АГРОХИМИЯ, 2010, № 9, с. 77-87
Экотоксикология
УДК 546.56:546.47:633.739:631.445.51
НАКОПЛЕНИЕ МЕДИ И ЦИНКА РАСТЕНИЯМИ КЛЕВЕРА ГИБРИДНОГО {TRIFOLIUM HYBRIDUM L.) ИЗ ИСКУССТВЕННО ЗАГРЯЗНЕННОЙ ТЕМНО-КАШТАНОВОЙ
ПОЧВЫ
© 2010 г. М.С. Панин, М.Т. Койгельдинова
Семипалатинский государственный педагогический институт 071410 Семей, ул. Танирбергенова, 1, Республика Казахстан E-mail: pur@sgpi.kz
Поступила в редакцию 30.12.2009 г.
В вегетационных опытах изучено накопление Cu и Zn 4-недельными растениями клевера гибридного (Trifolium hybridum L.) при разных дозах загрязнения тяжелыми металлами (ТМ) темно-каштановой почвы. Показано, что растения Trifolium hybridum L. устойчивы к ТМ, но не подходят для эффективной фитоэкстракции меди и в большей степени - цинка. Обсуждается зависимость между формами Cu и Zn в почве, величинами их коэффициентов накопления и биомассы растений.
Ключевые слова: медь, цинк, клевер гибридный Trifolium hybridum L., загрязнение тяжелыми металлами, темно-каштановая почва.
ВВЕДЕНИЕ
В условиях техногенного загрязнения окружающей среды очистка почвы от избытка тяжелых металлов (ТМ) особенно актуальна. Известно, что существуют различные методы рекультивации загрязненных почв. К ним относятся известкование, внесение органических удобрений, использование сорбент-мелиорантов, вымывание загрязнителей специальными растворами, снятие загрязненного слоя и подсыпка чистой почвы, не содержащей пол-лютантов. Механизм действия большинства перечисленных методов заключается в закреплении ме-таллотоксикантов в почве и создании условий, при которых возможна минимизация образования мобильных форм ТМ и поступления их в трофические цепи. В последнее время получил развитие фито-ремедиационный способ детоксикации загрязненных почв с помощью растений-гипераккумуляторов. Механизм данного метода реабилитации почв, напротив, заключается в создании благоприятных условий для образования мобильных форм ТМ, которые могут легко усваивать некоторые виды растений и накапливать их. При постоянном удалении биомассы гипераккумуляторов можно достичь вывода токсиканта из естественного круговорота [1]. При этом растения-фиторемедиаторы должны быть толерантными к ТМ, обладать быстрым ростом, отличаться большой биомассой и неприхотливостью к возделыванию, а также представлять абориген-
ную флору и обладать высокой степенью извлечения ТМ из почвы [2].
Медь и цинк являются очень важными микроэлементами, их функции связаны с процессами поглощения и энзиматическими реакциями. Эти микроэлементы являются биологически значимыми при низких содержаниях, с одной стороны, а с другой -опасными токсикантами для живых организмов при высоких концентрациях [3, 4].
Цель работы - оценка возможности экстракции Cu и Zn клевером гибридным (Trifolium hybridum L.) из искусственно загрязненной темно-каштановой почвы в условиях вегетационного опыта, а также изучение влияния различных доз ТМ при моно- и полиэлементном загрязнении на трансформацию соединений Cu и Zn в системе почва-проростки клевера.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Объектами исследования служили образцы пахотного горизонта темно-каштановой почвы Семипалатинского Прииртышья Республики Казахстан. Были определены следующие физико-химические показатели данной почвы: содержание гумуса по методу Тюрина со спектрофотометрическим окончанием, рН водной суспензии - потенциометриче-ским методом со стеклянным электродом, содержание обменных оснований, гранулометрический состав почвы по Качинскому [5], а также оценена
буферная устойчивость почвы к загрязнению ТМ по Ильину [6]. В качестве опытной культуры был использован клевер гибридный (Trifolium hybridum L.) - одна из наиболее важных и распространенных кормовых бобовых культур в регионе. Почву предварительно просеивали через сито с диаметром отверстий 3 мм, тщательно перемешивали и загружали по 1 кг в пластмассовые сосуды. Для моделирования моноэлементного загрязнения нитраты всех элементов в виде водных растворов вносили в почву раздельно, полиэлементного - совместно. Дозы металлов соответствовали 1, 3, 5 ПДК [7, 8] в перерасчете на металл: Cu = 100, 300, 500 мг/кг, Zn = 300, 900, 1500 мг/кг, Cd = 3, 9, 15 мг/кг, Pb = = 32, 96, 160 мг/кг воздушно-сухой почвы. Выравнивание по азоту фоновым удобрением не проводили. Варианты полиэлементного загрязнения обозначены как варианты 1, 2, 3 соответственно увеличению доз металлов. Почву выдерживали в течение 7 сут при комнатной температуре при полной полевой влагоемкости. Постановка вегетационных опытов проведена по методике Журбицкого [9]. Сбор растений производили через 4 нед. В растениях валовое содержание меди и цинка определяли после сухого озоления в муфельной печи при температуре 400-500°С с последующим растворением золы в концентрированной соляной кислоте. Количество подвижных и потенциально подвижных форм ТМ в почве оценивали по содержанию элемента, переходящего в раствор бидистилированной воды (водорастворимая форма), ацетатно-аммонийного буфера рН 4.8 (обменная форма) и 1н. раствор HCl (кислоторастворимая форма). Содержание Cu и Zn в почвенных и растительных образцах определяли химическим методом по методике Ринькиса [10] с фотоколориметрическим окончанием. Повторность опыта трехкратная. Статистическую обработку результатов проводили с использованием стандартных методов по программе Excel-2007. Достоверность различий между вариантами опыта оценивали при помощи i-критерия Стьюдента [11].
