Содержание к диссертации
Введение
1. Обоснование выбранного направления исследований по изучению техногенного загрязнения поллютантами агроэкосистем 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 124
Приложение 142
- Источники поступления свинца в почву
- Методика исследования и схемы опытов
- Динамика накопления свинца в почве в зависимости от мощности грузопотока и удаленности автомагистралей
- Содержание валовых и подвижных форм свинца в почве 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, 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.
Источники поступления свинца в почву
Свинец относят к тяжелым металлам. К этой группе относятся химические элементы, обладающие свойствами металлов и металлоидов, с плот-ностью более 5 г/см (Алексеев Ю.В., 1987). Для биологической классификации целесообразнее руководствоваться не плотностью, а атомной массой (Ильин В.Б., 1991). С этих позиций к тяжелым металлам относят химические элементы с атомной массой более 40 (Алексеев Ю.В., 1987) или — более 50 (Абуталыбов М., 1961; Власюк П.А., 1956; Ильин В.Б., 1991 и др.). В исследованиях биологов, экологов и биохимиков свинец рассматривается довольно часто, как очень токсичный тяжелый металл, негативно влияющий на окружающую среду (Алексеев Ю.В., 1987; Алексеенко В.А., 1990; Ильин В.Б., 1991; ХристофороваН.К., 1993).
Источники поступления тяжелых металлов в различные сферы обитания человека и животных подразделяются на природные (извержения вулканов, пожары, морская и ветровая пыль) и антропогенные (деятельность производящих и перерабатывающих предприятий, сжигание топлива и отходов его переработки, автомобильный транспорт, полиграфия, производство аккумуляторов, кабеля, цветная металлургия).
Трансформация тяжелых металлов в почвах, их взаимодействие с почвенными компонентами во многом зависят от химического состава и форм соединений металлов, поступающих в почву при их загрязнении. Кроме цветных ТМ в пыли всегда присутствуют соединения Fe, Са, Si и оксиды серы. Водные суспензии пыли и смеси оксидов имеют довольно высокие значения рН 9,9 - 7,6. Более низкое значение рН суспензии пыли объясняется, по-видимому, присутствием в составе пыли некоторого количества сульфатов ТМ (Зырин Н.Г., 1974). Таким образом, попадающая в почву техногенная пыль изменяет не только содержание ТМ в почвах, но и существенно влияет на реакцию почвенного раствора, тем самым, изменяя подвижность металлов в почвах.
Многие исследователи отмечают большую роль оксидов и гидрооксидов железа в связывании ТМ. По способности адсорбироваться гидроксидами железа и алюминия ТМ образуют ряд селективности Pb Zn Cd (Forbes Е.А., 1976). Основным фактором, определяющим место металла в ряду, предполагают способность металлов образовывать координационную связь с кислородом или гидроксильной группой.
Большое значение для специфической адсорбции ТМ имеют органическое вещество почв. Причем чем ниже содержание металла, тем выше энергия их связывания в металлоорганические соединения (Zunino Н., 1979). Комплексы с гуминовой кислотой ТМ образуют во много раз лучше, чем с фульвокислотами.
Установлено, что константы устойчивости металлорганических комплексов, хотя и меняются довольно сильно в зависимости от рН среды и др. ее свойств, могут быть представлены в виде следующего ряда: Hg Sn Pb Cu Ni Co Fe Cd Zn Mn Cr (Кабата-Пендиас А., 1989).
Естественные источники. Первичное вместилище тяжелых металлов на планете - верхняя мантия, базальты и граниты (Ковда В.А., 1985), поэтому естественным источником свинца для почв являются горные породы, на продуктах выветривания которых сформировался почвенный покров (Ильин В.Б., 1991; Богдановский Г.А., 1994). Осадочные породы, воды океана, живое вещество - уже вторичные резервуары, содержащие свинец (Ковда В.А., 1985). В процессе выветривания коренных горных пород тяжелые металлы в значительной мере сохраняются в рыхлых образованиях, изменив форму и место присутствия. При этом главные носители тяжелые металлы переходят в состав почвообразующих пород (Герасимовский В.И., 1969; Ильин В.Б., 1991).
