Экологические аспекты регулирования накопления радионуклидов растениями овощных культур Солдатенко Алексей Васильевич

Содержание к диссертации

Введение

1. Состояние изученности проблемы 13

1.1. Загрязнение окружающей среды радионуклидами 13

1.2. Особенности накопления радионуклидов и их влияние на растения 19

1.3. Научные основы селекции на минимальное накопление радионуклидов 24

1.3.1. Изменчивость признаков овощных культур 41

1.3.2. Видовое разнообразие овощных культур по накоплению радионуклидов 46

1.3.3. Сортовые различия овощных культур по накоплению радионуклидов 49

1.3.4. Факторы, определяющие реакцию растений на уровень накопления радионуклидов 51

1.3.5. Влияние экологических факторов на поступление радионуклидов в растения, в том числе эдафического фактора 61

1.3.6. Проблема фона в селекции растений на минимальное накопление радионуклидов 68

1.4. Технологические способы снижения накопления радионуклидов... 75

1.4.1. Использование электромагнитного излучения 77

1.4.2. Применение стимуляторов роста и селена 79

1.4.3. Предпосевное гамма-облучение семян 82

2. Условия, материал и методы проведения исследований 85

2.1. Условия, объекты и материал исследования 2.2. Методы исследований 90

3. Разнообразие овощных культур по уровню накопления радионуклидов в связи с задачами селекции 104

3.1. Видовое разнообразие по накоплению радионуклидов 104

3.2. Сортовое разнообразие по уровню содержания радионуклидов 107

3.3. Экологическая изменчивость овощных культур 126

3.4. Географическая изменчивость овощных культур 146

3.5. Специфика накопления радионуклидов 137Cs и 90Sr в продукции овощных культур 162

3.6. Исходный материал овощных культур для селекции на минимальное накопление радионуклидов 181

4. Биологические особенности овощных культур в связи с уровнем накопления радионуклидов 203

4.1. Морфологические особенности овощных культур 203

4.1.1 Морфологические качественные признаки овощных культур 204

4.1.2 Морфологические количественные признаки овощных культур 215

4.2. Биохимический состав овощных культур при различном содержании в продукции радионуклидов 236

4.3. Оценка содержания антиоксидантов у образцов овощных культур контрастных по накоплению радионуклидов 248

4.4. Адаптивность сортов овощных культур по продуктивности в связи с накоплением радионуклидов 252

5. Комплексная оценка природных сред при селекции на снижение уровня накопления радионуклидов в овощных культурах 267

5.1. Использование параметров среды, при оценке фона для отбора при селекции на снижение уровня накопления радионуклидов 267

5.2. Репрезентативность оценки параметров адаптивности генотипов 285

6. Научные принципы обеспечения экологической безопасности продукции овощеводства 292

6.1. Коэффициент накопления радионуклидов 137Сs и 90Sr 293

6.2. Формирование сортовых ресурсов для производства экологически безопасной продукции 316

6.3. Различия накопления радионуклидов в связи с анатомическим стро ением продуктовых органов 325

7. Технологические способы и практические приемы снижения уровня накопления радионуклидов в продукции овощных культур 333

7.1. Воздействие предпосевной обработки семян импульсным низкочастотным электрическим полем на накопление радионуклидов, рост и развитие овощей 333

7.2. Влияние предпосевного гамма-облучения семян на накопление радионуклидов, содержание важнейших биологически активных соединений и продуктивность овощей 338

7.3. Действие стимуляторов роста на уровень накопления радионуклидов и развитие овощных растений 363

7.4. Изучение влияния форм селена на уровень накопления радионуклидов, рост и развитие овощных растений при внекорневом внесении элемента 367

7.5. Возможность снижения уровня радионуклидов в зависимости от способа выращивания 372

7.6. Изменение уровня накопления химических элементов овощными растениями под влиянием эдафического фактора 378

Заключение 384

Предложение производству и селекционерам 387

Библиографический список

• Факторы, определяющие реакцию растений на уровень накопления радионуклидов
• Экологическая изменчивость овощных культур
• Биохимический состав овощных культур при различном содержании в продукции радионуклидов
• Формирование сортовых ресурсов для производства экологически безопасной продукции

Введение к работе

Актуальность темы. Полноценность рациона питания и повышение уровня обеспеченности населения овощами - важная государственная задача, от решения которой зависит здоровье и продолжительность жизни нынешнего и будущих поколений граждан Российской Федерации. Это связано с тем, что овощи являются важнейшим элементом питания человека, повышающим качество жизни.

