Содержание к диссертации
Введение
1. Обоснование выбранного направления исследований по изучению техногенного загрязнения поллютантами агроэкосистем (Обзор литературы) 8
1.1. Источники поступления свинца в почву 8
1.2. Нормирование содержания тяжелых металлов в почвах и растениях 13
1.3. Сорбция и миграция свинца по почвенному профилю 21
1.4. Механизмы воздействия свинца на растения 25
1.5. Химический состав растений в связи с содержанием поллютантов в агроэкосистеме 31
2. Методика и условия проведения исследований 37
2.1. Методика исследования и схемы опытов 37
2.2. Почвы 41
2.3. Климат и погодные условия 45
3. Воздействие техногенной нагрузки на исследуемые почвы в зависимости от мощности грузопотока и удаленности автомагистралей 52
3.1. Динамика накопления свинца в почве в зависимости от мощности грузопотока и удаленности автомагистралей 52
3.2. Накопления свинца в агроценозах в зависимости от удаленности автомагистралей 60
3.3. Рост, развитие и продуктивность культур в зависимости от удаленности автомагистрали 66
4. Влияние почвенного загрязнения свинцом на растения ярового ячменя 71
4.1. Содержание валовых и подвижных форм свинца в почве при почвенном загрязнении 72
4.2. Динамика накопления свинца в растениях ярового ячменя при почвенном загрязнении 79
4.3. Биометрические параметры растений в зависимости от уровня загрязненности свинцом при почвенном загрязнении 92
5. Влияние фолиарного загрязнения свинцом на растения ярового ячменя 100
5.1. Содержание валовых и подвижных форм свинца в почве после фолиарного загрязнения 100
5.2. Динамика накопления свинца в растениях ярового ячменя при фолиарном загрязнении 105
5.3. Биометрические параметры растений в зависимости от уровня загрязненности свинцом при фолиарном загрязнении 112
6. Экономическая эффективность и целесообразность выращивания озимой пшеницы и ячменя вблизи автомагистралей 116
Выводы 121
Предложения производству 123
Список литературы
- Нормирование содержания тяжелых металлов в почвах и растениях
- Почвы
- Накопления свинца в агроценозах в зависимости от удаленности автомагистралей
- Динамика накопления свинца в растениях ярового ячменя при почвенном загрязнении
Введение к работе
Проблема загрязнения окружающей среды свинцом и его соединениями одна из наиболее актуальных экологических проблем в мире, в том числе и в России. В последнем столетии в результате возросшего использования свинца в промышленности, транспорте, быту существенно увеличилась доля населения, подверженного его опасному воздействию. Риск для здоровья людей, в первую очередь детей, усугубляется высокой токсичностью свинца и его способностью накапливаться в организме человека. В России принята Государственная целевая программа от 26. 09. 97г. № 1237 «Предупреждение свинцового загрязнения». Реализация программы рассчитана на 1999 - 2010 годы. Во всем мире остро стоит проблема автотранспорта, как главного источника выбросов свинца.
Загрязнение свинцом атмосферы, почвы и воды в культурных ландшафтах вызывает тревогу не только потому, что оно может заметно снизить продуктивность растений (в первую очередь сельскохозяйственных, необходимых для питания человека и кормления сельскохозяйственных животных), нарушить естественно сложившиеся фитоценозы, вызвать при определенных условиях угрозу серьезной деструкции ассимиляционного потенциала фито-массы, привести к нарушению нормальных процессов органогенеза - к появлению специфических тератологических изменений, возникающих у растений, но и потому, что оно неизбежно ухудшает гигиеническое качество среды обитания человека, включая и гигиеническое качество продуктов сельского хозяйства.
