Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Тяжелые металлы в системе «почва - растение» 7
1.1 Тяжелые металлы и их токсичное действие в окружающей среде 7
1.2 Основные источники поступления тяжелых металлов в агроэкосистемы 13
1.3 Механизмы поступления тяжелых металлов в растения 18
1.4 Методы, способствующие ограничению миграции тяжелых металлов из почвы в растения 21
Глава 2 Материал и методы исследований 27
2.1 Природно-климатическая характеристика района исследований 27
2.2 Объекты и методы исследований 29
Глава 3 Результаты исследований 36
3.1 Влияние Pb, Cd, Си и их детоксикантов на агрохимические и физико химические характеристики почвы 36
3.2 Оценка эффективности детоксикации тяжелых металлов в системе «почва-растение» методом биотестирования 43
3.2.1 Ферментативная активность, как биоиндикатор загрязненной тяжелыми металлами почвы 43
3.2.2 Энергия прорастания и всхожесть семян тест-растений (моркови Daucus carota L.) 52
3.2.3 Рост и развитие растений 62
3.2.4 Содержание фотосинтетических пигментов в листьях 75
3.3 Влияние детоксикантов на аккумуляцию тяжелых металлов в почве и растениях, экологическую безопасность и биологическую полноценность растительной продукции
3.3.1 Подвижность и накопление тяжелых металлов в почве 81
3.3.2 Содержание тяжелых металлов в растениях 88
3.4 Экологическая безопасность и биологическая полноценность растительной продукции 95
3.5 Эффективность использования детоксикантов 100
Выводы 102
Практические рекомендации: 104
Библиографический список
- Основные источники поступления тяжелых металлов в агроэкосистемы
- Методы, способствующие ограничению миграции тяжелых металлов из почвы в растения
- Объекты и методы исследований
- Влияние детоксикантов на аккумуляцию тяжелых металлов в почве и растениях, экологическую безопасность и биологическую полноценность растительной продукции
Основные источники поступления тяжелых металлов в агроэкосистемы
Повышенный интерес к свинцу вызван его приоритетным положением в ряду основных загрязнителей окружающей природной среды (Ковальский, 1974; Сает, 1987; Доклад..., 1997; Снакин, 1998; Макаров, 2002). Металл токсичен для;микроорганизмов, растений, животных и людей. Однако ряд исследователей (Ильин, 1985; Кальницкий, 1985; Авцын и др., 1991; Волошин, 2003, 2005) приводят данные подтверждающие, что металл жизненно необходим для животных. Так, крысы испытывают недостаток этого элемента при концентрации его в корме менее 0,05-0,5 мг/кг. В небольших количествах он необходим и растениям. Дефицит свинца в растениях возможен при его содержании в надземной части от 2 до 6 мкг/кг сухого вещества (Кальницкий; 1985; Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989).
. Избыток свинца врастениях, связанный с высокой его концентрацией в почве, ингибирует дыхание и подавляет, процесс фотосинтеза, иногда приводит к увеличению содержания кадмия и снижению поступления цинка, кальция, фосфора, серы. Вследствие этого; снижается урожайность растений и резко ухудшается.качество производимой продукции. Внешние симптомы негативного воздействия свинца - появление темно-зеленых листьев, скручивание старых листьев, чахлая листва. Устойчивость растений к его избытку неодинакова: менее устойчивы злаки, более устойчивы бобовые. Поэтому симптомы токсичности у различных культур-могут возникнуть при разном валовом содержании свинца в почве - от 100 до 500 мг/кг (Кабата-Пендиас, Пендиас, 1989; Ильин, Сысо, 2001). Концентрация металла выше 10 мг/кг сухого вещества является токсичной для большинства культурных растений (Рэуце, Кырстя, 1986).
В организм человека свинец в основном поступает через пищеварительный-тракт и-аккумулируется в почках, печени, селезенке и костных тканях (Кукушкин, 1998). При: свинцовом токсикозе поражаются в первую очередь органы- кроветворения (анемия), нервная система (энцефалопатия и нейропатия) и почки (нефропатия). Наиболее восприимчива к свинцу гематопоэтическая система, особенно у детей.