Радиоактивное загрязнение представляет глобальную экологическую проблему - испытания ядерного оружия, аварии на АЭС, локальные выпадения радиоактивных осадков после инцидентов на предприятиях ядерного топливного цикла привели к тому, что загрязнена значительная часть нашей планеты. Основным источником загрязнения остается почва территорий, пострадавших в результате ряда аварий: ПО "Маяк" Челябинской области (1957 год) и в Винд-скейл - на атомном комплексе «Селлафилд» (Великобритания, 1957 год), на Чернобыльской АЭС (1986 год), АЭС «Фукусима Даичи» (Япония, 2011год) и других. Анализ причин этих аварий показал, что исключить их в будущем невозможно (Алексахин и др., 2015; Evangeliou et al., 2015).

Авария на Чернобыльской АЭС вошла в историю развития мировой цивилизации как беспрецедентная техногенная катастрофа. В Российской Федерации произошло радиоактивное загрязнение 17 областей и радиационная обстановка на некоторых территориях до сих пор остается сложной и определяется наличием долгоживущих радионуклидов ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr (Израэль и др., 2014). Погоня за высокими урожаями без учёта качества продукции при неблагоприятной радиационной обстановке часто приводит к ряду нежелательных последствий, в результате полученные овощи из-за избытка радионуклидов могут принести человеку не пользу, а вред (Борисов, 2003).

Применение разработанных защитных мероприятий в растениеводстве, снижающих поступление радионуклидов в растения, связано со значительными, не всегда оправданными затратами. Поэтому поиск новых путей и подходов к решению данной проблемы является важнейшим направлением исследований современной агрономической науки.

Селекция овощных культур на минимальное накопление радионуклидов -сравнительно молодое направление исследований. На данный момент еще не сформированы сортовые ресурсы овощных культур, позволяющие получать экологически безопасную продукцию на техногенно загрязненных территориях.

Выделение и использование в производстве сортов овощных культур, накапливающих минимально возможное количество радионуклидов, необходимо не только для получения экологически безопасной продукции, но и для сохранения генетической структуры сортовых популяций, выращиваемых на

загрязненных территориях (Молчан, 2007).

Целью работы является разработка методических подходов эколого-географической оценки различных видов овощных культур по способности к накоплению поллютантов и направлений предбридинговой селекции для выделения исходного материала и подбора сортов, способных за счёт реализации адаптивного потенциала формировать продукцию с минимальным содержанием радионуклидов, а также технологических способов снижения содержания радионуклидов в товарной продукции.

Задачи исследований:

1. Провести скрининг видового и сортового разнообразия овощных культур по накоплению радионуклидов в продуктивных органах;

2. Выявить специфическую реакцию растений овощных культур на загрязнение среды радионуклидами ¹³⁷Сs и ⁹⁰Sr;

3. Проанализировать эколого-географическую изменчивость накопления
радионуклидов ¹³⁷Сs и ⁹⁰Sr растениями овощных культур;

4. Оценить сорта и гибриды девяти овощных культур, выделить исходный материал для селекции на минимальное накопление радионуклидов;

5. Сформировать сортовые ресурсы овощных культур, позволяющие выращивать экологически безопасную продукцию на техногенно загрязненных территориях;

6. Изучить адаптивную способность сортов и гибридов овощных культур по признаку "продуктивность" в связи с накоплением радионуклидов;

7. Определить информативность естественных экологических сред, как фонов отбора сортов и гибридов овощных культур с низким уровнем накопления радионуклидов;

8. Установить репрезентативность оценки параметров адаптивности сортооб-разцов по содержанию ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в продукции растений;

9. Оценить морфобиологические и биохимические признаки овощных культур как показатели уровня накопления радионуклидов для использования в селекции по косвенным признакам;

10. Разработать способы снижения поступления радионуклидов ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr в продукцию овощных культур (физические, химические и технологические) для улучшения ее качества;

11. Оценить влияние эдафического фактора на уровень накопления овощными растениями химических элементов.

Научная новизна исследований. Выявлена видовая и сортовая специфика накопления ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr и дана сравнительная оценка реакции растений разных видов овощных культур на среды с различным уровнем техногенного загрязнения; определены уровни эколого-географической изменчивости содер-

жания радионуклидов и характер их распределения в продуктовых органах, частях и тканях растений разных культур; изучены особенности морфобиологи-ческих признаков растений овощных культур, различающихся по уровню аккумулирования радионуклидов; для селекции выявлены наиболее информативные фоны и косвенные признаки ценных форм со стабильно низким уровнем накопления ¹³⁷Cs и ⁹⁰Sr.

