнезема доступный для растений кремний повышается до уровня «дефицита». Необходимо отметить, что максимальное значение водорастворимого кремния зафиксировано через две недели после внесения 8102 в почву. Однако к концу первого сезона данная величина существенно снижается. Можно предположить, что это связано с тем, что со временем растворимость тонкодисперсного аморфного кремнезема снижается в связи с уменьшением площади поверхности [10]. Кроме того, часть растворенного кремния поглощается как растениями риса, так и почвенными микроорганизмами [20]. Во время второго сезона, возможно, также был пик повышения содержания водорастворимого кремния в почве в начале эксперимента. Для кислоторастворимого кремния таких выраженных пиков не наблюдалось.
Содержание кислоторастворимого и растворимого в ацетатно-аммонийном буфере кадмия существенно уменьшается при внесении в почву аморфного кремнезема. При этом наиболее значимое уменьшение происходит в течение первых двух недель проведения эксперимента: в 2,1 раза для кислоторастворимого кадмия и в 1,8 раза для кадмия, извлекаемого ацетатно-аммонийным раствором. Отсюда можно предположить, что реакция взаимодействия внесенного соединения кремния с кадмием происходит быстро, при этом возможно действие двух механизмов. Во-первых, растворимые формы кадмия могут сорбироваться на поверхности внесенного аморфного 8102. Второй механизм заключается в непосредственном взаимодействии монокремниевой кислоты, продукта растворения диоксида кремния, с кадмием в почвенном растворе с образованием силикатов кадмия. Новообразованные силикаты кадмия могут сорбироваться как почвенными частицами, так и внесенным диоксидом кремния. Оба процесса могут проходить одновременно, приводя к снижению подвижности кадмия в почве.
Выводы
Проведенный полевой эксперимент с использованием химически чистого аморфного кремнезема на слабозагрязненной кадмием почве позволил выявить ряд закономерностей 81-Сё-взаимодейст-вий в системе почва—растение.
• Дополнительное питание растений риса кремнием существенно (в 1,3—1,8 раза) снижает аккумуляцию кадмия в надземных органах риса. Это может быть обусловлено блокировкой транспорта элемента в межклеточном пространстве растений.
• Внесение аморфного оксида кремния уменьшает подвижность кадмия в почве в 1,8—2,6 раза. Механизмом может являться как прямая сорбция кадмия на поверхности внесенного 8102, так и взаимодействие новообразованной монокремниевой кислоты с этим элементом в почвенном растворе.
• Улучшение кремниевого питания риса приводит к некоторому увеличению содержания кадмия в корнях.
• Полученные результаты позволяют рекомендовать использование кремнийсодержащих соединений для ведения земледелия на загрязненных почвах как прием, позволяющий регулировать величину урожая и качество товарной продукции, обеспечивая ее экологическую безопасность. Эти соединения должны стать ее неотъемлемой и важной частью реализации 4R-СТРАТЕГИИ [3] применения удобрений и оптимизации питания растений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Козлов А.В., Уромова И.П. Эффективность крем-нийсодержащих веществ в оптимизации свойств и повышении продуктивности почв Нижегородской области. Нижний Новгород, 2017.
2. Матыченков В.В. Градация почв по дефициту доступного растениям кремния //Агрохимия. 2007. № 7.
3.4R-СТРАТЕГИЯ. Практическое руководство по применению удобрений и оптимизации питания растений. М., 2017.
4. Azevedo R.A., Gratao P.L., Monteiro C.C., Carval-ho R. What is new in the research on cadmium-induced stress in plants? // Food Energy Secur. 2012. Vol. 1, N 2. DOI: 10.1002/fes3.10.
5. Bassi R, Prasher S.O., Simpson B.K. Extraction of metals from a contaminated sandy soil using citric acid // Environ. Progr. and Sustain. Energy. 2000. Vol. 19, N 4. DOI: 10.1002/ep.670190415.
6. Bauer P., Elbaum R, Weiss I.M. Calcium and silicon mineralization in land plants: transport, structure and function // Plant Sci. 2011. Vol. 180, N 6. DOI: 10.1016/ j.plantsci.2011.01.019.
7. Dresler S, Wojcik M, Bednarek W. et al. The effect of silicon on maize growth under cadmium stress // Russ. J. Plant Physl. 2015. Vol.62, N 1. DOI: 10.1134/ S1021443715010057.
8. Grant C, Flaten D, Tenuta M. et al. The effect of rate and Cd concentration of repeated phosphate fertilizer applications on seed Cd concentration varies with crop type and environment // Plant and Soil. 2013. Vol.372, N 1—2. DOI: 10.1007/s11104-013-1691-3.
9. Hasan S.A., Fariduddin Q.A., Hayat S., Ahmad A. Cadmium: toxicity and tolerance in plants // Environ. Biol. 2009. Vol.30, N 2.
10. IlerR.K. The Chemistry of Silica. N.Y.,1979.
11. Ma J.F., Takahashi E. Soil, fertilizer, and plant silicon research in Japan. Amsterdam, 2002.
12. Moecirc S. Effect of cadmium on germination, growth, redox and oxidative properties in Pisumsativum seeds // Environ. Chem. Ecotoxicol. 2011. Vol. 3, N 3.