Кадмий хорошо известен, как токсичный элемент для живых организмов уже при низких концентрациях (Ильин, Сысо, 2001), но он же относится к группе «новых» микроэлементов (кадмий, ванадий, кремний, олово, фтор) способных стимулировать рост некоторых животных (Авцын и др., 1991). Для высших растений позитивное значение кадмия достоверно не установлено.
Кадмий достаточно легко поступает из почвы и атмосферы в растения (Ендовицкий, 2009). По фитотоксичности и способности аккумулироваться в растениях в ряду ТМ он занимает первое место (Cd Си Zn Pb) (Овчаренко и др., 1998). Токсичность кадмия для растений проявляется в нарушении активности ферментов, торможении фотосинтеза, нарушении транспирации, а таюке ингибировании восстановления N02 до NO. Кроме того, в метаболизме растений он является антагонистом ряда элементов питания (Zn, Си, Mn, Ni, Se, Са, Mg, Р). У растений наблюдаются задержка роста, повреждение корневой системы и хлороз листьев.
Кадмий способен накапливаться в, организме человека и животных, т.к. сравнительно легко усваивается из пищи и воды. Токсичное действие металла проявляется уже при очень низких концентрациях: ингибируется синтез ДНК, белков и нуклеиновых кислот, уменьшается активность ферментов, нарушается усвоение и обмен других микроэлементов (Zn, Си, Se, Fe), что может вызывать их дефицит (Гигиенические критерии, 1980).
Обмен кадмия в организме характеризуется следующими основными особенностями: отсутствием эффективного механизма гомеостатического контроля; длительным удержанием (кумуляцией) в организме с очень долгим периодом полувыведения (в среднем 25 лет); преимущественным накоплением в печени-и почках; интенсивным взаимодействием с другими двухвалентными металлами, как в процессе всасывания, так и на тканевом уровне (Авцын и др., 1991). Хроническое воздействие кадмия на человека приводит к нарушениям почечной функции, легочной недостаточности, остеомаляции, анемии и потере обоняния. Существуют данные о возможном канцерогенном эффекте кадмия и1 о вероятном участии его в развитии сердечно-сосудистых заболеваний. Наиболее тяжелой формой хронического отравления кадмием является болезнь итай-итай, характеризующаяся деформацией скелета с заметным уменьшением роста, поясничными болями, болезненными явлениями в мышцах ног, утиной походкой. Кроме того, отмечаются частые переломы размягченных костей даже при кашле, а также нарушение функции поджелудочной железы, изменения в желудочно-кишечном тракте, гипохромная анемия, дисфункция почек и др. (Авцын и др., 1991).
Медь - является одним из важнейших незаменимых элементов, необходимых для живых организмов. В растениях она активно участвует в процессах фотосинтеза, дыхания, восстановления и фиксации азота. Медь входит в состав целого ряда ферментов-оксидаз — цитохромоксидазы, церулоплазмина, супероксидадисмутазы, уратоксидазы и других (Школьник, 1974; Авцын и др., 1991) и участвует в биохимических процессах как составная часть ферментов, осуществляющих реакции окисления субстратов молекулярным кислородом. Данные по токсичности элемента для растений немногочисленны. В настоящее время основной проблемой считается недостаток меди в почвах или ее дисбаланс с кобальтом. Основные признаки дефицита меди для растений — замедление, а затем и прекращение формирования репродуктивных органов, появление щуплого зерна, пустозернистых колосьев, снижение устойчивости к неблагоприятным факторам внешней среды. Наиболее чувствительны к ее недостатку -пшеница, овес, ячмень, люцерна, столовая свекла, лук и подсолнечник (Ильин, Сысо 2001; Adriano,1986; Eikmann, 1991; Harter, 1992).
