Введение к работе
Актуальность исследования. Одними из важнейших экологических проблем современности является сохранение и рациональное использование главного природного ресурса планеты — земли и ее важнейшего компонента — почвы. В почве аккумулируются различные химические элементы, органическое вещество и энергия. Она является экологической нишей для многочисленных живых организмов, которые активно участвуют в формировании состава атмосферы, в земных и гидрологических циклах (Ковда, 1989; Добровольский, Никитин, 1990; Структурно-функциональная роль..., 1999).
В результате увеличения воздействия хозяйственной деятельности человека на окружающую среду происходят существенные изменения в химическом составе почвенного покрова обширных территорий. Одну из приоритетных групп загрязняющих веществ образуют тяжелые металлы (ТМ), к которым относятся, в том числе, медь и никель. Основная их масса поступает с выбросами индустриальных предприятий в нижние слои тропосферы, вовлекается в аэрозольную миграцию и осаждается на поверхности почвы (Schalscha et al, 1987; Аэротехногенное..., 1993). Накопление меди и никеля в почве приводит к загрязнению металлами сельскохозяйственной продукции, грунтовых вод и наземных водоемов, кумуляции их в тканях и органах растений и животных. По пищевым цепям металлы попадают в организм человека, что способствует развитию патологических состояний различной этиологии.
Нередко загрязнение почв ТМ сопряжено с их засолением, связанным с активной мелиорацией земель. Остро стоит проблема ремедиации загрязненных медью и никелем почв с повышенным солесодержанием в Балаковском муниципальном образовании (БМО) Саратовской области. Этот район характеризуется высокой концентрацией промышленных предприятий, развитой теплоэнергетикой, в том числе атомной, а также обширными сельскохозяйственными угодьями. Антропогенное воздействие отражается на состоянии почвенного покрова: в пахотном слое почвы Балаковского района наблюдается избыточное содержание хлоридов щелочных и щелочноземельных металлов, а также присутствие меди и никеля на уровне 2,5 предельно допустимых концентраций (ПДК) и выше (Доклад..., 2002).
В настоящее время перспективным методом восстановления загрязненных территорий считается фиторемедиация - очистка почвы с помощью растений. Отдельные виды растений, произрастающие на загрязненных территориях, могут накапливать в своих тканях определенное количество ТМ без видимых признаков угнетения. Известно, что кукуруза и подсолнечник, которые приспособлены к условиям произрастания в степной зоне, в том числе, в районах Саратовской области, способны аккумулировать некоторые тяжелые металлы. Таким образом, регуляция процессов очистки почв от металлов является актуальной задачей экологии.
Цель и задачи исследования.
Целью работы является: выявление возможности фиторемедиации почв, загрязнённых ионами Си2+ и М2+в условиях хлоридного засоления.
Для решения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
Сравнить способность различных растений произрастать на засоленных почвах, загрязненных ионами меди и никеля.
Исследовать ростовые характеристики (длины побега, корня, массу проростка) подсолнечника {Heliantus annus L.) и кукурузы {Zea mays L.) в
почвах, содержащих Си , Ni , СГ в различных концентрациях.
Изучить особенности изменения концентрации ионов меди и никеля в почвах различной степени засоления при культивировании подсолнечника и кукурузы.
Установить количественное распределение ионов Си2+ и Ni2+ в органах кукурузы с различным их начальным содержанием в среднезасоленной почве.
Исследовать процесс экстракции кукурузой ионов Си2+ и Ni2+ при их совместном присутствии в незасоленной и среднезасоленной почве.
Научная новизна. Проведен поиск и подбор растений, устойчивых к действию засоления и высоких концентраций меди и никеля. На основе скрининга выбраны кукуруза и подсолнечник, как наиболее устойчивые к высоким концентрациям ионов меди, никеля и хлорида натрия, приспособленные к условиям произрастания в степной зоне, в том числе, в Балаковском районе Саратовской области. Установлено, что фитоэкстракционная способность кукурузы и подсолнечника зависит от степени засоления почв и концентрации в них ионов меди и никеля. Показано, что при средней степени засоления почв (0,3-0,6%) способность растений аккумулировать ТМ увеличивается для меди на 5-13%, никеля на 10-20%. Определено, что основная масса поглощенных ионов меди и никеля локализуется в корнях. При высоких концентрациях ТМ переходят в стебли и листья, не попадая в початки. Засоление почв хлоридом натрия усиливает
9+ 9+
данный процесс. В лабораторных условиях изучено влияние ионов Си и Ni при их совместном присутствии в почве на способность кукурузы к экстракции данных металлов. Выявлено, что в среднезасоленной почве при различном соотношении металлов ионы меди являются более предпочтительными для растений.
Научно-практическая значимость работы. Проведенные исследования показали возможность практического использования кукурузы для фитоэкстракции ионов меди и никеля в условиях засоления почв, характерного признака сельскохозяйственных угодий БМО. Средняя засоленность почв увеличивает способность кукурузы аккумулировать ионы этих металлов. Данный фактор может быть использован при фиторемедиации различных антропогенно нарушенных земель. В натурных испытаниях, установлено, что за полный период вегетации большая часть металлов накапливается в корнях. При
загрязнении почв металлами свыше 5 ПДК, они частично переходят в стебель и листья, а в початки не поступают, что позволяет использовать их для пищевых целей. Для избежания вторичного загрязнения почв ТМ при уборке кукурузы необходимо удалять ее корневую систему.
Апробация работы. Основные результаты и положения работы представлены на конференциях: третьей и четвертой Всероссийских научно-практических конференциях «Экологические проблемы промышленных городов» (Саратов, 2007, 2009); Всероссийской научной конференции молодых ученых «Молодые ученые - наука и производство» (Саратов, 2007, 2008); VIII Международной конференции Российского общества экологической экономики «Экономическое развитие и окружающая среда: стратегии, модели, инструменты управления» (Сочи, 2007); 11 Международной школе-конференции «Биология - наука 21 века» (Пущино, 2007); VII Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи НТТМ-2007 (Москва, 2007).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 работ, из них 2 в изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК РФ.
Декларация личного участия автора. Диссертантом выполнен весь объем экспериментальной работы, проведены обработка и анализ результатов, сделаны расчеты, сформулированы положения, выносимые на защиту и выводы. В совместных работах доля участия автора составила 70-80%.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 6 глав, выводов. Работа изложена на 138 страницах, содержит 24 рисунка, 17 таблиц, 8 приложений и список литературы, включающий 202 источника, из которых 55 на иностранных языках.
