Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Литературный обзор 10
1.1. Актуальность проблемы загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами (ТМ) 10
1.2. Источники поступления ТМ в окружающую среду 10
1.3. ТМ как микроэлементы для растений 12
1.4. Токсическое действие ТМ на растения 13
1.5. Отрицательное воздействие ТМ на человека 17
1.6. Поглощение, транспорт и распределение ТМ в растении 18
1.6.1. Поглощение ТМ растениями из почвы и воздуха 18
1.6.2. Факторы, влияющие на поглощение ТМ 19
1.6.3. Транспорт ТМ по растению и характеристика транспортеров ТМ 20
1.6.4. Распределение ТМ по тканям и их роль в аккумулящга металлов в
корнях и надземных органах растений 23
1.7. Растения индикаторы, аккумуляторы и исключатели ТМ 25
1.8. Механизмы адаптации растений к высоким концентрациям ТМ 29
1.8.1. Клеточные механизмы детоксикации ТМ 31
1.8.1.1. Фитохелатины и металлотионеины 32
1.8.1.2. Роль хелатирования ТМ низкомолекулярными лигандами...34
1.9. Фиторемедиация, как инновационная природоохранная технология очистки загрязненных территорий от ТМ 35
1.9.1. Применение фиторемедиации на полигонах захоронения твердых бытовых отходов (ТБО) 42
1.9.2. Способы увеличения фиторемедиационного эффекта 45
1.9.3. Изучение растений-фиторемедиантов в других странах 50
ГЛАВА 2. Объекты и методы исследований 53
2.1. Объекты исследования 53
2.1.1. Полигон захоронения ТБО «Хметьево» 53
2.1.2. Вейник наземный (Calamagrostis epigeios (L) Roth) 57
2.1.3. Амарант (щирица) хвостатый (Amaranthus caudatus), амарант краснолистный (Amaranthus cruentus) 59
2.2. Выращивание растений в водной культуре 60
2.3. Выращивание растений в грунте 63
2.4. Определение влияния ТМ на прорастание семян 64
2.5. Измерение биомассы 64
2.6. Определение содержания свободного пролина 64
2.7. Определение концентрации хлорофилла 65
2.8. Определение содержания подвижных форм ТМ в грунтах 66
2.9. Определение содержания ТМ в тканях растений 66
2.10. Изучение действия различных питательных веществ на биометрические показатели вейника наземного 67
2.11. Локализация ТМ в тканях растений 68
2.12. Математическая обработка данных 69
ГЛАВА 3. Результаты исследований и обсуждение 70
3.1. Геоботаническое обследование полигонов захоронения ТБО 70
3.2. Содержание ТМ в поверхностном слое грунтов, перекрывающих ТБО ...73
3.3. Оценка фитотоксичности исследуемых грунтов 74
3.4. Аккумуляция ТМ растениями, произрастающими на полигонах захоронения ТБО 84
3.5. Физиологические особенности вейника наземного 86
3.5.1. Оценка всхожести семян вейника наземного 87
3.5.2. Накопление ТМ вейником наземным при выращивании его в водной культуре 88
3.5.3. Накопление пролина в растениях вейника наземного в условиях стресса 90
3.5.4. Устойчивость растений вейника наземного к скашиванию 92
3.5.5. Улучшение биометрических показателей вейника наземного при применении удобрений 94
3.5.6. Распределение ТМ по тканям вейника наземного 97
Заключение 99
Выводы 103
Список литературы
- Источники поступления ТМ в окружающую среду
- Вейник наземный (Calamagrostis epigeios (L) Roth)
- Содержание ТМ в поверхностном слое грунтов, перекрывающих ТБО
- Устойчивость растений вейника наземного к скашиванию
Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время проблема загрязнения биосферы токсичными соединениями, в том числе и тяжелыми металлами (ТМ) становится все более актуальной. Хозяйственная деятельность человека (сжигание жидкого и твердого топлива; металло-плавильное производство; сбрасывание сточных вод; внесение в почву химикатов, в том числе удобрений и т.п.) приводит к загрязнению ТМ всех компонентов окружающей среды: воздуха, воды, почв. В почвах тяжелые металлы находятся в разной степени доступности для растений. Водорастворимые формы ТМ, как правило, представлены хлоридами, нитратами, сульфатами и органическими комплексными соединениями. ТМ сравнительно быстро накапливаются в почве и крайне медленно из нее выводятся: период полуудаления цинка - до 500 лет, кадмия - до 1100 лет, меди - до 1500 лет, свинца - до нескольких тысяч лет. Тяжелые металлы ингибируют фотосинтез, нарушают минеральное питание, тормозят рост и изменяют водный баланс и гормональный статус растений.