Транспортно-дорожный комплекс (ТДК) представляет собой одну из основных народнохозяйственных структур экономики Российской Федерации, обеспечивающую удовлетворение потребностей республики в автомобильных, железнодорожных, речных, морских и авиационных перевозках. При этом ТДК оказывает существенное влияние на состояние окружающей,
5 среды - атмосферный воздух, водоемы, почву, растительность и животный мир. Работа транспорта при использовании бензина с тетраэтилсвинцовыми присадками (ТЭС) приводит к выбросам в атмосферный воздух соединения свинца, представляющих значительную опасность для здоровья населения. Соединения свинца накапливаются в придорожных почвах, в результате чего имеет место превышение концентраций свинца в продукции сельского хозяйства.
Таким образом, актуальность работы состоит в определении реальной и потенциальной опасностей загрязнения свинцом, что и определило направленность наших исследований.
Цель и задачи исследований. Изучить влияние техногенного загрязнения почв и растений ярового ячменя и озимой пшеницы свинцом в приазовской зоне Ростовской области.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: установить влияние техногенной нагрузки на исследуемые почвы в зависимости от мощности грузопотока и удаленности автомагистралей; применить систему уравнений регрессии описывающих зависимость содержания свинца в почве от мощности грузопотока и удаленности автомагистралей; изучить загрязнение почв и растений свинцом; определить урожайность в условиях загрязнения; создать искусственное загрязнение и проследить его влияние на почву и растения; оценить экологическую реакцию сортов ячменя на изменяющиеся условия внешней среды (отношение к почвенным и воздушным условиям); дать экономическую оценку выращивания озимой пшеницы и ярового ячменя вблизи автомагистралей; найти экономический ущерб при выращивании культур вблизи автодорог.
Научная новизна. В работе впервые изучено влияние фолиарного загрязнения на придорожные агроценозы в приазовской зоне Ростовской области. Определено накопление свинца в агроценозах, а также продуктивность озимой пшеницы и ярового ячменя в зависимости от уровня загрязнения свинцом (мощности грузопотока и удаленности автомагистралей).
Установлена интенсивность поглощения свинца сортами ярового ячменя при различных дозах и видах загрязнения. Выявлено действие возрастающей техногенной нагрузки на содержание в почве валовых и подвижных форм свинца. Применена система уравнений регрессии показывающих зависимость содержания свинца в почве от мощности грузопотока и удаленности автомагистралей.
Практическая значимость. Для условий приазовской зоны Ростовской области установлена целесообразность выращивания зерновых колосовых культур вдоль автомагистралей, обеспечивающих накопление техногенно привнесенного свинца на уровне не выше ПДК (0,5 мг/кг для зерна). Определен сорт ярового ячменя наименее подверженный техногенному загрязнению. Даны рекомендации по удаленности от автомагистрали и мощности грузопотока при возделывании сельскохозяйственных культур.
Производственная проверка и реализация результатов исследований. Производственная проверка научных разработок, была проведена в 2003 - 2006 годах на полях ГУСХП « Кадамовское», Октябрьского района и СПК «Колос» Неклиновского района Ростовской области. Результаты исследований внедрены в сельскохозяйственное производство СПК (колхоза) «Колос», а также используются в учебном процессе Донского госагроуниверситета.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены: на молодежной научной конференции «Экологические аспекты агропромышленного комплекса», Республиканской научно-практической конференции посвященной памяти известных ученых Дон ГАУ «Проблемы развития аграрного сектора экономики и пути их решения» (Пер-
7 сиановский, 2003), на молодежной научной конференции «Актуальные проблемы экологии сельскохозяйственного производства», второй Всероссийской дистанционной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные проблемы устойчивого развития агропромышленного комплекса России» (Персиановский, 2004), международной конференции «Актуальные проблемы и перспективы развития агропромышленного комплекса» (Персиановский, 2005), научной конференции, посвященной 75-летию акад. В.Г. Минеева, 95-летию проф. Г.Л. Мокриевича, 100-летию проф. М.Н. Хорошкина «ДОНГАУ (АЧСХИ, ДСХИ) - агрохимической науке» (Персиановский, 2006).
