CC BY
19
ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. ПРИКЛАДНАЯ ХИМИЯ И БИОТЕХНОЛОГИЯ Том 7 N 4 2017
ПРИКЛАДНАЯ ЭКОЛОГИЯ / APPLIED ECOLOGY Оригинальная статья / Original article УДК 504.054; 628.3; 631.8 DOI: 10.21285/2227-2925-2017-7-4-102-107
ВЛИЯНИЕ ГУМАТА НА ФИТОРЕМЕДИАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПШЕНИЦЫ ПРИ ВОЗРАСТАЮЩИХ КОНЦЕНТРАЦИЯХ НИТРАТА СВИНЦА
© Т.А. Кирдей
Ивановская государственная сельскохозяйственная академия имени Д.К. Беляева, Российская Федерация, 153012, г. Иваново, ул. Советская, 45.
Фиторемедиация - перспективная технология очистки почвы, воды от токсичных тяжелых металлов. Известно, что повысить интенсивность поглощения металлов растениями можно с помощью гуминовых веществ. В связи с этим, изучали влияние гуминового препарата из торфа на накопление свинца растениями пшеницы при возрастающих концентрациях нитрата свинца до 500 мкМ/л в модельном вегетационном эксперименте в водной культуре. Установлено значительное увеличение накопления свинца в побегах пшеницы (выше 1000 мг/кг) при прогрессирующем воздействии нитрата свинца в сравнении с резким действием, что свидетельствует о возможности использования пшеницы в качестве фиторемедианта. Гуминовый препарат усилил фито-ремедиационные свойства пшеницы, оцениваемые по коэффициенту биологического поглощения, в 5,4 раза при резком действии и в 2,6 раз - при постепенном, что подтверждает возможность использования гуминовых веществ в качестве эффекторов фитоэкстракции. Ключевые слова: фиторемедиация, тяжелые металлы, свинец, гумат, пшеница.
Формат цитирования: Кирдей Т.А. Влияние гумата на фиторемедиационные свойства пшеницы при возрастающих концентрациях нитрата свинца // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. Т. 7, N 4. С. 102-107. DOI: 10.21285/2227-2925-2017-7-4-102-107
THE INFLUENCE OF HUMATE ON THE PHYTOREMEDIATION PROPERTIES OF WHEAT WITH INCREASING CONCENTRATIONS OF LEAD NITRATE
© T.A. Kirdey
Ivanovo State Agricultural Academy named after academitiom D.K. Belyaev, 45, Sovetskaya str., Ivanovo, 153012, Russian Federation
Phytoremediation is a promising technology for cleaning soil and water from toxic heavy metals. It is known that humic substances possess the capability of increasing the intensity of metal absorption by plants. In this connection, the effect of humic preparation from peat on the accumulation of lead by wheat plants was studied for lead nitrate concentrations increasing up to 500 yM / l in a model vegetation experiment in aquatic culture. A significant increase in the accumulation of lead in wheat shoots (above 1000 mg / kg) was established under the progressive action of lead nitrate in comparison with the pronounced effect, indicating the possibility of using wheat as a phytoremediant. Humic preparation strengthened the phytoremediation properties of wheat, estimated by the coefficient of biological absorption: up to 5.4 times with a pronounced effect and up to 2.6 times at a gradual level, which confirms the possibility of using humic substances as phytoex-traction effector.
Key words: phytoremediation, heavy metals, lead, humat, wheat
For citation: Kirdey T.A. The influence of humate on the phytoremediation properties of wheat with increasing concentrations of lead nitrate. Izvestiya Vuzov. Prikladnaya Khimiya i Biotekhnologiya [Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology]. 2017, vol. 7, no. 4, pp. 102-107. (in Russian). DOI: 10.21285/2227-2925-2017-7-4-102-107
ВВЕДЕНИЕ церогенными, тератогенными, мутагенными
Свинец - один из самых распространен- свойствами, кумулятивным эффектом [1-3].
ных и опасных токсикантов, обладающий кан- Основные источники загрязнения окружающей
среды свинцом - цветная металлургия, машиностроение, металлообрабока, черная металлургия. Свинец используется при производстве аккумуляторов, красок, стекла, керамики, этилированного бензина. Главным источником загрязнения атмосферы свинцом остается автомобильный транспорт. В результате антропогенного загрязнения концентрация свинца в почвах некоторых промышленных районов достигает 1000 мг/кг при фоновом содержании 17-30 мг/кг [4].
