АГРОХИМИЯ, 2007, № 5, с. 85-88
УДК 631.4452:633.358:546.49
ДИНАМИКА СОДЕРЖАНИЯ РТУТИ В СИСТЕМЕ ПОЧВА-РАСТЕНИЕ
(НА ПРИМЕРЕ ПЕЛЮШКИ)
© 2007 г. С. Г. Скугорева, Т. К. Головко
Институт биологии Коми научного центра УрО РАН 167982 Сыктывкар, ул. Коммунистическая, 28, Россия E-mail: skugoreva@ib.komisc.ru Поступила в редакцию 02.11.2006 г.
Исследована динамика содержания ртути в системе почва-растение в вегетационном опыте. Валовое содержание ртути со временем уменьшается при внесении в почву нитрата ртути(П) в дозах 10 и 50 предельно допустимых концентрации ртути. Большая часть ртути переходит в летучие формы и испаряется. Содержание элемента в растениях пелюшки зависит от его концентрации в почве. Доля выноса ртути растениями составляет 0.38-1.4% от исходного содержания в почве. По накоплению ртути пелюшка - растение со стратегией эксклудера: в основном ртуть концентрируется в корнях, что приводит к ингибированию их роста.
ВВЕДЕНИЕ
В результате хозяйственной деятельности человека нередко происходит загрязнение окружающей среды. Среди загрязнителей особую опасность представляют тяжелые металлы (ТМ), обладающие высокой токсичностью и кумулятивностью [1]. В соответствии с ГОСТ 17.4.1.02-83 по степени токсического действия на биоту ртуть относится к первому классу опасности [2]. Ионы ртути способны нарушать биохимические процессы любого организма в результате связывания сульф-гидрильных групп белков [3].
Значительная доля ТМ, загрязняющих природную среду, аккумулируется в почве. Поведение ртути в почве обусловлено большим разнообразием образуемых ей химических соединений. В верхнем горизонте почвы ионы ртути образуют комплексы с гумусовыми веществами - гумино-выми и фульвокислотами [4]. Обилие функциональных групп в сочетании с ароматическими фрагментами обеспечивают высокую реакционную способность гумусовых веществ по отношению к ТМ. В анаэробных условиях нижнего горизонта почвы ртуть(П) переходит в нерастворимую и неподвижную форму - сульфид ртути HgS [5].
Важным свойством ртути является ее способность к трансформации при участии микроорганизмов или абиотическим путем [6]. При внесении в почву ртути в виде неорганических солей она может переходить в летучие соединения - элементарную ртуть, диметилртуть, которые попадают в атмосферу [5]. Кроме того, возможно образование самой токсичной формы ртути-ионов метил-ртути (СН3^+). Метилртуть легко проникает через биологические мембраны и может накапливаться в биологических системах [7, 8]. Таким
образом, в загрязненной почве ртуть(П) существует в нескольких формах: ионы ртути(П), элементарная ртуть, ионы метилртути, комплексы с гуминовыми и фульвокислотами, сульфид ртути.
Из почвы ртуть поступает в растения, где может аккумулироваться. Большую опасность представляет ее накопление сельскохозяйственными культурами, используемыми человеком в пищу и в качестве корма для животных [2]. Для решения вопросов качества сельскохозяйственной продукции необходимо иметь достоверную информацию о поступлении и накоплении ТМ в растениях.
Целью нашей работы было выявить закономерности изменения содержания ртути в системе почва-растение при загрязнении подзолистой почвы нитратом ртути(П).
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Опыты проводили с растениями пелюшки (Pisum апете L.) сорта Надежда. Известно, что бобовые способны поглощать из питательной среды значительные количества ртути [5]. Растения выращивали в сосудах Митчерлиха, которые набивали почвой по 5 кг и закапывали вместе с поддонами в почву. Использовали верхний 15 см слой типичной среднеокультуренной подзолистой почвы со следующими характеристиками: рНкс1 5.6 ± 0.1, рНн о 6.0 ± 0.2, содержание гумуса
1.55%. Содержание ртути в почве составляло 1.17 ± 0.03 мг/кг сухой почвы. В почву вносили питательные элементы (^ Р, К) в виде диаммофоски и аммиачной селитры из расчета ^60Р120К120 [9].
Загрязнение почвы создавали внесением моногидрата нитрата ртути(П) (НР) - ^(N0^ • Н20
Hg, мг/кг сухой почвы 100
80
60
40
20
0
10 ПДК
50 ПДК
Рис. 1. Динамика валового содержания ртути в почве: 1 - 0, 2 - 15, 3 - 40 сут после появления всходов пе-люшки.
из расчета 36 и 179 мг соли на кг сухой почвы. Это соответствовало содержанию 10 и 50 предельно допустимых концентраций (ПДК) ртути в почве. ПДК ртути равна 2.1 мг/кг сухой почвы [10]. Считается, что при дозе 1 ПДК не происходит накопления ощутимых количеств данного элемента в сельскохозяйственной продукции. НР вносили: непосредственно перед посевом семян и через 10 сут после появления первых всходов. Контрольные растения выращивали в сосудах с почвой без внесения НР. Семена пелюшки предварительно в течение двух суток замачивали в чашках Петри при комнатных условиях, затем высаживали по 18 наклюнувшихся семян на сосуд. Полив растений осуществляли по мере необходимости водопроводной водой.