Методы, способствующие ограничению миграции тяжелых металлов из почвы в растения
Таким образом, тенденция изменений изучаемых показателей под действием ТМ в лабораторном и лабораторно-вегетационном экспериментах имела общие закономерности — наименьшие значения этих показателей отмечены у семян в вариантах с кадмием и свинцом, а максимальное значение энергии прорастания и всхожести семян по сравнению с контролем (металл) характерно при применении в качестве детоксикантов гумата натрия и катионита.
Как было отмечено ранее, наиболее негативное воздействие на всхожесть и энергию прорастания оказало повышенное содержание солей кадмия (Коротченко, 2010). Так, в лабораторных исследованиях энергия прорастания семян, помещенных в раствор с концентрацией Cd 5 ПДК была достоверно (Р 0,01) ниже контроля (дистиллированная вода) на 34,1%, а всхожесть — на 29,2%; в лабораторно-вегетационном - 31,2% и 31,1% соответственно.
При внесении детоксикантов разница с контролем уменьшалась. Наибольший позитивный эффект был получен при использовании гумата натрия в дозе 0,15 г/л раствора (0,15 г/кг почвы) и катионита - 1,5 г/л (1,5 г/кг). Так, по сравнению с контролем (металл — медь) гумат натрия способствовал повышению показателей до 15%, катионит — до 14% (рис. 3.13-3.14). Суперфосфат в качестве детоксиканта показал свою эффективность, но при его применении были отмечены наименьшие значения отличий от контроля (металл) (до 8%). (
Таким образом, в вариантах с внесением Си, Cd, Pb с увеличением концентраций происходит снижение энергии прорастания и всхожести семян моркови, причем это изменение в зависимости от концентрации металла отличается и носит линейный характер (R =0,67—0,99). Наиболее токсичным оказался вариант с кадмием, и по результатам исследований можно представить следующий ряд токсичности металлов: Си Pb Cd.
Использование детоксикантов достоверно увеличило жизнеспособность семян. Так, энергия прорастания и всхожесть практически не отличались от фоновой при использовании катионита в дозе 3,0 г/кг почвы - при загрязнении ее до З ПДК медью, 2 ПДК кадмием и свинцом (разница достоверна). Наибольший позитивный эффект получен при использовании гумата натрия в дозе 0,3 г/кг и птичьего помета 30 г/кг почвы. Разница с фоном отсутствовала до 4 ПДК меди, 3 ПДК свинца и 2 ПДК кадмия.
Отклик растений на стресс, вызванный дефицитом или токсичностью ТМ, определяется физиологической значимостью элемента для организма. Жизненно необходимые элементы вызывают метаболические нарушения у растений не только при их недостатке, но и при избытке. Реакция растений на избыток остальных ТМ, роль которых на сегодняшний день не установлена, проявляется в задержке развития и гибели (Kabata —Pendias, 1999; Степанок, 2001; Аштабаева, 1999; Ильин, 1985; Коротченко, 2010 (б)). Биометрические параметры проростков Как тест-реакции высших растений учитывались биометрические параметры проростков моркови (длина проростка, длина корня).
В лабораторных исследованиях была изучена длина проростков моркови сорта Марлинка (на 10 сутки). Так установлено, что Cd снижает рост проростков до 30% в отличие от контроля. В лабораторно-вегетационном эксперименте искусственное загрязнения почв также ингибировало биометрические параметры растений, что подтверждается исследованиями других авторов (Тупицина с соавт., 2001; Реутова, 2008; Ульяненко, 2009). Причем отмечено ингибирование в большей степени корней, чем проростков растений (Коротченко, 2010 (a); Korotchenko, 2010). На 30, 60 день после появления всходов наибольшая достоверная (Р 0,01) депрессия длины корней и побегов проявлялась в вариантах с кадмием (33,1% и 28,2% соответственно) и свинцом (29,3% и 23,1% соответственно), а наименьшая — в вариантах с медью (24,2% и 18,3% соответственно) (рис. 3.15). Использование детоксикантов положительно повлияло на величину биометрических параметров, как на 30 день от появления всходов, так и на 60 день. Достоверно (Р 0,01) отмечено, что наилучшим детоксикантом для изучаемых металлов является гумат натрия. Так, в вариантах с кадмием, медью он способствовал увеличению длины побега и корня проростка моркови до уровня контроля, а в варианте со свинцом - примерно на 20 % по сравнению с вариантом - свинец без детоксиканта. ; Однофакторный дисперсионный анализ показал достоверное (Р 0,01) увеличение биометрических параметров проростков моркови при применении и других изучаемых детоксикантов - это суперфосфат и катионит.