Публикация результатов исследований. По материалам диссертации опубликовано семь печатных работ (1,2 п.л.) отражающих основное содержание диссертации, в том числе одна статья в издании, рекомендованном ВАК РФ. Степень личного участия автора составляет 75%.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести разделов, выводов и предложений производству. Работа изложена на 160 страницах компьютерного текста. Содержит 24 таблицы, 29 рисунков, 18 приложений. Список литературы включает 181 источник, в том числе 37 иностранных авторов.
Нормирование содержания тяжелых металлов в почвах и растениях
Нормирование содержания металлов в почвах предусматривает установление их предельно допустимых количеств. Под предельно допустимыми количествами (ПДК) тяжелых металлов следует понимать такую их концентрацию, которая при длительном воздействии на почву и на произрастающие на ней растения не вызывает каких-либо патологических изменений или аномалий в ходе биологических процессов, а также не приводит к накоплению токсичных элементов в сельскохозяйственных культурах и, следовательно, не может нарушить биологический оптимум для сельскохозяйственных животных и человека.
Сохранить почву в наитивном состоянии в современных условиях практически невозможно, так как вся поверхность земного шара в той или иной мере подвержена воздействию антропогенных продуктов. Ранее уже было отмечено, что отдельные виды загрязнителей распространены глобально (радионуклиды стронция и цезия и др.). Следовательно, вопрос состоит не в том, чтобы иметь чистую почву, а в том, чтобы уровни содержания тяжелых металлов антропогенного происхождения находились в почвах сельскохозяйственного использования в количествах, не приводящих к негативным последствиям.
Чтобы решить, какое содержание тяжелых металлов можно допустить в почвах сельскохозяйственного использования, необходимо в эксперименте создать условия, наиболее контрастно проявляющие негативные последствия загрязнения корнеобитаемого слоя. Лучшими субстратами в этом случае являются песок или песчаная и супесчаная почвы с кислой реакцией и низким содержанием органического вещества. Из растений необходимо брать виды, наиболее чувствительные к загрязнению почв тяжелыми металлами. Фито токсичным считается такое содержание металла в почве, которое снижает продуктивность растений на 10% по сравнению с чистым контролем.
Другим критерием может служить предельно допустимое количество металла в растениеводческой продукции. Если при выращивании сельскохозяйственных культур на почве, содержащей тяжелые металлы, их концентрация в растениях в фазу технической спелости меньше ПДК, установленной для продуктов питания, то такую почву можно считать условно чистой, а содержание металлов в ней будет характеризовать уровень, не достигший предельного значения. Такой подход к определению ПДК является более целесообразным, так как для почв с их многообразием физико-химических свойств практически нельзя установить единое значение ИДК. Выбор песчаной почвы в качестве среды, на которой отрабатываются предельно допустимые загрязнения, обусловлен очень низкой способностью ее поглощать ионы из почвенного раствора, небольшой буферностью и хорошей дренированностью (водопроницаемостью). Следовательно, загрязнение таких почв металлами создает весьма благоприятные условия для поступления их в корневые системы растений, с одной стороны, и мало препятствует вертикальной водной миграции элементов в почве с другой. Установление предельных концентраций металлов на песках дает определенную гарантию их надежности для всех остальных почвенных разностей. Однако вряд ли будет верным руководствоваться предельной концентрацией, установленной этим способом, так как она значительно ограничивает возможности использования некоторых видов коммунальных и промышленных отходов в сельском хозяйстве. Видимо, правильнее руководствоваться дифференцированными предельно допустимыми концентрациями, разработанными для различных типов почв и почвенных разностей. По мнению И. Г. Важенина, под нормированием следует понимать такую антропогенную нагрузку, которая при длительном (многолетнем) воздействии на почву не вызывает каких-либо патологических изменений в почвенной биоте и в свойствах ее абиотической части, особенно в почвенном поглощающем комплексе. Нормирование содержания, в частности, металлов в почвах предусматривает установление их предельно допустимых количеств (ПДК). Под ПДК тяжелых металлов следует понимать такие их концентрации, которые при длительном воздействии на почву и произрастающие на ней растения не вызывают каких-либо патологических изменений или аномалий в ходе биологических почвенных процессов, а также не приводят к накоплению токсичных элементов в сельскохозяйственных культурах и, следовательно, не могут нарушить биологический оптимум для животных и человека.