Доказана возможность получения экологически безопасной продукции в условиях техногенного загрязнения путем подбора культур и сортов из существующего отечественного генофонда овощных растений. На основе применения физико-химических воздействий на семена и вегетирующие растения разработаны новые методические подходы снижения уровня поступления радионуклидов в овощную продукцию за счет более полной реализации адаптивного потенциала растений.

Теоретическая и практическая значимость работы. Получены экспериментальные данные, позволяющие обеспечить предбридинговый этап селекции сортов и гибридов овощных культур с минимальным накоплением радионуклидов в продукции. Предложены теоретические подходы изучения специфики проявления адаптивного потенциала, эколого-географической и межсортовой изменчивости различных видов овощных растений при взаимодействии генотип – среда на разных фонах загрязнения; дан анализ влияния типа почв на уровень накопления различных химических элементов растениями салата листового при моделировании стрессовых нагрузок по содержанию Cs и Sr.

Определен характер взаимосвязи уровня накопления радионуклидов с проявлением различных морфологических и биохимических параметров растений разных видов и сортов овощных культур; для ряда из них (морковь столовая, салат листовой) предложены критерии отбора ценного исходного материала по селеционно значимым косвенным признакам. Выделен исходный материал для селекции на стабильно низкий уровень накопления радионуклидов, а также подобраны сортообразцы овощных культур для формирования сортимента и выращивания экологически безопасной овощной продукции в зонах умеренного техногенного загрязнения.

Получены новые сведения о воздействии элементов технологии возделывания, физических и химических факторов на снижение уровня содержания радионуклидов в продукции овощных культур. Научно обоснована и доказана эффективность приемов и способов предпосевной обработки семян гамма-облучением и ИНЭП, внекорневой обработки растений стимуляторами роста и различными формами селена, снижающих уровень накопления радионуклидов в продукции овощных культур. Показана возможность снижения внутреннего облучения организма человека радионуклидами за счет исключения из рациона

питания органов и частей овощных растений с более высоким уровнем аккумулирующей способности.

Методы исследования. Исследования основаны на анализе научной литературы отечественных и зарубежных авторов. При выполнении работы проведены экспериментальные полевые и лабораторные исследования с использованием общепринятых теоретических подходов системного анализа и методов математической статистики.

Положения, выносимые на защиту:

1. Методы и методики предбридинговой селекции, направленные на выделение сортов и гибридов овощных культур с минимальным уровнем накопления радионуклидов, как исходного материала.

2. Видовая и сортовая изменчивость по уровню накопления радионуклидов, её особенности и специфика при подборе сортов и гибридов для выращивания в зонах умеренного загрязнения и создания стабильных форм по селектируемому признаку.

3. Исходный материал овощных культур, как источник стабильно низкого уровня содержания радионуклидов.

4. Приёмы и способы выращивания для улучшения качества овощной
продукции и снижения содержания в ней радионуклидов - обработка семян
импульсным низкочастотным электрическим полем, предпосевное гамма-
облучение семян, внекорневые подкормки растений стимуляторами роста и не
органическими формами селена.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов подтверждена многолетним периодом исследований, обусловлена применением общепринятых методик закладки опытов и проведением наблюдений, использованием сертифицированного оборудования, статистической обработкой полученных данных.

Материалы исследований были доложены на Международных научно-практических конференциях в городах Брянск (2004), Пущино (2005, 2013), Минск (2005), Москва (2005, 2006, 2010, 2011, 2012, 2013, 2014), Алматы (2006), Гродно (2012), Семипалатинск (2012), Сколково (2016) и опубликованы в 50 научных работах, в том числе 14 работ в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, в монографии «Селекция овощных культур с минимальным накоплением радионуклидов; технологические способы содержания их в продукции» в соавторстве с С.М. Сычёвым и И.В. Сычёвой, двух методических рекомендациях и патенте на изобретение.

Личный вклад автора. Автор А. В. Солдатенко непосредственно участвовал в разработке научной программы и методологии исследований, проводил опыты и наблюдения в полевых и лабораторных условиях, осуществлял сбор и

обработку экспериментального материала, оценивал и отбирал селекционный материал, анализировал и обобщал данные, формулировал научные положения и выводы. Диссертация содержит фактический материал, полученный автором в 2003-2015 годы. В выполнении экспериментальных исследований участвовали сотрудники ФГБНУ ВНИИССОК. Автор выражает благодарность научному консультанту, академику РАН, профессору, доктору сельскохозяйственных наук, директору ФГБНУ «ВНИИ селекции и семеноводства овощных культур» В.Ф. Пивоварову и доктору сельскохозяйственных наук, профессору Е.Г. Доб-руцкой.