Фиторемедиация является перспективной технологией очистки почвы, воды от загрязнителей с помощью растений [5-7]. Для повышения эффективности фитоэкстракции наиболее опасных токсикантов - тяжелых металлов - используют химические хелаторы типа ЭДТА [8, 9]. В то же время известно, что интенсивность поглощения металлов растениями могут усиливать гуминовые вещества (ГВ) - природные органические высокомолекулярные соединения, образующиеся в основном из растительных остатков при определенных внешних условиях [10-12]. Наиболее реакционноспо-собной частью гуминовых веществ являются гумусовые кислоты - гуминовые и фульвокис-лоты, участвующие в разнообразных химических взаимодействиях, проявляющие высокую биохимическую и физиологическую активность, определяющие поведение экотоксикан-тов в окружающей среде1 [13]. Однако воздействие ГВ на фиторемедиационные свойства растений практически не исследовано. Кроме того, недостаточно изучено прогрессирующее действие ТМ на растения, которое часто возникает в результате повышения доступности металлов для растений, а также при растущем поступлении ТМ в среду. В связи с этим, целью исследований являлось изучение действия гумусовых кислот торфа [14] на накопление свинца растениями пшеницы при возрастающих концентрациях нитрата свинца.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Объектами исследования были растения яровой пшеницы (ТгШоит аеэИуит I.) сорта Приокская. Семена проращивали в чашках Петри на фильтровальной бумаге, смоченной дистиллированной водой. Затем проростки помещали в сосуды с питательным раствором
1
Перминова И.В. Анализ, классификация и прогноз свойств гуминовых кислот: дис. ... д-ра хим. наук. МГУ, 2000. 359 с. Perminova I. V. Analiz, klassifikacija i prognoz svojstv guminovyh kislot: dis....doktora himich-eskih nauk. [Analysis, classification and prognosis of humic acids properties, Doctor of sciences, Chemistry], MGU, 2000. 359 s. (in Russian)
Хогланда [15]. В опытных вариантах постоянное действие нитрата свинца создавали добавлением 500 мкМ/л соли, прогрессирующее - увеличением концентрации нитрата свинца через каждые 14 дней с начальной концентрации 100 мкМ/л до 250 мкМ/л, а затем - до 500 мкМ/л. На всех вариантах опыта растения выращивали с гуматом или без гумата (0,005%). Контролем служили растения, выращенные без солей тяжелых металлов в питательной среде. Через 14 дней после создания концентрации раствора 500 мкМ Pb(NO3)2 при постепенном воздействии (42 дня от начала эксперимента) определяли массу растений и содержание ионов свинца. Степень металлоустой-чивости выражали соотношением массы надземных органов растений на опытном и контрольном вариантах [16]. Содержание ионов свинца в растениях определяли на атомно-абсорбционном спектрометре
"Shimadzu - 6800". Коэффициент биологического поглошения рассчитывали как отношение содержания ионов в побегах растений к содержанию в растворе. Статистическую обработку данных проводили при помощи программы Excel с использованием дисперсионного метода анализа.
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
В результате исследований установлено, что нитрат свинца в концентрации 500 мкМ тормозит рост растений и существенно снижает массу побегов как при постоянном, так и при прогрессирующем воздействии (рис. 1). Постепенное увеличение концентрации свинца в растворе было менее токсичным для растений, чем резкое воздействие. При этом гумат снизил токсичное действие свинца на растения как при резком, так и при постепенном воздействии - растения существенно не отличались от контрольных по накоплению массы.
Гумат стимулировал рост растений и на варианте без нитрата свинца в растворе, увеличив массу побегов пшеницы почти на 44 %, корней - на 43 % по сравнению с контролем, что в значительной степени обусловлено усилением процесса кущения в среднем в 1,5 раза. Так, на варианте без нитрата свинца гуми-новый препарат способствовал повышению числа побегов на одном растении с 2,33 до 3,67, а в присутствии свинца - до 3,33.
Степень металлоустойчивости корней была выше, чем побегов, что обусловлено, по-видимому, более интенсивным ростом и, соответственно, более выраженной реакцией на стресс надземной части растений на данном этапе развития (табл. 1). Масса корней растений на вариантах с использованием нитрата свинца и гумата превысила массу корней кон-
трольных растений. Гумат способствовал увеличению степени металлоустойчивости побегов растений на 28%, фактически нивелируя токсическое действие нитрата свинца.
Содержание свинца в побегах растений при постепенном воздействии почти в 23 раза превысило данный показатель при резком действии (рис. 2). При этом гуминовый препарат повысил поглощение свинца побегами в 2,6 раза по сравнению с вариантом без гумата
и в 10,8 раз по сравнению с резким воздействием.