Почвообразующие горные породы разного гранулометрического состава по концентрации тяжелых металлов могут сильно различаться. Песчаные и супесчаные породы содержат небольшое их количество, суглинистые и глинистые — значительное (Ковда В.А., 1985; Ильин В.Б., 1991, 2002; Лупино-вич И.С., 1970; Протасова Н.А., 1992). Из почвообразующих пород тяжелые металлы переходят в почвы в соответствии с закономерностями миграции и аккумуляции их в различных геохимических ландшафтах (Ландшафтно-геохимические основы..., 1989).
Кроме горных пород, естественными источниками свинца для основных компонентов биосферы являются термальные воды и рассолы, космическая и метеоритная пыль, вулканические газы (Ковда В.А., 1985).
Техногенные источники. Техногенное поступление свинца в биосферу связано с разнообразными источниками (Израэль Ю.А., 1984; Ильин В.Б., 1991). К важнейшим из них относятся следующие:
1. Карьеры и шахты по добыче полиметаллических руд (Ильин В.Б., 1991). Свинец легко выплавляется из руд (при температуре 328С) и, наверное, потому давно известен человечеству. Подсчитано, что за 4 тыс. лет до 1850 г. было выплавлено примерно 70 млн т свинца и еще 130 млн т - с 1850 по 1950 г. В настоящее время мировое производство свинца составляет примерно 6 млн т (Герлах С, 1985).
2. Предприятия цветной и черной металлургии (Ахундова А.Б., 1989; Бондарев Л.Г., 1984; Ильин В.Б., 1991; Кривоносова Г.М., 1989; Обухов А.И., 1988; Урушадзе Т.Ф., 1989; Цемко В.П., 1980). Легкоплавкость, высокая коррозионная стойкость, низкая тепло - и электропроводность обусловливают его потребление в чистом виде: изготовление свинцовых аккумуляторов, покрытие кабелей (свинцовые оплетки и чехлы), внутренняя облицовка сернокислых ванн, изготовление пуль и снарядов, типографических шрифтов. По-прежнему используются свинцовые краски, особенно свинцовый сурик. По-прежнему соли (в основном исиликат свинца) расходуются при глазуровании керамических изделий. Соли свинца применяются при производстве стеклянных изделий, высококачественного хрусталя, телевизионных трубок, флуоресцентных ламп, в качестве стабилизаторов в производстве поливинилхлорида.
3. Электростанции, сжигающие уголь (Барбье М., 1978; Ахундова А.Б., 1989; Бондарев Л.Т., 1976; Глазовская М.А., 1981; Зайцев В.А., 1984; Из-раэль Ю.А., 1984; Ильин В. Б., 1991; Кирпатовский И.П., 1974; Цемко В.П., 1980; Lantry R. S., 1979; LickDJ., 1972; ValerioF., 1989).
4. Сжигание различных отходов (Большаков В.А., 1978; Дмитриев М.Г., 1989).
5. Металлообрабатывающие предприятия (Алексеев Ю.В., 1987; Ильин В.Б., 1991; Матвеевы. М.., 1985; Прохорова Н.В., 1998).
6. Автотранспорт (Алексеев Ю.В., 1987; Ильин В.Б., 1991; Кабата-Пендиас А.,1989; Урушадзе Т.Ф., 1989; Обухов А.И., 1988; Луканин В.Н., 2001; Valerio F., 1989 и др.). С начала 20-х годов нашего столетия свинец как тетраэтилсвинец стал широко использоваться в качестве антидетонационньк добавок к жидкому топливу в двигателях внутреннего сгорания. За последние 40 лет примерно 10 млн т свинца переработано в тетраэтилсвинец (Герлах С, 1985). Около 75% металлического свинца, содержащегося в бензине, поступает с выхлопными газами в виде аэрозолей. Сгорание содержащих свинец добавок к бензину привело к значительному загрязнению придорожных полос (Брукс Р. Р., 1982).