Восстановление окружающей среды при помощи растений вызывает широкий интерес во всем мире благодаря возможностям, которые открывает технология фиторемедиации для очистки верхних слоев загрязненных почв. Исследования показывают, что растения позволяют очистить окружающую среду от металлов, а фиторемедиация - использование зеленых растений для удаления загрязнителей из пахотного слоя почв или превращения последних в безвредные соединения, постепенно внедряется, как природоохранная технология. Культивирование растений-гипераккумуляторов ТМ, на загрязненных территориях позволяет очистить почву от избытка металлов.
Метод фиторемедиации не требует больших затрат, прост в практическом осуществлении и применим в любых экологически неблагоприятных зонах. Методы фиторемедиации разрабатывают и внедряют в Болгарии, США, Великобритании, Испании, Канаде, Китае, Мексике, Новой Зеландии и других странах.
Однако, внедрение этой природоохранной технологии в России в значительной степени тормозится из-за необходимости поиска растений-аккумуляторов ТМ,
характерных для наших экологических условий, или использования интродуцентов. Тем не менее, работы отечественных исследователей по аккумуляции ТМ дикорастущими и культурными растениями дают достаточные основания для поиска растений, пригодных для внедрения технологии фиторемедиации в России.
Применение технологии фиторемедиации может оказаться весьма перспективным для обезвреживания полигонов захоронения твердых бытовых отходов (ТБО). Следует отметить, что в нашей стране работы по биологической рекультивации таких полигонов находятся в самом начале развития и основаны в значительной степени на отечественном опыте рекультивации нарушенных земель в промышленных зонах. Грунты, используемые для перекрытия отходов, не должны быть загрязнены ТМ. Однако, поскольку образуется слоистая толща, то в перекрывающие мусор грунты поступают различные токсичные вещества из ТБО, в том числе ТМ, что со временем создает опасность загрязнения ими поверхностных слоев почвы. Это препятствует при закрытии полигонов захоронения ТБО созданию на них газонов, засеваемых традиционными видами газонных трав. По этой причине при проведении рекультивационных работ необходимо использовать виды газонных трав с высокой фиторемедиационной способностью.
Цель и задачи исследования. Цель работы - провести скрининг устойчивых к тяжелым металлам рудеральных видов растений и исследовать фиторемедиационную способность вейника наземного (Calamagrostis epigeios (L) Roth), типичного представителя флоры средней полосы, обладающего повышенной устойчивостью к химическим элементам, в том числе к ТМ. В качестве объекта загрязнения ТМ и распространения популяций вейника наземного использовались полигоны захоронения ТБО, расположенные в "Хметьево" в Северо-Западном районе Московской области.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
1. Оценить способность вейника наземного формировать устойчивый растительный покров в условиях естественного зарастания закрытых полигонов захоронения ТБО.
2. Выяснить способность вейника наземного аккумулировать ТМ (Ni, Zn, Си, Pb)
в листьях и корнях растения в условиях почвенной и водной культуры.
3. Исследовать влияние ТМ на физиологические параметры вейника:
прорастание семян, накопление биомассы, содержание хлорофилла, устойчивость к
периодическому скашиванию и способность выносить ТМ с зеленой массой при
скашивании.
Изучить особенности адаптации растений вейника наземного к комплексному загрязнению ТМ и противогололедными средствами (NaCl и СаСЬ) - как одними из сопутствующих факторов загрязнения.