Учитывая изменение массы растений в результате токсического действия свинца, было рассчитано накопление металла в одном растении (табл. 2). При прогрессирующем действии содержание свинца в расчете на одно растение увеличилось в 82 раза, а в присутствии гумата - в 35 раз по сравнению с резким действием.
□ Побеги □ Корни
1 2 3 4 5 6
Варианты
Рис. 1. Влияние свинца и гумата на сухую массу растений (42 дня после начала эксперимента)(показана НСР05): 1 - Контроль; 2 - Гумат аммония (ГА); 3 - Pb(NO3)2 500мкМ; 4 - Pb(NO3)2 500мкМ+ГА; 5 - Pb(NO3)2100мкМ^500 мкМ (прогрессирующее действие); 6 - Pb(NO3)2100мкМ^500 мкМ + ГА (прогрессирующее действие)
Fig. 1. The effect of lead and HUMATE on dry mass of plants (42 days alter the start of the experiment)(LSD05 shown): 1 - Control; 2 - ammonium HUMATE (HA); 3 - Pb(NO3)2 500 am; 4 - Pb(NO3)2 500мкМ+МД; 5 - Pb(NO3)2 100 pm^pm 500 (progressive action); 6 - is Pb(NO3)2 100 pm^pm 500 + HECTARES (progressive action)
Таблица 1
Степень металлоустойчивости растений, %
Table 1
Granulometric composition of the crushed dry plant materials
Варианты Побеги Корни
Pb(NO3)2 500 мкМ 65,77 93,55
Pb(NO3)2 500+ГА 93,96 116,13
Pb(NO3)2 100^500 84,56 96,77
Pb(NO3)2 100^500+ГА 112,08 125,81
Примечание: ^ - прогрессирующее действие.
3500
3000
2500
2000
го
X
s CQ
О
CD
i 1500
3
CL
g 1000
О
500
1
1
1
т 1
1
т 1
3
4
Варианты
Рис. 2. Содержание свинца в растениях (42 дня после начала эксперимента)(показана НСР05):
1 - контроль; 2 - Гумат аммония (ГА); 3 - Pb(NO3)2 500мкМ; 4 - Pb(NO3)2 500мкМ+ГА; 5 - Pb(NO3)2100мкМ^500 мкМ (прогрессирующее действие); 6 - Pb(NO3)2100мкМ^500 мкМ +
ГА (прогрессирующее действие)
Fig. 2. The content of lead in plants (42 days after the start of the experiment)(LSD05 shown): 1 - control; 2 - ammonium HUMATE (HA); 3 - Pb(NO3)2 500мкМ; 4 - Pb(NO3)2 500мкМ+НД; 5 - of Pb(NO3)2 100 ym^500 ym (progressive action); 6 - Pb(NO3)2 100 ym^ym 500 + HECTARES
(progressive action)
Фиторемедиационные показатели пшеницы
Таблица 2
Table 2
Phytoremediation parameters of wheat
0
1
2
5
6
Варианты Содержание Pb2+ в побегах, мг/кг Накопление Pb2+, мг/растение (побеги) Коэффициент биологического поглощения
Контроль 43,10 0,064 -
Гумат (ГА) 55,00 0,145 -
Pb(NO3)2 500 мкМ 50,80 0,060 0,49
Pb(NO3)2 500+ГА 274,10 0,474 2,65
Pb(NO3)2 100^500 1154,00 4,939 11,15
Pb(NO3)2 100^500+ГА 2959,80 16,723 28,60
НСР05 138,3 - -
Примечание:^ - прогрессирующее действие
Фиторемедиационные свойства растений характеризует коэффициент биологического поглощения (КБП) (табл. 2). Гуминовый препа-
рат увеличил КБП в 5,4 раза при резком действии и в 2,6 раз - при постепенном.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведенные исследования показали значительное увеличение накопления свинца в побегах растений пшеницы при прогрессирующем воздействии нитрата свинца в сравнении с резким действием. Так как прогрессирующее действие свинца на растения может наблюдаться как при повышении растворимости металла (например, при изменении рН), так и в результате растущих антропогенных выбросов, полученные результаты имеют важное практическое значение. Значительное накопление свинца в побегах пшеницы (выше 1000 мг/кг) при постепенном действии нитрата
свинца свидетельствует о возможности использования пшеницы в качестве фитореме-дианта.