Методика исследования и схемы опытов
Объектом исследований являлся чернозём обыкновенный южноевропейской фации. Полевой опыт проводился на полях ГУСХП «Кадамов-ское» (13,5-14,0 км автомагистрали Новочеркасск - Персиановка), учебном центре ДонГАУ Октябрьского и СПК «Колос» (58 км автомагистрали Ростов-на-Дону - Таганрог) Неклиновского районов, модельно-вегетационный опыт в Неклиновском районе. Полевой опыт был проведён с целью изучения действия возрастающей техногенной нагрузки на исследуемые почвы: (опыт 1) - проводили весной по междурядьям озимой пшеницы, на поле СПК «Колос» расположенном вблизи автомагистрали при мощности грузопотока более 6,0 тыс. авт./сут. Отбор почвенных проб осуществляли при удаленности от автомагистрали 5, 10-50 (через 10 м), 100 - 300 м (через 50 м). В опыте 2 проводили сравнительную оценку влияния мощности грузопотока 4,0 тыс. автУсут. (ГУСХП «Ка-дамовское») и более 6,0 тыс. автУсут. (СПК «Колос»), контроль на полях с удаленностью более 3 км (СПК «Колос», учебный центр ДонГАУ). Высевали озимую пшеницу (Ермак) и яровой ячмень (Одесский 100) по общепринятой технологии возделывания для зоны, рядовым способом. Норма высева озимой пшеницы, ярового ячменя соответственно 4,5-5,5; 4,2-5,0 млн. шт. зерен на 1 га. Отбор проб почвы осуществлялся после появления всходов возделы ваемых культур (озимая пшеница, ячмень), захватывая рядки и междурядья, в соответствии с методическими требованиями к отбору при удаленности от автомагистрали 5-Ю м (идет максимальное накопление), 150 м (накопление в пределах ПДК по результатам опыта 1), 3 км (контроль). Для оценки количеств поллютантов и опасности поступления их в выращиваемые растения отбирались почвенные образцы для определения содержания валовых и подвижных форм свинца в почве. Растительные образцы отбирали на поле рен-домизированным методом для получения минимальной погрешности в выборочной совокупности.
В модельно-вегетационном опыте (3) изучали влияние свинца при почвенном (1 год - действие, 2 год - последействие) и фолиарном загрязнении (1 год - действие) на различные сорта с целью выявления наиболее устойчивого к возрастающим концентрациям РЬ, выявления более чувствительных биопараметров, а также для сравнения между собой. В качестве тест - культуры использовали растения ячменя следующих сортов: Одесский 100, Прерия, Задонский 8. Ячмень в физиолого-экологическом отношении характеризуется, как культура наиболее устойчивая по отношению к тяжелым металлам: как к накоплению их, так и к снижению урожайности в результате накопления поллютантов. На этот факт указывают ряд исследователей (Пасын-кова М.В.,1990; Большаков В.А., 1993; Черных Н.Г., 1988; Лукин С.В.,1999 и др-) В качестве элемента - поллютанта использовался свинец. Форма внесения - уксуснокислая соль (РЬ(СН3СОО)2 ЗН20). Изучали: варианты с внесением (РЬ(СН3СОО)2 ЗН20) в почву доз 100,200, 300 и 500 мг/кг почвы.
В опыте использовались сосуды диаметром 15 см, высотой 25 см. В каждый сосуд помещали на дно керамзитовый дренаж и 4 кг почвы. Предварительная подготовка почвы предусматривала измельчение до фракций размером не более 3 мм, для облегчения равномерного перемешивания почвы со свинцом. Содержание валовых и подвижных форм свинца в почве до загряз нения составляло 24,1 и 4,47 мг/кг почвы соответственно. Уксуснокислый свинец предварительно измельчали путем растирания и перемешивали с 1 кг почвы в сухом виде в плотно закрытом цилиндре путем многократного (25-30 раз) прокатывания. Для равномерного распределения металла в модельной системе использовали порционное заполнение емкости по 1 кг почвы, перемешанной с соответствующим количеством солей тяжелых металлов. В подготовленные сосуды с почвой высевали семена ячменя (15 штУсосуд). Глубина заделки семян 1,5-2 см. Повторность в опыте четырехкратная.
При создании фолиарного загрязнения дозу свинца рассчитывали по массе почвы, как и в случае создания почвенного загрязнения. Различие в том, что эту дозу не перемешивали с почвой, а вносили фолиарным путем. Для фолиарного загрязнения приготавливали раствор соли свинца с рН близкой к нейтральной реакции среды. К уксуснокислому свинцу приливали уксус (6 %) до растворения кристаллов соли, доливали дистиллированной водой до 2 л и нейтрализовали (при необходимости) полученный раствор КОН проверяя с помощью лакмуса реакцию среды (при достижении нейтральной реакции нейтрализацию прекращали).