Исследовать распределение Ni, Cd и Pb в тканях корня и побега вейника после их кратковременного воздействия на растения в водной культуре.
6. Определить целесообразность использования вейника наземного для
фитормедиации грунтов, загрязненных ТМ.
Научная новизна. Впервые при геоботаническом обследовании полигонов захоронения ТБО и проведении скрининга растительных сообществ были выявлены рудеральные виды растений, способные произрастать на загрязненных территориях и выносить ТМ с надземной массой. Среди них особое внимание привлек вейник наземный, который впервые детально изучен по ряду физиологических и биохимических параметров (содержанию хлорофилла, накоплению осмопротектора пролина, устойчивости к ТМ в фазе прорастания семян и вегетативного роста, способности накапливать ТМ в корнях и надземной массе и др.), что важно для характеристики его как фиторемедианта. Впервые показано, что вейник наземный устойчив к скашиванию, что является необходимым условием применения его для очистки загрязненных субстратов. Впервые проведено гистохимическое изучение закономерностей распределения Ni, Cd и Pb по тканям корня и побега вейника наземного.
Практическая значимость. Экспериментально доказано, что вейник наземный - перспективный вид для рекультивации грунтов, перекрывающих ТБО на полигонах, загрязненных различными ТМ и засолением. Вейник способен длительно произрастать на грунтах со смешанным загрязнением, создавать густой растительный
покров, накапливать ТМ в надземной биомассе и выносить из загрязненных ТМ грунтов порядка 1000 мг/кг ТМ. Доказано, что вейник наземный является аккумулятором ТМ, особенно Ni.
Эти свойства дают нам возможность рекомендовать его как потенциального
компонента травосмесей для фиторемедиации перекрывающих грунтов на полигонах захоронения ТБО, а также придорожных газонов.
Апробация работы. Материалы данной работы были представлены на общегородской конференции «Проблемы озеленения крупных городов» (Москва, 2004 и 2005), на международной конференции «Физиологические и молекулярно-генетические аспекты сохранения биоразнообразия» (Вологда, 2005), на семинаре ИФР РАН (Москва, 2005), на IV международном симпозиуме «Новые и нетрадиционные растения и перспективы их использования» (Москва, 2005), на международном семинаре «Проблема восстановления почвогрунтов объектов городских территорий и промышленных площадок» (Москва, 2006) и на Международной конференции «Joint Annual Meeting - GSA, SSSA, ASA, CSS A, GCAGB» (Хьюстон, 2008).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания объекта и методов исследований, изложения полученных результатов, обсуждения, заключения и выводов. Работа изложена на 125 страницах машинописного текста, включая 16 таблиц, 23 рисунка; библиография содержит 153 названия, из них 102 - на иностранных языках.
Источники поступления ТМ в окружающую среду
Источники поступления металлов в различные компоненты природно-антропогенных ландшафтов могут быть подразделены на природные и техногенные. К природным источникам относятся процессы выветривания горных пород и минералов, вулканическая деятельность, эрозионные процессы. Техногенными (антропогенными) источниками загрязнения почв и водных объектов являются выбросы в атмосферу предприятий черной и цветной металлургии, тепловые электростанции, карьеры и шахты по добыче полиметаллических руд, автотранспорт, коммунальные отходы, органические и минеральные удобрения и т.д. Загрязнение почв тяжелыми металлами происходит главным образом в результате накопления на их поверхности аэрозолей, выбрасываемых промышленными источниками. Наиболее опасные концентрации тяжелых металлов, превышающие значения ПДК, наблюдаются в основном около металлургических предприятий в радиусе до 10-12 км и вдоль автомобильных дорог с достаточно интенсивным движением. В этих районах сельскохозяйственное использование почв должно быть строго специализированным, их следует исключать из обычных севооборотов. Уровень загрязнения почв металлами резко снижается по мере удаления от источника загрязнения и на расстоянии 15 км практически сводится к фоновому (Панин, 2002).