Объекты и методы исследований
Таким образом, в результате исследования выявлено, что при выращивании моркови сорта Марлинка на искусственно загрязненных почвах свинцом, медью и кадмием в дозах 5 ПДК происходит снижение биохимических показателей. При использовании детоксикантов: гумата натрия, суперфосфата, катионита, птичьего помета отмечено положительное действие на исследуемые биохимические показатели моркови. Также, применение детоксикантов позволяет снизить содержание нитратов в корнеплодах моркови и получить экологически безопасную и биологически полноценную продукцию.
В таблице 3.32 приведен сравнительный анализ эффективности использования детоксикантов, основанный на ранее приведенных эмпирических материалов. Из табличных данных видно, что наибольший положительный эффект оказали гумат натрия и птичий помет в дозе 0,3 г/кг и 30 г/кг почвы соответственно. Их использование позволяет нивелировать негативное воздействие на тест-растения (морковь) загрязнения почвы свинцом до 3 ПДК, медью - до 4 ПДК, кадмием - до 2 ПДК.
Приводя эколого — экономическую оценку эффективности применения детоксикантов тяжелых металлов, следует отметить, что эти продукты не несут экологического напряжения в окружающую среду, что подтверждается расчетами, которые значительно ниже ОДК и разница составляла по свинцу — 0,06; меди - 0,09; кадмию - 0,14; (ОДК ТМ (ГН 2.1.7.2042-09).
При этом эффективность применения мелиорантов выразилась в повышении рентабельности производства хозяйственно-полезной продукции, которая составляет в технологии возделывания моркови столовой сорт Марлинка -38,7%.
Выявлено позитивное влияние мелиорантов органического (гумат натрия, птичий помет), неорганического (суперфосфат) и синтетического (катионит) происхождения при модельном загрязнении почвы Pb, Cd, Си на ее агрохимические и физико-химические характеристики.
Для чернозема выщелоченного Красноярской лесостепи характерен следующий ряд ферментов по убыванию чувствительности к моноэлементному типу загрязнения: для РЬ: протеаза уреаза инвертаза каталаза; для Си: протеаза инвертаза каталаза уреаза; для Cd: уреаза каталаза протеаза инвертаза.
При использовании детоксикантов происходит усиление ферментативной активности почвы. Наибольшее увеличение отмечено при применении гумата натрия и птичьего помета в дозе 0,3 г/кг и 30 г/кг почвы:
Жизнеспособность семян, рост и развитие тест-растений (морковь Daucus carota L.) показали эффективность использования в качестве детоксикантов соединений свинца, меди и кадмия гумата натрия, птичьего помета и катионита.
Под действием тяжелых металлов в листьях моркови происходит уменьшение уровня хлорофилла а, хлорофилла Ъ и каротиноидов, и соотношения «хлорофилл а / хлорофилл Ь», при этом значения соотношения «хлорофиллы (а+Ь): каротиноиды» увеличиваются. Использование детоксикантов оказало позитивное влияние на пигментный фонд.
При внесении двойных доз гумата натрия и катионита через 120 дней инкубации подвижность тяжелых металлов по сравнению с контролем снизилась на 4,6 и 3,2% (РЬ), 2,3 и 2,6% (Си) и 6,5 и 7,3% (Cd), соответственно.
Без использования детоксикантов (контрольный вариант) превышение ПДК в корнеплодах моркови наблюдалось уже при внесении в почву 110,6 мг/кг свинца (2 ПДК), 165,4 мг/кг меди (3 ПДК), 0,57 мг/кг кадмия (1 ПДК). Применение детоксикантов позволило уменьшить аккумуляцию ТМ в моркови. Наибольшую эффективность показали гумат натрия и птичий помет в дозе 0,3 г/кг и 30 г/кг почвы соответственно.