Валовое содержание ртути в почве и растениях определяли методом атомно-абсорбционного спектрального анализа на анализаторе ртути РА-915+. Для измерения массовой доли общей ртути в почве использовали методику, разработанную НПФ АП "ЛЮМЕКС" [11]. Применение этой методики
Таблица 1. Валовое содержание ртути ] люшки, мг/кг сухой массы
растениях пе-
Орган Контроль 10 ПДК 50 ПДК
15-дневные растения
Корни 3.4 ± 0.3 399 ± 41*** 1116± 89***
Побеги 6.6 ± 0.6 45 ± 0.1*** 108±9***
40-дневные растения
Корни 4.6 ± 0.2 289 ± 4*** 1180± 110***
Побеги 4 ± 0.6 9.2 ± 1.3* 21 ± 3**
Листья 2.4 ± 0.1 2.8 ± 0.2 7.3 ± 0.1***
Стебли 1.8 ± 0.1 3.4 ± 0.1*** 11± 1***
* Различия между опытом и контролем достоверны при р < 0.05. ** Достоверно при р < 0.01. *** Достоверно при р < 0.001.
определения ртути в растениях затруднено из-за большого количества органического вещества в растительных образцах и отсутствия стандартов с высоким содержанием ртути. Чтобы адаптировать методику применительно к растениям, мы добавляли в растительные пробы мелкорастер-тый кварц в соотношении 1 : 20.
Определения линейного роста, накопления биомассы растений, валового содержания ртути в почве и растениях проводили через 15 и 40 сут после появления всходов пелюшки. Для определений отбирали по 40 растений каждого варианта. Полученные данные обрабатывали с использованием стандартных статистических методов. На рисунках и в таблицах приведены средние арифметические величины со стандартным отклонением. Сравнение показателей проводили с использованием критерия Стьюдента.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Со временем содержание ртутн в почве заметно изменилось (рис. 1). Так, уже на 15-е сут после появления всходов количество ртути в почве в обоих вариантах отличалось от исходного. Ее содержание было в 1.3 и 2 раза меньше, чем до всходов, при внесении 10 и 50 ПДК ртути соответственно. Через 40 сут после появления всходов пелюшки содержание ртути в почве снизилось еще в 2 раза по сравнению с предыдущим периодом.
Поглощенная корневой системой ртуть поступает в растение и распределяется по органам. Наибольшее количество ртути аккумулировали корни пелюшки (табл. 1). Через 15 сут после появления всходов при дозе 50 ПДК ртути валовое содержание элемента в корнях было в 10 раз выше, чем в побегах. В корнях 40-суточных растений содержалось в 100-150 раз больше ртути, чем в листьях и стеблях. При высоких дозах корни пелюшки способны концентрировать этот элемент в десятки раз больше по сравнению с содержанием в почве. С течением времени в связи с ростом и накоплением биомассы содержание ртути в растениях уменьшалось, за исключением корней в варианте с 50 ПДК. Аккумуляция ртути в корнях - защитный механизм от токсических доз ТМ, действующий на уровне растительного организма.
Судя по накоплению ртути, пелюшку можно отнести к растениям-эксклудерам. Согласно классификации Baker [12], эксклудеры характеризуются низкой концентрацией металла в побегах в широком диапазоне внешних концентраций. Соотношение концентраций ртути побег/корень меньше 1. Корень играет роль барьера на пути проникновения избыточных количеств элемента в наземную часть растения до критических концентраций ионов металла в среде, выше которых начинается неограниченное поступление в растение.
1
2
3
ДИНАМИКА СОДЕРЖАНИЯ РТУТИ В СИСТЕМЕ ПОЧВА-РАСТЕНИЕ Таблица 2. Влияние ртути(11) на рост растений пелюшки
Орган Длина, см Сырая биомасса, г/растение
контроль 10 ПДК 50 ПДК контроль 10 ПДК 50 ПДК
15-дневные растения
Корень 13.4 ± 1.0 11.0 ± 1.1 10.5 ± 0.9* 0.50 ± 0.04 0.37 ± 0.05* 0.33 ± 0.04*
Побег 30.6 ± 2.8 33.6 ± 3.0 31.9 ± 4.5 3.08 ± 0.91 2.86 ± 0.47 3.37 ± 0.70
40-дневные растения
Корень 14.4 ± 1.2 14.8 ± 1.2 11 ± 0.9* 0.54 ± 0.12 0.60 ± 0.13 0.63 ± 0.19
Побег 84.5 ± 5.8 80.8 ± 8.7 86.2 ± 5.8 13.4 ± 3.0 16.8 ± 3.7 18.1 ± 4.1
* Различия между опытом и контролем достоверны при р < 0.05.
ТМ вызывают перестройку метаболизма рас- дневных растений в вариантах с 10 и 50 ПДК рту-
тений, ингибирование энергоемких анаболиче- ти сырая масса корня была соответственно ниже
ских процессов, что приводит к торможению ро- по сравнению с контролем на 26 и 34%. При дей-
ста. Более сильное влияние ионы ртути оказывали ствии 50 ПДК ртути длина корня растений снижа-
на рост корня, чем на рост с побега (табл. 2). У 15- лась на 20-25%.
0.38%
10 ПДК
50 ПДК
0.67%
15 сут
1.41%
15 сут
40 сут 0.75%
40 сут
Рис. 2. Динамика содержания ртути(11) в системе почва - растение - атмосфера, % от исходного содержания ртути ] почве.
Большая чувствительность корневой системы к действию ртути объясняется прямым контактом с токсикантом и барьерной функцией. В животноводстве пелюшка используется в качестве зеленого корма для сельскохозяйственных животных. При скашивании наземной массы пе-люшки корни, имеющие высокое содержание ртути, остаются в почве, что создает угрозу концентрирования токсиканта в верхних слоях.
Между валовым содержанием ртути в растениях пелюшки и в почве существует положительная корреляционная связь (коэффициент корреляции 0.99).
Как уже было отмечено, в почве ртуть способна трансформироваться в летучие формы. В литературе есть данные [13], согласно которым при примене
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.