При техногенном загрязнении почв металлами наблюдается, как правило, повышенное их накопление в гумусовом горизонте и резкое понижение их содержания в нижележащих почвенных слоях. На характер перераспределения тяжелых металлов по профилю почв влияет комплекс почвенных факторов: гранулометрический состав, реакция почв, содержание органического вещества, емкость поглощения катионов, наличие геохимических барьеров и т.д. (Добровольский, 1997).
Металлургические предприятия ежегодно выбрасывают на поверхность земли более 150 тыс. тонн меди, 120 тыс. тонн цинка, около 90 тыс. тонн свинца, 12 тыс. тонн никеля, 1,5 тыс. тонн молибдена, около 800 тонн кобальта и около 30 тонн ртути. Отходы машиностроительных и химических производств содержат до 1 тыс. мг/кг свинца, до 3 тыс. мг/кг меди, до 10 тыс. мг/кг хрома и железа, до 100 г/кг фосфора и до 10 г/кг марганца и никеля (Панин, 2002).
С выхлопными газами на поверхность почв попадает более 250 тыс. тонн свинца в год; это главный загрязнитель почв свинцом (Добровольский, 1997).
Тяжелые металлы попадают в почву вместе с удобрениями, в состав которых они входят как примесь, а также и с биоцидами.
Ещё одним источником загрязнения почвы тяжёлыми металлами являются полигоны твердых бытовых отходов, на которые вывозят порядка 90-95% отходов (сжигание составляет не выше 10%). На полигонах, отмечается не только сильное поверхностное загрязнение почв на больших территориях, но и подземных вод и грунтов до глубин более 20 м. (Систер и др. 2004). Выхлопные газы транспортных средств, вывоз в поле или станции очистки сточных вод, орошение сточными водами, отходы, остатки и выбросы при эксплуатации шахт и промышленных площадок, внесение фосфорных и органических удобрений, применение пестицидов и т.д. привели к увеличению концентраций тяжелых металлов в почве. Тяжелые металлы, поступая из почвы в растения, передаваясь по цепям питания, оказывают токсическое действие на растения, животных и человека.
Понятие ТМ объединяет более 40 химических элементов периодической системы Д.И.Менделеева с атомной массой свыше 50 атомных единиц, т.е. с плотностью более 5 г/см и употребляются в токсикологическом смысле.
Многие из них являются микроэлементами, необходимыми для жизнедеятельности всех живых организмов, что проявляется в определенных дозах. В больших количествах микроэлементы, также как большинство ТМ, обладают токсическим действием на живые организмы (Бондарев, 1984). Микроэлементы принимают участие в окислительно-восстановительных процессах, фотосинтезе, азотном и углеводном обменах, входят в состав активных центров ферментов и витаминов, повышают устойчивость растений и животных к болезням и неблагоприятным условиям внешней среды (Eskew, Welch, Сагу, 1983).
Вейник наземный (Calamagrostis epigeios (L) Roth)
Для определения влияния ТМ на прорастание, семена вейника наземного и амаранта хвостатого предварительно обработанные 0Д% раствором марганцовокислого калия,, по 50 и 25 штук соответственно помещали на фильтровальную бумагу в стерильные чашки Петри. В чашки Петри вносили соли тяжелых металлов (G11SO4, ZnS04, Pb(N03)2 и №(Ж)з)г) в различных концентрациях (0;5мМ;. 1мМ, 2ММ и 5мМ). Проращивание семян проводили в следующих условиях: на 2 дня чашки помещали в холодильник (+ 40C)j а затем семена прорастали в тех же факторостатных условиях, которые использовали для выращивания опытных растений; через 7 дней подсчитывали число проросших семян. 2.5. Измерение биомассы
Измерение свежей и сухой биомассы растений и отдельных органов -первичных листьев, стеблей, побегов и вторичных листьев, корней - проводили стандартными общепринятыми методами (Пустовой и др., 1995).