Гуминовый препарат усилил фиторемеди-ационные свойства пшеницы, оцениваемые по коэффициенту биологического поглощения, в 5,4 раза при резком действии и в 2,6 раз - при постепенном, что может быть обусловлено как влиянием ГВ на мембранную проницаемость, так и образованием доступных для растений комплексов с металлом. Таким образом, гуми-новые вещества могут использоваться в качестве эффекторов фитоэкстракции, повышая накопление свинца в побегах растений.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИМ СПИСОК
1. Алексеев Ю.В. Тяжелые металлы в почвах и растениях. Л.: Агропромиздат, 1987. 142 с.
2. Давыдова С.Я. Современное состояние проблемы загрязнения окружающей среды свинцом // Нефтехимия.1996. N 3.С. 281-286.
3. Prasad M.N.V. Trace Elements as Contaminants and Nutrients: Consequences in Ecosystems and Human Health. Chichester: Wiley, 2008. 777 p
4. Овчаренко М.М., Шильников И.А., Вен-дило Г.Г, Черных H.A., Аканова Н.Л., Графская Г.А., Сопильняк Т.Н., Аристархов А.Н., Кузнецов A.B., Никифорова М.В. Тяжелые металлы в системе почва-растение-удобрение. М., 1997. 290 с.
5. Salt D.E., Blaylock M., Kumar N.P., Dushenkov V., Ensley B.D., Chet I., Raskin I. Phy-toremediation: a novel strategy for the removal of toxic metals from the environment using plants // Biotechnology. 1995. V. 13. Р. 468-475.
6. Pilon-Smits E. Phytoremediation // Annu. Rev. Plant Biol. 2005. N 56. P. 15-39.
7. Erakhrumen A., Agbontalor A. Phytoreme-diation: an environmentally sound technology for pollution prevention, control and remediation in developing countries // Educational Research and Review. 2007. V. 2, N 7. Р. 151-156.
8. Borggaard O.K., Hansen H.C.B., Holm P.E., Jensen J.K., Rasmussen S.B., Sabiene N., Steponkaite L., Strobel B.W. Experimental assessment of using soluble humic substances for remediation of heavy metal polluted soils // Soil and Sediment Contamination. 2009. V. 18, N 3. Р. 369-382.
9. Jensen J. K., Holm P. E., Nejrup J.,
Borggaard O. K. A laboratory assessment of potentials and limitations of using EDTA, rhamno-lipids, and compost-derived humic substances (HS) in enhanced phytoextraction of copper and zinc polluted calcareous soils // Soil and Sediment Contamination. 2011. V. 20, N. 7. P. 777-789.
10. Орлов Д.С. Гумусовые кислоты почв и общая теория гумификации. М.: Мир, 1990. 325 с.
11. Halim M., Conte P., Piccolo A. Potential availability of heavy metals to phytoextraction from contaminated soils induced by exogenous humic substances // Chemosphere. 2003. V. 52, N 1. P.265-275.
12. Evangelou M. W. H., Daghan H., Schaeffer A. The influence of humic acids on the phytoextraction of cadmium from soil // Chemosphere. 2004. V. 57, N 3. P. 207-213.
13. Stevenson F.J. Geochemistry of Soil Humic Substances. In: Humic substances in soil, sediment and water. / Ed. by G.R. Aiken,D.M. McKnight, R.L. Wershaw, P. MacCarthy). N.Y.: John Wiley & Sons, 1985. P. 13-52.
14. Пат. № 2310633, Российская Федерация. МПК C05F11/02, C10F7/00. Способ получения жидких торфяных гуматов / Ю.А. Калинников, И.Ю. Вашурина, Т.А. Кирдей; заявитель и патентообладатель ООО НПФ «Недра». № 2006120883/04, заявл. 15.06.2006, опубл. 20.11.2007. Бюл. N 32.
15. Hoaglond D.R., Arnon D.E. The water culture method for growing plants without soil // Calif. Agric. Expt. Stn. 1950. V. 347. p. 1-39.
16. Удовенко Г.В. Солеустойчивость культурных растений. Л.: Колос, 1977. 215 с.