Министерству природных ресурсов и лесного комплекса Красноярского края» рекомендовать использовать биотестирование наряду с химическим анализом при оценке степени загрязнения почвы тяжелыми металлами;
Министерству сельского хозяйства и продовольственной политики Красноярского края рекомендуется на загрязненных соединениями свинца, кадмия и меди до 5 ПДК почвах для уменьшения их поступления в овощную продукцию использовать в качестве детоксикантов гумат натрия в дозе 0,1 т/га, птичий помет - 10 т/га;
результаты исследований используются в учебном процессе студентов направлений: 110100 - «Агрохимия и агропочвоведение», 110200 -«Агрономия» по дисциплинам: «Общая экология», «Экология человека», «Охрана окружающей среды и рациональное природопользование» в ФГОУ ВПО «Красноярский государственной аграрный университет» и при реализации образовательной программы «Экология и экономика природопользования» в КГБОУДОД «Красноярская краевая станция юннатов» (акты внедрения прилагаются).
Влияние детоксикантов на аккумуляцию тяжелых металлов в почве и растениях, экологическую безопасность и биологическую полноценность растительной продукции
Установлено существенное влияние модельной загрязненности почвы тяжелыми металлами на их аккумуляцию в растениях. Линейная регрессионная модель перехода подвижных форм тяжелых металлов из почвы в корнеплоды моркови имеет вид (рис. 3.21). Так, поступление кадмия в морковь возрастало линейно, пропорционально концентрациям подвижных форм элемента (г=0,95...0,98, Р 0,01 ), достигнув максимума при самом высоком уровне загрязнения. В корнеплодах моркови наиболее высокое его количество установлено при содержании подвижного кадмия 0,81 мг/кг в почве
Содержание подвижных форм тяжелых металлов в почве, мг/кг Рисунок 3.21 - Зависимость содержания тяжелых металлов в корнеплодах моркови от концентрации тяжелых металлов в почве
Морковь по-разному реагирует на загрязнение чернозема выщелоченного ТМ. При увеличении содержания ТМ в почве происходит и некоторое повышение их концентраций в корнеплодах растений моркови Превышение ПДК по свинцу в корнеплодах моркови составило от 1,12 до 3,15 ПДК, кадмия -1,16 - 4,32 ПДК, меди - от 1,23 до 2,11 ПДК. Более низкое накопление свинца, по сравнению с кадмием, в корнеплодах моркови объясняется слабой подвижностью этого элемента. Кадмий же сравнительно быстро поглощается и перемещается в растения. Подобную аккумуляцию в овощные культуры наблюдал. Е.И. Волошин (2000).
Таким образом, внесение ТМ (Pb, Си, Cd) в чернозем выщелоченный в дозах 1-5 ПДК приводит к резкому повышению содержанию их валовых и подвижных форм в почве, а также происходит повышение их концентраций в корнеплодах растений моркови.
Показатели накопления исследуемых тяжёлых металлов в почве и в растениях характеризовались одинаковой направленностью. Для свинца, кадмия и меди с повышением уровня загрязнения все коэффициенты повышались по сравнению с вариантом внесения элементов в дозе 1 ПДК (табл. 3.28). Показатели накопления ТМ в почве и в растениях имеют максимальные значения при загрязнении кадмием на уровне 5 ПДК.
Таблица 3.28 - Относительные показатели, характеризующие процессы миграции в системе «почва-морковь»
Уровень загрязнения X Зп (накопления элемента в почве) X Зап (активногозагрязненияпочвы) X Зр (общегозагрязнениярастений) Б" (защитныхвозможностейпочвы)
Одной из характеристик, отражающих уровень потребления ТМ культурами, является коэффициент биологического поглощения (КПБ) -отношение содержания элемента в золе растений к его содержанию в почве. Если коэффициент биологического поглощения больше 1, тогда можно говорить о способности растения аккумулировать тот или иной элемент. По группировке Ильина (2007), морковь имеет среднюю степень защищенности от ТМ. В эксперименте рассматривали коэффициенты поглощения подвижных форм тяжелых металлов. Установлено, что в среднем величина КПБ возрастала в следующей последовательности - Pb Cd Си. Согласно шкалы И.А. Авессаломова (1987), к элементам сильного накопления (10 КБП 1) относится кадмий, медь и цинк, к элементам слабого накопления (1 КБП 0,1) - свинец и железо.