Содержание свободного пролина определяли с помощью кислого нингидринового реактива по методу Bates et al. (1973). Навеску свежей растительной ткани листьев (200 мг) переносили в микробиологические пробирки и добавляли 10 мл кипящей дистиллированной воды и на 10 минут помещали в кипящую водяную баню. В результате достигалась полная экстракция свободного пролина из растительной ткани, что было продемонстрировано ранее (Калинкина, 1990). Для оценки содержания пролина к 1 мл полученного экстракта добавляли 1 мл ледяной уксусной кислоты и 1 мл нингидринового реактива (30мл ледяной уксусной кислоты + 20 мл 6М ортофосфорной кислоты + 1,25 г нингидрина). Смесь инкубировали в течение 1 часа на кипящей водяной бане и затем быстро охлаждали во льду. Интенсивность окраски определяли спектрофотометрически при длине волны 520 нм на спектрофотометре СФ-46 против образца, в котором вместо экстракта добавляли дистиллированную воду. Содержание пролина определяли по калибровочной кривой, используя для ее построения пролин фирмы «Serva». Содержание пролина выражали в мкмоль на 1 г свежей- или сухой-массы).
2.7. Определение концентрации хлорофилла
Экстракцию пигментов из листьев осуществляли 96%-ным этиловым спиртом (Шлык, 1971). Для определения содержания хлорофиллов брали навеску листьев массой 100 мг, помещали в фарфоровую ступку, предварительно добавив в нее кварцевого песка, и растирали ткань с 3 мл 96%-ного спирта. Для более полной экстракции пигментов к гомогенату добавляли еще небольшую порцию спирта и продолжали растирание 2 -3 минуты. После этого экстракт цинтрифугировали 3 мин при 3000g (+4 С) на К-24 (фирма Janezki, Германия). Затем супернатант использовали для определения концентрации пигментов, которую определяли при комнатной температуре на рассеянном свету (на сильном освещении может произойти фотоокисление хлорофилла) спектрометрически. Для этого спиртовый раствор хлорофилла переливали в кварцевую кювету спектрофотометра СФ-46 и определяли степень поглощения раствора (оптическую плотность) при 665 и 649 нм, что соответствует максимуму поглощения хлорофилла а и хлорофилла в, соответственно.
Для определения валового содержания ТМ грунт был просушен до воздушно-сухого состояния, и затем растёрт и просеян через сито с диаметром отверстий 1мм.
Подготовка проб к анализу проводилась согласно методике, предложенной А.И. Обуховым, И.О. Плехановой (1991г.). К навеске почвы массой 5 грамм, помещённой в колбу ёмкостью 100мл, было прилито 50 мл Ін.КОЧОз. После кратковременного взбалтывания, суспензия была оставлена на сутки, а затем профильтрована через двойной складчатый фильтр, первые порции фильтрата были отброшены. В полученной вытяжке определялись ТМ.
Определение содержания подвижных форм ТМ в грунтах проводили на атомно-абсорбционном спектрофотометре AAS3 (Япония). Определение содержания ТМ в тканях растений
Определение содержания ТМ в тканях растений проводили по методу Н.А. Голубкиной (1995). Навеску воздушно-сухого растительного материала (30-50 мг) заливали смесью концентрированных азотной (1,5 мл) и хлорной (0,8 мл) кислот и оставляли на сутки. Затем с помощью аналогового термостата TDB-400-A фирмы BioSan (Латвия) пробы прогревали по 1 часу последовательно при 120С, 150С и 180С и после охлаждения до 150С вносили в них по 5-6 капель концентрированной Н2СЬ. Через 10 минут к пробам приливали 1 мл 6 М НС1 и выдерживали их 10 мин при температуре 110С. После обесцвечивания растворов концентрацию ТМ измеряли на атомно-абсорбционном спектрофотометре Hitachi 207 фирмы Hitachi (Япония).