Различают следующие виды экологического нормирования: ландшафтное, биотическое, почвенное. Нормирование содержания любого ингредиента для почвенно-растительного покрова встречает огромные трудности в связи с тем, что в отличие от сравнительно гомогенных водной и воздушной сред биота, почва, ландшафт являются гетерогенными компонентами биосферы в пространстве и во времени. Нормирование осуществляется для контроля за сохранением в почве ее естественных свойств и процессов и для обеспечения получения гигиенически пригодной растительной продукции. При сохранении в почве естественных свойств и процессов гарантируется сохранность природных сред, контактирующих и взаимодействующих с почвенным покровом.
Почвы
Опыты проводились на черноземе обыкновенном среднемощном слабогумусированном тяжелосуглинистом на лессовидных суглинках.
Механический состав почвы - тяжелосуглинистый (табл. 1). Структура пахотного слоя комковато-пылеватая, ниже по профилю - комковато-ореховато-зернистая. Мощность горизонта А 30-45 см, а горизонтов А+В -80-110 см. Большая мощность гумусового слоя позволяет создать глубокий культурный пахотный слой и способствует впитыванию и накоплению боль 42 шого количества влаги. Для этого типа почв характерно равномерное и постепенное падение содержания гумуса вниз по профилю. В пахотном слое содержится до 4,0% гумуса. Запас гумуса в слое А+Вг составляет 200-260 т/га.
В довольно строгом соответствии с количеством гумуса уменьшается содержание общего азота. Оно составляет около 5% от общего содержания гумуса в верхних горизонтах и увеличивается с глубиной до 7%.
Сумма поглощенных оснований в пахотном горизонте колеблется от 33 до 39,0 мг-экв на 100 г почвы. Обменный кальций преобладает над обменным магнием: на долю первого приходится свыше 80% от суммы Са +Mg в верхнем полуметровом слое. Вниз по профилю происходит не только уменьшение суммы поглощенных оснований, но и сужение отношения кальций: магний. Доля магния увеличивается до 25% от суммы Ca2++Mg2+.
В пахотном слое гидролизуемого азота 8-11 мг, а в подпахотном - 6-8 мг на 100 г почвы. Фосфором черноземы обеспечены слабо и средне, калием - сравнительно хорошо (табл. 1). Содержание валового фосфора составляет 0,15-0,16%, калия - 2,2-2,3, общего азота - 0,20-0,25%. Содержание валового фосфора и калия достаточно высокое в верхнем горизонте и постепенно уменьшается с глубиной. Для подвижных форм этих элементов характерно резкое уменьшение их содержания в подпахотном горизонте по сравнению с пахотным. Вниз по профилю оно снижается, особенно количество подвижного фосфора, что может быть связано с увеличением содержания карбонатов. Максимальное содержание карбонатов (от 14 до 18%) приходится на нижнюю часть переходного горизонта ВС. Реакция почвенной среды слабо - и среднещелочная (7,8-8,2). Физические свойства (табл. 2) североприазовских черноземов характеризуются высокой порозностью (до 53-58%) в верхней части профиля, водопроницаемостью (1,6-2,5 мм/мин), низкой плотностью сложения горизонта А (1,16 г/см ). В горизонте В она увеличивается до 1,38-1,43 г/см3.