REFERENCES
1. Alekseev, Ju.V. Tjazhelye metally v poch-vah i rastenijah. [Heavy metals in soils and plants]. Leningrad: Agropromizdat Publ., 1987. (in Russian)
2. Davydova S.Ja. Sovremennoe sostojanie problemy zagrjaznenija okruzhajushhej sredy svincom. [Modern state of environmemtal lead
pollution]// Neftehimija. [Petroleum chemis-try].1996. N3.S.281 -286. (in Russian)
3. Prasad M.N.V. Trace Elements as Contaminants and Nutrients. Consequences in Ecosystems and Human Health. Chichester: Wiley, 2008.777 p
4. Ovcharenko M.M., Shil'nikov I.A., Vendilo
G.G, Chernyh H.A., Akanova N.L., Grafskaja G.A., Sopil'njak T.N., Aristarhov A.N., Kuznecov A.B., Nikiforova M.V. Tjazhelye metally v sisteme pochva-rastenie-udobrenie. [Heavy metals in soil-plant-fertilizer system]. M., 1997. 290s. (in Russian)
5. Salt D.E., Blaylock M., Kumar N.P., Dushenkov V., Ensley B.D., Chet I., Raskin I. Phytoremediation: a novel strategy for the removal of toxic metals from the environment using plants. Biotechnology, 1995, vol. 13, rr. 468 -475.
6. Pilon-Smits E. Phytoremediation. Annu. Rev. Plant Biol., 2005, no. 56, pp. 15-39.
7. Erakhrumen A., Agbontalor A. Phytoreme-diation: an environmentally sound technology for pollution prevention, control and remediation in developing countries. Educational Research and Review, 2007, vol. 2, no. 7, rr. 151-156.
8. Borggaard O. K. Hansen H. C. B., Holm P. E., Jensen J. K., Rasmussen S. B., Sabiene N., Steponkaite L., Strobel B. W. Experimental assessment of using soluble humic substances for remediation of heavy metal polluted soils. Soil and Sediment Contamination, 2009, vol. 18, no. 3, rr. 369-382.
9. Jensen J. K., Holm P. E., Nejrup J., Borggaard O. K. A laboratory assessment of potentials and limitations of using EDTA, rhamno-lipids, and compost-derived humic substances (HS) in enhanced phytoextraction of copper and
Критерии авторства
Кирдей Т.А. выполнила экспериментальную работу, на основании полученных результатов провела обобщение и написала рукопись. Кирдей Т.А. имеет на статью авторские права и несет ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Автор заявляет об отсутствии конфликта интересов.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ
Принадлежность к организации
Татьяна А. Кирдей
Ивановская государственная сельскохозяйственная академия имени Д.К. Беляева, К.б.н., доцент vnh@bti.secna.ru
Поступила 20.03.2017
zinc polluted calcareous soils. Soil and Sediment Contamination, 2011, vol. 20, no. 7, pp. 777-789.
10. Orlov D.S. Gumusovye kisloty pochv i obshhaja teorija gumifikacii. [Humic acids of soils and general humification theory]. M.: Mir, 1990. 325 s. (in Russian)
11. Halim M., Conte P., Piccolo A. Potential availability of heavy metals to phytoextraction from contaminated soils induced by exogenous humic substances. Chemosphere, 2003, vol. 52, no. 1, pp. 265-275.
12. Evangelou M. W. H., Daghan H., Schaeffer A. The influence of humic acids on the phytoextraction of cadmium from soil. Chemosphere, 2004, vol. 57, no. 3, pp. 207-213.
13. Stevenson F.J. Geochemistry of Soil Humic Substances. In: Humic substances in soil, sediment and water. (Ed. by G.R. Aiken,D.M. McKnight, R.L. Wershaw, P. MacCarthy). N.Y.: John Wiley and Sons. 1985. P.13-52.
14. Kalinnikov Yu.A. [et al.] Sposob polu-cheniya zhidkikh torfianykh gumatov [A process for producing liquid peat humate]. Patent RF, no. 2310633, 2007.
15. Hoaglond D.R., Arnon D.E. The water culture method for growing plants without soil. Calif. Agric. Expt. Stn., 1950, vol. 347, pp. 1-39.
16. Udovenko G.V. Soleustoichivost' kul'turnykh rastenii [Salt tolerance of cultivated plants]. Leningrad, Kolos Publ., 1977, 215 p. (in Russian)
Contribution
Kirdey T.A. carried out the experimental work, on the basis of the results summarized the material and wrote the manuscript. Kirdey T.A. have author's rights and bear responsibility for plagiarism.
Conflict of interestst
The author declare no conflict of interests regarding the publication of this article.
AUTHORS'INDEX Affiliations
Tatiana A. Kirdey
Ivanovo State Agricultural Academy named after academitiom D.K. Belyaev, Candidate of biological sciences, Docent vnh@bti.secna.ru
Received 20.03.2017