Структура и объём диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, заключения и практических рекомендаций. Работа изложена на 493 страницах, включает 167 таблиц, 61 рисунок и 57 приложений. Список использованной литературы включает 479 наименований, в том числе 100 – на иностранных языках.

Факторы, определяющие реакцию растений на уровень накопления радионуклидов

Данный тип изменчивости у однодомных видов растений не выражен. Индивидуальная изменчивость отражает генотипическое разнообразие особей, входящих в состав популяций (Мамаев, 1981). Каждый генотип проявляется фенотипически по-разному в зависимости от условий среды. В природных популяциях всегда присутствуют организмы с более повышенной устойчивостью к облучению и очень чувствительные. Наиболее многочисленная группа занимает, как правило, среднее положение. Численность радиоустойчивой группы решает судьбу популяции в условиях повышенных радиационных нагрузок (Mergen, 1965; Алексахин, 1982; Поспешил, 1986).

Урожайность. Накопление радионуклидов в урожае с.-х. культур определяется, в том числе и биохимическими особенностями растений. Запас биомассы растений в момент загрязнения, темпы прироста биомассы или сумма этих факторов за промежуток времени, происходящий с момента загрязнения до уборки растений - эти факторы создают вариабельность количественных показателей процесса, в среднем от 3 до 50 раз (Архипов, 1983; Глазко, 2008). В связи с этим получение относительно чистой растениеводческой продукции в загрязнённой зоне может быть достигнуто путём увеличения биомассы растения. Уменьшение загрязнения продукции при этом связано, как с уменьшением концентрации загрязнителя, так и с меньшим поступлением его из почвы в растение (Цыганов, 2000). Как показал опыт работы по ликвидации последствий аварии на ЧАЭС, проведение комплекса агромелиоративных приемов, направленных на повышение уровня плодородия и улучшения водно-физических свойств почвы, позволяет уменьшить накопление 137Cs в урожае сельскохозяйственных культур в 3-4 раза (Алексахин и др., 1991). Ряд исследователей (Быстрицкий, 1991, Молчан, 2007) отметили обратную корреляцию между урожайностью и накоплением радиоцезия.

Морфологические признаки. Удерживающая способность растительного покрова по отношению к выпадающим из атмосферы радиоактивным частицам или растворам зависит и от морфологии растений - формы и размеров листьев, шероховатости их поверхности, ориентации листьев (Анненков, 1991). Размер корневой системы также влияет на накопление радионуклидов. В работах (Борисов, 2003; Молчан, 2007) подчеркивается, что создание и использование сортов с глубоко проникающей корневой системой позволит уменьшить поглощение радионуклидов растениями в районах радиоактивного загрязнения. Это связано с тем, что корневая система играет большую роль в поглощении веществ растениями - корни могут удерживать значительное количество поглощенных загрязнителей и тем самым предотвращать их передвижение в побеги (Алексахин, 1991).

Для снижения накопления радионуклидов в растениях необходимы сорта с глубоко проникающей корневой системой (Ратников, 1991), важна избирательная способность корневой системы (Slootmaker, 1974; Gourley, 1990; Лукин, 1991; Baerzonsky, 1992).

Накопление в различных частях растений. В большей мере радионуклиды накапливаются в вегетативных (листья, стебли) и значительно слабее - в генеративных органах растений (Житин, 1997). Радионуклиды локализуются, главным образом в корнях, а затем в порядке убывания - в листьях, стеблях, колосе, бобах, створках бобов, плёнках зерна и меньше всего в зерне (Алексахин, 1991), а для овощных культур - корни листья стебли корнеплоды семена клубни (Кирасиров, 2009). В пределах растения (например, фасоли) общее количество 90Sr распределяется так: в листьях содержится 53-68%, стеблях - 15-28%, створках бобов - 15-25% и зерне - 7-14% (Санжарова, 1991).

При попадании радионуклидов в надземную часть растения, их ионы поглощаются элементами флоэмы, по которой активно отводятся обратно в корни и избыток локализуется в корнях, при довольно низком их содержании в побегах и особенно - в листьях. В этом состоит важнейшая санитарная функция сосудистой системы растений (Санжарова, 1991). Выявлена высокая степень соответствия между выносом 90Sr в надземную биомассу с распределением биомассы корней по почвенному профилю (Мельниченко, 2014). В пределах корневой системы зона корневых волосков характеризуется наибольшей аккумуляцией загрязнителей. В пределах корня токсичные ионы накапливаются в основном в периферических слоях клеток. В пределах клетки изоляция загрязняющих веществ происходит путем локализации их, прежде всего в клеточных оболочках (Климашевский, 1991), а затем и вакуолях (Харборн, 1985). В пределах клубня или зерна радионуклиды и тяжёлые металлы сосредоточены в основном в периферических частях (Анненков, 1991; Малина, 1991).

