Введение к работе
Актуальность темы. Интенсификация промышленного и сельскохозяйственного производства, развитие транспорта и активизация добычи полезных ископаемых неизбежно приводят к загрязнению природных экосистем тяжёлыми металлами. При этом одним из основных объектов загрязнения является почва. В результате загрязнения снижается качество почв и ценность сельскохозяйственных угодий. Одним из наиболее серьезных аспектов этой проблемы является то, что поступившие в почву тяжёлые металлы и продукты их трансформации поглощаются растениями и накапливаются в них в концентрациях, опасных для здоровья человека и животных.
В настоящее время в индустриально развитых странах активно развиваются экономичные и мягкие технологии ремедиации почв, загрязненных тяжёлыми металлами, в основе которых лежит способность специально подобранных видов высших растений и ассоциированной с ними микробиогы поглощать и аккумулировать в своей биомассе тяжелые металлы в количествах, значительно превышающих их содержание в среде произрастания.
Впоследствии загрязненная биомасса удаляется и утилизируется. В настоящее время в мире идентифицировано около 400 видов растений-гипераккумуляторов различных металлов из 22 семейств, использование которых в качестве фиторемедиантов вызывает у исследователей большой интерес.
В области фиторемедиации работают научные коллективы во многих странах мира, в том числе России. В работах Черных Н.А., Минеева В.Г., Буравцева В.Н., Крыловой Н.П., Постникова ДА., Мальцева В.Г., Павловской В.А., Brooks R, Ghosh М. и др. изложены основы фиторемедиации и изучена фиторемедиационная способность ряда растений. Вместе с тем, при изучении процессов фиторемедиации затрагивается большой круг вопросов, касающихся поведения тяжёлых металлов в системе почва - растение, что усиливает актуальность исследований по данной тематике.
Цель исследований состояла в выявлении перспективных для использования в фиторемедиационных технологиях растений в условиях комплексного загрязнения дерново-подзолистой почвы тяжелыми металлами.
В задачи исследований входило:
-
Определение содержания подвижных форм тяжёлых металлов (цинка, кадмия, свинца, никеля, меди и кобальта) в почвах при разном уровне их внесения.
-
Установление состояния и степени накопления биологической массы экспериментальных растений (кукурузы, бархатцев, львиного зева, шалфея, астр, душистого табака, амаранта, проса декоративного, мари белой, донника жёлтого, василька, горчицы белой, редьки масличной, алиссума, сорго,
календулы и сурепицы) при разном уровне комплексного загрязнения почвы тяжёлыми металлами.
-
Выявление растений, наиболее устойчивых к комплексному загрязнению тяжёлыми металлами при разных уровнях их внесения.
-
Определение содержания и характера распределения тяжёлых металлов в растениях между надземной массой и корневой системой.
5. Оценка ремедиационного потенциала экспериментальных растений с
учётом показателей коэффициента биологического поглощения,
коэффициента накопления, коэффициентов усвоения, транслокационного
коэффициента и длительности ремедиации.
Научная новизна. Коэффициенты биологического поглощения, накопления и усвоения характеризовались одинаковой направленностью для характеристики поглощения исследуемых тяжёлых металлов из почвы и накопления их растениями. Для свинца, цинка и меди с повышением уровня загрязнения все коэффициенты снижались; кобальта и никеля - повышались; кадмия - повышались по сравнению с контролем и далее были примерно на одинаковом уровне. Это можно объяснить различиями в токсичности тяжёлых металлов для исследуемых растений. Обратная связь между суммарным показателем загрязнения с одной стороны и этими коэффициентами с другой стороны для никеля, цинка и меди умеренная-сильная, для остальных элементов эта связь оказалась случайной.
Наибольшую устойчивость к комплексному загрязнению почвы тяжёлыми металлами проявили растения редьки масличной, календулы лекарственной и бархатцев. Масса их надземной части не изменялась с увеличением степени загрязнения, а у редьки масличной увеличилась по сравнению с контролем на 32%. Наименьшую устойчивость проявили шалфей лекарственный, просо декоративное, душистый табак (масса побегов при высоком уровне загрязнения по сравнению с контролем снизилась на 90%, 89% и 60% соответственно).
В условиях комплексного загрязнения почвы тяжёлыми металлами наблюдалась их низкая транслокационная способность в растениях. Наименьшей подвижностью во всех растениях характеризовался свинец (транслокационные коэффициенты при всех уровнях загрязнения менее единицы), наибольшей - цинк в случае кукурузы и горчицы белой, кадмий -кукурузы и душистого табака, кобальт - львиного зева; никель - алиссума морского и сахарного сорго.
Установлено, что ни одно из исследуемых растений не пригодно для существенного снижения валового содержания тяжёлых металлов и их подвижных форм (за исключением цинка и меди) в связи с длительностью процессов ремедиации. Ориентировочная длительность ремедиации почв при комплексном загрязнении почвы тяжёлыми металлами до фоновых значений по валовому содержанию растениями, которые накапливали их наибольшее количество, составляла 78-292300 лет, по подвижным формам - от 2-26700 лет.
Практическая значимость исследований заключается в необходимости поиска малозатратных технологий восстановления почв, загрязнённых
тяжёлыми металлами. В диссертационной работе даны рекомендации для проверки в полевых условиях ремедиационной способности табака душистого и шалфея лекарственного по отношению к подвижному цинку и горчицы белой - к подвижной меди.
В связи с тем, что почвы таёжно-лесной, степной и сухостепных зон характеризуются относительно низким содержанием меди и цинка, представляет интерес использование золы и компостов из растений (в частности, табака душистого, шалфея лекарственного и горчицы белой), выращенных на загрязнённых почвах.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на Международной научной конференции молодых учёных и специалистов «Вклад молодых учёных в развитие инноваций аграрной науки» (2009 год) и на Международной ежегодной научно-практической конференции РГАУ-МСХА имени К.А.Тимирязева (2009 год).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе 2 работы в журналах, включённых в Перечень ведущих рецензируемых журналов и изданий ВАК РФ.
Структура и объём диссертации. Работа изложена на 124 страницах
машинописного текста . Диссертация состоит из введения, 3-х глав,
выводов, приложения. Библиографический список содержит 198 наименований источников на русском и иностранных языках.
Автор выражает искреннюю благодарность научному руководителю д.б.н. Ганжаре Н.Ф., д.с.-х.н. Байбекову Р.Ф., д.б.н. Борисову Б.А., к.с.-х.н. Андреевой И.В., коллективу Испытательного центра почвенно-эколопгческих исследований за оказанную помощь в проведении исследований, кафедре агрономической и биологической химии за предоставленную возможность проведения опытов в вегетационном домике, и в особенности - своим дорогим родителям Злобину В.Н. и Злобиной И.В. за неоценимую моральную поддержку.