Агрохимические показатели чернозёма обыкновенного среднемощного (североприазовского) Почва О&г: Ои 13PSSиUо оmовоси 1 пVосо оs иVOо Обменные катионы, мг-экв/100 г почвы Механически й состав, % +"ев +г» 2 Частицы 0,05-0,01 мм Сумма частиц менее 0,01 мм Чернозем обыкновенный среднемощный слабогумусированный тяжелосуглинистый на лессовидных суглинках 3,5 -3,6 6,9 -7,5 1,0-1,1 0,9-1,5 32-45 30-35 3-4,5 0,1 30-31 64-65 Таблица 2 - Физические и водно-физические свойства североприазовских черноземов в зависимости от степени эродированности
Объемная масса, г/см3 0-50 см 50-100 см 1,141,37 1Д7 1,39 Удельная масса, г/см3 0-50 см 2,50 2,56 Порозность, % 0-30 см 56,0 52,6 Содержание водопрочных агрегатов, % 0-30 см 54,6 48,6 Полевая влагоемкость, % 0-50 см 50-100 см 32,2 26,2 30,123,4 Влажность завядания, мм 0-50 см 50-100 см 82 84 82 80 Водопроницаемость, мм/мин среднее за Зч 8,24 1,86 Содержание ила в пахотном слое, % 39,9 39,3 Количество водопрочных агрегатов диаметром больше 0,25 мм состав 45 ляет в пахотном слое 50-55%, в горизонте Ъ\ увеличивается до 65-72% (Агафонов Е.В. и др.,1999).
Территория Ростовской области расположена в западной подобласти атлантико-континентальной степной области умеренного пояса, характеризуясь недостаточным увлажнением, жарким и сухим летом и сравнительно теплой зимой. Для области основными факторами, определяющими климатические условия, являются солнечная радиация и циркуляция атмосферы.
Хозяйства расположены в степной зоне, где ограничивающим фактором роста и развития растений является, прежде всего, засушливость климата (ГТК- 0,7- 0,8). Среднемноголетняя сумма осадков составляет 468,5 мм, за период активной вегетации - 220-250 мм. За этот же период насчитывается до 85 дней с суховеями. Осадки, выпадающие в холодный период года в виде снега и моросящих дождей, являются основным источником накопления влаги в почве. Ливневые дожди со слоем осадков 10 мм и более выпадают до 12-14 раз за сезон, больше 20 мм - 3-5 и больше 30 мм - 1 раз.
Среднегодовая температура +8,6...+9,3 С, сумма активных температур 3200.. .3400 С. Зима умеренно холодная: средняя месячная температура января -6...-8 С, средний из абсолютных минимумов температуры воздуха за зиму составляет -25...-30С. Безморозный период - 175-190 дней. Глубина промерзания почвы - 24-34 см. Начало устойчивого замерзания почвы в среднем 20 декабря, оттаивания - 21 марта. Продолжительность периода с температурой воздуха ниже 0С составляет 101-104 дней. Устойчивые морозы заканчиваются во 2-й декаде марта. Средняя из наибольших высот снежного покрова не превышает 15-20 см, к началу снеготаяния - 8-12 см. За зиму наблюдается до 35-40 дней с оттепелями. Лето жаркое, максимальная темпе 46 ратура достигает +38...+40 С. Среднемесячная температура июля составляет 22С.
Продолжительность вегетационного периода 215 дней. Он длится в среднем с 4 апреля по 5 ноября. Период активной вегетации с температурой воздуха более +10 С равен 170 дней и длится в среднем с 21 апреля по 5 ноября.
В холодный период года, особенно в ранневесенний, наблюдаются сильные ветры восточных направлений, которые вызывают дефляцию почв. Количество дней со скоростью ветра больше 10-15 м/сек от 30 до 42.
Погодные условия в годы исследований по данным метеостанций Пер-сиановской и Таганрогской складывались по-разному. Это позволило более объективно оценить влияние техногенного загрязнения на особенности роста, развития и продуктивность выращиваемых культур (озимая пшеница, яровой ячмень).
В период проведения эксперимента сложились следующие метеорологические условия (Приложение 1,2,3,4,5, 6).
Вегетационный период 2002-2003 (рис.1, 2) сельскохозяйственного года был неблагоприятным для развития возделываемых культур.
Осень была тёплой, затянувшейся. Однако резкое похолодание в декабре с осадками в виде дождя и понижением температуры до - 18 -20 С, привело к образованию ледяной корки на полях, которая удерживалась около 23-25 дней.