Д. М. Гродзинский и др. (1991) исследовали характер накопления пяти радионуклидов в растениях картофеля, свеклы столовой, моркови, лука, перца, гороха в теплице в гидропонной культуре. В корнях и листьях изучаемых растений содержались практически все радионуклиды. Коэффициенты накопления их корнями были на порядок выше, чем листьями. Коэффициенты накопления в листьях и стеблях близки, однако в стеблях спектр радионуклидов снижается.

Е. Г. Смирнов (1996) показал, что на способность к накоплению радионуклидов влияет наличие у растений объёмных и длительно существующих органов, запасающих биомассу; строение их корневой системы и совокупность приспособлений к водному и солевому режиму почв.

Л. В. Крук, А. В. Гаврилов (1998) при изучении томата, моркови, лука и капусты, установили, что в вегетативной массе радиоцезия накапливалось в 1,4-2 раза больше, чем в хозяйственно ценных органах. Концентрация 90Sr в листьях была в 4-6 раз выше по сравнению с накоплением его хозяйственно ценными органами.

Экологическая изменчивость овощных культур

Выявление особенностей влияния режимов обработки семян салата импульсным низкочастотным электрическим полем (ИНЭП) на уровень накопления радионуклидов и хозяйственно ценные признаки. Исследования проведены в пункте Москва (2004-2005 годы). Объект исследований - салат листовой, материал исследований - сорт Изумрудный и образец С-1. Обработку сухих семян ИНЭП проводили на приборе "СЭФ" за 8 суток до посева, с экспозициями 20 минут, 3 часа, 6 и 9 часов. В качестве контроля высевали необработанные семена. Стимулятор электрофизический (далее - СЭФ) разработан в ООО «Интелпро», создает индуцированное высоковольтное низкочастотное электрическое поле, аналогичное электрическому полю, существующему между обкладками электротехнических конденсаторов. Электрическое поле, генерируемое прибором СЭФ, формируется импульсным переменным напряжением, в виде посылок гармонических колебаний в форме прямоугольных импульсов или в виде последовательности биполярных импульсов напряжённости поля с частотой повторения посылок-импульсов, составляющей 150-250 Гц и амплитудой напряжённости 1-100 кВ/м. Посылки-импульсы осуществляются с частотой 5-50кГц. Это электрическое поле имеет характер, приближенный, по сравнению с другими типами генераторов, к реальным электрическим и электромагнитным полям, существующим в окружающем мире. Прибор "СЭФ" предоставлен Широковой Е.А. (ООО "ИНТЕЛПРО").

14. Оценка влияния предпосевного гамма-облучения семян на накопление радионуклидов, содержание важнейших биологически активных соединений и продуктивность овощей. Научные исследования проведены в пунктах Москва (2011-2013), Брянск III (2011, 2012) и Брянск II (2013).

Материалом исследований послужили сорта селекции ВНИИССОК (различные по морфологическим признакам и биологическим свойствам, а также выделенные по результатам предыдущих исследований) (табл. 2.11).

Предпосевное облучение семян и определение содержания радионуклидов выполнили на базе ФГБНУ Федерального центра токсикологической, радиационной и биологической безопасности. Выбор оптимальных экспозиций для обработки был основан на результатах анализа лимитов радиочувствительности выбранных овощных культур на облучение семян, а также исходя из наиболее стимулирующих развитие растений для выбранных культур по литературным данным (Кузин, 1977; свекла – Гребинский, Цибух, 1963; капуста белокочанная – Бреславец, 1956; салат листовой – Преображенская, 1971 и др.). Обрабатывали сухие семена. В качестве контроля высевали необработанные семена.

Таблица 2.11. Схема опыта № Объекты исследований Материал исследований Контроль Вариант (экспозиция гамма-облучения, кР) 2 3 Морковь столовая Марлинка, Нантская-4 без обработок 0,5 0,8 1,0 Салат листовой Изумрудный, Новогодний 0,2 2 5 Капуста белокочанная Амагер 611, Слава 1305 2 3 4 Свекла столовая Бордо 235, Нежность 0,5 0,8 1,0 Луп репчатый Золотничок, Черный принц 0,2 2 5 Опыт закладывали по общепринятым методикам полевого опыта с учетом биологических и агротехнических особенностей изучаемых культур. Повтор-ность опыта четырехкратная. Посев семян в открытый грунт - морковь столовая, свёкла столовая, лук репчатый, салат. Капусту белокочанную выращивали рассадным способом.