Для проведения опыта в чашки Петри помещали по 25 г влажного перлита, заранее обработанного 10-20 часов насыщенно-розовым раствором перманганата калия (КМп04). Затем добавляли в чашки по 5 мл растворов с различными концентрациями (0,17; 0,42; 0,83; 1,25 и 1,67 мМ) азотосодержащих веществ, таких, как: сульфат аммония ([NKUbSC ), нитрат аммония (NH4N03), нитрат кальция (Ca[N03]2), мочевина (СОрМНгЪ), в качестве контрольного варианта - 5 мл дистиллированной воды. В подготовленные вышеприведенным образом чашки Петри высевали по 30 семян вейника наземного (Calamagrostis epigeios) и ставили на трое суток в холодильник температурой +4" С для стратификации и ускорения перехода от набухания семян к прорастанию. Затем чашки переносили в теплицу с температурным режимом +30С±5, предварительно несколько часов выдержав их при комнатной температуре. Ежедневно чашки Петри открывали на 1-2 часа для улучшения аэрации, каждые 4 дня добавляли по 3-5 мл дистиллята, чтобы не допустить высыхания семян.
Содержание ТМ в поверхностном слое грунтов, перекрывающих ТБО
Для закрытия ТБО использовались грунты, завезенные из соседнего карьера соответственно в 1997, 1990 и 2002гг. Эти грунты, используемые для перекрытия отходов, не должны были быть загрязнены ТМ, так как до 2002г. они завозились из карьера, расположенного в лесном массиве, не испытывающем какого-либо антропогенного воздействия. В этом случае опасность загрязнения ТМ грунтов поверхностного слоя закрытых полигонов можно было ожидать в результате подъема металлов из нижележащих слоев.
Содержание подвижных форм ТМ в поверхностном слое грунта (0-5 см, 5-10 см и 10-15 см) полигона, закрытого 7 лет назад, представлены в таблице 7 как средние значения из 5-7 образцов. Из этих данных следует, что в целом содержание ТМ, доступных для растений, пока не представляется опасным. Однако, в отдельных точках на разной глубине обнаружен повышенный уровень загрязнения, превышающий пороговые значения для почв средней полосы (РЬ - 210,3; Cd - 3,6; Си - 107,0; Zn - 109,3; Ni - 16,4 мг/кг грунта). На полигоне 1990г. (15 лет после закрытия) средние значения (табл. 7) и пороговое содержание тех же видов ТМ было ниже (РЬ - 11,2; Cd - 1,2; Си - 12,1; Zn - 22,0; Ni - 12,8 мг/кг грунта). Такие различия между содержанием ТМ в грунтах сравниваемых полигонов объясняются тем, что зарастание рудеральными видами растений полигонов разного времени консервации резко различалось как по интенсивности покрытия поверхности растительностью, так и по видовому составу (рис. 11). Как видно из рисунка 11 распределение растений на полигоне 1997 г закрытия имело пятнистый характер и отличалось многообразием сорных видов (табл.8). Более того, согласно анализу валового содержания ТМ (табл. 8), практически все растения накапливали в листьях, корнях и соцветиях многие виды ТМ (особенно Zn, Ni). При этом концентрация почти всех ТМ приближалась к критическому уровню, установленному для культурных растений. Среди идентифицированных дикорастущих видов рудеральных растений были найдены хорошо развитые популяции вейника наземного {Calamagrostis epigeios), отличавшегося от других видов самым высоким содержанием в листьях и соцветиях никеля (690 - 703 мг/кг сухой массы), что в 7 раз превышало его критический уровень для культурных растений.
Для оценки фитотоксичности грунтов полигонов захоронения ТБО в качестве тестовой культуры был использован амарант хвостатый (Amaranthus candatiis). Для изучения было выбрано 11 различных по своим свойствам грунтов. С полигонов разных лет закрытия, с разными показателями загрязнения и с различным запасом питательных веществ.
В таблице 9 приведены данные по прорастанию семян амаранта и биометрические показатели проростков. Видно, что угнетение прорастания (60% всхожести) отмечено для точки 5 полигона 1997г., где полностью отсутствовало зарастание сорной растительностью, но при этом грунты не отличались повышенным содержанием ТМ. Самая низкая всхожесть семян (47%) была на полигоне 2002г. (грунт с точки 9), где отсутствовало зарастание сорными видами растений, грунт по содержанию ТМ не отличался от грунтов в других точках, но в нем было найдено повышенное содержание хлорида и кальция (рис. 12). Таким образом, судя по изменению процента всхожести семян чувствительность амаранта к ТМ в стадии прорастания не проявилась, хотя все исследованные грунты в той или иной степени отрицательно влияли на прорастание семян.