Январь характеризовался чередованием похолоданий и оттепелей с осадками в виде дождя и снега. В феврале температурный режим был более жестким: среднемесячная температура воздуха составила - 6,6 С, что на 2,0 С ниже многолетней нормы. Всё это отрицательно сказалось на перезимовке озимых.
Накопления свинца в агроценозах в зависимости от удаленности автомагистралей
Содержание свинца в почвах Ростовской области варьирует в широких пределах 8-84 мг/кг почвы, в среднем на большей площади составляют 30 мг/кг. Наименьшая концентрация элемента свойственна почвам легкого гранулометрического состава удаленным от явных источников загрязнения.
Максимальные количества свинца приурочены к зонам действия самого мощного загрязнителя этим элементом - автотранспорта. Для чернозема обыкновенного карбонатного (североприазовского) содержание свинца колеблется 8-78 мг/кг, среднее содержание составляет 21 мг/кг. Между тем отмечается, что свинец является наиболее широко распространенным контами-нантом на территории Ростовской области (Соборникова И.Г., 1990).
Содержание ТМ в почве зависит, прежде всего, от гранулометрического и минералогического составов минерального субстрата и от степени гуму-сированности последнего.
В почвах с разными свойствами содержание ТМ различное. Распределение элементов - токсикантов в профиле почв зависит от направления и интенсивности почвообразовательного процесса. В высокогумусированных почвах черноземного типа, например, где подвижность органического вещества невысокая и господствует непромывной водный режим, обычно наблюдается биогенная аккумуляция тяжелых металлов.
В почве ТМ присутствуют в двух фазах - твердой и жидкой (почвенном растворе). В твердой фазе они находятся в обменном и фиксированном состоянии: входят в состав тонкодисперсных минеральных частиц и гумусо вого вещества, поглощаются гелями полуторных окислов, являются составной частью нерастворимых солей. В почвенном растворе ТМ присутствуют, по-видимому, в форме растворимых минеральных и органо-минеральных солей. Их источник - твердая фаза почвы и разлагающийся растительный опад.
Форма существования металлов, попавших в почвенный раствор, зависит, прежде всего, от его химического состава (главным образом анионной части и растворимого органического вещества) и реакции среды. В почвах с нейтральной реакцией среды, например черноземах, в составе легкорастворимых минеральных солей преобладают бикарбонат и сульфат кальция (Афанасьева, 1966). Наличие в почвенном растворе значительного количества кальция при гуматном типе органического вещества приводит к резкому сокращению доли растворимой фракции гумуса. Поэтому Pb, Zn, Hg, Со, попадая в почвенный раствор, взаимодействуют в основном с минеральной частью, образуя нерастворимые и слаборастворимые карбонаты и сульфаты. Б.К. Блинов и Г.К. Вертинская (1978) установили, что передвижение свинца в глубь почвы осуществляется в виде хелата.
Мобильность ТМ и, следовательно, токсичность их для растений в условиях загрязнения зависят от многих компонентов и свойств почвы, обуславливающих ее буферность, или, что будет удобнее в данном контексте, ее защитные возможности.
Культурные растения по сравнению с дикорастущими, как правило, способны накапливать меньшее количество ТМ, но в то же время обладают меньшей устойчивостью к этим элементам. Накопление в культурных растениях токсикантов опасно для здоровья людей, поскольку при этом допускается проникновение загрязнителей в пищевые цепи.
Многочисленными полевыми и вегетационными опытами установлена различная способность сельскохозяйственных культур к накоплению ТМ и устойчивость к ним (Большаков В.А., 1993). На полях подверженных техногенному загрязнению были выбраны культуры, наиболее часто высеваемые вдоль автомагистралей - яровой ячмень и озимая пшеница.
Валовые формы свинца в почве дают представление об общей загрязненности территории, а подвижные - о доступности свинца растениям. Содержание валовых и подвижных форм свинца в почве при различной мощности грузопотока представлено в таблице 5.