Определение содержания радионуклидов в образцах овощей и почвы проведены на спектрометрическом комплексе УСК «Гамма-Плюс» на базе ФГУ Федеральный центр токсикологической и радиационной безопасности (Казань). 15. оценка изучения влияния стимуляторов роста на улучшение качества продукции овощных культур и способности сопротивления отрицательному воздействию радионуклидов. Исследования проведены в пункте Москва (2004-2005 годы). Объект исследований - салат листовой. Материал для исследования образец С-1. Внекорневое опрыскивание растений проводили дважды, в ясную, сухую безветренную погоду, в первой половине дня (табл. 2.12).

Амарантин - препарат растительного происхождения, приготовлен на основе сырья амаранта сорта Валентина с действующим веществом амарантином. Азотсодержащий алкалоид амарантин относится к группе физиологически активных соединений и характеризуется неоднозначным действием на энергию прорастания семян и ростовую активность растений в зависимости от концентрации пигмента и вида культуры (Гинс, 2002; 2003).

Альбит - комплексный препарат, применяется для предпосевной обработки семян и в период вегетации. Препарат содержит высокоэффективный набор стимуляторов роста и иммуномодуляторов почвенных бактерий Bacillus megaerium и Pseudomonas aureofaciens, хвойный экстракт, сбалансированный набор NPK и микроэлементов. Обладает выраженным ростостимулирующим действием, способствует формированию и усиленному росту корневой системы, образованию дополнительных продуктивных стеблей. Индуцирует защитные свойства растений по отношению к фитопатогенам и повышает урожай, а также снимает стрессы, оказываемые на растения пестицидами, перепадами температур и засухой (Гинс, 2003).

16. изучение влияния форм селена (Se) на аккумулирование радионуклидов, рост и развитие овощей при внекорневом внесении элемента. Исследования проведены в пункте Москва (2012-2014 годы) (табл. 2.3). Объект исследований – шпинат огородный. Материал исследований сорт Стоик. Опыт лабораторно-полевой. Площадь учётной делянки 3м2, повторность 4-кратная, с рендо-мизированным расположением вариантов. Исследования проведены при двух сроках посева шпината в открытом грунте опытного поля пункта Москва: 1 срок – начало мая, 2 срок – середина июля. Методика проведения исследований - однократное опрыскивание растений на 14 сутки после появления всходов растворами (табл. 2.13).

Коллоидный водный раствор наночастиц Se получали путем инжекции под действием лазерного импульса большой мощности (Kazilin et al, 2008) в институте металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова. Метод динамического светорассеяния на спектрометре динамического рассеяния света Photocor Complex выявил присутствие в растворе фракции частиц с гидродинамическим радиусом порядка 1-3нм.

Биохимический состав овощных культур при различном содержании в продукции радионуклидов

Для получения экологически безопасных продуктов питания большое значение имеют микроэлементы, определяющие устойчивость живых организмов к стрессовым факторам (Серегина, 2002; Голубкина, 2003; Серегина, 2008). В последние время все большее значение приобретают вопросы применения менее изученных на растениях элементов. Одним из таких элементов является селен, определяющий устойчивость человека и животных при действии различных стрессовых факторов (Combs, 1997; Голубкина, 1999, 2002; Djujic, 2001; McKenzie, 2002 Shchrauser, 2003; Серегина, 2008; Salman, 2009).

Ультрамикроэлемент селен оказывает влияние на рост, развитие и адаптивный потенциал растений. Наиболее контрастно ростостимулирующая активность селена проявилась в стрессовых условиях (гипо- и гипертермия, гипоксия, недостаток влаги), что обусловлено антистрессовой способностью данного микроэлемента (Вихрева, 2003).

Большинство сельскохозяйственных культур аккумулирует селен из почвы в малых количествах – 0,1-1 мг/кг (Голубкина, 2006; Капитальчук, Голубкина, 2008). Существует значительное количество данных: микроэлемент в одной и той же концентрации может стимулировать рост одних и ингибировать – других сортов той же культуры (Серегина, 2000; Блинохватов, 2001). Интервал концентраций солей селена, обладающих стимулирующим действием чрезвычайно узок и специфичен не только для вида, но и для сорта (Голубкина, 2001).

В связи с выявленным многообразием действия стимуляторов роста на жизнедеятельность растений, определённый интерес представляет использование их с целью снижения уровня накопления радионуклидов в продукции растениеводства. Теоретической основой использования биологически активных веществ в технологиях возделывания сельскохозяйственных культур является их способность воздействовать на регуляторные механизмы клетки на генетическом и метаболическом уровнях. При этом изменение скорости или направленность физиолого-биохимических процессов в растениях способны оказывать влияние на поглощение и распределение радионуклидов в растительном организме (Маркина, 2006).