В таблице 9 представлено изменение ростовых характеристик амаранта при длительном произрастании на различных грунтах (56 дней), а на рисунке 13 -общий вид растении. Вследствие различий по всхожести семян при длительным выращивании проростков амаранта (56 дней) варианты опыта различались по числу растений. Для этой стадии роста получены более яркие различия в состоянии растений.
На рисунке 13 видно, что исследуемые грунты в различной степени поддерживали рост и развитие растений амаранта, влияя на накопление ими биомассы, линейные размеры органов и окраску листьев. Явное угнетение роста было характерно для 4, 7, 9 и 10-ой реперной точки. При этом грунт в 9-ой точке оказался токсичным для всех исследованных видов растений, что явно связано с увеличением содержания хлорида и кальция. Листья растений, выращенных в грунтах 7, 8 и 10-ой точки, имели светлозеленую окраску, что свидетельствовало о пониженном содержании хлорофилла. (Рис. 13, табл. 10). Возможной причиной выцветания хлорофилла могло быть низкое содержание в этих грунтах питательных элементов и в наибольшей мере азота. Однако, корреляция между содержанием хлорофилла в листьях и нитратного азота в грунте оказалась отрицательной, а между хлорофиллом и аммиачным азотом, напротив, положительной. Это может указывать на то, что для амаранта аммиачный азот оказывается более предпочтителен, чем нитратный, хотя его содержание в грунтах гораздо ниже, чем нитрата (рис. 12), который в большом количестве накапливается в результате высокой активности нитрифицирующих бактерий в теле полигонов ТБО.
Для выяснения роли обеспеченности грунтов питательными элементами и в том числе азотом для произрастания амаранта был проведен опыт с подкормкой растений полной питательной смесью Джонсона, содержащей обе формы азота (нитратного и аммиачного).
Полив растений х/г нормой питательного раствора Джонсона позволил в 2 и 3 раза повысить в листьях содержание хлорофилла и увеличить накопление биомассы растениями (Табл. 10, 11, рис. 14, 15). В результате дополнительное внесение питательных элементов в исследуемые грунты значительно улучшило общее состояние всех растений, в том числе и тех прорастание семян которых было подавлено. Это указывает на то, что при закрытии полигонов ТБО и создании рекультивационного почвенного слоя внесение удобрений является необходимым приемом, предшествующим проведению фитомелиоративных работ.
Устойчивость растений вейника наземного к скашиванию
Для оценки возможности использования вейника наземного для рекультивации загрязненных почв было важно оценить устойчивость растений к скашиванию и определить величину выноса ТМ со скошенной биомассой при выращивании вейника в почвенной культуре с внесением солей ТМ.
Как следует из рисунка 19 вейник оказался довольно устойчивым к многократному скашиванию надземной массы, о чем свидетельствует возобновление отрастания побегов, хотя в присутствии высокой концентрации нитрата никеля (350 мг/кг почвы) суммарная надземная масса за 4-е скашивания снизилась почти в 2 раза, что значительно превышало негативный эффект солей Си при той же концентрации(табл. 16). Вполне возможно предположить, что в отличие от других ТМ никель слабее связывался поглощающим комплексом торфа и в значительно большей степени содержался в подвижной более доступной форме для растений. Тем не менее, вынос Ni скошенной массой вейника (при содержании 350мг/кг грунта Ni(N03)2) составил 173,2 мг/м2 (табл. 16), что оказывается приемлемым для использования его для очистки загрязненных почв.
Токсические концентрации меди и цинка незначительно влияли на рост и развитие растений, однако и накапливались в надземной биомассе в меньшей степени, чем в растениях, выращенных на грунтах, загрязненных никелем и свинцом. Как мы видим из таблицы 16, вейник наземный накапливал до 266 мг/м2 РЬ при незначительной потере биомассы, что говорит о том, что в данных условиях РЬ оказывал менее токсичное действие, чем Ni.