Для характеристики распределения элемента между живым веществом и абиотической средой рассчитывали коэффициент биологического поглощения (КБП):
КБП = Ср : С,
где Ср - содержание элемента в золе растений, Св - валовое содержание элемента в почве [12]. Для оценки количественного показателя перехода Cu и Zn из почвы в растения Trifolium hybridum L. использовали коэффициент накопления (Кн), который рассчитывали по формуле:
Кн = Ср : Сподв,
где Ср - содержание элемента в растении, Сподв - содержание подвижной формы металла в почве [13].
По физико-химическим свойствам изучаемая темно-каштановая почва была нейтральной (рН 7.11), содержание гумуса - 2.57%, доля физической глины составила 15.7%, илистой фракции - 10.2%, ЕКО - 9.63 мг-экв/100 г почвы. Степень буферности почвы к загрязнению ТМ, определенная по величине указанных физико-химических показателей, была средней.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты вегетационного опыта показали, что моноэлементное загрязнение, а также полиэлементное загрязнение в 3 и 5 ПДК оказали значительный фитотоксический эффект на растения Trifolium hybridum L. В варианте загрязнения цинком в дозе 5 ПДК отсутствовали даже всходы растений. При полиэлементном загрязнении в 3 и 5 ПДК незначительное количество семян прорастало, но затем на листьях появлялись желтые пятна, стебли истончались и через 15-18 сут растения погибали. При этом они были карликового размера.
Наибольшая биомасса растений Trifolium hybridum L. была отмечена при загрязнении почвы Pb (1 ПДК), Cd (3 ПДК), при этом воздушно-сухая масса составила 1.70 и 1.62 г/растение соответственно (рис. 1). Таким образом, кадмий и свинец в данных концентрациях оказывали стимулирующее воздействие на рост и развитие растений клевера. Выявленные закономерности согласуются с данными ряда исследователей о стимулирующем воздействии малых доз кадмия и свинца на рост и развитие растений [14-17]. Необходимо отметить, что в наибольшей степени подавление прироста биомассы надземной части растений наблюдали при цинковом загрязнении.
Показано, что полиэлементное загрязнение оказалось наиболее губительным для растений Trifolium hybridum L., поскольку, начиная со среднего уровня данного вида загрязнения (3 ПДК), отмечена их гибель.
Известно, что растения в первую очередь поглощают из почвы ТМ, находящиеся в водорастворимой и обменно-сорбированной форме. Поэтому необходимо изучать влияние не только содержания валовых ТМ, но и их биологически доступных форм.
В исходной темно-каштановой почве общее содержание меди составило 17.5 мг/кг, что было близко по содержанию к кларку элемента в почве (20 мг/кг), в 2.7 раза меньше кларка в литосфере
1.8-
I 1-6Н
о л>
са
Я
1.4-
1.2-
со Ь i,
В" 0.8
0
1 06
я
8 0.4-И
I
0.2 0
^ V . > V > . > .
с? с? с? V V & & & <° я4'
□ Надземная часть ■ Корни
О0
<f <?
Рис. 1. Воздушно-сухая масса растений Trifolium hybridum L. при различных видах моноэлементных и полиэлементных загрязнений.
(47 мг/кг) [14] и в 5.7 раза меньше ПДК (100 мг/ кг). Валовое количество Zn составило 36.0 мг/кг, что было в 1.4 раза меньше кларка элемента в почве (50 мг/кг), в 2.4 раза меньше кларка в литосфере (85 мг/кг) и в 8.3 раза меньше ПДК (300 мг/кг). В исследуемых почвах для форм соединений Си и Zn в абсолютном и относительном выражении содержания был характерен следующий ряд форм: водорастворимая < обменная < кислоторастворимая. При этом относительное содержание Си увеличивалось от 1.14 до 20.3%, Zn - от 2.50 до 15.8%.
Показано, что моно- и полиэлементное загрязнение влияло на валовое содержание, а также характер распределения мобильных форм Си и Zn в почве. При моно- и при полиэлементном видах загрязнения исходное соотношение форм соединений исследуемых металлов изменилось. При всех видах и уровнях загрязнения накопление форм элементов происходило так же, как и в контроле: содержание элементов увеличивалось от водорастворимой формы к кислоторастворимой.
При медном загрязнении почвы (от 1 до 5 ПДК) показатели валового содержания Си увеличивались относительно контроля соответственно в 6, 17, 28 раз (табл. 1). Содержание водорастворимой, обменной, кислоторастворимой форм (% от валового) в вариантах опыта увеличивалось от 0.23 до 69.4, от 0.47 до 73.4, от 0.68 до 92.8% соответственно (рис. 2).
По мере увеличения цинкового загрязнения почвы отмечено увеличение содержания всех форм меди относительно фона (мг/кг): водорастворимой - от 1.10 до 2.45 раза, обменной - от 1.06 до 2.02, кислоторастворимой - от 1.24 до 1.26 раза. Из дан-
ной последовательности видно, что при внесении Zn подвижность Си увеличивалась. Увеличение содержания
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.