Результаты исследований влияния регуляторов роста, а также селена на накопление радионуклидов овощной продукцией в литературных источниках встречается крайне редко, это и послужило поводом для изучения этой проблемы в наших исследованиях.

Большое значение в растениеводстве имеет радиационная селекция, т. е. применение радиации для получения новых, более ценных сортов культурных растений. Обработка овощей, фруктов, ягод гамма-лучами значительно увеличивает срок хранения этих продуктов, а семенной фонд освобождается от многих заболеваний, в первую очередь от фитофторы (Старков, 2001).

Другое применение - облучение семян, клубней картофеля, саженцев плодовых деревьев гамма-лучами, проводимое перед посевом или посадкой, ускоряющее всхожесть, увеличивающее энергию прорастания, повышающее урожайность и содержание в растениях сахаров, белков, различных витаминов (Васильев, 1963; Ботыгин, 1968; Кончина, 2002), повышающие сопротивляемость организмов к неблагоприятным условиям среды (Кончина, 2002). Но для растений каждого вида и каждого сорта необходимо найти оптимальную дозу. Маленькая доза может не дать эффекта, большая доза — будет угнетать рост и развитие растений (Васильев, 1963). Н.В. Тимофеев-Ресовский (1953) предположил стимулирующее действие ионизирующего излучения объяснить тем, что при малых дозах возникает легкая интоксикация облученного организма, которая повышает общий тонус обмена веществ. По мнению В.С. Андреева (1963), при облучении в стимулирующих дозах в хромосомах образуется ряд толчковых мутаций, что ведет к увеличению жизнеспособности мутантов. Происходит своеобразная гибридизация облучением, что вызывает повышение общего тонуса организма подобно эффекту гетерозиса при гибридизации.

Поскольку было установлено положительное влияние на увеличение урожайности зерновых культур, картофеля (Гулякин, 1973) и некоторых овощных культур, мы решили дополнить сведения, оценить степень влияния на накопление радионуклидов в продукции овощных культур, в комплексе с продуктивностью и изменением биохимического состава.

Подводя итоги главы, следует сделать следующие выводы: загрязнение окружающей среды представляет глобальную проблему для человечества, и радионуклиды вносят существенный вклад в ухудшение экологической ситуации; антропологическое воздействие неизбежно сказывается на загрязнении сельскохозяйственных территорий, что приводит к проникновению радиации в пищу и внутреннему облучению человека, поэтому необходимы меры противодействия; радиация вызывает у растений поражение тех органов и смещение тех процессов, которые формируются и протекают в период её воздействия, поэтому в большей или меньшей степени затрагивает все органы и функциональные системы организма; важным фактором, определяющим доступность для растений радиоактивных изотопов, являются их физико-химические свойства, поэтому поведение 90Sr и 137Cs в системе "почва-растение" имеет ряд отличительных особенностей; несмотря на успехи в селекции культурных растений, имеется ряд недостатков, главным из которых является длительность изучения селекционного материала, поэтому возникает необходимость разработки методических основ по селекции в данном направлении; сложное взаимодействие различных факторов (генетические, биологические и условия внешней среды) определяет особенности накопления радионуклидов растениями; основными и наиболее важными почвенными свойствами, влияющими на поведение 137Cs и 90Sr в системе «почва — растение» являются: механический и минералогический состав, кислотность почвенного раствора, степень насыщенности основаниями, содержание органического вещества; растущее загрязнение окружающей среды требует поиска новых или усовершенствование и снижение затратности уже опробованных путей уменьшения поступления загрязнителей в растениеводческую продукцию.

Формирование сортовых ресурсов для производства экологически безопасной продукции

Стабильность уровня содержания 137Сs у капусты китайской является редким свойством. У всех образцов экологическая изменчивость находится на очень высоком уровне, относительная стабильность генотипа (Sgi) более 20%. В меньшей степени изменялось содержание 137Сs в различных условиях среды у сортов Mei Qing Choi и Сыюсман. Показатели стабильности уровня содержания 90Sr ниже, чем по 137Сs (при этом необходимо иметь в виду, что уровень ПДК радионуклидов в продукции по 90Sr ниже в три раза, чем по 137Сs). Параметр Sgi меняется по сортообразцам от 23,32 до 41,36 %. Наиболее стабильны образцы Бае-цин-тацай и Сыюсман.

Образец Сыюсман выделяется стабильностью низкого уровня содержания обоих элементов. По остальным образцам (кроме сорта Веснянка) оценки по накоплению цезия и стронция различались (табл. 3.6.9).