Сейчас большое значение для фиторемедиации имеет поиск и внедрение эффективных безвредных соединений - стимуляторов процесса фиторемедиации. Поскольку вейник наземный имеет мелкие семена с низкой всхожестью (около 75%) и длительным периодом прорастания (около 14 суток), что снижает его конкурентоспособность, а также для увеличения его биомассы, что в дальнейшем может увеличить вынос ТМ, было изучено, как он отзывается на внесение различных доз азотных удобрений.
Из изученных питательных веществ (сульфат аммония ([NH4]2S04), нитрат аммония (NH4N03), нитрат кальция (СаТТОз]2), мочевина (CO[NH2]2)), наилучшим положительным эффектом обладала мочевина. Далее приведены данные по ее применению.
При проращивании семян вейника наземного на различных концентрациях мочевины (CO[NH2]2) на 7-ой день максимальный показатель всхожести отмечался при концентрации мочевины 1,25мМ на 23 % превышая контрольный, минимальный показатель отмечался при концентрации 1,67мМ, где всхожесть на 3 % оказалась меньше контрольной.
При всех концентрациях мочевины длина колеоптилей превышала длину проростков контрольного варианта. На 14-ый день максимальная длина колеоптеля отмечалась при концентрации мочевины 0,83 мМ, минимальная при концентрации 0,17 мМ. На 24-ый день максимальная длина колеоптеля наблюдалась при концентрации соли аммония 0,42 мМ, минимальные при концентрации 0,17 и 1,67 мМ на 7 % превышая контроль.
Максимальная длина корней на 27-30 % была, меньше чем в контрольной пробе. При повышении концентрации мочевины отмечалась отчетливое снижение показателей длины корней.
Кущение в чашках с добавлением мочевины значительно превышает аналогичные показатели контрольного варианта. На 14-ый день кущение увеличивается с повышением концентрации мочевины до 0,83 мМ, при концентрациях 1,25 мМ и 1,67 мМ отмечался небольшой спад. На 24-ый день при всех концентрациях мочевины достигается 100 % кущение, при этом в контрольном варианте кущение составляло 37%.
Следовательно для улучшения фиторемедиационного эффекта в полевых условиях необходимо применение азотных удобрений, а именно мочевины. Распределение ТМ по тканям вейника наземного
Выявленные закономерности накопления ТМ растениями вейника наземного свидетельствуют о том, что для этого многолетнего злака наиболее значимо проявился феномен аккумуляции Ni, что может, по крайней мере отчасти определяться особенностями его транспорта в побеги, о чем можно судить по распределению металла в тканях.
Гистохимический анализ распределения Ni в тканях вейника наземного показал, что Ni накапливается преимущественно в протопластах клеток во всех тканях корня (рис. 20 а, б, в). Ni свободно поступал в ткани центрального цилиндра, что служит доказательством того, что эндодерма не является универсальным барьером, ограничивающим транспорт тяжелых металлов в стель. В некоторых случаях отмечалось его неравномерное распределение по участкам корня.
При достаточно медленном прорастании семян и образовании первичного корня и побега (7 дней) Ni в побегах был обнаружен главным образом в клетках проводящих пучков.
В отличие от Ni, Pb и Cd накапливались, главным образом, в клеточных оболочках (рис.20 г, д). Осадок дитизоната РЬ был обнаружен во всех тканях корня, что свидетельствует о том, что при используемых значительных концентрациях (0.1 и 0.2 мМ), эндодерма не ограничивала его поступление в ткани центрального цилиндра (рис. 20г). Cd был обнаружен преимущественно в оболочках клеток ризодермы и коры и лишь незначительное количество кристаллов наблюдалось в тканях центрального цилиндра, что свидетельствует о барьерной роли эндодермы, пояски Каспари которой ограничивают транспорт ионов, передвигающихся по апопласту (рис. 23д). В надземных органах содержание РЬ и Cd было ниже предела определения дитизонового метода.
Похожие диссертации на Исследование способности вейника наземного аккумулировать тяжелые металлы с целью разработки технологии фиторемедиации