На фоновом образце коэффициенты поглощения подвижной формы свинца, меди и кадмия составляют соответственно следующие значения: 0,022; 0,448; 0,174 (табл. 3.29). В зависимости от КБП установлен возрастающий ряд подвижности элементов в растения моркови: Cd Pb Си.
Детоксиканты способствовали снижению КБП тяжелых металлов. Под влиянием гумата натрия в дозе 0,3 г/кг разница с фоном отсутствовала до 4 ПДК меди, З ПДК свинца и 2 ПДК кадмия. Суперфосфат позволил эффективно снизить данный показатель при загрязнении почвы свинцом до,2 ПДК, медью - 3 ПДК и кадмием - до 1 ПДК. /
Анализируя результаты кластеризации по максимуму коэффициента корреляции между исследуемыми параметрами: биометрические параметры моркови, активность ферментов, содержание ТМ в почве и растениях, отмечено сходство между вариантами Фон+ЗПДКСо1 и Фон+4ПДКСс1, Фон+ЗПДКСсі, Фон+4ПДКСс1 и Фон+2ПДКСс1, а также Фон+1ПДКСс1 и Фон+ЗПДКСсі, но все они находятся в трех разных кластерах, причем каждая из перечисленных пар имеет схожий тип загрязнения (рис. 3.22).
Установлено, что без использования детоксикантов (контрольный вариант) превышение ПДК в корнеплодах моркови наблюдалось уже при внесении в почву 110,6 мг/кг свинца (2 ПДК), 165,4 мг/кг меди (3 ПДК), 0,57 мг/кг кадмия (1 ПДК) (рис. 3.23-3.28, Приложение 6-8).
Использование детоксикантов позволило уменьшить аккумуляцию ТМ в моркови. Наибольшую эффективность показал гумат натрия. При внесении его в дозе 0,3 г/кг морковь отвечала гигиеническим требованиям при загрязнении почвы свинцом до 3 ПДК, медью — 4 ПДК и кадмием - до 2 ПДК включительно. Менее эффективным среди мелиорантов оказался суперфосфат. При его использовании в двукратной дозе (7,5 г/кг почвы) экологическая безопасность растительной продукции отмечалась при загрязнении почвы до 2 ПДК свинцом, 1 ПДК кадмием и 3 ПДК медью.
Загрязнение почвы ТМ оказало негативное воздействие и на биологическую полноценность растительной продукции, в частности на биохимические характеристики корнеплодов моркови. Наибольший отрицательный эффект обнаружен от ионов кадмия.
Подобный отрицательный эффект на биохимические характеристики растений выявляли и другие исследователи (Елькина, 2001; Котлярова, 2003; Меркушева, 2001; Музурова, 2006; Потатуева, 1998; Степанок, 1998, 2000; Гармаш, 1986).
Так, при внесении в почву 5 ПДК кадмия в корнеплодах достоверно уменьшилось (Р 0,01) содержание сухого вещества на 12,1%, Сахаров на 17,1% , каротина на 5,4% , витамина С на 6,2%, витамина РР на 19,1%.
Использование детоксикантов позволило улучшить биохимические характеристики растительной продукции. Так, содержание изучаемых характеристик по сравнению с контролем увеличилось (Р 0,01; Р 0,05) при применении двойных доз гумата натрия и птичьего помета на 26,7% и 22,1% (витамин РР), - 5,5%о и 4,1% (витамин С), 6,5% и 3,3% (каротин), 13,8 % и 6,6% (сахара), 12,1% и 7,8% (сухое вещество) соответственно.