По отзывчивости на изменение условий среды произрастания испытанные сорта по накоплению 137Сs могут быть отнесены к трем группам. Высокоотзывчивыми являются образцы Ласточка и Бае-цин-тацай, среднеотзывчивы - Wheite Longe Petiole, Веснянка, менее других (bi 1) отзывчивы сорта Mei Qing Choi и Сыюсман.

По накоплению 90Sr четыре сортообразца среднеотзывчивы, а Бае-цин-тацай и Сыюсман менее отзывчивы на изменение условий окружающей среды (bi 1), то есть при ухудшении экологической обстановки они в меньшей степени отреагируют на это увеличением уровня содержания 90Sr (табл. 3.6.9). Образец Сыюсман выделяется наименьшей отзывчивостью на изменение условий окружающей среды по обоим элементам, то есть наиболее стабильный.

При селекции на стабильно низкий уровень накопления радионуклидов 137Сs и 90Sr в качестве источника их низких показателей могут служить образцы Wheite Longe Petiole (137Сs), Wheite Longe Petiole и Сыюсман (90Sr).

В селекции как источник экологической стабильности уровня содержания радионуклидов можно использовать сорта капусты китайской, отличившихся по результатам комплексной оценки лучшим сочетанием параметров Sgi и bi (минимальное значение в опыте): 137Сs - Mei Qing Choi и Сыюсман, 90Sr - Бае-цин-тацай и Сыюсман.

Таким образом, образец Wheite Longe Petiole обладает комплексной устойчивостью накопления 137Сs и 90Sr, а образец Сыюсман стабильной устойчивостью уровня содержания 90Sr и 90Sr.

Капуста пекинская. Комплексная оценка результатов эколого-географического испытания по результатам трехлетнего изучения, показала, что наиболее низким уровнем содержания 137Cs отличаются образцы Toxoky F1 Фуку-хоу и Oogata Santousai. Накопителями его в наибольшей степени являются образцы Хибинская и особенно Hiroshima haruna (табл. 3.6.10).

Наиболее устойчивы к накоплению радионуклидов 90Sr сортообразцы – Kurihara shantung и Miсhihli, наименее - Toxoky F1 Фуку-хоу. Экологическая изменчивость уровня содержания 137Сs в основном высокая (до 63,04%). В то же время один образец средне изменчив и может служить источником экологической устойчивости при селекции: Kurihara shantung.

Особенностью проявления экологической изменчивости по 90Sr является то, что показатели её несколько ниже таковых по 137Сs: минимальный уровень выявлен у образца Kurihara shantung. Остальные характеризуются большей неустойчивостью уровня содержания 90Sr. Наиболее отзывчив на изменение условий среды - Hiroshima haruna (табл. 3.6.10).

По накоплению 137Сs только два из шести образцов высоко отзывчивы на изменение условий среды, bi у них 1 (табл. 3.6.10). Наименее отзывчивыми на изменение условий выращивания по годам оказались образцы Toxoky F1 Фуку-хоу (bi= -0,2) и Хибинская (bi=0,11). Оптимальное сочетание низкого уровня содержания 137Сs и экологической устойчивости этого показателя отмечено у образца Toxoky F1 Фуку-хоу. По накоплению 90Sr три из шести образца высоко отзывчивы на изменение условий среды. Наименее отзывчивым на изменение условий выращивания по годам оказался образец Kurihara shantung (bi=0,57). Этот же образец оптимально сочетает низкий уровень содержания 90Sr и экологической устойчивости.

Источником стабильности уровня накопления 137Cs и 90Sr может служить образец Kurihara shantung, низкого уровня содержания 137Cs – Toxoky F1 Фуку-хоу, Oogata Santousai и низкого уровня содержания 90Sr – Miсhihli и Kurihara shantung.

Таким образом, выделенные источники на низкий уровень содержания радионуклидов отличаются по 137Сs и 90Sr, а образец Kurihara shantung является источником стабильной устойчивости уровня содержания как 137Сs, так и 90Sr.

При проведении специального эксперимента по выявлению уровня накопления радионуклидов 137Сs и 90Sr генотипов овощных культур, резко различающихся по морфологическим признакам (цвет луковицы, форма корнеплода и т.п.), мы проводили сопутствующие наблюдения. При этом комплексная оценка результатов эколого-географического испытания (Москва, Брянск, 2011-2013 годы), по результатам трехлетнего изучения позволила выделить исходный материал на минимальное накопление радионуклидов и по этим культурам.

Капуста белокочанная. По результатам изучения, более низким уровнем содержания 137Cs и 90Sr отличается сорт Амагер 611. Накопителем радионуклидов в наибольшей степени проявился сорт Слава 1305.