Озимая пшеница 22,7 3,3 Исследовав, отобранные почвенные образцы на наличие свинцового загрязнения обнаружено, максимальное его накопление при удалении 5 м от автомагистрали, независимо от мощности грузопотока, выше установленных ПДК для валового (30 мг/кг) и подвижных (6,0 мг/кг) форм свинца в почве. С увеличением расстояния от источника загрязнения содержание валовых и подвижных форм свинца уменьшается. Почвы вблизи автомагистрали (5-Ю м) с различной мощностью грузопотока по содержанию валовых и подвижных форм свинца в почве имели существенные отличия. Так, по яровому ячменю при мощности грузопотока более 6,0 тыс. авт./сут. увеличение содержания в почве валового РЬ составило 27,9% по сравнению с 4,0 тыс. авт./сут., по озимой пшенице -27,7%; по подвижным формам 19,4 и 12,5% соответственно.
При удалении на 150 м от автомагистрали различия в накоплении свинца несущественны - 3,0 и 2,9% по валовому содержанию свинца и 9,8 и 4,3% по содержанию подвижных форм свинца в почве.
По сравнению с контрольным вариантом валовое содержание в почве свинца по ячменю и озимой пшенице при грузопотоке 4,0 тыс. авт./сут. и удаленности от автомагистрали 5-Ю м было выше на 63,5 и 70,0%, по содержанию подвижных форм превышение составило в 1,9 и 2,2 раза, соответственно. При грузопотоке более 6,0 тыс. авт./сут. эта зависимость составила 2,1 и 2,2 раза по валовому содержанию свинца, 2,3 и 2,5 раза по подвижным формам.
С увеличением мощности грузопотока и близостью к автомагистрали происходит большее накопление свинца в растениях. Свинец по-разному накапливается в органах растений. По степени накопления ТМ органы растений располагаются в ряд: корни солома семена (Черных Н.А., 1988; Гармаш Г.А., 1987; Степанова М.Д., 1982; Ильин В.Б., 1990 и др.), что было подтверждено и нашими исследованиями. Преимущественное накопление металлов в корнях может быть связано с образованием малоподвижных соединений ТМ с органическим веществом (Алексеев Ю.В., 1987).
По полученным данным содержания в почве подвижных форм свинца мы можем предполагать, что возможно его накопление в продукции. Поэтому на территориях испытывающих техногенный пресс были отобраны растительные образца для определения поступления свинца в растения ячменя и озимой пшеницы. Распределение свинца в растениях ячменя и озимой пшеницы представлено в таблице 6.
Динамика накопления свинца в растениях ярового ячменя при почвенном загрязнении
В связи с обсуждением способности растений нормально функционировать при высокой насыщенности тканей химическими элементами важное значение приобретают сведения о формах и местах нахождения этих элементов. Попавшие в корень ионы металлов занимают свободное пространство, адсорбируясь на его стенках и оставаясь в растворе. Чтобы участвовать в метаболизме корней, им надо преодолеть плазмалемму. Преодоление клеточных мембран требуется и для достижения ионами ксилемы: обойти преграду - поясок Каспари - они могут только путем перехода из апопласта в симпласт. Однако этот путь преодолевается с трудом, поскольку на мембранах локализован механизм избирательного поглощения ионов (механизм защиты растения), который ограничивает проникновение в клетку балластных и избыточных ионов. Если все-таки в клетках корня ионов окажется сверх допустимого лищта, то включается еще один механизм защиты, который переводит излишек в, вакуоли (Либберт Э., 1976).
Из этого можно заключить, что уже в корнях ионы металлов ожидает неодинаковая судьба: часть из них задерживается в свободном пространстве или переправляется в вакуоли, другая часть используется в процессах метаболизма, третья - с ксилемным соком поднимается в надземные органы.