13.Nagajyoti P.C., Lee K.D., Sreekanth T.V. Heavy metals, occurrence and toxicity for plants: a review //
Environ. Chem. Lett. 2010. Vol.8. DOI: 10.1007/s10311-010-0297-8.
14. Nordberg G.F., Nogawa K, Nordberg M, Friberg L. Cadmium // Handbook on the Toxicology of Metals. Amsterdam, 2007.
15. Sauerbeck D. Der Transfer von Schwermetallen in die Pflanze // Beurteilung von Schwermetallkontaminationen im Boden. Fachgespra che Umweltschutz DECHEMA. Frankfur am Mainz, Germany, 1989.
16. Shi X., Zhang C, Wang H, Zhang F. Effect of Si on the distribution of Cd in rice seedlings // Plant Soil. 2005. Vol.272. DOI: 10.1007/s11104-004-3920-2.
17. Sommer M, Kaczorek D, Kuzyakov Y, Breuer J. Silicon pools and fluxes in soils and landscapes — a review // Plant Nutrit. and Soil Sci. 2006. Vol. 169, N 3. DOI: 10.1002/jpln.200521981.
18. SongA, Li Z, Xue G. et al. Silicon-enhanced resistance to cadmium toxicity in Brassica chinesis L. is attributed to Si-suppressed cadmium uptake and transport and Si-enhanced antioxidant defense capacity // Hazard Mater. 2009. Vol. 172. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2009.06.143.
19. Tirado R., Allsop M. Phosphorus in agriculture: problems and solutions // Greenpeace Res. Laborat. Techn. Rep. (Rev.) 02-2012 (greenpeace.org).
20. Vaculik M, Pavlovic A., Lux A. Silicon alleviates cadmium toxicity by enhanced photosynthetic rate and modified bundlesheath's cell chloroplasts ultrastructure in maize // Ecotoxicol. and Environ. Safety. 2015. Vol. 120. DOI: dx.doi.org/10.1016/j.ecoenv.2015.05.026.
21. Wang H.Y, Wen S.L., Chen P. et al. Mitigation of cadmium and arsenic in rice grain by applying different silicon fertilizers in contaminated fields // Environ. Sci. and Pollut. Res. 2016. Vol.23, N 4. DOI: 10.1007/s11356-015-5638-5.
22. Zhao Q, Wang Y, Cao Y. et al. Potential health risks of heavy metals in cultivated topsoil and grain, including correlations with human primary liver, lung and gastric cancer, in Anhui province, Eastern China // Sci. Total Environ. 2014. Vol. 470—471. DOI: 10.1016/j.scitotenv. 2013.09.086.
Поступила в редакцию 11.07.2017
EFFECT OF AMORPHOUS SILICON DIOXIDE
OF THE BEHAVIOUR OF CADMIUM IN THE SOIL-RICE PLANT SYSTEM
Xiao Wei, Pengbo Zhang, E.A. Bocharnikova, V.V. Matichenkov,
D.M. Khomiakov, E.P. Pakhnenko
In field trials, the effect of amorphous silicon dioxide on the behavior of Cd in the soil-plant system in low Cd-contaminated flooded paddy soil was studied. The application of amorphous SiO2 resulted in 1,3—1,8 times reduced accumulation of Cd by aboveground organs of rice and 1,8—2,6 times reduced mobile forms of Cd in the soil, which can be explained by Cd sorption on the surface of applied silica or/and the interaction between Cd and mono-silicic acid formed as a result of dissolution of SiO2. Reduction in the Cd mobility was more pronounced within first 2 weeks after SiO2 application. Amorphous silica increased rice yield by 26,6% in the first season and by 72,9% in the second season. The data received evidences the possibility to decrease the conventional mineral fertilizers application rates without risk of yield reduction by using Si-rich materials. They should become an integral and important
part of the implementation of the 4R-STRATEGY of fertilizer application and plant nutrition optimization.
Key words: cadmium in soil and plants, monosilicic acid, rice harvest, 4R-STRATEGY for fertilizer application and plant nutrition optimization.
Сведения об авторах
Сяо Вэй, директор Ин-та экономической географии провинции Хунань, КНР. E-mail: [email protected]. Пенгбо Занг, науч. сотр. Ин-та экономической географии провинции Хунань, КНР. E-mail: [email protected]. Бочарникова Елена Афанасьевна, канд. биол. наук, сотр. лаборатории физикохимии почв Ин-та физико-химических и биологических проблем почвоведения РАН, г. Пущино. E-mail: [email protected]. Матыченков Владимир Викторович, докт. биол. наук, сотр. группы экологии и физиологии фототрофных организмов Ин-та фундаментальных проблем биологии РАН, г. Пущино. E-mail: [email protected]. Хомяков Дмитрий Михайлович, докт. техн. наук, профессор, зав. каф. агроинформатики ф-та почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова. E-mail: [email protected]. Пахненко Екатерина Петровна, докт. биол. наук, профессор каф. агроинформатики ф-та почвоведения МГУ им. М.В.Ломоносова. E-mail: urosh@ rambler.ru.