Полученным реагентом - водным раствором (РЬ(СНзСОО)2 ЗНгО) в концентрациях 100,200, 300 и 500 мг/кг почвы, путем мелкокапельного опрыскивания, загрязняли растения ячменя (ранее высеянные в аналогичные почвенному загрязнению сосуды с незагрязненной почвой) начиная, со стадии «фаза кущение-выход в трубку» до стадии «фаза колошение - цветение». Контрольный вариант - без загрязнения свинцом. Продолжительность модельного опыта один год.
Анализ растительного материала при почвенном и фолиарном загрязнении предполагал уборку исследуемых растений ячменя в фазе полной спелости. После чего определяли следующие показатели: высоту растений (см), количество продуктивных колосьев (штУсосуд), число зерен в колосе (шт), кустистость, массу зерна с сосуда (г/сосуд).
Динамика накопления свинца в почве в зависимости от мощности грузопотока и удаленности автомагистралей
В крупных административных центрах основным источником загрязнения воздуха является автомобильный транспорт. Такая ситуация сложилась в Москве, Санкт-Петербурге, Новгороде, Краснодаре, Ростове-на-Дону и других городах. Только в Ростовской области в 1997 г. на долю автотранспорта приходилось 69,1% общего объема выбросов (561,039 тыс. т), а для большинства городов этот показатель еще выше: Азов-94,1%, Батайск -90,2%, Ростов-на-Дону - 93,7%, Таганрог - 76,6%, Шахты - 82,4%. В Новочеркасске общий выброс в атмосферу от АО «Нч ГРЭС», превысил выбросы от стационарных источников в 4,7 раз и составил 23 тыс. т (Шкура В.Н., 2002).
Загрязнение воздуха подвижными источниками автотранспорта происходит в результате сжигания топлива, технологии производства, способа сжигания в двигателе и его технического состояния:
Наиболее неблагоприятными режимами работы являются малые скорости и «холостой ход» двигателя, когда в атмосферу выбрасываются загрязняющие вещества в количествах, значительно превышающих выброс на нагрузочных режимах.
Бензин с добавлением этиловой жидкости становится этилированным. В состав этиловой жидкости входят антидетонатор - тетраэтилсвинец РЬ(С2Н5)4, выноситель - бромистый этил (ВгС2Н5)4 и др. При сгорании этилированного бензина выноситель способствует удалению свинца и его оксидов из камеры сгорания, превращая их в парообразное состояние. Они вместе с отработавшими газами выбрасываются в окружающее пространство и оседают вблизи дорог.
В придорожном пространстве примерно 50% выбросов РЬ в виде микрочастиц сразу распределяются на прилегающей поверхности. Остальное количество в течение нескольких часов находится в воздухе в виде аэрозолей, а затем также осаждается на землю вблизи дорог. Накопление РЬ в придорожной полосе приводит к загрязнению экосистем и делает близлежащие почвы непригодными к сельскохозяйственному использованию. Добавление к бензину присадки Р-9 делает его высокотоксичным. Разные марки бензина имеют различное процентное содержание присадки (таблица 3), а тип автотранспорта определенный выброс РЬ (таблица 4).
Изменения содержания свинца в почве в зависимости от удаленности от автострады были изучены при мощности грузопотока 4,0 и более 6,0 тыс. авт./сут. за контроль приняли пробы почвы, взятые на расстоянии 300 м от автострады. Соотношение валовых и подвижных форм свинца в почве с удалением от автострады изображено графически (рис. 7-10).
Концентрация валовых форм РЬ в почве при мощности грузопотока более 6 тыс. авт./сут. варьирует от 49,5 мг/кг сухой почвы в пятиметровой зоне до 24,3 мг/кг свинца в почве на расстоянии 300 м от автострады (рис. 7).
При мощности грузопотока более 6 тыс. авт./сут. на расстоянии от 50 до 100 м от автомагистрали обнаружены валовые количества свинца, превышающие существующие нормативы 30,3-35,1 мг/кг. С удалением от магистрали на 150-300 м содержание валового РЬ находится на уровне фонового (21 мг/кг) и составляет 24,7-24,3 мг/кг.