При передвижении по ксилеме металлы могут адсорбционно поглощаться ее стенками, а также закомплексовываться присутствующими в клеточном соке органическими соединениями. Проходя преимущественно транзитом путь по ксилеме, ионы попадают в листья, прежде всего в апопласт. Для того чтобы проникнуть в клетки листа, в которых совершается основная синтетическая деятельность растения, ионам вновь требуется преодолеть клеточную мембрану. По аналогии с корнями здесь действует механизм избирательного поглощения. Основная его функция - обеспечение нормального содержания ионов в цитоплазме, т. е. она связана с защитой жизненно важных органов и процессов. При поступлении ТМ в лист их избыток может аккумулироваться в различных структурах листа и клетки: проводящей ткани, апопласте, вакуолях.
Как известно, элементы из почвы поглощаются преимущественно в виде ионов. Однако в растительной ткани эта форма.уже не доминирует. Металлы в ионной форме, по-видимому, в заметном количестве - могут встречаться в ксилеме, апопласте и вакуолях, тогда как в цитоплазме они входят в основном в состав органических соединений.
В начальный период загрязнения среды ТМ благодаря буферным свойствам почвы, приводящим к инактивации токсикантов, растения практически не будут испытывать неблагоприятного воздействия. Однако защитные возможности почвы небезграничны. При повышении уровня загрязнения инактивация токсикантов становится неполной, и поток вредных ионов атакует корни. Часть ионов растение способно перевести в менее активное состояние еще до проникновения их в корни: хелатировать с помощью корневых выделений и адсорбировать на внешней поверхности корней. И все же большое количество токсикантов поступает в корень. В этом случае в действие вступают механизмы защиты, о которых шла речь выше. Конечный результат их деятельности - специфическое распределение ТМ по органам растения, в чем проявляется стремление организма как можно полнее обезопасить последующую генерацию от присутствия нежелательных ионов.
Специфичность распределения ТМ заключается в том, что по степени насыщенности ими тканей основные органы растений располагаются в ряд: корни листья семена (плоды). Это показано в опытах с различными культурами: со злаками (Ильин, Степанова, 1979), бобовыми (Austenfeld, 1979), виноградом (Mohr, 1980). Содержание ТМ в тканях корня и семян в условиях сильно загрязненной среды может различаться в 500-600 раз, что свидетельствует о больших защитных возможностях подземного органа.
Защитные возможности корней весьма велики, но и они имеют предел; при очень высоком количестве токсиканта в среде его поток в надземные органы усиливается. Вначале это отмечается в листьях, потом и в зерне. Заторможенное поступление токсикантов в семена (плоды) свидетельствует о наличии в растениях механизма («фильтра», по Г.Мору (Mohr, 1980)), особо тщательно охраняющего репродуктивный орган.
Согласно современным представлениям, существуют механизмы защиты растений от действия тяжелых металлов, в том числе свинца. Установлено, что часть подвижных форм металлов под действием корневых выделений переходит в менее активное состояние. Некоторое количество адсорбируется на внешней поверхности корней. Поглощенный корнями свинец задерживается в свободном клеточном пространстве или используется в процессах метаболизма. Только часть катионов свинца с ксилемным током транспортируется в надземные органы (Покровская С.Ф„ 1986).
Как показал модельный опыт, при выращивании сортов ярового ячменя на загрязненном фоне происходило различное накопление ТМ в органах растений.
Следует отметить, что корни и солома по сравнению с зерном, содержали большее количество металла на всех вариантах опыта (табл. 12). Так сорт Одесский 100 при дозе РЬ 100 накопил: в корнях 19,0, соломе 11,66 и зерне 1,9 мг/кг свинца. Причем с нарастанием вносимой дозы поллютанта различия в его концентрации в стеблях и листьях по сравнению с содержанием в зерне уменьшаются. Вероятно, при нарастании концентрации происходит нарушение в работе физиологических барьеров и прорыв токсикантов в органы запасания ассимилянтов, что при нормальных условиях не происходит, так как предполагается, что у растений наиболее устойчив состав генеративных органов, как ответственных за воспроизведение потомства.