Содержание подвижных форм РЬ в почве при мощности грузопотока более 6 тыс. авт./сут. при удалении от 5 до 300 м от автомагистрали составляет 4,5-8,3 мг/кг сухой почвы (рис. 8). Основная часть РЬ оседает на расстоянии до 40 м от дороги. В десятиметровой зоне происходит постепенное снижение подвижных форм свинца в почве на 7,2%. С удалением на 20 м от автомагистрали по отношению к пятиметровой зоне происходит существенное снижение количества подвижных форм свинца на 13,3% а, с удалением на 150 м оно снижается в два раза. На расстоянии до 40 м от автомагистрали содержание подвижных форм свинца выше ПДК, составляет 6,8-5,9 мг/кг.
Зависимость содержания валовых и подвижных форм свинца от удаленности автомагистрали не имеет прямой корреляционной зависимости (ri = -0,839; -0,783), связь сильная обратная (t tos). Это говорит о том, что с увеличением расстояния от источника загрязнения (автомагистрали), происходит существенное уменьшение содержания количеств РЬ в почве. При мощности грузопотока около 4,0 тыс. автУсут. концентрация валовых форм РЬ в почве варьирует от 39,0 мг/кг сухой почвы в пятиметровой зоне до 22,8 мг/кг свинца в почве на расстоянии 300 м от автострады (рис. 9). На расстоянии 40 м от автомагистрали содержание валового количества свинца 35,5 мг/кг, что превышает существующие ПДК. С удалением от магистрали на 100-300 м содержание валового РЬ находится на уровне фонового и составляет 22,8-25,0 мг/кг.
Содержание валовых и подвижных форм свинца в почве при почвенном загрязнении
Загрязнение почв ТМ представляет большую опасность для здоровья людей, так как дальнейшая миграция этих элементов приводит к загрязнению сельскохозяйственной продукции, грунтовых и почвенных вод. Поэтому наряду с определением валового содержания ТМ в почве для прогноза загрязнения сельскохозяйственной продукции необходимо контролировать содержание подвижных форм ТМ, так как именно они усваиваются корневой системой и далее перераспределяются по всему растению.
В модельном опыте по загрязнению почвы свинцом и выращиванию сортов ячменя (Одесский 100, Прерия, Задонский 8) было определено валовое и подвижное содержание свинца после уборки растений в первый и второй год исследований (табл. 9).
Между содержанием химических элементов, точнее их подвижной формы в почве и в произрастающей на ней растительности существует положительная корреляционная связь, которая свидетельствует о реакции растений на геохимическую среду (Ильин В.Б., 1979). Вместе с тем бесспорно следующее - элементный химический состав растений обладает упорядоченностью и стабильностью и как важный наследственный признак тщательно сохраняется ими.
Установлено, что меньшее количество свинца в подвижной форме на всех вариантах загрязнения содержалось после сорта Прерия. Это объясняется его высокой продуктивностью (табл. 17), а вместе с тем большим выносом свинца надземной массой растений (табл. 14), большей устойчивостью к загрязнению.
После первого года исследований сорт Одесский 100 по отношению к сорту Прерия по содержанию подвижных форм РЬ в почве имел существенные различия при дозе РЬ 100 - эта разница составила 22,8% а, по остальным дозам загрязнения различий не обнаружено. Высокая концентрация подвижных форм свинца была обнаружена после сорта Задонский 8, с увеличением дозы загрязнения с РЬ 100 до РЬ 500 произошло ее увеличение с 25,0 мг/кг почвы до 106,9 мг/кг соответственно.
На второй год исследований после сортов Одесский 100 и Задонский 8 содержание подвижных форм свинца было высоким. При дозах РЬ 100 и РЬ 200 эти показатели у сортов Одесский 100 и Задонский 8 составляли на 24,6 и 12,2; 28,2 и 12,4 % соответственно больше чем у сорта Прерия. При дозе свинца 300-500 мг/кг различия в содержании подвижных форм свинца нивелировались. После второго года исследований - в последействии, концентрация подвижных форм свинца в почвах уменьшается в результате его перехода в труднодоступные соединения и поглощения этого элемента растениями ячменя.
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 нормально го 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).
